一種合成氣一步法制二甲醚動態(tài)建模方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種合成氣一步法制二甲醚動態(tài)建模方法。本發(fā)明結(jié)合原子物料守恒、反應(yīng)動力學方程及能量守恒方程,首次提出通過將熱量損失計入能量守恒方程進行迭代計算判斷反應(yīng)器內(nèi)的溫度是否合理,進而計算反應(yīng)器內(nèi)的組分,為合成氣一步法制二甲醚動態(tài)建模提出了一種新的方法。在計算過程中,首先假定合成氣一步法制二甲醚反應(yīng)器內(nèi)的溫度及各組分的量,通過物料平衡方程、反應(yīng)動力學方程計算反應(yīng)器內(nèi)組分含量,然后通過能量平衡方程判斷假定的溫度是否合理。本發(fā)明初次提出一種合成氣一步法制二甲醚反應(yīng)器動態(tài)建模方法,為合成氣一步法制二甲醚的動態(tài)建模計算提供了一條新的途徑。
【專利說明】一種合成氣一步法制二甲醚動態(tài)建模方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于化工【技術(shù)領(lǐng)域】,涉及一種合成氣一步法制二甲醚動態(tài)建模方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 二甲醚是一種基本的化工原料,在制藥、燃料、農(nóng)藥等化學工業(yè)中有廣泛的應(yīng)用。 二甲醚可用作溶劑和麻醉劑等,也可代替氟利昂用作氣溶膠噴射劑和致冷劑,減少氟利昂 對大氣污染和臭氧層的破壞;其與LPG的物理性質(zhì)類似,可作為清潔能源使用;也可以用于 聯(lián)合循環(huán)發(fā)電裝置中的燃料。
[0003] 目前,二甲醚的合成方法主要有兩種,分別為甲醇脫水制取二甲醚與合成氣一步 法直接制取二甲醚。其中,合成氣一步法直接制取二甲醚是將水煤氣變換、合成甲醇和甲醇 脫水反應(yīng)合為一步。一步法合成二甲醚打破了單純甲醇合成二甲醚過程中的熱力學限制, 增大了反應(yīng)的推動力,大幅度提高了 C0的轉(zhuǎn)化率,且具有流程短、設(shè)備規(guī)模小、操作壓力低 等特點,生產(chǎn)費用較甲醇脫水制取二甲醚大幅下降。
[0004] 近年來,合成氣一步法制二甲醚的研究主要集中在催化過程中催化劑的研究、工 藝參數(shù)的優(yōu)化計算、合成過程中的熱力學分析及動力學模擬方面的研究等。隨著二甲醚市 場的開拓,其需要量日益增大,而目前研究開發(fā)的模型較偏向理想化,因此,開發(fā)一種合成 氣一步法制二甲醚動態(tài)模型顯得尤為必要。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005] 本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的不足,提出了一種合成氣一步法制二甲醚動態(tài)建模方法。 在復合催化劑的作用下,合成氣一步法直接合成二甲醚的主要反應(yīng)有甲醇合成、甲醇脫水 及水氣變換: 甲醇合成反應(yīng): C0+2H2芑 CH30H 甲醇脫水反應(yīng): 2CH30H# CH30CH3 (DME) + H20 水氣變換反應(yīng): CO + H20尹H2 + C02 在合成氣一步法直接合成二甲醚動態(tài)建模過程中,主要通過以下四個具體步驟完成反 應(yīng)器的動態(tài)建模。
[0006] 步驟(1 ),建立從某一個初始時刻t到下一個時刻t+ Λ t之間的動態(tài)建模過程中的 物料平衡方程,具體是: 已知t時刻反應(yīng)器內(nèi)各組分的物質(zhì)的量、進料組分及流量,在反應(yīng)器中,先將t時刻反 應(yīng)器內(nèi)的物料與Δ t時間段內(nèi)的進料物質(zhì)混合,視為此輪計算的初始反應(yīng)物;建立物料平 衡方程,其模型表達式為: - ---
【權(quán)利要求】
1. 一種合成氣一步法制二甲醚動態(tài)建模方法,其特征在于該方法包括以下步驟: 步驟(1 ),建立從某一個初始時刻t到下一個時刻t+ Λ t之間的動態(tài)建模過程中的物料 平衡方程,具體是: 已知t時刻反應(yīng)器內(nèi)各組分的物質(zhì)的量、進料組分及流量,在反應(yīng)器中,先將t時刻反 應(yīng)器內(nèi)的物料與At時間段內(nèi)的進料物質(zhì)混合,視為此輪計算的初始反應(yīng)物;建立物料平 衡方程,其模型表達式為:
式中,Μ為此輪計算初始反應(yīng)物的量,mol ;i\it為反應(yīng)器內(nèi)原有物料的累積量,mol ; 為進料組分i的摩爾流量,單位為mol/h ;At為每輪計算所需的時間,h ; 反應(yīng)器At內(nèi)進入的物料、t內(nèi)積累的物料與t+At時刻反應(yīng)開始后物料尊循原子守 恒,其模型如下: 氫V
氧B。=
碳V
式中,為t+Λ t時刻,反應(yīng)開始后j元素的原子總數(shù);F;為t時刻反應(yīng)器內(nèi)累積的元 素 j的原子總數(shù)為Λ t時刻內(nèi)進入反應(yīng)器內(nèi)的物料中元素 j的原子總數(shù),j分別表示 氫、氧、碳元素中的一種; 步驟(2),假定反應(yīng)器溫度的初值T,從已知文獻中查找有關(guān)合成甲醇、甲醇脫水及水 氣變換的動力學模型,選擇模型結(jié)果與實驗值相對誤差較小的方程,合成甲醇、甲醇脫水及 水氣變換的速率方程rKr 2、r3可分別寫為:
其中,kKk2、k3分別為合成甲醇、甲醇脫水及水氣變換的的速率常數(shù);
、
分別為
的吸附平衡常數(shù)
分別 為合成甲醇、甲醇脫水及水氣變換的化學平衡常數(shù),Pi為組分i的分壓,Kpar 為組分i的 濃度,mol/1 ; 通過甲醇合成、甲醇脫水、水氣變換反應(yīng)的速率方程,可分別寫出甲醇Μ、二甲醚D和二 氧化碳C的反應(yīng)速率方程為:
式中,α為已知復合催化劑配比,呎為已知甲醇合成催化劑的質(zhì)量,為已知甲 醇脫水催化劑的質(zhì)量,g ;f%、w4、《6分別表示甲醇、二甲醚、和二氧化碳初始的量 聯(lián)立原子守恒方程與甲醇、二甲醚和二氧化碳的速率方程,即可求解出當前溫度壓力 下對應(yīng)的物料組成; 步驟(3),根據(jù)能量平衡方程,建立反應(yīng)器內(nèi)的能量平衡模型,計算在? +Δ?時間段反 應(yīng)器內(nèi)物料的總焓值,其表達式如下:
式中,人為反應(yīng)器內(nèi)累積物料的總焓值,盡為?時刻反應(yīng)器內(nèi)累積物料的摩爾焓, KJ/mol ;Δ?為反應(yīng)器內(nèi)每輪計算所需要的時間,h 為進料物流的摩爾焓(可以是多股 進料),KJ/mol ;1Q+為外界提供反應(yīng)器的熱量,kj/h 為熱損失的量,kj/h ; 計算過程中,忽略輻射傳熱;在反應(yīng)器內(nèi)部氣體與保溫層內(nèi)壁的對流換熱屬于內(nèi)強制 對流換熱,其對流傳熱系數(shù)的計算公式為:
式中,心為爐內(nèi)氣體對流傳熱系數(shù),WVOn2 ·°?:) ;1為氣體在平均溫度下的導熱系 數(shù),WAm · °C ) ;ν為氣體在平均溫度下的運動粘度,^2 /s 為氣體在平均溫度下的普 朗特準數(shù);d#為當量直徑,m;1Q為氣體溫度與保溫層內(nèi)壁溫度的修正系數(shù);為受熱面 的相對長度修正系數(shù);5為輻射換熱修正系數(shù);WV為氣體流速,m/s 保溫層內(nèi)壁溫 度,°C ;平均溫度為反應(yīng)器內(nèi)部氣體溫度與保溫層內(nèi)壁溫度的平均值; 在內(nèi)外介質(zhì)溫度保持不變的情況下,反應(yīng)器通過壁面向外傳熱損失的熱量恒定不變, 因此,單位面積通過對流傳熱的熱損失為:
假設(shè)保溫層與器壁在同一時刻始終在熱平衡狀態(tài),穩(wěn)定傳熱時,保溫層壁內(nèi)外之間的 熱通量相等,由傳熱邊界條件得:
式中,Tw為保溫層外壁溫度,°C ;h為平均對流傳熱系數(shù),撕/( m2 · °C);可通過上式根 據(jù)已知的保溫層外壁溫度Tw求出器壁外側(cè)溫度Tw。; 在確定空氣溫度為t的情況下,通過上述傳熱邊界方程可推測計算空氣在自然對流狀 態(tài)下的對流傳熱系數(shù)~:
根據(jù)&值是否在1?lOW/im2 ' T)之間,確定假設(shè)的保溫層內(nèi)壁溫度是否合理;若 久的值超過這個取值范圍,則重新假定保溫層內(nèi)壁溫度,重新開始計算;如果合理,則繼續(xù) 計算反應(yīng)爐內(nèi)總的傳熱系數(shù):
式中,lip /1.2分別為內(nèi)外側(cè)壁表面與流體的對流傳熱系數(shù),?ν/〇2·τ) 為構(gòu)成 反應(yīng)爐壁各層材料的導熱系數(shù),tr/X m2 * ?) 反應(yīng)器壁各種材料的厚度,m ; 通過總的傳熱系數(shù),有效傳熱面積A,計算反應(yīng)器內(nèi)熱量的總損失:
步驟(4),由于物料的摩爾焓為溫度、壓力及組成的函數(shù),其表達式為:
據(jù)能量平衡方程,反應(yīng)前后的總能量應(yīng)該相等,建立反應(yīng)器內(nèi)的能量平衡模型,表達 式如下,其中,ζΜ--Μ為反應(yīng)后物料的總焓值:
若Δ//<匕則輸出計算結(jié)果;若則返回步驟(2),估算新的溫度T,重新開始計 笪
【文檔編號】G06F19/00GK104298864SQ201410520325
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年9月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月30日
【發(fā)明者】魏江, 葛銘, 葛文鋒, 鄭小青, 鄭松, 李小爽 申請人:杭州電子科技大學