合成气一步法制二甲醚吸收塔的模拟研究

第3期(总第142期)煤化工No.3(Total No 142)2009年6月Coal Chemical industJun.2009合成气一步法制二甲醚吸收塔的模拟研究刘佳黄伟(太原理工大学煤科学与技术教育部和山西省重点实验室,太原030024)摘要利用 Aspen Plus软件对合成气一步法生产二甲醚工艺中的二甲醚吸收塔进行了模拟计算。考察了在获得相同二甲醚吸收率下,不同吸收剂的用量、不同吸收剂对整个工艺能耗的影响。此外,还考察了气液比(G/L)、压力、温度、CO2相对含量等工艺参数对二甲醚吸收率的影响。结果表明,在达到相同二甲醚吸收率下,质量分数为64%左右的甲醇水溶液作为吸收剂时,吸收剂用量最少,甲醇作吸收剂时工艺能耗最少,并且吸收压力和温度对二甲醚吸收率的影响最明显。本实验条件下,吸收压力应在2.0MPa~3.OMPa、吸收温度应在20℃40℃、G/L在70-100为宜。关键词二甲醚一步法吸收塔 Aspen plus文章编号:10059598(2009)-030007-04中图分类号:TQ052.5文献标识码:A二甲醚(DME)是一种基本有机化工原料,其用途醇水溶液为吸收剂的吸收行为,考察了吸收塔的一些广泛,可以替代氯氟烃作气雾剂、制冷剂和发泡剂,可影响因素,为一步法DME生产装置的设计提供了一定以用于合成低碳烯烃,也可代替柴油和液化气,被誉的理论依据为21世纪的洁净燃料。合成气一步法制DME工艺简单、操作费用低,近1流程模拟年来得到了迅速发展。但是一步法合成DME相对11流程于两步法而言,产物复杂,必须经过多步分离精制才合成气(H2:CO=1:1)进人一步法制DME反应器,能得到纯度较高的二甲醚。一步法二甲醚合成产品的出来的反应尾气经换热后进入吸收塔,基于课题组合分离主要是通过吸收和精馏等化工单元操作完成,其成实验结果,进人塔气体中DME4%-8%、CQ24%-10%中吸收是精馏的基础,直接影响精馏工艺操作条件的其余为H2、C0,并有少量的CH4、CHOH、HO。选择不同浓选择,而此方面研究相对较少。度的甲醇水溶液作为吸收剂,对气体进行逆流吸收Aspen Plus是基于稳态化工模拟、优化、灵敏度研究其对DE吸收率的影响,以及在达到相同DME吸分析和经济评价的大型化工流程模拟软件。 Aspen收率时,各浓度吸收剂的用量以及对能耗的影响,在Pus从物性数据库、单元过程的数学模型到求解过此基础上以优化浓度的甲醇水溶液作为吸收剂考察程都作了大量的理论工作,基本上覆盖了所有可能的了气液比、压力、温度、C2相对含量对DME吸收率的化过程及体系可节省实验时间与设备投资影响。实验流程示意图如图1所示。本文在前期工作基础上,采用 Aspen Plus对DME吸收过程进行了模拟研究,鉴于一步法合成DME的产物中有甲醇和水,从降低成本考虑,重点研究了以甲收剂基金项目:国家重大基础研究发展规划项目(a20082240)反应尾吸收塔和国家自然科学基金(No.20471040)。收稿日期:20090303TYH中国煤化工作者简介:刘佳(1983—),女,2006年毕业于兰州交通CNMH大学化学工程与工艺专业,在读硕士研究生,主要从事合0H、H0成气一步法制二甲酸分离工艺的研究。图1DME吸收过程流程示意图煤化工2009年第3期12物性计算由图2可以看出,在实验条件下,随着甲醇在吸在化工流程模拟时,模拟结果是否符合实际,相收剂中比例的增大,吸收剂的用量呈现先减小后增大当大的程度上取决于物性数据是否在一定范围内足的趋势,此趋势在处理单位质量的气体时不太明显,够准确。陈健、郑丹星、宋怀俊等的研究表明,采但达到工业规模时,不可忽略。其中使用纯甲醇作吸用PR方程计算气相各组分的逸度系数NL方程计收剂时用量最大;而甲醇质量分数为60%70%时,吸算液相活度系数,针对此体系进行气液平衡计算时与收剂用量最小。这是因为DE与甲醇的溶解度参数相实际值偏差较小。因此选择PR-NL方程进行模拟计比水而言更为接近,即在甲醇中具有更高的溶解度。算,其中模型相互作用参数采用曹文由实验数据拟因此达到相同的DE吸收率时,需用的甲醇的量最合出的数据。少,水最多。13操作模型22不同浓度甲醇吸收剂对工艺能耗的影响对于吸收单元操作过程,我们选用 RadFrac计算在吸收压力为3MPa、吸收温度为20℃的条件下模型进行模拟计算,该模型用于模拟多级气-液平衡时考察选用不同浓度甲醇水溶液为吸收剂时,对整个工有很好的效果,它可以用作精馏、吸收、汽提等的模拟。艺能耗的影响,结果如图3所示该模型既可以进行核算,也可以进行设计在设计模式下,可以规定温度、流率、回收率等进行相应的计算0.514DME吸收率计算了翌0.4由于在本研究的压力、温度等条件下,压缩因子z≈1,因此为简化计算,将吸收过程中的气体视为理想气体吸收过程视为等温吸收。则DE吸收率η计*0.1算公式为:gGiXYo-GzxYg×10001020304050608090100甲醇质量分数/%其中,G1-进吸收塔的气体摩尔流量,kmol/h;◆一蒸汽总负荷总冷负荷高品位冷量G2出吸收塔的气体摩尔流量,kmol/h;图3不同浓度甲醇吸收剂对工艺能耗的影响Ym一进吸收塔气体中DME的体积分数%;由图3可知,在一定处理量下,随着甲醇在吸收Ya一出吸收塔气体中DME的体积分数,%。剂中的质量分数的增大,工艺的蒸汽总负荷与总冷负荷、高品位冷量都呈下降趋势,其中蒸汽总负荷下降2计算结果与讨论尤为明显。采用水作吸收剂时工艺能耗最大,采用甲醇时工艺能耗最小。每处理单位质量气体时,以甲醇21不同浓度甲醇吸收剂的用量为吸收剂时的蒸汽总负荷为1.203kW、总冷负荷为在吸收压力为3Ma吸收温度为20℃,保证相同0.486kW,以水作吸收剂时,蒸汽总负荷为1985kWDME吸收率9.5%下,利用 Aspen Plus软件对不同浓总冷负荷为0.721kW,相比而言,蒸汽总负荷降低度甲醇水溶液作为吸收剂时的用量进行了研究结果0.782kW,.总冷负荷降低0.235kW。如图2所示23不同浓度甲醇吸收剂及气液比G几L对DME吸收率的影响按21.800以出口惰性气体的摩尔流量与吸收溶剂摩尔流量之比表示气液比G/L。在吸收压力3MPa、吸收温度1.79520℃的条件下,考察选用不同浓度甲醇吸收剂和G/L对DME吸收率的影响,结果如下页图4所示。轻1.785中国煤化工时,随着吸收剂中1.780H0102030405060708090100含量NMHG当吸收剂中甲醇人收率影响越明显。甲醇质量分数伟%因此,若用低浓度的甲醇溶液或纯水作吸收剂时,应图2不同浓度甲醇吸收剂的用量采用较小的G/L。当用高浓度的甲醇溶液或纯甲醇作2009年6月刘佳等:合成气一步法制二甲醚吸收塔的模拟研究0987681015202530354045500102030405060温度/℃甲醇质量分数/%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图6不同温度及G几对DME吸收率和图4不同浓度甲醇吸收剂及G几对DMECO2吸收率的影响吸收率的影响由图6可知,在相同的G/L比下,随着吸收温度吸收剂时,则G/L的改变对吸收率的影响不明显。的升高,DME与CO2的吸收率降低,这是由于温度升24不同压力及G对DME吸收率的影响高,DME与CO2的溶解度减小,相平衡常数减小,吸收鉴于上述结果,我们选用达到相同DME吸收率推动力减小使得吸收率下降。吸收温度越低,DE吸时,用量最小的、质量分数为6%的甲醇溶液作为吸收率越高,但是液相中溶解的C也越多。且在低温收剂,考察在吸收温度为20℃时,压力及G/L对DM下,G/L的改变对DME吸收率增加的效果很小,而对吸收率的影响,结果如图5所示。CQ2的影响较大。因此,为提高DE与CO2的分离效果,吸收温度不宜过低,且G/L不宜太大。26CO2的相对含量及GL对DME吸收率的影响90在吸收压力为3.0MPa、吸收温度为20℃的条件下,保持进塔气体中DME的含量不变,改变其中的CQ2含量,考察CO2相对DE含量及G几对DME吸收率的影响,结果如图7所示。1.01.2141.618202224262.83.0压力/wPa98◆—G/L=100一■—G/L=7096▲-G/L=50—G/L=30图5不同压力及G几L对DME吸收率的影响30405060708090100G/由图5可知,在相同G几L下,随着吸收压力的增◆-CO2:DE=1-COr: DME=2: 1加,DME吸收率增加。压力接近于3MPa时,DME吸收率的增加的变化不明显。压力较低时,G/L的改变对DME图7cO2的相对含量及G几L对DME吸收率的影响吸收率的影响比较明显:压力越低,G几L越大,DME吸收率越低。这是由于压力增加,溶解度增大所致,当由图7可知,在实验条件下,当CQ2与DME的相G/L较低时,DE吸收率随压力的变化不明显,几乎接对含量增加,则DE吸收率下降;在G/L较小时,DME吸近于100%。因此在较高压力下吸收可选择较高的G八L;收率下降趋势不明显;在G/L较大时,由于CO2体积分吸收压力较低时,较低的G/才能得到高的吸收率。数增中国煤化的吗增大而DE2.5不同温度及G对DME吸收率的影响的分下降较为明显。以质量分数为64%甲醇溶液作吸收剂,在操作压CNMHG力3MPa下,考察不同吸收温度及G/L对DME吸收率和CO2吸收率的影响,结果如图6所示。31达到相同DME吸收率时,用质量分数为60%-70%1009年第3期的甲醇溶液作吸收剂时,吸收剂用量最小;随着吸收[2] Kohl G, Becker K, HoI mE. Direct Preparation of剂中甲醇含量的增大,工艺能耗逐渐减小;在较高压Dimethy l Eether from Synthesis gas [P]. DE 4222655力下,64%的甲醇水溶液作吸收剂时,DME吸收率接近199401-13于用纯甲醇作吸收剂时的吸收率。综上,用64%的甲[3]肖文德,鲁文质,一种合成气直接合成二甲醚的方法醇溶液作吸收剂最好。[P].CN1332141A,2002-01-32用64%的甲醇溶液作吸收剂时,吸收压力、温度[4]韩媛媛张海涛应卫勇等合成气一步法制二甲醚是影响DME吸收率的主要因素。提高吸收压力有利于的一种分离流程[J].化工进展,2008,27(6):949953.吸收的进行。当压力达到30堆Pa时,G/L以及C2的相[5]陈健,于燕梅含二甲醚二元体系相平衡计算及对分对含量对DE吸收率影响较小。但是,为提高DME和离流程的影响[J].天然气化工,2005,30(1):171-74[6]Zheng DX, Wu XH. High-pressure Vapor-Liquid EquiC2的分离效果,吸收温度不宜太低,且低温时应采用librium Studies for DME-CO2-CH-OH and DME-CO2较大的G/L。综上,吸收压力应在2.0MPa~3.0MPa、吸CHSOH Systems [J]. Chinese J Chem Eng, 2006, 14(5):收温度应在20℃~40℃、G/L在70~100为宜。690-695参考文献:[7]宋怀俊,张海涛.二氧化碳-二甲醚-甲醇-水四元体系汽液平衡的测定与预测[J].华东理工大学学报[1] Adachi Y, Komoto M, Watanabe I, et al. Effective2007(6):301-305.Utilization of Remote Coal Through Dimethyl Ether[8]曹文.DE分离工艺的研究与模拟[D].北京:北京Synthesis[J].Fuel,200,79(3):229-234化工大学,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简讯天脊潞安化工有限公司30万ta焦炉气制甲醇装置投产2009年5月25日,由天脊煤化工集团控股的天脊潞安化工有限公司30万t/a焦炉气制甲醇装置顺利打通流程,生产出优质的精制甲醇产品。该项目投资13.6亿元,被山西省政府列为产业结构调整标志中国煤化工收利用焦炉气4亿,生产精甲醇30万t,粗苯11000,硫铵10000,还有部分硫磺此项目采用了灰熔聚气化补碳、换热式甲烷转化、变压吸附脱碳HCNMH先进节能技术,是我国投产的第一套30万t/a焦炉气制甲醇装置标志着我国焦炉气循环利用在技术、规模、集约化发展方面再上新台阶(全国煤化工信息站)