甲醇四塔精餾模擬研究

肖　婷，李憲昭，尚增輝

（中國石油集團工程設(shè)計有限責任公司 華北分公司，河北 任丘 062550）

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甲醇四塔精餾模擬研究

肖婷，李憲昭，尚增輝

（中國石油集團工程設(shè)計有限責任公司 華北分公司，河北 任丘 062550）

主要對甲醇四塔精餾工藝進行研究，并通過工藝模擬軟件Hysys對四塔精餾工藝進行模擬分析。通過分析得出甲醇四塔精餾工藝是甲醇生產(chǎn)工業(yè)中實用可靠的甲醇提純工藝。采用加壓精餾塔和常壓精餾塔雙效精餾可以有效的提高能量利用率和節(jié)能，增加回收塔可降低常壓塔的控制的復雜程度以及提高整個工藝的可靠性。

甲醇；精餾；四塔流程；四塔流程

甲醇除了是重要的煤化工產(chǎn)品外又是重要的化工原料和有前景的替代能源。

在甲醇生產(chǎn)工業(yè)中，甲醇分離提純是除甲醇合成外的一個非常重要的工藝過程。精餾是甲醇分離提純的重要手段。使用精餾的方法除去粗甲醇中的雜質(zhì)，可以制取達到一定質(zhì)量要求的精甲醇。其中節(jié)能降耗和如何提高產(chǎn)品質(zhì)量是甲醇精餾過程研究和設(shè)計中被重點關(guān)注的兩個方面［1］。

1　甲醇精餾分離典型流程

典型的甲醇精餾分離流程主要有一塔流程、兩塔流程、三塔流程和四塔流程［2-4］。

（1）一塔流程。需要提純的甲醇產(chǎn)品經(jīng)過一個塔采出產(chǎn)品，粗甲醇由精餾塔中部進料，塔頂采出輕組分，產(chǎn)品甲醇在中間模塊塔板采出，而水在塔底采出。

（2）兩塔流程。兩塔流程有預精餾塔和主精餾塔組成。粗甲醇首先在預精餾塔中脫除輕組分；預精餾后的甲醇再送入主精餾塔，進一步把高沸點的重餾分雜質(zhì)分離出，就可以得到高純度精甲醇產(chǎn)品。

（3）三塔流程。為了提高甲醇質(zhì)量和收率并降低蒸汽能耗，經(jīng)進一步改進工藝流程推出了甲醇三塔精餾工藝。三塔流程中第一個塔為預精餾塔，第二個塔為加壓精餾塔，第三個塔為常壓精餾塔。在此流程中，利用加壓塔的冷凝器作為常壓塔的再沸器，用來提供常壓塔再沸器所需熱量。在三塔精餾過程中節(jié)約了加壓塔的回流冷卻水，常壓塔不需提供額外的熱公共工程消耗。采用三塔流程不僅可以從得到高純度的甲醇產(chǎn)品而且降低整個分離過程中的能耗。

（4）四塔流程。四塔流程是三塔流程的進一步發(fā)展。為了降低塔底廢水和醇油中甲醇的含量，在三塔流程的常壓塔后增加了一個回收塔，回收塔塔頂為精甲醇、塔底為合格污水、塔中部采出醇油。

本論文主要對甲醇四塔精餾工藝的模擬設(shè)計進行分析研究。

2　甲醇四塔精餾工藝分析

2.1裝置處理能力

裝置處理能力為40×104 t/a；

年操作時間為：8 000 h。

2.2粗甲醇組成

本論文中的所處理的粗甲醇為煤化工合成甲醇，其組成如表1所示。

表1　原料粗甲醇的組成Table 1 The composition of the crude methanol

2.3熱力學方法選取

在工藝模擬計算中，選取正確的熱力學方法是得到準確工藝參數(shù)和模擬結(jié)果的前提。常用的熱力學方法包括：一般關(guān)聯(lián)式、狀態(tài)方程、活度系數(shù)模型、氣相逸度方法等［5，6］。

本文中研究的分離對象主要成分為所含主要成分為醇類物質(zhì)和水，因此屬于極性體系，應(yīng)用活度系數(shù)法。在本文的研究過程總選用NRTL活度系數(shù)法作為甲醇精餾分離模擬的物性方法。

2.4工藝流程介紹

本論文中所分析的甲醇四塔精餾工藝流程如圖1所示。

粗甲醇經(jīng)換熱器E101和E102分別于預精餾塔的塔頂氣相和加壓塔的精甲醇產(chǎn)品換熱后進入預精餾塔。

預精餾塔的主要作用是除去粗甲醇中輕組分。預精餾塔的塔頂氣相經(jīng) E101與粗甲醇換熱后冷凝進入塔頂回流罐?；亓鞴薹蛛x出的不凝氣放空、液相作為塔頂回流，同時萃取水也在塔頂回流罐加入。預精餾塔的塔底產(chǎn)品經(jīng)升壓泵升到加壓塔所需的壓力后經(jīng)E103和E104換熱升溫進入加壓精餾塔。

圖1　甲醇四塔精餾工藝流程圖Fig 1 The Process Flow Diagram of the four-column process of methanol distillation

加壓精餾塔的塔頂氣相作為熱源加熱常壓塔的再沸器后經(jīng)E103與預精餾塔塔底產(chǎn)品換熱冷凝后進入加壓塔回流罐。回流罐液相一部分作為塔頂回流、一部分經(jīng)E102與粗甲醇換熱降溫后作為合格甲醇產(chǎn)品。

加壓精餾塔的塔底產(chǎn)品進入常壓精餾塔進一步分離。常壓塔的塔頂為精甲醇產(chǎn)品，塔底產(chǎn)品為含甲醇和醇油的污水。常壓塔的再沸器的熱源是加壓塔的塔底氣相。

常壓塔的塔底污水進入回收塔回收甲醇，回收塔的塔底為達排放標準的污水。此外，在回收塔的進料位置一下某塊塔板進行側(cè)線抽取醇油。

2.5工藝流程設(shè)計要點

在甲醇四塔精餾流程中，預精餾塔的作用是脫去粗甲醇中的輕組分，而回收塔的作用是回收污水中的甲醇和側(cè)線抽取醇油使污水達到排放要求。

在本流程中的重點是加壓塔和常壓塔的工藝參數(shù)的確定。加壓塔與常壓塔采用雙效精餾的模式，加壓塔的塔頂氣體作為常壓塔的加熱熱源，這種雙效過程，一方面可以降低加壓塔需要的冷卻水，一方面又可節(jié)省常壓塔所需的熱源。

因此，在模擬設(shè)計過程中應(yīng)調(diào)整工藝參數(shù)，既要使得加壓塔塔頂氣相具有較高溫度以保證常壓塔塔底再沸器的換熱溫差，又要保證塔頂氣相具有足夠的能量確保常壓塔再沸器的能量需求。

2.6主要設(shè)備參數(shù)

在本流程中，主要設(shè)備是四個甲醇精餾塔。四個塔的塔板數(shù)如表2所示。

表2　甲醇精餾塔的塔板數(shù)Table 2 The tray numbers of the methanol distillation columns

3　甲醇四塔精餾的工藝參數(shù)和模擬結(jié)果

預精餾塔的工藝操作參數(shù)如表3所示。在表3所列的工藝參數(shù)下，加壓精餾塔、常壓精餾塔以及回收塔三個精餾塔的塔頂甲醇產(chǎn)品流量如表4所示。

表3　甲醇精餾塔的操作參數(shù)Table 3 The operation parameters of the methanol distillation columns

表4　精餾塔塔頂甲醇產(chǎn)品流量Table 4 The overhead product flowrate of the distillation columns

圖2　加壓塔中各塔板液相甲醇摩爾分數(shù)Fig 2 The mole fraction of methanol in the liquid phase on the trays of the high pressure column

圖3　常壓塔中各塔板液相甲醇摩爾分數(shù)Fig 3 The mole fraction of methanol in the liquid phase on the trays of the atmospheric column

圖2和圖3分別是加壓精餾塔和常壓精餾塔中各塔板上液相中甲醇的摩爾分數(shù)。

4　主要換熱器的負荷

流程中主要換熱器的負荷如表5所示。

表5　主要換熱器負荷Table 5 The loads of the main heat exchangers

從表 5可以看出在甲醇四塔精餾流程中的E101、E102、E103以及E105四個換熱器均不需要額外加熱熱源，所需能量均從精餾塔塔頂氣相回收，有效減少了公用工程的消耗。

甲醇四塔精餾過程中的其他能量消耗情況如表6所示。

表6　精餾過程中其他的能量消耗Table 6 The other energy consumption of the distillation process

5　結(jié) 論

甲醇四塔精餾工藝是甲醇生產(chǎn)工業(yè)中實用可靠的甲醇提純工藝。采用加壓精餾塔和常壓精餾塔雙效精餾可以有效的提高能量利用率和節(jié)能。

四塔流程中的回收塔主要控制污水的質(zhì)量，與三塔流程中常壓塔既要控制塔頂甲醇質(zhì)量又要控制塔頂污水質(zhì)量相比，增加回收塔可以降低常壓塔的控制的復雜程度以及提高整個工藝的可靠性。

［1］ 叢山. 甲醇精餾系統(tǒng)工藝模擬與研究［D］. 天津：天津大學，2005.

［2］ 褚雅志，秦麗萍，王勝利，黃 熠，等. 甲醇精餾工藝及其塔器優(yōu)化設(shè)計［J］. 化工進展，2008，10（27）：1659-1662.

［3］ 王維. 影響甲醇質(zhì)量的因素及提高質(zhì)量的方法［J］. 小氮肥設(shè)計技術(shù)，2003，3（24）：13-16.

［4］ 唐錦文.甲醇精餾工藝模擬技術(shù)及分析［J］. 設(shè)計技術(shù)，2006，16 （2）：13-17.

［5］ 李鑫鋼. 現(xiàn)代蒸餾技術(shù)［M］. 北京：化學工業(yè)出版社，2009.

［6］ 臧楠. 甲醇精餾工藝模擬計算與優(yōu)化及新工藝研究［D］. 西安：西安石油大學，2011.

Simulation Study on Four-column Process of Methanol Distillation

XIAO Ting, LI Xian-zhao, SHANG Zeng-hui
（China Petroleum Engineering Co.，Ltd. North China Company， Hebei Renqiu 062550，China）

The four-column process of methanol distillation was investigated. And the process was simulated and analyzed by simulation software HYSYS. The simulation results show that the four-column process is a practical and reliable methanol purification process in the methanol industry. Double-effect distillation of high pressure column and atmospheric column can improve energy utilization efficiency. The recovery column can reduce the complexity of the control of atmospheric column and improve the reliability of the whole process.

methanol； distillation； four-column； Hysys

李憲昭（1986- ），男，工程師，碩士，研究方向： 油氣田地面工程及分離工程。E-mail：lxz861020@yeah.net。

TQ 028

A

1671-0460（2016）05-1029-03

2016-04-06

肖婷（1981- ），女，工程師，研究方向：油氣田地面工程及分離工程。