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減少低溫甲醇洗裝置中甲醇損耗的改進措施

文檔作者：郝高峰，蘆國智，尹俊杰，董麗旭文檔來源：航天長征化學工程股份有限公司蘭州分公司		點擊數：	更新時間： 2022年03月31日
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第3期(總第160期)
2012年6月
煤化工
Coal Chemical Indus
No．3(Total No．160)
Jun．2012
減少低溫甲醇洗裝置中甲醇損耗的改進措施
郝高峰，蘆國智，尹俊杰，董麗旭
(航天長征化學工程股份有限公司蘭州分公司，甘肅蘭州730050)
摘要以某年產45萬t合成氨裝置為例，闡述了導致系統(tǒng)甲醇損耗的原因，通過改進和優(yōu)化設備、設
置尾氣水洗塔、設置污甲醇收集系統(tǒng)、優(yōu)化工藝路線、降低原料氣中的氨含量、控制Claus氣的溫度和保持適
宜的汽提氮流量等措施，大大降低了系統(tǒng)甲醇損耗，使其控制在0．5 kg／t氨以內。
關鍵詞低溫甲醇洗，甲醇損耗，優(yōu)化，改進
文章編號：1005—9598(2012)一03—0040—03 中圖分類號：X781．4 文獻標識碼：B
低溫甲醇洗工藝(Rectisol Process)是20世紀
50年代由德國林德公司(Linde)和魯奇(Lurgi)聯(lián)合
開發(fā)的一種氣體凈化技術，以低溫甲醇作為溶劑，通
過物理吸收的方法脫除原料氣中的酸性氣體。整個裝
置由原料氣冷卻、酸性氣體吸收、吸收劑甲醇溶液再
生、甲醇水分離及換熱網絡組成，廣泛地應用于合成
甲醇、合成氨、制氫、城市煤氣、天然氣脫硫等氣體凈
化裝置中。目前，國內現行的一些裝置曾經出現過氣
液夾帶、甲醇損耗過大等問題，不但引起了不必要的
損耗，甚至影響下游的正常生產。例如，Claus氣中夾
帶的甲醇過量時，為避免硫回收裝置腐蝕嚴重，Claus
氣只能送火炬，不但浪費資源而且污染環(huán)境[1 3。即使
是設計、運轉正常的情況下，甲醇損耗也很大。以某年
產45萬t合成氨裝置為例(以煤為原料)，每噸氨的
甲醇損耗量按1．2 kg計，每年的甲醇消耗量就高達
540 t，折合人民幣約170萬元。如果能夠對系統(tǒng)加以
優(yōu)化、改進、控制，以期降低甲醇損耗是非常有意義
的。本文以年產45萬t合成氨為例，就減少低溫甲醇
洗裝置中甲醇損耗的優(yōu)化和改進措施展開論述。
l 甲醇損耗的原因
正常運行情況下，低溫甲醇洗系統(tǒng)中導致甲醇損
耗的兩大主要原因：一是出裝置的氣相中含微量的甲
醇，以年產45萬t合成氨為例，對應的甲醇損耗約
472 t／a，如表1所示；二是為了平衡系統(tǒng)微量元素
(NH。、HCN)而進行的排污甲醇，對應的甲醇損耗約100
t／a。此外，廢水中也含有微量的甲醇(約為0．8 t／a)，
相對于上述兩項損耗，基本上可以忽略不計。
表1 出界區(qū)各項物料中甲醇含量
出界區(qū) 流量 甲醇摩爾分數 甲醇損耗
物料 ／kmol·h ／×10 ／t·a
凈化氣 6 638．7 8O 122．4
c02產品氣 1 805．4 300 124．8
Claus氣 339．8 l 100 86．1
尾氣 3 346．1 180 138．8
合計472．1
注：年操作時間按7 200 h計。
系統(tǒng)中一旦制冷單元冷量達不到要求或是操作
不當，使系統(tǒng)溫度升高，出界區(qū)的氣相中甲醇平衡分
壓增大，會直接導致甲醇損耗增大；同時，由于設備本
身和操作原因產生的氣液夾帶l1 ]、甲醇水分餾塔塔
釜甲醇含量過高等，都會引起系統(tǒng)甲醇損耗急劇增
加。除此之外，系統(tǒng)在開停車、檢修過程中，排污、倒
淋、放空都會引起甲醇的損耗。
2 優(yōu)化和改進措施
2．1 改進和優(yōu)化設備
降低出界區(qū)的氣相中夾帶甲醇的含量，尤其是避
免出現氣液夾帶是降低系統(tǒng)甲醇損耗最直接也是最
收稿日期：2012—02—01
作者簡介：郝高峰(1982一)，男，河北邢臺，工程師，碩士，2009年畢業(yè)于北京化工大學化學工程專業(yè)，現從事化工工藝(低
溫甲醇洗)設計工作，E-mail：haotry1O0@126．com。
2012年6月 郝高峰等：減少低溫甲醇洗裝置中甲醇損耗的改進措施 41
有效的方法。對于c0 吸收塔，可在其塔頂增設旋流
板和絲網除沫器，并保證凈化氣出口與塔板之間有足
夠的氣液分離空間來避免氣液夾帶，以降低氣相中甲
醇的含量。因為一旦塔頂氣液分離空間不夠，高速流
動的氣相可能攜帶過多的甲醇，這些甲醇來不及破沫
沉降，并超出了氣相絲網除沫器的除沫能力；特別是
系統(tǒng)在高負荷下運行時，這種現象會加劇，成為氣液
夾帶的主要原因 2]。國內某些裝置開車后，凈化氣夾
帶甲醇嚴重，在塔簡體結構不變的前提下，在塔頂增
設旋流板效果明顯。此外，還可以在凈化氣出界區(qū)之
前增設1個氣液分離器，并安裝高效絲網除沫器來進
一步分離氣相中夾帶的甲醇，同時可以通過分離罐的
液位判斷塔內氣液兩相是否充分分離、有無氣液夾
帶。實踐證明，通過上述措施可以使凈化氣中的甲醇
摩爾分數控制在50 X 10一e以內。對于c0 產品氣、
Claus氣和放空尾氣，同樣可在氣相出口處設置絲網
除沫器等，并保證有足夠的氣液分離空間，來降低氣
相中甲醇的含量。
2．2 設置尾氣水洗塔
降低系統(tǒng)甲醇損耗的另一個思路是進一步回收
氣相中的微量甲醇。針對尾氣中的甲醇含量較高，
可以在低溫甲醇洗單元設置1個尾氣水洗塔。以年
產45萬t合成氨為例，設置1個規(guī)格為 3 200 nun×
15 000咖、內設4 m高規(guī)整填料或16塊塔板的水洗
塔；設備總投資約140萬元，用少量脫鹽水洗滌尾氣
中夾帶的甲醇，洗滌液作為甲醇水分離塔的進料，可
以使尾氣中甲醇摩爾分數降到80×10 以下，每年至
少可回收甲醇80 t，同時實現了環(huán)保和經濟雙重效益。
2．3 設置污甲醇收集系統(tǒng)
低溫甲醇洗單元系統(tǒng)介質多為甲醇溶液，為了降
低甲醇損耗、避免污染環(huán)境，可將系統(tǒng)管路各點的低
點倒淋、設備反洗和故障檢修時設備及部分管路中的
甲醇溶液統(tǒng)一排入地下污甲醇罐，根據甲醇含水量經
污甲醇泵有選擇的送入熱再生塔或甲醇水分離塔，回
收其中的甲醇。這樣，不僅降低了甲醇損耗和污水排
放量，同時也消除了因甲醇外泄而造成的環(huán)境影響。
2．4 優(yōu)化工藝路線
在低溫甲醇洗工藝中，凈化氣中總的硫摩爾分數
可降至0．1×10 以下，c0 體積分數可降至20 X 10
以下，但對生產合成氨，仍需進一步脫除c0、Ar和cH
等殘余組分，尤其是含氧化合物，以防止氨合成催化
劑中毒。如果低溫甲醇洗單元后續(xù)工序采用液氮洗或
深冷分離工藝，不但能使凈化氣體中的(CO+CO )體積
分數≤3×10 ，同時完成配氮過程，并可以回收凈化
氣中的微量甲醇，有效地降低系統(tǒng)甲醇損耗。因為凈
化氣進入上述裝置后，首先進入分子篩，在分子篩中
微量c0 和cH。0H被吸附下來。在分子篩再生過程中，
吸附下的c0 和cH。0H隨再生氮氣回到甲醇洗單元，
作為汽提氮進入汽提c0 解吸塔，這樣低溫甲醇洗裝
置隨凈化氣流失的甲醇又重新回到裝置當中，每年可
節(jié)省約120 t甲醇，極大地降低了整個系統(tǒng)的甲醇損
耗。這對其他凈化氣精制工藝有極大借鑒意義。
2．5 降低原料氣中的氨含量
原料氣中不可避免地會夾帶一些微量元素，如
NH3、HCN、Ar等，為了避免微量NH。的積累，系統(tǒng)需要
定期排放一定量的甲醇以平衡其含量。盡管適量的
NH。可使系統(tǒng)的pH值維持在7～8，有利于酸性氣的吸
收和設備防腐，但其在系統(tǒng)中不斷積累，一旦超標就
會生成NH4HCO ，造成管道和換熱器的堵塞，增加甲醇
循環(huán)量。如果原料氣中N 摩爾分數在40×10 時，
為了避免系統(tǒng)熱再生塔回流甲醇和熱再生甲醇里的
N 含量太高，必須從熱再生塔塔頂回流的甲醇中排
放一小股甲醇，以減少系統(tǒng)中NH 的含量，使其維持
在規(guī)定的范圍內。每2周～4周排放1次，每次5 m?！?
10 m。，每年損耗甲醇約100 t。盡管這部分甲醇可以作
為燃料等加以利用，但從經濟方面考慮，降低這部分
損耗還是大有裨益的，解決的措施就是降低原料氣中
氨的含量，將生成的氨在進系統(tǒng)前移走，使之平衡而
不積累|3]。目前工程設計上主要有兩種方法，一是在
變換工段最后一級氣液分離器中設置兩塊塔板，用脫
鹽水將氨洗滌脫除；二是原料氣冷卻過程中設置氨洗
滌塔，即原料氣經換熱冷卻至l0℃左右時，在噴入小
股防凍甲醇進一步冷卻前設置氨洗滌塔，用脫鹽水將
原料氣中的氨洗滌脫除，同時做到大大降低體系中的
水和微量元素。當原料氣氨摩爾分數降至1 X 10 ～
2X 10 時，排污甲醇基本上可以忽略不計。
2．6 控制Claus氣的溫度
在出界區(qū)的氣相中，Claus氣中甲醇含量最高，
國內一些工程實例中也出現過Claus氣夾帶甲醇嚴
重超標的現象n]。除了氣液分離效果差引起的氣沫夾
帶外，進、出酸性氣分離器的Claus氣溫度偏高也是
甲醇含量高的主要原因之一[4]。溫度越高，甲醇的飽
和蒸汽壓就越高，對應在氣相中的甲醇含量也就越
高，帶來的損耗必然就越大。不同溫度下Claus氣體
組成見下頁表2。
通常將2 物流的溫度控制在一35℃左右，但實
際運行中由于酸性氣加熱器、酸性氣／尾氣換熱器、
尾氣加熱器換熱管堵塞、結垢和尾氣溫度偏高等原因
42 煤化工 2012年第3期
表2 不同溫度下Claus氣氣體組成
沽
溫度壓力 流量 組成(體積分數)／％
／℃ ／kPa ／kmol·h CH3OH CO2 N2 H2S
1 45 320 340 14． O0 61．40 1．40 23．20
2 一40 280 252 0． 04 75．46 1．90 22．6O
2 一35 280 262 0．07 74．42 i．81 23．70
2 一30 280 270 0．10 73．60 1．80 24．50
2 2O 280 279 0． 30 72．60 1．70 25．40
2 一10 280 285 0．60 71．90 1．70 25．80
2 0 280 290 1．30 71．10 1．60 26．O0
注：1 物流為冷卻前Claus氣，2 物流為冷卻后Claus氣。
造成熱負荷偏低，使得2 物流溫度升高，系統(tǒng)甲醇損
耗迅速攀升。因此可在設計過程中，適當提高上述3臺
換熱器裕度，以避免2 物流溫度高于設計值，甚至在
系統(tǒng)冷量充足的情況下，可在l 物流進入酸性氣分
離器前設置1個備用氨冷器來控制Claus氣的溫度。
2．7 適宜的汽提氦流量
低溫甲醇洗工藝中，采用氮氣汽提的方法實現溶
劑再生、回收系統(tǒng)冷量及濃縮硫化氫，在此過程中，汽
提氮的流量很關鍵，并影響著系統(tǒng)甲醇的損耗。由于
C0 解吸是個吸熱過程，因此在溶劑的再生過程產生
大量的冷量。汽提氮量越大，c0，解吸越徹底，釋放出
的冷量也越多；但溶劑中溶解的c0：量是一定的，體
系中能夠釋放的冷量也是一定的，故此隨著汽提氮量
的增加，尾氣溫度呈現出先降低后升高的趨勢。顯然，
如果汽捉氮量過大，勢必造成尾氣流量增大、溫度升
高。一方面過量的尾氣會降低絲網除沫器的除沫效
果，甚至造成氣液夾帶；同時尾氣溫度升高，氣相中甲
醇的含量隨之提高，導致甲醇損耗增加；即使假定最
終離開系統(tǒng)的尾氣中甲醇含量恒定，甲醇損耗總量也
會隨著尾氣流量增大而增加。反之，如果汽提氮量過
小，又會造成汽提c0 解吸塔塔釜溶液中c0 含量過
大，不僅冷量回收不徹底，同時使熱再生塔的負荷和
塔頂Claus氣流量變大，最終導致酸性氣分離器出口
Claus氣溫度升高，甲醇損耗加劇。綜上所述，隨汽提
氮量的增加，系統(tǒng)甲醇損耗同尾氣溫度一樣呈現出先
降低后升高的趨勢。根據模擬計算并結合實際運行
經驗，當汽提氮流量使得汽提cO 解吸塔塔釜溶液中
n(CO。)／n(H2S)在2-3為宜。
3 結 論
通過上述工藝路線調整、優(yōu)化和各項技術改進，
可以大大降低低溫甲醇洗中甲醇的損耗量，將甲醇損
耗控制在0．5 kg／t氨(208．3／450 000=0．46 kg／t氨)
以內，改進后出界區(qū)各項物料中甲醇含量如表3所示。
表3 改進后出界區(qū)各項物料中甲醇含量
出界區(qū) 流量 甲醇摩爾分數 甲醇損耗
物料 ／kmol·h ／×1O ／t·a
c02產品氣 1 805．4 220 91．7
Claus氣 339．8 700 54．8
尾氣 3 346．1 80 61．8
合計 208．3
注：年操作時間按7 200 h計。
通過工程設計上不斷的摸索、改進、嘗試和創(chuàng)新，
一定會使低溫甲醇洗工藝的甲醇損耗不斷降低，在源
頭上為裝置的穩(wěn)定運行和節(jié)能減排奠定基礎。
參考文獻：
[1]任軍平．低溫甲醇洗裝置酸性氣體甲醇超標原因及對
策[J]．大氮肥，2008，31(4)：238—240．
[2]王峰．低溫甲醇洗裝置洗滌甲醇消耗偏高的原因及
對策[J]．化肥工業(yè)，2010，37(2)：59—62．
[3]陳立．淺析氨在低溫甲醇洗裝置中的作用[J]．化
學工業(yè)與工程技術，1997，18(4)：29—31．
[4]夏尊江，郭海彥，隋玉琴．低溫甲醇洗工藝中降低甲醇
消耗的因素分析[J]．北方環(huán)境，2003，28(2)：51—52．
Optimization and Improvement on Reducing M ethanol Consumption for Rectisol Process
Hao Gaofeng，Lu Guozhi，Yin Junjie and Dong Lixu
(Lanzhou Branch of Changzheng Engineering Co．，Ltd．，Lanzhou Gansu 730050，China)
Abstract This paper exhibits detail studies on the causes of the methanol loss for a 450．000 t／a ammonia plant．
Through improving and optimizing the device and process，adding an exhaust gas washing tower and a waste methanol col—
leetion system，reducing ammonia content in the feed gas，controlling the temperature of the Claus gas and the nitrogen
flow for the stripper．the loss of methanol can be controlled below 0．5 kg per ton of ammonia production．
Key words Rectisol process，methanol consumption，optimization，improvement

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