基于Aspen Plus的甲醇合成过程模拟

马 宁

（中石化南京工程有限公司，江苏南京 211100）

Aspen Plus 起源于20世纪70年代美国能源部在麻省理工学院（MIT）开发的流程模拟软件。经过近几十年来的改进和提高，以及数据库的不断完善，目前已能够成功应用于化工、医药等多种工程领域的流程模拟、优化以及工程性能监控等贯穿于整个生命周期的过程行为。

由于石油资源的日益减少，发展替代新能源成为当务之急[2]，甲醇便是较为经济的替代品之一。甲醇是一种重要的基本化工原料，具有广泛的用途。除了可以用作多种有机物的良好溶剂外，还能够用于甲醛、合成纤维、醋酸、塑料、染料、农药、医药、合成蛋白质、杀虫剂等工业生产，甲醇和汽油或其他物质混合还可作为民用或工业用的新型燃料。因此，国内外已陆续建设了一系列的甲醇合成装置。基于此，本文借助通用模拟软件Aspen Plus，对甲醇的合成过程进行模拟，为甲醇的生产提供一定的技术支持。

1 流程模拟

1.1 流程的建立

采用Aspen Plus 建立的甲醇合成工艺流程，如图1所示。

图1 甲醇合成工艺流程图

来自界外的新鲜气与回收的富氢气首先进入新鲜气压缩机压缩，然后在混合器内与同样经过加压的循环气混合后进入气气换热器，在气气换热器中，原料气首先被反应生成的气体加热，被加热后依次进入甲醇合成反应器1、甲醇合成反应器2，气体组分在反应器内发生反应生成甲醇。离开甲醇合成反应器2的物料中含有甲醇蒸汽、水蒸气、少量反应副产物、未反应的氢气、一氧化碳、二氧化碳以及惰性气体，经过冷却器冷却后进入甲醇分离器。在甲醇分离器中，粗甲醇被冷凝，从甲醇分离器底部流出，送往后续处理工段，甲醇分离器顶部排出的气体，一部分作为驰放气排放至氢回收装置，以去除系统中不断循环积累的惰性气体，其余气体作为系统循环气通过循环气压缩机加压后返回系统，再次进入甲醇合成反应器参与反应，氢回收装置回收的富氢气与新鲜气混合后再次返回系统。

1.2 甲醇合成反应过程

在甲醇合成反应器内，除了生成主产物甲醇外，还有若干副产物的生成，如少量的乙醇以及微量的醛、醚、酮及酯等。由于参与副反应的组分含量很少且这些副反应影响模拟流程的收敛，因此本文不考虑副产物的生成，并假设在甲醇合成反应器内发生的化学反应只有三个，其中两个为独立的化学反应，本文选用前两个反应作为独立的化学反应。

1.3 物性方法的选择

结合模拟流程中涉及到的主要组分的物性并参考相关文献报道，为了进一步提高流程模拟的准确性，该流程模拟的物性方法选用PENG-ROB。

2 结果与讨论

2.1 流程模拟结果

模拟新鲜气中各组分的含量，如表1所示。

表1 模拟新鲜气中各组分含量

通过建立的甲醇合成流程模型，模拟得到的粗甲醇、甲醇合成反应器1出口和甲醇合成反应器2出口中各组分含量，如表2所示。

表2 各流股组分含量

从表2可以看到，粗甲醇中甲醇的含量为93.32mol%，其余为水以及少量未反应物，这一数据与实际生产装置比较接近。反应器1 出口物料中H2、CO、CO2、甲醇含量分别为73.46mol%、4.47mol%、2.63mol%、13.80mol%，反应器2 出口物料中H2、CO、CO2、甲醇含量分别为71.93mol%、2.35mol%、2.58mol%、17.03mol%。

2.2 循环比对系统的影响

循环比指循环气量与新鲜气和回收氢气总量的比值，是甲醇合成流程中重要的参数之一，对整个甲醇合成过程有较大影响。循环比的大小会直接影响装置消耗以及粗甲醇的产量与质量。因此，基于上述模拟流程着重讨论循环比对粗甲醇产量、碳转化率、粗甲醇含量及循环气压缩机功耗的影响。分析结果，分别如图2、图3、图4、图5所示。

图2 循环比对粗甲醇产量的影响

图3 循环比对碳转化率的影响

图4 循环比对粗甲醇含量的影响

图5 循环比对循环气压缩机功耗的影响

由图2、图3 可知，随着循环比的增大，粗甲醇产量与碳转化率逐渐提高，但增加幅度很小。循环比由1.06增加到2.26，增加幅度为113%，而粗甲醇产量由2 430kmol/h 提高到2 505kmol/h，碳转化率由96.02%提高到98.25%，二者均为小幅度增长。这主要是由于随着循环比的增大，一方面提高了反应的总转化率，使得粗甲醇产量与碳转化率提高；另一方面，随着循环比的增大，循环量增加，稀释了进入反应器的反应物浓度，导致反应速度降低。所以，综合两方面因素，随着循环比的增大，粗甲醇产量与碳转化率均提高，但增加幅度很小。

由图4可知，随着循环比的增大，粗甲醇含量逐渐减小，循环比由1.06 增加到2.26，粗甲醇含量由93.5mol%降低至92.8mol%。主要原因是随着循环比的增加，稀释了进入反应器的反应物浓度，再叠加副反应的影响，导致粗甲醇含量逐渐减小。

由图5 可知，随着循环比的增大，循环气压缩机功耗增加。循环比由1.06增加到2.26，循环气压缩机功耗由899kW 增加到1 788kW，二者的变化率接近线性关系。这是因为随着循环比的增加，进入循环气压缩机的循环气量相应增加，而压缩机压比几乎不变，因此导致循环气压缩机功耗相应增加。

3 结论

1）模拟得到粗甲醇中甲醇的含量为93.32mol%，这一数据与实际生产装置比较接近。反应器1出口物料中H2、CO、CO2、甲醇含量分别为73.46mol%、4.47mol%、2.63mol%、13.80mol%，反应器2出口物料中H2、CO、CO2、甲醇含量分别为71.93mol%、2.35mol%、2.58mol%、17.03mol%。

2）随着循环比的增大，粗甲醇产量与碳转化率逐渐提高，但增加幅度很小。循环比由1.06增加到2.26，粗甲醇产量由2 430kmol/h 提高到2 505kmol/h，碳转化率由96.02%提高到98.25%。

3）随着循环比的增大，粗甲醇含量逐渐减小，循环比由1.06增加到2.26，粗甲醇含量由93.5mol%降低至92.8mol%。

4）随着循环比的增大，循环气压缩机功耗增加。循环比由1.06 增加到2.26，循环气压缩机功耗由899kW 增加到1 788kW。