半水煤氣一步法漿態(tài)床合成二甲醚中型實驗裝置的工程研究.pdf

1、世界能源的緊缺，制約著全球經(jīng)濟的發(fā)展。所以各國都在投巨資，力圖尋求解決能源短缺的有效辦法。由于世界煤和天然氣資源十分豐富，如何更經(jīng)濟有效、并潔凈地利用這兩種資源，是全球工業(yè)和科技界十分關(guān)心的重要問題。合成氣目前主要用于生產(chǎn)氨和甲醇，隨著煤化工和Cl化學(xué)的發(fā)展，人們都在尋求合成氣的其它的利用途徑。二甲醚具有許多優(yōu)良的性質(zhì)，因而由合成氣制DME已成為Cl化學(xué)工業(yè)技術(shù)熱點之一。合成二甲醚的工藝大體可以分為一步法和兩步法，由于一步法在化學(xué)平衡上

2、的優(yōu)勢使得它具有較大的發(fā)展空間，又由于漿態(tài)床技術(shù)的諸多優(yōu)點使得一步法漿態(tài)床技術(shù)成為近年來二甲醚合成的熱點技術(shù)，它也將成為二甲醚合成的主導(dǎo)生產(chǎn)工藝。 本課題主要對漿態(tài)床合成工藝進行了研究，通過冷模試驗和中型試驗裝置的冷運，研究壓力、表觀氣速和固體顆粒濃度對漿態(tài)床反應(yīng)器中的流體動力學(xué)和傳質(zhì)特性的影響，應(yīng)用流體動力學(xué)和氣液傳質(zhì)理論，對操作變量和漿態(tài)床反應(yīng)器運行參數(shù)之間的內(nèi)在關(guān)系進行了分析。作為本課題的另外一個重要方面，為將反應(yīng)器從實驗

3、室規(guī)模放大到工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模，在導(dǎo)師的帶領(lǐng)下，作者與有關(guān)企業(yè)合作建立了一套1000噸/年一步法漿態(tài)床合成二甲醚中型試驗裝置，通過對該裝置各個單元工藝指標的調(diào)整、反應(yīng)器結(jié)構(gòu)的改進和催化劑的更換等方面的研究，摸索出一些漿態(tài)床反應(yīng)器的工業(yè)生產(chǎn)規(guī)律，為將來一步法漿態(tài)床工業(yè)化生產(chǎn)二甲醚提供了操作數(shù)據(jù)和指導(dǎo)經(jīng)驗。通過以上研究和分析，得出了下述主要結(jié)論。 1.增大表觀氣速可以降低氣含率沿軸向分布的不均勻性，在某些情況下還會使分布器上方規(guī)模較小的渦

4、旋向下移動。隨固體顆粒濃度的增加，分布器上方氣含率下降的幅度逐漸變大，表明固體顆粒會加強氣泡的合并。加入固體顆粒后，氫氣的氣含率沿反應(yīng)器軸向的分布變得極不規(guī)律，和其它氣體形成了鮮明的對比，說明在固體顆粒的作用下，氫氣的氣泡行為和其它氣體不同。 2.通過實驗發(fā)現(xiàn)在相同的條件下N2、CO和H2三種氣體的氣含率大小的順序為：εG,N2≈εG,CO＞εG,H2，與其分子量由大到小的趨勢一致。 3.利用傳質(zhì)理論得出了操作變量對kL

5、值的影響，增大壓力和表觀氣速會導(dǎo)致液相傳質(zhì)系數(shù)增加，但在液相中加入固體顆粒會使KL值大幅度降低。 4.在本實驗的研究范圍內(nèi)，體積氣液傳質(zhì)系數(shù)與氣含率的冪指數(shù)成正比，且kLa值隨操作變量變化的規(guī)律與氣含率隨操作變量的變化規(guī)律相似，表明在漿態(tài)床反應(yīng)器中氣液傳質(zhì)過程是由反應(yīng)器的流體動力學(xué)行為控制的，這是漿態(tài)床反應(yīng)器放大的原則之一。 5.在實驗范圍內(nèi)，kLa值隨壓力和表觀氣速增大而增大，當增加固體顆粒濃度時，kLa值減小。三種氣

6、體在液蠟中的飽和溶解度的順序為：C*CO＞C*N2＞C*H2。 6.通過分析中型試驗裝置反應(yīng)器床層溫度的軸向分布，發(fā)現(xiàn)在反應(yīng)的各個階段，床層溫度是與反應(yīng)器內(nèi)各熱量流和冷量流的一個綜合反映參數(shù)，通過反應(yīng)器溫度的軸向分布可以推斷反應(yīng)器內(nèi)流動狀況和出現(xiàn)不正常運行的原因。 7.通過分析中型試驗裝置反應(yīng)器床層溫度的軸向分布，得出在反應(yīng)器升溫階段，反應(yīng)器的軸向溫度分布比較平穩(wěn)，沿反應(yīng)器向上溫度逐漸遞減；在催化劑還原階段，在沒有利用盤

7、管進行輔助加熱時，反應(yīng)器底部溫度較高；在生產(chǎn)階段，由于有大量的產(chǎn)品氣生成，使得反應(yīng)器上部溫度與中部溫度比較接近。 8.通過研究中型試驗裝置的床層溫度對合成工藝的影響得出，在230～280℃范圍內(nèi)，由于反應(yīng)溫度對反應(yīng)速率的主導(dǎo)影響，CO、H2轉(zhuǎn)化率、二甲醚生成速率及其選擇性均隨反應(yīng)溫度的提高而增加。對于該裝置，適宜的反應(yīng)溫度區(qū)間為250～280℃。 9.通過研究中型試驗裝置的進料空速對合成工藝的影響得出，在進料空速為300

8、0～5000ml/(gcat.h)范圍內(nèi)，進料空速增大，CO和H2的轉(zhuǎn)化率降低，二甲醚生成速率隨進料空速提高而增加。但對于二甲醚合成而言，雖然二甲醚生成速率隨進料空速提高而增加，但是會使二甲醚在產(chǎn)品氣中的濃度降低，催化劑和溶劑攜帶量增大，造成分離成本增加和催化劑的熱量損失，因此應(yīng)該綜合考慮，以經(jīng)濟性和裝置的設(shè)計能力為依據(jù)選擇合適的空速。對于該裝置，建議適宜的進料空速約為4000ml/(gcat.h)。 10.通過研究中型試驗裝置

9、的操作變量對合成工藝的影響得出，反應(yīng)壓力對合成工藝的影響最為明顯。提高反應(yīng)壓力可提高CO和H2轉(zhuǎn)化率、二甲醚生成速率，但二甲醚選擇性降低。增加反應(yīng)系統(tǒng)的壓力，對一步法漿態(tài)床合成是有利的，在設(shè)備允許的情況下，應(yīng)提高反應(yīng)的壓力。對于該裝置，建議反應(yīng)系統(tǒng)的運行壓力為4.5MPa。 11.通過對中型試驗裝置的運行情況分析，提出了一種新型分布器的設(shè)計，該分布器將噴嘴與分布板進行結(jié)合，實現(xiàn)了漿態(tài)床噴嘴的防堵塞和氣體的均勻分布。 12