回收费托合成弛放气中合成原料的研究

摘要

我国石油对外依存度逐年增大，而石油进口来源高度集中、运输方式单一和国际油价波动剧烈等问题严重威胁了我国的石油安全，迫使我国建立石油战略安全体系。建立以煤炭、天然气和煤层气等为原料生产的合成气，通过费托合成工艺制合成油的技术储备，可以有效地保证我国石油战略资源安全。合成气经过费托合成工艺制备合成油的过程中，由于原料合成气中N2、Ar等惰性气体在合成过程中不断积累，浓度会逐渐升高，造成反应物分压的降低，从而降低了原料转化率。因此为控制反应装置中惰性气体的含量，系统必须定期排出一定量的弛放气。但弛放气中含有大量合成原料，如果直接排入燃料管网会降低其价值；并且因为弛放气中不含毒害催化剂的组分，所以从弛放气中回收的H2和CO直接返回合成装置，可以大大降低合成产品的单耗、提高过程的经济效益和产品竞争力。 本文以费托合成弛放气为回收目标，针对弛放气的组成和压力等特点提出了先用膜分离工艺回收氢气，后用PSA工艺回收CO的综合回收过程。模拟了两种氢气分离膜组件的氢气回收过程，讨论了产品氢气浓度和渗透侧压力对回收效果和经济效益的影响，确定了氢气回收过程的操作条件：选用PI制备的膜组件，一段回收过程，渗透侧表压为100kPa。确定PSA进气压力为0.8MPag，采用5-1-1/RP VPSA回收流程。综合回收过程的H2回收率为89.0％，CO回收率为83.4％，经济效益为3.77亿元/年，投资回收期15个月。 针对弛放气回收过程有两个目标回收组分和排出系统物流组成的特点对回收过程进行优化，首先比较了CO吹扫膜组件和H2吹扫PSA两种回收流程的经济效益，确定H2吹扫PSA为较优流程。在此基础上，讨论了PSA吸附尾气回收和PSA置换尾气回收流程。结果表明：在现有的燃料气和合成气价格条件下，置换尾气回收过程有较高的经济效益。讨论了系统的处理量和稳定性，得到系统最大处理量为设计处理量的120％；并得到不同αH2/N2时，更换膜组件的临界点。 目前使用的膜组件计算模型忽略了膜丝内压降，而实际膜分离过程中膜丝内压降经常是不可忽略的，本文改进了HYSYS中的Membrane Extension模块，采用更接近实际的柱塞流模型代替原有的全混流模型，计算过程增加了膜丝内径、丝外径和膜长度等变量，并把其引入Unisim Design中。采用改进的计算模块与原有的模块相比，可得到更接近实际的计算结果。

目录

文摘

英文文摘

声明

引 言

1文献综述

1.1我国石油资源现状

1.2煤炭作为石油替代资源的途径

1.2.1煤气化方法

1.2.2费托合成

1.3氢气分离方法

1.3.1氢气分离方法简介

1.3.2氢气分离膜材料

1.4一氧化碳分离方法

1.4.1铜铵液吸收法

1.4.2深冷分离法

1.4.3 Cosorb法

1.4.4 Hisorb法

1.4.5变压吸附法

1.5化工流程模拟技术

1.5.1化工流程模拟技术发展

1.5.2 Unisim简介

1.6中空纤维膜数学模型

1.6.1 中空纤维膜数学模型研究现状

1.6.2模拟计算系统中的计算模型

1.7选题依据与研究内容

2.1弛放气回收过程的设计与选择

2.1工艺设计基础

2.1.1计算模型和参数

2.1.2模拟基础条件

2.2氢气回收流程设计

2.2.1回收流程的讨论

2.2.2两种分离膜组件经济性比较

2.2.3渗透侧压力变化对过程的影响

2.3一氧化碳回收工艺流程设计

2.4本章小结

3综合回收流程优化和系统稳定性讨论

3.1回收过程优化

3.1.1 吹扫方式的选择

3.1.2 PSA吸附尾气回收

3.1.3 PSA置换尾气回收

3.2回收过程处理量讨论

3.2.1 处理量对膜回收过程的影响

3.2.2处理量对PSA回收过程的影响

3.3膜法回收氢气系统稳定性讨论

3.4本章小结

4 Unisim Design中膜分离计算模型的改进

4.1 原计算模型与文献实验值对比

4.2两组份中空纤维膜分离微分计算数学模型

4.3可视界面的设置

4.4 VB嵌入程序的编写

4.5改进膜计算模块的使用

4.6本章小结

结 论

参考文献

附 录Membrane Extension计算程序改进部分

论文创新点与展望

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致 谢