叶田友

(山西焦煤五麟煤焦开发有限责任公司，山西 吕梁 032202)

引 言

甲醇是一种无色透明且具有浓烈气味极易挥发的有毒性液体，作为化工产业必不可少原料，可参与诸多化学反应以制备甲酸、乙酸、氯甲烷等有机产品。近年来，随着我国化工行业的发展和能源结构的转变，甲醇的应用范围越来越广，应用量也越来越大。在实际制备过程中，除了采用传统的有机物合成外还可采用人工合成蛋白制备甲醇。然而，在实际制备过程中所得到粗甲醇中含有一定量的醚、酮以及高级醇等杂质[1]。为此，制备所得的粗甲醇还需经过精馏操作得到精甲醇。我厂基于三塔精馏技术实现对粗甲醇的精馏操作，以达到提高精制甲醇的精度。经统计可知，基于当前的精馏流程其耗能占甲醇整个生产流程的20%，因此需对甲醇精馏工艺参数进行优化设计。

1 甲醇制备工艺概述

在实际生产过程中，不论采用何种催化剂(铜基催化剂和铬锌催化剂)，由于反应过程中受到温度和压力的影响，在其产物中始终还有一定的杂质，主要成分有水、醚、酮等有机杂质混合液。通常，将所制备的粗甲醇分为轻组分、甲醇以及重组分三类。其中，清组分为沸点低于甲醇的杂质，重组分为沸点高于甲醇的杂质。

粗甲醇中所含杂质中，主要归类为水、有机物以及乙醇三类。其中，水较为特殊且含量较少可采用常规手段进行分离；乙醇的含量同样少，但其对甲醇质量的影响因子较大，故精馏时着重对乙醇进行处理。粗甲醇的精馏工艺的原理为：利用粗甲醇中杂质和甲醇的挥发性不同，采用蒸馏的方法对其进行分离[2]。目前，实际应用中的甲醇精馏流程有单塔流程、双塔流程以及三塔流程。

单塔精馏流程仅依靠精馏塔对粗甲醇进行蒸馏操作，使得轻组分从精馏塔塔顶分离，重组分作为残余液体从精馏塔塔底排出。该精馏流程具有成本低、结构简单的优势，但是此流程下获取甲醇的纯度不高。单塔精馏流程如图1所示。

图1 单塔精馏工艺流程图

双塔精馏工艺由预精馏塔和主精馏塔完成，其工艺流程图如第59页图2所示。

如图2所示，预精馏塔为单塔精馏的环节，双塔精馏工艺对预精馏塔中所得重组分杂质进行在主精馏塔再处理，从而提升最终获取甲醇的纯度[3]。双塔精馏工艺适用于我国中小甲醇生产企业。

图2 双塔精馏工艺流程图

三塔精馏工艺由预精馏塔、加压精馏塔和常压精馏塔共同完成，其工艺流程图如图3所示。

图3 三塔精馏工艺流程图

目前，我厂所采用的精馏工艺为三塔精馏工艺，实现对粗甲醇的三次蒸馏处理，以确保获得更高纯度的甲醇。本文着重对三塔精馏工艺中的关键参数进行优化，在保证甲醇纯度的同时达到节能的效果[2-3]。

2 甲醇精馏工艺流程的模拟

本文采用模拟分析的手段对甲醇三塔精馏工艺参数进行优化，所采用的软件为Aspen Plus软件。本节基于Aspen Plus软件建立甲醇精馏工艺流程的模型。我厂当前所采用三塔精馏工艺的的产量为60万t/a。三塔精馏工艺中，预精馏塔承担着粗甲醇的大部分精馏任务，加压精馏塔和常压精馏塔除了承担部分精馏任务外，其目的主要在于降低热能消耗[4]。

2.1 粗甲醇精馏要求

粗甲醇经三塔精馏工艺后其所得甲醇含量不小于99.9%，经甲醇中乙醇含量不大于10×10-6，整个工艺流程中甲醇的回收率不得小于99%。

2.2 甲醇精馏模拟工艺流程的搭建

2.2.1 预精馏塔工艺流程的模拟

根据实际生产过程中预精馏塔的工艺流程，基于Aspen Plus软件建立对应的模拟流程图，且进入预精馏塔中粗甲醇的相关参数如表1所示。

表1 预精馏塔进料参数

2.2.2 加压精馏塔工艺流程的模拟

根据实际生产中加压精馏塔的工艺参数，在Aspen Plus所搭建模拟流程的相关参数如表2所示。

表2 加压精馏操作参数

2.2.3 常压精馏塔工艺流程的模拟

根据实际生产中加压精馏塔的工艺参数，在Aspen Plus所搭建模拟流程的相关参数如表3所示。

表3 加压精馏操作参数

3 甲醇精馏工艺参数的优化

3.1 预精馏塔工艺参数的优化

影响预精馏塔甲醇纯度及耗能的因素包括理论板数、质量回流比、采出率、进料位置、工艺萃取水量以及不凝气放空温度等[5]。因此，针对预精馏塔工艺参数的优化主要从以下几项参数着手。

1) 理论板数直接影响质量回流比。理论研究表明，理论板数增加会导致质量回流比减小，其对其影响拐点的理论板数为35。而且，当理论半数小于35时，会增加预精馏塔的热负荷和操作费用。因此，理想理论板数为35块。

2) 随着质量回流比的增加，虽然提升了粗甲醇组分的分离程度，但是会增加系统的热负荷，进而增加能耗。因此，综合分析组分程度和耗能因素，选用最佳回流比为75，塔顶最佳采出率控制在0.85%。

3) 经理论分析可知，当进料位置在10块板以上时，精馏塔中丙酮的含量超过15×10-6；而在10块板以下时，其丙酮含量低于15×10-6达到了分离要求。但是，考虑到节能的目的，当进料板位置在17块板以下时，其热负荷基本稳定且热负荷也较低。因此，选用进料板的位置在第17块板。

此外，综合考虑丙酮分离效果和经济性因素，应将工艺萃水量控制在5 500 kg/h，不凝气放空温度控制在42 ℃。

3.2 加压精馏塔和常压精馏塔工艺参数的优化

综合上述分析手段，对加压精馏塔和常压精馏塔的工艺参数进行优化，其最终优化结果如表4所示。

表4 加压精馏塔和常压精馏塔工艺参数的优化结果

经上述优化后的工艺参数应用于我厂甲醇精馏工艺流程中，其应用效果主要体现为以下两点：第一，甲醇的回收率从优化前的99%改善为当前的99.3%；第二，甲醇精馏工艺的总能耗降低约11.1%。

4 结语

在当前甲醇制备工艺中，不可避免地在甲醇产品中夹杂着水、乙醇、醚、酮等杂质，影响着甲醇的应用场合，且我厂甲醇精馏工艺的耗能较大约占整个甲醇制备流程的20%。为此，对我厂三塔精馏工艺流程中预精馏塔、加压精馏塔以及常压精馏塔中理论板数、质量回流比、进料位置等参数进行优化。实践表明，基于优化后的甲醇精馏工艺参数可提升甲醇的回收率为0.3%，节能效率约为11.1%。