甲烷化反應器的Aspen Plus模擬與優化

彭淑靜，周艷軍，婁玉爽

(遼寧工業大學 化學與環境工程學院，遼寧 錦州 121001)

甲烷化反應器的Aspen Plus模擬與優化

彭淑靜，周艷軍，婁玉爽

(遼寧工業大學 化學與環境工程學院，遼寧 錦州 121001)

利用Aspen Plus化工流程模擬軟件，分別選擇平衡反應器和平推流反應器模型，對錦西天然氣化工有限公司甲烷化反應器進行了模擬，并將模擬結果與工廠的實際數據進行了比較與分析。通過考察溫度和壓力對甲烷等組分含量的影響，確定了適宜的溫度和壓力，實現了對甲烷化反應器優化的目的。

甲烷化反應器；Aspen Plus；模擬；優化

所謂甲烷化，是指合成氣中CO、CO2和H2在一定的溫度、壓力及催化劑作用下，進行化學反應生成甲烷CH4的過程[1]。甲烷化過程的主要作用是將混合氣中對后續過程催化劑具有毒害作用的CO和CO2轉化為甲烷，已達到除去CO和CO2的目的。為了使合成氨工業中氨合成工序的催化劑免于中毒失活，必須在甲烷化工序充分脫除工藝氣中的CO2，使吸收塔出口的工藝氣中CO2的摩爾含量在0.1%以下[2-3]。在甲烷化工藝中，溫度和壓力是甲烷合成反應過程的重要工藝條件，溫度和壓力的變化會影響甲烷的含量，因此需要對甲烷反應器進行模擬與優化。本文選擇鎳基催化劑為最終催化劑，結合錦天化的實際生產工藝數據，利用Aspen Plus軟件，選擇平衡反應器和平推流反應器模型進行模擬優化。

1 甲烷化工藝

根據錦天化合成氨甲烷化工藝的特點，用Aspen Plus軟件繪制甲烷化工藝流程?；旌蠚馔ㄟ^閥門一部分氣體進入反應器，另一部分經過換熱器1再經過換熱器2最后進入反應器發生甲烷化反應，然后反應后的氣體再經過換熱器1進入下一流程。錦天化實際甲烷化工藝使用的是J103H催化劑，該催化劑適用于合成氣或乙烯裝置氫氣中含較低濃度的CO、CO2氣體的甲烷化。最高允許CO+CO2含量2%～3%。通過改變甲烷化爐入口溫度和反應壓力對甲烷化工藝進行優化。根據所使用的J103H催化劑的特性[4]，選擇溫度在250～500 ℃之間，每隔10 ℃變換一次溫度，反應壓力在0.5 MPa～5 MPa之間，每隔0.5 MPa改變一次反應壓力，進行優化模擬。將模擬結果與錦天化的實際數據相比較，通過分析得到甲烷化工藝的甲烷化爐入口的最佳溫度和反應壓力條件。

2 甲烷化反應動力學方程

所選的催化劑為J103H催化劑，其動力學方程如下：

rCH4=0.1380×10-4exp[-46944/(RT)]pCO0.58pH20. 52

(1)

rCO2=1.4792×10-4exp[--58349/(RT)]pCO0.58pH2O0.98(1-β)

(2)

其中 rCH4，rCO2為甲烷化反應、變換反應的反應速率，kmol/(h·kg)；R為氣體常數，8.314 J/(mol·K)；T為反應溫度，K；P為反應壓力，Pa；β為趨近因子，無量綱。

3 結果與分析

3.1 利用平衡反應器模型優化

不同甲烷化爐入口溫度下模擬的出甲烷化爐氣體含量如圖1所示。可以看出，在310 ℃時出甲烷化爐氣體組成中CH4濃度最大而CO和CO2的濃度最小，之后再提高甲烷化入口溫度，由于CO和 CO2幾乎已經完全反應了，所以三種氣體的濃度幾乎沒有變化。從熱力學上來說，升高溫度對于甲烷化反應不利，從動力學上來說，升高溫度，反應速率加快，這對甲烷化反應有利，綜合考慮，310 ℃為適宜的反應溫度。

圖1 不同入口溫度下CO，CO2和CH4含量曲線圖

不同反應壓力下出甲烷化爐氣體的含量如圖2所示。可以看出，在3 MPa時出甲烷化爐氣體組成中CH4濃度最大而CO和CO2的濃度最小，之后再增加反應壓力，由于CO和 CO2幾乎已經完全反應了，所以三種氣體的濃度幾乎沒有變化。從動力學角度來看，壓力升高，反應速率加快，從化學平衡角度來看，壓力升高，反應平衡向生成甲烷的方向移動。提高反應器操作壓力，有利于甲烷產量的增加，考慮到熱點溫度升高對催化劑活性的影響，反應器的操作壓力不能過高。因此，甲烷化反應的適宜壓力為3MPa。

圖2 不同反應壓力下CO，CO2和CH4的含量曲線圖

3.2 利用平推流反應器模型優化

不同甲烷化爐入口溫度下平推流反應器模擬的出甲烷化爐氣體含量如圖3所示?？梢钥闯?，在320 ℃時出甲烷化爐氣體組成中CH4濃度最大而CO和CO2的濃度最小，之后再提高甲烷化入口溫度，由于CO和 CO2幾乎已經完全反應了，所以三種氣體的濃度幾乎沒有變化?？梢?，適宜的溫度為320 ℃。

圖3 不同入口溫度下CO，CO2和CH4含量曲線圖

不同反應壓力下出甲烷化爐氣體的含量如圖4所示?？梢钥闯觯? MPa時出甲烷化爐氣體組成中CH4濃度最大而CO和CO2的濃度最小，之后再增加反應壓力，由于CO和 CO2幾乎已經完全反應了，所以三種氣體的濃度幾乎沒有變化?？梢?，適宜的壓力為3 MPa。

3.3 確定適宜的反應器及操作條件

由以上內容可以得出，甲烷化平衡反應器的最佳進口溫度為310 ℃，反應壓力為3 MPa。甲烷化平推流反應器的最佳進口溫度為320 ℃，反應壓力為3 MPa。在該操作條件下，分別用Aspen Plus軟件進行模擬，將模擬結果與錦天化出甲烷化爐的氣體組成相比較。如表1所示。由表中的數據可以得出，平推流反應器的模擬結果更與實際數據相近，所以最佳反應器選用平推流反應器。

圖4 不同反應壓力下CO，CO2和CH4的含量曲線圖

表1 出甲烷化爐氣體的模擬與實際組成

4 結論

本文運用Aspen Plus軟件對錦西天然氣化工有限公司甲烷化反應器建立了平衡反應器和平推流反應器模型，得到了模擬結果。分析了溫度和壓力對各組分含量的影響，得出平衡反應器下，適宜的溫度為310 ℃，壓力為3 MPa；平推流反應器下適宜的溫度為320 ℃，反應壓力為3 MPa，且平推流反應器的模擬結果與實際數據更為相近，通過對甲烷化合成反應器的模擬與優化，為甲烷化反應的實際生產操作和研究開發提供了一定的指導意義。

[1] 張 成.CO與CO2甲烷化反應研究進展[J].化工進展, 2007, 26(9):1269-1273.

[2] 詹雪新. 合成氣甲烷化反應器及其回路的模擬[D].上海： 華東理工大學 , 2011.

[3] 譚 雷.煤氣甲烷化反應器數學模擬[J].化學工藝，2012，12(3):36-40.

[4] 藺華林,李克健，趙利軍. 煤制天然氣高溫甲烷化催化劑研究進展[J].化工進展.2011，8(3): 217-220.

(本文文獻格式：彭淑靜，周艷軍，婁玉爽.甲烷化反應器的Aspen Plus模擬與優化[J].山東化工，2017，46(20)：127-128.)

SimulationandOptimizationofMethanationEquipment

PengShujing,ZhouYanjun,LouYushuang

(Chemical amp; Environmental Engineering College, Liaoning University of Technology, Jinzhou 121001, China)

The methanation reactor based on the actual production of Jinxi Natural Gas Chemical Co., Ltd was simulated by means of Aspen Plus software with equilibrium and plug flow model, respectively. The simulation results were studied and compared with the actual data of factory as well. The effects of temperature and pressure on the content of methanation and other components were analyzed and appropriate temperature and pressure conditions were determined. The optimization of methanation reactor was preliminary established.

methanation reactor; Aspen Plus; simulation; optimization

2017-08-22

遼寧省教育廳一般研究項目(L2015236)

彭淑靜(1982—)，女，江西上高人，講師，博士，主要從事粉體材料的研究。

TQ223. 12

A

1008-021X(2017)20-0127-02