甲醇反應器的模擬與優(yōu)化

第36卷第3期遼寧工業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)Vol 36. No. 32016年6月Journal of liaoning University of Technology (Natural Science Edition)Jun.2016本刊核心層次論文DOI:10.15916/ .Issn1674-3261.2016.03.014甲醇反應器的模擬與優(yōu)化彭淑靜,周艷軍,劉沖(遼寧工業(yè)大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院,遼寧錦州121001)摘要:利用 Aspen Plus化工流程模擬軟件,對錦西天然氣化工有限公司甲醇反應器進(jìn)行了模擬。結合甲醇合成反應催化劑動(dòng)力學(xué)方程選擇了合適的甲醇反應器模型,將模擬結果與工廠(chǎng)的實(shí)際數據進(jìn)行了比較與分析。通過(guò)考察溫度和壓力對甲醇含量的影響,確定了適宜的溫度和壓力,實(shí)現了對甲醇反應器優(yōu)化的目的關(guān)鍵詞:甲醇反應器; Aspen Plus;模擬;優(yōu)化中圖分類(lèi)號:TQ23.12文獻標識碼:A文章編號:16743261(201603-0200-03Simulation and Optimization of Methanol reactorPENG Shu-jing, ZHOU Yan-jun, LIU ChongChemical Environmental Engineering College, Liaoning University of Technology, Jinzhou 121001, ChinaAbstract: The methanol reactor based on the actual production of Jinxi Natural Gas ChemicalCo, Ltd was simulated by means of Aspen Plus software and appropriate methanol reactor model wasselected in terms of kinetic equation of methanol synthesis. The simulation results were studied andcompared with the actual data of factory as well. The effects of temperature and pressure on themethanol production were analyzed and appropriate temperature and pressure conditions weredetermined. The optimization of methanol reactor was preliminarily establishedKey words: methanol reactor; Aspen Plus; simulation; optimization甲醇是重要的化工原料,在各行業(yè)都有廣泛的應器參數設置中,反應器設置為多管反應器,進(jìn)口應用。甲醇需求量呈現逐年上升的趨勢。在甲醇的溫度為230℃,壓力為5.05MPa,換熱系數為480工業(yè)生產(chǎn)中,溫度和壓力是甲醇合成反應過(guò)程的重 Watt/sqm. K,高度為1665m,直徑為24m要工藝條件。溫度和壓力的變化會(huì )影響甲醇的產(chǎn)量,因此需要對甲醇反應器進(jìn)行模擬與優(yōu)化,找到EMFEED適宜的溫度和壓力條件,提高產(chǎn)能。目前甲醇合成工藝主要是采用銅基催化劑的低壓法和高壓法12圖1平推流反應器示意圖本文選擇銅基催化劑為最終催化劑結合其動(dòng)力學(xué)甲醇合成反應平衡及動(dòng)力學(xué)方程方程選擇適宜的反應器模型進(jìn)行模擬優(yōu)化的確定1平推流反應器模型21甲醇合成反應的熱效應錦天化甲醇反應器采用魯奇工藝,選擇平推流在甲醇合成系統中,通常含有CO、CO3反應器類(lèi)型為恒定冷卻劑溫度的反應器。本論文使cHOH、HO、CH和N2等組分,主要反應有以下用平推流反應器進(jìn)行模擬計算,如圖1所示。在反CO+2H2=CH3OH+△HR1(1)收稿日期:2014-12-10中國煤化工基金項目:遼寧省自然科學(xué)基金(201202096),遼寧省教育廳一般研究項目(L5015作者簡(jiǎn)介:彭淑靜(1982-),女,江西上高人,講師,博士CNMHG第3期彭淑靜等:甲醇反應器的模擬與優(yōu)化CO2+3H2=CH3OH+H2O+AHR(2)為5.35%,模擬結果為4.79%,模擬結果與實(shí)際數CO2+H2=CO+H2O+△HR(3)據接近,但有一定程度的偏差。這是因為甲醇合成式中:△HR1=-49.143kJ/mol,副反應動(dòng)力學(xué)極為復雜,模擬只考慮了主反應。工△HR2=41.112kJ/mol所用催化劑與本次模擬采用的催化劑不同,催化△HR3=90kJ/mol效果不同。在工廠(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)中,會(huì )產(chǎn)生甲酸甲酯,2.2甲醇合成反應的平衡氬氣等惰性氣體和副產(chǎn)物,所以造成CO、CO2含理想氣體反應平衡常數K隨溫度變化的函數量有較大差異。式,可用反應物和生成物的標準自由焓數據及理想表1模擬所得物流組成與工廠(chǎng)實(shí)際數據(摩爾分數)%氣體反應熱隨溫度變化的關(guān)系式計算整理得到模擬結果實(shí)際數據Kn=exp(13.17+920326/7-593nT0.35×102+0.10×10472)(4)Kn=exp(167+455334/7273n7CH:O142×102+0.17×10472)Kg3=K2/K23甲醇合成反應動(dòng)力學(xué)方程H,惰性氣體及微量Luyben在水轉化反應的基礎上,以反應2和表2甲醇反應器內溫度、熱量及停留時(shí)間分布表反應3為獨立反應得出了甲醇合成銅基催化劑的動(dòng)管長(cháng)/m壓力MPa溫度c熱量/(GJh)停留時(shí)間力學(xué)方程。動(dòng)力學(xué)方程使用LHHW型方程描述,230壓力單位為bar,反應速率單位為 kmol- min .kg2266,493262.3001973.568反應2與反應3反應速率方程式為258.2712.333254.8761-x(PCH,OH PH, o /Pco, PRa,05252035-4107.775R2=(k4Pco,1,)3.499052496594594.604160.2741+k,(PH,o/PH, )+ki PH, +k,PH5.052476744998842246.020215.724(6)(PoPO/Pco, PH43.501271.75242.551-6032.502299931-6190.0601+k3(PH,0/P, )+k PH, +k2PH136320.3718.165240.5746428.l18384.91l式中,k1為H2吸附平衡常數,H2為解離吸附。k26517187413.349239.75為H2O吸附平衡常數,k3為H2OH2的吸附平衡常9915239454-6651.672470.337數。k4、ks為反應2和反應3的反應速率常數。P10.4986701970498.876為各組分分壓。各反應速率常數及各組分的吸附平11.082505238994-6743.551527,437衡常數為11.665238821-6777,90756018由表2可見(jiàn),平推流反應器模型進(jìn)口溫度為k1=k2=345338,k3=1k4=1.07×103exp(36696/RD230℃時(shí),隨著(zhù)反應的進(jìn)行,甲醇合成反應放熱量ks=1.22×10exp(94765/R7逐漸增加,但反應器內溫度分布呈現先增加后降低在平推流反應器模型中,需要對甲醇合成反應的趨勢,這主要是因為由于反應器內的冷卻劑及時(shí)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)方程設置,動(dòng)力學(xué)參數設置參考文獻移走反應熱,催化劑床層與換熱系統換熱充分,使反應器內溫度逐漸趨于平穩間3.2利用平推流反應器模型優(yōu)化3結果與分析不同溫度、壓力下,甲醇反應器模型出口物流3.1利用平推流反應器模型模擬中甲醇含量的變化如圖2和圖3所示。由圖2可見(jiàn)模擬所得反應器出口物流組成與工廠(chǎng)實(shí)際數甲醇含量隨入口溫度的升高逐漸降低,但幅度很據見(jiàn)表1。甲醇反應器內溫度、熱量及停留時(shí)間分小,最大值與最小值相差005%。由于反應器內的布見(jiàn)表2。冷卻劑及時(shí)移中國煤化工換熱系統換由表1可見(jiàn),工廠(chǎng)實(shí)際數據中,甲醇摩爾分數熱充分,床層CNMHG響減小,從202遼寧工業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版第36卷熱力學(xué)上來(lái)說(shuō),升高溫度對于甲醇合成不利;從動(dòng)于甲醇產(chǎn)量的增加,考慮到熱點(diǎn)溫度升高對催化劑力學(xué)上來(lái)說(shuō),升高溫度,反應速率加快,這對甲醇活性的影響,反應器的操作壓力不能過(guò)高。因此合成有利,綜合考慮,20℃為適宜的反應溫度。甲醇合成反應的適宜壓力為52MPa結論4.90本文運用 Aspen Plus軟件對錦西天然氣化工有限公司甲醇反應器建立了平推流反應器模型,得到了模擬結果。分析了溫度和壓力對甲醇含量的影···上響,得出適宜的溫度為220℃,適宜的壓力為524.75MPa。通過(guò)對甲醇合成反應器的模擬與優(yōu)化,為甲醇合成過(guò)程的實(shí)際生產(chǎn)操作和研究開(kāi)發(fā)提供了定的指導意義。4.65上參考文獻圖2溫度對甲醇含量的影響]王桂輪,李成岳.以合成氣合成甲醇催化劑及其進(jìn)展[J化工進(jìn)展,2001(3):42-45[2]劉源,胡澤善,鐘炳,等. Cuo/zro2合成甲醇催化劑的TPR研究J.催化學(xué)報,1996,17(3):256-2593]孟慶軍.甲醇合成過(guò)程的 Aspen模擬.化肥設計,200543(6):8-12[4]宋維端,肖任堅,房鼎業(yè).甲醇工學(xué)M]北京:化學(xué)業(yè)出版社,1991.5] luyben Wg6150-61636]譚偉,宋維仁,葉銀梅.基于 Aspen Plus用戶(hù)模型的甲醇圖3壓力對甲醇含量的影響合成模擬及分析[J潔凈煤技術(shù),2012(1):58-71.由圖3可以看出,隨著(zhù)壓力的升高,甲醇含量[7]韓曉鋒,張清. Aspen Plus在甲醇合成中的應用J煤化增大。從動(dòng)力學(xué)角度來(lái)看,壓力升高,反應速率加工,1999(2):32-34.快;從化學(xué)平衡角度來(lái)看,壓力升高,反應平衡向責任編校:劉亞兵生成甲醇的方向移動(dòng)。提高反應器操作壓力,有利中國煤化工CNMHG