合成气直接合成二甲醚的动态建模

本文根据原子守恒方程、反应动力学方程及能量衡算方程对合成气直接合成二甲醚进行动态建模，将模型计算值与文献值进行比较，证明通过该方法建立的模型可以客观反映合成气直接合成二甲醚的基

二甲醚(DME)是一种基本的化工原料，可用作溶剂、麻醉剂、气溶胶喷射剂和致冷剂等，也可作为清洁能源使用，同时，还可用于联合循环发电装置中的燃料，二甲醚在制药、燃料、农药等化学工业中有广泛的应用[1]-[5]。目前，工业合成二甲醚的方法主要有两种，分别为甲醇脱水制取二甲醚[6]与合成气直接制取二甲醚。其中，合成气直接制取二甲醚[7]是将水煤气变换、合成甲醇和甲醇脱水反应合为一步，此法不仅打破了单纯甲醇合成二甲醚过程中的热力学限制，增大了反应的推动力，还大幅度提高了CO 的转化率，具有流程短、设备规模小、操作压力低等特点，且生产费用较甲醇脱水制取二甲醚大幅下降。

近年来，合成气直接制取二甲醚的研究主要集中在催化过程中催化剂的研究、合成过程中的热力学分析及动力学方面的研究等[8]-[10]，对合成气直接制取二甲醚动态建模的研究却极少。随着二甲醚市场的开拓，其需要量日益增大，因此，开发合成气直接制取二甲醚的动态模型显得尤为必要。

2. 数学模型 本文针对合成气直接制取二甲醚的工艺合成方法，将反应器的进料和出料条件视为非稳定量，根据原子守恒方程、反应动力学方程及能量衡算方程对合成气直接合成二甲醚的工艺进行动态建模。

2.1. 物料衡算模型 在催化剂的作用下，忽略合成气直接合成二甲醚反应中的副反应，其主要反应有甲醇合成、甲醇脱水及水气变换反应： 23CO2HCH OH+ 33322CH OHCH OCHH O+ 222COH OHCO++ 根据反应器Δt 内进入的物料、t 内积累的物料与t+Δt 时刻反应开始后的物料遵循原子守恒，建立从某一个初始时刻t 到下一个时刻t + Δt 之间的物料平衡方程。已知t 时刻反应器内各组分的物质的量、进料组分及流量，因此在反应器中，先将t 时刻反应器内累积的物料与Δt 时间段内的进料物质混合，视为此轮计算的初始反应物。建立物料平衡方程，其模型表达式为： , tin iMMtF=+ ∆×∑ (1) 式中：M 为此轮计算初始反应物的量，mol；tM 为反应器内原有物料的累积量，mol；, in iF为进料组分i的摩尔流量，单位为mol/h；t∆为每轮计算所需的时间，h。

2.2. 反应动力学模型 假定反应器内温度的初值T(一般可选用上一时刻反应器的温度作为初值)，从已知文献中[11]查找有关合成甲醇、甲醇脱水及水气变换的动力学模型，选择模型结果与实验值相对误差较小的方程，其速率方程可分别写为：