甲醇精馏系统高负荷下的操作控制要点

赵兰刚

［新能凤凰（滕州）能源有限公司，山东 滕州 277527］

新能凤凰（滕州）能源有限公司（简称新能凤凰）有2套360kt／a甲醇装置，其工艺路线为：四喷嘴对置式水煤浆加压气化炉生产的水煤气，经变换、低温甲醇洗后进入甲醇合成系统；甲醇合成系统、甲醇精馏系统各为2套，2套系统并联运行；2套甲醇合成系统产出的粗甲醇分别进入2套甲醇精馏系统（简称精馏Ⅰ系统、精馏Ⅱ系统）进行精馏，甲醇精馏系统采用节能型三塔精馏工艺，精馏后得到的合格产品送罐区贮槽（对外销售）。正常生产中，2套甲醇精馏系统分别与2套甲醇合成系统相对应，也可以相互切换，即一期甲醇合成系统和二期甲醇合成系统的粗甲醇可以互送。

1 节能型三塔精馏工艺简介

新能凤凰2套甲醇精馏系统均采用节能型三塔（预精馏塔、加压精馏塔和常压精馏塔）精馏工艺，三塔所装填填料的种类及规格见表1。

表1 新能凤凰甲醇精馏系统三塔所装填填料的种类及规格

预精馏塔（简称预塔）的主要作用是除去粗甲醇中沸点低的轻组分；加压精馏塔（简称加压塔）、常压精馏塔（简称常压塔）的主要作用是除去粗甲醇中的重组分。预塔有2台再沸器，1台采用0.3MPa蒸汽提供热源，1台采用加压塔的蒸汽冷凝液提供热源；加压塔有1台再沸器，用1.27MPa蒸汽提供热源。三塔精馏工艺能耗较双塔精馏工艺低10%～20%。

2 甲醇精馏系统运行概况

新能凤凰2套甲醇精馏系统年运行时间设计为8000h，目前单套甲醇精馏系统产能为500 kt／a，双套系统为1000kt／a（2015年为提升市场竞争力、增加企业经济效益，对系统进行过技术改造）。

精馏Ⅰ系统于2009年12月开车，精馏Ⅱ系统于2011年10月顺利投产。2套甲醇精馏系统投运以来，运行平稳，出售的精甲醇产品均为优等品；甲醇精馏系统平时均连续运行，遇到设备问题或其他问题时只作短停处理，自运行以来没有出现过因甲醇精馏系统自身的原因而导致前系统降负荷。当甲醇精馏系统自身出现设备问题或其他问题时，粗甲醇一部分进入粗甲醇槽，一部分由另一套甲醇精馏系统予以消化（提高其进料量），在生产系统满负荷运行而只有1套甲醇精馏系统运行的情况下，一期或二期粗甲醇槽可以接受粗甲醇的时间为24～36h。

3 精馏系统高负荷生产实例及易出现的问题

3.1 甲醇精馏系统高负荷生产实例

2018年3月28日11∶30，甲醇合成Ⅱ系统控制室发现常压塔塔顶温度有上涨趋势，13∶00分析常压塔产品水含量高，确认为冷却器（E5208）发生了泄漏；3月29日停精馏Ⅱ系统进行检修，E5208堵管1根。在精馏Ⅱ系统停车检修期间，由于前系统未减负荷，粗甲醇库存量增大，于是将精馏Ⅰ系统进料量提高至85m3／h，精馏Ⅱ系统重启后进料量也提高至85m3／h。3月30日白班（08∶00—16∶00），精馏Ⅱ系统取样分析发现精甲醇产品中乙醇含量高，分别分析加压塔和常压塔精甲醇产品中的乙醇含量，常压塔精甲醇产品中的乙醇含量高达700×10-6。初步判定精馏Ⅱ系统出现了轻微的液悬现象，中班（16∶00—24∶00）分析加压塔产品中的水分在临界点（0.1%）。由于甲醇精馏系统负荷高、回流量大，3月31日时精馏Ⅰ系统、精馏Ⅱ系统均出现液悬现象，常压塔精甲醇产品中乙醇含量为300×10-6。4月1日夜班（00∶00—08∶00），为降低精馏Ⅰ系统、精馏Ⅱ系统常压塔精甲醇产品中的乙醇含量，分别增大了2套甲醇精馏系统常压塔的回流量，常压塔出现严重的液悬现象，精馏Ⅱ系统常压塔精甲醇产品中的乙醇含量高达1000×10-6；4月1日白班降甲醇精馏系统进料负荷至70m3／h，处理液悬现象，中班常压塔精甲醇产品中的乙醇含量恢复正常。

3.2 高负荷生产时易出现的问题

新能凤凰单套甲醇精馏系统正常生产时，粗甲醇进料量为70～80m3／h，此进料量已是甲醇精馏系统的较高负荷，若再遇到粗甲醇库存量大，甲醇精馏系统粗甲醇进料量会提至85m3／h以上，按照逻辑思维惯性，生产操作中会采取增大蒸汽量和加大回流量的做法，如此一来，甲醇精馏系统各塔的负荷会更大，容易破坏其气液平衡。气液平衡是靠调节精馏塔的操作温度、压力及塔板上气液接触情况，并通过每块塔板上气液间的传质和传热而实现的，影响着产品的质量及物料损耗。同时，气液平衡与物料平衡密切相关，物料平衡掌握得好，气液接触好，传质效率高，每块塔板上的气液组成越接近平衡浓度，精馏塔的分离效率就高。简言之，甲醇精馏系统高负荷生产时各精馏塔温度、压力的变化会造成塔板上气相和液相的量相对发生变化，从而破坏原先的物料平衡，进而破坏塔的气液平衡。

另外，甲醇精馏系统高负荷生产时，如果蒸汽量和回流量过大，会造成塔内液体不能顺畅下流，气体受到进料和回流量大的阻碍而上升困难，气液两相不能在填料层内有效接触和传热，最终导致上升气体和下降液体都受阻，即发生液悬，进而导致精甲醇产品质量不合格（水含量高、乙醇含量高、水溶性1＋3通不过）和废水中甲醇含量超标，以及系统能耗增加。

因此，甲醇精馏系统高负荷生产时，增大粗甲醇进料量的同时蒸汽量和回流量不能大幅增加，只能缓慢调整。当然，甲醇精馏系统连续高负荷生产时，蒸汽量和回流量也不能太低，否则会造成塔温上升、重组分上移，同样影响精甲醇产品的质量。

4 甲醇精馏系统高负荷下的操作控制要点

4.1 预塔的操作控制要点

（1）在高负荷情况下，预塔首先要保证塔底的温度（塔顶压力30～32kPa工况下保证塔底温度不低于76℃），塔底温度低会使轻组分被带入加压塔，导致精甲醇酸度值高以及预后甲醇水含量达16%～18%。

（2）预塔加入的萃取水（脱盐水）量不应过大，如果加入萃取水量过大，会导致主精馏塔负荷增大，水和甲醇在从加压塔和常压塔进料口向塔釜下移的过程中增大塔的负荷；而且，萃取水量过大也是导致加压塔和常压塔发生液悬的重要原因。实践经验表明，粗甲醇浓度在94%～95%时，预塔加入的萃取水量以进料量的11%～12%为宜；也可通过观察加压塔塔顶与塔底的温差来加以判断，温差稳定在8～9℃为最佳，温差在10℃以上时就要适当降低预塔萃取水的加入量了。

（3）控制预塔塔顶的放空，在保证预塔二级冷凝冷却器冷却后温度在40～42℃的情况下控制预塔压力在30～32kPa，以此稳定整个预塔的运行。

4.2 加压塔的操作控制要点

（1）蒸汽加入量是加压塔操作控制的要点之一。蒸汽加入量主要依据加压塔塔顶压力来确定，85m3／h以上高负荷进料时，加压塔塔顶压力控制在530～550kPa为宜。加压塔塔顶压力增大，蒸汽加入量需增加，以使塔内热量增大，甲醇和水蒸气上移，利于填料上气液两相的接触；但过高的压力，尤其是高负荷进料时，将不利于液体的向下流动，特别是甲醇精馏系统已运行多年、塔内填料质热传递效率下降的情况下。

（2）回流量是加压塔操作控制的要点之二。加压塔回流量的控制，一是要稳定，尽量稳定在小范围内调整，因为高负荷进料下，回流量调整过大会造成加压塔纵向温度波动，塔底液位也随之波动，进而造成常压塔进料波动，影响常压塔的气液平衡；二是要控制好加压塔回流量的调整节奏，不能因为预塔进料量增加了，就随之增大加压塔的回流量，因为预塔向加压塔的进料已经起到了一部分回流液的作用，高负荷生产情况下，在最佳进料量以上时，加压塔回流量应随预塔进料量的增加而降低，以免发生液悬现象。具体而言，加压塔回流量控制要依据加压塔的纵向温度，塔顶与第2层填料处的温差应控制在1.5～2.0℃，温差小于1.5℃表明回流量偏大，温差大于2℃表明回流量偏小（重组分向上移）。

（3）高负荷情况下，要计算加压塔进料量与加压塔采出量是否匹配，如果采出量过小，要查找原因，看是不是回流量大、塔内压力有缓慢上升的趋势，如有，要及时调整。在加压塔蒸汽加入量和回流量保持稳定的情况下，加压塔塔内压力的缓慢上升表明塔负荷在逐步增大，是液悬发生的前兆，如不及时调整，精甲醇产品会缓慢依次出现水含量高、乙醇含量高、水溶性1＋3通不过的问题。

总之，高负荷情况下，加压塔操作控制观察的要点是其温度和压力，操作控制的要点是其回流量和蒸汽用量。

4.3 常压塔的操作控制要点

（1）回流量是常压塔操作控制的要点之一。常压塔回流量调整的依据有三：一是塔填料与塔板之间的灵敏点温度，常压塔灵敏点温度是反映组分上移和下移的主要参考指标，也是杂醇采出的重要参考指标，灵敏点温度控制在78～80℃为最佳，因为高负荷情况下温度低于74℃时组分已下移至填料和塔板处，不能准确判断组分状况，会发生液体在塔板上的积聚，失去观察灵敏点的价值；二是塔的纵向温度，塔纵向温度及各塔板间的温差是衡量常压塔回流量是否最佳的重要依据，如果2层以上的塔填料没有温差或温差过小，表明常压塔回流量偏大，发生了液悬现象；三是常压塔进料口温度，常压塔和加压塔进料口选择依据的是组分状态，所以对进料口温度的观察很重要，这是辨别组分上移或下移的重要参考。

（2）在高负荷情况下，常压塔塔釜压力与常压塔灵敏点温度是操作控制的2个重要参考点，尤其是两者的结合判断。灵敏点温度下降，塔釜压力增大，甲醇组分下移，如不及时调整，会造成废水中甲醇含量超标，严重时造成整个常压塔纵向温度需长时间降低回流量或是进料量才能提起来。另外，常压塔塔釜压力和常压塔灵敏点温度还是杂醇采出浓度控制的主要参考指标和操作依据，塔釜压力和灵敏点温度稳定可保障杂醇的有效采出和采出浓度稳定。

（3）高负荷情况下，常压塔也要计算进料量与加压塔采出量是否匹配，如果采出量过小，要查找原因，看是不是回流量大，常压塔塔釜压力有无缓慢上升趋势，如有，要及时调整。在加压塔蒸汽加入量和常压塔回流量保持稳定的情况下，常压塔塔釜压力上升和灵敏点温度下降都表明塔负荷在增大，塔填料和塔板不能有效传质传热，操作上没有弹性，精甲醇产品会缓慢依次出现水含量高、乙醇含量高、水溶性1＋3通不过的问题。

总之，高负荷情况下，常压塔操作控制观察的要点是灵敏点温度、塔的纵向温度、进料口温度和塔釜压力，常压塔操作控制的要点是其回流量和杂醇采出量。

5 结束语

如今，人们对甲醇产品质量的要求越来越高，在甲醇精馏系统高负荷运行的情况下，保证精甲醇产品的质量尤为重要。节能型三塔精馏系统生产中，三塔（预塔、加压塔、常压塔）的操作相互影响，尤其是在高负荷情况下，受逻辑思维惯性的影响，甲醇精馏系统进料量加大时我们往往会采取同步加大蒸汽量和回流量的操作方式，如此易导致塔出现液悬现象，进而影响精甲醇产品的质量。希望以上从生产实例出发对甲醇精馏系统高负荷生产时易出现的问题以及高负荷生产时预塔、加压塔、常压塔的操作控制要点的总结，可为业内提供一点参考和借鉴，以利于甲醇精馏系统的高负荷、连续、稳定运行。