高效节能甲醇精馏运行总结

徐广才

(内蒙古荣信化工有限公司，内蒙古鄂尔多斯 014300)

精馏是利用液态物系中各组分沸点不同的特点进行分离的化工单元操作。采用精馏方式得到精甲醇产品，至少需要2个精馏塔进行分离，在第1个塔(预精馏塔，简称预塔)塔顶先精馏出轻杂质，甲醇、水和重组分杂质进入第2个塔(主精馏塔，简称主塔)；在第2个塔塔底除去重组分杂质，塔顶产出精甲醇产品，这就是所谓的2塔精馏工艺流程(简称2塔流程)[1]。随着精馏工艺的发展，甲醇精馏工艺中引入热耦合节能技术，将主塔分为2个塔——加压塔和常压塔，利用加压塔塔顶甲醇蒸气为常压塔塔底再沸器加热，这就形成了由预塔、加压塔和常压塔组成的3塔精馏工艺流程(简称3塔流程)[2]。为了使废水达标排放，在常压塔侧线采出包括甲醇在内的杂醇[3]。

随着甲醇生产规模不断增大，精馏装置中杂醇量也不断增加，为了进一步提高甲醇收率，又在流程中加入回收塔，将常压塔侧线杂醇进行精馏，回收甲醇，这样就形成3+1塔精馏工艺流程(简称3+1塔流程)[4]。目前广泛使用的甲醇精馏技术为3塔精馏和3+1塔精馏。内蒙古荣信化工有限公司(简称荣信化工)甲醇精馏在3+1塔流程的基础上，提高加压塔操作压力，添加中压精馏塔(简称中压塔)，将热耦合增加到两级，即利用加压塔塔顶甲醇蒸气为中压塔塔底再沸器加热，再利用中压塔塔顶甲醇蒸气为常压塔塔底再沸器加热，从而使工艺流程衍变为4+1塔精馏工艺流程(简称4+1塔流程)。4+1塔流程具有蒸汽消耗低、操作容易、产品质量好等优点。

1 工艺流程

1.1 工艺原理

甲醇精馏是根据在相同温度下，粗甲醇中各组分的相对挥发度不同，经多次部分气化和部分冷凝最后得到较纯的组分，实现各组分分离的操作过程。

4+1塔精馏装置主要包括预塔、加压塔、中压塔、常压塔、回收塔和不凝气洗涤塔。预塔主要是除去粗甲醇中的二甲醚、甲酸甲脂等轻组分杂质及溶解性气体，加压塔、中压塔、常压塔中除去水及重组分杂质，并在常压塔侧线采出一部分累积的重组分送往回收塔回收甲醇，从而得到优等品精甲醇。

1.2 工艺流程

4+1塔流程见图1。

1.2.1 预塔

原料粗甲醇与NaOH水溶液混合经蒸汽冷凝液及中压塔产品加热到77～78 ℃后进入预塔，在预塔分离轻组分。塔顶甲醇蒸气在预塔空冷器中部分冷凝，冷凝液进入预塔回流罐，未冷凝的气体进入预塔第二冷却器(简称二冷)，二冷冷却的液体进入油水分离器内分相，上层为甲酸甲酯等油相，定期自流至燃料油罐，下层水相进入预塔回流罐。预塔二冷的不凝气进入不凝气洗涤塔洗涤回收甲醇后送至燃料气管网作为燃料。同时，为了保证分离效果，在预塔回流槽加入一定量萃取水，以保证产品质量。

1—预塔；2—加压塔；3—中压塔；4—常压塔；5—回收塔；6—不凝气洗涤塔。

图1 4+1塔流程

1.2.2 加压塔

去除了轻组分的粗甲醇从预塔塔底排出(含甲醇质量分数约89%，下同)，加压后经2台预热器预热(2台预热器热源分别为加压塔塔底液和蒸汽凝液)，加热至134～135 ℃进入加压塔，进行精馏。加压塔塔顶甲醇蒸气为中压塔再沸器供热，换热、冷凝后，一部分采出送至回收塔再沸器，作为回收塔再沸器热源，换热后进一步冷却作为精甲醇产品，一部分作为回流，回流比控制在2.5～3.0。

1.2.3 中压塔

加压塔塔底醇水溶液(含甲醇质量分数约85%)换热后送往中压塔进行精馏，中压塔塔顶甲醇蒸气为常压塔再沸器供热，换热、冷凝后的甲醇液一部分采出送至预塔进料预热器，换热后进一步冷却作为精甲醇产品，一部分作为回流，回流比控制在2.4～2.9。

1.2.4 常压塔

中压塔塔底醇水溶液(含甲醇质量分数约73%)送往常压塔进行精馏，常压塔塔顶甲醇蒸气经冷凝后一部分作为精甲醇产品，一部分作为回流，回流比控制在2.2～2.6。塔底废水(残留甲醇质量分数≤0.01%)送入气化工段作为磨煤水使用。为保证产品质量，在常压塔设侧线，采出杂醇。

1.2.5 回收塔

由常压塔侧线采出的杂醇油，用泵送入回收塔回收甲醇。回收塔塔顶采出甲醇、乙醇等混合液作为燃料油出售，塔底废水(残留甲醇质量分数≤0.01%)送入气化工段作为磨煤水使用。

1.2.6 不凝气洗涤塔

预塔二冷后的不凝气进入不凝气洗涤塔底部，在塔顶加入脱盐水，溶解吸收气相中的甲醇，不溶于水的不凝气送入燃料气管网。洗涤后的含醇水进入油水分离器。

2 生产运行效果

不同流程的精馏塔设计大同小异，节能降耗的主要手段为合理进行填料的分段和高度的设计，使混合物的气液相的单元操作合理进行；同时优化流程，调整部分工艺指标，合理利用物料的热量。

4+1塔流程的主要工艺指标见表1。

表1 4+1塔流程的主要工艺指标

2.1 蒸汽消耗

4+1塔流程充分利用系统物料热量的回收利用，一是中压塔再沸器使用加压塔塔顶甲醇蒸气来加热中压塔塔底液；二是常压塔再沸器使用中压塔塔顶甲醇蒸气来加热常压塔塔底液；三是利用加压塔再沸器蒸汽凝液为加压塔进料进行预热，然后将换热后的蒸汽凝液作为预塔其中一个再沸器的热源；四是加压塔和中压塔精甲醇采出产品温度都在125 ℃以上，用这两股精甲醇作为回收塔再沸器和预塔进料二次预热的热源。通过以上优化，每吨精甲醇消耗蒸汽约0.9～1.0 t，与传统的3塔或3+1塔精馏相比，吨精甲醇蒸汽消耗降低0.2～0.3 t。4+1塔流程的蒸汽消耗数据见表2，其中0.5 MPa蒸汽运行时压力稳定在(0.5±0.01) MPa，1.0 MPa蒸汽运行时压力稳定在(0.95±0.02) MPa。

表2 4+1塔流程的蒸汽消耗数据

2.2 产品质量

精甲醇产品经化验分析，各项指标均符合GB 338—2011《工业用甲醇》优等品要求，具体数据见表3。

表3 精甲醇分析数据

2.3 系统运行

精馏塔采用高效波纹板规整填料+导向梯形浮阀，在结构上使气液流路得到优化，传质效率提高，系统阻力降低，相对提高了理论塔盘数。在实际生产中，产能可达设计值的120%左右，并且运行稳定，各项操作指标均在可控范围内。影响系统运行稳定的主要因素有以下3个方面：

(1) 蒸汽压力波动。该装置1.0 MPa蒸汽主要由变换工段副产蒸汽提供，副产蒸汽不足时由2.0 MPa饱和蒸汽减压提供。由于前系统开车负荷波动，导致蒸汽压力变化较快，产品质量频繁出现反复。另外，在使用2.0 MPa蒸汽减压时，蒸汽存在一定过热度，再沸器换热效果差。随着前系统逐渐稳定，消除蒸汽波动带来的影响后，系统运行整体趋于稳定。

(2) 负荷匹配。开车初期装置负荷较低，为缩短产品合格时间，加压塔和中压塔回流量偏大，2塔采取精甲醇较多，导致中压塔塔底液甲醇含量低(设计含醇质量分数为73%，实际含醇质量分数约为60%)，常压塔难以稳定操作，产品质量不合格。通过调整加压塔和中压塔的回流比，控制中压塔塔底液含醇质量分数在70%以上后，系统逐渐趋于稳定。

(3) 粗甲醇质量。该装置合成工段采用庄信万丰甲醇合成技术，床层温度高导致粗甲醇中杂质含量较高，特别是乙醇质量分数>2 400×10-6，严重影响精馏操作。针对这种情况，在调整合成操作的同时，加大分析频次，对粗甲醇中的杂质进行定性和定量分析，并根据分析结果调整萃取水的加入量和回流比，精馏产品质量得到很好的改善。

3 生产过程出现的问题及处理措施

3.1 预塔轻组分溢流采出口设置过高

预塔轻组分在预塔回流罐和油水分离器溢流采出，由于设计原因，采出口的位置在液位90%以上的位置，正常液位在50%～60%时轻组分无法采出。这些物质在预塔积累，随着时间推移，杂质逐渐向下扩散至塔釜内，带入后塔，这些杂质又以同样的方式聚集于塔顶，造成产品水溶性不合格。在运行过程中，将油水分离器液位控制在90%以上，保证预塔轻组分能够顺利采出，保证产品质量。另外，计划在系统停车检修时对油水分离器进行改造，将采出口降低至液位50%～60%处。

3.2 常压塔冷凝器液相管形成液封

常压塔采用空冷加水冷的形式，空冷后的甲醇气液混合物进入水冷器再进一步冷却。水冷器工艺物料采用下进上出的形式，导致水冷器甲醇进口管线形成一个液袋，在开车时一旦有甲醇开始冷凝，在常压塔和回流槽之间形成液封，导致常压塔内氮气不易排出，常压塔压力波动较大，系统紊乱。为了解决该问题，在空冷器排气口和回流槽之间直接增加一路平衡管，开车时塔内氮气可顺利排出，常压塔指标控制比较稳定。

3.3 杂醇油中间罐平衡管设计不合理

常压塔侧线采出的杂醇油先进入杂醇油中间罐再经泵加压送入回收塔回收甲醇。原设计在中间罐和回流槽之间设置平衡管，在运行过程中由于回流槽压力远低于中间罐压力，中间罐中的杂质蒸气被吸入回流槽中，导致产品质量不合格。经排查确认后将平衡管隔断，产品质量随即好转。

3.4 常压塔水溶性不稳定

开车以来，合成塔入口氢碳比受前工段的制约波动很大，造成粗甲醇组分变化较大，常压塔多次出现水溶性波动。通过加大萃取水量控制预精馏塔后甲醇质量分数在80%～85%，提高预塔不凝气放空温度在50～55 ℃，加大常压塔杂醇油采出量并适当调整采出口位置，产品质量得到改善。

4 结语

(1) 4+1塔甲醇精馏相比较于传统的3塔精馏或 3+1塔精馏具有显著的节能效果，精甲醇蒸汽单耗同比可节省0.20 t以上，符合国家大力推行的节能减排号召，并且系统运行稳定，操作灵活。

(2) 与传统的3塔精馏或3+1塔精馏相比，4+1塔精馏的流程复杂，特别是换热网络，因此在操作过程中更应优化操作，确保每个塔的操作条件与设计吻合，保证合适的回流比，才能在保证产品质量的前提下降低能耗。

(3) 该装置处于开车初期，蒸汽消耗相比传统工艺有所降低，但仍有优化的空间。精馏装置除了采用先进的工艺，在实际运行中，还需要不断地优化工艺指标，进一步提高甲醇收率和降低能耗。