第2章 工艺流程
2.1 甲醇精馏工艺的概况
2.1.1 精馏原理
精馏是根据在相同温度下，同一液体混合物中不同组分的挥发度不同，经多次部分气化和多次部分冷凝最后得到较纯的组分，实现混合物分离的操作过程。轻组分Y和重组分X的混和液Xf进入第一分离器，若将第一级溶液部分气化得到气相产品冷凝液，然后再将冷凝液在第二级分离器中部分气化，再经第二级冷凝器冷凝得溶液中的组分Y2必大于Y1，这种部分气化部分冷凝的次数(即级数)越多，所得轻组分Y浓度越高，最后几乎可得到纯态的易挥发组分。同理，若将从各分离器所得溶液产品进行多次部分气化和分离，那么这种级数愈多，得到的溶液组分X浓度越高，最后可得到几乎纯态的难挥发组分[5]。 2.1.2 甲醇精馏的任务
甲醇精馏是甲醇合成的下游工序，其基本任务是将甲醇合成工段送来的粗甲醇先在预塔内精馏脱除甲醚等轻的组分，然后进入主塔进行精馏，在塔底脱除重组分，在塔顶脱除轻组分，然后在塔顶合适位置采出合格的产品。 2.1.3 甲醇精馏工艺流程的选择
目前，总体来说甲醇精馏的工艺大体可分为双塔工艺流程和三塔工艺流程。 （1）双塔精馏工艺
该流程为我国以前老的甲醇装置中采用是较广的一种精馏流程。粗甲醇先经预精馏塔，经预精馏后的含水甲醇直接由泵输送经热交换器后再至主精馏塔，最终在主精馏塔将甲醇与水、重组份及残余轻组份进行有效分离一得到精甲酵产品[6]。 （2）三塔精馏工艺
三塔流程是目前甲醇生产装置应用最广泛的精馏工艺，粗甲醇按次序分别进入预精馏塔、加压塔和常压塔逆行精馏，大部分轻组份在预精馏塔去除，加压塔和常压塔均采出产品，约各占一半。
三塔精馏与双塔精馏的区别在于三塔精馏采用了两个主精馏塔，一个加压操作，一个常压操作，利用加压塔的塔顶蒸汽冷凝热作为常压塔的加热源，既节约了蒸汽，也节约了冷却用水。每精制1t精甲醇约节约1t蒸汽，所以三塔精馏的能耗较低。三塔精馏工艺流程具有精馏能耗低、操作稳定、产品质量好等突出优点，但操作相对比较复杂。
双塔精馏工艺投资省、建设周期短、装置简单易于操作和管理。虽然消耗高于三塔精馏工艺，但在年产5万吨生产规模以下时其技术经济指标较占优势，其节能降耗途径可以
采用高效填料来达到降低蒸汽消耗的目的。在年产5万吨生产规模以上时，宜采用三塔精馏技术，虽然一次性投资较高，但是操作费用和能耗都相对较低，生产实践证明双塔精馏流程简单、操作方便、运行稳定，能满足甲醇生产要求。本设计是年产5万吨故采用双塔精馏工艺[7]。
2.1.4 甲醇精馏设备的选择
甲醇精馏工段的设备有：粗醇贮槽，精醇贮槽，杂醇油槽，各溶液输送压力泵、主塔、预塔、冷凝器、水冷器、预热器、再沸器、残液槽、地下槽、回流液槽及所属阀门、管道、仪表等。
精馏的主要设备是精馏塔，精馏塔设备一般分为板式塔和填料塔。则两塔比较如下： （1）填料塔操作范围较小，对于液体负荷的变化特别敏感。当液体负荷较小时，填料表面不能很好地润湿，传质效果急剧下降；当液体负荷过大时，容易产生液泛。板式塔具有较大的操作范围。
（2）填料塔不宜处理含固体悬浮物的物料，而某些类型的板式塔（如大孔径穿流板塔）可以有效地处理这种物系。另外，板式塔的清洗亦比填料塔方便。
（3）当气液接触过程中需要冷却以移除反应热或溶解热时，填料塔因涉及液体均布问题而使结构复杂化，板式塔可方便地在塔板上安装冷却盘管。 （4）填料塔直径可以很小。板式塔直径一般不小于0.6m。 （5）板式塔的设计比较准确可靠。安全系数较小。 （6）塔径不大时，填料塔因结构简单而造价便宜。
（7）填料塔适用于易起泡物系和腐蚀性物系，因填料对泡沫有限制和破碎的作用，可以采用瓷质填料。
（8）对热敏性物系宜采用填料塔，因为填料塔内的滞液量比板式塔少，物料在塔内的停留时间相对短。
（9）填料塔的压降比板式塔的小，因而对真空操作更为适宜。
一般与填料塔相比，板式塔具有效率高、处理量大、重量轻及便于检修等特点，但其结构较复杂，阻力降较大[8]。
常用板式塔类型有很多，如：筛板塔、泡罩塔、舌型塔、浮阀塔等，当前应用最广泛的是筛板塔和浮阀塔。而浮阀塔具有很多优点，且加工方便，故有关浮阀塔的研究开发远较其他形式的塔板广泛，是目前新型塔板研开发的主要方向。近年来与浮阀塔一直成为化工生中主要的传质设备，浮阀塔多用不锈钢板或合金 。实际操作表明，浮阀在一定程度
的漏夜状态下，使其操作板效率明显下降，其操作的负荷范围较泡罩塔窄，但设计良好的塔其操作弹性仍可达到满意的程度。
筛板塔的主要优点有：
（1）结构比浮阀塔更简单，易于加工，造价约为泡罩塔的60％，为浮阀塔的80％左右。 （2）处理能力大，比同塔径的泡罩塔可增加10～15％。
（3）塔板效率高，比泡罩塔高15％左右，压降较低，每板压力比泡罩塔约低30％左右。
但筛板塔的主要缺点有：塔板安装的水平度要求较高，否则气液接触不匀；操作弹性较小(约2～3)；小孔筛板容易堵塞。由于过去对于筛板塔的性能研究并不充分，认为操作不易稳定，所以没有普遍采用，直到20世纪的50年代初，对筛板塔结构和性能作了较充分的研究，认识到了只要设计合理和操作正确，同样可以获得较满意的塔板效率，以及可观的操作弹性，所以近年来筛板塔的应用又日渐广泛[9]。
浮阀塔是二十世纪五十年代初开发的一种新塔型。其特点是在筛板塔基础上，在每个筛孔处安置一个可上下移动的阀片。当筛孔气速高时，阀片被顶起、上升，孔速低时，阀片因自重而下降。阀片升降位置随气流量大小作自动调节，从而使进入液层的气速基本稳定。又因气体在阀片下测水平方向进入液层，既减少液沫夹带量，又延长气液接触时间，故收到很好的传质效果。
浮阀塔的特点有：
（1）生产能力大，由于塔板上浮阀安排比较紧凑，其开孔面积大于泡罩塔板，生产能力比泡罩塔板大20%～40%，与筛板塔接近。
（2）操作弹性大，由于阀片可以自由升降以适应气量的变化，因此维持正常操作而允许的负荷波动范围比筛板塔，泡罩塔都大。
（3）塔板效率高，由于上升气体从水平方向吹入液层，故气液接触时间较长，而雾沫夹带量小，塔板效率高。
（4）气体压降及液面落差小，因气液流过浮阀塔板时阻力较小，使气体压降及液面落差比泡罩塔小。
（5）塔的造价较低，浮阀塔的造价是同等生产能力的泡罩塔的50%～80%，但是比筛板塔高20%～30% 。
但是，浮阀塔的抗腐蚀性较高（防止浮阀锈死在塔板上），所以一般采用不锈钢作成，致使浮阀造价昂贵，推广受到一定限制。随着科学技术的不断发展，高效率塔板的不断被
研制出来，浮阀塔的推广并不是越来越广。近几十年来，人们对浮阀塔的研究越来越深入，生产经验越来越丰富，积累的设计数据比较完整，因此设计浮阀塔比较合适[10]。
国内常用的浮阀塔有三种，F1型，V-4型与T型。V-4型的特点是阀孔被冲压成向下弯的喷咀形，气体通过阀孔时因流道形状渐变可减小阻力。T型阀则借助固定于塔板的支架限制阀片移动范围。三类浮阀中，F1型浮阀最简单，该类型浮阀已被广泛使用。
综上所述，由于本次设计是针对甲醇精馏体系，所以采用常压板式F1型浮阀精馏塔的设计及其辅助设备的选型。 2.1.5 甲醇精馏操作压强的选择
精馏可以常压，加压或减压条件下进行。确定操作压力时主要是根据处理物料的性质，技术上的可行性和经济上的合理性来考虑的。对于沸点低，常压下为气态的物料必须在加压条件下进行操作。在相同条件下适当提高操作压力可以提高塔的处理能力，但是增加了塔压，也提高了再沸器的温度，并且相对挥发度液会下降。对于热敏性和高沸点的物料常用减压蒸馏。降低操作压力，组分的相对挥发度增加，有利于分离。减压操作降低了平衡温度，这样可以使用较低位的加热剂。但是降低压力也导致了塔直径的增加和塔顶冷凝温度的降低，而且必须使用抽真空设备，增加了相应的设备和操作费用[11]。
本次任务主要是甲醇和水体系，甲醇-水这一类的溶液不是热敏性物料，且沸点又不高，所以不需采用减压蒸馏。这类溶液在常压下又是液态，塔顶蒸气又可以用普通冷却水冷凝，因而也不需采用加压蒸馏。所以为了有效降低设备造价和操作费用对这类溶液可采用常压蒸馏。
2.1.6 甲醇精馏物料进料热状态的选择
进料热状态有五种。原则上在供热一定的情况下，热量应尽可能由塔底输入，使产生的气相回流在全塔发挥作用，即宜冷也进料。但为使塔的操作稳定，免受季节气温的影响，常采用泡点进料。这样，塔内精馏段和提留段上升的气体量变化较小，可采用相同的塔径，便于设计和制造。但将原料预热到泡点，就需要增设一个预热器，使设备费用增加。综合考虑各方面因素，决定采用泡点进料，即q=1[12]。 2.1.7 甲醇精馏加热方式的选择
塔釜可采用间接蒸汽加热或直接蒸汽加热。直接蒸汽加热的优点是，可利用压强较低的加热蒸汽，并省掉间接加热设备，以节省操作费用和设备费用。但直接蒸汽加热，只适用于釜中残液是水或与水不互溶而易于分离的物料，所以通常情况下，多采用间接蒸汽加热。