大型甲醇合成反应器工况的数值分析

2006 年 6 月 Journal of Chemical Engineering of Chinese Universities June 2006文章编号：1003-9015(2006)03-0489-05

大型甲醇合成反应器工况的数值分析

石玉千, 李涛, 应卫勇, 房鼎业

(华东理工大学化工学院, 上海 200237)

摘要：年产40万吨甲醇合成反应器由两个绝热-管壳复合型反应器并联组成，并共用一个汽包。以CO、CO2加氢合

成甲醇的两个平行反应为独立反应，CO和CO2为关键组分建立一维拟均相数学模型，用龙格-库塔法求解，获得催化

床内各组分的摩尔分率和床层温度随轴向的分布。针对以天然气为原料的甲醇生产装置，模拟计算了各操作参数，如

沸腾水压力和温度、操作压力，对反应器性能的影响，讨论了催化剂不同时期的反应器操作条件。此模型计算预测值

与实际生产数据吻合良好。

关键词：绝热-管壳催化床；甲醇合成；反应器；数学模型；工况分析

中图分类号：TQ031.2；TQ223.121；TQ018 文献标识码：A

Simulation and Analysis of the Operating Conditions of Methanol Synthesis Converter

SHI Yu-qian, LI Tao, YING Wei-yong, FANG Ding-ye

(College of Chemical Engineering, East China University of Science and Technology, Shanghai 200237, China)

Abstract: The 4×105t⋅y−1 methanol synthesis converter is composed of two parallel adiabatic and tube-shell reactors. An one-dimensional pseudo-homogenous model of converter was developed with hydrogenations of CO and CO2 as the independent reactions as well as CO and CO2 as the key components, and the model was solved by Rung-Kutta method to obtain the axial profiles of temperature and gaseous concentration in the bed. The effects of operating conditions, such as the boiling water temperature and the operating pressure, on the performance of the methanol synthesis converter with the natural gas as raw material were discussed. A stable productivity can be maintained by adjusting the main operating conditions mentioned above in different period. The predicted values of the temperature distribution along the axial position and the yield are almost the same as the practical data obtained from an operating 1×105 t⋅y−1 converter in a factory.

Key words:adiabatic and tube-shell catalytic bed; methanol synthesis; reactor; mathematical model;

simulation analysis

1前言

甲醇不仅是重要的有机化工原料，还是性能优良的能源和车用燃料[1]。同时随着石油资源的不断开采和利用，以煤、天然气为原料，由甲醇制烯烃的工艺路线越来越显示出重要性[1,2]。甲醇的生产正朝着大型化、单系列、低压法方向发展。ICI多段绝热段间冷激型[3]、Lurgi管壳副产蒸汽型[4]、Casale轴径向流动型[5]、 Linde副产蒸汽型[6]等多种形式的反应器均可实现大型化生产，其中Lurgi公司提出的超大型甲醇生产工艺[7]更易于工业化生产。

我国已有年产20万吨甲醇生产装置[8]，目前正在规划和设计年产40~60万吨甲醇生产装置。对于大型甲醇合成反应器，由于直径较大，对远离港口的地区在运输上存在一定问题。针对此问题，开发了新型甲醇合成反应器，该反应器由两个绝热-管壳复合型反应器并联组成，并共用一个汽包，如图1所示。此反应器内径3.6m，便于铁路、公路运输。绝热-管壳复合型反应器具有如下优点：在管板上部有一绝

收稿日期：2004-08-26；修订日期：2005-03-21。

作者简介：石玉千(1980-)，男，山东鄄城人，华东理工大学硕士生。通讯联系人：应卫勇，E-mail：wying@ecust. edu. cn

开工简单。

作参数对反应器性能的影响。

2催化床数学模型

甲醇合成反应体系存在CO、CO2、H2

H2O等组分，主要反应为：

CO+2H2CH3OH

CO2+3H2CH32

CO2+H2CO+H2O (3)

建立数学模型时，选择反应(1)和(2)两个平行反应为独立反应，CO和CO2 为关键组分。

2.1物料衡算

由物料衡算得催化床中瞬时摩尔流量N与反应器进口摩尔流量N in之间的关系为：

22

in CO,in CO,in CO CO

(122)/(122)

N N y y y y

=−−−−(4) 催化床中各组分摩尔分率可由式(5)计算。

2222

H H,in CO,in CO,in CO CO

(23)23

y y y y B y y

=−−×++

22

m m,in CO,in CO,in CO CO

()

y y y y B y y

=++×−−，

22

N N,in

y y B

=×(5)

2222

H O H O,in CO,in CO

()

y y y B y

=+×−，

44

CH CH,in

y y B

=×

式中

22

CO CO CO,in CO,in

(122)/(122)

B y y y y

=−−−−

2.2一维拟均相数学模型

应卫勇等[8]建立了管壳型甲醇合成反应器催化床的二维数学模型，结果表明径向最大温度差2.4℃，甲醇浓度差0.0002%，CO浓度差0.0009%，CO2浓度差0.0009%，由此可知，可采用一维拟均相模型来简化二维数学模型。在床层轴向高度L处取厚度为d L的微元圆柱体进行物料衡算和热量衡算，并整理，得

22

CO OR b

CO CO CO CO CO CO

d

[(12)2]/(122)

d

y C A

r y r y y y

L D

ρ

=−−−×−−(6)

2

2222

CO OR b

CO CO CO CO CO CO

d

[(12)2]/(122)

d

y C A

r y r y y y

L D

ρ

=−−−×−−(7)

绝热段

22

b OR b

RCO CO RCO CO

pb

d

[()()]

d

t C A

H r H r

L NC

ρ

=−∆+−∆(8)

管壳段

22

b OR b

RCO CO RCO CO

pb

d

[()()]

d

t C A

H r H r

L NC

ρ

=−∆+−∆bw t a

b w

T pb

()

K m d

t t

N C

π

−−(9)

边界条件：L=0时，

22

b b,in CO CO,in CO CO,in

,,

t t y y y y

===。

式中

22

2

in CO,in CO,in CO CO

(122)/(122)

D N y y y y

=−−−−

式(6)至式(9)为固定床的一维数学模型。用龙格-库塔法求解上述微分方程组，可得固定床温度、各组分组成沿催化床轴向分布。

2.3基础数据

CO、CO2加氢合成甲醇反应本征动力学采取Langmuir-Hinshelwood方程[9]，反应(1)和(2)的热效应、以逸度表示的平衡常数、加压下混合气体的恒压热容、导热系数、粘度的计算见文献[10]。

图1 甲醇合成反应器示意图

Fig .1 Mathanol synthesis converter