甲醇反应器的模拟与优化

第36卷第3期辽宁工业大学学报(自然科学版)Vol 36. No. 32016年6月Journal of liaoning University of Technology (Natural Science Edition)Jun.2016本刊核心层次论文DOI:10.15916/ .Issn1674-3261.2016.03.014甲醇反应器的模拟与优化彭淑静,周艳军,刘冲(辽宁工业大学化学与环境工程学院,辽宁锦州121001)摘要:利用 Aspen Plus化工流程模拟软件,对锦西天然气化工有限公司甲醇反应器进行了模拟。结合甲醇合成反应催化剂动力学方程选择了合适的甲醇反应器模型,将模拟结果与工厂的实际数据进行了比较与分析。通过考察温度和压力对甲醇含量的影响,确定了适宜的温度和压力,实现了对甲醇反应器优化的目的关键词:甲醇反应器; Aspen Plus;模拟;优化中图分类号:TQ23.12文献标识码:A文章编号: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,在各行业都有广泛的应器参数设置中,反应器设置为多管反应器,进口应用。甲醇需求量呈现逐年上升的趋势。在甲醇的温度为230℃,压力为5.05MPa,换热系数为480工业生产中,温度和压力是甲醇合成反应过程的重 Watt/sqm. K,高度为1665m,直径为24m要工艺条件。温度和压力的变化会影响甲醇的产量,因此需要对甲醇反应器进行模拟与优化,找到EMFEED适宜的温度和压力条件,提高产能。目前甲醇合成工艺主要是采用铜基催化剂的低压法和高压法12图1平推流反应器示意图本文选择铜基催化剂为最终催化剂结合其动力学甲醇合成反应平衡及动力学方程方程选择适宜的反应器模型进行模拟优化的确定1平推流反应器模型21甲醇合成反应的热效应锦天化甲醇反应器采用鲁奇工艺,选择平推流在甲醇合成系统中,通常含有CO、CO3反应器类型为恒定冷却剂温度的反应器。本论文使cHOH、HO、CH和N2等组分,主要反应有以下用平推流反应器进行模拟计算,如图1所示。在反CO+2H2=CH3OH+△HR1(1)收稿日期:2014-12-10中国煤化工基金项目:辽宁省自然科学基金(201202096),辽宁省教育厅一般研究项目(L5015作者简介:彭淑静(1982-),女,江西上高人,讲师,博士CNMHG第3期彭淑静等:甲醇反应器的模拟与优化CO2+3H2=CH3OH+H2O+AHR(2)为5.35%,模拟结果为4.79%,模拟结果与实际数CO2+H2=CO+H2O+△HR(3)据接近,但有一定程度的偏差。这是因为甲醇合成式中:△HR1=-49.143kJ/mol,副反应动力学极为复杂,模拟只考虑了主反应。工△HR2=41.112kJ/mol所用催化剂与本次模拟采用的催化剂不同,催化△HR3=90kJ/mol效果不同。在工厂实际生产中,会产生甲酸甲酯,2.2甲醇合成反应的平衡氩气等惰性气体和副产物,所以造成CO、CO2含理想气体反应平衡常数K随温度变化的函数量有较大差异。式,可用反应物和生成物的标准自由焓数据及理想表1模拟所得物流组成与工厂实际数据(摩尔分数)%气体反应热随温度变化的关系式计算整理得到模拟结果实际数据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甲醇合成反应动力学方程H,惰性气体及微量Luyben在水转化反应的基础上,以反应2和表2甲醇反应器内温度、热量及停留时间分布表反应3为独立反应得出了甲醇合成铜基催化剂的动管长/m压力MPa温度c热量/(GJh)停留时间力学方程。动力学方程使用LHHW型方程描述,230压力单位为bar,反应速率单位为 kmol- min .kg2266,493262.3001973.568反应2与反应3反应速率方程式为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为H2吸附平衡常数,H2为解离吸附。k26517187413.349239.75为H2O吸附平衡常数,k3为H2OH2的吸附平衡常9915239454-6651.672470.337数。k4、ks为反应2和反应3的反应速率常数。P10.4986701970498.876为各组分分压。各反应速率常数及各组分的吸附平11.082505238994-6743.551527,437衡常数为11.665238821-6777,90756018由表2可见,平推流反应器模型进口温度为k1=k2=345338,k3=1k4=1.07×103exp(36696/RD230℃时,随着反应的进行,甲醇合成反应放热量ks=1.22×10exp(94765/R7逐渐增加,但反应器内温度分布呈现先增加后降低在平推流反应器模型中,需要对甲醇合成反应的趋势,这主要是因为由于反应器内的冷却剂及时进行动力学方程设置,动力学参数设置参考文献移走反应热,催化剂床层与换热系统换热充分,使反应器内温度逐渐趋于平稳间3.2利用平推流反应器模型优化3结果与分析不同温度、压力下,甲醇反应器模型出口物流3.1利用平推流反应器模型模拟中甲醇含量的变化如图2和图3所示。由图2可见模拟所得反应器出口物流组成与工厂实际数甲醇含量随入口温度的升高逐渐降低,但幅度很据见表1。甲醇反应器内温度、热量及停留时间分小,最大值与最小值相差005%。由于反应器内的布见表2。冷却剂及时移中国煤化工换热系统换由表1可见,工厂实际数据中,甲醇摩尔分数热充分,床层CNMHG响减小,从202辽宁工业大学学报(自然科学版第36卷热力学上来说,升高温度对于甲醇合成不利;从动于甲醇产量的增加,考虑到热点温度升高对催化剂力学上来说,升高温度,反应速率加快,这对甲醇活性的影响,反应器的操作压力不能过高。因此合成有利,综合考虑,20℃为适宜的反应温度。甲醇合成反应的适宜压力为52MPa结论4.90本文运用 Aspen Plus软件对锦西天然气化工有限公司甲醇反应器建立了平推流反应器模型,得到了模拟结果。分析了温度和压力对甲醇含量的影···上响,得出适宜的温度为220℃,适宜的压力为524.75MPa。通过对甲醇合成反应器的模拟与优化,为甲醇合成过程的实际生产操作和研究开发提供了定的指导意义。4.65上参考文献图2温度对甲醇含量的影响]王桂轮,李成岳.以合成气合成甲醇催化剂及其进展[J化工进展,2001(3):42-45[2]刘源,胡泽善,钟炳,等. Cuo/zro2合成甲醇催化剂的TPR研究J.催化学报,1996,17(3):256-2593]孟庆军.甲醇合成过程的 Aspen模拟.化肥设计,200543(6):8-12[4]宋维端,肖任坚,房鼎业.甲醇工学M]北京:化学业出版社,1991.5] luyben Wg6150-61636]谭伟,宋维仁,叶银梅.基于 Aspen Plus用户模型的甲醇图3压力对甲醇含量的影响合成模拟及分析[J洁净煤技术,2012(1):58-71.由图3可以看出,随着压力的升高,甲醇含量[7]韩晓锋,张清. Aspen Plus在甲醇合成中的应用J煤化增大。从动力学角度来看,压力升高,反应速率加工,1999(2):32-34.快;从化学平衡角度来看,压力升高,反应平衡向责任编校:刘亚兵生成甲醇的方向移动。提高反应器操作压力,有利中国煤化工CNMHG