天然脂肪酸甲酯氫化工藝設計淺析

崔靜雅

（中國中輕國際工程有限公司，北京，100026）

1 引 言

脂肪醇是生產表面活性劑、增塑劑、增溶劑、潤滑劑等一系列精細化工產品的重要原料，利用其分子結構中的羥基官能團，可以與多種化合物進行反應得到應用廣泛的脂肪醇衍生物，有“工業味精”之稱。全世界脂肪醇的總消費量在250萬噸/年左右[1]。按制備原料的不同，脂肪醇合成方法可以分為兩類：由天然油脂合成得到的天然脂肪醇和通過石油路線得到的合成脂肪醇。最初脂肪醇主要由豬油、椰子油等天然油脂加氫制得，隨著石油工業的發展，合成脂肪醇的比例越來越高，到20世紀末，天然脂肪醇與合成脂肪醇的比例大約達到1∶1。近年來，由于石油原料價格持續上漲，以烯烴為原料的合成脂肪醇產業發展陷入停滯，合成脂肪醇的比例有所回落，加上亞洲和美洲地區對脂肪醇的需求增加以及消費者對天然原料脂肪醇的偏好，天然脂肪醇產業發展勢頭逐漸強勁起來，生產規模不斷擴大，天然醇與合成醇產能的比例將從20世紀末的4.9∶5.1增長到5.5∶4.5，甚至6∶4[1]。而目前國內，由于天然原料脂肪醇的高度安全感而更受到消費者歡迎，基本全部脂肪醇生產企業都以生產天然脂肪醇及其衍生物為主。

2 年產5萬噸脂肪醇項目氫化工藝設計

2.1 主要工藝流程簡介

某公司年產5萬噸脂肪醇項目采用漢高工藝對脂肪酸甲酯進行加氫。首先是天然油脂和甲醇在高溫和催化劑的作用下進行酯交換得到脂肪酸甲酯。為了提高產品質量，增加了甲酯脫羰工段。經過脫羰的甲酯和甲醇按10∶1混合與加熱后的氫氣按氫酯比為10000進入固定床反應器，溫度在260℃～300℃，壓力在20～30MPa，以Cu-Zn為催化劑的條件下進行氫化反應，生成物為粗脂肪醇和甲醇，然后進入甲醇回收工段，在此分離出甲醇，部分返回甲酯車間用于酯化，另一部分甲醇返回到混合器與甲酯混合作為原料繼續氫化，粗脂肪醇進行蒸餾后得到產品。作為加氫原料的脂肪酸酯有脂肪酸甲酯、乙酯和丁酯，而使用最多的則是脂肪酸甲酯，因為甲醇分子質量小，價格便宜，反應器利用率高，易于分離，而且生成的甲醇經回收還可循環利用。該條件加氫條件溫和，不存在酸腐蝕問題，可回收甘油，且脂肪醇的收率較高，現在脂肪醇生產的企業大部分都會采用此工藝流程[2]。

2.2 氫化工藝計算

2.2.1 計算依據及流程方塊示意圖

車間工作時間：300天/年，每天24小時

甲酯：60000t/年=8333kg/h，比重為0.9

甲醇：按甲酯進料量的10%計

酯氫比：10000～15000，本文中計算取值10000（體積比）

空速：0.25m3/h ～0.6m3/h，本文中計算取值0.6m3/h

操作壓力：26.5MPa

反應溫度：260～300℃

反應轉化：98%

催化劑：Cu-Zn二元催化劑

2.2.2 物料平衡計算

溫度參數見圖1工藝流程方塊示意圖所示。

2.2.3 設備熱平衡計算

2.2.3.1 熱交換器 I

用反應器出來的產物粗脂肪醇加熱氫氣，原料氫氣經過此換熱器后要求從60℃提高到190℃，則換熱量為：

表1 操作條件下這種物料的平均比熱

圖1 工藝流程方塊示意圖

t13（出換熱器的氫化產物的溫度）確定：

由熱平衡得Q1=(GH2×CH2+ G酯×C酯)×(t12-t13)

即：3602434.632 = (8651.38×3.47+8333×0.5)×(230- t13)

故：t13=124.6℃

2.2.3.2 熱交換器 II

經過一次換熱的粗脂肪醇加熱原料甲酯，原料甲酯經過此換熱器后要求從60℃提高到120℃，則換熱量為：

t14（出換熱器的氫化產物的溫度）確定：

由熱平衡得 Q2 = (GH2×CH2+G酯×C酯)×(t12-t13)

即：274989 = (8651.38×3.47+8333×0.5)×(124.6- t14)

故：t14=116.6℃

2.2.3.3 氫氣加熱器

用導熱油加熱經換熱器的原料氫氣，氫氣經過此換熱器后要求從180℃提高到230℃，則換熱量為：

G油（出換熱器的氫化產物的溫度）確定：

導熱油比熱容取0.667 kcal/kg℃，導熱油的溫度從285℃降到275℃。

由熱平衡得 Q3= (G油×C油)×(t6-t5)

即：432569 = (G油×0.667)×(285- 275)

故：G油= 64852.9 kg/h=64.9 t/h

2.2.3.4 粗醇冷卻器

用冷卻水冷卻經換熱后的氫化產物，粗醇經過此換熱器后要求從114.6℃降低到70℃，則換熱量為：

主要結構尺寸：

催化劑體積確定后，反應器的主要結構尺寸決定于催化劑層的高徑比。

反應器高徑比即為反應器筒體長度與直徑的比值。適宜的高徑比，有利于物料與催化劑的接觸效率，有利于物料的分布均勻與壓降，以及反應器床

G水（出換熱器的氫化產物的溫度）確定：

水比熱容取1 kcal/kg℃，冷卻水的溫度從60℃降到40℃。

由熱平衡得Q4 = (G水×C水) ×(t17-t16)

即：1593104.349 = (G水×1)×(60-40)

故：G水= 79655.22 kg/h≈80 t/h

2.2.4 主要設備計算及選型

2.2.4.1 氫化反應器

催化劑體積按甲酯處理量8333kg/h計算（折甲酯體積為9.69m3/h）：

空速0.6m3/h

則需催化劑體積為層反應熱的利用，由于反應器高徑比與反應器的結構型式、催化劑類型和生產工藝有直接的關系。因此，確定適宜的反應器高徑比，是決定反應器合適的催化劑藏量及反應效果和制造費用的必然條件。高徑比適宜取值為6～12。

內件內直徑的確定（催化劑層高取14m）：

計算后，內件高徑比為11.7，在高徑比的適宜范圍內。由此可知，內件內徑可取1.2m，催化劑層高度可取14m。

2.2.4.2 熱交換器 I

式中Q1=3602434.632kcal/h（根據熱平衡計算）。

油脂與氣體熱交換時，K一般選取80～150 kcal/m2·h·℃，根據實踐經驗，本文中取100 kcal/m2·h·℃。

結構形式：列管式換熱器，單程，逆流，管程走粗脂肪醇，殼程走氫氣。

2.2.4.3 熱交換器 II

式中Q2=274989kcal/h（根據熱平衡計算）。

油脂熱交換時，K一般選取100～300kcal /m2·h·℃，根據實踐經驗，本文中取100 kcal/m2·h·℃。

結構形式：列管式換熱器，單程，逆流，管程走粗脂肪醇，殼程走甲酯。

2.2.4.4 氫氣加熱器

式中Q3=432569kcal/h（根據熱平衡計算）。

氣體加熱時，K一般選取30～240 kcal /m2·h·℃，根據實踐經驗，本文中取100 kcal/m2·h·℃。

結構形式：U型管式換熱器，雙程，管程走氫氣。

2.2.4.5 粗醇冷卻器

式中Q4=1593104.349kcal/h（根據熱平衡計算）。

油脂冷卻時，K一般選取24～370kcal /m2·h·℃，根據實踐經驗，本文中取100 kcal/m2·h·℃。

結構形式：列管式換熱器，單程，管程走粗脂肪醇。

2.2.4.6 氫化工藝主要設備選型

根據以上對年產5萬噸脂肪醇的氫化工藝流程的分析與設計，以熱量平衡和物料平衡為基礎，對主要設備進行了選型，見表2設備選型一覽表。

表2 設備選型一覽表

3 結語

本文中僅以國內某廠年產5萬噸脂肪醇項目為例，對改進的脂肪酸甲酯高壓加氫工藝進行了簡要的計算和介紹。該工藝設計降低了氫酯比，減少了循環氫氣的使用量，從而降低了循環氫氣壓縮機的功率，大大降低了能耗。本工藝還利用氫化產物的高熱量去加熱氫氣和甲酯，既減少了加熱原料的能耗，也減少了要降低氫化產物的能耗，做到了熱量的高效利用，避免能源浪費，同時節能減排。