甲醇精餾工藝參數(shù)的優(yōu)化

葉田友

(山西焦煤五麟煤焦開發(fā)有限責(zé)任公司，山西 呂梁 032202)

引 言

甲醇是一種無色透明且具有濃烈氣味極易揮發(fā)的有毒性液體，作為化工產(chǎn)業(yè)必不可少原料，可參與諸多化學(xué)反應(yīng)以制備甲酸、乙酸、氯甲烷等有機產(chǎn)品。近年來，隨著我國化工行業(yè)的發(fā)展和能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，甲醇的應(yīng)用范圍越來越廣，應(yīng)用量也越來越大。在實際制備過程中，除了采用傳統(tǒng)的有機物合成外還可采用人工合成蛋白制備甲醇。然而，在實際制備過程中所得到粗甲醇中含有一定量的醚、酮以及高級醇等雜質(zhì)[1]。為此，制備所得的粗甲醇還需經(jīng)過精餾操作得到精甲醇。我廠基于三塔精餾技術(shù)實現(xiàn)對粗甲醇的精餾操作，以達到提高精制甲醇的精度。經(jīng)統(tǒng)計可知，基于當(dāng)前的精餾流程其耗能占甲醇整個生產(chǎn)流程的20%，因此需對甲醇精餾工藝參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計。

1 甲醇制備工藝概述

在實際生產(chǎn)過程中，不論采用何種催化劑(銅基催化劑和鉻鋅催化劑)，由于反應(yīng)過程中受到溫度和壓力的影響，在其產(chǎn)物中始終還有一定的雜質(zhì)，主要成分有水、醚、酮等有機雜質(zhì)混合液。通常，將所制備的粗甲醇分為輕組分、甲醇以及重組分三類。其中，清組分為沸點低于甲醇的雜質(zhì)，重組分為沸點高于甲醇的雜質(zhì)。

粗甲醇中所含雜質(zhì)中，主要歸類為水、有機物以及乙醇三類。其中，水較為特殊且含量較少可采用常規(guī)手段進行分離；乙醇的含量同樣少，但其對甲醇質(zhì)量的影響因子較大，故精餾時著重對乙醇進行處理。粗甲醇的精餾工藝的原理為：利用粗甲醇中雜質(zhì)和甲醇的揮發(fā)性不同，采用蒸餾的方法對其進行分離[2]。目前，實際應(yīng)用中的甲醇精餾流程有單塔流程、雙塔流程以及三塔流程。

單塔精餾流程僅依靠精餾塔對粗甲醇進行蒸餾操作，使得輕組分從精餾塔塔頂分離，重組分作為殘余液體從精餾塔塔底排出。該精餾流程具有成本低、結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)勢，但是此流程下獲取甲醇的純度不高。單塔精餾流程如圖1所示。

圖1 單塔精餾工藝流程圖

雙塔精餾工藝由預(yù)精餾塔和主精餾塔完成，其工藝流程圖如第59頁圖2所示。

如圖2所示，預(yù)精餾塔為單塔精餾的環(huán)節(jié)，雙塔精餾工藝對預(yù)精餾塔中所得重組分雜質(zhì)進行在主精餾塔再處理，從而提升最終獲取甲醇的純度[3]。雙塔精餾工藝適用于我國中小甲醇生產(chǎn)企業(yè)。

圖2 雙塔精餾工藝流程圖

三塔精餾工藝由預(yù)精餾塔、加壓精餾塔和常壓精餾塔共同完成，其工藝流程圖如圖3所示。

圖3 三塔精餾工藝流程圖

目前，我廠所采用的精餾工藝為三塔精餾工藝，實現(xiàn)對粗甲醇的三次蒸餾處理，以確保獲得更高純度的甲醇。本文著重對三塔精餾工藝中的關(guān)鍵參數(shù)進行優(yōu)化，在保證甲醇純度的同時達到節(jié)能的效果[2-3]。

2 甲醇精餾工藝流程的模擬

本文采用模擬分析的手段對甲醇三塔精餾工藝參數(shù)進行優(yōu)化，所采用的軟件為Aspen Plus軟件。本節(jié)基于Aspen Plus軟件建立甲醇精餾工藝流程的模型。我廠當(dāng)前所采用三塔精餾工藝的的產(chǎn)量為60萬t/a。三塔精餾工藝中，預(yù)精餾塔承擔(dān)著粗甲醇的大部分精餾任務(wù)，加壓精餾塔和常壓精餾塔除了承擔(dān)部分精餾任務(wù)外，其目的主要在于降低熱能消耗[4]。

2.1 粗甲醇精餾要求

粗甲醇經(jīng)三塔精餾工藝后其所得甲醇含量不小于99.9%，經(jīng)甲醇中乙醇含量不大于10×10-6，整個工藝流程中甲醇的回收率不得小于99%。

2.2 甲醇精餾模擬工藝流程的搭建

2.2.1 預(yù)精餾塔工藝流程的模擬

根據(jù)實際生產(chǎn)過程中預(yù)精餾塔的工藝流程，基于Aspen Plus軟件建立對應(yīng)的模擬流程圖，且進入預(yù)精餾塔中粗甲醇的相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 預(yù)精餾塔進料參數(shù)

2.2.2 加壓精餾塔工藝流程的模擬

根據(jù)實際生產(chǎn)中加壓精餾塔的工藝參數(shù)，在Aspen Plus所搭建模擬流程的相關(guān)參數(shù)如表2所示。

表2 加壓精餾操作參數(shù)

2.2.3 常壓精餾塔工藝流程的模擬

根據(jù)實際生產(chǎn)中加壓精餾塔的工藝參數(shù)，在Aspen Plus所搭建模擬流程的相關(guān)參數(shù)如表3所示。

表3 加壓精餾操作參數(shù)

3 甲醇精餾工藝參數(shù)的優(yōu)化

3.1 預(yù)精餾塔工藝參數(shù)的優(yōu)化

影響預(yù)精餾塔甲醇純度及耗能的因素包括理論板數(shù)、質(zhì)量回流比、采出率、進料位置、工藝萃取水量以及不凝氣放空溫度等[5]。因此，針對預(yù)精餾塔工藝參數(shù)的優(yōu)化主要從以下幾項參數(shù)著手。

1) 理論板數(shù)直接影響質(zhì)量回流比。理論研究表明，理論板數(shù)增加會導(dǎo)致質(zhì)量回流比減小，其對其影響拐點的理論板數(shù)為35。而且，當(dāng)理論半數(shù)小于35時，會增加預(yù)精餾塔的熱負荷和操作費用。因此，理想理論板數(shù)為35塊。

2) 隨著質(zhì)量回流比的增加，雖然提升了粗甲醇組分的分離程度，但是會增加系統(tǒng)的熱負荷，進而增加能耗。因此，綜合分析組分程度和耗能因素，選用最佳回流比為75，塔頂最佳采出率控制在0.85%。

3) 經(jīng)理論分析可知，當(dāng)進料位置在10塊板以上時，精餾塔中丙酮的含量超過15×10-6；而在10塊板以下時，其丙酮含量低于15×10-6達到了分離要求。但是，考慮到節(jié)能的目的，當(dāng)進料板位置在17塊板以下時，其熱負荷基本穩(wěn)定且熱負荷也較低。因此，選用進料板的位置在第17塊板。

此外，綜合考慮丙酮分離效果和經(jīng)濟性因素，應(yīng)將工藝萃水量控制在5 500 kg/h，不凝氣放空溫度控制在42 ℃。

3.2 加壓精餾塔和常壓精餾塔工藝參數(shù)的優(yōu)化

綜合上述分析手段，對加壓精餾塔和常壓精餾塔的工藝參數(shù)進行優(yōu)化，其最終優(yōu)化結(jié)果如表4所示。

表4 加壓精餾塔和常壓精餾塔工藝參數(shù)的優(yōu)化結(jié)果

經(jīng)上述優(yōu)化后的工藝參數(shù)應(yīng)用于我廠甲醇精餾工藝流程中，其應(yīng)用效果主要體現(xiàn)為以下兩點：第一，甲醇的回收率從優(yōu)化前的99%改善為當(dāng)前的99.3%；第二，甲醇精餾工藝的總能耗降低約11.1%。

4 結(jié)語

在當(dāng)前甲醇制備工藝中，不可避免地在甲醇產(chǎn)品中夾雜著水、乙醇、醚、酮等雜質(zhì)，影響著甲醇的應(yīng)用場合，且我廠甲醇精餾工藝的耗能較大約占整個甲醇制備流程的20%。為此，對我廠三塔精餾工藝流程中預(yù)精餾塔、加壓精餾塔以及常壓精餾塔中理論板數(shù)、質(zhì)量回流比、進料位置等參數(shù)進行優(yōu)化。實踐表明，基于優(yōu)化后的甲醇精餾工藝參數(shù)可提升甲醇的回收率為0.3%，節(jié)能效率約為11.1%。