煤基甲醇制芳烴及其工業(yè)化探析

張錫鋼

摘要：就目前的化工生產(chǎn)來說，芳烴屬于比較常見的原材料，芳烴的制備及其工藝受到越來越多的關(guān)注。隨著化工生產(chǎn)要求的不斷提高，煤基甲醇制芳烴工藝也獲得了快速發(fā)展。而在未來，國內(nèi)外對于芳烴的需求會(huì)越來越大。因此，研究分析煤基甲醇制芳烴的工業(yè)化顯得非常重要。在這種情況之下，本文簡單介紹了煤基甲醇制芳烴的經(jīng)濟(jì)性，說明了煤基甲醇制芳烴工藝具有非常強(qiáng)大的競爭力，還詳細(xì)研究了影響煤基甲醇制芳烴工業(yè)化生產(chǎn)的原因。

關(guān)鍵詞：煤基甲醇制芳烴;工業(yè)化;放大效應(yīng)

引言

在化工生產(chǎn)中，芳烴是較常使用的一種原料，相關(guān)人員對其制備及其工藝的關(guān)注度較高。為了更好的滿足化工生產(chǎn)對芳烴的需求，煤基甲醇制芳烴工藝得到了較高的發(fā)展。就當(dāng)前的情況來看，煤基甲醇制芳烴技術(shù)已經(jīng)基本成熟，更好的滿足了我國化工生產(chǎn)中對芳烴的實(shí)際需求。

在未來，國內(nèi)外對芳烴的需求更大，資源供應(yīng)更加緊張，所以相關(guān)人員要重點(diǎn)展開煤基甲醇制芳烴的工業(yè)化?；诖耍恼路治隽嗣夯状贾品紵N的經(jīng)濟(jì)性，得出了煤基甲醇制芳烴工藝的市場競爭力更強(qiáng)的結(jié)論，并闡述了催化劑、反應(yīng)條件或工藝參數(shù)、放大效應(yīng)這些煤基甲醇制芳烴工業(yè)化生產(chǎn)的影響因素。

1芳烴的基本概念

芳烴是重要的基礎(chǔ)有機(jī)化工原料，主要用于生產(chǎn)化纖、樹脂等材料，廣泛應(yīng)用于服裝、燃料、醫(yī)藥等領(lǐng)域。芳烴中最主要的成分是“三烯三苯”中的“三苯”，即苯、甲苯、二甲苯。其中需求量最大的物質(zhì)之一是對二甲苯（PX），主要用于制備精對苯二甲酸（PTA），再與乙二醇反應(yīng)生成聚對苯二甲酸乙二醇酯（聚酯、PET），主要應(yīng)用于纖維、瓶、膜等三大領(lǐng)域[1]。

生產(chǎn)芳烴的傳統(tǒng)方法是以石油為原料，通過催化重整、蒸汽裂解等過程得到重整生成油和裂解汽油，再經(jīng)過芳烴抽提等過程得到目的產(chǎn)物。世界范圍內(nèi)約95%的芳烴來自上述石油路線，剩余少量芳烴來自煤焦化副產(chǎn)物。我國石油制芳烴主要制約因素是原料石油的來源，我國一次能源結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是“富煤，少油，少氣”，石油僅占19%，石油產(chǎn)量無法滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，對外依存度連年攀升，2017年接近70%。過高的石油對外依存度會(huì)危及國家能源和經(jīng)濟(jì)安全，必須使之穩(wěn)定在一定水平之內(nèi)。

2煤基甲醇制芳烴的經(jīng)濟(jì)性分析

在煤基甲醇制芳烴工藝中，得到的三苯含量相對較小，但是二苯含量更高。所以，相比于石油制芳烴工藝來說，煤基甲醇制芳烴的經(jīng)濟(jì)性更高。本文在對煤基甲醇制芳烴的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析時(shí)，參照了目前已經(jīng)完成設(shè)計(jì)的1000kt/a甲醇制芳烴裝置。設(shè)定的條件如下：煤基甲醇來源于上游的生產(chǎn);原料煤單價(jià)為每噸400元、甲醇單價(jià)為每噸2045元;項(xiàng)目配套原料甲醇為2870kt/a;所得的產(chǎn)物全部依照二甲苯計(jì)算[2]。在上述設(shè)定的條件下，能夠得出，生成一噸產(chǎn)物的原材料費(fèi)用為5878元，占比76.5%;燃料及動(dòng)力費(fèi)用為900元，占11.7%;工作人員的工資及福利費(fèi)用為25元，占0.3%;修理費(fèi)用為143元;折舊費(fèi)為541元，占8.9%;其他費(fèi)用為200元，占2.6%。此時(shí)，扣除副產(chǎn)品的費(fèi)用637元（每噸產(chǎn)物），能夠得出實(shí)際的生產(chǎn)成本為7050元。能夠看出，在煤基甲醇制芳烴中，當(dāng)煤炭的價(jià)格發(fā)生變動(dòng)時(shí)，芳烴的生產(chǎn)成本也就隨之發(fā)生變動(dòng)。通過計(jì)算不同煤炭價(jià)格下的生產(chǎn)成本，并與二甲苯的市場價(jià)格進(jìn)行對比后能夠了解到，當(dāng)煤炭的價(jià)格在一噸400元以下，且二甲苯的市場價(jià)在一噸8440元時(shí)，煤基甲醇制芳烴有著較高的經(jīng)濟(jì)性。特別是在油價(jià)不斷增長的今天，煤基甲醇制芳烴工藝的市場競爭力更強(qiáng)[3]。

3煤基甲醇制芳烴工業(yè)化生產(chǎn)的影響因素分析

3.1催化劑的影響

第一，沸石酸性分布。對于弱酸位的沸石來說，其對煤基甲醇制芳烴工藝的貢獻(xiàn)性較小;中強(qiáng)酸位下容易發(fā)生氫轉(zhuǎn)移、烯烴聚合等二次反應(yīng)，對于烷基化與齊聚更加有利;在沸石處于強(qiáng)酸位時(shí)，能夠決定產(chǎn)物中包含芳烴的含量。第二，沸石孔徑。一般情況下，在煤基甲醇制芳烴工藝中使用的沸石有兩條相互交叉的孔道，這些孔道的直徑在6A左右。有關(guān)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，這一尺寸大小正好能夠支持在汽油沸程內(nèi)的烴類的產(chǎn)生，而改變沸石的孔徑，則能夠?qū)崿F(xiàn)對獲得芳烴產(chǎn)物類型的改變。第三，沸石粒徑。當(dāng)沸石的粒徑增加時(shí)，分子篩的穩(wěn)定性隨之降低。對于小粒徑的催化劑來說，其能夠促進(jìn)C9+芳烴的形成;對于中等粒徑的催化劑來說，其能夠促進(jìn)甲苯的形成;對于大粒的催化劑來說，其能夠促進(jìn)二甲苯的形成。第四，芳烴選擇性[4]。在煤基甲醇制芳烴的過程中，常伴有氫解、氫轉(zhuǎn)移、裂解等二次反應(yīng)的發(fā)生，同時(shí)，還會(huì)生成大量的低碳烯烴，這些都降低了芳烴的產(chǎn)生，導(dǎo)致總芳烴收率不理想。

3.2反應(yīng)條件或工藝參數(shù)的影響

在高溫條件下，重芳烴的形成得到了抑制，此時(shí)，芳烴產(chǎn)物主要為C8芳烴。但是，當(dāng)溫度高于一定程度后（T>773K），會(huì)使得芳烴總產(chǎn)量下降，因此，在進(jìn)行煤基甲醇制芳烴的溫度控制中，要選擇合適的反應(yīng)溫度區(qū)間。在反應(yīng)壓力不斷增加的條件下，芳烴的選擇性會(huì)呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢，具體情況如下：當(dāng)反應(yīng)壓力較低時(shí)，停留時(shí)間相對較短，所以芳烴的選擇性較低;而當(dāng)反應(yīng)壓力逐漸增加時(shí)，反應(yīng)停留于反應(yīng)區(qū)域的時(shí)間也隨之增加，為脫氫環(huán)化、烯烴聚合、芳構(gòu)化等串聯(lián)反應(yīng)的發(fā)生提供有力條件，促進(jìn)了芳烴選擇性的提升[5]。

3.3放大效應(yīng)的影響

結(jié)合化學(xué)工學(xué)理論能夠得出，當(dāng)裝置放大時(shí)，物料的流動(dòng)、傳熱等物理過程的條件會(huì)隨之發(fā)生變化。所以，在大裝置中達(dá)到的指標(biāo)會(huì)普遍小于實(shí)驗(yàn)結(jié)果（放大效應(yīng)）。對于煤基甲醇制芳烴工藝來說，就當(dāng)前的發(fā)展情況來看，由于并沒有形成用于實(shí)際運(yùn)行的工業(yè)裝置，很多技術(shù)均處于試驗(yàn)階段。盡管有關(guān)研究指出，由于FMTA技術(shù)（以完成工業(yè)試驗(yàn)）引用了較為成熟的基于催化裂化的流化床工藝，所以放大問題已經(jīng)得到了有效的解決。但是，煤基甲醇制芳烴工業(yè)化中依舊需要重點(diǎn)關(guān)注放大效益的解決。

結(jié)束語

綜上所述，通過實(shí)際的計(jì)算比較能夠得出，當(dāng)煤炭的價(jià)格在一噸400元以下，且二甲苯的市場價(jià)在一噸8440元時(shí)，煤基甲醇制芳烴有著較高的經(jīng)濟(jì)性;特別是在油價(jià)不斷增長的今天，煤基甲醇制芳烴工藝的市場競爭力更強(qiáng)。在煤基甲醇制芳烴工業(yè)化發(fā)展中，相關(guān)人員要重點(diǎn)對催化劑、反應(yīng)條件或工藝參數(shù)、放大效應(yīng)進(jìn)行關(guān)注，提升煤基甲醇制芳烴工業(yè)化的質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

[1]張丹，楊敏博，馮霄.循環(huán)流化床甲醇制芳烴分離工藝的模擬與改進(jìn)[J/OL].華東理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）：1-7[2019-10-09].https：//doi.org/10.14135/j.cnki.1006-3080.20180911004.

[2]潘欣，杜松山，高玫香，李培艷.煤基甲醇仿真工廠在促進(jìn)職業(yè)教育實(shí)踐教學(xué)改革中的應(yīng)用研究[J].化工管理，2017（35）：63.

[3]王澍，康翠欣，朱靜璇，盧躍鵬，董俊雄，江小明.脫色工藝對菜籽油中多環(huán)芳烴脫除效果的影響[J].中國油脂，2019，44（01）：5-8.

[4]李娜，程立科，楊天慧，李旻哲，劉殿華.7萬t/a甲醇制芳烴工藝流程模擬[J].天然氣化工（C1化學(xué)與化工），2018，43（06）：90-95.

[5]劉淑惠，田偉君，周建仁，趙婧，王喆.多環(huán)芳烴及其衍生物在SBR/MBBR工藝中的分布與去除[J].環(huán)境科學(xué)，2019，40（02）：747-753.