双效和多效甲醇精馏工艺的对比

2020-11-05石莉莉刘艳军华陆工程科技有限责任公司西安710065

化工设计 2020年5期

刘艳杨龙石莉莉刘艳军华陆工程科技有限责任公司西安 710065

甲醇精馏是甲醇装置中一个很重要的环节。粗甲醇通过精馏除去不凝气、轻组分和烷烃等，生产出甲醇产品。甲醇精馏的能耗(特别是蒸汽消耗和循环水消耗)占整个甲醇装置消耗的20%[1]。因此，甲醇精馏的节能一直是人们研究的热点[2,3]。

甲醇精馏工艺主要有两塔、四塔双效和五塔多效流程。

两塔精馏采用两个精馏塔，没有热集成，对热量的利用率低，能耗较大，在大型甲醇装置中已逐步被取代[4]；四塔双效精馏又称为“3+1塔流程”，采用预塔、高压塔、常压塔和回收塔的组合，高压塔和常压塔采用双效热集成操作，实现了热量的综合利用，降低了能耗，在国内、外各种规模的甲醇装置中有着广泛应用；近年来，随着甲醇精馏工艺的不断研究和发展，五塔多效精馏工艺已经开始运用[5]，其采用了多效热集成，对热量的利用率更高，能耗更低。本文通过实例主要对四塔双效精馏(以下简称四塔工艺)和五塔多效精馏(以下简称五塔工艺)的工艺、能耗和投资等方面进行对比分析。

1 精馏工艺简介

1.1 四塔工艺

甲醇精馏系统由预塔、高压塔、常压塔和回收塔组成。预热后的粗甲醇在预塔中除去不凝气和轻组分，然后依次进入高压塔、常压塔和回收塔进行精馏。高压塔、常压塔和回收塔顶各馏出物混合、冷却后作为甲醇产品。回收塔侧线采出杂醇油，常压塔和回收塔底排出废水。为降低操作能耗，高压塔和常压塔采用双效热集成操作，利用高压塔顶气相给常压塔釜提供所需热量，节省了一个冷凝器和一个再沸器的能耗。工艺流程见图1。

图1 四塔工艺流程图

1.2 五塔工艺

甲醇精馏系统由预塔、常压塔、低压塔、高压塔和末塔组成。预热后的粗甲醇在预塔中除去不凝气和轻组分，然后依次进常压塔、低压塔、高压塔和末塔。常压塔、低压塔、高压塔和末塔塔顶各馏出物混合、冷却后作为甲醇产品。末塔侧线液相采出杂醇油，塔釜排放废水。为降低操作能耗，常压塔、低压塔、高压塔三塔之间热集成，低压塔塔顶气相为常压塔釜提供所需热量；高压塔塔顶气相为低压塔釜提供所需热量；预塔和末塔两塔之间热集成，末塔塔顶气相为预塔釜提供所需热量[5]。工艺流程见图2。

图2 五塔工艺流程图

2 实例分析

以某煤制甲醇项目为例，项目规模为60万吨/年精甲醇，甲醇产品符合中国工业用甲醇标准(GB338-2011)优等品，操作时间8000小时/年，做四塔工艺和五塔工艺的对比。由于地处水资源匮乏地区，两种精馏工艺的预塔一级冷凝器和常压塔顶冷凝器均采用空冷器。

原料粗甲醇的组成和流量见表1。

表1 粗甲醇组成和流量

2.1 精馏塔操作参数对比

两种工艺的塔操作参数见表2。

表2 甲醇精馏塔操作参数对比表

从表2可以看出，五塔工艺高压塔的操作压力和温度较低。这是因为五塔工艺高压塔利用塔顶气相加热低压塔釜的甲醇，而四塔工艺高压塔顶气相加热常压塔釜的废水。甲醇的沸点低于水，因此五塔工艺高压塔需要提供的热量降低，操作压力和温度可适当降低，有利于降低塔的设备成本。

2.2 精馏塔尺寸对比

两种工艺的塔操作参数见表3。

表3 甲醇精馏塔尺寸对比表

从表3可以看出，五塔工艺的高压塔和常压塔的尺寸较小。这是因为四塔工艺的甲醇产品从高压塔、常压塔和回收塔三个塔采出，单塔采出量大。而五塔工艺的甲醇产品从常压塔、低压塔、高压塔和末塔四个塔采出，单塔采出量小，这样降低了塔的负荷，塔的单体尺寸变小。

从设备重量来看，五塔工艺是四塔工艺的1.21倍，设备成本偏高。

2.3 公用工程消耗对比

四塔工艺的高压塔和常压塔采用双效热集成操作，相对两塔精馏大幅降低了蒸汽和循环水消耗。五塔工艺的预塔与末塔采用双效热集成操作，常压塔、低压塔和高压塔采用三效热集成操作，进一步将消耗降低。两种工艺的公用工程消耗对比见表4，公用工程价格见表5。

表4 公用工程消耗对比表

表5 公用工程价格

从表4可以看出，五塔工艺蒸汽消耗明显低于四塔工艺，蒸汽节能37%，循环水节能45%，空冷器用电节能40%，泵用电略高14.6%。五塔工艺的运行成本是四塔工艺的0.64倍。蒸汽和循环水量的减少是因为采用了多效热集成，降低了能耗。由于塔数量的增加使单塔操作能耗降低，预塔和常压塔顶空冷器热负荷降低，空冷器台数从32台减少到20台，空冷器用电量减少。泵用电量增加是因为四塔工艺的粗甲醇流向是预塔-高压塔-常压塔，而五塔工艺改成了预塔-常压塔-低压塔-高压塔-末塔，从压力低的塔向压力高的塔的物料输送泵增加，导致泵的用电量增加。