范忠王晓东
（中国石油西南油气田分公司川西北气矿甲醇厂）
摘要 2004年中国石油西南油气田分公司川西北气矿甲醇厂对甲醇装置进行技改，拟将生产能力提高到15×104 t/a。通过采用规整填料、散堆填料、高效复合浮阀来改造板式塔，显著提高了加压塔和常压塔的分离效率，在塔径不变且处理能力提高50%的情况下，两塔回流比由原来的2.22和2.04分别降低到现在的1.26和1.20，显著降低了整个系统的物耗和能耗。在甲醇精馏系统中，首次采用了散堆填料，为甲醇精馏系统的扩能改造和高负荷操作提供了新思路。
关键词 甲醇精馏 散堆填料 扩能改造 能耗
川西北气矿甲醇装置其原设计规模为10×104 t/a甲醇，精馏系统采用了较为节能的三塔精馏工艺，投产以来运行情况一直良好，全面达到了设计指标。2004年对甲醇装置进行技改，拟将生产能力提高到15×104 t/a。在对精馏系统塔、换热器、机泵等设备进行能力核算后，发现主要是加压塔、常压塔能力不能满足15×104 t/a规模的要求，必须进行改造。
1 甲醇精馏系统现状
中国石油西南油气田分公司川西北气矿原甲醇精馏系统主要由预塔，加压塔、常压塔、回收塔四塔及其相应设备、工艺管线组成。合成工序过来的粗甲醇经过预热后，从预塔中部引入，在预塔顶部引出粗甲醇中的易挥发组分如二氧化碳、二甲醚等，从预塔底部引出主要含有甲醇和水的混合物，预塔在接近常压操作。预塔塔釜引出的粗甲醇经过加压塔进料泵升压到0.8 MPa，从加压塔中部进入，加压塔顶取出约总量50%的精甲醇，加压塔顶冷凝器与常压塔底再沸器耦合，既节约塔顶冷凝用的冷却水，还节约了常压塔的再沸器热量消耗，塔底引出粗甲醇，直接进入常压塔，常压塔顶引出产品甲醇，常压塔釜引出约含甲醇0.1%的含醇水，含醇水去甲醇回收塔将甲醇回收后，回收塔釜水可以直接排放。除回收塔外，其它各塔皆为全板式塔结构。具体数据见表1。
表1 川西北气矿原甲醇精馏系统工艺参数
预塔 加压塔 常压塔 回收塔 塔径，mm 1600 1600 2200 800 塔高，mm 35633 45875 53640 21942 塔盘数 48 85 85
塔盘形式 单溢流型浮阀塔 单溢流型浮阀塔
板间距，mm 1～8层为450
9～48层为500
1～9层450
10～85为400
1～11层为350
11～85层为500
上部为丝网填料，总高6000 mm，
下段为20层单溢流型浮阀塔盘，
塔板间距为400 mm。
在甲醇产量10×104 t/a的生产情况下，粗甲醇进精馏系统的进料量为17.722 t/h，生产精甲醇13.75 t/h，改造后，粗甲醇进料量为26.761 t/h，生产精甲醇20.83 t/h，由于造气工序采用补碳扩能的方式，合成气中二氧化碳含量高，导致粗甲醇中水含量高，因此，精馏部分新增的负荷超过50%，有必要对精馏系统塔、换热器、机泵等设备的能力重新核算。 2 精馏塔的核算结果
常压塔的核算结果见表2。从表中可以看出，利用现有的浮阀塔盘，在常压塔精馏段120%负荷的时候，
最大液泛因子已经达到92.8%，由于甲醇装置经常有不合格的精甲醇需要返回精馏，本次的改造要求达到120%的负荷，因此利用现有常压塔不能满足正常运行要求，需要改造。
石油和化工节能 2007年第6期·29·
表2 常压塔的水力学计算结果
常压精馏塔精馏段水力学核算结果
60%负荷 100%负荷 120%负荷 塔内径，mm Ф1600 Ф1600 Ф1600 塔板数 77 77 77
塔板型号 浮阀 浮阀 浮阀
大液泛因子，% 46.40 77.40 92.80
总压力降，kPa 25.66 27.30 28.65
常压精馏塔提馏段水力学核算结果
60%负荷 100%负荷 120%负荷 塔内径，mm Ф1600 Ф1600 Ф1600 塔板数 8 8 8
汽车改甲醇塔板型号 浮阀 浮阀 浮阀
大液泛因子，% 38.50 64.20 77.10
总压力降，kPa 4.46 4.70 4.94 通过预精馏塔和回收精馏塔的水力学核算，结果表明其尚有部分余量，可以满足扩能技改的要求，因此不作改动，具体预精馏塔核算结果见表3，回收精馏塔的水力学计算结果见表4。
表3 预精馏塔的水力学计算结果
预精馏塔精馏段水力学核算结果
60%负荷100%负荷 120%负荷塔内径，mm Ф1600 Ф1600 Ф1600 塔板数 12 12 12
塔板型号 浮阀 浮阀 浮阀
最大液泛因子，% 22.6 37.7 45.4 总压力降，kPa 1.85 2.07 2.19
预精馏塔提馏段水力学核算结果
60%负荷100%负荷 120%负荷塔内径，mm Ф1600 Ф1600 Ф1600 塔板数 36 36 36
塔板型号 浮阀 浮阀 浮阀
最大液泛因子，% 26.2 43.8 56.0 总压力降，kPa 8.33 9.76 11.79 表4 回收精馏塔的水力学计算结果
回收精馏塔精馏段水力学核算结果
60%负荷 100%负荷 120%负荷塔内径，mm Ф800 Ф800 Ф800
填料层高，mm 6000 6000 6000
填料密度，kg/m3140 140 140 能力，% 31.9/16.253.2/27.0 63.9/32.4总压力降，kPa 0.177 0.45 0.613
回收精馏塔提馏段水力学核算结果
60%负荷 100%负荷 120%负荷塔内径，mm Ф1600 Ф1600 Ф1600 塔板数 36 36 36
塔板型号 浮阀 浮阀 浮阀 最大液泛因子，%22.2 37.1 44.4 总压力降，kPa 4.60 4.91 5.16 加压塔的核算结果见表5。从表中可以看出，利用现有的浮阀塔盘，加压塔的精馏段在100%和120%负荷的时候，最大液泛因子已经达到89.6%和107.5%，提馏段更是大大超出，不能满足正常运行要求，需要改造。
表5 加压塔的水力学计算结果
加压精馏塔精馏段水力学核算结果
60%负荷 100%负荷 120%负荷塔内径，mm Ф1600 Ф1600 Ф1600 塔板数 77 77 77
塔板型号 浮阀 浮阀 浮阀 最大液泛因子，%53.80 89.60 107.50 总压力降，kPa 42.33 44.58 46.89 加压精馏塔提馏段水力学核算结果
60%负荷 100%负荷 120%负荷塔内径，mm Ф1600 Ф1600 Ф1600 塔板数 8 8 8
塔板型号 浮阀 浮阀 浮阀 最大液泛因子，%58.60 97.70 117.30 总压力降，kPa 2.05 2.16 2.27 3 精馏塔的改造方案
3.1 常压塔改造方案
由于常压塔原有的富裕量较大，采用高效浮阀塔盘，改造设计中将原85块塔盘全部拆掉，更换为效率更高的复合浮阀。
3.2 加压塔改造方案
改造设计中将原85块塔盘全部拆掉，将该塔改造为规整填料＋散堆填料结构。改造后全塔共分5段，其
中精馏段4段，提馏段1段。精馏段选用DZ-55X型规整填料，填料层总高为26300 mm，提馏段填料层高度为3500 mm，填料选择为38#增强型金属矩鞍环。
3.3 改造效果
结合现场实践经验和工艺设计计算，采用上述方案对甲醇精馏系统进行了改造，试车运行效果良
·30·2007年第6期石油和化工节能
好，2005年10月甲醇精馏系统处理负荷基本达到设计值，各参数均达到了设计要求。改造后主要操作参数对比如表6。
表6 甲醇精馏系统改造后运行参数对比
指标 原设计值 现设计值 现实际值加压塔回流量(kg/h) 15547 23476 13646
加压塔精甲醇产品量
(kg/h)
7003 10850 10850 加压塔回流比 2.22 2.16 1.26
常压塔回流量(kg/h) 14679 22166 12098
常压塔精甲醇产品量
(kg/h)
7191.6 10080 10080 加压塔回流比 2.04 2.2 1.20
通过对表6改造前后操作参数对比分析可以看出，采用复合填料对加压塔、常压塔的技术改造，显著提高了甲醇精馏系统的处理能力和分离效率，对甲醇精馏系统的增产、节能降耗以及稳定操作起到了至关重要的作用。
4 高效填料塔技术改造特点分析
4.1 加压塔技术改造特点
甲醇精馏在加压状态下，相对挥发度较小，在加压塔的精馏段采用比表面积大的规整填料，提高精甲醇纯度。加压塔精馏段选用规整填料，填料层总高为26300 mm。
对于加压塔的提馏段，气液负荷大，如果采用规整填料，技术特点分析表明，规整填料是双膜传质，
液体在规整填料表面的规则流动通道中自上而下的流动，形成液膜；气体亦在规则的流动通道中自下而上的流动形成气膜，在气膜与液膜相交处发生传质。
在该段，压力较大，气体体积流量较小，液体负荷较大，液体将流动通道占满后，气体只能脉冲的通过填料，造成填料效率下降，液体在填料内不断被气体托住，难以向下流动，填料持液量增加，造成反混，影响传质效率；因此，提馏段采用了38#增强型金属矩鞍环散堆填料。从传质机理分析，散堆填料属飞溅传质，在散堆填料中，液体的分布是随机和不规则的，在液体不断下降的过程中，大的液滴不断与填料碰撞、飞溅形成小的液滴和雾沫，有利于传质过程的进行，同时气体亦可连续地通过床层。
从表1～5可以看出，在本次精馏系统扩能改造中，加压塔塔径非常紧张，是精馏单元扩能改造的“瓶颈”。因此在本次改造中，在加压塔提馏段选用38#增强型金属矩鞍环填料，既保证气液通量又保证一定的理论板数。精馏段则选用规整填料，既照顾塔的操作弹性，减少塔底加热负荷，同时可以对常压塔的操作波动迅速作出反应，更好地保证操作的平稳性。这种在加压塔提馏段采用散堆填料的方式，在已有的甲醇装置改造中或者新建甲醇装置中，都从未有过先例。实践运用获得了满意的结果，为甲醇精馏系统扩能改造提供了新的指导，新的思路。
4.2 复合填料技术的应用降低了投资
按照传统的精馏系统扩产方案，如此大的扩产，板式塔应全改为规整填料从而达到增产的目的。技改设计最初的方案也采用这种形式，但全部采用规整填料势将导致投资过高，按最初设计方案，设计概算达200多万。通过与设计、制造单位反复核算，扩能技改项目最终采用了加压塔规整填料＋散堆填料结构、常压塔高效复合浮阀多种结构形式，投资减少了100多万元，具体见表7。从表7可以看出，节省投资主要来自常压塔的改造方案的变化，由于现有常压塔的富裕量较大，通过浮阀塔盘的改造，就可以达到扩能要求。
表7 投资对比表（万元）
设计概算 实际投资 加压塔 65.189 60.977
常压塔 149.869 35.309
合计 215.058 96.286
5 结论
（1）采用规整填料、散堆填料、高效复合浮阀来改造板式塔，将甲醇精馏系统生产能力从10×104t/a精甲醇提高到15×104t/a精甲醇，产品质量达到国优级别，显著提高了甲醇的产量，达到了扩能的目的，也极大地减少了项目投资。
（2）改造后显著提高了加压塔和常压塔的分离效率，在塔径不变且处理能力提高50%的情况下，两塔回流比由原来的2.22和2.04分别降低到现在的1.26和1.20，显著降低了整个系统的物耗和能耗。
（3）在甲醇精馏系统中，首次采用了散堆填料，为甲醇精馏系统的扩能改造和高负荷操作提供了新思路。
作者简介 范忠，男，1973年生。1996年毕业于西南石油学院化学工程系油气加工专业，现任西南油气田分公司川西北气矿甲醇厂副厂长。
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