甲醇合成工藝過程模擬研究

李旭菲

（山西焦化集團有限公司，山西 臨汾 041600）

0 引言

煤炭在我國能源結(jié)構(gòu)中占據(jù)主導(dǎo)地位，對煤炭的充分利用不僅能夠提高資源的利用率，而且能夠減少對環(huán)境的污染問題?；诿禾亢铣杉状际钱?dāng)前對煤炭進行充分利用的主要工藝手段之一。目前，基于煤炭合成甲醇的工藝方案較多，所采用的設(shè)備及儀器也多樣。本文重點對甲醇合成工藝流程進行模擬研究，重點對反應(yīng)器串聯(lián)模式、并聯(lián)模式以及馳放氣位置對最終所合成甲醇產(chǎn)品的質(zhì)量和能耗進行對比，數(shù)值模擬結(jié)果將為后續(xù)合成甲醇的工藝流程的優(yōu)化以及參數(shù)的調(diào)節(jié)提供指導(dǎo)。

1 甲醇合成工藝概述

基于煤炭合成甲醇是當(dāng)前的主要來源，根據(jù)合成過程中操作壓力的不同可分為高壓、中壓以及低壓3 種合成工藝；對應(yīng)的所配套的甲醇合成器可分為絕熱型和換熱型[1]。合成塔為甲醇合成工藝中的關(guān)鍵設(shè)備，其可分為ICI 冷激型甲醇合成塔、魯奇管殼型甲醇合成塔、林德螺旋管反應(yīng)塔以及托普索甲醇合成塔等。一般甲醇合成的工藝流程，如圖1 所示：

圖1 甲醇合成工藝流程圖

如圖1 所示，本工藝流程中涉及到的關(guān)鍵設(shè)備固定床反應(yīng)器是基于并聯(lián)的方式耦合在一起，此種方式不僅可以節(jié)約催化劑的使用量，而且可以減少設(shè)備的投資。進入系統(tǒng)的新鮮合成氣分成兩股進入，其中一股與甲醇分離罐塔頂?shù)奈锪鞒浞只旌?，并?jīng)過反應(yīng)器預(yù)熱處理后在其中發(fā)生合成反應(yīng)，分離出甲醇產(chǎn)品；上述步驟中分離罐頂部的氣體與另外一股合成氣充分混合，并經(jīng)過壓縮機加壓和預(yù)熱處理后在甲醇合成器充分反應(yīng)，分離出甲醇產(chǎn)品?；谏鲜黾状己铣傻幕A(chǔ)工藝流程分別對串聯(lián)、并聯(lián)2 種耦合方式對應(yīng)的甲醇合成工藝流程進行模擬對比，最終得出最佳甲醇的合成工藝[2]。

2 甲醇合成工藝流程的模擬研究

本章節(jié)分別對串聯(lián)和并聯(lián)2 種甲醇合成工藝進行模擬研究。

2.1 串聯(lián)甲醇合成工藝流程的模擬研究

在基礎(chǔ)甲醇合成工藝的基礎(chǔ)上，將其并聯(lián)流程打開，只保留串聯(lián)工藝流程。基于上述操作后，新鮮的合成氣全部進入1#甲醇合成反應(yīng)器中，在1#甲醇分離罐塔底合成甲醇產(chǎn)品；從分離罐塔頂排出的未反應(yīng)的合成氣直接進入2#甲醇合成反應(yīng)器中并在2#分離罐塔底合成甲醇，塔頂非循環(huán)物流作為馳放氣排出[3]。其中，根據(jù)2#甲醇分離罐塔頂循環(huán)物進入位置的不同，可以形成兩種串聯(lián)合成工藝，如圖2 所示。

圖2 串聯(lián)甲醇合成工藝流程圖

如圖2-1 所示，合成工藝一中2#甲醇分離罐塔頂?shù)难h(huán)物流與1#甲醇分離罐塔頂?shù)奈锪骰旌?，并?jīng)過加壓處理后送入2# 甲醇合成反應(yīng)器中；如圖2-2 所示，合成工藝二中2#甲醇分離罐塔頂?shù)难h(huán)物流與新鮮合成氣混合，送入1#甲醇合成反應(yīng)器中。

根據(jù)實際甲醇合成工藝中的氣體組成、反應(yīng)器主要參數(shù)對模型進行設(shè)置完成后，對兩種串聯(lián)工藝流程對應(yīng)的循環(huán)氣數(shù)據(jù)、產(chǎn)品以及能耗等指標(biāo)與基礎(chǔ)甲醇合成工藝進行對比，對比結(jié)果如表1 所示。

分析表1 中的模擬結(jié)果可知：基于串聯(lián)合成工藝一所得甲醇的摩爾分?jǐn)?shù)和循環(huán)氣流量均最高，均高于串并聯(lián)的工藝；對比3 種工藝的功耗得出，基于串聯(lián)工藝一對應(yīng)的循環(huán)氣功耗和換熱器能耗均最低[4]。

綜上所述，采用串聯(lián)合成工藝一在甲醇合成過程中不論從產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)量以及能耗均為優(yōu)于原串并聯(lián)合成工藝和串聯(lián)合成工藝二。

2.2 并聯(lián)甲醇合成工藝模擬研究

在基礎(chǔ)甲醇合成工藝流程的基礎(chǔ)上，將串聯(lián)流程打開，形成并聯(lián)甲醇合成工藝流程，如圖3 所示。

圖3 并聯(lián)甲醇合成工藝流程圖

如圖3 所示，基于并聯(lián)甲醇合成工藝流程包含有兩個相對獨立且互不干擾的甲醇合成反應(yīng)器；新鮮合成氣按照1.2∶1.1 的比例進行分股分別進入1# 和2#甲醇合成反應(yīng)器中；對應(yīng)的塔底物為甲醇，塔頂?shù)拈W蒸氣直接排出。

根據(jù)實際甲醇合成工藝中的氣體組成、反應(yīng)器主要參數(shù)對模型進行設(shè)置完成后，對并聯(lián)工藝流程對應(yīng)的循環(huán)氣數(shù)據(jù)、產(chǎn)品以及能耗等指標(biāo)與基礎(chǔ)甲醇合成工藝進行對比，對比結(jié)果如表2 所示：

表2 并聯(lián)甲醇合成工藝流程模擬結(jié)果

分析表2 中的數(shù)據(jù)可知，并聯(lián)合成工藝相比串并聯(lián)合成工藝所得甲醇的摩爾分?jǐn)?shù)低；并聯(lián)合成工藝相比串并聯(lián)合成工藝甲醇的總流量高72.81%；并聯(lián)合成工藝的能耗低于串并聯(lián)合成工藝。綜上所述，從甲醇質(zhì)量、流量以及能耗對比，采用并聯(lián)合成工藝優(yōu)于串并聯(lián)合成工藝的效果。

綜合分析可知，基于串聯(lián)合成工藝一和并聯(lián)合成工藝合成甲醇不論從產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)量以及能耗方面均優(yōu)于串并聯(lián)合成工藝流程。具體對比串聯(lián)合成工藝一和并聯(lián)合成工藝得出：二種工藝在產(chǎn)品質(zhì)量和能耗層面相近；但是，并聯(lián)合成工藝所得產(chǎn)品的流量遠(yuǎn)大于串聯(lián)合成工藝一。因此，采用串聯(lián)合成方案一合成甲醇為最佳。

3 結(jié)語

甲醇為工藝生產(chǎn)中應(yīng)用較為廣泛產(chǎn)品，隨著國民經(jīng)濟的高速發(fā)展，對甲醇的需求量和產(chǎn)品質(zhì)量不斷提高[5]。為進一步提升甲醇的產(chǎn)量和質(zhì)量，降低甲醇合成過程中的能耗，本文通過數(shù)值模擬研究對串并聯(lián)甲醇合成工藝、并聯(lián)甲醇合成工藝以及兩種串聯(lián)甲醇合成工藝進行數(shù)值模擬研究，總結(jié)如下：

1）采用串聯(lián)合成工藝一在甲醇合成過程中不論從產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)量以及能耗均為優(yōu)于原串并聯(lián)合成工藝和串聯(lián)合成工藝二。

2）從甲醇質(zhì)量、流量以及能耗對比，采用并聯(lián)合成工藝優(yōu)于串并聯(lián)合成工藝的效果。

3）串聯(lián)合成工藝一和并聯(lián)合成工藝在產(chǎn)品質(zhì)量和能耗層面相近；但是，并聯(lián)合成工藝所得產(chǎn)品的流量遠(yuǎn)大于串聯(lián)合成工藝一。

綜上所述，采用串聯(lián)合成方案一合成甲醇為最佳工藝流程。