甲烷化反應(yīng)器的Aspen Plus模擬與優(yōu)化

彭淑靜，周艷軍，婁玉爽

(遼寧工業(yè)大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，遼寧 錦州 121001)

甲烷化反應(yīng)器的Aspen Plus模擬與優(yōu)化

彭淑靜，周艷軍，婁玉爽

(遼寧工業(yè)大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，遼寧 錦州 121001)

利用Aspen Plus化工流程模擬軟件，分別選擇平衡反應(yīng)器和平推流反應(yīng)器模型，對(duì)錦西天然氣化工有限公司甲烷化反應(yīng)器進(jìn)行了模擬，并將模擬結(jié)果與工廠的實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較與分析。通過考察溫度和壓力對(duì)甲烷等組分含量的影響，確定了適宜的溫度和壓力，實(shí)現(xiàn)了對(duì)甲烷化反應(yīng)器優(yōu)化的目的。

甲烷化反應(yīng)器；Aspen Plus；模擬；優(yōu)化

所謂甲烷化，是指合成氣中CO、CO2和H2在一定的溫度、壓力及催化劑作用下，進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)生成甲烷CH4的過程[1]。甲烷化過程的主要作用是將混合氣中對(duì)后續(xù)過程催化劑具有毒害作用的CO和CO2轉(zhuǎn)化為甲烷，已達(dá)到除去CO和CO2的目的。為了使合成氨工業(yè)中氨合成工序的催化劑免于中毒失活，必須在甲烷化工序充分脫除工藝氣中的CO2，使吸收塔出口的工藝氣中CO2的摩爾含量在0.1%以下[2-3]。在甲烷化工藝中，溫度和壓力是甲烷合成反應(yīng)過程的重要工藝條件，溫度和壓力的變化會(huì)影響甲烷的含量，因此需要對(duì)甲烷反應(yīng)器進(jìn)行模擬與優(yōu)化。本文選擇鎳基催化劑為最終催化劑，結(jié)合錦天化的實(shí)際生產(chǎn)工藝數(shù)據(jù)，利用Aspen Plus軟件，選擇平衡反應(yīng)器和平推流反應(yīng)器模型進(jìn)行模擬優(yōu)化。

1 甲烷化工藝

根據(jù)錦天化合成氨甲烷化工藝的特點(diǎn)，用Aspen Plus軟件繪制甲烷化工藝流程?；旌蠚馔ㄟ^閥門一部分氣體進(jìn)入反應(yīng)器，另一部分經(jīng)過換熱器1再經(jīng)過換熱器2最后進(jìn)入反應(yīng)器發(fā)生甲烷化反應(yīng)，然后反應(yīng)后的氣體再經(jīng)過換熱器1進(jìn)入下一流程。錦天化實(shí)際甲烷化工藝使用的是J103H催化劑，該催化劑適用于合成氣或乙烯裝置氫氣中含較低濃度的CO、CO2氣體的甲烷化。最高允許CO+CO2含量2%～3%。通過改變甲烷化爐入口溫度和反應(yīng)壓力對(duì)甲烷化工藝進(jìn)行優(yōu)化。根據(jù)所使用的J103H催化劑的特性[4]，選擇溫度在250～500 ℃之間，每隔10 ℃變換一次溫度，反應(yīng)壓力在0.5 MPa～5 MPa之間，每隔0.5 MPa改變一次反應(yīng)壓力，進(jìn)行優(yōu)化模擬。將模擬結(jié)果與錦天化的實(shí)際數(shù)據(jù)相比較，通過分析得到甲烷化工藝的甲烷化爐入口的最佳溫度和反應(yīng)壓力條件。

2 甲烷化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程

所選的催化劑為J103H催化劑，其動(dòng)力學(xué)方程如下：

rCH4=0.1380×10-4exp[-46944/(RT)]pCO0.58pH20. 52

(1)

rCO2=1.4792×10-4exp[--58349/(RT)]pCO0.58pH2O0.98(1-β)

(2)

其中 rCH4，rCO2為甲烷化反應(yīng)、變換反應(yīng)的反應(yīng)速率，kmol/(h·kg)；R為氣體常數(shù)，8.314 J/(mol·K)；T為反應(yīng)溫度，K；P為反應(yīng)壓力，Pa；β為趨近因子，無(wú)量綱。

3 結(jié)果與分析

3.1 利用平衡反應(yīng)器模型優(yōu)化

不同甲烷化爐入口溫度下模擬的出甲烷化爐氣體含量如圖1所示?？梢钥闯?，在310 ℃時(shí)出甲烷化爐氣體組成中CH4濃度最大而CO和CO2的濃度最小，之后再提高甲烷化入口溫度，由于CO和 CO2幾乎已經(jīng)完全反應(yīng)了，所以三種氣體的濃度幾乎沒有變化。從熱力學(xué)上來(lái)說，升高溫度對(duì)于甲烷化反應(yīng)不利，從動(dòng)力學(xué)上來(lái)說，升高溫度，反應(yīng)速率加快，這對(duì)甲烷化反應(yīng)有利，綜合考慮，310 ℃為適宜的反應(yīng)溫度。

圖1 不同入口溫度下CO，CO2和CH4含量曲線圖

不同反應(yīng)壓力下出甲烷化爐氣體的含量如圖2所示?？梢钥闯觯? MPa時(shí)出甲烷化爐氣體組成中CH4濃度最大而CO和CO2的濃度最小，之后再增加反應(yīng)壓力，由于CO和 CO2幾乎已經(jīng)完全反應(yīng)了，所以三種氣體的濃度幾乎沒有變化。從動(dòng)力學(xué)角度來(lái)看，壓力升高，反應(yīng)速率加快，從化學(xué)平衡角度來(lái)看，壓力升高，反應(yīng)平衡向生成甲烷的方向移動(dòng)。提高反應(yīng)器操作壓力，有利于甲烷產(chǎn)量的增加，考慮到熱點(diǎn)溫度升高對(duì)催化劑活性的影響，反應(yīng)器的操作壓力不能過高。因此，甲烷化反應(yīng)的適宜壓力為3MPa。

圖2 不同反應(yīng)壓力下CO，CO2和CH4的含量曲線圖

3.2 利用平推流反應(yīng)器模型優(yōu)化

不同甲烷化爐入口溫度下平推流反應(yīng)器模擬的出甲烷化爐氣體含量如圖3所示?？梢钥闯?，在320 ℃時(shí)出甲烷化爐氣體組成中CH4濃度最大而CO和CO2的濃度最小，之后再提高甲烷化入口溫度，由于CO和 CO2幾乎已經(jīng)完全反應(yīng)了，所以三種氣體的濃度幾乎沒有變化?？梢姡m宜的溫度為320 ℃。

圖3 不同入口溫度下CO，CO2和CH4含量曲線圖

不同反應(yīng)壓力下出甲烷化爐氣體的含量如圖4所示。可以看出，在3 MPa時(shí)出甲烷化爐氣體組成中CH4濃度最大而CO和CO2的濃度最小，之后再增加反應(yīng)壓力，由于CO和 CO2幾乎已經(jīng)完全反應(yīng)了，所以三種氣體的濃度幾乎沒有變化。可見，適宜的壓力為3 MPa。

3.3 確定適宜的反應(yīng)器及操作條件

由以上內(nèi)容可以得出，甲烷化平衡反應(yīng)器的最佳進(jìn)口溫度為310 ℃，反應(yīng)壓力為3 MPa。甲烷化平推流反應(yīng)器的最佳進(jìn)口溫度為320 ℃，反應(yīng)壓力為3 MPa。在該操作條件下，分別用Aspen Plus軟件進(jìn)行模擬，將模擬結(jié)果與錦天化出甲烷化爐的氣體組成相比較。如表1所示。由表中的數(shù)據(jù)可以得出，平推流反應(yīng)器的模擬結(jié)果更與實(shí)際數(shù)據(jù)相近，所以最佳反應(yīng)器選用平推流反應(yīng)器。

圖4 不同反應(yīng)壓力下CO，CO2和CH4的含量曲線圖

表1 出甲烷化爐氣體的模擬與實(shí)際組成

4 結(jié)論

本文運(yùn)用Aspen Plus軟件對(duì)錦西天然氣化工有限公司甲烷化反應(yīng)器建立了平衡反應(yīng)器和平推流反應(yīng)器模型，得到了模擬結(jié)果。分析了溫度和壓力對(duì)各組分含量的影響，得出平衡反應(yīng)器下，適宜的溫度為310 ℃，壓力為3 MPa；平推流反應(yīng)器下適宜的溫度為320 ℃，反應(yīng)壓力為3 MPa，且平推流反應(yīng)器的模擬結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)更為相近，通過對(duì)甲烷化合成反應(yīng)器的模擬與優(yōu)化，為甲烷化反應(yīng)的實(shí)際生產(chǎn)操作和研究開發(fā)提供了一定的指導(dǎo)意義。

[1] 張 成.CO與CO2甲烷化反應(yīng)研究進(jìn)展[J].化工進(jìn)展, 2007, 26(9):1269-1273.

[2] 詹雪新. 合成氣甲烷化反應(yīng)器及其回路的模擬[D].上海： 華東理工大學(xué) , 2011.

[3] 譚 雷.煤氣甲烷化反應(yīng)器數(shù)學(xué)模擬[J].化學(xué)工藝，2012，12(3):36-40.

[4] 藺華林,李克健，趙利軍. 煤制天然氣高溫甲烷化催化劑研究進(jìn)展[J].化工進(jìn)展.2011，8(3): 217-220.

(本文文獻(xiàn)格式：彭淑靜，周艷軍，婁玉爽.甲烷化反應(yīng)器的Aspen Plus模擬與優(yōu)化[J].山東化工，2017，46(20)：127-128.)

SimulationandOptimizationofMethanationEquipment

PengShujing,ZhouYanjun,LouYushuang

(Chemical amp; Environmental Engineering College, Liaoning University of Technology, Jinzhou 121001, China)

The methanation reactor based on the actual production of Jinxi Natural Gas Chemical Co., Ltd was simulated by means of Aspen Plus software with equilibrium and plug flow model, respectively. The simulation results were studied and compared with the actual data of factory as well. The effects of temperature and pressure on the content of methanation and other components were analyzed and appropriate temperature and pressure conditions were determined. The optimization of methanation reactor was preliminary established.

methanation reactor; Aspen Plus; simulation; optimization

2017-08-22

遼寧省教育廳一般研究項(xiàng)目(L2015236)

彭淑靜(1982—)，女，江西上高人，講師，博士，主要從事粉體材料的研究。

TQ223. 12

A

1008-021X(2017)20-0127-02