[发明专利]一种合成气一步法制二甲醚动态建模方法

说明书

技术领域

本发明属于化工技术领域，涉及一种合成气一步法制二甲醚动态建模方法。

背景技术

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。

发明内容

本发明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  B_H =+

氧  B_O =+

碳  B_C =+

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r_1、r_2、r₃可分别写为：

                       

                                            

                                 

其中，k_1、k_2、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，P_i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：