五塔甲醇精馏方案

粗甲醇精馏是个十分耗能的过程，所以控制甲醇的生产成本非常有必要。

尽管大量的节能精馏系统提出，但甲醇精馏仍有很大的节能潜力。

为了进一步降低甲醇精馏的能耗，现提出一种新型的多级五塔精馏过程，这本质上是对现有四塔精馏过程的一种改进。

四塔精馏由预精馏塔、加压塔、常压塔和回收塔组成。

新五塔精馏方案在原来四塔精馏方案中的加压塔后增加了一个中压塔。

通过这种方式，原加压塔和常压塔的负荷下降了约30%。

该五塔精馏方案实现了多效精馏过程包括预精馏塔、加压塔、中压塔、常压塔和回收塔之间的一种高效的热量循环利用。

稳态模拟过程结果表明在每两个换热器间的温差是适当的，能够有效的传热。

经济方面分析显示五塔精馏方案与四塔精馏方案相比可减少33.6%的能耗。

成本的显著节约说明该五塔精馏方案是经济可行、可以实现的。

关键字：甲醇；多级精馏；热量利用过程模拟；节能1 简介精馏，是在化工行业中应用最广泛的分离技术，约消耗的3%世界能源。

尽管该技术已经成熟和得到不断优化，但其仍是一个十分耗能的操作过程。

为了降低能源消耗，70年前首次引入了热量循环利用的概念。

热量循环利用的基本思想是物质之间的冷热交换。

到目前为止，各种热量循环利用精馏方案不断提出，最近的一篇学术文章中有详细描述。

今天，经济因素加上环境问题(如二氧化碳排放)正起着振兴蒸馏塔的热效率的作用。

甲醇生产过程中，精馏是标准的分离方法。

目前，相当多的甲醇生产厂家利用天然气生产合成气。

原始的低压甲醇生产过程是在甲醇合成反应器中添加催化剂，有种典型的两塔精馏系统采用的原料是含水和一些有机杂质的粗甲醇。

这种方案在文献中有广泛的报道。

自1970年代中期以来由于能源危机的急剧上升，甲醇生产技术的许可者和经营者集中越来越关注可以替代这种标准两塔精馏系统的方案。

到目前为止，提出许多了替代方案，其中鲁奇发明的两级三塔装置被广泛应用于工业生产。

这些替代方案中有种两塔精馏方案是将两个塔分别处于在不同的操作压力之下，这样处于高压的塔生产的产品可使处于较低压的塔生产的产品进行再沸。

几个新型的节能三塔方案在文献中已有涉及。

鲁奇的三塔甲醇精馏装置是由预精馏塔、加压塔和常压塔组成。

为了进一步降低废水中甲醇含量和杂醇油的损失，提出了一个改进方案，是在鲁奇的三塔后增加回收塔，目前被应用于用于大规模的甲醇生产厂家。

这个改进方案被称为四塔精馏系统，该装置是现有甲醇生产的必要装置。

它的工艺如图2所示。

这表明该四塔甲醇精馏装置存在节能的潜力。

稳态模拟过程结果表明，这种新型多级四塔甲醇精馏方案与传统的四塔工艺相比可以大大的降低能源需求。

2 四塔多级精馏方案的基本情况四塔装置如图2所示，原料粗甲醇通过预精馏塔C1，加压塔C2和常压塔C4。

塔C1和C4的操作压力略高于大气压，而塔C2的操作压力为0.5-0.8 MPa。

塔C1作用是去除轻组分。

加热后的粗甲醇后进入塔C1后在顶部阶段和再沸器中产生的甲醇蒸汽已经除去了轻组分（如二甲醚、甲酸甲酯和丙酮)和溶解在粗甲醇中的杂质气体。

塔C1的底部产品经加压和加热后，送到塔C2，大约40-50%的甲醇成为塔顶产品或塔顶回流液。

塔C2的底部产品进入塔C4，剩余的甲醇变为过热蒸汽，而废水是流回底部。

中间沸腾杂质(主要是乙醇,但也有高级醇)在加料板下进行回流。

为了减少能耗，加压塔C2的过热蒸汽用于对常压塔C4底部进行加热。

一般来说，来自常压塔底部的废水中甲醇含量范围在0.01-0.1%，不符合废水的排放标准。

而且常压塔C4的回流液中还包括大量的甲醇。

常压塔C4大多数残留在底部的甲醇和回流液在回收塔C5中产生过热蒸汽。

杂醇进行回流，塔C5的底部废水符合排放标准。

与传统的两塔方案相比，四塔方案能节能30%。

然而四塔方案中仍存在如下的不足：1.预精馏塔C1底部温度低于常压塔C4底部温度。

塔C4使用加压塔C2的过热蒸汽作为热源，而塔C1使用0.5MPa蒸汽作为热源。

2.塔C2的能耗占总能耗的40%，而且塔再沸器的蒸汽消耗太大。

3.完全的分离是不可能的，因为常压塔C4和回收塔C5产生的废水中总会含有甲醇。

3 五塔多效精馏方案新型五塔多级甲醇精馏方案工艺流程如图3所示。

五塔和四塔方案两者之间的主要差异概括如下：1.在加压塔后添加一个中压塔C3，其操作压力控制在加压塔C2和常压塔C4之间。

2.精馏得到的甲醇产品以适当的比例分别作为塔C2、C3、C4和C5的过热蒸汽。

回收塔C5几乎成为一个提纯塔。

更重要的是，塔C4中没有回流液流出。

通过这种方式，甲醇含量增加，塔C4的底部温度温度降低。

因此，塔C2和C3产生的过热蒸汽可以分别对塔C3和C4的底部进行加热。

3.进入塔C5的原料中甲醇含量大大增加，通过增加塔的操作压力可以提高塔的顶部温度，从而影响塔C5和C1之间的热循环利用，即塔C5的顶部蒸汽可以作为塔C1的热源。

通过这种方式实现多效精馏,从而在很大程度上降低塔C2的热负荷。

因此，可以实现水电消耗的显著节约。

计算机技术的迅速发展和广泛应用于过程控制可以有效地处理更复杂的双效蒸馏过程。

因此，上述新流程的正常运行需要解决以下问题:1.加压塔C2、中压塔C3和回收塔C4要选择合适的操作压力，以便塔C2顶部和塔C3的底部之间、塔C3的顶部和塔C4的底部之间和塔C5的顶部和塔C1的底部之间有合适的温度差。

2.确定除预精馏塔C1之外每个塔顶部产生的甲醇产品所占比例，为了满足多效蒸馏的热循环利用的需求。

4 两个方案的稳态模拟模拟中粗甲醇的组成和参数如表1所示。

热源为0.5 MPa的饱和蒸汽。

空气冷凝器用作间壁冷凝。

冷却水作为冷却介质进入预精馏塔的双程间壁冷凝器冷却所有产品。

冷却水的入口、出口温度分别30°C和40°C。

甲醇产品纯度要求为99.99 %。

回收塔底部废水中甲醇含量不超过0.005 %。

四塔方案中常压塔底部废水的甲醇含量控制在0.01%以下。

而在五塔方案中不需要控制。

两个方案的模拟都使用商业软件Pro / II。

采用NRTL方程计算每一塔液相活度系数，除了使用软件Pro / II提供的特殊酒精程序包的回收塔。

根据采用鲁奇的三塔系统的甲醇工厂现场提供的相应数据，每一塔的理论塔板数确定。

每一塔的操作压力被认为是通过引用数据和在每个塔两面的再沸器和冷凝器设置适当的温度差而定。

压力降的计算，考虑到塔内部的类型如下：塔C1、C2、C1′、C2′、C3、C3′和C4采用填料塔；塔C4′采用规整填料在上层部分精流段，下半部分提馏段采用浮阀；塔C5和C5′，精馏段的上半部分采用规整填料、下半部分采用浮阀，提馏段采用浮阀。

每一个塔的结构，在精馏段和提馏段分别采用BX和250Y。

在预精馏塔有一个双程间壁冷凝器。

预精馏塔的换热器先将一部分气体冷凝到65°C，其余的部分蒸汽在冷凝器冷凝到40°C。

第二部分的气体流离开冷凝器送到洗涤塔。

回收塔的洗涤液送到预精馏塔，它作为萃取剂从预精馏塔加料板处加入。

这种分步冷却在双程冷凝器和洗涤塔只产生非常低的甲醇轻组分损失。

根据现场数据得出预精馏塔回流比大约是0.5-0.8，稳态模拟中为0.53。

其他列的回流比是通过使用Pro / II严格计算的。

此外，根据冷热流的能量水平提出一个合理的换热方案。

冷热流热交换采用逆流，最低温度差为15°C。

因为四塔方案是基于现有的甲醇工厂在处理能力、流程配置、操作条件等方面考虑的，四塔方案假定的成本等于2008年这类工厂的实际投资。

五塔方案假定的成本和四塔方案相差不大。

5 结果与讨论5.1能耗分析表2给出了物料平衡和表3总结了每个塔两个方案的操作条件和计算结果。

从表2和表3可以看出，四塔方案中纯甲醇产品基本上是由塔C2和C4生产的，塔C2和C4产量占总产量的比例分别为45.60%和53.39%。

两级精馏的热量总要求是49.688 兆瓦。

五塔方案中纯甲醇产品的任务是由塔C2、C3、C4和C5基于热循环利用的匹配要求而得，各塔产量占总产量的比例分别为26.62%、29.97%、35.53%和7.88%。

总热量需求降至32.982兆瓦。

五塔方案与四塔方案相比,能耗降低33.6% 。

如果与传统的两塔方案相比,新的五塔方案能耗下降了53.5%。

相比之下,四塔方案与传统的两塔方案相比能耗减少30%。

此外,两个方案的纯甲醇产品质量能满足美国标准的“AA”级和废水中的甲醇含量低于0.005%，结果如表4所示。

四塔和五塔案然甲醇的回收率几乎相同，都达到了99.98%。

冷凝器和再沸器相同的指标是指冷凝器和再沸器的热量是循环利用的。

5.2每个塔操作条件和分离难度的变化两个方案的预精馏塔中冷凝器和再沸器参数保持不变。

为了满足要求的传热温差，与塔C2′相比塔C2的操作压力是增加了约70 kPa，因而，中间产品温度从132.1°C升到135.0°C。

因而塔C2中间产物的分离难度明显减少，两塔的回流比保持不变。

与塔C2相比，新添加的中压柱C3的操作压力降低到360 kPa 及其分离难度也降低了。

因为塔C2和C3理论塔板数是相同的，故回流比从R2 = 2.73减少到R3 = 2.30。

对于常压塔C4，回流比和分离难度均低于塔C4′，因为塔C4底部产品的甲醇含量不再需要控制，它高达28.28%。

随着塔C4底部产品中甲醇含量的增加，它带来另一个优点是底部温度的明显降低从107.8°C降到82.1°C，为塔C2、C3和C4之间的多级精馏创造了非常适宜的的传热温差。

最明显的改变发生在回收塔。

四塔方案的主要任务是回收残留甲醇作为中间产物，杂醇进行回流，塔底部废水符合污水排放标准。

与四塔方案相比五塔方案中塔C5中原料的流量和甲醇含量大大增加，因此回收塔C5差不多就是个提纯塔。

因而与塔C5′相比塔C5的分离难度大大降低。

另一方面，为了在C5和C1间形成两级精馏，塔C5的操作压力增加到220 kPa，从而增加分离难度。

塔C5和C1之间的两级精馏主要依赖于塔C1的再沸器。

因此，当塔C5的流量一定时，回流比R5在一个很小的范围内波动。

仿真结果表明，R5等于4.73，与R5′相比减小30.4% 。

因此，与塔C5′相比塔C5所需的理论塔板数从40增加了60。

得出的结论为塔C5分离难度略高于塔C5′。

5.3传热温差表6列出了这两个方案中每个塔两面的冷凝器和再沸器的温差。

从表6可以看出，五塔方案中每个冷凝器和再沸器的温差小于四塔方案。

但都高于20°C，足以满足传热的高要求，这证实了新工艺是可行的。

表7给出使用0.5 MPa饱和蒸汽作为热源的每个再沸器的温差异。

加压塔C2在最高操作压力下塔底部与0.5 MPa蒸汽有最小的温差，但仍有18.2°C。

与塔C2′的再沸器相比，塔C2两面的再沸器温差降低 2.1°C，但它仍然可以满足传热的需求。