甲醇合成反應穩態工藝過程模擬研究

李欽濤

(山西焦煤集團五麟煤焦開發有限責任公司，山西 汾陽 032200)

引 言

甲醇作為工業中不可或缺的有機原料，能夠衍生出眾多的下游有機產品。隨著甲醇在眾多領域中的應用，為其發展提供了巨大的機遇[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甲醇技術被廣泛應用。隨著脫硫技術的改進與銅系催化劑的應用，低壓生產甲醇技術較高壓生產甲醇技術而言具有更高的生產效率、可生產更高質量的甲醇且其所使用的合成氣量更少。此外，采用低壓生產甲醇技術具有成本低、對設備要求低等特點[2]。因此，低壓法為目前生產甲醇的主要手段。

甲醇合成反應器為制備甲醇的核心設備，但由于眾多的客觀因素導致該設備無法發揮其應有的效果。其中，甲醇合成系統循環氣流量的實際大小往往與設計值偏差較大。為研究甲醇合成過程中操作操作參數對循環氣流量的影響，本文將使用化工模擬軟件對甲醇的制備流程進行模擬計算。

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成熟的流程模擬軟件，其模擬所選用的計算方程為Sour-SRK方程。此外，根據平衡溫距實現對甲醇合成穩態工藝平衡狀態的調節，并設定平衡溫距為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 原料及操作條件說明

1.2.1 原料組成說明

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 操作條件說明

本次操作的核心設備為甲醇合成反應器，該反應器為平衡反應器[4]。其中，反應器的壓力為7.5 MPa，反應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計如第64頁圖2所示的甲醇合成穩態工藝模擬流程圖。

1.3 模擬計算過程

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

反應過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應的SRK物性方程；然后根據該反應器為平衡反應器，故選擇與其相對應的平衡反應方程；最后，根據流程選擇合適的反應組并設定平衡反應器的相關參數[5]。

不同的邏輯單元影響著整個合成工藝的循環氣流量，故需在分離罐入口設定邏輯操作單元，最終達到通過馳放氣流量分析其對循環氣流量的影響。

2 工藝模擬結果及其分析

2.1 甲醇合成反應穩態工藝模擬結果

經上述對甲醇合成反應穩態工藝中的反應過程和邏輯單元模擬設置后，得出穩態工藝模擬結果。通過簡單分析其模擬結果可知：當合成氣的流量為246.27 t/h時，所得到的甲醇的流量大小為236.48 t/h，此時的轉化率最高，且循環氣體的流量大小為718 t/h。因此，需著重在高轉化率的情況下，盡可能地降低循環氣壓縮機的能耗，控制循環氣的流量大小。

2.2 甲醇合成反應穩態工藝模擬結果分析

本文著重分析合成氣比例對循環氣流量的影響、粗甲醇分離罐分離溫度對甲醇產量的影響、甲醇合成反應溫度對循環氣流量的影響、馳放氣流量對循環氣流量的影響。

2.2.1 合成氣比例與循環氣流量的關系

合成氣比例與循環氣流量之間的關系曲線如圖3所示。

圖3 合成氣比例與循環氣流量關系曲線

分析圖3可知，隨著合成器比例的不斷增大，循環氣的流量不斷減小。最理想的狀態為當氣體進入1號反應器中全部生成甲醇時，循環氣才進入2號反應器中。因此，在不影響反應塔生產能力的基礎上，適當增大1號反應器中合成氣的比例，能夠有效降低循環氣量。

2.2.2 粗甲醇分離罐溫度對甲醇產量的影響

壓縮機的循環氣主要包括有合成氣和由粗甲醇分離罐分離出來的閃蒸氣。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甲醇產量及循環氣流量影響的關系曲線如圖4所示。

圖4 分離溫度對甲醇產量及循環氣量的影響

分析圖4可知，隨著粗甲醇分離罐溫度的升高，循環氣流量逐漸升高，甲醇產量逐漸降低。因此，在甲醇合成的實際過程中需控制好粗甲醇分離罐的溫度，在保證甲醇產量的基礎上有效降低循環氣流量。經分析，應將粗甲醇分離罐溫度控制在40 ℃～45 ℃最佳。

2.2.3 反應溫度對循環氣流量的影響

反應溫度對循環氣流量影響的關系曲線如圖5所示。

圖5 反應溫度與循環氣流量關系曲線

如圖5所示，隨著反應溫度的升高，循環氣流量逐漸升高。由于甲醇合成反應為放熱反應且其為可逆反應，隨著反應溫度的不斷升高，反應向逆反應方向移動，未反應的氣體增多，進而導致壓縮機的功耗增大。此外，在溫度相對較低的范圍內，甲醇合成的反應速率和轉化率均被制約。

2.2.4 馳放氣流量對循環氣流量的影響

馳放氣流量對循環氣流量影響的關系曲線如第65頁圖6所示。

如圖6所示，當反應器中馳放氣流量在4 t/h～10 t/h范圍內時，反應器中的循環氣流量位置在1 350 t/h不變；當反應器中馳放氣流量大于10 t/h時，隨著馳放氣流量的增大，反應器中循環氣流量的不斷減小；當反應器中馳放氣流量大于14 t/h時，反應器中循環氣流量受馳放氣流量的影響逐步減小。因此，可通過調節馳放氣流量的大小控制循環氣流量的大小。

圖6 馳放氣流量與循環氣量關系曲線

3 結語

本文在結合低壓制甲醇技術的基礎上，根據甲醇合成反應的實際工藝流程搭建了甲醇合成工藝的模擬流程，并設定其反應器為平衡反應器，方程為平衡方程，最終通過邏輯操作單元得出了甲醇合成的模擬數據，并詳細對合成氣比例、反應溫度、粗甲醇分離罐溫度以及馳放氣流量對甲醇產量及循環氣流的影響，模擬結果分析如下。

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

2) 在甲醇合成反應的實際操作中可采用串聯多個平衡反應器實現對不同溫度區間甲醇合成反應的效果研究。