基于Aspen Plus的甲醇合成過程模擬

馬 寧

（中石化南京工程有限公司，江蘇南京 211100）

Aspen Plus 起源于20世紀70年代美國能源部在麻省理工學院（MIT）開發的流程模擬軟件。經過近幾十年來的改進和提高，以及數據庫的不斷完善，目前已能夠成功應用于化工、醫藥等多種工程領域的流程模擬、優化以及工程性能監控等貫穿于整個生命周期的過程行為。

由于石油資源的日益減少，發展替代新能源成為當務之急[2]，甲醇便是較為經濟的替代品之一。甲醇是一種重要的基本化工原料，具有廣泛的用途。除了可以用作多種有機物的良好溶劑外，還能夠用于甲醛、合成纖維、醋酸、塑料、染料、農藥、醫藥、合成蛋白質、殺蟲劑等工業生產，甲醇和汽油或其他物質混合還可作為民用或工業用的新型燃料。因此，國內外已陸續建設了一系列的甲醇合成裝置。基于此，本文借助通用模擬軟件Aspen Plus，對甲醇的合成過程進行模擬，為甲醇的生產提供一定的技術支持。

1 流程模擬

1.1 流程的建立

采用Aspen Plus 建立的甲醇合成工藝流程，如圖1所示。

圖1 甲醇合成工藝流程圖

來自界外的新鮮氣與回收的富氫氣首先進入新鮮氣壓縮機壓縮，然后在混合器內與同樣經過加壓的循環氣混合后進入氣氣換熱器，在氣氣換熱器中，原料氣首先被反應生成的氣體加熱，被加熱后依次進入甲醇合成反應器1、甲醇合成反應器2，氣體組分在反應器內發生反應生成甲醇。離開甲醇合成反應器2的物料中含有甲醇蒸汽、水蒸氣、少量反應副產物、未反應的氫氣、一氧化碳、二氧化碳以及惰性氣體，經過冷卻器冷卻后進入甲醇分離器。在甲醇分離器中，粗甲醇被冷凝，從甲醇分離器底部流出，送往后續處理工段，甲醇分離器頂部排出的氣體，一部分作為馳放氣排放至氫回收裝置，以去除系統中不斷循環積累的惰性氣體，其余氣體作為系統循環氣通過循環氣壓縮機加壓后返回系統，再次進入甲醇合成反應器參與反應，氫回收裝置回收的富氫氣與新鮮氣混合后再次返回系統。

1.2 甲醇合成反應過程

在甲醇合成反應器內，除了生成主產物甲醇外，還有若干副產物的生成，如少量的乙醇以及微量的醛、醚、酮及酯等。由于參與副反應的組分含量很少且這些副反應影響模擬流程的收斂，因此本文不考慮副產物的生成，并假設在甲醇合成反應器內發生的化學反應只有三個，其中兩個為獨立的化學反應，本文選用前兩個反應作為獨立的化學反應。

1.3 物性方法的選擇

結合模擬流程中涉及到的主要組分的物性并參考相關文獻報道，為了進一步提高流程模擬的準確性，該流程模擬的物性方法選用PENG-ROB。

2 結果與討論

2.1 流程模擬結果

模擬新鮮氣中各組分的含量，如表1所示。

表1 模擬新鮮氣中各組分含量

通過建立的甲醇合成流程模型，模擬得到的粗甲醇、甲醇合成反應器1出口和甲醇合成反應器2出口中各組分含量，如表2所示。

表2 各流股組分含量

從表2可以看到，粗甲醇中甲醇的含量為93.32mol%，其余為水以及少量未反應物，這一數據與實際生產裝置比較接近。反應器1 出口物料中H2、CO、CO2、甲醇含量分別為73.46mol%、4.47mol%、2.63mol%、13.80mol%，反應器2 出口物料中H2、CO、CO2、甲醇含量分別為71.93mol%、2.35mol%、2.58mol%、17.03mol%。

2.2 循環比對系統的影響

循環比指循環氣量與新鮮氣和回收氫氣總量的比值，是甲醇合成流程中重要的參數之一，對整個甲醇合成過程有較大影響。循環比的大小會直接影響裝置消耗以及粗甲醇的產量與質量。因此，基于上述模擬流程著重討論循環比對粗甲醇產量、碳轉化率、粗甲醇含量及循環氣壓縮機功耗的影響。分析結果，分別如圖2、圖3、圖4、圖5所示。

圖2 循環比對粗甲醇產量的影響

圖3 循環比對碳轉化率的影響

圖4 循環比對粗甲醇含量的影響

圖5 循環比對循環氣壓縮機功耗的影響

由圖2、圖3 可知，隨著循環比的增大，粗甲醇產量與碳轉化率逐漸提高，但增加幅度很小。循環比由1.06增加到2.26，增加幅度為113%，而粗甲醇產量由2 430kmol/h 提高到2 505kmol/h，碳轉化率由96.02%提高到98.25%，二者均為小幅度增長。這主要是由于隨著循環比的增大，一方面提高了反應的總轉化率，使得粗甲醇產量與碳轉化率提高；另一方面，隨著循環比的增大，循環量增加，稀釋了進入反應器的反應物濃度，導致反應速度降低。所以，綜合兩方面因素，隨著循環比的增大，粗甲醇產量與碳轉化率均提高，但增加幅度很小。

由圖4可知，隨著循環比的增大，粗甲醇含量逐漸減小，循環比由1.06 增加到2.26，粗甲醇含量由93.5mol%降低至92.8mol%。主要原因是隨著循環比的增加，稀釋了進入反應器的反應物濃度，再疊加副反應的影響，導致粗甲醇含量逐漸減小。

由圖5 可知，隨著循環比的增大，循環氣壓縮機功耗增加。循環比由1.06增加到2.26，循環氣壓縮機功耗由899kW 增加到1 788kW，二者的變化率接近線性關系。這是因為隨著循環比的增加，進入循環氣壓縮機的循環氣量相應增加，而壓縮機壓比幾乎不變，因此導致循環氣壓縮機功耗相應增加。

3 結論

1）模擬得到粗甲醇中甲醇的含量為93.32mol%，這一數據與實際生產裝置比較接近。反應器1出口物料中H2、CO、CO2、甲醇含量分別為73.46mol%、4.47mol%、2.63mol%、13.80mol%，反應器2出口物料中H2、CO、CO2、甲醇含量分別為71.93mol%、2.35mol%、2.58mol%、17.03mol%。

2）隨著循環比的增大，粗甲醇產量與碳轉化率逐漸提高，但增加幅度很小。循環比由1.06增加到2.26，粗甲醇產量由2 430kmol/h 提高到2 505kmol/h，碳轉化率由96.02%提高到98.25%。

3）隨著循環比的增大，粗甲醇含量逐漸減小，循環比由1.06增加到2.26，粗甲醇含量由93.5mol%降低至92.8mol%。

4）隨著循環比的增大，循環氣壓縮機功耗增加。循環比由1.06 增加到2.26，循環氣壓縮機功耗由899kW 增加到1 788kW。