作者简介 : 孟庆军 (1971 年 - ) , 男 , 吉林白山市人 , 1993 年毕业于 华东理工大学煤化工专业 , 高级工程师 , 从事化肥生产项目建设方 面的技术管理工作 。
第 6 期 孟庆军 甲醇合成过程的 Aspen 模拟
·9 ·
后 , 甲醇与水冷凝下来 , 在分离器中气液分离 。分 离下来的粗甲醇入闪蒸槽闪蒸掉溶解气后 , 送后续 精馏工段 。分离器顶部出来的气体 , 一部分排放 , 以除去原料气带来的惰性气 , 维持整个系统的压 力 ; 其余的气体循环返回 , 与新鲜气加压混合后再 次入塔进行反应 。在 Aspen 环境下创建合成回路流 程图 。合成反应器选择带换热的活塞流反应器 。
4. 0 ; 组分 (mol %) : H2 67. 71 , N2 0. 73 , CO 26. 86 ,
CO2 4. 15 , CH4 0. 3 , Ar 0. 09 , H2O 0. 16 。
(2) 反应器条件 反应压力 7. 5 M Pa , 管间冷
却水温度 242 ℃, 反应列管规格 <44 mm ×2 mm ×
1 甲醇合成反应过程及动力学方程
甲醇合成过程的核心设备是合成塔 。在甲醇合
成塔里发生的化学反应有 3 个 , 其中只有 2 个为独
立的化学反应 ,本文选用反应 (1) 和 (2) 为独立的化
学反应 。
CO + 2 H2 = CH3O H
(1)
CO2 + 3 H2 = CH3O H + H2O
(2)
N2 0. 007 3 0. 127 3 0. 144 9 0. 157 3 0. 157 3 0. 139 7 1. 55E - 04
CO 0. 268 6 0. 104 4 0. 058 4 0. 063 4 0. 063 4 0. 078 6 1. 24E - 04
CO2 0. 041 5 0. 023 7 0. 018 2 0. 019 2 0. 019 2 0. 159 8 3. 55E - 03 CH4 0. 003 0 0. 042 8 0. 048 7 0. 052 8 0. 052 8 0. 117 9 3. 64E - 04
总流量/ kmol·h - 1 5 648. 4 28 240 24 806 22 592 230. 0 34. 7 1 949. 4
总流量/ m3·h - 1 126 524 632 585 555 656 506 061 5 151 778
43 667
总流量/ kg·h - 1 62 315 290 820 290 815 228 505 2 326 654
表 2 催化剂床层温度与组分分布
列管长度 温度
/m / ℃
H2
CO
CO2 惰性气 H2O CH4O
0. 0 220. 0 0. 683 3 0. 104 4 0. 023 7 0. 184 8 0. 000 5 0. 003 3 0. 5 246. 9 0. 677 5 0. 101 0 0. 022 3 0. 187 2 0. 002 2 0. 009 8 1. 0 253. 4 0. 671 1 0. 097 2 0. 020 7 0. 189 9 0. 004 1 0. 017 1 1. 5 254. 2 0. 665 0 0. 093 4 0. 019 4 0. 192 4 0. 005 7 0. 024 0 2. 0 253. 4 0. 659 7 0. 089 7 0. 018 3 0. 194 8 0. 007 1 0. 030 4 2. 5 252. 4 0. 655 0 0. 086 2 0. 017 6 0. 196 9 0. 008 1 0. 036 2 3. 0 251. 4 0. 650 9 0. 082 8 0. 017 1 0. 198 8 0. 008 9 0. 041 5 3. 5 250. 5 0. 647 4 0. 079 5 0. 016 8 0. 200 6 0. 009 4 0. 046 2 4. 0 249. 8 0. 644 4 0. 076 4 0. 016 7 0. 202 2 0. 009 7 0. 050 6 4. 5 249. 1 0. 641 7 0. 073 5 0. 016 7 0. 203 7 0. 009 9 0. 054 6 5. 0 248. 5 0. 639 4 0. 070 6 0. 016 9 0. 205 0 0. 009 9 0. 058 2 5. 5 248. 0 0. 637 3 0. 067 9 0. 017 1 0. 206 2 0. 009 9 0. 061 6 6. 0 247. 5 0. 635 4 0. 065 3 0. 017 3 0. 207 4 0. 009 8 0. 064 8 6. 5 247. 1 0. 633 7 0. 062 9 0. 017 6 0. 208 5 0. 009 6 0. 067 7 7. 0 246. 8 0. 632 2 0. 060 6 0. 017 9 0. 209 5 0. 009 5 0. 070 4 7. 5 246. 4 0. 630 7 0. 058 4 0. 018 2 0. 210 4 0. 009 3 0. 073 0
的吸附平衡常数 , 形如 : e A + B/ T 。
2 在 Aspen 环境下甲醇合成回路模拟
低压法甲醇合成回路见图 1 。原料气与循环气 经压缩机加压 , 与合成塔出塔气换热后进入合成 塔 , 在合成塔催化剂床层内反应生成甲醇 。反应热 通过管间的锅炉水的蒸发带走 。含有甲醇蒸气 、水 蒸气和少量反应副产物以及未反应的 H2 , CO , CO2 和惰性气的出塔气经过与入塔气和循环水换热冷却
Key words : met hanol synt hesis ; Aspen2Plus ; reaction dynamics ; analog ; calculation
目前 , 甲醇合成反应器最常见的类型包括 ICI 冷激式反应器 、鲁奇水冷式反应器 、三菱 SPC 双套 管反应器等 。国内普遍采用的是管壳式等温反应 器 。在鲁奇合成技术的引进吸收方面 , 国内的科研 单位已经做了大量的工作 , 包括合成反应器及整个 合成回路的设计 、合成催化剂的开发 、反应动力学 研究 、合成塔的制造等 , 从而在甲醇合成技术方面 实现了国产化 。本文的目的是运用 Aspen2Plus 工 具 , 采用动力学方程对甲醇合成回路进行模拟与分 析 , 为合成回路的设计与优化提供基础数据 , 并可 用于指导生产操作 。
Aspen Analog of Methanol Synthesis Process
M EN G Qing2jun ( S hanghai Coki ng & Chemical Corporation , S hanghai 20024 Chi na)
Abstract : Total flow process analog was made for met hanol synt hesis process t hrough Aspen tool and by using synt hesis dynamics equation , analog calculation result was analyzed. Efficiency of change in operating conditions and reactor size on t he synt hetic loop was discussed t hrough aspects of cycling gas quantity , synt hetic pressure , cooling water temperature , converter inlet temperature , converter structure and catalyst filling quantity etc.
7 500 mm ; 催化剂装填量 75. 4 m3 。
(3) 反应器内传热系数计算公式[1 ]
1
Kbf
=
1 ab
+
1 af
δ +λs +
Rc
式中 , ab 为床层对壁给热系数 , 采用以下低导热系
数颗粒计算 :
ab = 6.
0
·λf
dt
·Re0
.
6
·Pr0.
123
·
1
-
1 1. 59
dt/
L
·
exp ( -
用 Aspen2Plus 软件进行模拟 , 物性方法采用带 亨利系数的 Wilson 法 , 模拟计算结果见表 1 、表 2 。
表 1 甲醇合成回路物料平衡
项 目
反应器 反应器
Байду номын сангаас进料
循环气 弛放气 闪蒸气 粗甲醇
进 口 出 口
摩尔组分 H2 0. 677 1 0. 683 3 0. 630 7 0. 684 9 0. 684 9 0. 416 5 3. 09E - 04
rCO =
k1 f CO f H22 [ 1 - f m / ( Kf , CO f CO f H22) ] (1 + k CO f CO + k CO2 f CO2 + k H2 f H2) 3
rCO2
=
k2 f CO f H23 [ 1 - f m f H2O/ ( Kf , CO2 f CO f H23) (1 + k CO f CO + k CO2 f CO2 + k H2 f H2) 4
AR 0. 000 9 0. 014 7 0. 016 7 0. 018 1 0. 018 1 0. 024 1 4. 12E - 05
H2O 0. 001 6 0. 000 5 0. 009 3 0. 000 2 0. 000 2 0. 002 5 0. 116 2 CH4O 0. 000 0 0. 003 3 0. 073 0 0. 004 1 0. 004 1 0. 061 0 0. 879 3