周理明，徐梅松

(1．貴州理工學(xué)院 化學(xué)工程學(xué)院，貴州 貴陽 550003；2．貴州大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院，貴州 貴陽 550025)

甲醇是重要的基礎(chǔ)產(chǎn)品，廣泛用于有機(jī)合成、燃料、醫(yī)藥和國防等工業(yè)[1]。煤化工作為我國化工工業(yè)的重要行業(yè)之一，具有突出優(yōu)勢，而甲醇生產(chǎn)在煤化工產(chǎn)業(yè)中具有特別的作用和意義。

與合成氨聯(lián)建的聯(lián)醇工藝是我國以煤為原料生產(chǎn)甲醇的主要工藝，甲醇生產(chǎn)中雙塔精餾是目前廣泛采用的一種工藝，它是決定甲醇產(chǎn)品質(zhì)量的重要工序，其能耗是影響甲醇生產(chǎn)成本的關(guān)鍵因素之一。通過對某化工廠現(xiàn)有雙塔精餾工藝數(shù)據(jù)進(jìn)行采集分析，采用化工過程模擬軟件Aspen Plus進(jìn)行模擬分析，優(yōu)化工藝過程和參數(shù)，有效降低生產(chǎn)過程能耗，提高甲醇產(chǎn)品質(zhì)量和收率[2]。

1 粗甲醇的組成

通過采集某化工廠粗甲醇原料進(jìn)行分析，主要組分如表1所示，主要雜質(zhì)為水、二氧化碳以及低碳醇。

表1 某化工廠粗甲醇組分

2 雙塔精餾工藝[3-5]

圖1 甲醇雙塔精餾工藝流程圖

國內(nèi)中、小甲醇廠大部分都選用雙塔精餾工藝傳統(tǒng)的主、預(yù)精餾塔幾乎都選用板式結(jié)構(gòu)。本文中雙塔精餾工藝模擬流程見圖1，粗甲醇經(jīng)預(yù)熱器加熱到45℃后進(jìn)入預(yù)精餾塔。甲醇的精餾分2個階段：先在預(yù)精餾塔中脫除輕餾分，主要是少量氣體，甲烷等。為了提高甲醇的回收率，在預(yù)精餾塔塔頂加入適量的水作為萃取劑。從預(yù)精餾塔底部出來的組分進(jìn)入主精餾塔，進(jìn)一步把高沸點(diǎn)的重餾分雜質(zhì)脫除，主要是水、乙醇、丙醇等。從塔頂采出的產(chǎn)品經(jīng)塔頂冷凝器冷卻，就可得到純度在99.9%以上的符合國家一級指標(biāo)的精甲醇產(chǎn)品。該工藝具有流程簡單，運(yùn)行穩(wěn)定，操作方便，一次投資少的特點(diǎn)。該工藝適合于原料粗甲醇中輕組分少、還原性雜質(zhì)量較低的粗甲醇加工。

3 工藝操作參數(shù)的確定

通過精餾能夠得到高純度的甲醇產(chǎn)品，都希望既有較高的回收率，減少甲醇的損失，同時也要減少能耗，重點(diǎn)在于降低再沸器以及冷凝器的熱負(fù)荷。這時選擇適宜的工藝操作條件，就需要對精餾塔的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行合理的優(yōu)化。通過Sensitivity工具，分別對摩爾回流比、萃取水用量、餾出比(B/F-塔底采出量/進(jìn)料量或D/F-塔頂采出量/進(jìn)料量)進(jìn)行了分析。

3.1 摩爾回流比分析

精餾過程中摩爾回流比是一個很重要的參數(shù)，它不僅影響產(chǎn)品回收率，純度還對冷凝器和再沸器的熱負(fù)荷有很大影響。以摩爾回流比為自變量，預(yù)精餾塔塔底CO2和塔頂甲醇含量為因變量做靈敏度分析，可以得出預(yù)精餾塔的最佳摩爾回流比為1.294。

根據(jù)實際雙塔甲醇精餾生產(chǎn)中的情況，以主塔摩爾回流比與主塔塔頂甲醇產(chǎn)量及質(zhì)量分?jǐn)?shù)、再結(jié)合冷凝器、再沸器熱負(fù)荷做靈敏度分析。從圖2中可以看出隨著摩爾回流比的增大主塔塔頂甲醇產(chǎn)量及質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸增大，當(dāng)達(dá)到1.95后再增大也變化很小，由此可以推斷出最佳摩爾回流比即為1.95，此時甲醇純度能夠達(dá)到99.9%，且回收率高。

圖2 主精餾塔摩爾回流比分析

3.2 預(yù)塔萃取水用量分析

在預(yù)精餾塔塔頂加入適量的水有助于在預(yù)塔中提高甲醇的回收率，但是用量太少對甲醇回收率增加無明顯效果，量太大將會加重再沸器及冷凝器的負(fù)擔(dān)，反而增加能耗，并且會使最終產(chǎn)品質(zhì)量下降，所以萃取水量也是一個重要的參數(shù)。以萃取用水量與預(yù)精餾塔塔底CO2，塔頂甲醇流量以及預(yù)塔冷凝器、再沸器熱負(fù)荷做靈敏度分析，由圖3結(jié)果可知當(dāng)用水量小于765 kg/h時，流量越小，塔頂甲醇流量越大，當(dāng)萃取水量達(dá)到770 kg/h時，甲醇損失量幾乎為0，因此最合適的萃取用水量為770 kg/h，約為總進(jìn)料量的10%，該用量也符合實際工業(yè)生產(chǎn)中加入的萃取用水量，由此可知結(jié)果可用。

圖3 預(yù)塔萃取水用量分析

3.3 餾出比分析

對預(yù)精餾塔的B/F值進(jìn)行靈敏度分析，以塔頂采出的甲醇流量和主塔塔頂餾出的甲醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)做因變量，分析結(jié)果如圖4所示。從圖中可以看出，B/F值為0.927時，甲醇損失量已經(jīng)很少，此時既滿足甲醇產(chǎn)品的質(zhì)量要求，也使得甲醇的回收率較高。同樣的方法以主塔塔頂餾出量與進(jìn)料量即D/F值與主塔塔頂采出甲醇流量，質(zhì)量分?jǐn)?shù)以及冷凝器再沸器的熱負(fù)荷做靈敏度分析，由圖5結(jié)果分析可得最佳D/F值為0.7874。

圖4 預(yù)精餾塔餾出比分析圖

圖5 主精餾塔餾出比分析圖

4 結(jié)論

根據(jù)某化工廠原有甲醇雙塔精餾過程中采集數(shù)據(jù)，利用Aspen Plus模擬分析得出預(yù)精餾塔的最佳摩爾回流比為1.294，最佳餾出比B/F為0.927，萃取用水量為進(jìn)料量的10%，流量為770 kg/h；主精餾塔最佳摩爾回流比為1.95，最佳餾出比D/F值為0.7874。