MTBE/丁烯—1装置的节能优化探究

摘 要：随着能源日益紧张，节能问题越来越引起人们的重视。因此，节能已被列为重点研究对象，特别是在过程工业中。作为化工生产中最为广泛的分离过程：精馏过程，是耗能较大的化工操作单元。因此，精馏过程具有很大的节能潜力。选择合适的精馏装置便可以收到良好的应用效果。本文就MTBE/丁烯-1装置的特性进行了简要的分析，并分别介绍了MTBE和丁烯-1的含义与MTBE/丁烯-1的操作方法，然后讨论了MTBE/丁烯-1装置的节能优化策略，最后进行了节能优化的探讨。

关键词：精馏过程；MTBE/丁烯-1装置；节能优化

1 前言

随着经济全球化、科技发展不断进步和工业的迅猛发展， 人们对能源的需求越来越高。早期人们大量消耗能源，导致环境的严重破坏，温室气体大量排放，雾霾的困扰，为现代人的生活带来了极大的不便。以汽车行业为例，汽车对汽油的消耗成上升趋势不断增加，汽车尾气的积蓄引起的大气污染也日趋严重， 这时可以通过改善辛烷值实现减少汽车排放尾气中的碳氢化合物及一氧化碳等污染物，达到保护环境、改善空气质量、节能降耗的目的。甲基叔丁基醚（MTBE）作为一种理想的含氧汽油调合剂，有效的缓解了环境污染问题。新环保法规发布的对含铅汽油使用限制使得 MTBE的使用量迅速增长，可见由于生活和社会的发展的需要人们也更加侧重于使用环保的新型能源。经济增长同能源消费长期以来有着密切的关系。虽然能源消耗会推动经济的快速增长，但不合理地能源消耗也会引起严重的环境问题。过程工业作为能耗巨大的产业，必然应作为核心的研究对象。据统计，主要的石油化工厂中40%的能源都消耗在精馏过程上；美国40000多个精馏塔的全年消耗能量几乎占其全国年耗能量的3%[1]。由此可见精馏塔的节能优化十分重要并迫切。事实上，不合理设置精馏装置操作方法以及操作参数，将导致精馏过程消耗大部分能量，却并非用于组分的分离。因此，精馏过程具有很大的节能潜力，收效也较为明显，美国巴特尔斯公司在波多黎各某芳烃装置的 8个精馏塔上进行优化节能操作，每年可节约能耗310万美元。

本文根据MTBE/丁烯 -1 精馏装置的实际运行情况 ，首先阐述了MTBE/丁烯-1装置的内涵和MTBE与丁烯-1的含义，然后也讨论了装置的操作方法与MTBE/丁烯-1装置的节能优化策略。在分析了其优化模式的基础上考虑了以节能为目标的在线优化操作。

2 MTBE/丁烯-1装置的特性

MTBE是甲基叔丁醚的商品名，是异丁烯和甲醇在强酸性催化剂作用下反应的产物，它的主要功能是代替四乙基铅并作为提高汽油辛烷值的添加剂，同时也是生产无铅、含氧和高辛烷值汽油的理想调和组分。MTBE从反应器出来时，它的组分是很复杂的，除产品MTBE外，还有没反应完全的混合C4和甲醇，还有少量副反应产物如叔丁醇、二聚物和二甲醚等。本文的MTBE/丁烯-1装置采用的是固定床工艺。由于传统的散装催化剂会直接接触并腐蚀反应器四壁，于是当前用捆包催化剂取代了散装催化剂。

丁烯-1是重要的化工原料，主要用途是作共聚线形低密度聚乙烯和高密度聚乙烯的单体、生产聚丁烯-1和生产特殊的化学品等。中国丁烯-1主要来源于丁烯装置及炼厂催化裂解装置复产碳四馏分和乙烯二聚。丁烯-1部分主要由脱异丁烷塔和丁烯-1精馏塔两个塔系组成。由于理论板数多，实际塔很高，因此每个塔系又分为两座塔串联操作，这部分主要通过超精密分馏方法得到满足纯度要求的产品。而MTBE合成部分选用绝热反应器加催化蒸馏工艺路线。催化蒸馏是将醚化反应与蒸馏过程在同一设备中同时进行的工艺技术。在醚化反应后，残余的异丁烯在催化蒸馏塔的反应段继续反应，生成的MTBE随时不断被分离，从而使合成MTBE的反应持续向深度进行。因此，催化蒸馏可以实现异丁烯的深度转化。异丁烯可以通过多种途径得到，如蒸汽裂解装置的碳四抽余油，催化裂化装置的碳四馏分，未经抽提丁二烯的蒸汽裂解碳四馏分，正丁烯异构化和正丁烷异构化、脱氢等。由于异丁烯的来源不同，所以异丁烯的浓度也不同，结果异丁烯的转化率、生成MTBE的选择性和反应段数的选择均不同。此外在催化蒸馏塔中的反应段所进行的合成MTBE的反应是在物料沸点温度下进行的，只要该塔的压力控制稳定，反应温度则基本恒定，不会造成催化剂的过热。催化蒸馏的另一功能是蒸馏，即起到产品分离的作用。对催化蒸馏塔顶馏出物中的甲醇采用萃取及蒸馏的方法加以分离回收。由于甲醇在C4馏分和水中溶解度差别很大，故可将C4和甲醇的共沸物先经水洗，使其中所含甲醇为水所萃取。萃取甲醇后的萃取液是含有微量烃类的甲醇水溶液，该水溶液借助蒸馏可实现甲醇和水的分离。塔顶得到的甲醇可循环使用，塔底基本不含甲醇的水则用作萃取甲醇的溶剂。

3 MTBE/丁烯-1装置的节能优化策略

要了解MTBE/丁烯-1裝置首先回顾一下装置的发展历程。20世纪70年代，UOP公司利用模拟移动床技术分离碳四烃生产高纯度的丁烯-1。该工艺虽然流程简易，能耗较低，但回收率并不高，仅达到88%[2]。70年代中期后，为实现环境保护，美国采取限制并禁止汽油中加四乙基铅。1973年西欧把MTBE用作提高汽油辛烷值的添加剂。2006年，美国埃克森美孚公司开发了选择性分离丁烯-1的新工艺流程。近年，韩国能源研究院和SK能源公司共同开发了吸附精馏联合工艺，工艺与现有两塔精馏工艺相比，回收率高且能耗低。中国石化齐鲁分公司提出利用催化裂化副产的含硫碳四烴生产高纯丁烯-1。MTBE裂解制丁烯是使用广泛的生产技术路线，但是该技术具有能耗较高的问题。

MTBE作为高辛烷值车用汽油添加组分，已成为我国高标号汽油的不可少的成分。我国依靠自己的科技开发出了不同类型的MTEB合成工艺，并且我国水平并不比国外的技术水平逊色。预测MTBE的发展趋势需要大量的统计数据，根据汽油目前发展现状，在今后一段时间内MTBE将在我国继续使用。而国内外较大的规模的丁烯-1装置多数采用混合四分离工艺，特别是与MTBE装置联合。目前比较先进的MTBE生产工艺是催化蒸馏工艺。催化蒸馏就是在一个设备中同时进行反应和分离过程结合的化工操作，随后在反应的同时进行分馏，反应物与生成物被分离，破坏了反应的平衡，在一个装置中即可达到完全反应。

从节能降耗的角度考虑，当外部的条件有所变化时，不能仅仅追随条件的变化去改变某一变量的值，例如当循环水温度上升时，一般的操作方法是加大水流量，使得物料的温度可以回到正常的控制点上，但此种方法会加大能量的损耗，因此可以适当增大循环水的用量，在满足塔温度控制指标的前提下合理降低蒸汽的使用率。这样就可以实现在符合产品控制指标的要求下，将能耗降到最低。对工艺的控制指标优化有以下建议：①适当增加塔顶温度，减少回流量，同时减少回流带来的能量损耗，最终减少整个系统的能耗；②适当降低再沸器返塔的温度，同时降低再沸器的蒸汽用量。

在MTBE/丁烯-1装置中，用产品质量指标不超限作为约束，进行优化操作。实际操作中MTBE/丁烯-1装置在组分分离上浪费了很大一部分蒸汽量中，所以要进行降低蒸汽能耗的优化，就需要降低产品纯度。而作为化工过程中耗能最多部分的分离过程中产生的能耗通常会占到整个过程能耗的四分之三以上。因此，仅仅根据产品当前质量进行优化操作，就会产生虽然产品的质量合格但是出于下降趋势的状态，一段时间后便会质量不合格。所以进行优化时不能仅根据当前产品分组，还要根据未来可能的变化趋势来进行产品优化策略的选择。

4 结论

实际生活中的工业装置对运行稳定有明确的要求，实际工作时优化调节应保持稳步增长，优化的进度不应过快。随着优化的进行，调节的幅度也应适当的消减。比照以往存在的设计工艺，MTBE/丁烯-1装置已经进行了一定程度上的优化调节，使得装置在主要的设备没有改动的情况下增加了一倍的处理能力，装置的处理能力被提高以后能耗也就会相对的得到了降低。对装置进行过几次的改造过后，可以降低装置操作的难度、简化操作的流程、优化操作并提高自控的水平。另外，通过MTBE/丁烯-1装置的优化，可以加强管理方面等措施潜力的进一步挖掘，同时也可以提高社会和工业发展的经济水平。

参考文献：

[1]薛美，祁飞，吴刚，孙德敏.丁烯-1精馏装置在线节能优化的研究[J].化工自动化及仪表，2006（03）：17-21.

[2]梁搏云.MTBE裂解制异丁烯装置模拟与节能研究[D].青岛：青岛科技大学，2012.

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