[發明專利]一種合成氣一步法制二甲醚動態建模方法

在審

• 申請號: 201410520325.2
• 申請日: 2014-09-30
• 公開（公告）號: CN104298864A
• 公開（公告）日: 2015-01-21
• 發明（設計）人: 魏江;葛銘;葛文鋒;鄭小青;鄭松;李小爽
• 申請（專利權）人: 杭州電子科技大學
• 主分類號: G06F19/00
• 分類號: G06F19/00
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 杜軍

1.?一種合成氣一步法制二甲醚動態建模方法，其特征在于該方法包括以下步驟：

步驟（1），建立從某一個初始時刻t到下一個時刻t+Δt之間的動態建模過程中的物料平衡方程，具體是：

已知t時刻反應器內各組分的物質的量、進料組分及流量，在反應器中，先將t時刻反應器內的物料與Δt時間段內的進料物質混合，視為此輪計算的初始反應物；建立物料平衡方程，其模型表達式為：

?

式中，M為此輪計算初始反應物的量，mol；為反應器內原有物料的累積量，mol；為進料組分i的摩爾流量，單位為mol/h；為每輪計算所需的時間，h；

反應器Δt內進入的物料、t內積累的物料與t+Δt時刻反應開始后物料尊循原子守恒，其模型如下：

氫??B_H?=+

氧??B_O?=+

碳??B_C?=+

式中，為t+Δt時刻，反應開始后j元素的原子總數；為t時刻反應器內累積的元素j的原子總數；為Δt時刻內進入反應器內的物料中元素j的原子總數，j分別表示氫、氧、碳元素中的一種；

步驟（2），假定反應器溫度的初值T，從已知文獻中查找有關合成甲醇、甲醇脫水及水氣變換的動力學模型，選擇模型結果與實驗值相對誤差較小的方程，合成甲醇、甲醇脫水及水氣變換的速率方程r_1、r_2、r₃可分別寫為：

???????????????????????

????????????????????????????????????????????

?????????????????????????????????

其中，k_1、k_2、k₃分別為合成甲醇、甲醇脫水及水氣變換的的速率常數；、、、分別為、、和、的吸附平衡常數；、、分別為合成甲醇、甲醇脫水及水氣變換的化學平衡常數，P_i為組分i的分壓，Kpar；為組分i的濃度，mol/l；?????????????????????????

通過甲醇合成、甲醇脫水、水氣變換反應的速率方程，可分別寫出甲醇M、二甲醚D和二氧化碳C的反應速率方程為：

????????????????????????????????????????????????

????????????????????????????????????????????????????

?????????????????????????????????????????????????????

???????????????????????????????????????????????????????????

式中，復合催化劑配比，為已知甲醇合成催化劑的質量，g；為已知甲醇脫水催化劑的質量，g；、、分別表示甲醇、二甲醚、和二氧化碳初始的量

聯立原子守恒方程與甲醇、二甲醚和二氧化碳的速率方程，即可求解出當前溫度壓力下對應的物料組成；

步驟（3），根據能量平衡方程,建立反應器內的能量平衡模型，計算在時間段反應器內物料的總焓值，其表達式如下：

?

式中，(MH)_t?為反應器內累積物料的總焓值，為t時刻反應器內累積物料的摩爾焓，KJ/mol；為反應器內每輪計算所需要的時間，h；為進料物流的摩爾焓（可以是多股進料），KJ/mol；為外界提供反應器的熱量，kJ/h；為熱損失的量，kJ/h；

計算過程中，忽略輻射傳熱；在反應器內部氣體與保溫層內壁的對流換熱屬于內強制對流換熱，其對流傳熱系數的計算公式為：

??

式中，為爐內氣體對流傳熱系數，；為氣體在平均溫度下的導熱系數，W/(m·℃)；為氣體在平均溫度下的運動粘度，/s；為氣體在平均溫度下的普朗特準數；為當量直徑，m；為氣體溫度與保溫層內壁溫度的修正系數；為受熱面的相對長度修正系數；為輻射換熱修正系數；為氣體流速，m/s；為保溫層內壁溫度，℃；平均溫度為反應器內部氣體溫度與保溫層內壁溫度的平均值；

在內外介質溫度保持不變的情況下，反應器通過壁面向外傳熱損失的熱量恒定不變，因此，單位面積通過對流傳熱的熱損失為：

???????

假設保溫層與器壁在同一時刻始終在熱平衡狀態，穩定傳熱時，保溫層壁內外之間的熱通量相等，由傳熱邊界條件得：

??????

??????

式中，T_w為保溫層外壁溫度，℃；h為平均對流傳熱系數，；可通過上式根據已知的保溫層外壁溫度T_w求出器壁外側溫度T_wo；

在確定空氣溫度為t的情況下，通過上述傳熱邊界方程可推測計算空氣在自然對流狀態下的對流傳熱系數：

根據值是否在1～10之間，確定假設的保溫層內壁溫度是否合理；若的值超過這個取值范圍，則重新假定保溫層內壁溫度，重新開始計算；如果合理，則繼續計算反應爐內總的傳熱系數：

??

式中，分別為內外側壁表面與流體的對流傳熱系數，；為構成反應爐壁各層材料的導熱系數，；反應器壁各種材料的厚度，m；

通過總的傳熱系數，有效傳熱面積A，計算反應器內熱量的總損失：

????

步驟（4），由于物料的摩爾焓為溫度、壓力及組成的函數，其表達式為：

??????????????????????

據能量平衡方程,反應前后的總能量應該相等，建立反應器內的能量平衡模型，表達式如下，其中，為反應后物料的總焓值：

=?|?-?|??????????????????????

若，則輸出計算結果；若，則返回步驟（2），估算新的溫度T，重新開始計算。