甲醇四塔精馏热泵新工艺及其操作条件优化

王 栋

(同煤广发化学工业有限公司，山西 大同 037003)

甲醇是应用最为广泛的有机原料及有机溶剂之一，在我国主要是通过煤炭来合成甲醇[1]。蒸馏过程是化工领域中应用最多的分离手段。在煤制甲醇中，精馏是指将精甲醇从粗甲醇中分离的过程，且精馏过程是煤化工操作中的重点及耗能大户，精馏工艺的优劣直接关系到甲醇产品质量及全流程的能耗[2]。因此，通过分析工艺流程的特点与不足，改进精馏工艺，实现精馏过程的节能降耗显得尤为重要。

1 甲醇四塔精馏工艺

1.1 流程简述

就甲醇精馏技术的发展来看，经历了从单塔到四塔精馏工艺。其中，单塔精馏精甲醇的质量不高且塔底废水很难达到排放标准；双塔工艺增加了主精馏塔，精甲醇全部经过主精馏塔采出，能降低塔底废水中的重组分含量，还能产出高质量的精甲醇，满足工业上的要求；三塔精馏是在双塔的基础上，将主精馏塔拆成两个塔，形成双效精馏，做到有效利用流程中的热能，而且大大节省冷凝水的消耗。

为进一步减少废水出料及杂醇油出料中甲醇的含量，在甲醇三塔工艺的基础上加装回收塔形成四塔回收工艺。其具体工艺流程为：预精馏塔通过两次冷凝分离出其中的轻组分，预塔塔底出料经常压塔进料换热后经加压泵进入加压塔，通过控制加压塔和常压塔的采出比例，形成双效精馏，减少蒸汽和冷凝水消耗。甲醇四塔精馏工艺一般会在预塔塔顶补充一定量的萃取水，而且回收塔的进料一般来自常压塔塔底或者常压塔的侧线，经过回收塔后，甲醇经过进一步的回收，塔底采出达到排放标准的废水。甲醇四塔精馏工艺流程第82页图1所示。

图1 甲醇四塔精馏工艺流程

1.2 流程特点

四塔流程共有粗甲醇、杂醇油、萃取水三股进料，从进料开始依次为预精馏塔、加压塔、常压塔和回收塔，符合国家标准的精甲醇产品通过加压、常压和回收塔的塔顶采出。进料的组分中主要有水、甲醇/乙醇、溶解气(以CO2为主)等，高级醇和高级烷烃的含量很少；出料有塔顶精甲醇产品、塔底废水及侧线杂醇油6股出料。

2 甲醇四塔精馏工艺的优化与改进

四塔工艺可以进一步减少废水出料及杂醇油出料中甲醇的含量，且流程操作简单，节能效果明显，但该工艺存在一定的不足：如，加压塔塔釜再沸器需要很高品位的蒸汽进行加热；加压塔操作压力过高，增加了分离的难度；常压塔塔顶蒸汽的冷凝潜热未得到有效的利用；设备耐压要求高，增加了设备投资；常压塔塔顶冷凝水消耗量较大，占全流程消耗量的60%以上等。基于此，为了减小甲醇四塔精馏工艺的不足及对操作能耗的影响，通过全面分析研究，决定对加压塔、常压塔进行改进，提出一种新的甲醇四塔精馏工艺，具体如下：

2.1 加压塔的改进

甲醇精馏四塔工艺是工业上应用较为成熟的一种工艺，主要原理为通过提高加压塔的压力与常压塔形成双效精馏，其流程操作简单且节能效果明显，但操作压力对甲醇纯度的影响较大，压力越大，甲醇纯度越低，即操作压力高不利于物系的分离。因此，通过理论及实践综合分析，同时基于甲醇易燃易爆化学品的特性，可将甲醇四塔精馏工艺中的加压塔改成常压操作，并采用热泵节能，从而达到纯度较高及节能潜力较大的双赢目标。

2.2 常压塔的改进

加压塔塔顶塔釜温差小，仅为8 ℃，塔顶蒸汽潜热小，而常压塔具有很高的塔顶塔釜温差，达到了40 ℃，因此，可对常压塔采用热泵-中间再沸器节能优化，以大幅度降低塔釜再沸器负荷，减少新鲜蒸汽用量。

2.3 改进后的甲醇四塔精馏热泵新工艺

通过将甲醇四塔精馏工艺中的加压塔改成常压操作，并采用热泵节能，以及对常压塔采用热泵-中间再沸器节能优化，提出一种新的甲醇四塔精馏工艺——甲醇精馏热泵工艺，具体流程如图2所示。

图2 甲醇四塔精馏热泵新工艺

由图2可知，甲醇精馏热泵工艺中加压塔改为常压操作，加压塔、常压塔塔顶气相经过相应压缩机压缩后，温度提高，再分别通过二者相对应的不同换热器给粗甲醇进料预热及预精馏塔塔底部分回流换热，进一步利用余热以实现节能。

3 甲醇四塔精馏热泵工艺的操作条件优化

利用Aspen plus 流程模拟软件，可以从如下两个方面对新工艺进行优化，得出最佳的操作条件。

3.1 加压塔与常压塔精甲醇采出量优化

加压塔塔底出料的甲醇含量是由塔顶精甲醇采出量决定的，二者成反比。同时，加压塔塔底出料中甲醇浓度越大，热泵节能的效果就越好，加压塔的操作费用越小。然而，加压塔塔底出料作为常压塔的进料，故相应的常压塔的塔顶采出就要增加，常压塔的操作费用就会增大。因此，可以看出，操作条件存在一个最优点。

利用Aspen 流程模拟软件分别对7种不同采出量(采出量范围为19 000 kg/h ～25 000 kg/h，变化梯度为1 000 kg/h)进行模拟可知，不同采出量下流程的操作费用(操作费用=蒸汽费用+用电费用+冷凝水费用)不同，具体为，刚开始随着采出量的增加而降低，但当采出量增加到某一个点时，操作费用反而迅速升高，具体为图3所示。

图3 不同采出量下操作费用曲线

由图3可知，通过分析整个流程的冷凝水、加热蒸汽及电量消耗，当采出量为24 000 kg/h 时，流程公用工程消耗较少，操作费用最低。也就是说，加压塔塔顶精甲醇采出量为24 000 kg/h 时，为流程的最优化操作点。

3.2 常压塔中间采出量优化

中间采出量是决定流程能耗的一个关键因素。如前所述，常压塔塔中第57块板与塔顶之间的温差仅为10 ℃，随着采出量的增加，压缩机的压缩比会增大，耗电量增多，从而在很大程度上增加了操作费用，但是由于中间采出的增加，相应的塔底蒸汽消耗会降低。因此，理论上存在一个最优点，即操作费用最小时的中间采出量。

利用Aspen 流程模拟软件分别对6种不同中间采出量(中间采出量范围为15 000 kg/h ～20 000 kg/h，变化梯度为1 000 kg/h)进行模拟可知，不同中间采出量下流程的操作费用(操作费用=蒸汽费用+用电费用+冷凝水费用)不同，具体为随着中间采出量的增加而降低，具体为图4所示。

图4 不同中间采出量下操作费用曲线

通过综合分析考虑，常压塔中间采出量为19 800 kg/h 时，流程的操作最优。

4 结语

蒸馏过程是十分复杂的化工单元过程。从本文以上分析可知，四塔工艺可以进一步减少废水出料及杂醇油出料中甲醇的含量，且流程操作简单，节能效果明显，但该工艺存在一定的不足。为此，通过全面分析研究，决定对加压塔、常压塔进行改进，提出一种新的甲醇四塔精馏工艺——甲醇精馏热泵工艺，同时利用Aspen plus 流程模拟软件，从两个方面对新工艺进行优化，得出了最佳的操作条件，即加压塔塔顶精甲醇采出量为24 000 kg/h 时，常压塔中间采出量为19 800 kg/h 时，流程的操作最优。总之，甲醇精馏热泵工艺相对于四塔工艺，大幅度降低了能耗，值得进一步深入研究并推广应用[3]。