固定床催化反应器 gPROMS AML:FBCR解决方案


1 需求分析

固定床催化反应器是一种常见的反应器类型,理论上讲,凡是流体通过不动的固体物料所形成的床层而进行反应的装置都称作固定床反应器,其中尤以用气态的反应物料通过由固体催化剂所构成的床层进行反应的气-固相催化反应器占主要地位。固定床催化反应器具有诸多优点:催化剂处于固定状态,因此磨损较小,且床层内流体流动接近于平推流,与返混式反应器相比,可以以较少的催化剂和较小的反应器容积来获得较大的生产能力。此外,固定床反应器内停留时间可以严格控制,温度控制也相对容易,因此有利于达到高的选择性和转化率。

该类反应器在工业上的应用广泛,如括烃类水蒸气转化、一氧化碳变换、一氧化碳甲烷化、氨合成、二氧化硫氧化、甲醇合成、催化重整、二氯化烷、异构化、苯乙烯生产等。在合成油(GTL)方面,固定床催化反应器是一些工艺采用的主要反应装置(如Arge工艺和SMDS工艺)。此外,不少非催化的气-固相反应,如水煤气的生产,氮气与电石反应生成石灰氮以及许多矿物的焙烧等也都采用固定床反应器。

根据与外界换热情况,固定床催化反应器可以分为多种形式,包括绝热固定床催化反应器,自热式固定床反应器,列管式固定床反应器等。不论何种形式的固定床催化反应器均存在复杂的化学反应及传质传热过程。对于传质,这些过程包括宏观的组分在流体相主体中的对流、扩散,也包括微尺度的催化剂表面层流底层多组分扩散到催化剂颗粒微孔内对流,催化剂颗粒缝隙内的多组分扩散,空隙表面催化反应等;对于传热,催化反应发生在催化剂颗粒表面,一般伴随着显著的放热或吸热,其热量传递包括催化剂颗粒本身的热传导,流体对流传热以及壁面热传导和与外界间的对流传热。这些复杂的传质、传热及反应过程耦合在一起,给固定床催化反应器的设计放大及操作带来了很大的挑战,主要表现在:

1. 反应器设计及操作的经济性

给定产能及产品质量要求下,反应器的形式可能有多种形式,如轴流、径向流,不同的长径比、填装密度及催化剂颗粒形状等。对于反应器的操作,同样有多个变量可以调节,如反应物的温度,流速等,如何选择合适的反应器结构参数及操作参数以使投资获得最大的经济回报以及生产运营过程中利润最大化,是反应器设计及操作最为重要的一个方面。

2. 固定床催化反应器的放大

一般的催化床反应器的放大过程包括实验室小试,经过小试获得相关的反应动力学信息后进行中试放大,由中试放大得到相应换热,压降等方面的信息,根据中试结果进一步放大到实际生产规模。在该过程中由于反应器内部过程的复杂性,如何保证产品的产量和质量在放大时不发生大的改变是需要解决的一大难题。

3. 反应器温度控制

对于换热型的固定床催化反应器,如列管式固定床催化反应器,由于反应过程放热剧烈,因此需要及时把热量导出去以维持稳定的反应条件及保证催化剂活性。但在实际过程中,由于催化剂床层的性质,如填装高度、催化剂形状等原因可能会导致温度分布不均与,产生飞温现象,降低了反应器的操作温度并影响产品质量。因此对于列管式固定床催化反应器来说,合理的壳程冷却系统设计至关重要。

4. 催化剂再生

固定床催化反应器具有气流通量大,停留时间分布均匀,催化剂磨损小等优点,但也有催化剂重新装填不方便等不利因素。且在反应过程中,多数情况下,催化剂会随着时间慢慢失活。由于催化剂本身一般是较昂贵的,且由于之前提到的更换困难等原因,因此需要在生产操作中根据催化剂的活性合理控制反应条件以发挥催化剂的最大产能,同时制定合理的催化剂再生周期。

5. 开车、停车过程

实际工业生产中固定床催化反应器一般规模都是很大的,对于这样大规模的过程,选择合理的开车、停车过程对于减小产品波动,使操作尽快达到稳定状态对于降低成本,提高安全性非常必要,因此需要研究开车、停车过程的各影响因素,并确定经济、安全的操作方式。

6. 故障处理

实际工业生产过程中存在各种扰动因素,如原料质量的波动,设备的老化等。一旦生产过程中出现问题,产品质量出现问题就需要尽快找到问题所在,并即使解决。传统的方法主要依靠经验和试验,对人员要求高且不一定能迅速定位问题所在,因此快速可信的故障处理手段对于维持稳定生产非常必要。


图1a 固定床催化反应器中存在的传质现象



图1b 固定床催化反应器中的传热现象

2 传统解决方法

对于固定床反应器,传统上设计方法一般包括两种:经验法和数学模型法。

经验法一般用实验室、中试装置或工厂现有装置中最佳条件测得的数据如空速、催化剂的空时收率及催化剂的负荷作为设计依据,按照规定的生产能力计算并确定催化剂的用量、床高、床层直径等的计算,该方法虽简单,但对人员要求较高,且精度一般较差。

对于数学模型法,一般的对固定床反应器建立的模型多为一维拟均相活塞流模型,也即只考虑流动方向上的温度和浓度变化。对于多相催化反应,认为流体主体和催化剂颗粒表面及催化剂颗粒内部并不存在浓度差及温度差,而是将传递过程的影响归于一个催化剂活性校正系数。在反应器设计过程中,将实际反应的本征动力学方程乘以催化剂活性校正系数获得宏观动力学方程,然后根据该模型建立固定床反应器的物料衡算方程及热量衡算方程。

催化剂活性校正系数校正的内容包括 外扩散的影响、内扩散的影响、催化剂中毒情况、催化剂还原情况、催化剂衰老情况等。在实际情况中,很难用一个活性系数非常准确表达所有这些影响因素。很多情况下,拟均相假设并不适用,如反应速率非常大、反应为发生在催化剂颗粒表面的表面催化反应,气相流量相对较小等情况。此外,拟均相模型的计算也是一个非常复杂的过程。

传统的化工模拟软件提供的反应器模型多为基于收率或转化率的守恒模型,基于平衡的吉布斯反应器,基于反应动力学的全混反应器、平推流反应器,这些反应器模型一般可用来计算质量和能量衡算,但这些模型除拟均相模型限制外,对于固定床催化反应器涉及到的催化剂颗粒设计,冷却系统设计,催化剂失活管理等问题无能为力。

3 gPROMS中AML:FBCR解决方案

gPROMS中的高级模型库AML:FBCR是针对固定床催化反应器专门开发的高级模型库,AML:FBCR在gPROMS的Model Builder环境下运行,因此除了具有gPROMS系列软件的一贯优点如模型验证、实时优化等特点外还具有其他一系列特点。

3.1 AML:FBCR模型丰富

该模型库采用“搭积木”的思想,将固定床催化反应器分为各个基本单元,如分布器、收集器、催化剂颗粒模型(1D)、管道壁面模型(2D)、催化床层模型(1D/2D)各种形式的冷却装置等,分别对这些基本单元建模,然后合理选择这些模型,进行组合就可以对各种形式的催化反应床反应器建立模型,如描述实验室小试规模的CSTR-颗粒固定床反应器、列管式固定床催化反应器、绝热式催化反应器、轴流式催化反应器、径向流催化反应器、环形反应器等。以环形固定床反应器为例,FBCR包括了对流形式的反应器模型,并流形式的反应器模型,气体流向为从外壁到内壁,从内壁到外壁以及从顶端及外壁到内壁,从顶端及内壁到外壁等多种形式的固定床层模型,此外还包括填充部分为惰性组分的床层模型。总之,合理选择AML:FBCR模型库中的床层模型及其他辅助模型如分布器,收集器,空管模型等,可以对任意形式的固定床催化反应器建立模型。



图2 AML:FBCR包含的模型

3.2  AML:FBCR中固定床催化反应器模型精度高

文章第一部分提到,催化床反应器中包含复杂的传质、传热现象(见图1),传统的拟均相及1D活塞流假设并不能完全满足要求。为建立高精度的模型,AML:FBCR采用多尺度的方法建模:对催化剂颗粒建立1D模型,利用Maxwell-Stephan或者Kudsn扩散方程,计算组分从流体主体输运到颗粒表面的层流底层并进一步扩散到颗粒表面以及生成的产品从颗粒表面反方向扩散到流体主体的过程。根据颗粒的1D模型可以考察反应物及产品在颗粒径向上的分布,评价催化剂颗粒特征对反应器整体性能的影响。

 


图3 FBCR高精度的固定床催化反应器模型

对于催化剂床层,则摒弃传统化工流程模拟软件对化学反应器采用的均一假设,建立1D或2D模型,考察组分、温度等在径向及轴向的分布。此外,FBCR模型库模型还考虑催化剂颗粒形状对床层性质的影响,如压降等,目前提供了理想球形颗粒,理想圆柱形颗粒,非理想颗粒三种选择。总对于壳程换热还可以与CFD软件耦合模拟,详细考察挡板结构、数量等因素对换热效果,进而对整个反应器反应效果的形象。总之,AML:FBCR模型库中的模型通过尽可能的对涉及到的物理及化学过程根据机理建模,从而使的模型具有广泛的适用范围及很高的准确度。



图4 AML:FBCR模型计算的温度沿径向及轴向的分布

对于模型中涉及到的参数则利用gPROMS的模型验证功能,根据实验结果拟合相应参数,并可以对拟合结果进行分析,根据分析得到的置信度、置信区间等信息判断拟合结果是否符合需要。如果不满足精度要求,则根据建立的模型进行实验设计,以最少的实验次数获得更多的有用信息,补充实验数据,根据获得的实验数据再次进行参数估计,再次分析结果…重复该过程,直到拟合所得的参数满足精度要求。经过这个步骤,就可保证个关联式等所采用的参数能够准确的反应目标过程,最终对催化床反应器建立高精度的模型。


图5 gPROMS中模型验证流程

总之,AML:FBCR模型库中的模型通过根据原理建模及模型验证功能,保证可以对固定床催化反应器建立高精度、预测性模型,使之不仅能用于反应器的设计和优化,还可直接用于实时优化、故障排除等。

3.3  AML:FBCR模型可同时进行稳态及动态模拟

在化工模拟中,稳态模拟一般用于设计过程,根据模拟计算的质量及热量守恒,完成设备的设计及选型以及相关共用工程的选择。而动态模拟则可以用于评价系统的动态性能,开车,停车过程指导,动态仿真操作员培训系统的开发以及设计先进控制系统等。两者均具有重要的地位,尤其是动态模拟能力,这是化工高新技术如先进控制,实时优化等的基础。

AML:FBCR中的固定床催化反应器模型秉承gPROMS软件模型的一贯特点,即同一个模型就可以同时实现稳态模拟及动态模拟功能。二者之间只是一个标签的选择,避免了复杂的模型导入、导出过程,减少了建模工作量。对于动态模拟过程,其困难之一在于如何使模型收敛,除传统的使用稳态模拟结果作为初值以帮助收敛外,AML:FBCR还可以利用gPROMS中的INITIALISE_PROCEDURE功能,通过简化方程,改变方程自由度等方法帮助收敛。综上,使用AML:FBCR可以完成相关设计及控制各方面问题,且具有易于收敛,使用便捷的优点。


图6 AML:FBCR中的模型可以同时进行稳态及动态模拟

3.4 AML:FBCR模型具有优化功能

AML:FBCR模型运行在Model Builder环境下,完全继承了Model builder所具有的全局优化、动态优化及稳态优化功能。在gPROMS环境下,所有的设计及改进被处理成优化问题,如设计者需要设计满足某产量及质量要求的反应器,则可以以年度成本为目标变量,以产品产量及质量以及其他条件如投资,公用工程条件等作为约束条件,求得满足产品产量及质量以及其他限制条件下的最优的固定床催化反应器的参数,如床层高度、直径、催化剂填充方式等。

动态优化功能则可以实现针对不断变化的流程实现优化,从而可用来研究最佳的开车、停车策略,并可以用来研究系统的最佳控制方法。

除此之外,还可以利用gPROMS中的全局优化功能,对整个工厂进行建模,结合AML:FBCR实现对固定床催化反应器以及其他操作单元,如分离单元的同时优化。例如Repsol(雷普索尔)公司就利用该功能对采用固定床催化反应器以及精馏塔的HPPO工艺整个工厂流程进行优化设计,通过全局优化,在原来设计的基础上去除了数个精馏塔,使得整个工厂的经济产出提高了数千万欧元/年。


图7 Repsol公司对PO工厂进行全局优化,增加数以千万欧元的产出

3.5 AML:FBCR具有与CFD耦合的功能

对于非绝热、放热强烈的固定床催化反应器如列管式固定催化床形式的FT反应器,温度的分布是关注的重点,因为温度不仅会影响反应,而且过高的温度还有可能对催化剂本身造成损害。另外,如果温度分布不均匀还会给流程的操作及控制带来极大的不变。


图8 将AML:FBCR与CFD耦合考察两种不同换热侧设计对床层温度分布的影响

固定床的换热情况与换热侧的结构(如挡板位置、个数等)设计息息相关,但流程模拟软件并不能考察结构对换热介质流动的影响进而得到对换热效果的影响,这时就需要CFD软件考察换热侧流体的流动及换热情况。因为换热的效果直接与床层反应放热以及床层及壁面本身的导热相关,而CFD难以计算床层复杂的化学反应及传质传热现象,因此需要将流程模拟软件及CFD软件结合起来。而AML:FBCR模型就提供了相应的接口。

AML:FBCR与CFD的耦合并不是简单的将二者通过壁面热耦合边界条件结合起来,以列管式固定床催化反应器为例,一个工业级规模的反应器中包含的反应管的个数达到上千根乃至上万根,如果采用上述的方法则会对CFD建模带来极大的不便且模型的计算量也将十分巨大。AML:FBCR通过先进的插值方法,在管束中选择数根代表性的反应管进行计算,其余的通过插值方式处理从而大大减小了计算量,同时通过对管束的特殊处理,大大减轻了CFD建模的难度。目前该方法已广泛用于反应器换热侧结构的设计优化以及故障处理。


图9 AML:FBCR对感应管束的处理方法

4  AML:FBCR的应用

由上可知,AML:FBCR具有模型丰富、模型精度高、稳/动态模拟能力、优化功能以及与CFD耦合的功能,因此能用于固定床催化反应器的设计、放大、优化、控制策略的设计等问题中。

4.1 固定床催化反应器的设计、放大及优化

因为AML:FBCR模型库及其丰富,因此针对任何需要设计或放大的固定床催化反应器都可以选用合适模型建模。相应模型建立起来后就可以利用上述提到的模型验证功能得到模型中用到的各种计算公式或关联式(如反应动力学模型,计算压降的欧根方程,床层与换热侧的传热系数等)中的参数的在设计工况下的准确值,建立起高精度的模型。完成此项工作后则可以利用优化功能得到满足要求的最优设计。最后,如果目标固定床催化反应器还涉及到了换热侧的设计则可以利用其和CFD耦合的功能建立gPROMS与CFD的混合模型,仔细考察不同换热侧结构设计对反应器性能的影响,最终找到最佳设计。如国外某化学公司即利用该方法实现了对苯二甲酸列管式固定床催化反应器的优化设计。

由于AML:FBCR中包括了催化剂的1D模型以及管壁的2D模型,在模型设置里可以选择理想球型、理想圆柱体以及非理想形状的催化剂颗粒,因此应用AML:FBCR模型进行设计和放大时不仅能得到床层高度、直径、填充方式(如催化段及惰性段的排列方式)等信息,还能得到催化剂颗粒以管壁的设计信息。

此外,如在介绍AML:FBCR特点时所述,利用该模型库还可以将固定床催化反应器及其上下游操作单元一起建立一个大的流程(即整个工厂规模),实现对整个工艺流程中涉及到的操作单元同时优化设计,在得到最佳的固定床催化反应器的各参数的同时也得到其他单元如分离部分的精馏塔的最佳塔板数,回流比等信息。

   

图10 列管式对二苯甲酸固定床催化反应器的初始设计及优化设计

4.2 故障的检测及排除

基于原理的建模以及模型验证功能使得AML:FBCR建立的模型具有很高的精度,据此可以将现场操作的各参数输入gPROMS中所建立的模型中,根据模型运算结果判断问题所在,并可利用模型验证可能的解决方案,最终解决问题。

4.3  开车、停车以及控制方案设计

工厂设备的开车及停车过程本身是动态过程,实际过程中希望在保障安全的前提下尽快达到稳态,以减少损失。工厂实际运行中也是存在不断的扰动的如进料组分、批次的变化,季节变化导致的冷却水温度变化等,这些变化会导致产出的波动,这是不希望看到的,因此需要合理的控制方案以消除扰动对产出的影响。此外,还有一些过程是间歇过程,是不断变化的,需要研究控制方案以减少中间产品。

AML:FBCR的高精度模型具有的动态模拟能力以及各种优化能力结合gPROMS提供的帮助方程收敛的各种初始化策略(INITIALISE_PROCEDURE)为解决以上问题提供了方法。gPROMS预置的各种TASK为描述各种扰动提供了方便,结合其控制器模型、优化功能可以很方便的得出最优开车、停车策略,评估各种控制方案。

4.4  合成油(GTL)反应器的设计及优化

随着石油价格的上升,清洁能源的要求等,气制油得到了广泛的关注。其核心单元之一是费托反应,对于该反应的反应器设计的难点在于没有合适的模型。AML:FBCR中专门针对GTL反应建立了模型,涵盖了各种常见反应器类型如AML:FBCR-GTL(列管式固定床催化反应器),AML:Slurry-GTL(浆态床反应器),AML:BCR(鼓泡床催化反应器)等,这些模型同样具有以上介绍的各特点,为GTL反应器的设计及优化提供了有力的工具。