思想来模拟各种设备和灵活方便地组建各种工业生产流程，可模拟九大类常用的化工设备，如混合器、换热器、塔设备等[8]。本文应用Chem CAD软件计算工艺流程。

本文主要选取焦炉煤气部分氧化制取甲醇合成气工段的工艺设计做为研究对象。采用Chem CAD软件对整个流程进行工艺模拟，确定一系列工艺条件，用Chem CAD软件对工艺条件进行分析，得出焦炉煤气部分氧化制取甲醇合成气最适宜的条件，为工业实际生产甲醇工艺的放大和稳定操作提供理论指导。

1 焦炉煤气部分氧化工艺模拟

1.1 焦炉煤气部分氧化工艺流程

图 1是焦炉煤气催化部分氧化制取甲醇合成气的工艺流程[8]。

除去绝大部分杂质的焦炉煤气依次进入湿法脱硫塔和干法脱硫塔，最终脱除有机硫和无机硫。由湿法脱硫塔进入干法脱硫塔压力维持在 2.17 MPa，干法脱硫塔中催化剂为铁钼催化剂。将经预热器预热的焦炉煤气与饱和水蒸汽混合物与纯氧混合均匀，进入转化炉合成甲醇的合成气。高温合成气在进入甲醇合成工段前，需要冷却并经气水分离器。合成气的余热可以循环利用生产副产低压蒸汽。

1.2 焦炉煤气部分氧化工艺模拟条件

利用ChemCAD对焦炉煤气部分氧化制甲醇合成气的流程进行模拟。其中，转化炉模拟用Gibbs模块。进入转化炉的各物流的摩尔流量比为：COG（焦炉煤气）：O2H2O=10.210.8。为简化计算，假设进入反应器的上述三股物流的温度均为500 ℃，进口压力均为2.1 MPa[11]。焦炉煤气的流量为27.8 mol/s，反应压力为1.85 MPa。原料气的组成见表1所示。

1.3 模拟流程

用Chem CAD模拟的流程如图2所示。

1.4 模拟计算步骤

（1）建立模拟流程图。首先选择建立新的模拟，为新的模拟命名，建立模拟流程；

（2）添加组分，选择工程单位和热力学模型；

（3）规定进料流股，规定换热器和反应器；

（4）运行模拟，通过菜单Run→Run all选项，运行模拟；

（5）查看结果，对计算结果进行分析，不断修正计算模型。

2 结果与讨论

2.1 水蒸汽量对氢碳比的影响

图3为水蒸汽用量对氢碳比影响关系图。由图3可见，在水蒸汽摩尔流量小于600 kmol/h时，随着水蒸汽摩尔流量增加，氢碳比逐渐降低；当水蒸汽摩尔流量大于600 kmol/h时，随着水蒸汽摩尔流量增加，氢碳比逐渐增加，但增加幅度不大。因为CO变换反应为可逆反应，根据反应平衡理论，在温度一定时，当水蒸气摩尔数增加，反应往右移动，相应H2量增加，与文献[8]的研究结果一致。

由于随着水蒸气摩尔流量的增加，转化炉内催化剂床层的温度降低，使得由CH4转化成的CO量减少[8]。而且，随着水蒸气的摩尔流量的增加，CO变换反应的平衡变换率也随之增加，因此会消耗更多的CO与水蒸气反应，从而使得合成气中CO的含量逐渐减少。

同样，在温度一定时，当增加水蒸气摩尔数，CO变换反应向右移动，相应CO2的生成量增加[8]。

2.2 氧气量对氢碳比的影响

图4是氧气摩尔流量对氢碳比影响规律图。由图4可见，随着氧气的摩尔流量增加，氢碳比逐渐减小，尤其是氧摩尔流量很低时，氢碳比很大，这对甲醇的合成极其不利。

随着氧气摩尔流量增多，合成气中二氧化碳的含量先增多后逐渐减小，由于刚开始，氧气的含量很少，氢气的燃烧反应弱，变换反应区的温度不是很高，变换反应生成二氧化碳的量多；但是，随着氧气量逐渐增多，氢气燃烧反应加强，变换反应区温度升高，一氧化碳变化反应受抑制，使得生成的二氧化碳量减少，从而使得合成气中二氧化碳含量是先增多后减小。

2.3 反应器进口温度对氢碳比的影响

图5是反应器进口温度对氢碳比的影响图。从图5中可以看出，随着反应器进口温度的升高，反应器出口温度也相应得升高，这有利于甲烷转化完全。由图5还可以发现，一氧化碳增加，二氧化碳减少，使得CO/CO2比增加，有利于甲醇的合成；随着反应器进口温度的升高，氢碳比增加，不利于甲醇合成，并且反应器进口温度增加使换热面积增加较多，投资要加大，权衡其利弊，本文选反应器的进口温度为500 ℃。

2.4 二氧化碳补加量和反应压力对氢碳比的影响

图6为二氧化碳补加量对氢碳比的影响图。由图6可以发现，在温度一定时，随着二氧化碳补加量增加，CO变换反应向左移动，CO量增大，导致合成气的氢碳比降低。甲醇合成对原料气的基本要求是氢碳比为2.05[8]，由图6可见，二氧化碳的补加量为9.5 kmol/h时满足甲醇合成適宜条件。

图7为反应压力对氢碳比的影响图。由图7可以看出，随着压力的升高，氢碳比逐渐减小，CO/CO2比也逐渐减小，不利于甲醇合成反应。

可见，反应压力过高，不利于甲烷转化反应；如果反应压力过低，氢碳比过高，不利于甲醇合成。为此，本文选取的反应压力为1.85 MPa。

3 结 论

（1）氢碳比随着水蒸气的增多而减小，有利于甲醇合成，但水蒸气增加会使合成气中的CO2量增加，适宜的水蒸汽摩尔流量为600 kmol/h。

（2）在本文模拟计算条件下，适宜的氧气量为21 kmol/h。反应器进口温度为500 ℃，反应压力为1.85 MPa，二氧化碳的补加量为9.5 kmol/h。

（3）进入转化炉的各物流的摩尔流量比为：COG（焦炉煤气）：H2O：O2：CO2=1：0.8：0.21：0.095。

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