基于A spen Plus甲醇合成宏观动力学研究

2014-06-27郑蓉，诸林

化学工程师 2014年6期

郑蓉，诸林

（西南石油大学化学化工学院,四川成都 610500）

甲醇是一种重要化工原料，也是一种高效清洁替代燃料[1]。随着1966年铜基甲醇合成催化剂的问世，铜基催化剂甲醇合成技术在工业上得到了广泛地应用[2]。Graaf等[3]对铜基催化剂上甲醇合成的本征动力学进行了研究，得到了Langmuir-Hinshelwood-Hougen-Watson（L-H-H-W）型动力学方程，李建伟、陈鹏、马宏方等[4-6]在Graaf研究基础上分别对C302型、C306型和C307型催化剂进行动力学研究，得到了适用于不同条件的动力学参数。本文选定L-H-H-W方程，结合C306型催化剂宏观动力学参数，利用Aspen Plus对甲醇合成过程进行模拟，并对影响碳转化率的主要因素进行分析讨论。

1 动力学模型及参数

甲醇合成过程中主要进行的反应有：

选取反应（1）和反应（2）为独立反应。选定的L-H-H-W动力学模型如式（4）、（5）所示：

其中Kf1、Kf2分别是CO、CO2加氢合成甲醇反应以逸度表示的平衡常数。

C306型催化剂在操作压力为5MPa；原料气组成范围为 yH2=0.70～0.78，yCO=0.05～0.17，yCO2=0.02～0.15，yN2=0.03～0.12；入口温度为 463.15K～523.15K时的动力学参数[5]见式（8）～（10）：

2 过程模拟

2.1 基础数据

为验证模拟的准确性,选取与文献[5]中实验相同的进料数据,表1给出了实验的基础数据。

其中，除 H2、CO和 CO2外，其余组分为 N2。

2.2 模拟流程

选用Aspen Plus中RPlug模块模拟甲醇合成反应器，甲醇合成流程模拟见图1。反应器B1中进行的甲醇合成反应动力学方程通过FORTRAN语言进行编译。

图1 甲醇合成过程模拟图Fig.1 Simulation ofmethanol synthesis

2.3 模拟结果分析

甲醇合成反应中,甲醇产率可用碳转化率表示。为与文献[5]中实验结果进行对比，本文主要讨论CO和CO2转化率。反应器出口物流中H2、CO和CO2摩尔分数模拟值与文献值对比见表2。

由表2可知，四组模拟结果中H2、CO和CO2摩尔分率与实验值相对偏差较小，证明了Aspen Plus用于甲醇合成动力学模拟的可行性。

表2 模拟结果与实验值[5]对比Tab.2 Comparison of the simulation results and experimental data[5]

3 分析及讨论

3.1 操作参数影响

图2 操作参数对CO转化率影响Fig.2 Effects of the operating parameters on CO conversion

操作参数主要包括入口温度和操作压力，其对CO、CO2转化率影响分别见图2、3。

图3 操作参数对CO2转化率影响Fig.3 Effects of the operating parameters on CO2 conversion

分析图2、3可得，在操作压力一定的条件下，CO、CO2转化率随入口温度增加均呈先升高后降低的趋势，其中，CO转化率在入口温度为496～504K时达到最大，CO2转化率在入口温度为490～495K时达到最大。甲醇合成是体积减小的反应，在相同入口温度下，提高操作压力有利于增加CO和CO2转化率，但是增加压力会带来设备等费用的增加，一般采用5.0～7.0MPa的操作压力[7]。