甲醇四塔精馏模拟研究

肖　婷，李宪昭，尚增辉

（中国石油集团工程设计有限责任公司 华北分公司，河北 任丘 062550）



甲醇四塔精馏模拟研究

肖婷，李宪昭，尚增辉

（中国石油集团工程设计有限责任公司 华北分公司，河北 任丘 062550）

主要对甲醇四塔精馏工艺进行研究，并通过工艺模拟软件Hysys对四塔精馏工艺进行模拟分析。通过分析得出甲醇四塔精馏工艺是甲醇生产工业中实用可靠的甲醇提纯工艺。采用加压精馏塔和常压精馏塔双效精馏可以有效的提高能量利用率和节能，增加回收塔可降低常压塔的控制的复杂程度以及提高整个工艺的可靠性。

甲醇；精馏；四塔流程；四塔流程

甲醇除了是重要的煤化工产品外又是重要的化工原料和有前景的替代能源。

在甲醇生产工业中，甲醇分离提纯是除甲醇合成外的一个非常重要的工艺过程。精馏是甲醇分离提纯的重要手段。使用精馏的方法除去粗甲醇中的杂质，可以制取达到一定质量要求的精甲醇。其中节能降耗和如何提高产品质量是甲醇精馏过程研究和设计中被重点关注的两个方面［1］。

1　甲醇精馏分离典型流程

典型的甲醇精馏分离流程主要有一塔流程、两塔流程、三塔流程和四塔流程［2-4］。

（1）一塔流程。需要提纯的甲醇产品经过一个塔采出产品，粗甲醇由精馏塔中部进料，塔顶采出轻组分，产品甲醇在中间模块塔板采出，而水在塔底采出。

（2）两塔流程。两塔流程有预精馏塔和主精馏塔组成。粗甲醇首先在预精馏塔中脱除轻组分；预精馏后的甲醇再送入主精馏塔，进一步把高沸点的重馏分杂质分离出，就可以得到高纯度精甲醇产品。

（3）三塔流程。为了提高甲醇质量和收率并降低蒸汽能耗，经进一步改进工艺流程推出了甲醇三塔精馏工艺。三塔流程中第一个塔为预精馏塔，第二个塔为加压精馏塔，第三个塔为常压精馏塔。在此流程中，利用加压塔的冷凝器作为常压塔的再沸器，用来提供常压塔再沸器所需热量。在三塔精馏过程中节约了加压塔的回流冷却水，常压塔不需提供额外的热公共工程消耗。采用三塔流程不仅可以从得到高纯度的甲醇产品而且降低整个分离过程中的能耗。

（4）四塔流程。四塔流程是三塔流程的进一步发展。为了降低塔底废水和醇油中甲醇的含量，在三塔流程的常压塔后增加了一个回收塔，回收塔塔顶为精甲醇、塔底为合格污水、塔中部采出醇油。

本论文主要对甲醇四塔精馏工艺的模拟设计进行分析研究。

2　甲醇四塔精馏工艺分析

2.1装置处理能力

装置处理能力为40×104 t/a；

年操作时间为：8 000 h。

2.2粗甲醇组成

本论文中的所处理的粗甲醇为煤化工合成甲醇，其组成如表1所示。

表1　原料粗甲醇的组成Table 1 The composition of the crude methanol

2.3热力学方法选取

在工艺模拟计算中，选取正确的热力学方法是得到准确工艺参数和模拟结果的前提。常用的热力学方法包括：一般关联式、状态方程、活度系数模型、气相逸度方法等［5，6］。

本文中研究的分离对象主要成分为所含主要成分为醇类物质和水，因此属于极性体系，应用活度系数法。在本文的研究过程总选用NRTL活度系数法作为甲醇精馏分离模拟的物性方法。

2.4工艺流程介绍

本论文中所分析的甲醇四塔精馏工艺流程如图1所示。

粗甲醇经换热器E101和E102分别于预精馏塔的塔顶气相和加压塔的精甲醇产品换热后进入预精馏塔。

预精馏塔的主要作用是除去粗甲醇中轻组分。预精馏塔的塔顶气相经 E101与粗甲醇换热后冷凝进入塔顶回流罐。回流罐分离出的不凝气放空、液相作为塔顶回流，同时萃取水也在塔顶回流罐加入。预精馏塔的塔底产品经升压泵升到加压塔所需的压力后经E103和E104换热升温进入加压精馏塔。

图1　甲醇四塔精馏工艺流程图Fig 1 The Process Flow Diagram of the four-column process of methanol distillation

加压精馏塔的塔顶气相作为热源加热常压塔的再沸器后经E103与预精馏塔塔底产品换热冷凝后进入加压塔回流罐。回流罐液相一部分作为塔顶回流、一部分经E102与粗甲醇换热降温后作为合格甲醇产品。

加压精馏塔的塔底产品进入常压精馏塔进一步分离。常压塔的塔顶为精甲醇产品，塔底产品为含甲醇和醇油的污水。常压塔的再沸器的热源是加压塔的塔底气相。

常压塔的塔底污水进入回收塔回收甲醇，回收塔的塔底为达排放标准的污水。此外，在回收塔的进料位置一下某块塔板进行侧线抽取醇油。

2.5工艺流程设计要点

在甲醇四塔精馏流程中，预精馏塔的作用是脱去粗甲醇中的轻组分，而回收塔的作用是回收污水中的甲醇和侧线抽取醇油使污水达到排放要求。

在本流程中的重点是加压塔和常压塔的工艺参数的确定。加压塔与常压塔采用双效精馏的模式，加压塔的塔顶气体作为常压塔的加热热源，这种双效过程，一方面可以降低加压塔需要的冷却水，一方面又可节省常压塔所需的热源。

因此，在模拟设计过程中应调整工艺参数，既要使得加压塔塔顶气相具有较高温度以保证常压塔塔底再沸器的换热温差，又要保证塔顶气相具有足够的能量确保常压塔再沸器的能量需求。

2.6主要设备参数

在本流程中，主要设备是四个甲醇精馏塔。四个塔的塔板数如表2所示。

表2　甲醇精馏塔的塔板数Table 2 The tray numbers of the methanol distillation columns

3　甲醇四塔精馏的工艺参数和模拟结果

预精馏塔的工艺操作参数如表3所示。在表3所列的工艺参数下，加压精馏塔、常压精馏塔以及回收塔三个精馏塔的塔顶甲醇产品流量如表4所示。

表3　甲醇精馏塔的操作参数Table 3 The operation parameters of the methanol distillation columns

表4　精馏塔塔顶甲醇产品流量Table 4 The overhead product flowrate of the distillation columns

图2　加压塔中各塔板液相甲醇摩尔分数Fig 2 The mole fraction of methanol in the liquid phase on the trays of the high pressure column

图3　常压塔中各塔板液相甲醇摩尔分数Fig 3 The mole fraction of methanol in the liquid phase on the trays of the atmospheric column

图2和图3分别是加压精馏塔和常压精馏塔中各塔板上液相中甲醇的摩尔分数。

4　主要换热器的负荷

流程中主要换热器的负荷如表5所示。

表5　主要换热器负荷Table 5 The loads of the main heat exchangers

从表 5可以看出在甲醇四塔精馏流程中的E101、E102、E103以及E105四个换热器均不需要额外加热热源，所需能量均从精馏塔塔顶气相回收，有效减少了公用工程的消耗。

甲醇四塔精馏过程中的其他能量消耗情况如表6所示。

表6　精馏过程中其他的能量消耗Table 6 The other energy consumption of the distillation process

5　结 论

甲醇四塔精馏工艺是甲醇生产工业中实用可靠的甲醇提纯工艺。采用加压精馏塔和常压精馏塔双效精馏可以有效的提高能量利用率和节能。

四塔流程中的回收塔主要控制污水的质量，与三塔流程中常压塔既要控制塔顶甲醇质量又要控制塔顶污水质量相比，增加回收塔可以降低常压塔的控制的复杂程度以及提高整个工艺的可靠性。

［1］ 丛山. 甲醇精馏系统工艺模拟与研究［D］. 天津：天津大学，2005.

［2］ 褚雅志，秦丽萍，王胜利，黄 熠，等. 甲醇精馏工艺及其塔器优化设计［J］. 化工进展，2008，10（27）：1659-1662.

［3］ 王维. 影响甲醇质量的因素及提高质量的方法［J］. 小氮肥设计技术，2003，3（24）：13-16.

［4］ 唐锦文.甲醇精馏工艺模拟技术及分析［J］. 设计技术，2006，16 （2）：13-17.

［5］ 李鑫钢. 现代蒸馏技术［M］. 北京：化学工业出版社，2009.

［6］ 臧楠. 甲醇精馏工艺模拟计算与优化及新工艺研究［D］. 西安：西安石油大学，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

李宪昭（1986- ），男，工程师，硕士，研究方向： 油气田地面工程及分离工程。E-mail：lxz861020@yeah.net。

TQ 028

A

1671-0460（2016）05-1029-03

2016-04-06

肖婷（1981- ），女，工程师，研究方向：油气田地面工程及分离工程。