年產20玩噸中壓法合成甲醇.doc

呼倫貝爾學院本科生畢業(yè)論文院系類別: 化學與化工與學院 專 業(yè): 化學工程與工藝 學生姓名: 陳龍 班 級: 2012級煤化工班 學 號: 201217105029 論文題目: 年產20萬噸中壓法甲醇合成工藝設計 學科方向: 化學工程與工藝（煤化工方向） 指導教師: 烏日娜 論文知識產權權屬聲明本人在導師指導下所完成的學士學位論文及相關的研究成果，系在呼倫貝爾學院資助下的職務行為，知識產權歸屬呼倫貝爾學院與本人共有。呼倫貝爾學院有權保留并向國家有關部門或機構送交學位論文的復印件和電子版，可以采用影印、縮印或其它復制手段保存、匯編本學位論文。本人離校后發(fā)表或使用學位論文或與該論文直接相關的成果時，署名單位仍然為呼倫貝爾學院。允許論文被查閱和借閱以及申請專利。本人授權呼倫貝爾學院。 呼倫貝爾學院化學與化工學院學術委員會 年 月 日學號 論文作者簽名： 指導教師簽名： 年 月 日 化學與化工學院畢業(yè)設計任務書學生姓名陳龍專 業(yè)化學工程與工藝發(fā)題日期 2015 年 12 月 23 日設計期限自 2015 年 12月 23日至2016年 05 月 30日指導老師烏日娜設計題目年產20萬噸中壓法甲醇合成工藝設計內容：（1）設計方案的選擇（2） 工藝計算（3） 繪圖物料流程圖合成、精餾工段帶控制點的工藝流程圖設備一覽表（4）編寫設計說明書系主任 簽字院 長 簽字目錄摘要1關鍵字1一、 甲醇簡介11.1甲醇性質11.1.1其物理性質11.1.2其化學性質21.2 甲醇的用途31.3甲醇產業(yè)的發(fā)展31.3.1 世界甲醇工業(yè)的發(fā)展31.3.2我國甲醇工業(yè)發(fā)展31.4 甲醇生產技術的發(fā)展31.4.1裝置大型化41.4.2 二次轉化和自轉化工藝41.4.3新甲醇反應器的合成技術41.4.4引入膜分離技術的反應技術41.4.5液相合成工藝4二、甲醇的合成方法52.1 常用的合成方法52.1.1高壓法52.1.2低壓法52.1.3中壓法52.2 甲醇的合成路線52.2.1常用的合成工藝52.2.2本設計的合成工藝72.3 本設計的主要方法及原理72.4 甲醇合成反應的化學平衡8三、工藝計算103.1 合成塔物料平衡計算103.2粗甲醇精餾的物料平衡計算163.2.1 預塔的物料平衡163.2.2 主塔的物料平衡計算183.3 甲醇生產的能量平衡計算193.3.1 合成塔能量計算193.3.2 常壓精餾塔能量衡算213.4 主要設備計算及選型233.5 常壓精餾塔計算233.5.1精餾段243.5.2提餾段243.6初估塔徑253.6.1精餾段253.6.2提餾段263.7理論板數(shù)的計算273.7.1各點的甲醇摩爾分數(shù)273.7.2處理能力283.7.3平均揮發(fā)度283.7.4求最小理論塔板數(shù)Nm283.7.5求最小回流比293.7.6求實際理論板數(shù)293.7.7計算板效率30 年產20萬噸中壓法甲醇合成工藝設計摘要：甲醇最早由木材和木質素干餾制得，所以俗稱木醇，這是最簡單得飽和脂肪族醇類得代表物。甲醇是一種極重要的有機化工原料，也是一種燃料，是碳一化學的基礎產品，在國民經(jīng)濟中占有十分重要的地位。近年來，隨著甲醇下屬產品的開發(fā)，特別是甲醇燃料的推廣應用，甲醇的需求大幅度上升。關鍵字：甲醇合成 中壓一、 甲醇簡介1.1甲醇性質甲醇的化學式是CH3OH，是一中無色、透明、高度揮發(fā)、易燃的液體，略有酒精氣味。1.1.1其物理性質： 表1-1 甲醇的物理性質項目單位數(shù)值沸點64.5-64.7凝固點-97-97.8閃點12（閉口）-16（開口）自燃點473（空氣）-461（氧氣）蒸汽壓力（20）Pa11825臨界壓力MPa7.95臨界溫度240燃燒熱（25液體）KJ/mol726.55蒸發(fā)潛熱（64.7）KJ/mol35.3液體熱容（20-25）KJ/mol2.51-2.53氣體熱容（77）KJ/mol1.63爆炸上限%36.5爆炸下限%6最小點火能量MJ0.2161.1.2 其化學性質： 甲醇具有脂肪醇的化學性質，即可進行氧化、酯化、羰基化，氨化、脫水等反應。甲醇裂解產生CO和H2，是制備CO和H2的重要化學方法。 （1）氧化反應：甲醇在電解銀催化劑上可被空氣氧化成甲醛，是重要的工業(yè)制備甲醛的方法。 CH3OH+ 0.5 O2HCHO + H2O甲醇完全燃燒時氧化成Co和HO，放出大量的熱： CH3OH + OCO2+ H2O H=726.55 kJ/mol （2）酯化反應：甲醇和硝酸作用生成硝酸甲酯 CH3OH +HNO3CH3 NO3+ H2O （3）羰基化反應：甲醇和光氣發(fā)生羰基化反應生成氯甲酸甲酯，進一步反 應生成碳酸二甲酯： CH3OH+COCl2CH3OCOCl+HCl CH3OCOCl+CH3OH（CH3O）2CO （4） 胺化反應：在壓力520Mpa,溫度370420下，以活化氧化鋁或分子篩催化劑，甲醇和氨發(fā)生反應生成一甲胺，二甲胺和三甲胺的混合物，經(jīng)精餾分離可得一甲胺，二甲胺和三甲胺一甲胺，二甲胺和三甲胺產品。 CH3OH + NH3CH3NH2 + H2O 2CH3OH + NH3(CH3）2 NH + 2H2O 3CH3OH + NH3(CH3）3 + 3H2O （5） 脫水反應：甲醇在高溫和酸性催化劑如ZSM-5，r-Al2O3 作用下分子間脫水生成二甲醚： 2CH3OH(CH3）2O+ H2O （6）裂解反應：在銅催化劑上，甲醇可裂解成CO和H2： CH3OHCO + H2 （7） 氯化反應：甲醇和氯化氫在Zn/ZrO催化劑上發(fā)生氯化反應生成一氯甲烷： CH3OH + HClCH3Cl + H2O 氯甲烷和氯化氫在CuCl2/ ZrO2催化劑作用下進一步發(fā)生氧氯化反應生成二氯甲烷和三氯甲烷。 CH3OH + HCl + 0.5O 2CH2Cl 2 + H2O CH3Cl2 + HCl + 0.5O 2CHCl3 + H2O （8） 其他反應：甲醇和苯在3.5MPa，350380反應條件下，在催化劑的作用下可生成甲苯： CH3OH + C6H6C6H5 CH3 + H2O 1.2 甲醇的用途 甲醇是重要有機化工原料和優(yōu)質燃料，廣泛應用于精細化工，塑料，醫(yī)藥，林產品加工等領域。甲醇主要用于生產甲醛，消耗量要占到甲醇總產量的一半，甲醛則是生產各種合成樹脂不可少的原料。用甲醇作甲基化試劑可生產丙烯酸甲酯、對苯二甲酸二甲酯、甲胺、甲基苯胺、甲烷氯化物等；甲醇羰基化可生產醋酸、醋酐、甲酸甲酯等重要有機合成中間體，它們是制造各種染料、藥品、農藥、炸藥、香料、噴漆的原料，目前用甲醇合成乙二醇、乙醛、乙醇也日益受到重視。甲醇也是一種重要的有機溶劑，其溶解性能優(yōu)于乙醇，可用于調制油漆。作為一種良好的萃取劑，甲醇在分析化學中可用于一些物質的分離。甲醇還是一種很有前景的清潔能源，甲醇燃料以其安全、廉價、燃燒充分，利用率高、環(huán)保的眾多優(yōu)點，替代汽油已經(jīng)成為車用燃料的發(fā)展方向之一；另外燃料級甲醇用于供熱和發(fā)電，也可達到環(huán)保要求。甲醇還可經(jīng)生物發(fā)酵生成甲醇蛋白，富含維生素和蛋白質，具有營養(yǎng)價值高而成本低的優(yōu)點，用作飼料添加劑，有著廣闊的應用前景。1.3甲醇產業(yè)的發(fā)展1.3.1 世界甲醇工業(yè)的發(fā)展總體上說，世界甲醇工業(yè)從90年代開始經(jīng)歷了1991-1998的供需平衡，1998-1999的供大于求，從2000年初至今的供求基本平衡三個基本階段。據(jù)Nexant Chen Systems公司的最新統(tǒng)計，全球2004年甲醇生產能力為4226.5萬t/a1.3.2我國甲醇工業(yè)發(fā)展我國的甲醇工業(yè)經(jīng)過十幾年的發(fā)展，生產能力得到了很大提高。1991年，我國的生產能力僅為70萬噸，截止2004年底，我國甲醇產能已達740萬噸，117家生產企業(yè)共生產甲醇440.65萬噸，2005年甲醇產量達到500萬噸，比2004年增長22.2%，進口量99.1萬噸，因此下降3.1%。1.4 甲醇生產技術的發(fā)展1.4.1裝置大型化 于上世紀末相比，現(xiàn)在新建甲醇規(guī)模超過百萬噸的已不再少數(shù)。在20042008年新建的14套甲醇裝置中平均規(guī)模為134萬t/a，其中卡塔爾二期工程項目高達230萬t/a。最小規(guī)模的是智利甲醇項目，產能也達84萬t/a，一些上世紀末還稱得上經(jīng)濟規(guī)模的60萬t/a裝置因失去競爭力而紛紛關閉。1.4.2 二次轉化和自轉化工藝 合成氣發(fā)生占甲醇裝置總投資的50%60%，所以許多工程公司將其視為技術改進重點。已經(jīng)形成的新工藝在主要是Syenetix(前ICI)的先進天然氣加熱爐轉化工藝(AGHR),Lurgi的組合轉化工藝(CR)和Tops e的自熱轉化工藝(ATR)1.4.3新甲醇反應器的合成技術 大型甲醇生產裝置必須具備與其規(guī)模相適應的甲醇反應器和反應技術。傳統(tǒng)甲醇合成反應器有ICI的冷激型反應器，Lungi的管殼式反應器，Topsdpe的徑向流動反應器等，近期出現(xiàn)的新合成甲醇反應器有日本東洋工程的MRF-Z反應器等，而反應技術方面則出現(xiàn)了Lurgi推出的水冷一氣冷相結合的新流程。1.4.4引入膜分離技術的反應技術 通常的甲醇合成工藝中，未反應氣體需循環(huán)返回反應器，而KPT則提出將未反應氣體送往膜分離器，并將氣體分為富含氫氣的氣體，前者作燃料用，后者返回反應器。1.4.5液相合成工藝 傳統(tǒng)甲醇合成采用氣相工藝，不足之處是原料單程轉化率低，合成氣凈化成本高，能耗高。相比之下，液相合成由于使用了比熱容高，導熱系數(shù)大的長鏈烷烴化合物作反應介質，可使甲醇合成在等溫條件下進行。二、甲醇的合成方法2.1 常用的合成方法 當今甲醇生產技術主要采用中壓法和低壓法兩種工藝，并且以低壓法為主，這兩種方法生產的甲醇約占世界甲醇產量的80%以上。2.1.1高壓法：(19.6-29.4Mpa)是最初生產甲醇的方法，采用鋅鉻催化劑，反應溫度360-400，壓力19.6-29.4Mpa。高壓法由于原料和動力消耗大，反應溫度高，生成粗甲醇中有機雜質含量高，而且投資大，其發(fā)展長期以來處于停頓狀態(tài)。2.1.2低壓法：(5.0-8.0 Mpa)是20世紀60年代后期發(fā)展起來的甲醇合成技術，低壓法基于高活性的銅基催化劑，其活性明顯高于鋅鉻催化劑，反應溫度低(240-270)。在較低壓力下可獲得較高的甲醇收率，且選擇性好，減少了副反應，改善了甲醇質量，降低了原料消耗。此外，由于壓力低，動力消耗降低很多，工藝設備制造容易。2.1.3中壓法：(9.8-12.0 Mpa)隨著甲醇工業(yè)的大型化，如采用低壓法勢必導致工藝管道和設備較大，因此在低壓法的基礎上適當提高合成壓力，即發(fā)展成為中壓法。中壓法仍采用高活性的銅基催化劑，反應溫度與低壓法相同，但由于提高了壓力，相應的動力消耗略有增加。本設計所采用的合成方法比較以上三者的優(yōu)缺點，以投資成本，生產成本，產品收率為依據(jù)，選擇中壓法為生產甲醇的工藝，用CO和H2在加熱壓力下，在催化劑作用下合成甲醇，其主要反應式為：CO+ H2CH3OH2.2 甲醇的合成路線2.2.1常用的合成工藝 雖然開發(fā)了高活性的銅基催化劑，合成甲醇從高壓法轉向低壓法，完成了合成甲醇技術的一次重大飛躍，但仍存在許多問題：反應器結構復雜；單程轉化率低，氣體壓縮和循環(huán)的耗能大；反應溫度不易控制，反應器熱穩(wěn)定性差。所有這些問題向人們揭示，在合成甲醇技術方面仍有很大的潛力，更新更高的技術等待我們去開發(fā)。下面介紹20世紀80年代以來所取得的新成果。(1) 氣液固三項合成甲醇工藝 首先由美國化學系統(tǒng)公司提出，采用三相流化床，液相是惰性介質，催化劑是ICI的Cu-Zn改進型催化劑。對液相介質的要求：在甲醇合成條件下有很好的熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性。既是催化劑的硫化介質，又是反應熱吸收介質，甲醇在液相介質中的溶解度越小越好，產物甲醇以氣相的形式離開反應器。這類液相介質有如三甲苯，液體石蠟和正十六烷等。后來Berty等人提出了相反的觀點，采用的液相介質除了熱穩(wěn)定性及化學穩(wěn)定性外，要求甲醇在其溶液中的溶解度越大越好，產物甲醇不是以氣相形式離開反應器，而是以液相形式離開反應器，在反應器外進行分離。經(jīng)試驗發(fā)現(xiàn)四甘醇二甲醚是極理想的液相介質。CO和H2在該液相中的氣液平衡常數(shù)很大，采用Cu-Zn-Al催化劑，其單程轉化率大于相同條件下氣相的平衡轉化率。氣液固三相工藝的優(yōu)點是：反應器結構簡單，投資少；由于介質的存在改善了反應器的傳熱性能，溫度易于控制，提高了反應器的熱穩(wěn)定性；催化劑的顆粒小，內擴散影響易于消除；合成甲醇的單程轉化率高，可達15%-20%，循環(huán)比大為減??；能量回收利用率高；催化劑磨損少。缺點是三相反應器壓降較大，液相內的擴散系數(shù)比氣相小的多。(2) 液相法合成甲醇工藝 液相合成甲醇工藝的特點是采用活性更高的過度金屬絡合催化劑。催化劑均勻分布在液相介質中，不存在催化劑表面不均一性和內擴散影響問題，反應溫度低，一般不超過200，20世紀80年代中期，美國Brookhaven國家實驗室開發(fā)了活性很高的復合型催化劑，其結構為NaOH-RONa-M(OAc)2,其中M代表過渡金屬Ni,Pd或Co,R為低碳烷基，當M為Ni，R為叔戊烷基時催化劑性能最好，液相介質為四氫呋喃，反應溫度為80-120，壓力為2MPa左右，合成氣單程轉化率高于80%，甲醇選擇性高達96%。當該催化劑與第族金屬的羰基絡合物混合使用時，能得到更好的效果，他能激活CO，并有較好的耐硫性，當合成氣中還有167010-6的H2S時，其甲醇產率仍達33%。 Mahajan等人研制了由過渡金屬絡合物與醇鹽組成的符合催化劑，如四羰基鎳和甲醇鉀，以四氫呋喃為液相介質，反應溫度為125，CO轉化率大于90%，選擇性達99%。 目前液相合成甲醇研究仍處在實驗室階段，尚未工業(yè)化，但它是一種很有開發(fā)前景的合成技術。該法的缺點是由于反應溫度低，反應熱不易回收利用；CO2和H2O容易使復合催化劑中毒，因此對合成氣體的要求很苛刻，不能還有CO2和H2O，還需進一步研究。(3) 新型GSSTFR和RSIPR反應器系統(tǒng) 該系統(tǒng)采用反應,吸附和產物交換交替進行的一種新型反應裝置。GSSTFR是指氣-液-固滴流流動反應系統(tǒng)，CO和H2在催化劑的作用下，在此系統(tǒng)內進行反應合成甲醇，該甲醇馬上被固態(tài)粉狀吸附劑所吸附，并滴流帶出反應系統(tǒng)。RSIPR是級間產品脫出反應系統(tǒng)，當以吸附氣態(tài)甲醇的粉狀吸附劑流入該系統(tǒng)時，與該系統(tǒng)內的液相四甘醇二甲醚進行交換，氣態(tài)的甲醇被液相所吸附，然后再將四甘醇二甲醚中的甲醇分離出來。這樣合成甲醇反應不斷向右進行，CO的單程轉化率可達100%，氣相反應物不循環(huán)。這項新工藝仍處在研究之中，尚未投入工業(yè)生產，還有許多技術問題需要解決和完善。2.2.2本設計的合成工藝經(jīng)過凈化的原料氣，經(jīng)預熱加壓，于5 Mpa、220 下，從上到下進入Lurgi反應器，在銅基催化劑的作用下發(fā)生反應，出口溫度為250 左右，甲醇7%左右，因此，原料氣必須循環(huán)，則合成工序配置原則為圖2-2。合成塔水冷器甲醇分離塔循環(huán)器甲醇的合成是可逆放熱反應，為使反應達到較高的轉化率，應迅速移走反應熱，本設計采用Lurgi管殼式反應器，管程走反應氣，殼程走4MPa的沸騰水馳放氣粗甲醇圖1合成工序配置原則2.3 本設計的主要方法及原理 造氣工段：使用二步法造氣 CH4+H2OCO+3H2 H=-205.85 kJ/mol CH4+O2CO2+2H2 H=+109.45 kJ/mol CH4+0.5O2CO+2H2 H=+35.6 kJ/mol CH4+2O2CO2+2H2O H=+802.3 kJ/mol 合成工段：5MPa下銅基催化劑作用下發(fā)生一系列反應 主反應 ： CO+2H2CH3OH H=+102.37 kJ/kmol 副反應 ： 2CO+4H2(CH3O)2+H2O H=+200.3 kJ/kmol CO+3H2CH4+ H2O H=+115.69 kJ/kmol 4CO+8H2C4H9OH+3H2O H=+49.62 kJ/kmol CO+H2CO +H2O H=-42.92 kJ/kmol反應熱力學：一氧化碳加氫合成甲醇的反應式為：CO+2H2CH3OH(g)這是一個可逆放熱反應，熱效應：。當合成氣中有CO2時，也可合成甲醇。 CO2 + 3H2 CH3OH(g) + H2O這也是一個可逆放熱反應，熱效應：合成法反應機理：本反應采用銅基催化劑，5 MPa，250 左右反應，反應模式為： H2+22H （1） CO+HHCO （2） HCO+H H2CO H2CO+2HCH3OH+3 CH3OH CH3OH+反應為（1）（2）控制。即吸附控制。2.4 甲醇合成反應的化學平衡 一氧化碳和氫氣合成甲醇是一個氣相可逆反應，壓力對反應起著重要作用，反應溫度也是影響平衡常數(shù)的一個重要因素，不同溫度下的反應平衡常數(shù)見表2。其平衡常數(shù)隨著溫度的上升而很快減小，因此，甲醇合成不能在高溫下進行。但是低溫反應速率太慢，所以甲醇生產選用高活性的銅基催化劑，使反應溫度控制在220280. 表2-1 不同溫度下甲醇反應的平衡常數(shù)反應溫度/平衡常數(shù)/Kp0667.3010012.922001.909*10-23002.42*10-44001.079*10-5三、工藝計算3.1 合成塔物料平衡計算工廠設計為年產精甲醇20萬噸，開工時間為每年300天，采用連續(xù)操作，則每小時精甲醇的產量為27.78噸，即27.78 t/h。精餾工段通過三塔高效精餾工藝，精甲醇的純度可達到99.9%，符合精甲醇國家一級標準。三塔精餾工藝中甲醇的收率達97%。則入預精餾塔的粗甲醇中甲醇量27.78 / 0.97=28.64t/h。由粗甲醇的組成通過計算可得下表： 表3-1 粗甲醇組成組分百分比產量甲醇93.41% 836.02kmol/h 即 18726.84m3/h 二甲醚0.43%2.68kmol/h 即 59.97 m3/h高級醇（以異丁醇計）0.28%1.08kmol/h 即24.27m3/h高級烷烴（以辛烷計）0.33%0.83kmol/h 即18.57m3/h水5.55%88.31kmol/h 即 1978.14m3/h粗甲醇100%28.87t/h計算方法:粗甲醇 =26.73 / 0.9340 = 28.64 t/h二甲醚 =28.640.42% = 130.29 kg/h 即2.68 kmol/h ，559.97 m3/h高級醇（以異丁醇計）= 28.640.26% = 74.46kg/h 即1.08kmol/h ，24.27m3/h高級烷烴（以辛烷計）=28.640.32% = 91.65 kg/h 即0.83kmol/h，18.57m3/h水 =28.645.6% = 1603.8 kg/h 即88.31kmol/h，1978.14m3/h合成甲醇的化學反應為：主反應：CO+2H2CH3OH+102.37 KJ/mol （1）副反應：2CO+4H2(CH3)2O+H2O+200.39 KJ/mol （2） CO+3H2CH4+H2O+115.69 KJ/mol （3） 4CO+8H2C4H9OH+3H2O+49.62 KJ/mol （4） CO2+H2CO+ H2O-42.92 KJ/mol （5）生產中，測得每生產1噸粗甲醇生成甲烷7.56 Nm3,即0.34 kmol，故CH4每小時生成量為：7.5614.78533=111.777 Nm3，即4.987 kmol/h，79.794 Kg/h。忽略原料氣帶入份，根據(jù)（2）、（3）、（4）得反應（5）生成的水的量為：48.43-0.604-0.05203-4.987=42.683 kmol/h，即在CO逆變換中生成的H2O為42.683 kmol/h，即956.13 Nm3/h。5.06 MPa，40時各組分在甲醇中的溶解度列表于表3-2表3-2 5.06Mpa，40時氣體在甲醇中的溶解度組分H2COCO2N2ArCH4溶解度Nm3/t甲醇00.6823.4160.3410.3580.682Nm3/h01.0085.5010.5040.5291.008據(jù)測定：35 時液態(tài)甲醇中釋放CO、CO2、H2等混合氣中每立方米含37.14 g甲醇，假定溶解氣全部釋放，則甲醇擴散損失為：(1.008+5.501+0.504+0.529+1.008)= 0.318 kg/h即0.0099kmol/h，0.223 Nm3/h。設新鮮氣量為G新鮮氣,馳放氣為新鮮氣的9%。表3-3 馳放氣組成組分H2COCO2CH4N2ArCH3OHH2OMol%79.316.293.504.793.192.300.610.01 G新鮮氣G消耗氣+G馳放氣=G消耗氣+0.09 G新鮮氣=59821.42+0.09 G新鮮氣 所以：G新鮮氣65737.82 Nm3/h新鮮氣組成見表3-4表3-4 甲醇合成新鮮氣組成組分H2COCO2N2總計Nm344499.2519168.452047.083.2965737.82組成mol%67.69229.1593.1440.005100測得：甲醇合成塔出塔氣中含甲醇7.12%。根椐表6，設出塔氣量為G出塔。又知醇后氣中含醇0.61%。所以： =7.12% G醇后=G新鮮-(G醇G副G擴)+GCH4= 65737.82-59821.42+112.785=6029.185 Nm3/h所以：G出塔272460.95Nm3/hG循環(huán)氣= G出塔-G醇后-G生成+GCH4-G溶解=272460.95-6029.185-20686.502+112.785-7.571 =245850.477Nm3/h甲醇生產循環(huán)氣量及組成見表3-5表3-5 甲醇生產循環(huán)氣量及組成組分COCO2H2N2CH4ArCH3OHH2O合計流量：Nm3/h15463.998604.767194984.017842.6311776.245654.5611499.6924.585245850.477組成%(V)6.293.5079.313.194.792.300.610.01100G入塔= G循環(huán)氣+G新鮮氣=245850.477+65737.82=311588.297 Nm3/h由表3-4及表3-5得到表3-6。 表3-6 甲醇生產入塔氣流量及組成 單位：Nm3/h組分COCO2H2N2CH4ArCH3OHH2O合計流量：Nm3/h34894.7710668.78239349.677808.40311721.955627.2851492.5124.927311588.297組成(V)%11.1993.42476.8162.5063.7621.8060.4790.008100又由G出塔= G循環(huán)氣-G消耗G生成據(jù)表3-6得表3-7。表3-7 甲醇生產入塔氣流量消耗及組成 單位：Nm3/h組分COCO2H2N2CH4ArCH3OHH2OC4H9OH(CH3)2O合計入塔34894.7710668.78239349.677808.40311721.955627.2851492.5124.927311588.29消耗18664.45961.60340194.860.5041.00859821.42生成111.77719444.391101.9332.32227.0620686.502出塔17145.498751.203198114.487805.78911941.635626.16220853.582185.0762.32227.06272453.37組成(V)6.2933.21272.7152.8654.3832.0657.6540.8020.0010.010100甲醇分離器出口氣體和液體產品的流量、組成見表3-8。 表3-8甲醇分離器出口氣體組成、流量：單位：Nm3/h組分COCO2H2N2CH4ArCH3OHC4H9OH(CH3)2OH2O合計損失1.0085.05100.5041.0080.5290.2118.311出氣17144.4828746.152198114.477805.28511940.6225625.63320853.369270230.013組成(V)%6.3443.23773.3132.8884.4192.0827.717100出液19444.392.32227.061101.93320575.706組成mol%89.7370.0110.12510.127100重量kg27751.347.7055.56873.7028688.3組成(wt)%93.8050.0260.1885.981100甲醇馳放氣流量及組成見表3-9。 表3-9 甲醇馳放氣流量及組成組成COCO2H2CH4ArCH3OHH2O合計流量：Nm3/h190.117105.789397.166144.77996.41918.437微2925.707粗甲醇貯罐氣流量及組成風表3-10。 表3-10 貯罐氣組成、流量組成COCO2H2CH4ArCH3OHN2合計流量（Nm3/h）1.0085.05101.0080.5290.2110.5048.311組成(V)%12.12960.774012.1296.3652.5396.064100由表3-3到表3-10可得表3-11。 表3-11 甲醇生產物料平衡匯總表組分新鮮氣循環(huán)氣入塔氣出塔氣醇后氣流量組成流量組成流量組成流量組成流量組成Nm3(v)%Nm3(v)%Nm3(v)%Nm3(v)%Nm3(v)%CO19168.4929.15915463.9956.2934894.7711.19917145.496.293881.2828.108CO22047.083.1448604.7673.5010668.783.4248751.2033.21295.1073.033H244499.2567.692194984.01379.31239349.6776.816198114.47572.7152045.99865.257N23.290.0057842.633.197808.4032.5067805.7892.8651.0860.035Ar5654.5612.305627.2851.8065626.1622.065CH411776.2384.7911721.9523.76211941.634.383112.7853.597CH3OH1499.6880.611492.5080.47920853.587.654C4H9OH2.3220.001(CH3)2O27.060.01H2O24.5850.0124.9270.0082185.0760.802微量/合計65718.11100245850.474100311588.295100272452.7871003135.308100甲醇合成塔分離器貯 罐冷 凝根椐計算結果，可畫出甲醇生產物流圖，如：圖2 甲醇生產物流圖循環(huán)氣新鮮氣馳放氣入塔氣醇后氣粗甲醇 3.2粗甲醇精餾的物料平衡計算3.2.1 預塔的物料平衡(1).進料A.粗甲醇：28688.3kg/h。根據(jù)以上計算列表3-12表3-12組分甲醇二甲醚異丁醇水合計流量：kg/h27751.3455.567.70873.6328688.3組成：(wt)%93.8050.0260.1885.981100 B.堿液：據(jù)資料，堿液濃度為8%時，每噸粗甲醇消耗0.1 kg的NaOH。則消耗純NaOH：0.128688.32.869 kg/h換成8%為：=35.863 kg/h C.軟水：據(jù)資料記載。軟水加入量為精甲醇的20%計，則需補加軟水： 27751.3420%-35.863(1-8%)=5515.122 kg/h據(jù)以上計算列表3-13。表3-13 預塔進料及組成物料量：kg/hCH3OHH2ONaOH(CH3)2OC4H9OH合計粗甲醇27751.34873.6355.567.7028688.3堿液32.9942.86935.863軟水5515.1225515.122合計27751.346421.7462.86955.567.7034239.215(2).出料 A.塔底。甲醇：27751.34 kg/h B.塔底水。粗甲醇含水：873.63kg/h 堿液帶水：32.994 kg/h 補加軟水：5515.122 kg/h 合計：6421.746kg/h C.塔底異丁醇及高沸物：7.70 kg/h D.塔頂二甲醚及低沸物：55.56 kg/h由以上計算列表3-14。表3-14 預塔出料流量及組成物料量：kg/hCH3OHH2ONaOH(CH3)2OC4H9OH合計塔頂55.5655.56塔底27751.346421.7462.8697.7034183.655合計27751.346421.7462.86955.567.7034239.2153.2.2 主塔的物料平衡計算(1).進料加壓塔。預后粗甲醇：34183.655 kg/h常壓塔。34183.655-27751.342/3=15682.76 kg/h(2).出料加壓塔和常壓塔的采出量之比為2:1，常壓塔釜液含甲醇1%。A. 加壓塔。塔頂：27751.342/3=18500.89kg/h 塔釜：15682.76kg/hB. 常壓塔。塔頂：27751.341/399%=9157.94 kg/h 塔釜：甲醇 水 NaOH 高沸物 kg/h：92.5 6421.746 2.869 7.70 總出料：由以上計算。得表17甲醇精餾塔物料平衡匯總表：單位：kg/h 18500.89+6421.746+2.869+7.70+92.5+9157.94=34183.645得表3-15 甲醇精餾塔物料平衡匯總物料物料加壓塔頂出料常壓塔頂出料常壓塔釜出料合計甲醇27751.3418500.899157.9492.527751.34NaOH2.8692.8692.869水6421.7466421.7466421.746高沸物7.707.707.70合計34175.95518500.899157.946524.81534175.955根椐計算結果可畫出粗甲精餾物流圖，見圖3預精餾塔加壓精餾塔常壓精餾塔常壓塔頂出料加壓塔頂出料預塔頂出料 .粗甲醇軟水堿液常壓塔釜出料預塔底出料 圖3 粗甲醇精餾物流圖3.3 甲醇生產的能量平衡計算3.3.1 合成塔能量計算已知：合成塔入塔氣為220 ，出塔氣為250 ，熱損失以5%計，殼層走4MPa的沸水。查化工工藝設計手冊得，4 MPa下水的氣化潛熱為409.7 kmol/kg，即1715.00 kJ/kg，密度799.0 kg/m3，水蒸氣密度為19.18 kg/m3，溫度為250 。入塔氣熱容見表3-16。 表3-16 5MPa，220下入塔氣除(CH3OH)熱容組分COCO2H2N2ArCH4合計流量：Nm334894.7710668.78239349.677808.4035627.28511721.95310070.86比熱：kJ/kmol30.1545.9529.3430.3521.4147.05/熱量：kJ/23580.6510987.99157396.595312.062700.6912360.21212338.19查得220時甲醇的焓值為42248.46 kJ/kmol，流量為749.391 Nm3。所以：Q入=42248.46+212338.19220=2815007.35+46714401.8 =49529409.15 kJ出塔氣熱容除(CH3OH)見表3-17。 表3-17 5MPa，220下出塔氣除(CH3OH)熱容組分COCO2H2N2ArCH4C4H9OH(CH3)2OH2O合計流量：Nm317145.498751.203198114.487805.7895626.16211941.632.32227.062185.08251599.207比熱：kJ/kmol30.1346.5829.3930.4121.3648.39170.9795.8583.49/熱量：kJ/11579.359138.40130521.965321.882694.3912951.538.9059.714088.59176365.71查得250時甲醇的焓值為46883.2 kJ/kmol，流量為10471.692 Nm3。所以：Q出=46883.2+176365.71250=21917251.36+44091421.5 =66008672.86 kJ由反應式得:Q反應=102.37+200.39+115.69+49.62+(-42.92) 1000 =(88862.60+242.08+577.30+5.14-2130.80)1000 =87556320 kJ Q熱損失=(Q入Q反應) 5%=(49529409.15+87556320) 5%=6854286.46 kJ所以：殼程熱水帶走熱量 Q傳 = Q入 + Q反應 - Q出 - Q熱 =49529409.15+87556320-66008672.86-6854286.46 =64222769.83 kJ又：Q傳=G熱水r熱水所以:G熱水=37447.89 kg/h即時產蒸氣：=1952.45m33