甲醇精馏系统工况波动及产品质量下降问题分析及解决

王 龙

(晋控金石化工集团有限公司石家庄循环化工园区分公司，河北 石家庄 050000)

0 引 言

晋控金石化工集团有限公司石家庄循环化工园区分公司200 kt/a甲醇装置分两期建设，一期、二期装置产能均为100 kt/a，两期装置共用1套甲醇精馏系统；甲醇精馏系统采用“节能型三塔精馏+废水回收塔”工艺，精馏塔塔内件全部采用杭州赛普分离工程开发有限公司生产的复合塔板和DJ-3型塔板。甲醇精馏系统工艺流程为，甲醇合成/中间罐区的粗甲醇经预热器预热(用加压塔采出产品进行预热)后进入预塔，预塔塔顶以气相形式采出轻组分，轻组分送至排放槽经脱盐水洗涤后排放，预塔塔釜物料则经系统蒸汽冷凝液预热后进入加压塔；加压塔顶部采出精甲醇，塔釜物料进入常压塔；常压塔顶部采出精甲醇，第5、7、9层塔板处采出杂醇油，塔釜废水送至污水处理站，若塔釜废水不达标则进入废水回收塔继续精馏，以保证污水达标排放。甲醇精馏系统中，预塔再沸器和加压塔再沸器采用低压蒸汽和转化气组成双路热源，加压塔的塔顶冷凝器作为常压塔的塔釜再沸器，形成双效换热，废水回收塔再沸器则采用低压蒸汽作为热源；预塔、常压塔、废水回收塔顶部均设有高效冷凝蒸发器用于气相介质的冷凝。

甲醇精馏系统自2015年5月17日投运以来，多次出现过工况波动及精甲醇产品质量下降等异常情况，严重影响前系统的生产负荷及后系统产品销售。为此，通过不断总结经验教训，进行工艺优化调整与加压塔塔板清洗及更换等，最终实现了甲醇精馏系统的稳定运行。以下对有关情况作一介绍。

1 问题描述

以2016年3月11日甲醇精馏系统出现的问题为例，当日20:00开始，甲醇精馏系统内各塔釜液位、塔釜温度出现较大范围的波动，而加压塔的相关工艺参数波动最为明显：预塔、常压塔、废水回收塔塔釜液位波动均由原50%～55%增大至45%～60%，塔釜温度变化均超过10 ℃；加压塔塔釜液位波动更是由原50%～60%增大至30%～80%，塔釜温度变化超过25 ℃。甲醇精馏系统工况大幅波动，工艺参数偏离正常指标，仪表自控系统无法完成自动调节，采出的精甲醇产品质量下降，较早反映出的问题是精甲醇产品水分升高——波动前产品水分在0.05%以下，属优等品，波动后产品水分涨至0.15%以上，降至合格品，有时甚至还会出现不合格品，需返液重新进行精馏；此外，精甲醇产品酸度也偏高。甲醇精馏系统出现上述问题后，甲醇合成系统负荷被迫由25 t/h(粗甲醇)减至15 t/h，随着精甲醇产量的降低，产品销售方面也受到了严重的影响。

2 初步原因分析与排查

2.1 产品水分偏高的可能原因分析

2.1.1 加压塔采出量控制不稳定

查看DCS运行数据得知，加压塔塔顶采出流量(FI40513)在0～30 m3/h之间大幅波动，随之加压塔塔釜液位也大幅变化——加压塔塔顶采出流量最大时塔釜液位正好处于波谷，由此怀疑在加压塔塔釜液位偏低的情况下蒸发量瞬间增大造成较多的水分进入气相，气相中的水分未与回流液充分进行气液接触冷凝便被带至回流槽，从而造成采出精甲醇产品水分偏高。

2.1.2 加压塔塔釜液位波动

与之前采出精甲醇产品质量较好时段进行对比，发现加压塔塔釜液位的稳定对精甲醇产品质量起着较为关键的作用——当加压塔塔釜液位稳定时，采出精甲醇产品质量较好，且相关联的温度、压力、出料量、采出量等指标均比较稳定；当加压塔塔釜液位大幅波动时，极易出现精甲醇产品水分偏高的问题。

2.1.3 系统热源不稳定

预塔再沸器、加压塔再沸器均采用低压蒸汽和转化气作为双路热源，但自甲醇装置投运以来，转化气作为主导热源使用，低压蒸汽使用量较少，而转化气热源相较于低压蒸汽热源而言不太稳定，这种系统热源不太稳定的因素在整个装置平稳运行的情况下可能影响不大，但在甲醇精馏系统自身处于工况波动状态时其造成的影响就比较明显了。

2.2 产品酸度偏高的可能原因分析

2.2.1 碱液补入量过大

为中和粗甲醇中的有机酸，防止腐蚀塔釜及管道，会在预塔中补入一定量的碱液，预后物料pH一般控制在7～9；若碱液加入量过多，会促使酯类物水解，造成精甲醇产品酸度超标。调取加碱记录和预后物料pH取样分析记录，发现预后物料pH基本上处于8.0～8.5且较稳定，因此碱液补入量过大造成产品酸度偏高的可能性被排除。

2.2.2 预塔冷凝温度控制不当

若预塔冷凝温度控制不当，塔顶轻组分脱除不彻底，塔釜物料所含的甲酸甲酯、乙酸甲酯就会被带至加压塔或常压塔水解为甲酸和乙酸，继而甲酸和乙酸带入产品中引起酸度超标。查看预塔冷凝温度的历史趋势，预塔冷凝温度控制在40 ℃以上，避免了轻组分的过多冷凝，轻组分脱除应该是彻底的。另外，受产品采出及杂醇油温度的影响，预塔二级冷凝(五合一)温度控制得较低(23 ℃)，但二级冷凝液并未回流至预塔，二级冷凝液所含轻组分被带至加压塔或常压塔的可能性可以排除。

2.2.3 采出杂醇油返回精馏系统

为进一步回收系统内的粗甲醇，达到节能降耗的目的，自2016年3月7日以来将常压塔第5、7、9层塔板处采出的杂醇油与甲醇混合液通过杂醇泵入口导淋管线排至地下槽，地下槽回收的杂醇油与甲醇混合液又返回系统重新进行精馏，如此一来，受杂醇油返回系统的影响，加压塔及常压塔采出的产品酸度会有所升高。

2.2.4 入料粗甲醇酸度较高

甲醇精馏系统的入料为甲醇合成系统产出的粗甲醇，而粗甲醇在甲醇合成闪蒸槽内因压力的降低会闪蒸出二氧化碳等酸性气，若闪蒸槽压力控制得偏高，那么闪蒸出的酸性气就会较少，酸性气留存其中会造成粗甲醇酸度较高，增大甲醇精馏系统的处理负荷，酸性物最终可能会带入到产品中引起酸度超标。

3 工艺优化调整

3.1 针对产品水分偏高的工艺优化调整

3.1.1 加压塔采出量控制

解除加压塔采出量的自动调节，改为手动调节，控制加压塔采出量最大不超过10 m3/h。因加压塔采出量是根据加压塔回流槽液位设定的，在加压塔塔釜蒸发量大时，加压塔回流槽液位会持续上涨，为保证回流槽液位稳定，通过回流泵入口导淋手动调节将回流槽中的回流液排至地下槽。加压塔采出量控制后，经过一段时间的取样观察，加压塔采出精甲醇产品水分略有下降，但仍然偏高，且因手动调节滞后，造成回流槽液位极不稳定甚至出现满液或排空等极端现象。

3.1.2 加压塔塔釜液位控制

加压塔塔釜液位主要受入料量、塔釜温度、出料量、塔顶压力等因素的影响，为保持加压塔塔釜液位的稳定，尝试了如下工艺优化调整(塔釜温度主要受系统热源影响，这一点在系统热源控制部分阐述)。

(1)查看历史趋势，发现预后泵出料量波动较大，进而影响加压塔塔釜液位的稳定，而预后泵出料量是根据预塔塔釜液位自动调节的，预塔塔釜液位又受其回流量和入料量的影响，但实际生产中预塔回流量极不稳定。于是，调整预塔回流自调阀PID参数，使阀门动作变慢，以实现平稳回流，使预塔塔釜液位波动幅度变小，并通过调整预后泵出料自调阀PID参数，促使预塔系统整体运行趋向平稳；预塔系统运行平稳后，加压塔入料量基本实现平稳，但加压塔塔釜液位仍无法维持稳定，波动幅度仍较大，由此可排除加压塔入料量的影响，即入料量不是加压塔塔釜液位波动的主要影响因素。

(2)查看历史趋势，发现加压塔塔顶压力波动范围也较大，具体表现为，加压塔塔顶压力高时，加压塔蒸发量小，加压塔塔釜液位持续升高；加压塔塔顶压力低时，加压塔蒸发量瞬间增大，加压塔塔釜液位猛降。于是，调整加压塔塔顶压力自调阀PID参数，加压塔塔顶压力趋于稳定；加压塔塔顶压力稳定后，加压塔塔釜液位稳定了一小段时间，之后又反复出现大范围波动，表明加压塔塔顶压力不是加压塔塔釜液位较大范围波动的主要影响因素。

(3)查看历史趋势，加压塔出料量波动范围在0～70 m3/h，表明加压塔塔釜自调阀阀位调节跟踪滞后，而塔釜自调阀PID参数设置的投射作用在塔釜液位波动时尤为明显。为此，联系仪表技术人员不断修正加压塔塔釜自调阀PID参数，同时设置自调阀开度为20%～32%，防止其开度过大或过小。调整后，加压塔塔釜液位波动情况有所改善，但其液位仍然难以维持稳定，未从根本上解决问题。

3.1.3 加压塔系统热源控制

作为加压塔系统主导热源的转化气来自于甲烷转化系统，受甲烷转化系统固有特点的影响，转化气压力、温度会呈波动状态，且甲醇精馏系统对转化气的压力、温度不可调节；低压蒸汽作为加压塔系统的辅助热源，其压力、温度较稳定，并设有自调阀，可根据热量的多少进行调节。鉴于上述情况，为消除并验证加压塔系统热源对甲醇精馏系统工况的影响，加压塔先切出转化气热源，只使用低压蒸汽作为热源，此状态下加压塔系统运行短时趋于稳定，但当加压塔入料量超过26 m3/h时又会出现大幅波动，表明热源方面的影响不是主因。

3.2 针对产品酸度偏高的工艺优化调整

3.2.1 杂醇油采出方面

为避免杂醇油重回甲醇精馏系统带来的影响，要求将常压塔第5、7、9层塔板处采出的杂醇油和甲醇混合液全部送至杂醇油罐，不再通过地下槽进行回收。优化操作后，取样分析显示加压塔、常压塔采出产品的酸度有所下降。

3.2.2 粗甲醇入料酸度方面

为利于甲醇合成系统闪蒸出粗甲醇中的二氧化碳、甲酸甲酯等物质，进一步减少甲醇精馏系统入料中的酸性物，将甲醇合成闪蒸槽压力由原0.4 MPa降至0.3 MPa。优化操作后，精甲醇产品的酸度有所下降。

3.3 通过工艺优化调整摸索寻找平衡点

在甲醇精馏系统工况持续波动的状况下，我们试图寻找一个最优平衡点，即捕捉系统表现较为平稳、精甲醇产品质量达标对应的工况条件，同时通过一些现象寻找甲醇精馏系统工况波动问题的解决方案，总结好的经验，以适应当前的操作。经过不断地尝试，我们发现甲醇精馏系统适宜的最大进料量为26 m3/h，一旦超过此量系统工况波动现象明显增多，尤其是加压塔系统，其进料量和蒸发量会呈脉冲式变化，使得加压塔塔釜液位要么长时间不下来、要么瞬间下来，加压塔液相要么不蒸发、要么瞬间蒸发，加压塔塔釜和回流槽液位呈现大幅波浪式变化，无法保证采出产品的质量。

4 深度原因分析及彻底解决方案

针对甲醇精馏系统工况波动、精甲醇产品质量下降的问题，曾试图通过工艺优化调整予以解决，但尝试后发现无法实现平稳加量，这就表明甲醇精馏系统的不良状况是多方面因素综合造成的，除了工艺方面以外，还需考虑设备方面的原因。针对甲醇精馏系统加量时加压塔塔釜液位大幅波动的现象，将排查重点放在加压塔上。甲醇精馏系统加压塔有70层塔板，1～10层为DJ-3型塔板、11～70层为复合塔板，进料口设置在第10层塔板处，塔板开孔孔径为10 mm；结合加压塔内“拖液”及蒸发量“脉冲式”现象严重及预后泵开车期间过滤器堵塞的现象，推断加压塔入料塔板处极有可能发生了堵塞。

4.1 猜想验证及当期问题解决方案

2016年6月，利用甲醇装置年度大检修机会，打开加压塔检查，发现3～10层塔板及金属波纹填料堵塞严重，原塔板开孔孔径为10 mm，检查时已堵塞至仅余1～3 mm，验证了之前设备方面存在问题的猜想。于是，将堵塞了的塔板及金属波纹填料拆下，采用31%的盐酸溶液进行清洗，清洗后回装。2016年6月24日甲醇精馏系统检修后开车运行期间，加压塔塔釜液位稳定，处于50%～55%之间，塔釜温度变化在3 ℃以内，表明本次塔板清洗效果明显。为进一步验证之前的猜想，逐渐提高甲醇精馏系统入料量，当入料量加至满负荷(47 m3/h)时，系统各工艺参数稳定，各塔塔釜液位、温度及塔顶压力稳定，甲醇精馏系统工况波动及无法加量的问题得到解决，且采出的精甲醇产品质量均能达到优等品指标要求。

4.2 彻底解决方案及效果

2016年6月清洗加压塔3～10层塔板及金属波纹填料后，甲醇精馏系统稳定运行了近1 a的时间，但从2017年5月开始，系统再次出现波动，且与之前的现象基本相同。为彻底解决问题，决定对加压塔1～10层塔板进行更换——由原DJ-3型塔板更换为DJ-5型塔板。DJ-5型塔板开孔孔径为20 mm，较之前的DJ-3型塔板开孔孔径(10 mm)大了1倍，孔径大且效率高；此外，还将加压塔塔顶压力与塔釜压力差值显示在DCS画面中，工艺参数呈现更加直观，便于岗位人员实时监测以及对加压塔塔釜液位升降进行分析。加压塔1～10层塔板更换后，甲醇精馏系统一直运行稳定，精甲醇产品始终保持为优等品，彻底解决了甲醇精馏系统工况波动及精甲醇产品质量下降的问题。

5 结束语

甲醇精馏系统的生产原理看似是一个非常简单的物理过程，但其中蕴含了多种操作智慧，当系统工艺参数改变或不规律波动时，会导致产品质量下降甚至不合格，制约前后系统的生产负荷，因此,一个全面的分析及对症下药方案显得尤为重要，这就要求我们在实际生产过程中不断地进行操作尝试及经验总结，对系统出现的不正常现象进行深入剖析。希望上述关于甲醇精馏系统工况波动及精甲醇产品质量下降问题的分析及处理，对业内类似问题的解决有所帮助，达到推广经验、互相借鉴、少走弯路的目的。