【摘 要】
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苯、甲苯、二甲苯（简称BTX）作为重要的基础化工原料,目前主要由石油裂解制得,而我国富煤少油,煤基甲醇产能占甲醇总产能的76%,产能严重过剩,作为可生成BTX的原料,积极发展煤基甲醇制芳烃（MTA）生产工艺,不仅可对石油制芳烃进行补充,也可缓解甲醇产能过剩问题。目前MTA工艺仍处于实验室或示范项目阶段,尚未实现大规模工业化,能耗及经济竞争力较差仍是其主要原因。因而优化操作条件、改进工艺和节能减排都
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苯、甲苯、二甲苯（简称BTX）作为重要的基础化工原料,目前主要由石油裂解制得,而我国富煤少油,煤基甲醇产能占甲醇总产能的76%,产能严重过剩,作为可生成BTX的原料,积极发展煤基甲醇制芳烃（MTA）生产工艺,不仅可对石油制芳烃进行补充,也可缓解甲醇产能过剩问题。目前MTA工艺仍处于实验室或示范项目阶段,尚未实现大规模工业化,能耗及经济竞争力较差仍是其主要原因。因而优化操作条件、改进工艺和节能减排都有利于提高MTA工艺的经济性,为实际生产提供较优的工艺参数。本文利用Aspen Plus设计了MTA的工艺流程,主要分为4个部分,分别为甲醇芳构化单元、芳烃-非芳烃分离单元、芳烃分离单元和非芳烃分离单元。根据不同的物质及操作条件对各单元选取了不同的物性方法,分别为PRMHV2、UNIFAC、SRK、PENG-NOB,并对MTA反应的动力学参数进行了修正,使模拟结果与实验结果基本一致。在此基础上,以30万吨/年、质量分数为93%的粗甲醇为原料,利用Aspen Plus对MTA工艺进行初步模拟,分离得到的主产物苯的质量流量为238.63kg/h,纯度为91.32%;甲苯的质量流量为1832.28kg/h,纯度为91.33%;二甲苯的质量流量为3267.79kg/h,纯度为90.19%。为提高MTA主产物的产量、纯度及设备的利用效率,利用Aspen Plus中的灵敏度分析对MTA工艺的操作条件进行优化。其中MTA工艺的最佳反应条件为:反应温度470℃,催化剂用量7000kg;萃取精馏塔的最佳操作条件为:塔板数30,回流比0.1,C5+进料位置为第16块塔板,NFM进料位置为第4块板,萃取剂用量为10000kg/h;甲苯提纯精馏塔的最佳操作条件为:塔板数59,回流比R为3,最佳进料位置为第29块塔板。操作条件优化后,主产物苯、甲苯、二甲苯的回收率达到99%,苯产量增加到397.28kg/h,纯度达到97.89%;甲苯产量增加到2772.81kg/h,纯度达到99.99%;二甲苯产量增加到5486.49kg/h,纯度达到99.99%。经分离模拟后,苯难以达到高纯度,且苯的价格较甲苯、二甲苯低,因此考虑MTA工艺与苯和甲醇烷基化反应串联耦合,将MTA工艺生成的苯与新鲜甲醇反应,增加高价的甲苯与二甲苯的产量。经灵敏度分析后,确定甲醇/苯的最佳进料摩尔比为1.5。最终,MTA+苯和甲醇烷基化工艺生成的甲苯产量上升165.54kg/h,达到2938.35kg/h,二甲苯产量上升273.89kg/h,达到5760.38kg/h。在“双碳”背景下,为实现节能减排,采用完全热耦合塔精馏对C3～C6组分进行分离,与常规两塔精馏相比,节约了56.28%的能耗,减少了54.3%的CO2排放量,最终能耗为0.776MW,CO2排放量为156.1kg/h;采用变压换热精馏对甲苯-二甲苯-重芳烃进行分离,使T0302塔底的冷物流与T0303塔顶的热物流换热,与普通精馏相比,节约了43%的能耗,减少了36.15%的CO2排放量,最终能耗为3.067MW,CO2排放量为401.5kg/h。并利用Aspen Energy Analyzer对MTA及MTA+苯和甲醇烷基化两个工艺进行换热网络设计与优化,优化后的MTA工艺节约了52.82%的能耗,减少了64.40%的CO2排放量,最终总能耗为32.46MW,热公用工程消耗18.21MW,冷公用工程消耗14.25MW,CO2排放量为3473kg/h;MTA+苯甲醇烷基化工艺节约了54.59%的能耗,减少了64.39%的CO2排放量,最终总能耗为32.8MW,热公用工程消耗18.4MW,冷公用工程消耗14.4MW;CO2排放量为3549kg/h。最后利用Aspen Process Economic Analyzer对MTA工艺与MTA+苯和甲醇烷基化工艺进行经济分析,发现以市场价格为基准,两个工艺的净现值NPV均呈现负值,且时间越长,亏损状态越严重。将原料及产品的价格波动对工艺NPV值的影响进行敏感性分析后,得到原材料甲醇的价格波动对两个工艺的净现值影响最为显著,其次为二甲苯。当甲醇价格的波动为-40%时,两个工艺均可盈利,净现值呈正值,但相比MTA工艺,MTA+苯和甲醇烷基化工艺的净现值及其增长速率较高,其经济性更好。
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