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摘要：本文旨在研究某炼油厂15万t/a MTBE装置的节能降耗，以提出多种创新的方案来改善该装置的能耗和经济效益。首先，对MTBE生产过程中能耗的各项来源进行了研究，包括前期处理、反应和分离等环节。然后，提出了一系列的节能措施，并进行了实验验证。在工艺前期，调整产品精制水洗操作，降低了碳四中的杂质含量，有效减少了在MTBE生产过程中的能耗。同时，优化了醇烯比，最大限度促进异丁烯和甲醇的反应，从而减少了能耗。此外，通过降低催化蒸馏塔和甲醇回收塔的蒸汽用量，并进行余热回收，成功实现了预期目标。与传统MTBE装置相比，该方案显著降低了能耗，并提升了经济效益。针对不同操作条件进行了综合实验和模拟研究，以评估各个工艺参数对能耗的影响。这些措施不仅能够降低能耗、改善经济效益，还为其他炼油厂类似装置提供了有价值的创新借鉴。
关键词：MTBE装置；节能降耗；醇烯比；经济效益；创新
0引言
随着全球汽车数量的急剧增加，对环境友好型燃料的需求不断攀升。其中，甲基叔丁基醚（MTBE）作为一种高效清洁的汽油添加剂，备受关注。为了应对严峻的环保形势，许多国家都对汽油质量做出了严格把控，这一问题得到了我国政府的高度重视，出台了新的汽油质量标准，以推动能源节约和环境保护。装置生产MTBE的工艺流程主要包括原料预处理、反应和蒸馏等环节。在这些环节中，提高能源利用效率是关键，能耗的降低直接关系到产品质量和经济效益[1]。
1装置流程
某炼油厂15万t/a MTBE装置采用河北凯瑞环保科技股份有限公司的专有技术，该装置于2020年2月一次开车成功，已安全平稳运行三年。该装置规模是15万t/a，运行周期为4年，是以催化裂化装置液化气经气分装置分离的混合碳四、丁二烯炔烃加氢装置的碳四、以及工业甲醇为原料，生产高辛烷值MTBE产品。装置流程如图1所示。MTBE装置主要以气分来的混合碳四，炔烃加氢或者罐区来的碳四，以及罐区来的甲醇，经过反应器R1001和催化蒸馏塔C1001后，反应产物MTBE中间产品进脱硫塔，脱硫塔顶得到的MTBE产品，送去罐区。催化蒸馏塔顶的低沸点共沸物送到萃取水洗回收系统，回收未反应碳四，送到烷基化装置或者罐区，甲醇塔分离的甲醇送到甲醇原料罐。
2影响MTBE装置能耗的因素分析
2.1原料C4中杂质
原料质量的好坏直接影响到反应的效率和能耗。在MTBE生产过程中，原料中可能含有碱性物质和金属阳离子等毒物，这些物质可能会对催化剂的稳定性和性能产生负面影响。为了提高催化剂的质量和使用寿命，应限制这些毒物的含量，使其质量分数不超过2×10-6。上述毒物将与催化剂进行离子交换。MTBE领域，常使用一种创新型催化剂，它是大孔强酸性阳离子交换树脂。这种大孔结构不仅提供了更大的表面积和孔隙容积，增加了催化反应的活性和选择性，还便于反应物的扩散和产品的分离。通过强酸性阳离子交换作用，使催化剂具有了优秀的活性和选择性。随着反应的延续，在使用这种创新型催化剂时，确保原料的净化至关重要，以去除金属离子和碱性物质。这是因为金属离子会与催化剂中的质子发生置换反应，导致催化剂失去酸性并丧失活性。一些常见的金属阳离子，如钠和铁离子，可能会置换催化剂中磺酸基团上的质子。特别是，异丁烯叠合催化剂的磺酸基团上的H+容易被金属阳离子置换掉。以氯化钠为例，反应方程式如式（1）：
碱性物质会中和催化剂上的磺酸根，碱氮化合物主要为进料中腈化物（乙腈、丙腈），腈化物易发生水解反应，水解主要包括两步：原料中的腈被吸附于树脂中；一些有机腈物质容易被吸附到催化剂表面并与水分子反应，形成氨基化合物，使催化剂中毒。高效的脱除金属阳离子和碱氮化合物的方法，以延长催化剂的寿命，降低装置能耗具有重要的意义。腈化物质对催化剂寿命的影响见表1。
在催化剂反应中，观察到水分子可能对催化剂的活性产生负面影响。首先，水可以引发磺酸基团-SO3H的脱落作用，形成硫酸和有机分子。此过程会导致催化剂活性中心的丧失，从而降低催化剂的活性和效率。另外，水分子还能与催化剂表面上的磺酸基团通过氢键相互结合，形成大分子结构。这些大分子会占据催化剂的活性中心，阻碍反应物质与催化剂之间的有效接触，进而降低催化剂的反应活性。此外，还发现水能够与原料中的C4H8发生反应，生成大量的TBA。这些叔丁醇会聚集在催化剂表面，降低催化剂的表面积，从而影响催化剂与反应物质的接触效果，并进一步影响催化反应的效果。某些杂质可能会在反应器内形成沉积物或垢层，导致反应器堵塞。这可能会降低反应器的传热效率，使反应速率变慢，增加能耗，并且可能导致MTBE产品质量下降。
2.2醇烯比
在甲醇与异丁烯的反应过程中，醇烯比（进入R1001的甲醇摩尔流量与异丁烯摩尔流量的比值）极为重要。在选择适当的醇烯比时，需要考虑以下几个因素。首先，在反应过程中，甲醇和烯烃在催化剂的作用下发生反应，生成醚化物以及大量的热量，当甲醇进料量降低时，异丁烯自聚反应生成二异丁烯增多，导致异丁烯醚化转化率降低。此外，自聚反应放出的热量还可能造成催化剂床层超温，催化剂降低活性。因此，适当增加甲醇用量可以减少二聚反应的发生，并提高反应的稳定性和效率。第三，当C4中异丁烯含量较低时，醇烯比过高会使甲醇发生缩合反应，反应生成二甲醚和水，导致MTBE中二甲醚含量超标，影响产品质量，也加大了甲醇水洗回收负荷。因此，选择适当的醇烯比可以在保证反应转化率的同时，避免不必要的甲醇浪费和污染[2]。
2.3催化蒸馏塔和甲醇回收塔蒸汽用量
由表2可知，MTBE装置能耗由循环冷水、电、净化风、1.3 MPa蒸汽、含油污水组成，MTBE装置主要能耗是蒸汽能耗，占97.33%。其次是电能耗，现场用电主要机泵，所以电量降低幅度已经不大。至于循环冷水，根据公司要求循环热水出装置温度不大于43℃,已按照公司要求执行，所以循环冷水也很难再降。因此主要从降低蒸汽耗量来降低MTBE装置的能耗。
3优化措施和效果
3.1提高原料质量
3.1.1措施
为了确保装置操作稳定，强调加强原料质量控制，以保证原料的稳定性和一致性，避免对装置操作造成波动影响。C4原料中的金属离子往往以阳离子形式存在，由于它们的电荷性质和分子结构，金属离子在水中容易与水分子形成配位化合物，从而溶解于水中和碱性氮化物通常具有含氮的强碱性成分，如氨、胺等。这些化合物的分子结构中带有高度极性的键，使其能够与水中的氢离子发生相互作用，并形成离子化合物溶液的特性[3]。提高产品精制装置中水洗水罐的循环水量，并每周及时置换水洗水罐水。同时，采用预处理方法去除原料中的颗粒物和沉积物，并在MTBE装置中增加聚结器和过滤器以脱除C4原料中的催化剂中毒物，避免其进入反应器内部。
3.1.2效果
经原料预处理后的C4原料中金属离子、碱性氮化物含量均＜1 mg/kg，有效去除或减少催化剂中毒的杂质，提高催化剂的活性和稳定性，减少反应器堵塞的风险，提高传热效率，减少能耗，提高MTBE产品的选择性和纯度，可确保催化剂长周期运行，减少了催化剂更换时间。
3.2降低醇烯比
3.2.1措施
降低醇烯比并不意味着牺牲MTBE的选择性和产率，因此需要在保证产品质量的前提下，寻找合适的醇烯比，以达到降低能耗的目的。通过降低醇烯比来降低MTBE装置能耗的主要思路是减少异构化反应的程度，从而降低反应器的热负荷和催化剂的损耗，同时减少分离过程的能耗。设计要求醇烯比1.05~1.15，实际操作时，在保持反应器入口温度不变的情况下，适当降低醇烯比，从1.13下降到1.08。
3.2.2效果
在将醇烯比从1.13下降到1.08的12 h内，观察到醚化反应器R1001A的温度从24.2℃上升至28.5℃。同时，催化蒸馏塔和甲醇回收塔的塔底蒸汽消耗分别从14.3 t/h下降到13.6 t/h和从8.2 t/h下降到7.5 t/h。经过认真分析，发现醇烯比的降低导致了甲醇进料量的减少，进而导致反应器R1001A中的异丁烯发生了部分聚合反应，释放出大量热量，从而导致反应器温度升高。为保证装置的稳定运行进行了多次实验摸索，并最终成功将醇烯比控制在1.09。这一调整不仅有助于降低蒸汽能耗，还能够确保MTBE产品质量的稳定，达到了预期目标。如图2所示。
3.3催化蒸馏塔调整
3.3.1措施
催化蒸馏塔用于将反应器中生成的MTBE和未反应的异丁烯、丁烯等组分进行分离。由于MTBE和原料的沸点差异较小，传统的精馏操作效果不佳，因此采用催化蒸馏可以提高分离效率。催化蒸馏塔通过在塔内设置特殊的填料或板式结构，在催化剂的作用下，实现MTBE、异丁烯和丁烯的有效分离[4]。在工艺稳定的情况下，对催化蒸馏塔进行降压操作，将塔顶压力从0.45 MPa降到0.39 MPa，对回流量、塔顶冷后温度也进行了相应的调整。
3.3.2效果
在降低塔顶压力从0.45 MPa到0.39 MPa的24 h后，通过化验采样发现MTBE产品中的甲醇含量从0.1%上升到了0.4%，接近公司设定的产品控制指标。经过分析后，认为这是由于催化蒸馏塔的塔顶压力降低，导致塔底温度降低，使得部分甲醇未能蒸发上升，而滞留在了塔底，对MTBE产品造成了影响。在降低能耗的同时，始终坚持以产品质量为首要目标。为了解决上述问题，进行了一系列摸索和调整，并最终将催化蒸馏塔的塔顶压力控制在0.40 MPa。通过这一优化方案，塔底温度也提高了5℃,同时塔底蒸汽消耗从13.6 t/h降低到了13 t/h。这一调整不仅有助于保证MTBE产品的质量，还能进一步降低能耗，提高生产效率。数据见表3。
3.4甲醇回收塔调整
3.4.1措施
MTBE合成过程中，由于反应不完全等因素的影响，反应产物中会含有一定量的未反应的甲醇。甲醇回收塔通常采用精馏分离方式，使甲醇与水分离出来。经过回收处理后，得到的循环甲醇可以回流至MTBE合成反应中循环使用，从而实现甲醇的高效利用，降低生产成本，提高生产效率。参考催化蒸馏塔降压操作经验，对甲醇回收塔进行降压操作，将塔顶压力从0.25 MPa降到0.19 MPa，对回流量、塔顶冷后温度也进行了相应的调整。
3.4.2效果
在实际操作中，发现在将塔顶压力从0.25 MPa降低至0.19 MPa后，化验采样发现甲醇回收塔循环甲醇中水含量超标。经过分析，认为这是由于降压后塔盘温度升高，导致甲醇和水混合进入了回流罐中，从而影响了甲醇质量。针对上述问题，进行了进一步优化参数，并最终确定甲醇回收塔定压力为0.21 MPa。通过这项优化工作，塔顶蒸汽消耗也从7.5 t/h降低到了7.0 t/h。这一方案的实施不仅可以有效控制甲醇回收塔中水含量超标的问题，降低能源消耗。此外，还需要密切关注甲醇回收塔的运行状态，及时调整和优化反应条件，以确保生产过程的稳定。甲醇回收塔调整前后变化见表4。
4结语
本文通过对MTBE装置能耗特点和影响因素的深入分析，提出并实践了一系列有效的节能降耗措施，取得了显著的成果。首先，在原料预处理方面，优化和改进杂质去除工艺，显著降低了催化剂中毒和杂质含量，提高了反应器的活性和稳定性。其次，在反应器操作方面，调整醇烯比参数，实现了更高的转化率和选择性，从而降低了装置能耗。此外，在分离过程中采用了高效的分离设备和工艺流程，提高了产品纯度同时降低了能耗。相信MTBE装置节能降耗的研究将会在未来取得更大的突破和进步，为炼油工艺的可持续发展提供更为坚实的理论和实践基础。
参考文献
[1]王琴，薛群，李冬涛，等.MTBE生产过程的能耗分析和节能措施[J].兰州化工，2020，49（2）：64-68.
[2]刘成军.催化轻汽油醚化的应用与研究[J].石油与天然气化工，2020，49（5）：1-7.
[3]刘成军，曲鑫，周璇，等.催化轻汽油醚化原料预处理的方法[J].石油与天然气化工，2016，45（6）：5-9.
[4]刘大明，任建华，王燕.MTBE装置节能降耗技术的应用研究[J].河南化工，2020，37（12）：34-38.后台-系统设置-扩展变量-手机广告位-内容正文底部 -
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MTBE装置综合能耗优化措施论文
人参与 2024-10-11 10:57:33 分类 : 理学 点这评论 作者：团论文网 来源：https://www.tuanlunwen.com/
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