甲醇三塔精馏工艺技术(1)

浅析甲醇三塔精馏工艺技术(新疆新业能源化工有限责任公司  郑军)摘 要：甲醇是重要的工业有机原料之一，也是煤基产业链合成新型能源的优质基础产品，它的主要下游产品有芳烃、烯烃、二甲醚、1，4丁二醇、甲醇叔丁基醚等。随着科技的发展及工业技术的提高，甲醇的应用也愈加广泛，国内甲醇产能持续快速增长，工业生产技术更是精益求精。精馏在甲醇生产中极为重要，本文以精馏塔为例论述了甲醇精馏技术中双塔和三塔精馏工艺,介绍了精馏塔中导向型浮阀塔板的优点。对双塔和三塔精馏技术的经济性进行了比较。关键词：甲醇;导向型浮阀塔板;双塔精馏;三塔精馏前 言在以CO和H2为原料合成甲醇过程中，尽管生产工艺有单醇及联醇工艺，操作压力有高压法和低压法，催化剂有铜基和锌一铬基，但无论何种工艺生产都会不同程度地发生一些副反应，从而产生除甲醇以外的其它化合物杂质。同时由于二氧化碳的存在，会有相当量的水生成。为了获得高纯度、高质量甲醇产品，甲醇精馏成为甲醇生产企业重要后处理工序。甲醇的质量、单位产品能耗是其主要的技术经济指标，而且，这一工序的能耗高低对甲醇产品的成本有重要影响。在国家大力提倡节约能源、降低消耗、实现循环经济的大背景下，如何提高甲醇的质量、降低能耗已是每个企业争生存、求发展、取得更高经济效益的大事。对于精馏系统来说，降低能耗的措施从两方面着手，一是提高精馏塔内件的分离效率，即采用高效的分离元件来提高板效率或降低等板间距，从而在设备高度不增加的情况下，增加了理论板数，降低回流比。二是改进工艺流程，即利用甲醇饱和温度随压力增大而提高的特点，利用较高压力下甲醇的冷凝热来加热低压下的甲醇使其沸腾，实现热量的梯级利用，提高热利用率，从而降低能耗。综上两点，我公司结合当前工艺流程的优化，引进了以导向型浮阀塔板为分离元件的甲醇三塔精馏工艺技术，实现高分离效率及能源梯级利用的结合，在提高能源利用率方面取得了非常好的效果。一、导向型浮阀塔板的结构原理及特点我公司甲醇精馏塔采用的是导向型浮阀塔板，利用气体的动量推动液体向前流动的导向推液作用，从而减小直至消除液面落差，减小局部漏液，改善气体流动的均匀性，进而提高塔板效率。导向浮阀塔板保留F1型浮阀塔板上优点，克服了浮阀塔板存在的缺点。具有良好的流体力学和传质性能，为目前国内外最佳塔板之一。导向浮阀塔板与F1型浮阀塔板相比，处理能力可提高20-30%，塔板效率提高10-20%，塔板压降减小20%左右。用导向浮阀塔板代替F1型浮阀塔板，可获得显著的经济效益。（一）导向型浮阀塔的结构：导向型浮阀塔板的塔板是由A型导向浮阀和B型导向浮阀按适当的配比组合而成。如图所示：其特点：结构简单，通量大，压降低，效率高，负荷弹性大。1.组合导向型浮阀塔板上A型导向浮阀与B型导向浮阀的浮阀总数之比，称为组合配比，简称配比（K）。当液流强度较大或液体流路较长时，K值适当增大，反之，K值适当减小，以适应消除塔板上的液面梯度的需要。在塔板两侧的弓形区与塔板上的中央区相比，弓形区内梯形导向浮阀所占比率较大，以满足消除塔板上的液体滞止区的需要。当塔内部分塔板的液流强度较大，部分塔板的液流强度较小时，可采用不同的组合配比，以适应不同的需要。2.组合导向型浮阀塔板的阀孔临界气速与相应条件下的导向浮阀塔板的相同。导向浮阀塔板吸取了圆形浮阀塔板和条形浮阀塔板的优点，导向浮阀塔板的桥形阀孔和阀片前后为条形，中间为弧形或圆形，圆形部分可以有效增加浮阀的周长，以期浮阀在较小的长宽比下达到较大长宽比条形浮阀的要求，增大浮阀侧面汽体通道，同时由于浮阀长宽比较小，使浮阀在塔内的排布均匀，操作中使塔内汽体分布均匀，能够有效地减小雾沫夹带。3.组合导向浮阀阀片边缘开有三角形、波浪形或齿形凹槽，有利于细化汽体通道，同时减小浮阀与阀孔板的接触点，使浮阀与阀孔板的接触型式由线接触变为点接触，有利于浮阀的开启，对于塔板上鼓泡区的形成具有明显优势。阀孔结构为中间宽，前后窄，可以有效地减小浮阀列间距，增大塔板最大开孔率，这对提高塔的处理能力大有好处。浮阀前后为条形结构，设有条形阀腿，浮阀在操作中不转动，只会上下浮动，结构可靠。（2）浮阀塔F-型（国外通称V-型）的结构：浮阀塔F-型是用钢板冲压而成的圆形阀片，下面有三条阀腿，把三条阀腿装入塔板的阀孔之后，用工具将腿下的阀脚扭转90°，则浮阀就被限制在浮孔内只能上下运动而不能脱离塔板。当气速较大时，浮阀塔F-型浮阀被吹起，达到最大开度；当气速较小时，气体的动压头小于浮阀自重，于是浮阀塔F-型浮阀下落，浮阀周边上三个朝下倾斜的定距片与塔板接触，此时开度最小。定距片的作用是保证最小气速时还有一定的开度，使气体与浮阀塔F-型塔板上液体能均匀地鼓泡，避免浮阀与塔板粘住。浮阀塔F-型浮阀的开度随塔内气相负荷大小自动调节，可以增大传质的效果，减少雾沫夹带。结构原理如下图：（3）导向型浮阀塔板在结构上与F1型浮阀塔板的不同点：1.塔板上配有导向浮阀，浮阀上有一个或二个导向孔，导向孔的开口方向与塔板上的液流方向一致。找操作中，从导向孔喷出的少量汽体推动塔板上的液体流动，从而可明显减少甚至完全消除塔板上的液面梯度。2.导向浮阀两端设有阀腿，在操作中汽体从浮阀的两侧流出，体流出的反向垂直于踏板上的液体流动向。因此，导向浮阀塔板上的液体返混是很小的。3.踏板上导向浮阀，有的具有一个导向孔，有的具有两个导向孔。具有两个导向孔的导向浮阀，适当排布在塔板两侧的弓形区内，以加速该区域的液体流动，从而可消除踏板上的液体滞止区。4.由于导向浮阀在操作中不转动，浮阀无磨损，不脱落。二、甲醇三塔精馏工艺（一）传统的双塔常压精馏工艺双塔常压精馏分离工艺是以前最为普遍的流程。该流程主要有2个精馏塔构成，即预塔和主塔。粗甲醇首先进入预塔，它实际上是1个萃取精馏塔，在塔顶或回流槽中加入相当于粗甲醇进料20％～30％左右的水，以水作为萃取剂将粗甲醇进料中所含的非水溶性组分与甲醇分离。经预塔脱除了低沸点的甲醇进入主塔，在该塔内实现甲醇与杂醇、水的分离。其操作、控制较为简单，精甲醇质量也较容易保证，但是蒸汽及冷却水消耗较高，吨甲醇蒸汽消耗达1.7～2.5t。其流程如图：(二)我公司的三塔精馏工艺甲醇三塔精馏工艺由预精馏塔、加压精馏塔和常压精馏塔组成。该工艺消化吸收了国外先进的甲醇三塔精馏技术优点，结合新疆中建导向型浮阀塔板技术，由中国化学赛鼎 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 有限公司设计完成，工艺流程如图：现场实景如下：该流程中，预精馏塔的作用和控制指标与双塔常压流程无异，其生产方法采用三塔流程，将粗甲醇中的杂质分别脱除，不凝气经回收甲醇后送至火炬系统。在预精馏塔充分脱除低沸点组分后，采用加压精馏的方法，提高甲醇的气相分压与沸点，并减少甲醇的气相挥发。加压塔底流出的较低浓度的甲醇水等经减压后流入常压精馏塔。在塔内完成甲醇、水及高级醇的分离，最终的残液经冷却后送生化处理。预塔和常压塔塔顶冷凝采用空冷，大大降低了冷却水的消耗。常压塔可以完全利用加压塔的余热提供加热源，降低了蒸汽的消耗，又减少了冷却水的用量。在此工艺流程中，操作的关键是适当确定加压塔操作压力、加压塔取出量。首先，因加压塔冷凝器即为常压塔再沸器，而常压塔塔釜温度在110～115℃，要使加压塔塔顶气可以作为常压塔的加热源，其温度需高于常压塔釜温10℃以上，即加压塔塔顶温度约125℃，其对应压力应在0.6MPa(g)。另外，加压塔的取出量大小，也直接影响三塔精馏操作的稳定性及能耗。取出量小，为保证常压塔的热负荷，需加大加压塔回流比；若取出量大，需人为地加大常压塔回流比，都将造成能耗的增大，这可以由两个极限情况说明，其一为加压塔取出为零，这时加压塔仅相当于常压塔再沸器；其二为常压塔取出为零，常压塔为加压塔的冷凝器。经过操作经验优化，认为当两塔取出量相近时，系统能耗最低，投资最小，这与双塔精馏工艺的控制条件有很大区别。三、甲醇三塔精馏工艺应用成果我国甲醇产能持续快速增长，甲醇三塔精馏技术已为煤化工企业所瞩目。自2015年以来，宁夏宝丰能源集团年产150万吨等数个合计产能720万吨的甲醇项目建成投产，使国内甲醇有效年产能增至7200余万吨；2016年，数套煤制烯烃配套甲醇项目投产后，国内甲醇有效年产能将攀高至7800万至8000万吨。我公司甲醇三塔精馏工艺生产能力为年产50万吨，其精甲醇设计产量72.3t/h,实际产量26.97t/h,单耗为1.08，循环水设计耗水量6.50m3/h实际耗水量4.85m3/h，脱盐水设计用量8m3/h，实际用量6.2m3/h，主要物料累计如下：生产实践表明三塔精馏工艺具有以下特点：(1)设备处理能力大。不同流程及塔型的设备规格及处理能力见表1。(2)蒸汽消耗低，节能效果显著。通过合理选择操作参数，使加压和常压精馏塔的生产能力合理匹配，均衡采出产品，并适当降低回流比，进一步降低了系统的蒸汽消耗，吨醇汽耗已降低到1t以下。不同流程的蒸汽消耗的相对数值见表2。(3)甲醇产品纯度高，残液中的含醇量低。通过优化设计，确定最佳的进料及取出位置，使甲醇纯度达到99.9％以上，残液中的甲醇含量得到了最大限度地降低，一般在0.1％以下(传统浮阀精馏塔残液中的甲醇含量为0.5％～1.0％)，有的用户残液甲醇含量接近“0”。这不仅保证了甲醇的高收率，而且使残液的处理及污染得到了有效控制。(4)在运行中有效解决了精甲醇酸值易偏高的问题。在生产中，通常需要加入烧碱来降低精醇的酸值。在加压操作下，烧碱中的CO2溶入加压精馏塔的精醇中，会使精醇的酸值增高，这就会形成越加碱酸值越高的问题。通过操作优化，得到了最佳配碱量，将pH值调整到7.5~9，不仅节省烧碱，更重要的是产品质量得到了提高，产品优级品率达到100％。(5)适合于对二塔流程进行三塔扩产节能的改造。现有双塔精馏用户进行扩产改造时一般采用新上1套同类装置的方法，而进行三塔改造，仅需增加1台加压精馏塔、1台加压回流槽及回流1套年生产能力25万t精馏装置为例，改三塔后能力增加到50万t/a，比新建1套25万t精馏装置可节省一次性投资800万元左右，每年节约蒸汽约40万t，循环水3500万t，价值3150万元左右，相当于每吨甲醇降低成本430元。结 语以下是新疆化工研究院有限责任公司对导向型浮阀塔板三塔精馏技术的鉴定意见，将作为本文的结语：该技术与三塔精馏流程有机结合实现了国产化甲醇三塔精馏装置的各项技术经济指标可与国内大型企业从国外引进的三塔精馏技术相媲美，有的指标还超过了引进装置，整体技术水平达到了国内领先。(1)导向型浮阀塔板技术与三塔精馏流程有机结合，设备处理能力大，形成了一个高效、节能、安全、产品质量好的甲醇精馏体系。(2)导向型浮阀塔板技术，使精馏的蒸汽消耗比双塔流程降低45％，吨醇汽耗降到1.0t以下，冷却水用量降低50％。(3)导向型浮阀塔板的气液接触充分，传质效率高，阻力小，雾沫夹带少，较小的塔板间距可获得较大的处理能力，减少了塔板层数，降低了塔高，投资省，使用寿命长。(4)产品质量好，甲醇纯度达到99.9％以上，残液中的甲醇含量降到了0.1％以下。在运行中有效解决了精甲醇酸值易偏高的问题。(5)推广价值高。优势明显，适合在全国单醇及联醇行业推广使用，经济效益将是巨大。同时符合国家节约能源、清洁生产、循环经济和可持续发展战略。