甲醇合成反應(yīng)穩(wěn)態(tài)工藝過(guò)程模擬研究

李欽濤

(山西焦煤集團(tuán)五麟煤焦開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司，山西 汾陽(yáng) 032200)

引 言

甲醇作為工業(yè)中不可或缺的有機(jī)原料，能夠衍生出眾多的下游有機(jī)產(chǎn)品。隨著甲醇在眾多領(lǐng)域中的應(yīng)用，為其發(fā)展提供了巨大的機(jī)遇[1]。目前，制備甲醇的主要原料為煤炭，采用的制備工藝為合成氣制備，其中低壓和高壓生產(chǎn)甲醇技術(shù)被廣泛應(yīng)用。隨著脫硫技術(shù)的改進(jìn)與銅系催化劑的應(yīng)用，低壓生產(chǎn)甲醇技術(shù)較高壓生產(chǎn)甲醇技術(shù)而言具有更高的生產(chǎn)效率、可生產(chǎn)更高質(zhì)量的甲醇且其所使用的合成氣量更少。此外，采用低壓生產(chǎn)甲醇技術(shù)具有成本低、對(duì)設(shè)備要求低等特點(diǎn)[2]。因此，低壓法為目前生產(chǎn)甲醇的主要手段。

甲醇合成反應(yīng)器為制備甲醇的核心設(shè)備，但由于眾多的客觀因素導(dǎo)致該設(shè)備無(wú)法發(fā)揮其應(yīng)有的效果。其中，甲醇合成系統(tǒng)循環(huán)氣流量的實(shí)際大小往往與設(shè)計(jì)值偏差較大。為研究甲醇合成過(guò)程中操作操作參數(shù)對(duì)循環(huán)氣流量的影響，本文將使用化工模擬軟件對(duì)甲醇的制備流程進(jìn)行模擬計(jì)算。

1 模擬方法研究

1.1 模擬工具研究

本文所采用的仿真模擬軟件為相對(duì)成熟的流程模擬軟件，其模擬所選用的計(jì)算方程為Sour-SRK方程。此外，根據(jù)平衡溫距實(shí)現(xiàn)對(duì)甲醇合成穩(wěn)態(tài)工藝平衡狀態(tài)的調(diào)節(jié)，并設(shè)定平衡溫距為28 ℃[3]。甲醇合成的流程示意圖如圖1所示。

圖1 甲醇合成流程示意圖

1.2 原料及操作條件說(shuō)明

1.2.1 原料組成說(shuō)明

合成甲醇所需的氣體包括氫氣(H2)、一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)等，各種氣體所占比例如表1所示。

表1 合成氣體成分比例/%

1.2.2 操作條件說(shuō)明

本次操作的核心設(shè)備為甲醇合成反應(yīng)器，該反應(yīng)器為平衡反應(yīng)器[4]。其中，反應(yīng)器的壓力為7.5 MPa，反應(yīng)器的入口溫度大小為250 ℃，出口溫度大小為280 ℃，基于圖1所示的甲醇合成流程圖設(shè)計(jì)如第64頁(yè)圖2所示的甲醇合成穩(wěn)態(tài)工藝模擬流程圖。

1.3 模擬計(jì)算過(guò)程

甲醇合成反應(yīng)的工藝包含有：反應(yīng)、換熱、冷凝、壓縮、分離集中單元操作以及循環(huán)邏輯操作等。在眾多的工藝流程中以其反應(yīng)過(guò)程和邏輯過(guò)程為主。

反應(yīng)過(guò)程的模擬首先需將合成甲醇所需的氣體

圖2 甲醇合成模擬流程示意圖

輸入至化工流程模擬軟件中并選擇與其相對(duì)應(yīng)的SRK物性方程；然后根據(jù)該反應(yīng)器為平衡反應(yīng)器，故選擇與其相對(duì)應(yīng)的平衡反應(yīng)方程；最后，根據(jù)流程選擇合適的反應(yīng)組并設(shè)定平衡反應(yīng)器的相關(guān)參數(shù)[5]。

不同的邏輯單元影響著整個(gè)合成工藝的循環(huán)氣流量，故需在分離罐入口設(shè)定邏輯操作單元，最終達(dá)到通過(guò)馳放氣流量分析其對(duì)循環(huán)氣流量的影響。

2 工藝模擬結(jié)果及其分析

2.1 甲醇合成反應(yīng)穩(wěn)態(tài)工藝模擬結(jié)果

經(jīng)上述對(duì)甲醇合成反應(yīng)穩(wěn)態(tài)工藝中的反應(yīng)過(guò)程和邏輯單元模擬設(shè)置后，得出穩(wěn)態(tài)工藝模擬結(jié)果。通過(guò)簡(jiǎn)單分析其模擬結(jié)果可知：當(dāng)合成氣的流量為246.27 t/h時(shí)，所得到的甲醇的流量大小為236.48 t/h，此時(shí)的轉(zhuǎn)化率最高，且循環(huán)氣體的流量大小為718 t/h。因此，需著重在高轉(zhuǎn)化率的情況下，盡可能地降低循環(huán)氣壓縮機(jī)的能耗，控制循環(huán)氣的流量大小。

2.2 甲醇合成反應(yīng)穩(wěn)態(tài)工藝模擬結(jié)果分析

本文著重分析合成氣比例對(duì)循環(huán)氣流量的影響、粗甲醇分離罐分離溫度對(duì)甲醇產(chǎn)量的影響、甲醇合成反應(yīng)溫度對(duì)循環(huán)氣流量的影響、馳放氣流量對(duì)循環(huán)氣流量的影響。

2.2.1 合成氣比例與循環(huán)氣流量的關(guān)系

合成氣比例與循環(huán)氣流量之間的關(guān)系曲線如圖3所示。

圖3 合成氣比例與循環(huán)氣流量關(guān)系曲線

分析圖3可知，隨著合成器比例的不斷增大，循環(huán)氣的流量不斷減小。最理想的狀態(tài)為當(dāng)氣體進(jìn)入1號(hào)反應(yīng)器中全部生成甲醇時(shí)，循環(huán)氣才進(jìn)入2號(hào)反應(yīng)器中。因此，在不影響反應(yīng)塔生產(chǎn)能力的基礎(chǔ)上，適當(dāng)增大1號(hào)反應(yīng)器中合成氣的比例，能夠有效降低循環(huán)氣量。

2.2.2 粗甲醇分離罐溫度對(duì)甲醇產(chǎn)量的影響

壓縮機(jī)的循環(huán)氣主要包括有合成氣和由粗甲醇分離罐分離出來(lái)的閃蒸氣。其中，影響閃蒸氣含量的主要因素為分離罐的分離溫度。粗甲醇分離罐溫度對(duì)甲醇產(chǎn)量及循環(huán)氣流量影響的關(guān)系曲線如圖4所示。

圖4 分離溫度對(duì)甲醇產(chǎn)量及循環(huán)氣量的影響

分析圖4可知，隨著粗甲醇分離罐溫度的升高，循環(huán)氣流量逐漸升高，甲醇產(chǎn)量逐漸降低。因此，在甲醇合成的實(shí)際過(guò)程中需控制好粗甲醇分離罐的溫度，在保證甲醇產(chǎn)量的基礎(chǔ)上有效降低循環(huán)氣流量。經(jīng)分析，應(yīng)將粗甲醇分離罐溫度控制在40 ℃～45 ℃最佳。

2.2.3 反應(yīng)溫度對(duì)循環(huán)氣流量的影響

反應(yīng)溫度對(duì)循環(huán)氣流量影響的關(guān)系曲線如圖5所示。

圖5 反應(yīng)溫度與循環(huán)氣流量關(guān)系曲線

如圖5所示，隨著反應(yīng)溫度的升高，循環(huán)氣流量逐漸升高。由于甲醇合成反應(yīng)為放熱反應(yīng)且其為可逆反應(yīng)，隨著反應(yīng)溫度的不斷升高，反應(yīng)向逆反應(yīng)方向移動(dòng)，未反應(yīng)的氣體增多，進(jìn)而導(dǎo)致壓縮機(jī)的功耗增大。此外，在溫度相對(duì)較低的范圍內(nèi)，甲醇合成的反應(yīng)速率和轉(zhuǎn)化率均被制約。

2.2.4 馳放氣流量對(duì)循環(huán)氣流量的影響

馳放氣流量對(duì)循環(huán)氣流量影響的關(guān)系曲線如第65頁(yè)圖6所示。

如圖6所示，當(dāng)反應(yīng)器中馳放氣流量在4 t/h～10 t/h范圍內(nèi)時(shí)，反應(yīng)器中的循環(huán)氣流量位置在1 350 t/h不變；當(dāng)反應(yīng)器中馳放氣流量大于10 t/h時(shí)，隨著馳放氣流量的增大，反應(yīng)器中循環(huán)氣流量的不斷減?。划?dāng)反應(yīng)器中馳放氣流量大于14 t/h時(shí)，反應(yīng)器中循環(huán)氣流量受馳放氣流量的影響逐步減小。因此，可通過(guò)調(diào)節(jié)馳放氣流量的大小控制循環(huán)氣流量的大小。

圖6 馳放氣流量與循環(huán)氣量關(guān)系曲線

3 結(jié)語(yǔ)

本文在結(jié)合低壓制甲醇技術(shù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)甲醇合成反應(yīng)的實(shí)際工藝流程搭建了甲醇合成工藝的模擬流程，并設(shè)定其反應(yīng)器為平衡反應(yīng)器，方程為平衡方程，最終通過(guò)邏輯操作單元得出了甲醇合成的模擬數(shù)據(jù)，并詳細(xì)對(duì)合成氣比例、反應(yīng)溫度、粗甲醇分離罐溫度以及馳放氣流量對(duì)甲醇產(chǎn)量及循環(huán)氣流的影響，模擬結(jié)果分析如下。

1) 將馳放氣量控制在4 t/h～20 t/h，最終將循環(huán)氣流量控制在1 340 t/h～500 t/h。

2) 在甲醇合成反應(yīng)的實(shí)際操作中可采用串聯(lián)多個(gè)平衡反應(yīng)器實(shí)現(xiàn)對(duì)不同溫度區(qū)間甲醇合成反應(yīng)的效果研究。