甲醇精馏工艺及设备的比较与应用误区
刘树明张振欧
（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）
最强蜗牛神龙许愿攻略随着煤化工行业的迅速发展，作为化工基础原料的甲醇生产也在迅速地发展。除了一部分氮肥厂还在继续联醇生产外，目前年产60万t左右的甲醇装置接连开始建设，特别是在煤产量较多的山西、内蒙和天然气较多的四川、重庆等地的一些企业，使用焦炉气和水煤气、天然气大规模地生产甲醇已成趋势。因此，讨论一下甲醇生产的工艺和设备就很有必要。当然，以前已有很多文章介绍这个问题，我们这次要从另一个角度来看一下这个问题。
1  甲醇生产的工艺简介
目前在国内应用比较广的有双塔精馏和三塔精馏。双塔精馏的历史比较长，它的投资少、建设周期短、操作比较简单，因此很容易地被全国大多数中小甲醇生产厂所选用。它所生产的甲醇可以达到国标GB338-2004“工业用甲醇”中优等品的标准。但是能耗比较高，一般为1.5~1.8 t蒸汽/t醇；同时如果对甲醇的质量有更高的要求，比如要求达到美国的AA标准时，它就无能为力了。为此，又有三塔精馏工艺应运而生。所谓三塔精馏，就是在常压的预塔和主塔之间，加上一个加压塔。利用加压塔顶蒸气的冷凝热
加热常压塔底再沸器中的甲醇液，由于常压塔的再沸器不再使用蒸汽，而加压塔的塔顶也没有了冷凝器，从而可以降低能耗，一般三塔精馏的吨醇蒸汽耗在1.1~1.3 t蒸汽左右。同时它产品的质量也提高了，可以将甲醇中乙醇的含量降到美国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大大提高。因此，针对某一特定厂，究竟选择哪一流程还要根据该厂的具体条件来决定。笔者就在一次学术会议上听见瑞士苏尔寿公司的代表发言中对三塔精馏颇有微词，提出多花一大笔投资来节约那么一点能量是否合算的问题。因此在甲醇精馏流程的选择上可以说是见仁见智的了。
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。
2.1  板式塔是传统的塔型，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，塔较高。一般的浮阀甲醇精馏塔主塔塔板要85层，因此主塔高近50 m。这也使在选用该塔型时能耗加大。为减少能耗，目前已研究出多种新型塔板应用在甲醇精馏上，比较常见的有微分浮阀塔，梯形浮阀塔，垂直筛板塔（图1）和河北工业大学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）（图2）等。
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。大家都知道，垂直筛板塔板
的工作原理是（见图3）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将气液接触面更新，在罩内完成了第二次传质过程；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，在塔板上进行了第三次传质。气流每经过一层塔板，就要进行三次强烈的传质过程。因此说它的板效率是比较高的。
径向侧导喷射塔板是垂直筛板塔板的更新换代产品，相对于垂直筛板塔板，它除了具有垂直筛板塔板的优点外，还具有以下特点：
（1）由于帽罩为条形排布，塔板上液体流动通道变宽，流动阻力变得小，这可使塔板上的液面梯度减小，从而使通过塔板板孔的气体分布趋于均匀。
图1  垂直筛板塔盘
图2  径向侧导喷射塔板
（2）由于帽罩的特殊结构，可以使每层塔板上的雾沫夹带都减小，从而使塔板在通量再增加时雾沫夹带也不会超标。这就使径向侧导喷射塔的生产强度变得更大。
（3）由于帽罩上液体的喷射具有方向性，因此可以减少液体的返混。从而增大板效率。
（4）帽罩上喷出的液体可以对喷，对喷的结果可以强化传质效率。
由于径向侧导喷射塔板具有以上特点，因此它的板效率相对就要高。而通量也较其他塔板大。我们已经在很多种塔内使用了这种塔板，特别是应用在化肥行业的变换气脱硫塔、饱和塔、甲醇精馏塔和焦化行业的脱苯塔、精苯工段的初馏塔、两苯塔、吹苯塔、纯苯塔、甲苯塔等塔器中，使用效果都很好。我们也成功地将它应用在我国第二家使用焦炉气制甲醇的企业－河北邢台的建滔（河北）焦化
有限公司的12万t/a 甲醇精馏系统中，据中国化工报2005年9月7日报道：“继云南曲靖8万t/a 焦炉气制甲醇的装置投产后，2005年9月5日，建滔（河北）焦化有限公司的12万t/a 焦炉气制甲醇生产装置投产，一次试车成功，产品达到美国AA 级标准。”
2.2  填料塔
填料塔的主要优点就是因为采用了丝网波纹规整填料，从而可以降低填料高度，把精馏塔做得矮一些，这样可以节能。但是，填料塔在甲醇精馏的使用
上也存在一定的不足。就是：①相对于板式塔，它的
投资比较高；②填料塔的侧线采出不太好处理。对于
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填料塔，它的侧线采出点必须布置在分布器上；为减
少投资，就要求设计的分布器数量少一点；但是在侧
线采出的区域，我们还必须要增加采出点，就是要增
加分布器，以应对不同成分粗甲醇组成的需要，这就
是一个矛盾。使用填料塔做甲醇精馏塔，一般的设计
思路是尽量减少侧线采出点，但这要求计算必须十分
准确，把采出点准确的放到侧线采出位置，设计上这
是不太容易做到的。而甲醇生产的前期和后期，粗甲
醇的组成也不相同。当粗甲醇成分变化时（这种变化
是必然会发生的），或者业主要求乙醇含量比较低时，
填料塔的设计就很困难。换句话说，对于填料塔，设
计上的要求将非常严格。                                图3  垂直筛板塔板的工作原理
马诺 宝马3  目前在甲醇精馏工艺及设备选择上的误区
3.1  塔高尽量低
笔者翻阅了几年内能到的有关甲醇精馏的论文，发现一个共同的特点，那就是在强调该塔性能好时，
吴瑜个人资料主要就是强调自己的塔矮，从而能节约能量。笔者认为这正是在甲醇精馏设备选择上的一个误区。
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3.1.1  对于板式塔，为节能，塔高降低并不是唯一的因素。当塔太矮时，虽然节约了因回流泵扬程降低而减少的耗电量，但是由于塔矮，理论板数不够或者刚刚够，操作起来很困难，至少回流比不能调得太低，而回流比高就意味着回流量大，这样反而会增加能耗。因此笔者认为，干什么都应当有个度。你强调塔矮是对的，但是不能太矮了。因为毕竟在塔内还要进行精馏，设计精馏塔的主要目的也就是要给精馏过程创造出一个最佳的工作环境。因此我们不妨将塔设计得高一些，将理论塔板数设计得有点余量，而不要将理论塔板设计得勉强够用。如果真的设计得勉强够用，那么该精馏塔就经不起粗甲醇成分的变化和其它外界条件的变化的；而且该塔的回流比也不会低，这样能耗就会加大。这种设计是失败的。
3.1.2  对于填料塔，也不能强调自己的塔最矮。笔者发现某公司在它的技术论文中强调说：使用该公司的专用丝网波纹填料后，可以减少理论塔板数量，降低精馏塔的高度。我认为这种说法是概念上的错误。我们设计精馏塔时，首先计算出的是该塔的理论塔板数，对于填料塔就要再利用我们所选填料的等板高度来计算出该塔实际填料高度来。因此不论你使用那种填料，算出的理论板数是不会改变的，能改变的只是你所选用填料的等板高度。你选择的填料等板高度大时，填料高度自然就会降下来。这样，塔高才可以降低。
但是，填料塔高度同样不能降很多。对于填料塔，由于塔内填料的总高度是由计算而确定的，填料
高度变不了，唯一可变的就是改变塔内填料的层数了。塔内每减少一层填料，就可减少一套分布器，该
分布器大概占位高度在1.8 m左右。所以有的设计者就在填料的层数上做起文章，尽量减少填料的层数。但是对于甲醇精馏塔经常使用的BX或CY填料来讲，塔内每层填料的高度都不能超过3 m，否则就会使塔内的壁流增加，大量的液体沿塔壁流下，不参加精馏过程，塔效率就会大大降低了。根据设计经验，一般主塔使用BX填料时，层数大概在9层左右，至少也在8层。因此，填料塔的高度也不能降得很低。
3.1.3  笔者认为，大量减少精馏塔的塔高，实际上就是在减少塔内的理论塔板数或是降低塔效率，这必然会造成精馏塔的操作困难，造成回流比过高，从而增大能耗，这是不可取的。当然，依靠采用新技术，使用新型塔盘或者采用新型填料，提高了填料或塔板的等板高度，那是可以降低塔高的。笔者并不是完全反对降低塔高，只是反对站在商业的角度，不讲科学的一味强调降低塔高，并把它宣传成为节能的唯一手段。
3.2  单纯强调甲醇精馏使用三塔精馏
在一些文章中和在与一些就要上甲醇的业主交流时，经常发现他们过于强调三塔精馏，笔者认为，这里有一个误导。某一个企业在上甲醇精馏时，必须根据自己的条件来确定自己的工艺流程。这些条件
包括投资、管理水平、设计的自动化水平、工人的素质及当地的能源价格等等。在上甲醇项目时，上三塔精馏固然说是采取了比较先进的流程，但是这个流程并不一定适应你的实际状况。如果你确定上三塔精馏，但是资金不足，造成系统自动化水平不高；或者没有购买比较先进、精度比较高的仪表；或者工人素质较差，那么开起车来是很费力的。在这种情况下，还不如先上一套双塔精馏，边使用边积累经验和资金，在这个情况下，上双塔精馏反而是比较合适的选择了。这样，当系统运行了一段时间后，在适当时机，想要增产时，再加一个加压塔。那时有了经验，系统就会开得比较顺利，产量也会翻上一番。若不想增产，就这么开下去也是很好的。
4  结语
目前在甲醇精馏工艺和设备的选择上，可以说是百家争鸣。笔者希望将要上甲醇的厂家能选择一个对自己非常合适的方案，一次开车成功。
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（2）总高度低，按力学计算，Φ3000 mm以上的大塔，大梁的高度就是分布器的最高尺寸；
（3）分布器底下不设托梁，可使填料表面层任意设置液体分布点；
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（4）合理处理好塔壁流，防止产生干塔壁现象，有液体就有气体进行汽液交换；
（5）气体通道可在50%以上，持液量大，总体耗用材料少，并能起到对汽体分流导向作用，不论多大的塔径都能使用。
以上介绍的液体再分布器概括了普通的管式分布器和槽式分布器二个大类，它通过改进，由原来只能在小塔上使用，扩大到能在大塔上使用，并且都可采用液体点式分布和线式分布，关键是采用梁槽为一体，分布器底部不设托粱，降低了分布器的总高度，并且气液分布均匀，为大塔的设计使用开辟了新的途径，解决了大塔在分高中的放大效应。
四川沪天化40万t/a甲醇装置于2005年12月开车获得成功，生产出了符合国优的精甲醇产品，经几个月应用，开车情况良好，各项指标完全达到设计要求。
通过40万t/a甲醇塔上应用，证实了我厂自行开发强度大于丝网填料的网孔波纹填料和再分布器具有良好的分离能力，是一个理想的自主新产品，具有一定的先进性和实用性。以上几种再分布器都获得国家专利。
在甲醇精馏设备中，寿光6万t/a甲醇设备，蒸气能耗达到960 kg/t的最好水平，多来年在液液分离、气液分离中分离其它介质的装置上也达到节约能耗的最佳水平。