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安陽市嘉能能源發(fā)展有限責任公司現(xiàn)有一套10萬噸/年二甲醚裝置，工藝為四川天一科技提供傳統(tǒng)的甲醇汽化、固定床反應、精餾分離、殘液閃蒸回收及尾氣采用殘液回收等專利技術(shù)。反應器為兩段絕熱反應，床層溫度高，副反應物多，不冷凝氣量大，特別是催化劑使用到后期，溫度高達380℃，副反應進一步增加，二甲醚能耗高成本上升，綜合效益明顯下降。
1.該裝置運行能耗高的主要原因分析
（1）該工藝精甲醇單程轉(zhuǎn)化率最高只有85%，大量的沒有參加反應的甲醇在精餾塔塔釜-解析閃蒸槽-殘液泵-甲醇汽化塔-換熱器-反應器之間進行無效循環(huán)；同時，由于系統(tǒng)中的水吸收的熱量又轉(zhuǎn)變?yōu)檎羝M入反應器，造成鍋爐煤消耗偏高。
（2）原裝置由于采用的反應器為二段式絕熱反應，不僅床層溫度高，而且副反應物多，同時系統(tǒng)中產(chǎn)生的大量不凝氣體，又造成了原料甲醇消耗的上升。
（3）原裝置洗滌不凝氣體采用的是33%殘液，由于殘液中甲醇濃度偏高，造成不凝氣體中仍有一部分二甲醚、甲醇洗滌不下來，隨著不凝氣體的帶出，又造成了原料消耗的上升。
（4）原裝置粗二甲醚由110℃冷卻到32℃，然后又由粗二甲醚泵加壓再輸送到精餾塔內(nèi)部進行分離，不僅增加了運行電耗、冷卻水耗，同時也增加了精餾塔的熱負荷增加。
（5）汽化塔下部廢液中含有1.5%的甲醇，需要廢液經(jīng)過提溫后進入閃蒸汽提塔內(nèi)進行閃蒸，閃蒸出來的甲醇又需要冷卻后再回收到系統(tǒng)。不僅造成運行能耗增加、冷卻水量大，而且也增加工程投資。
2.改造措施
鑒于存在以上問題，我公司決定采用我公司與南京敦先化工科技有限公司共同開發(fā)的《一種“三低”甲醇脫水制二甲醚新工藝及其所用的設備》專利技術(shù)，對10萬噸/年二甲醚裝置進行改造。具體改造內(nèi)容如下：
（1）采用南京敦先化工科技有限公司專利號為：ZL 2009 2 0048467.8的冷管式反應器取代現(xiàn)有兩段絕熱冷激固定床式反應器；改造后的反應器為內(nèi)部設有高效擾流子的換熱冷管束埋在催化劑床層內(nèi)部，催化劑床層的反應熱量由高效擾流換熱管及時帶出，床層溫度控制在250～320℃；自上而下的催化劑床層出現(xiàn)：低→最高→較高→低的溫度曲線。由于甲醇脫水反應主要受熱力學影響，而占有整個催化劑床層高度80％的下部催化劑溫度在 280～300℃ ，下部低溫催化劑利于脫水反應向正反應方向進行，完全避免了絕熱冷激式反應器每絕熱層上低下高，又有冷激氣引入的缺陷。因此，甲醇單程轉(zhuǎn)化率比現(xiàn)在運行的DME反應器都高。可以達到86％以上，有效減少副反應物的生成；
（2）增加二級液相催化轉(zhuǎn)化：對出精餾塔塔釜的殘液設置一個液相轉(zhuǎn)化反應器，使殘液中33%（質(zhì)量百分比）甲醇進一步轉(zhuǎn)化到4.0%左右，實現(xiàn)甲醇單程轉(zhuǎn)化率在96%以上。有效減少了原裝之中沒有參加反應的甲醇在系統(tǒng)中的無效循環(huán)；
（3）取消原有裝置的粗二甲醚換熱器、粗二甲醚冷卻器，粗二甲醚直接進入精餾塔進行精餾分離，有效節(jié)省了冷卻水耗、動力消耗和能量消耗；
（4）對現(xiàn)有精餾塔的進料位置、分布器及塔盤進行改造；
（5）改變甲醇汽化塔工藝指標，取消廢液閃蒸回收裝置。
3.改造預期效果
3.1計算條件
改造前精餾塔每生成1噸精二甲醚就需要1732噸粗二甲醚進入粗二甲醚冷卻器，其中各種組分的質(zhì)量為：二甲醚1000kg/tDME、甲醇245kg/tDME、水487kg/tDME，溫度由125℃冷卻到32℃后再進入精餾塔進行精餾分離，進入甲醇汽化塔的精餾塔塔釜殘液中甲醇含量為33.0%；
改造后精餾塔每生成1噸精二甲醚只需要1636噸粗二甲醚進入粗二甲醚冷卻器，其中各種組分的質(zhì)量為：二甲醚1000kg/tDME【其中來自一級反應器的為860 kg/tDME，來自二級反應器的質(zhì)量為140.2477kg/tDME】、甲醇215kg/tDME、水421kg/tDME，溫度由125℃直接進入精餾塔進行精餾分離，進入甲醇汽化塔的二級反應后殘液中甲醇含量為4.0%。
3.2節(jié)能部分的計算
3.2.1改造后冷卻器節(jié)省冷卻水量的計算
Q2H2O=487×(461.36-134.11)÷4.1868=38065.05Kcal/tDME
Q2CH3OH=245×【1009.5+2.579×(125-32)】÷4.1868=73108.34Kcal/tDME
Q2C2H6OH=1000×【190.522+(6.877+5.346)/2×（125-32) 】÷4.1868=181258.12Kcal/tDME
Q2=38065.05+73108.34+181258.12=292431.51Kcal/tDME
節(jié)省冷卻水量：292431.51÷（38.0194-30.348）=38119.71Kg/tDM
3.2.2改造后節(jié)省冷卻水輸送電耗的計算
冷卻水折算為電耗：38119.71×0.001×0.096=3.7KWh/tDME
3.2.3精餾塔節(jié)省煤耗計算
根據(jù)上面計算可知1噸粗二甲醚由不冷卻到32℃，而是由125℃直接進入精餾塔，則熱量全部帶到精餾塔內(nèi)部，也就是說：由粗二甲醚帶進的熱量就會減少導熱油供給精餾塔再沸器的熱量，完全可以理解為節(jié)省的燃料。
（1）生成1噸二甲醚，粗二甲醚不冷卻由125℃直接進入精餾塔帶進的熱量計算：
生成1噸二甲醚，進入精餾塔的粗二甲醚中各物質(zhì)的質(zhì)量為：
Q2H2O=421×(461.36-134.11)÷4.1868=32906.34Kcal/tDME
Q2CH3OH=215×【1009.5+2.579×(125-32)】÷4.1868=64156.30Kcal/tDME
Q2C2H6OH=1000×【190.522+(6.877+5.346)/2×（125-32) 】÷4.1868=181258.12Kcal/tDME
Q2=32906.34+64156.30+181258.12=278320.76Kcal/tDME
（2）改造后二級反應器生產(chǎn)的二甲醚(145℃)帶到精餾塔內(nèi)部的熱量
來自二級反應器的質(zhì)量為140.2477kg/tDME，則熱量為：
Q=5612.8786×140.2477÷32=17112.89242Kcal/tDME
（3）改造后減少進精餾塔物料96kg（1732-1636），與原運行狀態(tài)相比，則精餾塔減少外供熱能為：
292431.51-278320.76=14110.75Kcal/tDME
（4）改造后精餾塔減少總的外供熱能為
Q=278320.76+17112.89242+14110.75=309544.4124Kcal/tDME
假設熱量的熱值為5500Kcal/Kg
改造后每生產(chǎn)1噸二甲醚可以比改造前節(jié)省燃料為：309544.4124÷5500=56.28Kg/tDME。
3.2.4汽化塔節(jié)省煤耗計算
改造后去汽化塔殘液中甲醇含量由33.8082%降到4.0%。從精餾塔塔釜殘液（改造前）或二級反應器（改造后）到汽化塔減少230.1908kg甲醇、減少13.7702kg水，此部分再汽化塔內(nèi)部甲醇和部分水汽化，汽化后達到一級反應器進口時溫度為260℃，大部分的水從汽化塔的底部排出，排出的溫度為165℃。
為了計算方便，假設無效循環(huán)的甲醇、水全部從殘液中汽化，則這部分可以節(jié)省的能耗計算如下：
Q3-2H2O=（13.7702×（2994.60-504.24）+475.719×（697.43-504.24））÷4.1868=30141.61385 Kcal/tDME
Q3-2CH3OH=(233.2074×989+233.2074×(2.00994+ 1.7304 )/2×(260-120)+230.1908×120×2.597)÷4.1868=89764.08678 Kcal/tDME
Q3-2=30141.61385+89764.08678=119905.7006 Kcal/tDME
將節(jié)省的能量折算煤耗為：
119905.7006÷5500=21.801Kg/tDME
3.2.5節(jié)省原料甲醇
改造后節(jié)省甲醇為5.8873kg/tDME(主要減少一級副反應的原料消耗)。
綜上所述改造后可以：
節(jié)省熱能：309544.4124+119905.7007=429450.1131Kcal/tDME
節(jié)省冷卻水量：38119.71Kg/tDME
節(jié)省燃料：56.28+21.801=78.081Kg/tDME
節(jié)省電耗：3.7KWh/tDME
節(jié)省原料甲醇：5.8873kg/tDME
3.3改造后的經(jīng)濟效益核算
我們按照生產(chǎn)能力為10萬噸/年二甲醚，循環(huán)水價格為0.5元/m3、電價0.65元/度、燃料煤為0.65元/kg、甲醇價格為2.8元/kg來計算全年節(jié)省的運行費用：
10×（38119.71×0.5÷1000+78.081×0.65+3.7×0.65+5.8873×2.8）=887.01945萬元/年。
4.結(jié)論
我國由四川天一科技提供專利技術(shù)建設的二甲醚裝置全國有八十套左右，同時還有其他技術(shù)單位提供的二甲醚技術(shù)裝置六十多套，最大裝置單套能力為50萬噸/年，目前運行能耗均偏高，我們按照每套裝置平均生產(chǎn)能力為10萬噸/年。如果這些裝置全部采用我公司與南京敦先化工科技有限公司共同開發(fā)的專利技術(shù)進行改造，全年將會節(jié)省53366.8萬立方米冷卻水、節(jié)省5180萬度電、節(jié)109.3134萬噸省燃料煤、節(jié)省8.24222萬噸原料甲醇，改造后會給社會帶來1241827.23萬元的經(jīng)濟效益。
