甲醇三塔精馏工艺技术

甲醇三塔精馏工艺技术 (河北石家庄精工化工设备有限公司 052165)

0 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。在当今国家大力提倡节约能源、降低消耗、实现循环经济的大环境下，如何提高甲醇的质量、降低能耗是摆在我们面前的重大课题，也是关系到每个企业争生存、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，一是在满足产品质量要求的前提下尽可能降低回流比。精馏工艺过程中，在不降低甲醇产品质量的情况下，降低回流比只能通过增加理论板数的方法。而增加理论板数方法之一就是增加设备的实际板数，这必将增加设备的高度，从而增加设备投资；另一方法，就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高度，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。基于以上两点，我们利用我们的专利技术——新型垂直筛板塔，结合工艺流程的优化，自主开发了以新型垂直筛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，在降低设备造价、提高能源利用率方面取得了非常好的效果。 1 新型垂直筛板塔的结构特点 新型垂直筛板塔是经多年研制开发的一种新型的喷射型塔板，其结构和工作原理如图1所示。

它是由塔板上开有类似于文丘里喷嘴形式的升气孔及罩于其上的帽罩组成。气液接触传质、传热过程为：由下层塔板上升的气体经升气孔后气流收缩，静压降低，板上的液体靠本身的液柱静压及气流的吸力进入帽罩内与上升气流形成气液混合物边进行传质、传热边上升，完成相当于普通鼓泡型塔板传质过程的第一阶段传质过程；气液混合物打到罩顶后进行液体的表面更新，并在罩内空间完成第二阶段传质；然后，气液混合物经帽罩上部侧壁上的开孔水平喷出，液体被分散成大量直径不等的液滴，形成很大的传质表面，在液层上部空间完成第三次传质、传热过程后，液滴返回板上液层内，气体继续上升至上层塔板。 新型垂直筛板具有如下特点： (1)阻力小，气液接触充分，传质效率高，空间利用率高。经实验测试和工业应用比较，新型垂直筛板的传质效率比目前公认的高效塔板——浮阀塔的效率要高10％～20％。这主要是由于每层板上均经历三个阶段的传质过程，而且本公司的专利结构中升气孔为文丘里型，阻力较小，这样就使气体流动动能更多地用于液体的提升和破碎，使参加气液接触的液体量较平孔大、且被破碎的更为充分。 (2)处理能力大。由图1可以看出，因气液混合物从帽罩内喷出的流向是水平方向或斜向下，而非普通塔板或填料塔的向上或斜向上方向，液滴的垂直向上的速度分量很小，这就能保证气流中的雾沫夹带很少，可以在板间距不很大的情况下，操作气速很高，加之此塔板气液接触后分离充分，液体中基本不夹带气泡，降液管内不会形成泡沫层，可减少降液管所占面积，提高有效开孔区面积，从而比浮阀、泡罩、筛板有更高的开孔率，进一步提高了此塔的处理能力。据实际测定，新型垂直筛板塔的处理能力比浮阀、筛板等高50％以上，比泡罩提高100％左右，比目前公认的高效板波纹填料(250Y)的处理能力高10％～20％。 (3)操作弹性大。因新型垂直筛板夹带量很少，所以不易产生液泛，正常操作时动能因子范围大，其操作弹性比浮阀塔还要大。 (4)结构简单、可靠、投资省。此塔板上无活动部件，不会因磨损、震动等原因造成传质单元脱落，可保长周期使用性能不会下降，基本无维修工作量。 (5)抗结垢、防堵塞性能好。由于操作气速较高，气流自清洗能力强且升气孔直径大，可有效防止结垢、堵塞，有很强的防结垢堵塞能力。 (6)板上液面梯度小，液面横向混合好、无流动及传质死区。因此，使用垂直筛板塔作为甲醇精馏塔可大大提高处理能力和分离效果，如石家庄化工厂、山东华阳农药厂等φ1400 mm泡罩甲醇精馏塔改为φ1000mm新型垂直筛板塔，截面积减少一半，塔处理能力比原φ1400mm泡罩塔还提高了50％以上，藁城化肥总厂、乐亭化肥厂原φ1200 mm浮阀甲醇精馏塔改造为新型垂直筛板塔，塔板数由84层减为60层，处理能力比原来也增加了50％以上，而且产品质量和残液中甲醇含量均有所改善。 2 三塔甲醇精馏工艺 2.1 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采用的流程。这一流程主要有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。该流程操作、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。其流程见附图2。 2.2 我公司开发的三塔精馏分离工艺 三塔精馏分离工艺是将甲醇精馏塔分为2个塔：加压精馏塔和常压精馏塔。这一流程原为从国外引进的先进技术，但由于对其设计思想不能充分理解，有的厂家使用中山现一些问题，所以采用的较少。在消化吸收国外先进的甲醇三塔精馏技术优点的基础上，结合自有的新型垂直筛板技术，我公司自主开发了独特的甲醇三塔精馏工艺技术。其流程见附图3。

该流程中，预塔(脱醚塔)的作用和控制指标与双塔常压流程无异，经预精馏脱除轻组分后的粗甲醇首先泵入加压精馏塔，塔底再沸器采用低压蒸汽加热，塔顶甲醇蒸气进入常压精馏塔塔底的再沸器冷凝，为常压精馏塔提供热源，冷凝后的甲醇一部分作为产品，另一部分作为加压塔的回流。加压塔底流山的较低浓度的甲醇水等经减压后流入常压精馏塔。在此塔内完成甲醇、水及高级醇的分离。 此三塔流程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105～110℃，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120℃，其对应压力应在0.633MPa(绝)。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。取山量小，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来说明，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。经过模拟优化，认为当两塔取出量相近时，系统能耗最低，投资最小，这与国内仿制国外工艺的控制条件有很大区别。 我公司的三塔精馏分离流程，三塔均采用垂直筛板塔内件，塔高明显降低。尽管三塔流程增加了一加压塔及附属设备，但由于塔高及塔径都有所下降，在相同生产能力时，与传统的双塔流程相比，投资并没有增加。而增加加压塔后，常压塔负荷可以减半，即现有双塔流程若其脱醚塔能满足要求，仅增加1台加压塔，可以将生产能力增加近1倍，而蒸汽消耗可降低约40％，因此，只要将2塔改造为三塔流程，其生产能力就可以翻番。这也是甲醇扩产的既快又有效的途径。 3 甲醇三塔精馏技术应用效果 自2001年以来，我公司甲醇三塔精馏技术逐渐为广大用户所瞩目，已在国内推广应用了30余套，单套年生产能力从2.5万t到10万t不等，总生产能力达到100万t以上。主要用户见表1。

生产实践表明该流程具有以下特点。 (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2。

(2)塔高降低，设备造价及安装费用低。三塔精馏工艺中精馏塔加压后，常压塔再沸器利用甲醇的冷凝热，减少了热能消耗，但加压塔加压操作使甲醇与水的相对挥发度变小，对塔的分离效率会有所影响，要想保证产品纯度，必须增加塔板数和塔高，如采用泡罩或浮阀塔塔板多达80层，塔高达40m以上。我公司开发的新型垂直筛板塔由于其传质效率较高且板间距较小使塔高大大降低。在新型垂直筛板型甲醇三塔精馏工艺中，脱醚塔高19m；精馏塔(加压、常压)塔高均为31 m。塔高降低了1／3以上，大大降低了设备造价和安装费用。具体数据见表3。 (3)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1.1 t以下。表4为不同流程的蒸汽消耗的相对数值。 (4)甲醇产品纯度高，残液中的含醇量低。通过优化设计，选出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％～0.2％之间(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。 (5)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。通过反复实验及优选，得到了最佳加碱量，将pH值调整到7左右，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％。 (6)适合于对现有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2.5万t精馏装置为例，改三塔后能力增加到5万t/a，比新建1套2.5万t精馏装置可节省一次性投资80万元左右，每年节约蒸汽约4万t，循环水350万t，价值315万元左右，相当于每吨甲醇降低成本63元。 4 结语 以下是河北省科委对垂直筛板三塔精馏技术的鉴定意见，将它作为本文的结语：垂直筛板技术与三塔精馏流程有机结合属国内首创，该技术设计理念先进合理，设备投资省，且全部实现了国产化，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)垂直筛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)垂直筛板型甲醇三塔精馏技术，使精馏的蒸汽消耗比双塔流程降低40％以上，吨醇汽耗降到1.0～1.1t，冷却水用量降低50％。 (3)垂直筛板的气液接触充分，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％～0.2％以下。在运行中有效解决了精甲醇酸值易偏高的问题。