《当代化工研究》
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主管单位：中国企业改革与发展研究会 主办单位：中国企业改革与发展研究会 国内刊号：10-1435/TQ 国际刊号：1672-8114 邮发代号：80-329 发行周期：半月刊
获奖情况
获中国石油和化工协会优秀期刊三等奖
目录
本刊特稿
有机朗肯循环优化天然气制费托合成气工艺的研究 (1)冉东;申威峰
行业动态
矿井水文地质工程钻探及发展探寻 (7)孔令军
煤矿安全监测监控技术现状及发展趋势 (9)康文巍
综述与专论
煤矿“一通三防”潜在问题及其解决措施探讨 (11)方明
分析井下皮带的打滑现象及处理措施 (13)那铭
基础研究
三沟鑫都薄煤层综采面矿压显现规律研究 (15)李玉龙
如何提高化工分析质量 (18)闵炜;葛红俊
基于数值模拟法工作面超前支护安全性分析 (20)张建明
煤矿机电变频控制技术与节能分析 (22)张勇
纳米银材料的毒性、刺激性及吸收分布研究
范文
有机朗肯循环优化天然气制费托合成气工艺的
研究
* 冉东1 申威峰2*
(1.中化重庆涪陵化工有限公司重庆 408000 2.重庆大学化学化工学院重庆 400044)
摘 要 ：基于针对不同天然气制费托合成气过程（F T S ) 的对比分析，本文采用蒸汽 - 曱烷重整装置和干法曱烷重整装置并行生产费 - 托合成 气 （F T S ) 工艺进行模拟设计与节能减排研究。利用先进调分析研究热力学性能，评估每个组件的节能潜力和组件之间的热力学相互作用。以优化的有机朗肯循环（O R C s ) 回收废热进一步发电。基于构建的调损失分析模型引入具有或不具有换热器的 ORC从几个热源回收废热。
关 鍵 词 ：费托合成气；先进调分析；有机朗肯循环；过程优化
中 图 分 类 号 ：TQ 文 献 标 识 码 ：A
i.引言
在过去三十年里，以费托合成技术为基础的天然气液化工艺（G T L ) 不断得到改进，并己实现工业化生产⑴。该技术被认为是一种最有前景替代石油技术的方案之一，用于获得燃料和化学品的液态烃 [2,3]。其中合成气(如：c o ，h 2，⑶2，c h ， h 2o ) 中的⑶2和邙4的含量应尽可能低[4]，以提高⑶的转化率[5,6]，而且合成气的h 2/c o 比应尽
可能接近2 。
近期研究人员[7-9]探索了几种生产费托合成气的方案，包括蒸汽甲烷重整、干法甲烷重整（DMR) 、自热重整、FTS气体加热重整，以及这些技术的组合方案。以甲烷和水为原料的蒸汽甲烷重整（SMR) 工艺是费-托生产的主要合成气生产工艺[10,11]。然而，由于高的H2/CO 比 （> 3 ) ，基于SMR工艺生产的合成气不能直接用于FTS工艺。因此，为生产适合GTL工艺的合成气，Ryi SK等提出了生成H/ C0 比率为1的合成气的DMR与S服结合的工艺[12^ Jonas和Luyben[13,14]研究了生产
FTS的几种替代工艺并进行了经济比较，发现SMR和DMR并行联合工艺具有最大的经济效益。因此，本研究将基于这个工艺进行下一步节能减排的研究。
为了减少能源消耗，一方面我们可以利用先进有效能分析和评估整个系统中组件之间的热力学相互作用并量化每个组件的实际改进潜力，这克服了传统有效能分析的局
限性[15-19]。另一方面，可以把能量利用[20]与0RC[21]相结合来提高化工过程的能量效率。之所以选择0RC ，我们主要考虑到其与传统的蒸汽循环相比是一种很有前景的技术并己经被广泛应用。它可以利用来自低温和中温热源的热能来产生使用有机流体作为工作介质的能量[22-26]。
为了降低化石燃料成本，在能源密集化学过程中基于能量分析和过程集成追求有效能源利用具有非常重要的意义 [27-29]。所以本文以SMR-DMR联合工艺为研究对象进行模拟计算和工艺改进。构建先进有效能理论分析框架探究过程中各个设备的不可逆性，为本工艺节能减排方案的提出提供有效的理论依据。还采用有机朗肯循环技术有效地利用了低温废热，大大提高了整个过程的能量利用效率，对己建工厂的改进及后续工艺的探索具有指导性意义。
2.过程描述
(1) 流 程 描 述
基于SMR和DRM并行联合工艺的Fischer-T r o p s c h (FT )
合成气生产过程的系统示意图如图1所示。参考案例的合成气 （即15000kmol/h 的H^ P7500kmol/h 的C0 ) 是基于现有研究[30]建立的。整个过程在Aspen Plus中进行了模拟，假设SMR和DMR反应器中的反应在高温下达到化学平衡[31]。选择基于Aspen Plus中系统最小自由能的RGibbs反应器模型来模拟两个反应器。
^当代化工研究
^ M odem Chemical Research 本 刊
图1 结合SMR和DMR串并联生产费托合成气的工艺流程图
SMR/DMR过程
SMR工艺主要由两个反应组成，包括甲烷重整和水煤气变 换 （WGS) ，如下所示：
CH4+H20<^C0+3H2 ⑴
co+H2o ^ c q +H2 (2)
用于生产合成气的蒸汽甲烧重整的替代方案是以二氧化
碳为原料的DMR工艺，反应如下：
CHt +C Q ^ 2 CO+2H 2 (3)
两个平行反应系统均在 1000°C 的较高反应温度下操作，以实现更高的甲烷转化率。SMR和DMR反应器的操作压力分别为34bar和4bar。SMR的进料由3160kmol/h的甲烷和
9480kmol/h的水组成。此外，甲烷和二氧化碳的进料速度以及DRM的流速均为2725kmol/h 。为了充分利用整个系统的能量，使用SMR和DRM温度为1000°C 的热反应器流出物，将其各
自的新鲜物流在热交换器中预热至932°C (进料至H- 1 0 3 ) 和 980°C (进料至H- 1 1 1 ) 。
⑵ 有 机 朗 肯 循 环
如图 2 (a ) 所示，一般情况下，有机朗肯循环主要包
括蒸发器、涡轮机、冷凝器和泵 [32]。在操作上，来自低品位废热源的能量被供应到0RC系统中的蒸发器。因此，低沸
点的有机工作液在蒸发器中被蒸发，甚至被过热（第5点和第 1点）。在 涡 轮 （第2点）中膨胀高温高压的饱和或过热蒸汽，通过发电机产生电力。然后，低压膨胀蒸汽在冷凝器
(第4 点）中稍微过冷，变成饱和液体。最终，工作流体由泵加压并循环至蒸发器（第5点）。为了提高0RC的热效率，
我们在工作流体从膨胀机出来到进入蒸发器之前安装带回热器的0RC, 如图2 (b) 所示。预计回热器的应用将对冷却工作 液 （第5点）进行预热，并对排出的蒸汽（第5点）进行降温以供能源利用。
(a ) 普通0RC示意图 （b ) 带附加回热器的0RC示意图图2
特 稿 2019 ? 16
3.研究方法
⑴ 先 进 煳 分 析
K elly S等提出了先进畑分析来提供各组分之间的热力学相互作用，并评估各组分的实际改善潜力[33]。根据先进佣的理论，将各成分的佣损失分为内在和外在部分或可避免和不可避免部分。
一方面，总的畑损失分为内在烟损失和外在畑损失[34]，如等式（4 ) 所示：
^Dk - ^ D：k +^ D：k (4)
其中每1代表设备k在系统中的内在畑损失，即该设备本身具有的有效能损失。在计算过程中假设其他设备均是在理想的操作条件下，而该设备保持当前的操作状态。母i 表示设备k的外在有效能损失，即由于其它与其相关设备的不可逆性对该设备所造成的有效能损失。
另一方面，先进的有效能分析方法也可将总的有效能损失划分为可避免损失和不可避免损失[35]，其表达如下：
包 (5)
其中，超I 表示为设备的不可避免的有效能损失，表明由于技术或经济限制（如：材料和制造方法的可用性和成本），每个设备都存在部分不可避免的有效能损失。而在真实的过程中，设备的热力学效率会更低，将真实过程的有效能损失与不可避免的有效能损失相减，即为设备可避免的有效能损失￡ = ，该有效能损失大小表示该设备可实现真正节能的潜力大小。
结合方程（4 ) 和 （5 ) , 可以将设备k的畑损失描述为：