

合成氣一步法制二甲醚分離工藝流程優(yōu)化模擬
- 期刊名字:計算機與應用化學(xué)
- 文件大?。?63kb
- 論文作者:郭曉艷,孫蘭義
- 作者單位:中國石油大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院化學(xué)工程系
- 更新時(shí)間:2020-10-22
- 下載次數:次
第30卷第2期針算機與應用化學(xué)Vol 30, No. 22013年2月28日Computers and Applied ChemistryFebruary 28, 2013合成氣一步法制二甲醚分離工藝流程優(yōu)化模擬郭曉艷,孫蘭義(中國石油大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院化學(xué)工程系,山東,青島,265摘要:為獲得合成氣經(jīng)漿態(tài)床一步合成二甲醚最優(yōu)的分離流程和工藝參數,運用化工流程模擬軟件 Aspen Plus對3種分離工藝過(guò)程進(jìn)行了模擬分析。提出用水吸收一步反應氣相產(chǎn)物中的二甲醚,再用兩個(gè)精餾塔分離吸收液的工藝流程,模擬過(guò)程中汽液相平衡采用NRTL熱力學(xué)模型。對從吸收液中分離二甲醚的3種方法進(jìn)行了模擬計算值的比較,并與文獻中的實(shí)驗值做了比較,最后采用了先通過(guò)第一精餾塔塔頂分離出CO2,塔底出甲醇和二甲醚,再通過(guò)第二精餾塔分離二甲醚和甲醇的方法。此種分離流程可使二甲醚的回收率達到911%,產(chǎn)品濃度達到9996%,高于文獻報道的結果。并對吸收塔的溫度、操作壓力、液氣比、塔板數等參數以及2個(gè)精餾塔的溫度、壓力、塔板數等參數進(jìn)行了優(yōu)化模擬,確定了優(yōu)化的工藝和設備參數。最優(yōu)的分離流程尚需經(jīng)過(guò)回收率和操作費用綜合經(jīng)濟核算來(lái)確定關(guān)鍵詞:合成氣;二甲醚;一步法;優(yōu)化模擬中圖分類(lèi)號:TQ0283文獻標識碼:A文章編號:100141602013)02-203-206DOI: 10. 11719/com. app. chem201302211前言2二甲醚分離流程二甲醚ODME)作為一種新興的基本化工原料,在燃料、農藥、制藥等化學(xué)工業(yè)中有廣泛的用途。高純度的從漿態(tài)床反應器出來(lái)的氣相產(chǎn)品中有二甲醚、甲醇二甲醚可代替氟里昂用作氣溶膠噴射劑和制冷劑,減少H2O和沒(méi)反應的H2、CO、CO2N2組成的七元混合物,根據此復雜物系的特點(diǎn)以及二甲醚、甲醇、H2O、CO2汽對大氣環(huán)境的污染和臭氧層的破壞;二甲醚有含氧較短液相平衡物系的特點(diǎn)14,采用的分離方法是合成氣的分子式,沒(méi)有CC鍵,有高的十六烷值和低的自燃步反應后氣體經(jīng)換熱冷凝進(jìn)入氣液分離器,冷凝后的氣點(diǎn),因而成為理想的替代燃料即,它還是未來(lái)制取低碳烯相產(chǎn)物進(jìn)入吸收塔,用水作吸收劑,其中的二甲醚、甲烴的主要原料之一近年來(lái),二甲醚在合成過(guò)程和應用醇和部分CO2被水吸收后從塔底餾出與從氣液分離器的分的雙功能催化劑,因此,甲醇合成催化劑和甲醇脫水歐包/烈》畫(huà)領(lǐng)域的研究已成國內外熱點(diǎn)之液相產(chǎn)物合并一起進(jìn)入精餾塔進(jìn)行下一步分離嗎16合成氣一步法制DME是在合成甲醇技術(shù)的基礎上分離流程如圖1所發(fā)展起來(lái)的③,它是由合成氣經(jīng)漿態(tài)床反應器一步合成DME。目前,國內外的研究重點(diǎn)是催化劑、催化反應工二甲醚產(chǎn)品藝以及反應器。催化劑采用具有甲醇合成和甲醇脫水組催化劑的比例對DME生成速度和選擇性有很大的影響。合成氣法現多采用漿態(tài)床反應器4,其結構簡(jiǎn)單,便于移出反應熱,易實(shí)現恒溫操作。因此,漿態(tài)床合成氣法制DME具有誘人的前景,將是煤炭潔凈利用的途徑之Fig 1 Separation process of dimethyl ether圖1二甲醚分離流程目前,相比甲醇脫水制二甲醚而言,一步法合成二甲醚因為體系存在有未反應完的合成氣以及二氧化碳,3模擬過(guò)程及分析要得到純度較高的二甲醚,分離過(guò)程比較復雜10,隨著(zhù)流程模擬過(guò)程中涉及到的單元操作有吸收和精餾,漿態(tài)床合成方法研究的不斷成熟,研究二甲醚高效分離選擇合適的熱力學(xué)模型是準確模擬計算分離過(guò)程的非常工藝的可行性有著(zhù)重要的意義。本文采用 ASPEN化工流關(guān)鍵的步驟。該物系中存在水,不含有電解質(zhì),因此選程模擬軟件,對一步法合成二甲醚的分離流程進(jìn)行了模用NTRL熱力學(xué)模型進(jìn)行模擬,該方法具有 Wilson方程擬計算與分析,確定了工藝優(yōu)化操作條件。的優(yōu)點(diǎn),適用于液液平衡計算,對含水系統具有較高的精確度,形式上收稿日期:2012-10-08;修回日期:2012-12-18YHt中國煤化工時(shí)強非理想混CNMHG聯(lián)系人:孫蘭義(1972),男,山東人,博+,教授, E-mail: sunlanvie@163cm作者簡(jiǎn)介:郭曉艷(1973),女,山東人,碩土研究生,Emat: gyan73@126co計算機與應用化營(yíng)2013,30(2)合物和部分混溶系統的運用能夠得到很好的結果在1.5Mpa,40℃的條件下對吸收塔理論塔板數對31吸收塔吸收效果的影響進(jìn)行了模擬,結果見(jiàn)圖4。當理論塔板吸收塔的吸收劑采用水,其目的是將H2、CO、CO2、數為12時(shí),二甲醚的吸收率達到了1.0N2等氣體分離出去,二甲醚、甲醇被水吸收,其中H2(3)水用量對吸收效果的影響CO、N2在水中的溶解度很小,而CO2由于二甲醚和甲醇考察了15Mpa、2Mpa壓力,40℃下不同的液氣的存在增加了在水中的溶解度,導致二甲醚和CO2成為比對吸收效果的影響,模擬結果如圖5所示。分離系統的難分離物系。當采用相同的液氣比操作時(shí),2Mpa壓力下的DME(1)吸收溫度與壓力的確定吸收率要優(yōu)于下的。但當液氣比增加到1.2時(shí),般高壓低溫有利于氣體的吸收。從反應器出來(lái)的兩個(gè)壓力下的吸收率趨于一致,且已接近于1。因此可氣體壓力為4Mpa,因此模擬了1.5Mpa~4Mpa壓力考慮采用的液氣比為13下從15℃~60℃之間吸收塔的吸收效果,結果見(jiàn)圖2綜上所述,吸收塔采用的工藝條件是1.5Mpa、溫從圖2中看出,當壓力超過(guò)5Mpa的時(shí)候,二甲度是40℃,液氣比為13。醚的吸收率在15℃~60℃的范圍內可達到1.0。ME吸收率但是隨著(zhù)溫度降低、壓力升高,CO2在溶液中的溶解度也不斷增大,見(jiàn)圖3。溶液中過(guò)多的CO2會(huì )增加后續精餾塔的分離難度,因此適宜的壓力、溫度的選擇應該在確保最高二甲醚吸收率的前提下,盡量降低CO2在溶液中的吸收率。因此選定吸收塔的操作壓力為15Mpa~2Mpa,溫度為40℃~60℃。塔板數Fig 4 Effects of number of stages on DME absorption圖4塔板數對DME吸收效果的影響Fig 2 Effects of pressure and temperature on DME absorption圖2壓力、溫度對二甲醚吸收率的影響000.20406081012141.61.8202.2液氣比Fig 5 Effects ofL/G on DME absorption rate圖5LG比對DME吸收率的影響3.2二氧化碳塔在精餾塔操作中,由于CO2的存在使得二甲醚和CO2分離困難,并最終影響二甲醚的回收率。從混合物中分離出二甲醚的方法有3種,方法一是通過(guò)第一精餾塔即二氧化碳塔將CO2從塔頂分出,DME溫度/℃甲醇與水從塔底分出,然后再通過(guò)第二精餾塔分離出Fig3 Effects of temperature and pressure on the mole fraction of CO2DME和甲醇得到方注二是C∩2和DME從圖3溫度、壓力對CO2在吸收液中的摩爾濃度影響塔頂分出,CO2中國煤化工產(chǎn)品,甲醇和水從塔底分出CNMHG、DME從側(2)塔板數的確定2013,30(2)郭曉艷,等:合成氣一步法制二甲醚分離工藝流程優(yōu)化模擬線(xiàn)分出、甲醇和水從塔底分出DME的產(chǎn)品純度為09996,DME經(jīng)過(guò)吸收塔和2精餾采用相同的理論板數、操作壓力和回流比對這3種塔回收率達到911%分離方法進(jìn)行了模擬計算,結果比較如表1各塔主要工藝參數和物流組成見(jiàn)表2。表1分離DME的3種方法比較表2各塔主要工藝參數和物流組成Table 1 Comparation of three method of separating DME.mposition of stream塔CO2塔DME塔分離方法方法1方法2方法方法2方法3工藝參數吸收塔吸收塔塔頂塔底實(shí)驗值實(shí)驗值料料塔頂溫度,℃溫度,℃177.845.8塔底溫度,℃18731793181.2壓力,MPa1950.8DME產(chǎn)品濃度099960.9900.9930.99270999DME回收率,%91.172386.5824流量, koth395376742214973760.2525525從表1看出,方法一DME的回收率達到了91.1%產(chǎn)品濃度為0996,與其他2種方法的模擬值和實(shí)驗值Co0.152比較,明顯高于其他兩種方法。但是此時(shí)塔頂溫度為CO20.1850.00907553.946E063.62E05156℃,不能用水做冷劑,這無(wú)疑會(huì )增加塔的操作費用。N20076420×1060.0421因此最終采用何種方法分離DME,應結合產(chǎn)品的回收率CH40.031356×10°00379和操作費用進(jìn)行綜合的經(jīng)濟核算來(lái)確定。在此,采用第CHO0.03100150.0163742E04種方法進(jìn)行模擬優(yōu)化計算,流程見(jiàn)圖1。H,O操作條件的優(yōu)選主要是綜合考察在滿(mǎn)足產(chǎn)品純度和DME0.1410.072592.0E040.07320.9996回收率的情況下,盡量使工藝的能耗最小。隨著(zhù)二氧化塔壓力的升高,DME的回收率逐漸減小,但塔頂溫度是4結論逐漸升高的,二氧化碳精餾塔操作壓力對DME收率和塔(1)離開(kāi)漿態(tài)床反應器的氣相混合物進(jìn)行了模擬分頂溫度的影響見(jiàn)圖6,DME的收率略微減少,而塔頂的離:先用水做吸收劑吸收混合氣中的二甲醚、甲醇、CO2溫度呈明顯上升趨勢,塔頂溫度越高,高品位冷能的使吸收液進(jìn)入第一精餾塔,塔頂分出二氧化碳,塔底的甲用越少,從而降低操作費用。醇、DME和水溶液去第二精餾塔分離,塔頂出二甲醚產(chǎn)品(2)提出了從吸收液中分離出DME的3種方法,并進(jìn)行了比較,確定了在第一精餾塔塔頂分離二氧化碳,第二精餾塔分離DME的分離流程。二甲醚在第二精餾塔中的回收率達到了992%,二甲醚產(chǎn)品純度為9996%(3)模擬過(guò)程中,對各塔進(jìn)行了參數優(yōu)化,確定了塔的工藝參數。Referenc1 Li Hansheng, Renfei and Wang Jinfu, et al. Progress in塔壓力/MPadevelopment of direct mass productionof dimethylether from synthesis gas in a shury reactor.techniqueIndustry andFig 6 Effects of pressure of COz column on DME concentration andEngineering Progress. 2004, 23(9): 921-924tower top temptation2 Liu Yunliang, Yang Jining, Li Xianhui, et al. Prospect of圖6二氧化塔壓力對DME濃度和塔頂溫度的影響popularization of dimethy ether vehicle in China. Gas Heat2008,28(12)20-21綜合考慮兩方面因素后,確定二氧化碳塔的操作壓3 Kohji Omata, Yuhsuke Watanabe, Tetsuo Umegaki, et al. Low力為(20~28)MPa。pressure DME synthesis with Cu-based hybrid catalysts usingtemperature-gradient reactor. Fudl, 2002, 82(11): 1605-1609經(jīng)過(guò)優(yōu)化模擬,二氧化碳精餾塔采用8塊理論板4 Wang Zhiliang, Wang Jinfu, Diao Jie, et al. Chem Eng Tech, 200124(5):507-511進(jìn)料位置在第3塊板,回流比取為3。經(jīng)過(guò)二氧化碳塔,5Le,etal. Method for preparing dimethylether using aDME的收率達到了999%membarance reactor for separation and reaction. U 6822125200333二甲醚精餾塔Liang, Huang Zhen. Life cycle study of coal-based塔底物流進(jìn)入DME精餾塔,塔頂出DME產(chǎn)品,塔好x:y中國煤化工'n China. Energy底是甲醇和水。DME精餾塔采用10塊理論板,從第CNMHThe separation塊板進(jìn)料,操作壓力為0.8MPa,回流比取為25,得到method ofby one-stepway: China,1548411A.2004.3針算機影應用化學(xué)2013,30(2)8 Sosna Mikhail Khajmovich, SokolinskijAbramovich,Shilkina Marina Petrovna. Dimethyl中文參考文獻Process:RU,2277528.20069 Tian Yuanyu, Peng Chengshan, Zhou Guangsen. A new separation1黎漢生,任飛,王金福,等.漿態(tài)床一步法二甲醚產(chǎn)業(yè)化process of dimethyl ether or methanol synthesized in a slurry技術(shù)開(kāi)發(fā)研究進(jìn)展門(mén)化工進(jìn)展,2004,23(9):921-924bubble column reactor: China. 1377871 A 20022劉運良,楊濟寧,李賢慧,等,我國推廣二甲醚汽車(chē)展望煤氣與動(dòng)力,2008,28(12)20-217唐宏青,房鼎業(yè),唐錦文,等.合成氣一步法制二甲醚的11 Song Huaijun, Zhang Haitao, Ying Weiyong, et al. Measurement分離方法:中國,154841lA[P]2004.3and prediction on vapor liquid equilibrium for carbon-dimethyl9田原宇,彭成山,周廣森,等.一種新型漿態(tài)床合成二ether-methanol-water quaternary system. 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There were three methods of separating dimethyl ether from absorption liquid. The first method was that COz was separated from the topof one distillation tower, and dimethyl ether, methanol and water separated from the bottom firstly, then through another column dimethyl etherand methanol were separated. The second method was that Co2 and dimethyl ether were separated from the top of the column, and cOzcolumn, dimethyl ether separated by means of lateral extractions, and methanol and water separated from the bottom. Simulation of these threeflows has been made on the same number of stages, operating pressure and reflux ratio. and the results showed that recovery rate for dimethylether of the first method reached 91.1% and concentration of product reached 0.9996, higher than the values of two other methods and literature.But the temperature at the top of this column was -15. 1 C, and water cannot be used as a cooling medium, which can increase the operationcost of the tower. So the appropriate separation process of dimethyl ether should be determined through comprehensive economic calculationthat combined with the recovery rate and operation cost of the product. In this paper, the first separation flow was adopted. The influence oftemperature, operating pressure and number of stages on the recovery rate of dimethyl ether were discussedKeywords: syngas, dimethyl ether, one-step method, optiReceived:2012-1008; Revised:2012-12-18)中國煤化工CNMHG
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