一種合成氣一步法制二甲醚動(dòng)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(dòng)態(tài)建模方法。本發(fā)明結(jié)合原子物料守恒、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程及能量守恒方程，首次提出通過將熱量損失計(jì)入能量守恒方程進(jìn)行迭代計(jì)算判斷反應(yīng)器內(nèi)的溫度是否合理，進(jìn)而計(jì)算反應(yīng)器內(nèi)的組分，為合成氣一步法制二甲醚動(dòng)態(tài)建模提出了一種新的方法。在計(jì)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(dòng)力學(xué)方程計(jì)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(dòng)態(tài)建模方法，為合成氣一步法制二甲醚的動(dòng)態(tài)建模計(jì)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(dòng)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(dòng)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(xué)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(duì)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(xué)限制， 增大了反應(yīng)的推動(dòng)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(diǎn)，生產(chǎn)費(fèi)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(jì)算、合成過程中的熱力學(xué)分析及動(dòng)力學(xué)模擬方面的研究等。隨著二甲醚市 場(chǎng)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(dòng)態(tài)模型顯得尤為必要。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明針對(duì)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(dòng)態(tài)建模方法。 在復(fù)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(dòng)態(tài)建模過程中，主要通過以下四個(gè)具體步驟完成反 應(yīng)器的動(dòng)態(tài)建模。
[0006] 步驟（1 )，建立從某一個(gè)初始時(shí)刻t到下一個(gè)時(shí)刻t+ Λ t之間的動(dòng)態(tài)建模過程中的 物料平衡方程，具體是： 已知t時(shí)刻反應(yīng)器內(nèi)各組分的物質(zhì)的量、進(jìn)料組分及流量，在反應(yīng)器中，先將t時(shí)刻反 應(yīng)器內(nèi)的物料與Δ t時(shí)間段內(nèi)的進(jìn)料物質(zhì)混合，視為此輪計(jì)算的初始反應(yīng)物；建立物料平 衡方程，其模型表達(dá)式為： - ---

【權(quán)利要求】
1. 一種合成氣一步法制二甲醚動(dòng)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(gè)初始時(shí)刻t到下一個(gè)時(shí)刻t+ Λ t之間的動(dòng)態(tài)建模過程中的物料 平衡方程，具體是： 已知t時(shí)刻反應(yīng)器內(nèi)各組分的物質(zhì)的量、進(jìn)料組分及流量，在反應(yīng)器中，先將t時(shí)刻反 應(yīng)器內(nèi)的物料與At時(shí)間段內(nèi)的進(jìn)料物質(zhì)混合，視為此輪計(jì)算的初始反應(yīng)物；建立物料平 衡方程，其模型表達(dá)式為：
式中，Μ為此輪計(jì)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(jìn)料組分i的摩爾流量，單位為mol/h ;At為每輪計(jì)算所需的時(shí)間，h ; 反應(yīng)器At內(nèi)進(jìn)入的物料、t內(nèi)積累的物料與t+At時(shí)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(shí)刻，反應(yīng)開始后j元素的原子總數(shù)；F；為t時(shí)刻反應(yīng)器內(nèi)累積的元 素 j的原子總數(shù)為Λ t時(shí)刻內(nèi)進(jìn)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(xiàn)中查找有關(guān)合成甲醇、甲醇脫水及水 氣變換的動(dòng)力學(xué)模型，選擇模型結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值相對(duì)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(xué)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(fù)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(dāng)前溫度壓力 下對(duì)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(jì)算在? +Δ?時(shí)間段反 應(yīng)器內(nèi)物料的總焓值，其表達(dá)式如下：
式中，人為反應(yīng)器內(nèi)累積物料的總焓值，盡為?時(shí)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(jì)算所需要的時(shí)間，h 為進(jìn)料物流的摩爾焓(可以是多股 進(jìn)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(jì)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(duì)流換熱屬于內(nèi)強(qiáng)制 對(duì)流換熱，其對(duì)流傳熱系數(shù)的計(jì)算公式為：
式中，心為爐內(nèi)氣體對(duì)流傳熱系數(shù)，WVOn2 ·°?：) ;1為氣體在平均溫度下的導(dǎo)熱系 數(shù)，WAm · °C ) ;ν為氣體在平均溫度下的運(yùn)動(dòng)粘度,^2 /s 為氣體在平均溫度下的普 朗特準(zhǔn)數(shù)；d#為當(dāng)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(duì)長(zhǎng)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(duì)流傳熱的熱損失為：
假設(shè)保溫層與器壁在同一時(shí)刻始終在熱平衡狀態(tài)，穩(wěn)定傳熱時(shí)，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(duì)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(cè)計(jì)算空氣在自然對(duì)流狀 態(tài)下的對(duì)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(gè)取值范圍，則重新假定保溫層內(nèi)壁溫度，重新開始計(jì)算；如果合理，則繼續(xù) 計(jì)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(duì)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(dǎo)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(jì)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(dá)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(dá) 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(jì)算結(jié)果；若則返回步驟（2)，估算新的溫度T，重新開始計(jì) 笪
【文檔編號(hào)】G06F19/00GK104298864SQ201410520325
【公開日】2015年1月21日 申請(qǐng)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(qǐng)人:杭州電子科技大學(xué)