基于Aspen Dynamics的甲醇合成塔動態模擬

，，

(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，還是性能優良的清潔能源和車用燃料[1，2]。甲醇的生產朝著單系列大型化低壓法的方向發展[3]，其原料已實現多樣化。某年產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公司開發的一種管束型副產蒸汽的合成塔[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態模擬的基礎上，應用Aspen Dynamics軟件對甲醇合成塔進行動態模擬，分析、研究其溫度控制及操作問題，從而得到最優的工藝操作參數，為裝置的優化控制提供參考，同時指導實際生產。

1 甲醇合成裝置穩態模擬

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，生成反應產物；反應產物從催化劑表面解析到周圍環境中等3個基本步驟[10]。

1.2 甲醇合成裝置穩態模擬

利用Aspen Plus對甲醇合成裝置建立模擬模型，進行全流程穩態模擬計算。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據(表1)；進料溫度為40 ℃、壓力為6.8 MPa、流量為8 500 m3/h。

圖1 甲醇合成裝置穩態模擬流程圖

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，經甲醇分離器分離出來的氣體小部分放空，大部分作為循環氣，與新鮮原料氣混合后作為合成氣。經過模擬，取合成塔出口數據與該廠實際采集數據作對比(表2)。

表2 模擬結果與實際采集數據的對比

由表2可以看出，模擬輸出數據與實際生產采集數據比較吻合，模擬計算結果對實際生產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 甲醇合成塔動態模擬

在Aspen Dynamics動態模擬中，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。

甲醇合成塔動態模擬流程如圖2所示。

圖2 甲醇合成塔動態模擬流程圖

Lrugi型甲醇合成塔為低壓恒溫并副產蒸汽的反應器，其催化劑床層溫度是最重要的工藝控制參數，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沸騰水的蒸汽壓力來實現的。

3 模擬結果及分析

以實際生產數據作參考，通過Aspen Dynamics對甲醇合成塔進行動態模擬，分析并確定反應器最優的操作控制參數。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)，并設置好其他參數后進行動態模擬。

3.1 各控制參數波動情況

反應器的溫度控制受多變量的影響。在動態模擬中，主要通過控制沸騰水壓力來控制反應器溫度。動態模擬的特點主要是，在穩態模擬的基礎上加入時間因素，考慮各過程參數隨時間的變化情況。在模擬過程中，設定沸騰水的進料量不變的情況下，在Aspen Dynamics中建立動態模擬控制參數波動圖，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。動態模擬控制參數波動如圖3所示。

圖3 動態模擬控制參數波動圖

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定。這一完整的循環控制動作實現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。據實際生產情況看，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，此狀態下對應的熱點溫度為263.749 4 ℃，沸騰水壓力為2.571 428 MPa。此數值與動態模擬控制參數波動圖完全吻合。

4 結 論

通過對Lurgi型甲醇合成塔進行動態模擬，結合某廠的生產實際，主要對反應器溫度的控制，以及其對各生產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，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，也可為后續的優化控制提供重要參考。

參考文獻：

[1]Jean-Paul Lange. Methanol synthesis: a short review of technology improvements[J]. Catalysis Today，2001(64)：3～8.

[2]應衛勇，曹發海，房鼎業編著.碳一化工主要產品生產技術 [M].北京:化學工業出版社，2004.

[3]胡國靜，張樹增，王鍵紅. Lurgi型甲醇合成反應器的動態模擬[J].計算機與應用化學，2006，23(9):849～852.

[4]應衛勇，房鼎業，朱炳辰，等.大型甲醇合成反應器模擬設計 [J].華東理工大學學報，2000， 25(1):5～9.

[5]宋維端，朱炳辰，王弘軾，等.C301銅基催化劑甲醇合成反應動力學——(Ⅰ)本征動力學模型[J].化工學報，1988，66(4)：401～408.

[6]應衛勇，房鼎業，朱炳辰.C302銅基催化劑上甲醇合成反應宏觀動力學[J].華東理工大學學報，2000，26(1)：1～4.

[7]李忠，謝克昌編著.煤基醇醚燃料[M].北京：化學工業出版社，2011.

[8]石玉千，李濤， 應衛勇，等.大型甲醇合成反應器工況的數值分析[J].高校化學工程學報，2006， 20(3):489～493.

[9]陳霽威，黃道.Aspen Plus對甲醇合成流程的模擬研究[C].中國控制與決策學術年會論文集，2001:991～994.

[10]William L. Luyben. Design and Control of a Methanol Reactor/Column Process[J]. Ind. Eng. Chem. Res.2010，49，6150～6163.

[11]Suzana Yusup， Nguyen Phuong Anh & Haslinda Zabiri. A Simulation Study of an Industrial Methanol Reactor Based on Simplified Steady -State Model[J]. IJRRAS，2010，5(3).