如何使甲醇装置消耗低 产品质量好
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张振欧（河北工业大学化工塔器设计中心 天津市创举科技有限公司，天津 300130） 2007-03-08
目前，我国的甲醇工业正在快速发展，各地新建的甲醇项目正在陆续建成并投产。而一批新的项目又开始建设。也就是说，现在我们正处在一个甲醇大发展的时期。如何把甲醇装置建成既节能、又能生产出优质产品，即既可达到我国国标的优等品标准又可达到美国Pederal AA标准产品的装置就成为我们的主要课题。
1 节
能
现在的甲醇工艺，主要耗能的工段就在压缩和精馏。而压缩工段由于设计时大多都采用了低压甲醇技术，电耗基本都降下来了。因此甲醇生产的能耗主要就集中在精馏工艺和精馏设备的选择上。以下主要从精馏工艺和设备的选择上阐述一下如何节能。
1.1 单效和双效
老式的精馏工艺，大多选用双塔精馏。即单效精馏流程。它的历史比较长，投资少、建设周期短、操作比较简单，因此很容易地被大多数中小甲醇厂所选用。用该流程生产出来的甲醇可以达到国标GB338-2004“工业用甲醇”中优等品的标准。但是蒸汽耗比较高，吨精醇在1.5～1.8t。为解决能耗高的问题，双效精馏流程应运而生。所谓双效流程，就是系统由预塔、加压塔和常压塔组成。预塔为普通的常压精馏塔，加压塔和常压塔形成双效精馏，用加压塔顶蒸汽的冷凝热来加热常压塔底再沸器中的甲醇液，这样既省了加压塔的塔顶冷凝器，更重要的是省却了常压塔再沸器的热源，不用另加新蒸汽，故可节省冷却水和加热蒸汽，这就是双效精馏的主要优点。通过计算可以得出以下结论:双效流程要比单效流程节能42%。实际运行数据也证明了这一点：一般的三塔精馏吨醇蒸汽耗为1.0～1.2t蒸汽。同时产品质量也可提高，可以比较容易地将甲醇中乙醇含量降到美国AA标准的要求。但是它的投资较双塔高，同时操作比较复杂，对操作人员的素质和控制仪表的质量和配置的要求也将高一些。
现在一般新建厂，特别比较大的甲醇装置，为了节能和提高产品质量，大多都选用三塔精馏。
1.2甲醇精馏塔的选择
目前甲醇精馏塔从大的类型上分有板式塔和填料塔两种。
1.2.1
板式塔
板式塔是传统的塔型，但由于老式塔板的板效率较低，造成老式板式塔如浮阀塔的塔板层数较多，塔体较高。一般的浮阀式甲醇精馏塔主塔塔板要85层，因此主塔高达45～50m。系统的回流比也很大。这就能使系统能耗增大，设备投资加大。现在讲是不可取的。为减少能耗，目前已研究出多种新型塔板，比较常见的有河北工业大学的垂直筛板塔和天津市创举科技有限公司开发的径向侧导喷射塔板（专利号：ZL 99 2 00112.6），见图1。
图1径向侧导喷射塔板
径向侧导喷射塔板是在垂直筛板塔板的基础上开发出来的更新换代产品。它的工作原理就是（见图2）：下层塔板上升的气体经塔板板孔上升，塔板上的液体靠自身的静压从帽罩底隙进入罩内，被上升的气体提拉、破碎、混合，向罩顶撞击，实现第一次传递过程；当气液混合物打到罩顶，折返又使气液接触面更新，在罩内完成第二次传质过程；然后，气液混合物经罩侧面的小孔喷出，液体被分散成大量直径不等的液滴，形成大量又被更新的表面，在塔板上进行第三次传质。气流每经过一层塔板，就要连续进行三次强烈的传质过程。也就是说，该塔盘的传质过程是在塔盘上面的整个空间进行的，因此说它的板效率比较高。并且径向侧导喷射塔板由于设计了上隙，工作时可以使一部分气液混合物经上隙折返向下，这部分向下的气液混合物可以压住一部分雾末夹带，从而使该类塔的气相流量增加很多时雾沫夹带也不会超标，这样，该类塔的处理能力就会提高很多。因此在处理同样气量时，使用径向侧导喷射塔板的塔径将比使用浮阀塔板和填料内件的塔径为小。
由于径向侧导喷射塔板的板效率比较高，因此，同样的理论板数时就可以将塔板层数减少，一般使用径向侧导喷射塔板时主塔塔板层数可为70层，甚至更低，可以将塔高降低15×0.45=6.75m，甚至更多。综上所述，由于塔径和塔高都比使用其他内件小，所以塔体的投资将比使用其他内件省。
由于径向侧导喷射塔板的板效率高，因此可以保证系统的回流比将比使用其他内件为小，从而使回流量减小，系统将比比使用其他内件节能。由模拟计算可得出在加压塔回流比为2.5，常压塔回流比为2.0，并假设预塔理论板数35，加压塔52，常压塔60时，吨醇蒸汽耗1.12t。而实际上河北建滔焦化有限公司的蒸汽耗已达到0.95～1.0t，并且这种状况已运行了一年多了。
图2垂直筛板塔板的工作原理
1.2.2
填料塔
目前还有不少设计者热衷于采用填料塔。按照他们的理解，似乎这样更能节能。但是实际上并不是这样的。
填料塔的结构是这样的：塔内使用的是规整填料——丝网波纹填料或孔板波纹填料，填料的高度是这样计算出来的：填料高度等于理论板数除以所采用填料的等板高度。因此只要各塔的理论板数确定下来，各塔的填料高度就可同时确定下来。在确定了填料高度后，接下来的工作就是在塔内布置合理的填料层数并确定塔内的结构。一般讲，填料塔和板式塔的最大不同点就在于填料塔内存在壁流。由于壁流的存在，一部分热甲醇液将不参加塔内的精馏过程而沿塔壁流下，这就会使填料塔的填料效率降低，热损失增大，从而使这种塔的能耗增大。为了减少壁流，我们要将填料塔内每层填料高度设计得小一点，而在两层填料之间加上一个槽盘式气液再分布器，以割断壁流并再次均匀分布气液物料。这种分布器相对填料讲价格较贵，为了节约投资，设计方可能会尽量加大每层填料的高度，减少分布器的数量。因此填料塔内每层填料的高度确定就成了各家竞争的手段。为了减少壁流，我们应当降低塔内每层填料的高度；而为了降低投资，又有人减少分布器数量而加高每层填料的高度。一般规定丝网波纹填料塔内每层填料高度最高不能超过3m，250Y型的孔板波纹填料最高不能超过6m；超过就可能造成塔内壁流增加太多，从而降低塔效率，加大能耗。即使每层填料高度不到3m或6m，塔内也会有壁流存在，填料效率总会受影响。因此，从实际使用效果上看，填料塔的能耗将大于计算值。
1.2.3
小
结
综上所述，在设定的条件下使用三塔精馏时，吨精醇理论蒸汽耗（计算值）为1.12t蒸汽，使用径向侧导喷射塔板的蒸汽耗可小于计算值，使用填料塔的蒸汽耗将超过计算值。因此可以得到以下结论：在目前的技术条件下，使用新型板式塔的能耗将小于填料塔。
2 优
质
我们对甲醇产品质量的要求将随甲醇产品的广泛应用而日趋严格，当甲醇主要用来生产甲醛、尿醛树脂，或者是作为甲醇汽油燃烧时，对它的质量要求是很低的。我国1984年颁发的甲醇国家标准显示的就是这个理念。但是当甲醇用作其他用途，比如甲醇羰基化制醋酸、合成聚酯等工艺时，我们对甲醇质量的要求特别是对甲醇中乙醇含量的控制就大大加强了。目前美国的Pederal AA标准和日本三菱标准都对甲醇的成分作了严格的限制，并严格限制了乙醇含量。我国的国标GB338-2004《工业用甲醇》也对甲醇杂质含量作了严格的限制，并且对甲醇中乙醇含量作了规定，规定甲醇中的乙醇含量由供需双方商定。这一切都说明：为了提高竞争力，我们必须尽量提高甲醇的质量，减少乙醇含量。
乙醇含量的控制一方面是通过控制合成工艺，使乙醇的生成量尽量少，另一方面是精馏工序最大限度采出乙醇。根据精馏过程的特点，多采出乙醇，就是选择合适的采出点。
2.1 板式塔
由于板式塔的采出点就布置在塔板上，而塔板的间距比较小，在450mm左右，因此我们可以任意选取采出点，将采出点布置在需要采出物质的峰值区域。这样就能将需要采出的物质比如乙醇采得很干净。由此可见使用板式塔可以比较容易地控制甲醇中杂质的含量。即采用板式塔后我们会很容易地将乙醇控制在10×10－6以下，达到美国AA标准。另外由于在甲醇生产的前期、中期和后期，甲醇中杂醇的含量不同，成分也会不同。因此就应该根据生产情况调换采出点，以便使甲醇能随时达到指标。比如在河北建滔焦化有限公司，2005年一次试车成功就生产出了AA级甲醇，但在装置运行一段时间后，出现了水溶性不合格现象，经过建滔公司和我公司技术人员测试，发现常压塔精馏段采出的杂醇中影响水溶性的物质含量较高，经过调整侧线采出位置，即将这个问题解决了，系统又能生产出高品质的精甲醇了。
2.2填料塔
由于填料塔的采出点只能放在分布器上，而填料塔的分布器间距要比板式塔板间距大得多。一般讲，填料塔的两层分布器间距最小也要1.8m（这是按两层分布器间仅放0.5m填料计算的）。这样，填料塔的侧线采出位置极可能碰不上杂醇的峰值区域。此时就要求将分布器间距布置得小一些，以尽可能方便侧线采出。但是分布器布置太多投资会增大，这个矛盾不好解决。目前能够使用的方法主要就是通过软件模拟计算，把分布器放到计算出来的采出浓度最大的地方。但在实际运作中，任何塔的指标都不可能和模拟结果完全相同；并且甲醇生产的前期和后期，粗醇的浓度不同，杂质也不同。因此当粗醇成分变化较大或业主要求乙醇含量较低时，填料塔很难设计。
3结
语
综上所述，采用三塔精馏方案是比较节能的；而使用新型板式塔在甲醇精馏工段比较合适。它既可以节能，又能比较简单和容易地保证甲醇质量，因此可以说，这种塔型应该是甲醇精馏的首选塔型。
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