Simulación de Una Planta de Producción de Dimetil Éter Comercial

SIMULACIÓN DE UNA PLANTA DE PRODUCCIÓN DE DIMETIL DI METIL ÉTER COMERCIAL

ABSTRACT El proceso de producción de dimetil éter (DME) consiste en las cuatro partes que son la síntesis del gas natural, la absorción de CO2 del gas de síntesis, el reactor de síntesis de DME y la separación / purificación de DME. KOGAS ha desarrollado un proceso en el que el gas de síntesis se produce a partir de gas natural y se convierte en DME utilizando un solo reactor [1]. Para la construcción de una planta de DME a escala comercial, se requiere el modelado del reactor de síntesis de DME de un solo paso antes de comenzar la construcción. Desde entonces, la simulación del proceso de producción de DME debe representar los datos de operación reales de la planta piloto o de demostración. Las simulaciones del reactor se han llevado a cabo utilizando un modelo de estado estacionario unidimensional de un reactor de lecho fijo tipo carcasa y tubos [2]. Usando el resultado de un análisis de reactor, hemos realizado simulaciones de todos los procesos que utilizan modelos de estado estacionario en Aspen Plus®. La simulación del proceso en este documento refleja el resultado de una simulación de reactor y los datos de operación real de la planta DME a escala de demostración. Y los resultados de la simulación se satisfacen con los requisitos para el diseño  básico y la ingeniería de la construcción comercial de la planta DME.

Palabras clave: dimetil éter, proceso de un solo paso, simulación, acto de Aspen Plus

1 Introducción: El dimetil éter (DME, CH3OCH3) es el éter más simple y se considera una alternativa líder a los combustibles a base de petróleo y al gas natural licuado. Sus propiedades físicas son similares a las del gas licuado de petróleo (GLP) y puede almacenarse y entregarse utilizando las infraestructuras existentes con modificaciones menores. Y DME se considera como un sustituto del combustible diésel porque tiene un índice de cetano d e entre 55 y 60. Korea Gas Corporation (KOGAS) ha desarrollado un proceso en el que se produce gas de síntesis a  partir de gas natural en un reformador automático automático de autoprotección (Tri-Reformer ) y luego se convirtió a DME en un solo reactor. La planta KOGAS DME de 3.000 3.00 0 toneladas métricas  por día se construirá cerca de un campo de gas natural remoto y convertirá el gas natural en dimetil éter. Para el diseño básico de la planta comercial de producción de DME, se utilizó un simulador comercial de proceso en estado estacionario, Aspen Plus, para modelar el  proceso KOGAS DME y se realizaron y revisaron varios casos con KOGAS. La simulación  previa del proceso refleja solo el diseño conceptual concep tual de las plantas de DME a escala piloto y de demostración. En este documento, hemos llevado a cabo simulaciones mejoradas para reflejar los datos del equilibrio vapor-líquido experimental en la literatura [3-7] y los datos de operación de prueba de la planta de demostración de KOGAS. Este trabajo proporcionará apoyos teóricos para la ingeniería básica de la construcción comercial de plantas.

2 Descripción del proceso El proceso de producción de dimetil éter tendrá cuatro secciones principales: Reforma, Absorción de CO2 y Reciclaje, Síntesis de DME y Separación y purificación de DME. Dentro de cada una de estas secciones, se pueden usar diversas tecnologías y tomar decisiones de diseño.

En este proceso, el gas natural y el CO2 se combinan con una corriente de dióxido de carbono reciclado y se calientan en un calentador encendido. El CO2 reciclado proviene de dos lugares: el primer punto es después de la limpieza del gas de síntesis y el segundo punto es después de la reacción de síntesis del DME. En el mismo calentador encendido, el vapor se calienta en una bobina de convección separada. El gas natural y la corriente de CO2 reciclado se combinan con el vapor y fluyen hacia el quemador del TriReformer. El oxígeno se calienta en un calentador separado que usa vapor a alta presión para la función de calentamiento. Las temperaturas se mantienen de manera tal que la reacción ocurre instantáneamente y se establece un frente de llama significativo. El gas de síntesis sale del Tri-Reformer a temperaturas de alrededor de 1000 ° C y presiones de alrededor de 3000 kPa. Este gas caliente se enfría y se comprime a 6000 kPa y se enruta a través del absorbedor de CO2, que está diseñado para extraer el CO2 de esta corriente con metanol frío. El gas de síntesis descarboxilado junto con el gas de reacción no convertido se recalienta hasta temperaturas de alrededor de 230 ° C y se dirige a los reactores de síntesis de DME. Los gases que salen de los reactores de síntesis de DME se enfrían en una serie de intercambiadores de calor secuenciales. El último intercambiador de calor está diseñado para enfriar el gas de síntesis hasta aproximadamente -40 ° C. La mayoría del DME se condensa  junto con todo el metanol y el agua que sale del DME Reactor. Los gases no condensados, que comprenden principalmente CO e hidrógeno, se reciclan nuevamente a los reactores de síntesis de DME. Se mantiene una pequeña cantidad de purga para controlar los niveles inertes en el circuito de reciclado. La corriente de líquido DME / CO2 / metanol / agua se despresuriza a continuación a 3500 kPa y fluye hacia la columna de CO2. Todo el CO2 es rechazado en los gastos generales. Los fondos se despresurizan hasta 1800 kPa y se dirigen a una columna DME. El producto DME se recupera en los gastos generales y se dirige a los tanques de almacenamiento. Los fondos son una pequeña corriente de metan ol con agua. Esto se combina con una porción de disolvente de metanol del separador de CO2 y se dirige a las

columnas de deshidratación de metanol donde se recupera el metanol. Una parte del metanol recuperado se recicla de vuelta al absorbedor de CO2 y el resto se dirige al Reactor de deshidratación de metanol para convertir el metanol en DME. Una gran parte de la corriente de CO2 de la absorción de CO2 y la sección de purificación de DME se recicla a la sección de Reforming y el resto se ventila.

3 Descripción de la simulación KOGAS ha construido y operado una planta de demostración a escala desde 2008. Los estudios de simulación primarios de la planta piloto o de escala de demostración se han llevado a cabo en términos de diseño conceptual de los procesos DME. Por lo tanto, todavía tienen límites para el diseño básico de la planta de DME a escala comercial. Esto significa que la simulación primaria no representa utilidades suficientemente detalladas y consideraciones de proceso como la tasa de generación de vapor en el calentador encendido, intercambiadores de calor significativos, caída de presión, lo que refleja las experiencias de la planta de demostración de las unidades clave, y así sucesivamente. En consecuencia, el propósito de la simulación en este documento es la ingeniería básica de la planta comercial de DME. Debe contener cambios significativos impulsados por el nuevo conocimiento del proceso obtenido durante la operación de la planta KOGAS DME Demo. El primer modelo de propiedad física se mejora utilizando Aspen Plus® 'SRK (ecuación de estado SoaveRedlich-Kwong) para el sistema de fase de vapor y RKSMHV2 (ecuación de estado de Redlich Kwong-Kwong con reglas de mezcla Huron-Vidal modificadas) para vapor-líquido de dos fases sistema. Los parámetros matemáticos Rv y Q de MathiasCopeman y UNIFAC del artículo se utilizan cuando están disponibles [3]. Para los componentes que no están cubiertos por esta literatura, retrocedimos los datos de otras literaturas [4-7]. El segundo, llevamos a cabo la modificación d el reactor de síntesis de DME. El modelo de reactor DME representado por un bloque de reactor de rendimiento único (RYIELD) en Aspen Plus® con una subrutina de usuario FORTRAN que determina la composición de salida del reactor en función de la conversión especificada de KOGAS y el  perfil de composición del producto. Puede aceptar y calcular cinco valores que son una conversión y cuatro selectividades, que es diferente de la definición tradicional de selectividad. También puede reflejar el considerado inerte. El tercero, llevamos a cabo la modificación del cambio del modelo Tri-Reformer del bloque del reactor de Gibbs (RGIBBS) para producir el bloque del reactor (RYIELD). Puede reflejar los datos experimentales de la operación de escala Tri-Reformer a escala de forma más precisa. El cuarto, realizamos la adición de intercambiadores de calor, calentadores y enfriadores para una estrategia de integración de calor realista. Esto representa una buena práctica de ingeniería, y hace posible calcular correctamente los costos de operación. También puede representar la tasa de generación de alta presión, presión media y vapor de alta presión sobrecalentado para que podamos decidir las especificaciones del calentador encendido. Finalmente, el diseño del diagrama de flujo y la convergencia de simulación se mejora para una buena práctica de ingeniería y conduce a resultados precisos.

4 Resultado de la simulación Se están considerando las siguientes áreas de modelado de Aspen Plus: Lista de componentes Propiedades físicas Diseño de la hoja de flujo Bloques de operación de la unidad Convergencia y Reactores 4.1. Aspectos generales de diseño y documentación Existen importantes diferencias de diseño entre el primer caso y el caso mejorado, como se indica en la siguiente tabla: Tabla 1. Problemas generales de diseño y documentación

4.2. Lista de componentes La lista de componentes es la misma que el caso anterior utilizado: y H2, O2, N2, H2O, CH4, CO, CO2, C2H6, C3H8, n-C4, i-C4, i-C5, Metanol, DME Nuestro entendimiento es que la mayoría de los reactores catalíticos que producen metanol o DME también producen  pequeñas cantidades de alcoholes y éteres de mayor peso molecular. Pero no hay ningún documento que indique que KOGAS haya medido estos compuestos durante la operación de demostración de la planta. 4.3. Propiedades físicas El modelo mejorado usa las mismas propiedades físicas que el primer caso para la situación de solo vapor, pero modifica tres paquetes diferentes de propiedades físicas para situaciones de vapor y líquido. Tabla 2. Propiedades físicas

4.4. Bloques de operación de unidad y diseño de hoja de cálculo El número de bloque de operación de unidad en el diagrama de flujo de modelo mejorado es significativamente diferente del primer caso, como se muestra en la tabla a continuación. Este es el resultado de los cambios de diseño, la adición de la integración de calor de todos los  procesos y la adición de una serie de bloques utilizados para caracterizar la constitución del  proceso real. Tabla 3. Bloques de operación de la unidad

La falta de integración de calor no es realista, no representa una buena práctica de ingeniería y hace que sea imposible calcular correctamente el costo de operación. Por lo tanto, los diez intercambiadores de calor y las tres calderas de calor residual se agregan en la carcasa mejorada, esto tendrá un impacto en la reducción de la generación de vapor y se utilizará en todo el proceso. 4.5. Convergencia El primer modelo de simulación contiene tres bloques de TRANSFERENCIA. Esto ha sido  para una fácil convergencia cuando se realizan los cálculos modelo de varios estudios de casos o análisis. Pero este uso de los bloques de TRANSFERENCIA es innecesario en el  proceso de ingeniería básica y no es una buena práctica de simulación, ya que pueden dar lugar a resultados inexactos. En esencia, significa que las corrientes de reciclaje modelo no están completamente conectadas y pueden no converger adecuadamente. Además, Aspen Plus no advertirá que los resultados son inexactos, ya que los bloqu es TRANFER están fuera de las verificaciones normales del balance de masas. Esto se modifica creando un bloque de convergencia Broyden y haciendo una revisión parcial de las opciones de convergencia en Aspen Plus®. 4.6. Reactores Los modelos anterior y mejorado contienen los reactores que se muestran a continuación. Y todos los reactores reflejan el nuevo conocimiento del proceso de la operación Demo Plant.

Tabla 4. Tipo de reactor

El lecho de protección de azufre que se requeriría en una planta real se incluye en este caso. Esta es una mejora relativamente menor y significa que se tiene en cuenta la caída de presión de este equipo. El Tri-Reformer que usa un RGIBBS como en el caso anterior no refleja la condición de operación real o los datos de operación de la reacción. En el caso mejorado, el Tri- Reformer satisface la condición de operación y representa los datos del reformador de la  planta de demostración más exactamente. El primero y el modelo mejorado representan el reactor DME utilizando el método de subrutina RYIELD / Fortran desarrollado durante el estudio de factibilidad. Entonces, el cálculo de la reacción en el reactor de síntesis de DME es el mismo que antes.

5 Conclusión La simulación del proceso de la planta comercial de DME, que tiene una capacidad de 3.000 toneladas métricas por día, ha sido completada. El primer estudio sobre el modelado del reactor de síntesis DME proporciona las especificaciones importantes del proceso general y  puede ayudar a reflejar los datos de la operación real con mayor precisión. Se utiliza un simulador comercial de proceso químico en estado estable, Aspen Plus®, para simular la  planta KOGAS DME con el fin de garantizar la precisión y confiabilidad. Aspen Plus® incluye la base de datos más grande de propiedades físicas y proporciona una aplicación fácil de modificar sus modelos de propiedad de las literaturas. Por lo tanto, modificamos el modelo incorporado de SRK y RKSMHV2 para que los resultados de la simulación puedan ser completamente consistentes con los datos experimentales de equilibrio vapor-líquido de las literaturas. También se lleva a cabo para modificar los bloques esenciales de operación de la unidad en Aspen Plus® 'a fin de reflejar los datos reales y el comportamiento de la planta de demostración de DME. La mejora de la estrategia de convergencia y el diseño del diagrama de flujo se ha llevado a cabo para hacer buenas prácticas de simulación y conducir a resultados precisos. Basado en el resultado de esta simulación, el diseño básico y la ingeniería estarán en progreso.

6 Agradecimientos Este trabajo fue apoyado por 'El estudio del diseño y simulación de reactores para la planta de demostración DME' de Korea Energy Management Corporation (KEMCO) y Korea Gas Corporation (KOGAS).

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