高浓度CO变换催化剂装填量的动力学计算及问题探讨.pdf

化肥设计 第 卷 第 期 年 月 高浓度 变换催化剂装填量的 动力学计算及问题探讨 纵秋云 青岛科技大学 山东 青岛 摘 要 应用动力学模型 结合工业生产数据 讨论了高浓度 气体组成中一段催化剂的装填精度问题 分析了 活性系数对催化剂装填量的影响 以年产 万 甲醇的德国 粉煤气化工艺为例进行了动力学模拟计算 结 果表明 经过工业数据校正的动力学方程可以满足催化剂装填量计算的精度 采用分段进气或废锅副产蒸汽 分段 变换制取甲醇等方法 可使反应深度和床层热点温度控制在要求范围以内 关键词 变换反应 动力学计算 催化剂装填精度 活性系数 气化 中图分类号 文献标识码 文章编号 2 进入 世纪以来 由于受石油资源日趋紧张 的影响 我国的煤化学工业转入了一个快速发展阶 段 煤气化制氨 制甲醇 煤合成汽油等工程项目 已全面启动 并且相继引进了荷兰 公司 简称 气化 和德国 简称 气化 粉煤 气化新工艺 与 德士古0水煤浆加压气化技术相 比 尽管 和 粉煤气化工艺具有对煤质要 求低 合成气中有效组分含量高 原煤和氧气消耗低 环境污染轻和运行费用 低等特点 但由于制得的原料气中 高达 以上 如何控制一段炉反应深度和抑制甲烷化 副反应的影响等问题 就成为这 种新气化工艺能 否成功应用于合成氨生产的关键 笔者曾以某厂的工艺条件为计算基准 对选用 粉煤气化工艺制氨流程中 耐硫变换工序中第 一段反应器反应深度的控制和甲烷化副反应的影 响等问题进行了研究 结果发现 当水 气比较 低 床层热点温度较高时 容易发生甲烷化副反应 提高水 气比 虽然可以抑制甲烷化副反应 但由于 浓度高 反应的推动力大 因此一段催化剂的装 量只要发生少量变化 就会对出口 含量和床层 热点温度造成很大的影响 因此催化剂的用量必 须计算准确 否则也会造成床层超温的不良后果 笔者结合近年来对 和 等新引进的气 化工艺产生的高浓度 原料气变换催化剂的动力 学计算的经验 并应用工业生产数据 对如何准确 计算第一段反应器催化剂问题进行探讨 动力学模型设计 采用龙格 库塔法解偏微分方程组 积分方向 由外向内 所涉及的偏微分方程组见式 催化剂装填量由床层高度及径向积分衡算确定 其中 轴向高度 床层高度 数值根据径向计算结果 作者简介 纵秋云 年 女 安徽萧县人 年毕业于山东 化工学院无机化工专业 教授级高级工程师 从事耐硫变换催化剂 的开发与研究工作 自然选取 式中 代表积分尺寸 床层高度或半径 代表 床层直径 代表催化剂堆比 代表 物料比热 代表反应热 代表气体流量 代表反应速度 结果与讨论 活性系数对催化剂装量的影响 众所周知 催化剂的活性除了与催化剂本体的 因素 如组分含量 助剂和尺寸大小等 有关外 还 与工艺环境的影响 如气体中的毒物等 使用年限 和使用状态密切相关 完整的动力学方程式应该 反映上述所有的因素 通常在进行动力学计算时 将毒物 使用年限和使用状态的影响等因素归纳成 系数形式 连乘于动力学表示之前 称为活性系数 它表示催化剂在真实条件下使用活性与标准活性 实验室条件下 的比值 在进行工业催化剂装量 的计算时 正确选取这种反映实际使用状态影响的 活性系数对确定催化剂的用量是十分重要的 在相同的工艺条件下 某厂 气化0制氨用 同一动力学方程式计算的不同活性系数的动力学 数据见表 由表 可见 当活性系数选取较高时 在达到同样的转化率时所用的催化剂要少 例如 在达到相同的热点温度 变化率为 时 由于活性系数的选取不同 催化剂用量 相差 按照动力学计算的经验 对于 含量较低的 工艺气 催化剂用量为 的动力学差值应该说 是允许的 更何况为确保催化剂的使用寿命 在进 行催化剂装量计算时 一般要留有至少 的余 量 但是对于 和 气化制得的原料气 由 于 含量高 反应的推动力大 在反应的敏感区 催化剂的装量只要有少量的变化 就会对一段出口 含量和床层热点温度产生很大的影响 由表 数据可知 当选取系数为 催化剂为 时 床层的热点温度为 但若选取 的活 性系数 当催化剂为 时 床层的热点温度就 高达 这个温度已经超过了催化剂的使 用温度和设备的耐热温度 是绝对不允许的 因 此 在进行高浓度 含量的动力学计算时 活性系 数的选取必须合理和准确 表1 动力学计算结果汇总 活性 系数 温度 入口热点 出口组成 变换率 床层高度 装量 注 反应器直径为 活性系数的合理选取 要想合理地选取活性系数并计算出合适的催 化剂装填量 较为可靠的方法就是把实验室作出的 活性系数用工业生产的实际数据进行校正 表 给出了某公司 万 甲醇装置开车后 个月的 实际运行数据和用该数据校正后的动力学计算结 果 由表 可见 在相同的装填高度和催化剂装量 的情况下 动力学计算的结果与工业实际运行情况 基本相同 这说明用工业数据校正后的活性系数 是合理的 可以准确地计算出催化剂的装填量 表2 动力学计算结果汇总 类别 温度 入口热点 出口组成 变换率 床层高度 装量 工业 装置 上层 动力 学模 拟 注 反应器直径为 粉煤气化一段工艺条件的模拟计算 德国的 气化与荷兰的 粉煤气化气体 组成基本相同 但 气化工艺气中的水气比是固 定的 不像 粉煤气化工艺气那样可以调节 这样 一段炉反应的深度就更加难以控制 特别是在开车 的初期 生产气量产生波动或无法很快达到满负荷运 行时 床层的热点温度就必然要超过规定的温度 第 期 纵秋云 高浓度 变换催化剂装填量的动力学计算及问题探讨 表 给出了某厂不同气量时 催化剂装量对床 层热点温度影响的计算结果 由表 可见 随着负 荷的变化 床层的热点温度也在明显变化 当满负 荷生产时 要达到出口 小于 的指标 催化剂 装量应为 当 负荷生产时 要达到出口 小于 的指标 催化剂装量要减少为 当 负荷生产时 要达到出口 小于 的指标 催化剂装量要减少为 从表 还 可以看出 如果开车初期采用 的负荷 当催化 剂的装填量为 时 变换反应的深度增加 床 层的热点温度已达到 如果催化剂装量 减少到 当满负荷生产时 出口 指标又 达不到要求 解决这一难题比较好的方法就是采 用分段进气的方法 即在保证催化剂活性指标的前 提下 在合适的位置增加几条原料气的冷激线 不 仅可以起到降低床层温度的作用 而且可以根据负 荷的变化决定冷激线的开关 从而将床层温度调节 在要求的范围之内 表3 动力学计算结果汇总 气量 水气 比 温度 入口热点 出口组成 变换率 装量 注 计算基准为干气总量为 干基组成体积分数为 压力为 另外 也可以模仿 德士古0水煤浆部分耐硫变 换制甲醇的流程 采用废热锅炉副产蒸汽 将水气 比降低到合适的值 然后再进行分段耐硫变换来达 到要求的工艺指标 动力学模拟计算应用实例 现以某采用 粉煤气化 万 甲醇厂为 例 进行动力学模拟计算 计算要求及依据 干气量为 干基 组成 压力为 水气比为 要求出口 方案 一段变换制取甲醇 采用一段变换制取甲醇的动力学计算结果汇 总于表 由表 可见 要达到出口 体积分数小 于 的指标 床层的热点温度将达到 如 果气量变换或工艺条件波动 床层的温度有可能超 过 因此可见 这种方案的操作弹性较小 表4 动力学计算结果汇总 水气 比 入口温 度 热点温 度 出口组成 催化剂 装量 催化剂 型 号 3 2 方案2 废锅副产蒸汽 分段变换制取甲醇 第一变换炉 采用废热锅炉副产蒸汽 将 反应的水气比降低到 催化剂装量选取 时 动力学计算结果见表 由表 可见 随着 水气比的增加 出口 含量增加 床层的热点温度 下降 因此 可以采用调节一段炉水气比的方法来 调节一段炉床层热点温度 当选取床层热点温度 小于 时 水气比为 出口 为 催化剂装量为 表5 动力学计算结果汇总 水气 比 入口温 度 热点温 度 出口组成 催化剂 装量 催化剂 型 号 第二变换炉 当干气量为 干 基组成的体积分数为 时 计算了水气比和入口温度的变化对出口 和床层热点温度的影响 结果见表 由表 可 以看出 当一段炉的水气比为 和 时 相应出 口的水气比为 和 即第二变换炉的入口水 气比为 和 第二变换炉的出口 含量为 和 床层热点温度小于 能够 较好地满足出口 指标小于 的设计要求 表6 第二变换炉动力学计算结果汇总 水 气 一段出口 温度 入口入口热点 出口组成 装量 催化剂 型 号 下转第 页 化肥设计 年第 卷 则代表传统与成熟 特别是现阶段 在 尚 没有形成统一的国际标准而呈群雄逐鹿之势时 则以其成熟的发展 完备的功能及广泛的应用 仍占居不可完全替代的地位 首先 从工程成本与效益看 具有互操作性 良好 结构简单 布线费用低 控制功能分散 灵活 可靠 现场信息丰富等优势 但这些优势是建立在 系统初装的前提下 倘若企业已经建立完善的 若向 过渡 则必须仔细考虑现有投资对已 有投资的回报率 应充分利用已有的 设施和 现有的 布线以及成熟的 控制管理方式来 实现 其次 从技术的继承及控制手段上 要求 与 相互兼容 实现控制功能下移至 现场层 使 的多层网络被扁平化 各个现场设 备节点的独立功能得以加强 因此 在 中有必 要增加和完善现场子层设备间的数据通讯功能 由于历史的原因 通常拥有大型控制柜以协调 各个设备 同时更强调层与层的数据传输 综上所述 适用于较慢的数据传输速率 则适用于较快的数据传输速率 并能更灵活地处 理数据 但当同层设备过于独立 数据量超过一定值 或偏大时 易导致数据网络堵塞 解决的办法是设立 一个适当的监控层来协调相互通讯的设备 而 就具有这一特点 可见 要使 的控制方式和手 段完善化 借鉴 的一些控制思想是有必要的 颇具影响的现场总线技术 基金会现场总线 基金会现场总线 简称 于 年由美国 和 2 为首成立 它以 开放系统互连模型为 基础 取其物理层 数据链路层 应用层为 通信 模型的相应层次 并在应用层上增加了用户层 基 金会现场总线分 和 两种通信速率 的传 输速率为 可支持总线供电和本质安全 防爆环境 支持双绞线 光缆和无线发射 协议符合 标准 传输信号采用曼册斯特编码 技术由美国 公司推出 采用 模型的全部 层通讯协议 采用面向对象 的设计方法 通过网络变量把网络通信设计简化为 参数设置 支持双绞线 同轴电缆 光缆和红外线等 多种通信介质 并开发了本质安全防爆产品 被誉 为通用控制网络 采用 技术和神经元芯 片的产品 被广泛应用在楼宇自动化 家庭自动化 保安系统 办公设备 交通运输 工业过程控制等 是德国标准 和欧洲标 准 的现场总线标准 由 组成 用于 分散外设间高速数据传输 适用于加工自动化领 域 适用于纺织 楼宇自动化 可编程控制器 低压开关等 用于过程自动化的总线类型 服 从 标准 是控制局域网络的简称 由德国 公司推出 它广泛用于离散控制领域 的信号 传输采用短帧结构 传输时间短 具有自动关闭功 能和较强的抗干扰能力 最早由 公司开发 其特点是 在现有模拟信号传输线上实现数字信号通信 属于 模拟系统向数字系统转变的过渡产品 由于它采 用模拟数字信号混和 难以开发通用的通信接口芯 片 能利用总线供电 可满足本质安全防爆 的要求 并可用于由手持编程器与管理系统主机作 为主设备的双主设备系统 修改