，，

(沈陽化工大學化學工程學院，遼寧 沈陽 110142)

甲醇不僅是重要的有機化工燃料，還是性能優(yōu)良的清潔能源和車用燃料[1，2]。甲醇的生產(chǎn)朝著單系列大型化低壓法的方向發(fā)展[3]，其原料已實現(xiàn)多樣化。某年產(chǎn)300 kt甲醇裝置以焦爐煤氣為原料，采用Lurgi型甲醇合成塔。Lurgi型甲醇合成塔是德國Lurgi公司開發(fā)的一種管束型副產(chǎn)蒸汽的合成塔[4]。此合成塔既是反應器又是廢熱鍋爐，其內部結構類似于列管式換熱器，列管內裝填合成催化劑，管外為沸騰水，甲醇合成反應放出的熱量很快被沸騰水移走，通過控制沸騰水的蒸汽壓力來控制恒定的反應溫度。

在對甲醇合成裝置進行全流程穩(wěn)態(tài)模擬的基礎上，應用Aspen Dynamics軟件對甲醇合成塔進行動態(tài)模擬，分析、研究其溫度控制及操作問題，從而得到最優(yōu)的工藝操作參數(shù)，為裝置的優(yōu)化控制提供參考，同時指導實際生產(chǎn)。

1 甲醇合成裝置穩(wěn)態(tài)模擬

1.1 甲醇合成反應動力學

甲醇合成的動力學模型與壓力、溫度、組分、空速和催化劑的粒度等因素都有重要的關系，但是最根本的影響因素是所用的催化劑[5]。組成催化劑的化學元素不同，甚至組成元素相同但是各元素的百分含量不同，其動力學方程會有較大的區(qū)別[6，7]。

甲醇合成反應為CO、CO2加H2的復合反應體系，主要反應有[8]：

(1)

(2)

(3)

其中，反應(1)和(2)為獨立反應，催化劑選用國內使用較廣泛的銅基催化劑；CO、CO2加氫合成甲醇的動力學方程選擇LHHW(Langmuir-Hinshelwood Hougen-Watson)方程來描述[9]：

在Aspen Plus軟件中的LHHW型動力學模型，可以使用Langmuir等溫原理描述成反應物被吸附到催化劑表面；反應物在催化劑表面進行反應，生成反應產(chǎn)物；反應產(chǎn)物從催化劑表面解析到周圍環(huán)境中等3個基本步驟[10]。

1.2 甲醇合成裝置穩(wěn)態(tài)模擬

利用Aspen Plus對甲醇合成裝置建立模擬模型，進行全流程穩(wěn)態(tài)模擬計算。選用Rplug反應器模型，建立LHHW型反應動力學模型，并采用PSRK物性方法進行模擬[11]，建立如圖1所示的模擬流程。新鮮原料氣進料組成取該廠某月采集數(shù)據(jù)(表1)；進料溫度為40 ℃、壓力為6.8 MPa、流量為8 500 m3/h。

圖1 甲醇合成裝置穩(wěn)態(tài)模擬流程圖

表1新鮮原料氣進料組成表

組分H2H2OCOCO2CH3OHCH4N2摩爾分率0.6570.00.2980.0190.00.0030.023

模擬過程中，經(jīng)甲醇分離器分離出來的氣體小部分放空，大部分作為循環(huán)氣，與新鮮原料氣混合后作為合成氣。經(jīng)過模擬，取合成塔出口數(shù)據(jù)與該廠實際采集數(shù)據(jù)作對比(表2)。

表2 模擬結果與實際采集數(shù)據(jù)的對比

由表2可以看出，模擬輸出數(shù)據(jù)與實際生產(chǎn)采集數(shù)據(jù)比較吻合，模擬計算結果對實際生產(chǎn)操作有重要的指導意義，也可為整個裝置各種工況的分析提供參考。

2 甲醇合成塔動態(tài)模擬

在Aspen Dynamics動態(tài)模擬中，反應器模型選擇具有逆流冷卻介質的反應器(Reactor with counter-current coolant)；催化劑采用銅基催化劑，尺寸為φ5×5 mm，堆密度為1.48 kg/L；反應器列管長度為7 000 mm，列管管徑為φ44×2 mm，管數(shù)為4 628根，換熱面積為4 068.94 m2；催化劑裝填體積為40.69 m3，塔壓降控制在0.105 MPa。

甲醇合成塔動態(tài)模擬流程如圖2所示。

圖2 甲醇合成塔動態(tài)模擬流程圖

Lrugi型甲醇合成塔為低壓恒溫并副產(chǎn)蒸汽的反應器，其催化劑床層溫度是最重要的工藝控制參數(shù)，而汽包壓力、沸騰水的溫度、沸騰水的流量等操作條件都直接影響催化劑床層溫度。反應管內甲醇合成的反應熱傳給管外的沸騰水，沸騰水進入汽包后在汽包上部形成與沸騰水溫度相對應的飽和蒸汽，合成塔催化劑床層溫度的控制就是靠調節(jié)沸騰水的蒸汽壓力來實現(xiàn)的。

3 模擬結果及分析

以實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)作參考，通過Aspen Dynamics對甲醇合成塔進行動態(tài)模擬，分析并確定反應器最優(yōu)的操作控制參數(shù)。設置一控制器(PCR)控制沸騰水的進口閥和出口閥，控制器的輸入信號來自反應器的床層溫度，在實際的控制中必須要考慮滯后時間的影響，因此，在控制器與輸入信號之間設置滯后時間控制(滯后時間為60 s)，并設置好其他參數(shù)后進行動態(tài)模擬。

3.1 各控制參數(shù)波動情況

反應器的溫度控制受多變量的影響。在動態(tài)模擬中，主要通過控制沸騰水壓力來控制反應器溫度。動態(tài)模擬的特點主要是，在穩(wěn)態(tài)模擬的基礎上加入時間因素，考慮各過程參數(shù)隨時間的變化情況。在模擬過程中，設定沸騰水的進料量不變的情況下，在Aspen Dynamics中建立動態(tài)模擬控制參數(shù)波動圖，在軟件中建立多變量波動圖。X軸為時間變量(t)，分別把反應器溫度Tc、媒介溫度(即沸騰水溫度)Tmed、沸騰水壓力PBWF以及進料量FBWF作為過程的研究變量設置在Y軸。動態(tài)模擬控制參數(shù)波動如圖3所示。

圖3 動態(tài)模擬控制參數(shù)波動圖

在模擬過程中，考慮到反應器熱點溫度過高會影響催化劑的活性和出口甲醇含量，先設置熱點溫度的控制目標值在263 ℃。由圖3可看出，隨著反應的開始，反應器熱點溫度升高到267.3 ℃，此時的控制響應動作是降低沸騰水的溫度Tmed(也即降低沸騰水的壓力PBWF)；沸騰水的溫度和壓力的波動趨勢是一樣的，隨著調節(jié)的進行，反應器熱點溫度逐步降低并趨于控制目標值，同時沸騰水的壓力和溫度也趨于穩(wěn)定。這一完整的循環(huán)控制動作實現(xiàn)了甲醇合成塔床層溫度的控制。

3.2 溫度控制對出口甲醇含量的影響

反應器的溫度控制，主要考慮催化劑的活性以及反應器出口物料中粗甲醇的含量。據(jù)實際生產(chǎn)情況看，隨著熱點溫度的升高，出口甲醇含量也隨之增加，而到一定階段后，催化劑的活性開始降低，導致反應速率降低，反應器出口甲醇含量也降低。此外，熱點溫度也隨著沸騰水壓力的升高而升高，因此，控制沸騰水壓力是控制反應器溫度的關鍵。熱點溫度及出口甲醇含量與沸騰水壓力的關系如圖4所示。

圖4 熱點溫度及出口甲醇含量與沸騰水壓力的關系

由圖4可知，當沸騰水壓力由2.0 MPa升高到4.0 MPa的過程中，熱點溫度逐步升高；出口甲醇含量有一個最大值0.065 049，此狀態(tài)下對應的熱點溫度為263.749 4 ℃，沸騰水壓力為2.571 428 MPa。此數(shù)值與動態(tài)模擬控制參數(shù)波動圖完全吻合。

4 結 論

通過對Lurgi型甲醇合成塔進行動態(tài)模擬，結合某廠的生產(chǎn)實際，主要對反應器溫度的控制，以及其對各生產(chǎn)指標的影響進行了模擬研究。Lurgi型甲醇合成塔床層溫度直接由控制沸騰水壓力來實現(xiàn)，由模擬分析結果可知，控制沸騰水壓力在2.571 428 MPa，此時反應器的熱點溫度為263.749 4 ℃；在此操作條件下，反應器出口甲醇的摩爾含量可以達到一個最大值0.065 049。模擬結果可以指導實際生產(chǎn)，也可為后續(xù)的優(yōu)化控制提供重要參考。

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