通过Aspen Plus软件对利用二氧化碳封存技术生产二甲醚的过程进行技术经济分析、能源评估、安全性分析以及HAZOP（危险与可操作性分析）

《Sustainable Energy Technologies and Assessments》：Techno-economic, energy, safety, and HAZOP analysis of dimethyl ether production via CO2 sequestration using Aspen plus

　　

S. David Roshan|L. Muruganandam|P. Monash|Samarshi Chakraborty|G. Uday Bhaskar Babu|Bandaru Kiran

过程模拟研究小组，过程系统工程实验室，化学工程学院，韦洛尔理工学院，泰米尔纳德邦韦洛尔632014，印度

摘要

由于人口增长和工业化，全球能源需求的指数级增长使得对可持续和高效能源的需求日益增加。然而，能源需求的增加也在加剧温室气体的排放，加速了气候变化，这突显出对可持续能源的迫切需求。二甲醚（DME）就是这样一种替代能源，它有潜力大幅减少对化石燃料的依赖，并缓解不良影响。本研究重点探讨了使用Cu-ZnO₂和γ-氧化铝作为催化剂，通过Aspen Plus V11软件进行DME的生产过程。实验结果表明，DME的纯度达到了98.5%，甲醇转化率达到80.5%。该过程的过程质量强度（PMI）计算值为3.03。此外，还基于风险优先数（RPN）对工厂的安全性和HAZOP分析进行了评估。本文采用了能源和经济分析方法来优化能源系统。总节能效果为33.07 Gcal/小时，其中冷却和供暖方面的节能分别达到了49%和93.82%。经济分析显示，该工厂每年可产生约2.15亿美元的运营利润。

引言

已知导致地球气候显著变化的温室气体主要是二氧化碳（CO₂）。两个国际组织（IPCC和COP21）都强调，到2050年必须将CO₂排放量至少减少50%，以防止气候变化带来更严重的后果，并将全球温度升幅控制在2°K以内[1]。CO₂的主要排放源是发电厂、制造业和交通运输业，随着能源需求的增加，这些领域的排放预计还会进一步上升[2]。因此，在过去几十年中，人们开发了多种技术来捕捉和封存二氧化碳（CCS系统）[3][4][5]。近年来，利用二氧化碳作为碳源（C-source）来可持续生产燃料和化学品的方法受到了越来越多的关注[7]。二氧化碳可以用来生产多种产品，如能源、化合物和建筑材料。二甲醚（DME）是二氧化碳潜在的转化产物之一，因为它可以从合成气（CO、H₂、CO₂）中以高选择性和高产率合成。与其他产物相比，DME具有多个优势，如高能量密度、低毒性和低温室气体排放。此外，它可以在中等压力下容易液化，适用于运输和储存。因此，从合成气直接合成DME被认为是一种有前景的二氧化碳捕集和储存技术。

DME主要是一种无色气体，可用作推进剂气溶胶，也是其他有机化合物的重要前体[8]。目前正研究其作为燃料的可能性[9][10]。它是一种清洁燃烧的替代品，具有与液化石油气（LPG）、液化天然气（LNG）和汽油相似的特性，并且十六烷值较高，排放物极少，使其成为这些燃料的理想替代品[11]。由于DME无毒且在对流层中会迅速分解，因此几十年来它一直被用于个人护理产品[12][13]。本研究提出了一个优化设计的新型DME生产工艺，并对其进行了技术经济分析，重点是液相合成和基于CO₂的甲醇生产过程。作者通过综合经济模型评估了四种工艺方案，得出每吨DME的生产成本为54.4欧元[14]。这项全面的技术经济评估比较了DME合成与费托合成在生物质转化为液体过程中的可行性。Salem等人研究了从二氧化碳和氢气大规模生产氧化亚甲基二甲醚（oxymethylene dimethyl ethers）的工艺的技术经济评估和碳足迹[17]。

尽管有大量关于从甲醇生产DME的模拟研究，但由于建模方法的不同，产品的纯度在不同研究中存在差异。B. Sumalatha模拟了一个模型，从甲醇中生产出纯度为98%（每年80000吨）的DME，其中80%的甲醇在反应器中得到了转化[18]。他们使用设计规格来获得理想结果，并通过冷却器降低温度[18]。W.L. Luyben报告了一种之前经济上可行的传统方法，通过使用热交换器而非冷却器来降低生产成本[19]。这种方法虽然初始资本成本较高（提高了53%），但能源成本降低了38%，从而实现了61%的利润。只有少数研究关注了从合成气生产DME的方法，因为这一过程较为复杂。S. Asthana开发了一种使用新型碳基混合催化剂的DME合成工艺优化方案，但在蒸馏产物中的DME选择性仅为80%[20]。

化学机制的研究中，化学动力学[21]是非常有用的工具。Kaoru Takeishi研究了Cu-ZnO₂催化剂在反应器中合成甲醇的动力学特性，实验数据符合Langmuir-Hinshelwood Hougen-Watson（LHHW）机制[13][22]。该研究利用这些动力学在连续搅拌反应器（CSTR）中生产甲醇，并进一步使用γ-氧化铝催化剂在填料床反应器（PFR）中生产纯度为98.5%的DME[22]。

通过分析工艺设施的经济性能[23][24][25][26]可以评估工厂的可持续性，这有助于降低运营成本和温室气体排放。为实现这些目标，开发概念性模拟模型是非常有帮助的[27]。特别是在处理危险化学品时，工艺安全性与可持续性同样重要[28][29]。潜在的问题是设备故障和压力升高可能导致有害物质排放到大气中[30]。通过安装减压系统可以减少这一问题，从而提高工厂的安全性。这些预期成果可以用于提升灾害缓解和准备能力[31]。此外，危险与操作性分析（HAZOP）是确保工厂平稳运行的重要方法，它是一种系统化的方法，用于识别过程中的潜在风险和功能问题[32][33]。该技术要求精确检查工艺的每个环节和机制，以检测任何可能偏离计划的情况，并评估这些偏离的后果。

根据现有文献中的大量研究，虽然大部分研究都关注了甲醇转化为二甲醚（DME）的催化转化过程，但很少有研究同时考虑催化剂活性和化学产率，以及高纯度生产与全面安全协议和环境可持续性的整合。特别是，缺乏同时评估过程质量强度（PMI）的文献，也没有充分探讨如何在检查DME生产过程中发现并解决潜在偏差或危险，以确保工厂的顺畅运行。本研究通过提供多维度分析，平衡了高转化率和严格的HAZOP安全标准以及卓越的能源效率，填补了这一空白。这有助于行业节省时间和成本，而无需在研发基础设施上投入大量资金。

章节片段

方法论

本研究使用了Aspen Plus V11软件进行全部分析。所采用的方法论可以按照图1所示的步骤进行梳理：第一步是选择适合系统组分的适当热力学模型，包括合成气、DME、甲醇和水。这一步的目的是准确预测系统的热物理性质。根据反应物的特性，NRTL模型被认为是最合适的模型

结果与讨论

在当前的制造业环境中，面临诸多挑战，例如确定关键性能参数以实现工艺目标、控制运营成本、严格遵守环境法规、减少能源浪费以及确保工厂安全。为了应对这些挑战，本研究采用了虚拟过程系统工程方法。以下部分分为五个章节：第一章讨论了灵敏度问题

结论

利用Aspen Plus V11软件对通过CO₂封存路线生产DME的过程进行了全面分析。研究结果提供了关于该过程多个方面的宝贵见解，包括经济可行性、安全性、能源需求和HAZOP考虑因素。主要结果如下：

1.

产品纯度和转化率：

•

DME工厂的总产品纯度达到了98.5%

•

甲醇的转化率：

CRediT作者贡献声明

S. David Roshan： L. Muruganandam： P. Monash： Samarshi Chakraborty： 负责撰写、审稿和编辑工作，以及监督。G. Uday Bhaskar Babu： 负责撰写、审稿和编辑工作，验证、监督、项目管理、方法论研究、资金筹集和概念设计。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的影响本论文工作的竞争性财务利益或个人关系。