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

煤炭在我國能源結構中占據主導地位，對煤炭的充分利用不僅能夠提高資源的利用率，而且能夠減少對環境的污染問題。基于煤炭合成甲醇是當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，重點對反應器串聯模式、并聯模式以及馳放氣位置對最終所合成甲醇產品的質量和能耗進行對比，數值模擬結果將為后續合成甲醇的工藝流程的優化以及參數的調節提供指導。

1 甲醇合成工藝概述

基于煤炭合成甲醇是當前的主要來源，根據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鍵設備，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鍵設備固定床反應器是基于并聯的方式耦合在一起，此種方式不僅可以節約催化劑的使用量，而且可以減少設備的投資。進入系統的新鮮合成氣分成兩股進入，其中一股與甲醇分離罐塔頂的物流充分混合，并經過反應器預熱處理后在其中發生合成反應，分離出甲醇產品；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，并經過壓縮機加壓和預熱處理后在甲醇合成器充分反應，分離出甲醇產品。基于上述甲醇合成的基礎工藝流程分別對串聯、并聯2 種耦合方式對應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

本章節分別對串聯和并聯2 種甲醇合成工藝進行模擬研究。

2.1 串聯甲醇合成工藝流程的模擬研究

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

圖2 串聯甲醇合成工藝流程圖

如圖2-1 所示，合成工藝一中2#甲醇分離罐塔頂的循環物流與1#甲醇分離罐塔頂的物流混合，并經過加壓處理后送入2# 甲醇合成反應器中；如圖2-2 所示，合成工藝二中2#甲醇分離罐塔頂的循環物流與新鮮合成氣混合，送入1#甲醇合成反應器中。

根據實際甲醇合成工藝中的氣體組成、反應器主要參數對模型進行設置完成后，對兩種串聯工藝流程對應的循環氣數據、產品以及能耗等指標與基礎甲醇合成工藝進行對比，對比結果如表1 所示。

分析表1 中的模擬結果可知：基于串聯合成工藝一所得甲醇的摩爾分數和循環氣流量均最高，均高于串并聯的工藝；對比3 種工藝的功耗得出，基于串聯工藝一對應的循環氣功耗和換熱器能耗均最低[4]。

綜上所述，采用串聯合成工藝一在甲醇合成過程中不論從產品質量、產量以及能耗均為優于原串并聯合成工藝和串聯合成工藝二。

2.2 并聯甲醇合成工藝模擬研究

在基礎甲醇合成工藝流程的基礎上，將串聯流程打開，形成并聯甲醇合成工藝流程，如圖3 所示。

圖3 并聯甲醇合成工藝流程圖

如圖3 所示，基于并聯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#甲醇合成反應器中；對應的塔底物為甲醇，塔頂的閃蒸氣直接排出。

根據實際甲醇合成工藝中的氣體組成、反應器主要參數對模型進行設置完成后，對并聯工藝流程對應的循環氣數據、產品以及能耗等指標與基礎甲醇合成工藝進行對比，對比結果如表2 所示：

表2 并聯甲醇合成工藝流程模擬結果

分析表2 中的數據可知，并聯合成工藝相比串并聯合成工藝所得甲醇的摩爾分數低；并聯合成工藝相比串并聯合成工藝甲醇的總流量高72.81%；并聯合成工藝的能耗低于串并聯合成工藝。綜上所述，從甲醇質量、流量以及能耗對比，采用并聯合成工藝優于串并聯合成工藝的效果。

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

3 結語

甲醇為工藝生產中應用較為廣泛產品，隨著國民經濟的高速發展，對甲醇的需求量和產品質量不斷提高[5]。為進一步提升甲醇的產量和質量，降低甲醇合成過程中的能耗，本文通過數值模擬研究對串并聯甲醇合成工藝、并聯甲醇合成工藝以及兩種串聯甲醇合成工藝進行數值模擬研究，總結如下：

1）采用串聯合成工藝一在甲醇合成過程中不論從產品質量、產量以及能耗均為優于原串并聯合成工藝和串聯合成工藝二。

2）從甲醇質量、流量以及能耗對比，采用并聯合成工藝優于串并聯合成工藝的效果。

3）串聯合成工藝一和并聯合成工藝在產品質量和能耗層面相近；但是，并聯合成工藝所得產品的流量遠大于串聯合成工藝一。

綜上所述，采用串聯合成方案一合成甲醇為最佳工藝流程。