甲醇精馏工艺流程比较及模拟

孙 科刘生宝 陈晓南 中石化宁波工程有限公司上海公司 上海200030

甲醇作为有机化工的基础原料具有广泛用途［1］，不同行业对其纯度要求不同，它的纯度直接影响下游产品的质量、消耗、安全生产及生产过程中所用催化剂的寿命。在甲醇合成时，因受合成条件如压力、温度、合成气组成及催化剂性能等因素的影响，在产生甲醇反应的同时，还伴随着一系列副反应［2］。所得产品除甲醇外，还有水、醚、醛、酮、酯、烷烃、有机酸、有机胺、高级醇、硫醇、甲基硫醇和羰基铁等几十种有机杂质。粗甲醇通过精馏，可根据不同要求，制得不同纯度的精甲醇，使各类杂质降至规定指标以下，确保精甲醇的质量。

工业中成熟的甲醇精馏工艺主要有双塔和三塔精馏两种流程，本文将对这两种工艺进行详细比较。

1 双塔精馏和三塔精馏的工艺特点［3］

双塔精馏的工艺流程见图1。

图1 双塔精馏工艺流程

双塔精馏工艺具有流程简单，操作方便，一次投资少的特点。该工艺甲醇产品质量可达到工业优质品，乙醇含量一般为400～500mg/kg，适用于原料粗甲醇中二甲醚等轻组分、还原性杂质含量较低的粗甲醇加工。

三塔精馏的工艺流程见图2。

三塔精馏工艺具有操作稳定、精甲醇纯度高、杂质少、蒸汽耗量和冷却水耗量低、相对投资较大的特点。该工艺甲醇纯度可达99.99%，乙醇含量小于50mg/kg，投资较同规模双塔精馏装置高20%～30%。该工艺特别适合较大规模生产。

两种流程的主要区别在于三塔精馏工艺比双塔精馏工艺多设一个预馏塔，同时三塔精馏工艺中将第二个塔的塔顶气作为最后一个塔塔底再沸器的热源。这些因素致使双塔精馏与三塔精馏在操作条件、能耗、产品质量、投资等方面存在很大的区别。

1.1 操作条件［4－7］

双塔精馏和三塔精馏不仅在工艺流程上差别较大，其具体操作指标也相差甚远，其主要的操作条件分别见表1和表2。

图2 三塔精馏工艺流程

表1 双塔精馏工艺操作参数比较

表2 三塔精馏工艺操作参数比较

1.2 产品质量

精甲醇中乙醇含量是一个重要指标，从国内双塔精馏现状来看，比较突出的问题是精甲醇中乙醇含量较高。国内大部分以油或煤为原料的甲醇厂经过双塔精馏后，精甲醇中乙醇的含量在400～500mg/kg，联醇工艺生产中的精甲醇其乙醇含量更高些，相对于国外标准有较大差距，而且也不能满足像醋酸生产等高端用户的要求，其发展受到限制。

2 操作能耗

甲醇是一种高能耗产品，而精馏工序的能耗占总能耗的10%～30%，所以精馏的节能降耗不容忽视。三塔流程比双塔流程复杂，投资大，操作难度大，但突出的优点是能耗小，操作费用低。因为双塔流程中主精馏塔出来的甲醇蒸气被直接冷凝，而三塔精馏流程中，为了充分利用能源，把加压塔顶部引出的甲醇蒸气作为常压塔再沸器的热源，从而降低了生产能耗。

下面通过对这两种不同的甲醇精馏工艺利用ProII软件来进行模拟比较［8］。由于精馏操作的能耗受很多因素影响，特别是各塔的回流比对能耗影响极大，因此设定在如下条件下进行比较:

(1)两种工艺均需保证最终产品中甲醇含量大于99.99%，且产量大于96306kg/h，并以40℃的温度送出。

(2)两种工艺均采用常规工艺操作参数，即操作压力、操作温度、塔板数等采用工业中常用数据。

(3)两种工艺的预塔作用相似，均为尽可能地精馏出粗甲醇中的烃类物质以利后面主塔能够对甲醇做进一步精馏。如粗甲醇中的烃类物质过高，则后续主塔很难甚至不能将甲醇精馏至99.99%以上。因此在模拟中预塔的回流量要保证主塔能够顺利精馏出合格产品。

(4)主塔的回流量根据“保证产品质量、产量的情况下尽可能用低回流量”这一原则来确定，以便进行能耗比较。

(5)双塔精馏中通常需要添加水作为萃取剂来脱除烷烃，本次模拟计算中粗甲醇的组成中烷烃比较少，因此双塔精馏不考虑添加萃取水。

(6)考虑预塔塔顶轻组分抽出量相同，同时考虑杂醇油抽出量相同。

双塔精馏模拟流程见图3。

双塔精馏工艺中主要用能设备有进料预热器E1、产品冷却器E2及塔的冷凝器和再沸器。

三塔精馏模拟流程见图4。

三塔精馏工艺中主要用能设备有进料预热器E1、产品冷却器E2和E3及塔的冷凝器和再沸器。

图3 双塔精馏模拟流程

图4 三塔精馏模拟流程

在三塔精馏工艺中二塔塔顶冷凝器可为三塔再沸器提供热源以节约能源，同时二塔、三塔产品可为一塔进料提供热源。

经计算，各换热设备的负荷见表3和表4。

表3 双塔精馏模拟结果

表4 三塔精馏模拟结果

冷却水等级为0.55MPa，给水33℃，回水43℃;蒸汽等级为0.6MPa，158℃，冷凝至相应压力下饱和温度。

三塔精馏中进料预热器E1热源来自于产品冷却器E2、E3，T3再沸器热源为T2冷凝器。

从计算结果比较可知，三塔精馏工艺在节能方面有明显优势，吨产品循环水消耗为双塔工艺的60%以下，蒸汽消耗仅为双塔工艺的56%以下。

3 结语

双塔精馏工艺投资省、建设周期短、装置简单易于操作和管理。虽然消耗高于三塔精馏工艺，但对于生产规模50kt/a以下的小装置，其技术经济指标较占优势，其节能降耗途径可以采用高效填料来达到降低蒸汽消耗的目的;生产规模50kt/a以上时，宜采用三塔精馏技术，虽然一次性投资较高，但是操作费用和能耗都相对较低。

三塔精馏生产的精甲醇产品质量较好，尤其是产品中乙醇含量较低，能满足甲醇羰基化合成醋酸、醋酐等对优质甲醇的要求，虽然一次性投资较高，约高15%～30%，但操作费用和能耗都相对较低，可降低约30%～40%。所以要根据装置能力、产品要求等指标选择合适的工艺，才能真正发挥其作用。

1 乔治A.奥拉，阿兰·戈佩特，G.K.苏耶等.跨越油气时代:甲醇经济［M］.胡金波等译.北京:化学工业出版社，2007:144－162.

2 宋维端.甲醇工学［M］.北京:化学工业出版社，1991:18－22.

3 石海涛，张 丽，王 黎.甲醇合成中双效精馏节能研究［J］.华北电力大学学报，2007，34(2):99－101.

4 杨艳红.粗甲醇精馏过程主要工艺指标的控制［J］.化肥设计，2005，43(2):47－48.

5 夏 清，陈常贵.化工原理(上册)［M］.天津:天津大学出版社，2005.

6 冯元琦.甲醇生产操作问答［M］.北京:化学工业出版社，2005.

7 中国石化集团上海工程有限公司.化工工艺设计手册［M］.北京:化学工业出版社，2003.

8 唐宏青.化工模拟计算设计手册［M］.西安:陕西人民出版社，2007.