第3期(總第142期)煤化工No.3(Total No 142)2009年6月Coal Chemical industJun.2009合成氣一步法制二甲醚吸收塔的模擬研究劉佳黃偉(太原理工大學(xué)煤科學(xué)與技術(shù)教育部和山西省重點實驗室,太原030024)摘要利用 Aspen Plus軟件對合成氣一步法生產(chǎn)二甲醚工藝中的二甲醚吸收塔進行了模擬計算。考察了在獲得相同二甲醚吸收率下,不同吸收劑的用量、不同吸收劑對整個工藝能耗的影響。此外,還考察了氣液比(G/L)、壓力、溫度、CO2相對含量等工藝參數(shù)對二甲醚吸收率的影響。結(jié)果表明,在達到相同二甲醚吸收率下,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為64%左右的甲醇水溶液作為吸收劑時,吸收劑用量最少,甲醇作吸收劑時工藝能耗最少,并且吸收壓力和溫度對二甲醚吸收率的影響最明顯。本實驗條件下,吸收壓力應(yīng)在2.0MPa~3.OMPa、吸收溫度應(yīng)在20℃40℃、G/L在70-100為宜。關(guān)鍵詞二甲醚一步法吸收塔 Aspen plus文章編號:10059598(2009)-030007-04中圖分類號:TQ052.5文獻標(biāo)識碼:A二甲醚(DME)是一種基本有機化工原料,其用途醇水溶液為吸收劑的吸收行為,考察了吸收塔的一些廣泛,可以替代氯氟烴作氣霧劑、制冷劑和發(fā)泡劑,可影響因素,為一步法DME生產(chǎn)裝置的設(shè)計提供了一定以用于合成低碳烯烴,也可代替柴油和液化氣,被譽的理論依據(jù)為21世紀(jì)的潔凈燃料。合成氣一步法制DME工藝簡單、操作費用低,近1流程模擬年來得到了迅速發(fā)展。但是一步法合成DME相對11流程于兩步法而言,產(chǎn)物復(fù)雜,必須經(jīng)過多步分離精制才合成氣(H2:CO=1:1)進人一步法制DME反應(yīng)器,能得到純度較高的二甲醚。一步法二甲醚合成產(chǎn)品的出來的反應(yīng)尾氣經(jīng)換熱后進入吸收塔,基于課題組合分離主要是通過吸收和精餾等化工單元操作完成,其成實驗結(jié)果,進人塔氣體中DME4%-8%、CQ24%-10%中吸收是精餾的基礎(chǔ),直接影響精餾工藝操作條件的其余為H2、C0,并有少量的CH4、CHOH、HO。選擇不同濃選擇,而此方面研究相對較少。度的甲醇水溶液作為吸收劑,對氣體進行逆流吸收Aspen Plus是基于穩(wěn)態(tài)化工模擬、優(yōu)化、靈敏度研究其對DE吸收率的影響,以及在達到相同DME吸分析和經(jīng)濟評價的大型化工流程模擬軟件。 Aspen收率時,各濃度吸收劑的用量以及對能耗的影響,在Pus從物性數(shù)據(jù)庫、單元過程的數(shù)學(xué)模型到求解過此基礎(chǔ)上以優(yōu)化濃度的甲醇水溶液作為吸收劑考察程都作了大量的理論工作,基本上覆蓋了所有可能的了氣液比、壓力、溫度、C2相對含量對DME吸收率的化過程及體系可節(jié)省實驗時間與設(shè)備投資影響。實驗流程示意圖如圖1所示。本文在前期工作基礎(chǔ)上,采用 Aspen Plus對DME吸收過程進行了模擬研究,鑒于一步法合成DME的產(chǎn)物中有甲醇和水,從降低成本考慮,重點研究了以甲收劑基金項目:國家重大基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項目(a20082240)反應(yīng)尾吸收塔和國家自然科學(xué)基金(No.20471040)。收稿日期:20090303TYH中國煤化工作者簡介:劉佳(1983—),女,2006年畢業(yè)于蘭州交通CNMH大學(xué)化學(xué)工程與工藝專業(yè),在讀碩士研究生,主要從事合0H、H0成氣一步法制二甲酸分離工藝的研究。圖1DME吸收過程流程示意圖煤化工2009年第3期12物性計算由圖2可以看出,在實驗條件下,隨著甲醇在吸在化工流程模擬時,模擬結(jié)果是否符合實際,相收劑中比例的增大,吸收劑的用量呈現(xiàn)先減小后增大當(dāng)大的程度上取決于物性數(shù)據(jù)是否在一定范圍內(nèi)足的趨勢,此趨勢在處理單位質(zhì)量的氣體時不太明顯,夠準(zhǔn)確。陳健、鄭丹星、宋懷俊等的研究表明,采但達到工業(yè)規(guī)模時,不可忽略。其中使用純甲醇作吸用PR方程計算氣相各組分的逸度系數(shù)NL方程計收劑時用量最大;而甲醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%70%時,吸算液相活度系數(shù),針對此體系進行氣液平衡計算時與收劑用量最小。這是因為DE與甲醇的溶解度參數(shù)相實際值偏差較小。因此選擇PR-NL方程進行模擬計比水而言更為接近,即在甲醇中具有更高的溶解度。算,其中模型相互作用參數(shù)采用曹文由實驗數(shù)據(jù)擬因此達到相同的DE吸收率時,需用的甲醇的量最合出的數(shù)據(jù)。少,水最多。13操作模型22不同濃度甲醇吸收劑對工藝能耗的影響對于吸收單元操作過程,我們選用 RadFrac計算在吸收壓力為3MPa、吸收溫度為20℃的條件下模型進行模擬計算,該模型用于模擬多級氣-液平衡時考察選用不同濃度甲醇水溶液為吸收劑時,對整個工有很好的效果,它可以用作精餾、吸收、汽提等的模擬。藝能耗的影響,結(jié)果如圖3所示該模型既可以進行核算,也可以進行設(shè)計在設(shè)計模式下,可以規(guī)定溫度、流率、回收率等進行相應(yīng)的計算0.514DME吸收率計算了翌0.4由于在本研究的壓力、溫度等條件下,壓縮因子z≈1,因此為簡化計算,將吸收過程中的氣體視為理想氣體吸收過程視為等溫吸收。則DE吸收率η計*0.1算公式為:gGiXYo-GzxYg×10001020304050608090100甲醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%其中,G1-進吸收塔的氣體摩爾流量,kmol/h;◆一蒸汽總負荷總冷負荷高品位冷量G2出吸收塔的氣體摩爾流量,kmol/h;圖3不同濃度甲醇吸收劑對工藝能耗的影響Ym一進吸收塔氣體中DME的體積分?jǐn)?shù)%;由圖3可知,在一定處理量下,隨著甲醇在吸收Ya一出吸收塔氣體中DME的體積分?jǐn)?shù),%。劑中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大,工藝的蒸汽總負荷與總冷負荷、高品位冷量都呈下降趨勢,其中蒸汽總負荷下降2計算結(jié)果與討論尤為明顯。采用水作吸收劑時工藝能耗最大,采用甲醇時工藝能耗最小。每處理單位質(zhì)量氣體時,以甲醇21不同濃度甲醇吸收劑的用量為吸收劑時的蒸汽總負荷為1.203kW、總冷負荷為在吸收壓力為3Ma吸收溫度為20℃,保證相同0.486kW,以水作吸收劑時,蒸汽總負荷為1985kWDME吸收率9.5%下,利用 Aspen Plus軟件對不同濃總冷負荷為0.721kW,相比而言,蒸汽總負荷降低度甲醇水溶液作為吸收劑時的用量進行了研究結(jié)果0.782kW,.總冷負荷降低0.235kW。如圖2所示23不同濃度甲醇吸收劑及氣液比G幾L對DME吸收率的影響按21.800以出口惰性氣體的摩爾流量與吸收溶劑摩爾流量之比表示氣液比G/L。在吸收壓力3MPa、吸收溫度1.79520℃的條件下,考察選用不同濃度甲醇吸收劑和G/L對DME吸收率的影響,結(jié)果如下頁圖4所示。輕1.785中國煤化工時,隨著吸收劑中1.780H0102030405060708090100含量NMHG當(dāng)吸收劑中甲醇人收率影響越明顯。甲醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)偉%因此,若用低濃度的甲醇溶液或純水作吸收劑時,應(yīng)圖2不同濃度甲醇吸收劑的用量采用較小的G/L。當(dāng)用高濃度的甲醇溶液或純甲醇作2009年6月劉佳等:合成氣一步法制二甲醚吸收塔的模擬研究0987681015202530354045500102030405060溫度/℃甲醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%o-G/L=100(DM)。-G/L=70(DME)△-G/L=50(DME)-●-G/L=100一■—G/L=70◆G/L=100(0)·-G/L=70(002)▲,G/L=50(C02)▲-G/L=50-G/L=30圖6不同溫度及G幾對DME吸收率和圖4不同濃度甲醇吸收劑及G幾對DMECO2吸收率的影響吸收率的影響由圖6可知,在相同的G/L比下,隨著吸收溫度吸收劑時,則G/L的改變對吸收率的影響不明顯。的升高,DME與CO2的吸收率降低,這是由于溫度升24不同壓力及G對DME吸收率的影響高,DME與CO2的溶解度減小,相平衡常數(shù)減小,吸收鑒于上述結(jié)果,我們選用達到相同DME吸收率推動力減小使得吸收率下降。吸收溫度越低,DE吸時,用量最小的、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%的甲醇溶液作為吸收率越高,但是液相中溶解的C也越多。且在低溫收劑,考察在吸收溫度為20℃時,壓力及G/L對DM下,G/L的改變對DME吸收率增加的效果很小,而對吸收率的影響,結(jié)果如圖5所示。CQ2的影響較大。因此,為提高DE與CO2的分離效果,吸收溫度不宜過低,且G/L不宜太大。26CO2的相對含量及GL對DME吸收率的影響90在吸收壓力為3.0MPa、吸收溫度為20℃的條件下,保持進塔氣體中DME的含量不變,改變其中的CQ2含量,考察CO2相對DE含量及G幾對DME吸收率的影響,結(jié)果如圖7所示。1.01.2141.618202224262.83.0壓力/wPa98◆—G/L=100一■—G/L=7096▲-G/L=50—G/L=30圖5不同壓力及G幾L對DME吸收率的影響30405060708090100G/由圖5可知,在相同G幾L下,隨著吸收壓力的增◆-CO2:DE=1-COr: DME=2: 1加,DME吸收率增加。壓力接近于3MPa時,DME吸收率的增加的變化不明顯。壓力較低時,G/L的改變對DME圖7cO2的相對含量及G幾L對DME吸收率的影響吸收率的影響比較明顯:壓力越低,G幾L越大,DME吸收率越低。這是由于壓力增加,溶解度增大所致,當(dāng)由圖7可知,在實驗條件下,當(dāng)CQ2與DME的相G/L較低時,DE吸收率隨壓力的變化不明顯,幾乎接對含量增加,則DE吸收率下降;在G/L較小時,DME吸近于100%。因此在較高壓力下吸收可選擇較高的G八L;收率下降趨勢不明顯;在G/L較大時,由于CO2體積分吸收壓力較低時,較低的G/才能得到高的吸收率。數(shù)增中國煤化的嗎增大而DE2.5不同溫度及G對DME吸收率的影響的分下降較為明顯。以質(zhì)量分?jǐn)?shù)為64%甲醇溶液作吸收劑,在操作壓CNMHG力3MPa下,考察不同吸收溫度及G/L對DME吸收率和CO2吸收率的影響,結(jié)果如圖6所示。31達到相同DME吸收率時,用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%-70%1009年第3期的甲醇溶液作吸收劑時,吸收劑用量最小;隨著吸收[2] Kohl G, Becker K, HoI mE. Direct Preparation of劑中甲醇含量的增大,工藝能耗逐漸減小;在較高壓Dimethy l Eether from Synthesis gas [P]. DE 4222655力下,64%的甲醇水溶液作吸收劑時,DME吸收率接近199401-13于用純甲醇作吸收劑時的吸收率。綜上,用64%的甲[3]肖文德,魯文質(zhì),一種合成氣直接合成二甲醚的方法醇溶液作吸收劑最好。[P].CN1332141A,2002-01-32用64%的甲醇溶液作吸收劑時,吸收壓力、溫度[4]韓媛媛張海濤應(yīng)衛(wèi)勇等合成氣一步法制二甲醚是影響DME吸收率的主要因素。提高吸收壓力有利于的一種分離流程[J].化工進展,2008,27(6):949953.吸收的進行。當(dāng)壓力達到30堆Pa時,G/L以及C2的相[5]陳健,于燕梅含二甲醚二元體系相平衡計算及對分對含量對DE吸收率影響較小。但是,為提高DME和離流程的影響[J].天然氣化工,2005,30(1):171-74[6]Zheng DX, Wu XH. High-pressure Vapor-Liquid EquiC2的分離效果,吸收溫度不宜太低,且低溫時應(yīng)采用librium Studies for DME-CO2-CH-OH and DME-CO2較大的G/L。綜上,吸收壓力應(yīng)在2.0MPa~3.0MPa、吸CHSOH Systems [J]. Chinese J Chem Eng, 2006, 14(5):收溫度應(yīng)在20℃~40℃、G/L在70~100為宜。690-695參考文獻:[7]宋懷俊,張海濤.二氧化碳-二甲醚-甲醇-水四元體系汽液平衡的測定與預(yù)測[J].華東理工大學(xué)學(xué)報[1] Adachi Y, Komoto M, Watanabe I, et al. Effective2007(6):301-305.Utilization of Remote Coal Through Dimethyl Ether[8]曹文.DE分離工藝的研究與模擬[D].北京:北京Synthesis[J].Fuel,200,79(3):229-234化工大學(xué),2004A Simulation Study on the Absorption Column ofOne-Step Synthesis of Dimethyl Ether from SyngasLiu Jia and Huang Wei( Key Laboratory of Coal Science and Technology of the Ministry of Education and Shanxi ProvinceTaiyuan University of Technology, Taiyuan 030024)Abstract Simulation calculation by using Aspen Plus was done on the absorption column of the one-step synthesiof DMe production process from Syngas. Under the same DME absorptivity, the impact of the different absorbents antheir consumption on the total energy consumption of the whole process was studied. Additionally, the impact of other pro-cess parameters on the absorptivity of dMe was also investigated. The simulation results showed that when methanol aqueous solution of 50% molar fraction was used as an absorbent, it minimized the energy consumption of the process and theabsorbent consumption was least. Furthermore, among operation parameters, the absorption pressure and temperature affected most on the absorptivity of DMeKey words dimethyl ether(DME), one-step process, absorber, Aspen Plus簡訊天脊潞安化工有限公司30萬ta焦?fàn)t氣制甲醇裝置投產(chǎn)2009年5月25日,由天脊煤化工集團控股的天脊潞安化工有限公司30萬t/a焦?fàn)t氣制甲醇裝置順利打通流程,生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)的精制甲醇產(chǎn)品。該項目投資13.6億元,被山西省政府列為產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整標(biāo)志中國煤化工收利用焦?fàn)t氣4億,生產(chǎn)精甲醇30萬t,粗苯11000,硫銨10000,還有部分硫磺此項目采用了灰熔聚氣化補碳、換熱式甲烷轉(zhuǎn)化、變壓吸附脫碳HCNMH先進節(jié)能技術(shù),是我國投產(chǎn)的第一套30萬t/a焦?fàn)t氣制甲醇裝置標(biāo)志著我國焦?fàn)t氣循環(huán)利用在技術(shù)、規(guī)模、集約化發(fā)展方面再上新臺階(全國煤化工信息站)