高 振，馬 磊，侯建國，張新波，何 洋

(1.中海石油氣電集團有限責任公司技術(shù)研發(fā)中心，北京 100028；2.西南化工研究設計院有限公司，四川 成都 610225）

開發(fā)應用

絕熱固定床甲烷化反應器壓降模擬研究

高 振1，馬 磊2，侯建國1，張新波2，何 洋2

(1.中海石油氣電集團有限責任公司技術(shù)研發(fā)中心，北京 100028；2.西南化工研究設計院有限公司，四川 成都 610225）

絕熱固定床甲烷化反應器及工藝已用于工業(yè)實際生產(chǎn)，對其進行壓降模擬研究有著現(xiàn)實意義。對主要壓降影響因素進行了系統(tǒng)闡述，利用Aspen Plus軟件搭建了壓降模型，與工業(yè)實際情況對比進行模型驗證。利用靈敏度分析工具進行單因素分析并進行線性擬合，探索了物料參數(shù)、催化劑參數(shù)、反應器參數(shù)等影響因素變化與壓降的關(guān)聯(lián)影響。

甲烷化；固定床；反應器；壓降；模擬；單因素分析

目前工業(yè)化的甲烷化技術(shù)主要為絕熱式固定床反應器及其工藝形式，昊華（成都）科技有限公司、山西太原重工集團煤化工分公司等實現(xiàn)反應器制造、生產(chǎn)。為保證反應深度及產(chǎn)品品質(zhì)，焦爐氣甲烷化工藝一般設置3～4個反應器，而煤制天然氣甲烷化因總碳在20%～25%，遠高于焦爐煤氣總碳8%～12%，一般需設置4～6個反應器，多級反應器的設置對于甲烷化系統(tǒng)的壓降影響較為顯著。反應器壓降與催化劑的結(jié)焦量密切相關(guān)，是催化劑活性的重要指標之一[1]；進行初步設計時，為合理選取壓縮機等流體設備提供依據(jù)；壓降還影響相關(guān)聯(lián)單元的能耗，甲烷化單元壓降變大，出口產(chǎn)品氣經(jīng)管輸壓縮機的能耗將變大。鑒于壓降的現(xiàn)實意義及甲烷化反應器工業(yè)應用情況，進行絕熱固定床甲烷化反應器的壓降計算具有較強現(xiàn)實意義。

目前工業(yè)設計確定壓降一般為經(jīng)驗值，高于實際運行值，兩者存在較大偏差。前人一般通過試驗來確定壓降與部分壓降影響因素的關(guān)聯(lián)性或通過試驗得出壓降與影響因素的關(guān)聯(lián)式，曾莉等[2]通過實驗研究了活性炭形狀和大小對壓降的影響，結(jié)果表明同等工況下蜂窩形態(tài)壓降最小，球形炭為柱狀炭的50%～70%，研究范圍限于顆粒形狀及顆粒尺寸。陳耀壯等[3]通過實驗模擬了氣體流經(jīng)催化劑床層的流動阻力，得出了壓降與流體物性參數(shù)（流速、密度、粘度）、床層高度的關(guān)系，涉及部分影響因素。前人經(jīng)過試驗驗證時間較長，耗費較多人力、物力，大量手工計算較為繁瑣。本文運用Aspen Plus軟件搭建了壓降模型進行壓降計算及進行影響因素靈敏度分析，探索了各個壓降影響因素對壓降的影響趨勢，能夠快速為工程設計提供參考。

1 基礎(chǔ)參數(shù)的確定

壓降計算方法（方程選?。?、顆粒形狀系數(shù)φs、床層孔隙度ε等壓降計算基礎(chǔ)參數(shù)需要進行選取或通過計算確定。

(1)方程選取

計算單相流體通過固定床層的壓降有許多經(jīng)驗式，其中厄根（Ergun）方程經(jīng)過前人多次驗證[4]。Ergun方程是一個半理論半經(jīng)驗公式，它是按照“先模型后實驗”的模式而建立的?；诎杨w粒物料固定床層看成一種各向同性的均勻多孔介質(zhì)，認為流體通過固定床層的壓力降由粘滯損失項和動能損失項兩部分構(gòu)成。

(2)顆粒形狀系數(shù)φs的確定

式中：φs為體積和固體顆粒相同的圓球外表面積Sv與固體顆粒的外表面積Sp之比，其與顆粒當量直徑有關(guān)；dv為體積當量直徑；ds為面積當量直徑。φs為無因次量，由于體積相同而形狀不同的物體中，以圓球的外表面積為最小，所以φs恒小于1。φs說明顆粒形狀與圓球的差異程度。球形顆粒φs=1，非球形顆粒φs＜1，若其值越接近于1，則其形狀也就越接近于圓球。對于規(guī)則柱狀非中空固體顆粒，按上述公式計算，在底面直徑和高相等的情況下，φs= 0.87358。

(3)床層孔隙度ε的確定

式中：ρb為床層緊填充密度；ρp為顆粒密度，由隨機選擇的多個催化劑樣品顆粒尺寸和質(zhì)量計算得到。床層空隙率ε是顆粒間自由體積與整個床層體積之比，它是固定床的重要特征之一。床層空隙率ε對流體通過床層的阻力、床層的有效導熱系數(shù)等參數(shù)影響很大。近年來出現(xiàn)的催化劑顆粒異形化技術(shù)通過提高床層孔隙率，也可有效減小壓降。研究指出[5]，對于有內(nèi)擴散阻滯的固體催化劑顆粒，顆粒的異形化可以不同程度地改善顆?；钚?，對于圓柱形和球形顆粒，存在最優(yōu)的開孔半徑，而對于理論平板狀顆粒，反應活性隨開孔半徑增加單調(diào)下降。

2 模型搭建及結(jié)果分析

采用Aspen plus軟件搭建壓降計算模型（圖1），甲烷化反應器選用R-Plug模塊。軟件模型為原料氣均勻分布的理想狀況。結(jié)合工業(yè)反應器入口合成氣組分進行模擬原料氣組分設定（物質(zhì)的量分數(shù)/%）：H221.75、CO 1.81、CO24.08、N20.49、CH447.65、C2H60.01、H2O 24.21。入口表壓為3.9MPa，反應溫度500℃，流量10000kmol/h（224140m3/h）。參照工業(yè)反應器參數(shù)及催化劑參數(shù)進行壓降模型的搭建。

圖1 利用R-Plug反應器模塊搭建的單塔壓降模型Fig.1 Single reactor pressure drop model by using R-plug reactor module

反應器壓降Δp=pin–pout。工業(yè)合成氣甲烷化項目一般采用差壓變送器對甲烷化反應器壓降進行記錄，部分已投產(chǎn)甲烷化項目的壓降數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 國內(nèi)已投產(chǎn)甲烷化制天然氣工廠運行壓降情況Table 1 Operation pressure drops of domestic methanation plants

分析表1數(shù)據(jù)，對比A、C項目，在進口氣量大致相同的情況下，因焦爐氣項目空速較低，導致更多的催化劑裝填量，摩擦阻力導致的壓降增大。對比A、B項目，同等壓降下，焦爐氣項目的原料氣量為煤制氣項目的一半左右。模擬壓降與實際壓降數(shù)據(jù)誤差在5%以內(nèi)，誤差較小，模擬值基本符合工業(yè)實際，可以用于實際甲烷化工程項目中反應器壓降的計算。

3 單因素分析

運用Aspen Plus軟件靈敏度分析工具進行單因素分析及線性擬合，逐一考核物料溫度、物料流量、催化劑形狀系數(shù)、顆粒尺寸、裝填量等壓降影響因素對壓降的關(guān)聯(lián)影響。以R2＞0.99作為線性擬合的目標，此時擬合線性曲線具有較強普適性。

圖2 物流溫度與壓降關(guān)系曲線及線性擬合指數(shù)曲線對比Fig.2 Stream temperature and pressure drop relation curve and linear fitting index curve

分析圖2數(shù)據(jù)，壓降隨物料溫度呈現(xiàn)一元線性相關(guān)，隨物料溫度的增加而增大，壓降在低于700℃條件下，壓降基本在50kPa以下。當前，國內(nèi)外甲烷化技術(shù)供應商的固定床催化劑最大可耐受700℃的高溫，更高的溫度將導致催化劑燒結(jié)失活，同時對反應壓降不利。反應溫度增加，絕熱情況下將會增加總碳轉(zhuǎn)化率，一定程度下可以有效減少反應器級數(shù)，進而減小甲烷化系統(tǒng)多級反應器整體壓降，因此，需綜合考慮反應溫度對反應深度、單反應器壓降及多級反應器壓降的綜合影響。

圖3 物流流量與壓降關(guān)系曲線及線性擬合指數(shù)曲線對比Fig.3 Stream flow rate and pressure drop relation curve and linear fitting index curve

分析圖3數(shù)據(jù)，隨流量增加，壓降顯著增加，流量在10000kmol/h以下時，可控制壓降在50kPa以下。工業(yè)上一般嚴格在設計負荷下運行，因此一般不會出現(xiàn)負荷過度增長引起的壓降急劇變大。

圖4 催化劑形狀系數(shù)與壓降關(guān)系曲線及線性擬合指數(shù)曲線對比Fig.4 Catalyst shape factor and pressure drop relation curve and linear fitting index curve

分析圖4數(shù)據(jù)，催化劑越接近球形，壓降越??；催化劑為球形時，壓降最小。形狀系數(shù)在0.75以上時，壓降變化不明顯；在0.55～0.75時，壓降變化平緩；小于0.55時，壓降波動較大。

圖5 催化劑顆粒尺寸與壓降關(guān)系曲線及線性擬合指數(shù)曲線對比Fig.5 Catalyst particle size and pressure drop relation curve and linear fitting index curve

分析圖5數(shù)據(jù)，反應器壓降隨催化劑顆粒尺寸的增加呈現(xiàn)指數(shù)下降，尺寸過小（粉化），壓降很大；尺寸越大，壓降越小。顆粒尺寸小于3mm時，壓降下降顯著；在3～5mm范圍內(nèi)，反應器壓降略有下降；大于5mm時，壓降基本沒有變化。因此，一定范圍內(nèi)催化劑顆粒尺寸的增大能夠有效降低反應器壓降；但尺寸過大將對相間的傳質(zhì)傳熱產(chǎn)生影響。

圖6 催化劑裝填量與壓降關(guān)系曲線及線性擬合指數(shù)曲線對比Fig.6 Catalyst quantity and pressure drop relation curve and linear fitting index curve

分析圖6數(shù)據(jù)，反應器壓降隨催化劑裝填量的增加呈指數(shù)增長，裝填量在35000kg以下時，能夠控制反應器壓降在60kPa以下。在絕熱固定床中，甲烷化反應深度受熱力學控制，裝填過多催化劑增大反應器壓降，無法加深反應深度，主要為保證催化劑的使用壽命。因此，在催化劑壽命保證年限內(nèi)，越少的催化劑裝填可減少催化劑投入費用，同時對控制反應器壓降越有利。

4 結(jié)論

(1)理論壓降的軟件模擬值與公式計算值基本吻合，也能較好地與工業(yè)實際運行值相契合。該模型可快速、精確進行反應器壓降計算，有利于工程設計時合理選取壓降數(shù)據(jù)。

(2)對不同壓降影響因素通過靈敏度工具、線性擬合手段逐一進行單因素分析，初步探索了單塔壓降值與不同壓降影響參數(shù)的內(nèi)在關(guān)聯(lián)性規(guī)律。

(3)通過詳細收集工業(yè)壓降參數(shù)，后續(xù)可對壓降模型進行修正，從而得到更加符合工業(yè)實際的單塔壓降計算模型。

(4)進行壓降設計時需考慮催化劑結(jié)焦、粉化等極端情況，給予一定設計余量。

[1]呂杭蔚.采用床層壓降檢測反應器內(nèi)催化劑的結(jié)焦量[J].化工自動化及儀表,2014,41(8):919-922.

[2]曾莉,岑望來,樊瑜波.活性炭形狀和大小對其壓降特性的影響研究[J].四川化工,2007,10(2):10-13.

[3]陳耀壯,姚松柏,馬磊,等.工業(yè)反應器中催化劑床層壓力降的模擬計算[J].天然氣化工·C1化學與化工,2008,33 (5):72-75+78.

[4]李濤,甘霖,徐懋生,等.A301氨合成催化劑工程參數(shù)研究與測定(I):形狀系數(shù)的測定[J].化學反應工程與工藝, 1999,15(4):390-394.

[5]華衛(wèi)琦,陳豐秋,呂德偉.催化劑顆粒的形狀優(yōu)化(I):基本幾何形狀顆粒 [J].化學反應工程與工藝,2000,16(2): 97-102.

Pressure drop simulation of adiabatic fixed bed methanation reactor

GAO Zhen1,MA Lei2,HOU Jian-guo1,ZHANG Xin-bo2,HE Yang2
(1.Research and Development Center of CNOOC Gas and Power Group,Beijing 100028,China; 2.Southwest Research and Design Institute of Chemical Industry Co.,Ltd.,Chengdu 610225,China)

The adiabatic fixed bed methanation reactor and process have been used for the industrial production,so the simulation on its pressure drop has a practical significance.The main factors affecting the pressure drop were elaborated,and the Aspen Plus software was used to establish the pressure drop model,which was validated by comparing with the actual industrial data. The sensitivity analysis tool was used for single factor analysis and linear fitting,exploring the correlation of pressure drop with the change of material parameters,catalyst parameters and reactor parameters.

methanation;fixed bed;reactor;pressure drop;simulation;single factor analysis

TQ018；TQ221.1

：A

：1001-9219(2016)05-51-04

2015-09-17；

：高振（1987-），男，本科，工程師，目前主要從事煤制天然氣、焦爐尾氣制天然氣方面的研究，電話010-84524201，電郵 gaozhen@cnooc.com.cn。