甲醇单效精馏与双效精馏的能耗比较研究

2020-06-20谷志杰

化工设计通讯 2020年6期

关键词：沸器精馏塔甲醇

谷志杰

（北京石油化工工程有限公司西安分公司，陕西西安 710015）

在化工生产中最主要的内容就是精馏，精馏在生产的时候会消耗很多的能量。多效精馏就是把一个精馏分解成多个串联精馏的过程，以更好地利用能量资源，多效精馏现在也已经成为最先进的精馏设计理念。

1 甲醇

1.1 甲醇介绍

甲醇是一种无色、透明有乙醇气味的易挥发液体，甲醇能和水互溶，非常容易燃烧，其蒸汽能和空气形成一种爆炸性的混合物。

1.2 甲醇用途

（1）甲醇可以制作成甲醛，现在我国大部分生产出来的甲醛需要的原料都是甲醇。甲醇经过催化氧化会变成甲醛，过氧的甲醇会和空气反应产生甲醛气体，之后溶于水形成甲醛溶液。

（2）甲醇和一些催化剂反应会生成甲基叔丁基醚，以甲醇和异丁烯为主，利用催化剂进行制取。

（3）甲醇氨解制甲胺，现在有很多高压合成分离的方法。甲胺主要用在农药上，现在这种有机磷农药正在开始代替一些毒性比较高的农药进行使用。

（4）甲醇还能够合成一些其他甲酯，这些甲酯能够作为溶剂或者是助剂来帮助生产。

（5）甲醇还能够制成一些烯烃，现在越来越多的人为此进行研究，甲醛制成烯烃的过程就是把放热过后的甲醇通过转化反应和吸热之后的反应结合在一起，这样可以平衡热效应，进而可以相应的控制热量，节约更多的能量，并且还能够和烯烃等物质结合在一起。

（6）甲醇还能生成碳酸二甲酯，碳酸二甲酯是一种无毒性、绿色的化工原料，是一种比较有机的中间体，除此之外还可以生产聚碳酸酯，在很多行业现在已经被广泛的应用。

（7）甲醇还能直接用作甲醇染料电池，这种电池在使用的过程中运行的温度比较低，可以直接的作为一种电解质燃料电池使用。

（8）甲醇还能用作氢能，氢能是现实生活中比较理想的一种清洁能源，在未来也会成为比较好的高节能染料，转化完成之后能够有效地解决目前存在的困难，现在人们已经重点开始研究这方面的使用。

（9）甲醇还能够促进单细胞水藻的新陈代谢，用不同浓度的甲醇溶液喷在农作物上，能够大量的增产，同时农作物在这种情况下还能长得非常的茂盛，使用完成之后就可以减少灌溉的情况。

现在甲醇市场发展得越来越好，已经成为第四个重要的有机化工原料，现在也已经成为天然气的主要原料。甲醇发展最好的时期就是20世纪90年代，成为了汽油的主要成分，但是在21世纪之后美国发现了大量的污染水，开始禁止在汽油中添加甲醇，这样就影响了甲醇的发展。

2 双效精馏流程的能源利用

双效精馏的主要原理就是通过重复利用能量的方式来提高精馏的热力效应。精馏系统由很多的塔组成，高压力的塔顶能够成为低压力塔顶再沸器的热源。低压力塔的再沸器能够成为高压力塔的冷凝器。通过这样回收利用的方式能够在很大程度上节约精馏装置的能耗。双效精馏根据加热蒸汽和物流的流向能够分成3种不同的工艺流程。

2.1 双效顺流的精馏流程

顺流操作就是让物料进入到高压塔里面分离之后把高压塔的物料作为低压塔的原料再次进行精馏，工作蒸汽在工作的时候只承担输入高压塔再沸器的作用，高压塔产生的塔顶蒸汽成为低压塔再沸器的热源，最后再进行冷却、回流处理。

2.2 双效平流的精馏流程

双效平流就是精馏操作流程和顺流精馏操作流程有不同的物料走向，平流主要是通过进料得到甲醇和水，工作蒸汽的走向大致和顺流相同，只负责输入高压塔的再沸器里面。对于双效顺流和双效平流的精馏流程，因为底下排出来的都是水，所以温度也会有一定的升高，这个时候高压塔就是在压力比较大的情况下进行工作，高压塔再沸器工作的时候蒸汽压力要求也就比较高，这个时候物料里面如果存在一些微量杂物，温度高的操作就会出现杂质的分解和变质。

2.3 双效逆流精馏操作

双效逆流精馏操作就是物料从低压塔中进料，之后作为高压塔的进料，加热蒸汽从高压塔再沸器进入，之后再成为低压塔再沸器的热源。因为低压塔里面的甲醇比较高，所以这个时候低压塔再沸器加热之后的高压塔的温度也会出现下降。

3 建立甲醇精馏工艺模型内容

在甲醇精馏的时候会提前设计好一个预精馏塔，预精馏塔能够在工作的时候去除相应的杂质。为了保证整个过程数据的准确性，在建立甲醇精馏工艺模型的时候需要把预精馏塔省略掉。在整个过程研究的时候还需要忽略少量的杂质，整个过程主要以甲醇-水体系作为研究对象。在相同状态下，建立甲醇单效精馏和双效精馏的模型，表1为某公司的工况数据。

表1 工况数据表

3.1 建立双效精馏过程模型

图1是某公司甲醇装置精馏系统的双效精馏过程模型工艺流程图。

图1 双效精馏过程模型图

整个工艺流程步骤为：粗甲醇经过预精馏塔之后会减轻一部分的杂质，进入加压塔之后再一次分离，这个时候能分解出99.9%的精甲醇蒸汽，最后通过常压塔再沸器对物料进行冷凝，这个时候一部分会进入到产品罐中，剩下的一部分会进入到加压塔顶部回流。加压塔顶部回流里面的物料在常压塔之后会继续分离、冷凝，最终得到产品精甲醇，底部物料通过再沸器和加压塔顶部气相物料换热，最后常压塔里面的底部热源，去生化系统进行处理。整个精馏系统中唯一的热量消耗量就是加压塔再沸器的蒸汽使用量，常压塔顶部冷凝器的冷却水使用的量就是冷量消耗量。加压塔和常压塔的相关数据见表2。

表2 加压塔和常压塔数据表

根据图上的数据内容分析能够得出以下的结论：加压塔顶部的物料冷凝之后能够完全满足常压塔底部需要的热量。

3.2 建立单效精馏过程的模型

在进行对比的时候某公司又用相同的条件建立了单效精馏系统工艺模型。图2是建立完成的工艺流程示意图。

工艺流程：首先粗甲醇通过预精馏塔的帮助先除去一部分的杂质，之后进入甲醇精馏塔分离，分离出来的精甲醇通过塔顶收集到产品罐中，剩下的从塔底流出，流出之后通过生化系统进行处理。在精馏系统中热量的消耗量主要就是精馏塔再沸器的输入量，冷量的消耗量就是塔顶的冷凝器冷却水的使用量，单效精馏系统模拟计算出来的数据见表3。

表3 单效精馏系统模拟数据表

从表4看出，单效精馏系统需要的热量比塔顶冷凝需要的冷量高。

4 单效精馏和双效精馏的能耗比较

4.1 单效精馏和双效精馏在热公用工程方面的对比与分析

研究发现，某公司的热力系统提供的低压饱和蒸汽表压为0.5MPa，单效精馏蒸汽量为21.5t/h，双效精馏蒸汽量为9.8t/h，对比之后发现单效精馏的蒸汽量要大于双效精馏蒸汽量一倍，这说明双效精馏系统在工作的时候能够降低加压塔里面的采出负荷，这样需要的热量就可以降低一半，在生产的时候通过增加压力提高加压塔顶部的热量，这样再次传递出来的热量就可以进行二次利用。

4.2 单效精馏和双效精馏在冷公共工程方面的对比与分析

某公司在进行生产的时候冷却水上温度能够达到32℃，回水温度能够达到42℃，通过计算发现单效系统里面的冷却水量能够达到1 066t/h，双效精馏系统里面的冷却水量能够达到457t/h。上述数据能够证明单效精馏的冷却量要比双效精馏的冷却量大一倍，这是因为精馏塔顶部气相介质里面的热量大部分都是来源于底部再沸器供给的热量，所以双效精馏系统里面虽然有两个精馏塔，但还是能够算作是一个系统，系统的热输入量减少，输出量也在不断地减少，这样就能够起到节约冷却水的目的。

5 实际工况下双效精馏系统分析

在分析某公司实际工况下双效精馏工艺计算温度和实际温度分析对比时候发现，实际的工艺计算温度和理论的数据值非常接近，实际生产温度和理论生产温度对比数据见表4。

表4 温度数据表

通过表4的数据能够发现，实际数据和理论数据虽然相似，但还是有一定的差距存在，加压塔顶部理论数据比实际的数据高，塔底理论数据要比实际的数据低；常压塔中塔顶温度理论数据要比实际的数据高，塔底理论数据要比实际的数据低。出现这些问题的原因就是有部分的热量从塔底传到了常压塔底部，出现回流量抑制温度，最终导致常压塔顶部出现了一定的微负压环境，最终常压塔顶部实际温度低于理论的数据。