一种合成气一步法制二甲醚动态建模方法技术

本发明专利技术涉及一种合成气一步法制二甲醚动态建模方法。本发明专利技术结合原子物料守恒、反应动力学方程及能量守恒方程，首次提出通过将热量损失计入能量守恒方程进行迭代计算判断反应器内的温度是否合理，进而计算反应器内的组分，为合成气一步法制二甲醚动态建模提出了一种新的方法。在计算过程中，首先假定合成气一步法制二甲醚反应器内的温度及各组分的量，通过物料平衡方程、反应动力学方程计算反应器内组分含量，然后通过能量平衡方程判断假定的温度是否合理。本发明专利技术初次提出一种合成气一步法制二甲醚反应器动态建模方法，为合成气一步法制二甲醚的动态建模计算提供了一条新的途径。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于化工
，涉及一种合成气一步法制二甲醚动态建模方法。
技术介绍
二甲醚是一种基本的化工原料，在制药、燃料、农药等化学工业中有广泛的应用。二甲醚可用作溶剂和麻醉剂等，也可代替氟利昂用作气溶胶喷射剂和致冷剂，减少氟利昂对大气污染和臭氧层的破坏；其与LPG的物理性质类似，可作为清洁能源使用；也可以用于联合循环发电装置中的燃料。目前，二甲醚的合成方法主要有两种，分别为甲醇脱水制取二甲醚与合成气一步法直接制取二甲醚。其中，合成气一步法直接制取二甲醚是将水煤气变换、合成甲醇和甲醇脱水反应合为一步。一步法合成二甲醚打破了单纯甲醇合成二甲醚过程中的热力学限制，增大了反应的推动力，大幅度提高了CO的转化率，且具有流程短、设备规模小、操作压力低等特点，生产费用较甲醇脱水制取二甲醚大幅下降。近年来，合成气一步法制二甲醚的研究主要集中在催化过程中催化剂的研究、工艺参数的优化计算、合成过程中的热力学分析及动力学模拟方面的研究等。随着二甲醚市场的开拓，其需要量日益增大，而目前研究开发的模型较偏向理想化，因此，开发一种合成气一步法制二甲醚动态模型显得尤为必要。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术的不足，提出了一种合成气一步法制二甲醚动态建模方法。在复合催化剂的作用下，合成气一步法直接合成二甲醚的主要反应有甲醇合成、甲醇脱水及水气变换：甲醇合成反应：     CO+2H2  CH3OH甲醇脱水反应：     2CH3OH CH3OCH3 （DME）+ H2O水气变换反应：     CO + H2O H2 + CO2在合成气一步法直接合成二甲醚动态建模过程中，主要通过以下四个具体步骤完成反应器的动态建模。步骤（1），建立从某一个初始时刻t到下一个时刻t+Δt之间的动态建模过程中的物料平衡方程，具体是：已知t时刻反应器内各组分的物质的量、进料组分及流量，在反应器中，先将t时刻反应器内的物料与Δt时间段内的进料物质混合，视为此轮计算的初始反应物；建立物料平衡方程，其模型表达式为： 式中，M为此轮计算初始反应物的量，mol；为反应器内原有物料的累积量，mol；为进料组分i的摩尔流量，单位为mol/h；为每轮计算所需的时间，h。反应器Δt内进入的物料、t内积累的物料与t+Δt时刻反应开始后物料尊循原子守恒，其模型如下：氢  BH =+氧  BO =+碳  BC =+式中，为t+Δt时刻，反应开始后j元素的原子总数；为t时刻反应器内累积的元素j的原子总数；为Δt时刻内进入反应器内的物料中元素j的原子总数，j分别表示氢、氧、碳元素中的一种。步骤（2），假定反应器温度的初值T，从已知文献中查找有关合成甲醇、甲醇脱水及水气变换的动力学模型，选择模型结果与实验值相对误差较小的方程，合成甲醇、甲醇脱水及水气变换的速率方程r1、r2、r3可分别写为：                                                                                                    其中，k1、k2、k3分别为合成甲醇、甲醇脱水及水气变换的的速率常数；、、、分别为、、和、的吸附平衡常数；、、分别为合成甲醇、甲醇脱水及水气变换的化学平衡常数，Pi为组分i的分压，Kpar；为组分i的浓度，mol/l；                         通过甲醇合成、甲醇脱水、水气变换反应的速率方程，可分别写出甲醇M、二甲醚D和二氧化碳C的反应速率方程为：                                                                                                                                                                                                                    式中，复合催化剂配比，为已知甲醇合成催化剂的质量，g；为已知甲醇脱水催化剂的质量，g；、、分别表示甲醇、二甲醚、和二氧化碳初始的量联立原子守恒方程与甲醇、二甲醚和二氧化碳的速率方程，即可求解出当前温度压力下对应的物料组成。步骤（3），根据能量平衡方程,建立反应器内的能量平衡模型，计算在时间段反应器内物料的总焓值，其表达式如下： 式中，(MH)t 为反应器内累积物料的总焓值，为t时刻反应器内累积物料的摩尔焓，KJ/mol；为反应器内每轮计算所需要的时间，h；为进料物流的摩尔焓（可以是多股进料），KJ/mol；为外界提供反应器的热量，kJ/h；为热损失的量，kJ/h。计算过程中忽略辐射传热，在反应器内部气体与保温层内壁的对流换热属于内强制对流换热，其对流传热系数的计算公式为：  式中，为炉内气体对流传热系数，；为气体在平均温度下的导热系数，W/(m·℃)；为气体在平均温度下的运动粘度，/s；为气体在平均温度下的普朗特准数；为当量直径，m；为气体温度与保温层内壁温度的修正系数；为受热面的相对长度修正系数；为辐射换热修正系数；为气体流速，m/s；为保温层内壁温度，℃。平均温度为反应器内部气体温度与保温层内壁温度的平均值。在内外介质温度保持不变的情况下，反应器通过壁面向外传热损失的热量恒定不变，因此，单位面积通过对流传热的热损失为：       假设保温层与器壁在同一时刻始终在热平衡状态，稳定传热时，保温层壁内外之间的热通量相等，由传热边界方程得：            式中，Tw为保温层外壁温度，℃；h为平均对流传热系数，；可通过上式根据已知的保温层外壁温度Tw求出器壁外侧温度Two。在确定空气温度为t的情况下，通过上述传热边界方程可推测计算空气在自然对流状态下的对流传热系数：根据值是否在1～10之间，确定假设的保温层内壁温度是否合理。若的值超过这个取值范围，则重新假定保温层内壁温度，重新开始计算；如果合理，则继续计算反应炉内总的传热系数：式中，分别为内外侧壁表面与流体的对流传热系数，；为构成反应炉壁各层材料的导热系数，；反应器壁各种材料的厚度,m。通过总的传热系数，有效传热面积A，计算反应器内热量的总损失：    步骤（4），由于物料的摩尔焓为温度、压力及组成的函数，其表达式为：                      据能量平衡方程,反应前后的总能量应该相等，建立反应器内的能量平衡模型，表达式如下，其中，为反应后物料的总焓值：=|- |                      若，则输出计算结果；若，则返回步骤（2），估算新的温度T，重新开始计算。本专利技术提出了一种将热量损失计入能量平衡中的动态建模方法本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种合成气一步法制二甲醚动态建模方法，其特征在于该方法包括以下步骤：步骤（1），建立从某一个初始时刻t到下一个时刻t+Δt之间的动态建模过程中的物料平衡方程，具体是：已知t时刻反应器内各组分的物质的量、进料组分及流量，在反应器中，先将t时刻反应器内的物料与Δt时间段内的进料物质混合，视为此轮计算的初始反应物；建立物料平衡方程，其模型表达式为：式中，M为此轮计算初始反应物的量，mol；为反应器内原有物料的累积量，mol；为进料组分i的摩尔流量，单位为mol/h；为每轮计算所需的时间，h；反应器Δt内进入的物料、t内积累的物料与t+Δt时刻反应开始后物料尊循原子守恒，其模型如下：氢  BH =+氧  BO =+碳  BC =+式中，为t+Δt时刻，反应开始后j元素的原子总数；为t时刻反应器内累积的元素j的原子总数；为Δt时刻内进入反应器内的物料中元素j的原子总数，j分别表示氢、氧、碳元素中的一种；步骤（2），假定反应器温度的初值T，从已知文献中查找有关合成甲醇、甲醇脱水及水气变换的动力学模型，选择模型结果与实验值相对误差较小的方程，合成甲醇、甲醇脱水及水气变换的速率方程r1、r2、r3可分别写为：其中，k1、k2、k3分别为合成甲醇、甲醇脱水及水气变换的的速率常数；、、、分别为、、和、的吸附平衡常数；、、分别为合成甲醇、甲醇脱水及水气变换的化学平衡常数，Pi为组分i的分压，Kpar；为组分i的浓度，mol/l；通过甲醇合成、甲醇脱水、水气变换反应的速率方程，可分别写出甲醇M、二甲醚D和二氧化碳C的反应速率方程为：式中，复合催化剂配比，为已知甲醇合成催化剂的质量，g；为已知甲醇脱水催化剂的质量，g；、、分别表示甲醇、二甲醚、和二氧化碳初始的量联立原子守恒方程与甲醇、二甲醚和二氧化碳的速率方程，即可求解出当前温度压力下对应的物料组成；步骤（3），根据能量平衡方程,建立反应器内的能量平衡模型，计算在时间段反应器内物料的总焓值，其表达式如下：式中，(MH)t 为反应器内累积物料的总焓值，为t时刻反应器内累积物料的摩尔焓，KJ/mol；为反应器内每轮计算所需要的时间，h；为进料物流的摩尔焓（可以是多股进料），KJ/mol；为外界提供反应器的热量，kJ/h；为热损失的量，kJ/h；计算过程中，忽略辐射传热；在反应器内部气体与保温层内壁的对流换热属于内强制对流换热，其对流传热系数的计算公式为：式中，为炉内气体对流传热系数，；为气体在平均温度下的导热系数，W/(m·℃)；为气体在平均温度下的运动粘度，/s；为气体在平均温度下的普朗特准数；为当量直径，m；为气体温度与保温层内壁温度的修正系数；为受热面的相对长度修正系数；为辐射换热修正系数；为气体流速，m/s；为保温层内壁温度，℃；平均温度为反应器内部气体温度与保温层内壁温度的平均值；在内外介质温度保持不变的情况下，反应器通过壁面向外传热损失的热量恒定不变，因此，单位面积通过对流传热的热损失为：假设保温层与器壁在同一时刻始终在热平衡状态，稳定传热时，保温层壁内外之间的热通量相等，由传热边界条件得：式中，Tw为保温层外壁温度，℃；h为平均对流传热系数，；可通过上式根据已知的保温层外壁温度Tw求出器壁外侧温度Two；在确定空气温度为t的情况下，通过上述传热边界方程可推测计算空气在自然对流状态下的对流传热系数：根据值是否在1～10之间，确定假设的保温层内壁温度是否合理；若的值超过这个取值范围，则重新假定保温层内壁温度，重新开始计算；如果合理，则继续计算反应炉内总的传热系数：式中，分别为内外侧壁表面与流体的对流传热系数，；为构成反应炉壁各层材料的导热系数，；反应器壁各种材料的厚度，m；通过总的传热系数，有效传热面积A，计算反应器内热量的总损失：步骤（4），由于物料的摩尔焓为温度、压力及组成的函数，其表达式为：据能量平衡方程,反应前后的总能量应该相等，建立反应器内的能量平衡模型，表达式如下，其中，为反应后物料的总焓值：= |‑|若，则输出计算结果；若，则返回步骤（2），估算新的温度T，重新开始计算。...

【技术特征摘要】
1. 一种合成气一步法制二甲醚动态建模方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
步骤（1），建立从某一个初始时刻t到下一个时刻t+Δt之间的动态建模过程中的物料平衡方程，具体是：
已知t时刻反应器内各组分的物质的量、进料组分及流量，在反应器中，先将t时刻反应器内的物料与Δt时间段内的进料物质混合，视为此轮计算的初始反应物；建立物料平衡方程，其模型表达式为：
 式中，M为此轮计算初始反应物的量，mol；为反应器内原有物料的累积量，mol；为进料组分i的摩尔流量，单位为mol/h；为每轮计算所需的时间，h；
反应器Δt内进入的物料、t内积累的物料与t+Δt时刻反应开始后物料尊循原子守恒，其模型如下：
氢  BH =+氧  BO =+碳  BC =+式中，为t+Δt时刻，反应开始后j元素的原子总数；为t时刻反应器内累积的元素j的原子总数；为Δt时刻内进入反应器内的物料中元素j的原子总数，j分别表示氢、氧、碳元素中的一种；
步骤（2），假定反应器温度的初值T，从已知文献中查找有关合成甲醇、甲醇脱水及水气变换的动力学模型，选择模型结果与实验值相对误差较小的方程，合成甲醇、甲醇脱水及水气变换的速率方程r1、r2、r3可分别写为：
                       
                                            
                                 
其中，k1、k2、k3分别为合成甲醇、甲醇脱水及水气变换的的速率常数；、、、分别为、、和、的吸附平衡常数；、、分别为合成甲醇、甲醇脱水及水气变换的化学平衡常数，Pi为组分i的分压，Kpar；为组分i的浓度，mol/l；                         
通过甲醇合成、甲醇脱水、水气变换反应的速率方程，可分别写出甲醇M、二甲醚D和二氧化碳C的反应速率方程为：
                                                
                                                    
                                                     
                                                           
式中，复合催化剂配比，为已知甲醇合成催化剂的质量，g；为已知甲醇脱水催化剂的质量，g；、、分别表示甲醇、二甲醚、和二氧化碳初始的量<...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏江，葛铭，葛文锋，郑小青，郑松，李小爽，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33