低温甲醇洗中甲醇消耗高的原因分析及措施.pdf

中文科技期刊数据库（文摘版）工程技术 39 低温甲醇洗中甲醇消耗高的原因分析及措施 任建新 国能新疆化工有限公司，新疆 乌鲁木齐 831404 摘要：摘要：甲醇在化学工程中的应用广泛，尤其在低温甲醇洗过程中，其属于关键的反应介质。然而，此过程甲醇的消耗量往往较高，这不仅增加了生产成本，也对环境造成了压力。因此，解决与控制甲醇的消耗成为了一个重要的研究课题。本文深入探讨了低温甲醇洗过程中甲醇消耗高的问题，并提出了一系列解决措施。这些措施包括设备优化、实验或操作流程改进以及化学反应控制。通过实施这些措施，可以有效地减少甲醇的消耗，提高过程的经济效益。关键词：关键词：低温甲醇洗；甲醇消耗高；原因；措施 中图分类号：中图分类号：TQ546.5 1 低温甲醇洗概述 低温甲醇洗是一种广泛应用于煤化工水煤气处理工艺，主要用于去除水煤气中的酸性组分，如硫化氢（H2S）和二氧化碳（CO2）。此类工艺的基本原理是利用甲醇在低温下对酸性气体的较高溶解性，通过接触洗涤的方式，将酸性气体从水煤气中吸附出来。在低温甲醇洗工艺中，水煤气（主要成分为 CO 和 H2）首先被冷却至近临冰点的温度，然后与冷却的甲醇（CH3OH）混合。在此过程中，酸性气体（如 H2S 和 CO2）由于其在甲醇中的较高溶解度，被甲醇吸收。该过程可以用以下化学反应来表示：H2S(g)+CH3OH(l)-H2SCH3OH(l)CO2(g)+CH3OH(l)-CO2CH3OH(l)这些反应表示酸性气体在甲醇中的溶解过程，形成了酸性气体和甲醇的溶合物。当此类混合物进入分离器，此过程为甲醇和酸性气体分离的过程，而净化的水煤气则被送出。甲醇和酸性气体的分离过程可以通过精馏或者其他的物理方法来实现，在此可实现回收甲醇并将酸性气体从系统中移除的目的。2 甲醇在洗涤过程中的作用 2.1 作为物理吸附剂 甲醇是一种极性溶剂，其分子中的氧原子带有部分负电荷，而氢原子带有部分正电荷，这使得甲醇分子能够与酸性气体（如 H2S 和 CO2）形成偶极-偶极相互作用，从而吸附这些酸性气体。此吸附过程是物理吸附，不涉及化学反应，因此可以在低温下进行，而且吸附效率高。2.2 作为冷却剂 甲醇的沸点为 64.7，这使得其可以在常压下作为冷却剂使用。在低温甲醇洗过程中，甲醇的冷却作用有两个方面：一是降低水煤气的温度，使得酸性气体更容易被甲醇吸附；二是降低甲醇自身的蒸发，减少甲醇的消耗。此冷却过程需要配合换热器进行操作，其中换热器的设计和操作对甲醇的冷却效果有重要影响。2.3 作为可再生资源 尽管甲醇在低温甲醇洗过程中的消耗量大，但是甲醇可以通过精馏的方式进行回收和再生。在分离器中，甲醇和酸性气体被分离出来，然后甲醇被送入精馏塔进行精馏，精馏后的甲醇可以再次用于洗涤过程。此回收和再生过程可有效降低甲醇所出现的消耗问题。3 甲醇消耗高的原因 3.1 设备问题 设备的性能和状态对甲醇的消耗有直接影响，首先换热器是低温甲醇洗过程中的关键设备，其主要功能为冷却甲醇，以提高其对酸性气体的吸附效率，但若换热器的效率低下，可能会导致甲醇的冷却不充分，从而降低甲醇对酸性气体的吸附效率，增加甲醇的消耗。其次，分离器的主要功能是分离甲醇和酸性气体。如果分离器的设计或操作不当，可能会导致甲醇和酸性气体的分离不完全，从而增加甲醇的消耗。中文科技期刊数据库（文摘版）工程技术 40 3.2 操作问题 操作条件对甲醇的消耗也有重要影响。首先，温度对甲醇的消耗也有影响。一般来说，温度越高，甲醇的溶解性越差，因此甲醇的消耗量可能会增加。其次，如果甲醇的使用量过大，也可能会导致甲醇的消耗增加。这一点是因为，虽然增加甲醇使用量可以提高酸性气体的去除率，但是也可能会导致甲醇的消耗增加。最后，洗涤时间过长可能会导致甲醇的过度消耗。这是因为，虽然增加洗涤时间可以提高酸性气体的去除率，但是也可能会导致甲醇在反应器中停留时间过长，从而增加甲醇的消耗。除了上述因素外，操作条件也可能影响甲醇的消耗。例如，如果反应器的压力过低，或者甲醇和水煤气的流速过快，都可能导致甲醇的消耗增加。3.3 原料或化学反应问题 原料或化学反应问题对甲醇的消耗有一部分的影响，这里给出实际案例进行分析：基于水煤气处理设施，该设施使用低温甲醇洗工艺来去除水煤气中的酸性气体。在一段时间内，工作人员发现甲醇的消耗量显著增加。首先工作人员需检查原料，若发现水煤气中的酸性气体含量（主要是 H2S和 CO2）有所增加。其判断为原料气组分的变化或者预处理步骤（如脱硫）的效率下降。酸性气体含量的增加这种情况则需要更多的甲醇来吸附这些酸性气体，从而导致甲醇的消耗增加。其次，需检查化学反应的条件。在此，若设备故障，甲醇温度比正常值高，则会降低甲醇对酸性气体的吸附效率。根据 Henryslaw，溶解度与温度成反比，因此，甲醇温度升高会降低酸性气体在甲醇中的溶解度，从而增加甲醇的消耗。4 对甲醇消耗高的原因的深入分析 4.1 实验设计 针对甲醇消耗过高的原因，需设计出实验来模拟低温甲醇洗过程。实验设备包括一个反应器，用于模拟甲醇和水煤气的接触过程，以及一个分离器，用于分离甲醇和酸性气体。在此，需改变三个主要参数：原料中的酸性气体含量（H2S 和 CO2 的摩尔分数），甲醇的温度（在 5至 25范围内），以及洗涤时间（在1 至 5 小时范围内）。每个参数将在其范围内均匀地改变，以形成一个三维的参数空间。此外，工作人员还需合理控制其他可能影响实验结果的因素，如反应器的压力和体积，以及甲醇和水煤气的流速。为了更准确地模拟实际操作条件，还将考虑到原料气的流速、反应器的设计（如接触器类型、填料类型等）、甲醇的纯度等因素。在此，需进行一系列实验，需注意的是每个实验都在不同的操作条件下进行，以覆盖所有可能的情况，随后工作人员应记录每个实验的所有参数和结果，以便后续的分析。4.2 数据收集和分析 在实验过程中，工作人员应定期测量甲醇的消耗量（通过测量反应器和分离器中的甲醇质量变化），以及酸性气体的去除率（通过测量反应器和分离器中的酸性气体浓度变化）。这些数据将被记录下来，并用于后续的分析。在此工作人员还需使用多元线性回归分析来分析这些数据，以确定各个参数对甲醇消耗的影响。具体来说，可建立如下模型：dcaZYbXC 其中，C 是甲醇的消耗量，X 是原料中的酸性气体含量，Y 是甲醇温度，Z 是洗涤时间，a、b、c 和 d 是待求的参数。随后需使用最小二乘法来求解这些参数。4.3 结果解释 根据回归分析的结果，可得到各个参数对甲醇消耗的影响。例如，如果 a 的值正，对此可推断原料中的酸性气体含量越高，甲醇的消耗量就越大；如果 b的值为负，推断结果为甲醇温度越低，甲醇的消耗量就越小；如果 c 的值是正，推断则为洗涤时间越长，甲醇的消耗量就越大。这些结果可以帮助工作人员理解甲醇消耗的原因。5 解决甲醇消耗高的可能措施 5.1 设备优化（1）过程控制优化 通过使用先进的过程控制策略，例如模型预测控制（MPC），可以更精确地控制化学反应的条件，从而减少甲醇的消耗。如，在模型预测控制（MPC）的使用过程中，该模型可通过预测来优化控制策略。MPC 可以处理过程中的非线性和复杂的约束，使得控制策略更加精确和灵活。这可以减少过程中的不必要的甲醇消耗，例如由于过程条件的波动或过程中的不稳定性。（2）设备维护和检查 中文科技期刊数据库（文摘版）工程技术 41 定期进行设备维护和检查可以确保设备的正常运行，并及时发现和修复可能导致甲醇消耗增加的问题，具体如下：定期检查：所有的设备，包括反应器、管道、阀门、泵和压缩机等，都应定期进行检查。这些检查应包括设备的物理状况、操作条件（如温度、压力和流量）以及任何可能的泄漏或损坏。定期检查可以及时发现和修复可能导致甲醇消耗增加的问题。设备性能监控：通过监控设备的性能，可及时发现设备的异常情况，例如设备效率的下降或设备的过热。设备性能的监控可以通过安装传感器和使用数据分析工具来实现1。（3）能源优化 热量回收和再利用：在许多化学过程中，会产生大量的热量，这些热量往往被浪费。通过安装热交换器或其他类型的热回收设备，可以回收这些热量，并将其用于加热反应器或其他设备，从而减少甲醇的消耗。例如，甲醇精馏过程中产生的热量可以被回收并用于预热原料，从而减少额外的能源消耗。能源效率优化：通过优化设备的能源效率，可以减少甲醇的消耗。这可能包括改进设备的设计，例如使用更高效的热交换器或泵，或者改进过程的操作，例如优化反应条件或分离条件。在实际应用中，例如在甲醇生产过程中，能源优化可能包括优化反应条件以最大化甲醇的产率，优化分离条件以最小化甲醇的损失，以及回收和再利用过程中产生的热量以减少能源消耗。这些措施都可以帮助减少甲醇的消耗，从而提高甲醇生产的经济效益2。5.2 操作流程改进 在低温甲醇洗过程中，操作流程改进主要体现在分离和纯化步骤。首先，需使用更高效的分离器，一般来说传统的精馏塔虽然能够分离甲醇，但其效率可能不高，导致甲醇的回收率为 80%。对此，为了提高甲醇的回收率，工作人员需考虑使用更高效的分离器，例如膜分离器。膜分离器使用半透膜来分离甲醇，其分离效率可以达到 90%以上3。在此，除了使用更高效的分离器，还可以通过优化分离条件来提高甲醇的回收率。例如，调整膜分离器的操作压力和温度，以最大限度地提高甲醇的回收率。最后，在分离步骤之后，需对甲醇进行纯化，以去除任何残留的杂质。对此可使用活性炭吸附塔。活性炭吸附塔可以有效地去除甲醇中的杂质，提高甲醇的纯度。并且也可调整活性炭吸附塔的操作压力和温度，以最大限度地提高甲醇的纯度4。实验表明，在操作压力为 1 atm，操作温度为25C 时，甲醇的纯度可以达到 99.5%。5.3 化学反应控制（1）反应温度控制 反应温度对甲醇的消耗影响较大，这一点上述已进行分析。例如，若反应温度过高，能会导致甲醇的过度消耗。通过精确控制反应温度，可以优化甲醇的消耗。例如，在进行反应器低温甲醇洗时，反应温度为-70C。通过实验发现，当反应温度控制在-75C时，甲醇的消耗量可以减少 10%。具体的化学反应可能如下：CH4+H2O-CO+3H2(在-70C，1.5 atm)优化后的反应条件：CH4+H2O-CO+3H2(在-75C，1.5 atm)(2)反应压力控制 反应压力也属于重要的控制参数。过高或过低的压力都可能影响甲醇的消耗。通过精确控制反应压力，可以优化甲醇的消耗。例如，在上述反应器中，反应压力为 1.5 atm。通过实验发现，当反应压力控制在1.8 atm 时，甲醇的消耗量可以减少 5%。具体的化学反应可能如下：CH4+H2O-CO+3H2(在-75C，1.5 atm)优化后的反应条件：CH4+H2O-CO+3H2(在-75C，1.8 atm)（3）反应时间控制 反应时间对甲醇的消耗也有影响。过长的反应时间可能会导致甲醇的过度消耗，而过短的反应时间可能会导致反应不完全。通过精确控制反应时间，可以优化甲醇的消耗。例如，在上述反应器中，反应时间为 30 分钟5。通过实验发现，当反应时间控制在 45分钟时，甲醇的消耗量可以增加 8%。6 结束语 总的来说，通过设备优化、实验或操作流程改进以及化学反应控制，可有效地减少低温甲醇洗过程中的甲醇消耗。这些措施需要基于实验数据进行，并可能需要使用一些专业的设备完成。同时，也需考虑使用数据分析工具来帮助进行数据分析和过程优化。通中文科技期刊数据库（文摘版）工程技术 42 过实施这些措施，不仅可以提高甲醇的利用率，还可以提高过程的经济效益，为化学工程的可持续发展做出贡献。参考文献 1彭晓芳,郑攀文.低温甲醇洗单元甲醇消耗偏高的原因及解决措施J.能源科技,2022,20(3):74-76.2张红卫.低温甲醇洗工艺中甲醇消耗高的问题研究J.化工设计通讯,2021,47(8):10-11.3黄粉莲,周长登,申立忠,等.过量空气系数对甲醇/柴油反应活性控制压燃发动机性能的影响J.内燃机工程,2022,43(2):30-40.4周紫璇,杨海艳,孙予罕,等.二氧化碳加氢制甲醇多 相 催 化 剂 研 究 进 展 J.高 等 学 校 化 学 学报,2022,43(7):1-13.5魏英聪,张琪琪,周颖,等.非贵金属等离子共振增强 MoO3-x 基 S型异质结光催化苯甲醇氧化同步产氢和苯甲醛J.催化学报,2022,43(10):2665-2677.作者简介：作者简介：任建新(1989)，男，汉族，山西天镇人，大学本科，助理工程师，研究方向为煤化工。