甲醇双塔精馏的模拟与分析

周理明，徐梅松

(1．贵州理工学院 化学工程学院，贵州 贵阳 550003；2．贵州大学 化学与化工学院，贵州 贵阳 550025)

甲醇是重要的基础产品，广泛用于有机合成、燃料、医药和国防等工业[1]。煤化工作为我国化工工业的重要行业之一，具有突出优势，而甲醇生产在煤化工产业中具有特别的作用和意义。

与合成氨联建的联醇工艺是我国以煤为原料生产甲醇的主要工艺，甲醇生产中双塔精馏是目前广泛采用的一种工艺，它是决定甲醇产品质量的重要工序，其能耗是影响甲醇生产成本的关键因素之一。通过对某化工厂现有双塔精馏工艺数据进行采集分析，采用化工过程模拟软件Aspen Plus进行模拟分析，优化工艺过程和参数，有效降低生产过程能耗，提高甲醇产品质量和收率[2]。

1 粗甲醇的组成

通过采集某化工厂粗甲醇原料进行分析，主要组分如表1所示，主要杂质为水、二氧化碳以及低碳醇。

表1 某化工厂粗甲醇组分

2 双塔精馏工艺[3-5]

图1 甲醇双塔精馏工艺流程图

国内中、小甲醇厂大部分都选用双塔精馏工艺传统的主、预精馏塔几乎都选用板式结构。本文中双塔精馏工艺模拟流程见图1，粗甲醇经预热器加热到45℃后进入预精馏塔。甲醇的精馏分2个阶段：先在预精馏塔中脱除轻馏分，主要是少量气体，甲烷等。为了提高甲醇的回收率，在预精馏塔塔顶加入适量的水作为萃取剂。从预精馏塔底部出来的组分进入主精馏塔，进一步把高沸点的重馏分杂质脱除，主要是水、乙醇、丙醇等。从塔顶采出的产品经塔顶冷凝器冷却，就可得到纯度在99.9%以上的符合国家一级指标的精甲醇产品。该工艺具有流程简单，运行稳定，操作方便，一次投资少的特点。该工艺适合于原料粗甲醇中轻组分少、还原性杂质量较低的粗甲醇加工。

3 工艺操作参数的确定

通过精馏能够得到高纯度的甲醇产品，都希望既有较高的回收率，减少甲醇的损失，同时也要减少能耗，重点在于降低再沸器以及冷凝器的热负荷。这时选择适宜的工艺操作条件，就需要对精馏塔的相关参数进行合理的优化。通过Sensitivity工具，分别对摩尔回流比、萃取水用量、馏出比(B/F-塔底采出量/进料量或D/F-塔顶采出量/进料量)进行了分析。

3.1 摩尔回流比分析

精馏过程中摩尔回流比是一个很重要的参数，它不仅影响产品回收率，纯度还对冷凝器和再沸器的热负荷有很大影响。以摩尔回流比为自变量，预精馏塔塔底CO2和塔顶甲醇含量为因变量做灵敏度分析，可以得出预精馏塔的最佳摩尔回流比为1.294。

根据实际双塔甲醇精馏生产中的情况，以主塔摩尔回流比与主塔塔顶甲醇产量及质量分数、再结合冷凝器、再沸器热负荷做灵敏度分析。从图2中可以看出随着摩尔回流比的增大主塔塔顶甲醇产量及质量分数逐渐增大，当达到1.95后再增大也变化很小，由此可以推断出最佳摩尔回流比即为1.95，此时甲醇纯度能够达到99.9%，且回收率高。

图2 主精馏塔摩尔回流比分析

3.2 预塔萃取水用量分析

在预精馏塔塔顶加入适量的水有助于在预塔中提高甲醇的回收率，但是用量太少对甲醇回收率增加无明显效果，量太大将会加重再沸器及冷凝器的负担，反而增加能耗，并且会使最终产品质量下降，所以萃取水量也是一个重要的参数。以萃取用水量与预精馏塔塔底CO2，塔顶甲醇流量以及预塔冷凝器、再沸器热负荷做灵敏度分析，由图3结果可知当用水量小于765 kg/h时，流量越小，塔顶甲醇流量越大，当萃取水量达到770 kg/h时，甲醇损失量几乎为0，因此最合适的萃取用水量为770 kg/h，约为总进料量的10%，该用量也符合实际工业生产中加入的萃取用水量，由此可知结果可用。

图3 预塔萃取水用量分析

3.3 馏出比分析

对预精馏塔的B/F值进行灵敏度分析，以塔顶采出的甲醇流量和主塔塔顶馏出的甲醇质量分数做因变量，分析结果如图4所示。从图中可以看出，B/F值为0.927时，甲醇损失量已经很少，此时既满足甲醇产品的质量要求，也使得甲醇的回收率较高。同样的方法以主塔塔顶馏出量与进料量即D/F值与主塔塔顶采出甲醇流量，质量分数以及冷凝器再沸器的热负荷做灵敏度分析，由图5结果分析可得最佳D/F值为0.7874。

图4 预精馏塔馏出比分析图

图5 主精馏塔馏出比分析图

4 结论

根据某化工厂原有甲醇双塔精馏过程中采集数据，利用Aspen Plus模拟分析得出预精馏塔的最佳摩尔回流比为1.294，最佳馏出比B/F为0.927，萃取用水量为进料量的10%，流量为770 kg/h；主精馏塔最佳摩尔回流比为1.95，最佳馏出比D/F值为0.7874。