1天然氣化工工藝學(xué)習(xí)題指導(dǎo)與訓(xùn)練20161009講解

1、1. 天然氣化工工藝學(xué)習(xí)題、指導(dǎo)與訓(xùn)練要求： 考核范圍：系統(tǒng)掌握利用教材、講義核心內(nèi)容； 注重訓(xùn)練：獨(dú)立完成和理解本作業(yè)與訓(xùn)練-1，注重理解，提高解決實(shí)際問題的能力； 公平競(jìng)爭(zhēng)：考核結(jié)果取決于你自己的努力； 教師關(guān)注：考核質(zhì)量和及格率兩大問題！ F = A*30% + B*70% + C* 0%）總結(jié)與訓(xùn)練-1 §1.0 天然氣的組成與性質(zhì)1. 天然氣是由多種可燃和不可燃的氣體組成的混合氣體, 其中烴類氣體主要成分為CH4，其次為C2H6、C3H8等；非烴類氣體通常為CO2、CO、N2、H2、H2S、H2O及微量惰性氣體He、Ar等。2. 1m3（mol）天然氣完全燃燒所放出的熱量稱

2、為天然氣的體積（摩爾）熱值，可燃?xì)鉄嶂捣诸悾焊邿嶂?水蒸氣冷卻為冷凝水狀態(tài))和低熱值(水蒸氣為蒸汽狀態(tài)) 。3. 可燃物摩爾高熱值與摩爾低熱值的關(guān)系為 4. 甲烷、乙烷、丙烷的低熱值(LHV)由高到低的順序?yàn)?LHV(CH4) > LHV (C2H6) > LHV (C3H8)。5. 計(jì)算天然氣的爆炸極限為5-15 v%。 其含義為若低于5 v%或者高于15 v%,則會(huì)因?yàn)樘烊粴庠诳諝庵械暮坎蛔慊蛘哌^剩而不會(huì)發(fā)生爆炸。6. CH3OH的爆炸極限為5.5% 44 v% (6% 36.5%)。7. C3+烴小于100mL(l)/m3 (g)的天然氣俗稱貧氣；而C3+烴大于100mL(

3、l)/m3 (g)天然氣俗稱富氣。8. C5+烴小于10mL(l)/m3 (g)的天然氣俗稱干氣；而C5+烴小于10mL(l)/m3 (g)的天然氣俗稱濕氣。§2 天然氣凈化1. 天然氣中的硫化物主要是以H2S的形式存在，同時(shí)還可能有一些有機(jī)硫化物，如硫醇和硫醚等。2.天然氣脫硫工藝主要采用是醇胺法和砜胺法，其中醇胺法屬于化學(xué)溶劑法，而砜胺法為主的化學(xué)物理溶劑法。 3. 對(duì)于天然氣醇胺法脫硫過程，在70以下不易發(fā)生的反應(yīng)是 ( B )。 (A) H2S + RNH2 RNH3HS (B) RNH3HS RNH2 + H2S (C) H2S + R3N R3NHHS (D) CO2 +

4、 2RNH2 RNHCOONH3R 4. 天然氣醇胺法脫硫過程同時(shí)也脫除分部分二氧化碳，下列反應(yīng)中在105以上可向正向進(jìn)行的是 ( B ) 。 (A) H2S + RNH2 RNH3HS (B) RNH3HS RNH2 + H2S (C) H2S + R3N R3NHHS (D) CO2 + 2RNH2 RNHCOONH3R5. 醇胺法和砜胺法工藝流程包括：吸收、閃蒸、換熱和再生四個(gè)環(huán)節(jié)。6. 克勞斯硫回收工藝發(fā)生如下反應(yīng)，其中不屬于硫回收主反應(yīng)是 （C ）。 （A） H2S + 3O2 = 2SO2 + 2H2O, rH = - 1038 kJ/mol （B） 2H2S + SO2 = 3/

5、2 S2 + 2H2O, rH = 42.1 kJ/mol （C） 2 H2S + SO2 = 3/6 S2 + 2 H2O, rH = -69.2 kJ/mol （D） CO + S = COS, rH = - 304.4 kJ/mol 注：克勞斯工藝常用低于化學(xué)計(jì)量的空氣先將H2S燃燒，再經(jīng)催化轉(zhuǎn)化為硫磺。7. 屬于克勞斯硫回收藝反應(yīng)的是 （ A ）。 （A） 2 H2S + 3 O2 = 2 SO3 +2 H2O, rH = -1038 kJ/mol （B） CO + H2O = CO2 + H2 , rH = -32.9 kJ/mol （C） CO + S = COS, rH = -

6、304.4 kJ/mol （D） CH4 + 2 H2S = CS2 + 4 H2 , rH = - 304.4 kJ/mol 克勞斯工藝硫單質(zhì)的原子聚集形態(tài) （S2, S6和S8 ）8. 闡述題： （1） 根據(jù)下圖（左）簡(jiǎn)述克勞斯硫回收工藝原理（化學(xué)基礎(chǔ)），硫單質(zhì)形態(tài)和H2S轉(zhuǎn)化率變化規(guī)律。 （2）參考下圖（右）比較直流法脫硫和分流法脫硫的工藝特點(diǎn)。【如流程（燃燒區(qū)和催化轉(zhuǎn)化區(qū)的利用）、操作溫度選擇、脫硫能力，處理原料對(duì)象等?！繄D1 H2S轉(zhuǎn)化為硫的平衡轉(zhuǎn)化率圖1 克勞斯法的主要流程2. 天然氣水蒸氣轉(zhuǎn)化（重整）工藝流程、化學(xué)原理 1） 天然氣水蒸氣轉(zhuǎn)化反應(yīng) a) 甲烷轉(zhuǎn)化主反應(yīng); b) 典

7、型的高級(jí)烴轉(zhuǎn)化反應(yīng)； c) 積炭副反應(yīng)。 2） 甲烷水蒸汽轉(zhuǎn)化的生產(chǎn)工藝(二段轉(zhuǎn)化法)（P46圖3-7） 3） 催化劑和工藝條件 a) 催化劑：Ni/MgAl2O4 （1） Ni活性組分； （2）鎂鋁尖晶石載體。 b) 壓力：采用34 MPa的加壓條件；c) 溫度：一段轉(zhuǎn)化爐反應(yīng)溫度700800，二段爐出口溫度1000左右(10001200)； d) 原料配料中的水碳比34 較適宜；e) 空間速度(P45)：表示催化劑處理原料氣的能力，催化劑活性高，反應(yīng)速度快，空速可以大些。二段爐原料氣空速：GHSV = Fv/V Catal. (h-1) =30004000 h-1. f) 綜合結(jié)論：溫度對(duì)

8、甲烷轉(zhuǎn)化影響較大；加壓對(duì)甲烷轉(zhuǎn)化并不利；水碳比也影響轉(zhuǎn)化。綜合考慮，甲烷蒸汽轉(zhuǎn)化反應(yīng)盡可能在高溫、高水碳比以及低壓下進(jìn)行。4) 轉(zhuǎn)化結(jié)果：CH4轉(zhuǎn)化率 99.5 v%，生成H2、CO、CO2、H2O(g)等的混合氣體（粗合成氣）。3. 天然氣部分氧化制合成氣的反應(yīng)器包括：(1) 固定床反應(yīng)器； (2) 流化床反應(yīng)器； (3) 膜反應(yīng)器4. 天然氣(甲烷)部分氧化(POM)制合成氣是一個(gè)較溫和的放熱反應(yīng)。在750800下，甲烷平衡轉(zhuǎn)化率可達(dá)90以上，CO和H2的選擇性高達(dá)95，生成合成氣的H2和CO摩爾比接近2。 甲烷部分氧化制合成氣的總反應(yīng)式：。甲烷水蒸氣重整需要大量熱能。因此，部分氧化與水蒸

9、氣重整過程的耦合利用，將是今后天然氣制合成氣的主要發(fā)展方向。試按要求完成下列任務(wù)：1）設(shè)計(jì)一個(gè)“甲烷部分氧化與水蒸氣重整”聯(lián)合轉(zhuǎn)化反應(yīng)爐(繪制反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意圖，參考右圖所示反應(yīng))；2）描述所設(shè)計(jì)聯(lián)合轉(zhuǎn)化爐的結(jié)構(gòu)、功能和反應(yīng)區(qū)；3）各個(gè)反應(yīng)區(qū)的主反應(yīng)和熱效應(yīng)；4）設(shè)計(jì)的甲烷制合成氣過程的突出特點(diǎn)是什么？ §4 甲醇和二甲醚合成1. 在一定溫度、壓力下，CO、CO2和H2在固相銅催化劑上進(jìn)行反應(yīng)可合成甲醇，主要化學(xué)反應(yīng)為 (1) , (2) , (3) , （a）主反應(yīng)的獨(dú)立反應(yīng)數(shù)為2，所以,而（b）從反應(yīng)平衡角度，低溫和高壓均有利于甲醇生成；（c）副產(chǎn)物有烴和其它含氧化合物；(d) 二

10、甲醚爆炸極限=3-17v%。 2. 試寫出由H2和CO合成甲醇的可能反應(yīng)機(jī)理。3. H2、CO、CO2 均是合成甲醇的有效成分，但為什么甲醇合成氣中CO2的濃度不易過高？答：H2、CO、CO2 的吸附強(qiáng)度依次為：CO2>CO>H2，過量的CO2將過分占據(jù)活性中心，反而對(duì)甲醇合成反應(yīng)不利。 4. 甲醇合成條件（ICI低壓甲醇合成工藝）(1) 反應(yīng)器和催化劑：采用多段冷激式合成器，銅基催化劑（Cu-Zn-Al）； (2) ICI低壓甲醇合成工藝條件 ：反應(yīng)溫度T = 230270； 壓力 P = 5.010.0 MPa; H2/CO摩爾比= 2.03.0 ，甲醇合成氣模數(shù) M=(H2-

11、CO2)/(CO+CO2) = 2.02.2空速 GHSV= 500010000 h-1 ； 進(jìn)料循環(huán)比85/1時(shí)空產(chǎn)率 = 9 t/m3h 出塔氣中CH3OH含量= 36 %(3) ICI低壓甲醇合成工藝流程 （原則流程 圖4-1 P76）(4) 甲醇精餾技術(shù)： （a）試畫出甲醇三塔精餾工藝流程示意圖; (b)闡述三塔精餾工藝過程。甲醇合成工序的一般流程 5. 銠-碘催化體系的甲醇低壓羰基化反應(yīng)機(jī)理如下：試按順序甲醇羰基化反應(yīng)過程。 CH3OH 與HI先生成CH3I； CH3I與Rh(CO)2I2 生成配合物CH3Rh(CO)2I3； CO嵌入到Rh-CH3鍵生成配合物CH3CORh(CO)

12、I3； 氣相CO與Rh配合物配位生成CH3CORh(CO)2I3； 通過還原消除反應(yīng)，生成CH3COI與Rh(CO)2I2； CH3COI與反應(yīng)系統(tǒng)的H2O作用得到產(chǎn)物醋酸和HI，同時(shí)HI再生而完成催化循環(huán)。6. 已知以合成氣為原料，Cu-Zn-Al/HZSM-5為雙功能催化劑，采用先進(jìn)的一步法可生產(chǎn)二甲醚和甲醇的混合物。系統(tǒng)在260 、5 MPa和GHSV= 6000 sL/(kg-catalh)條件下，合成二甲醚及甲醇的平衡轉(zhuǎn)化率(單程)、反應(yīng)路徑和熱效應(yīng)如下圖所示。 2 CO + 4 H2 = CH3OCH3 + H2O，rH = -205.2 kJ/mol 3 CO + 3 H2 =

13、CH3OCH3 + CO2，rH = -246.3 kJ/mol（1）試分析一步法合成二甲醚和甲醇的混合物的優(yōu)點(diǎn)；（2）根據(jù)H2/CO摩爾比和CO+H2單程轉(zhuǎn)化率的關(guān)系，估計(jì)H2/CO摩爾比和CO+H2單程轉(zhuǎn)化率的合理范圍；（3）如何在較高單程轉(zhuǎn)化率(CO+H2)前提下控制CO2的生成量？解：（1）合成氣直接制二甲醚的反應(yīng)是放出大量熱量且分子數(shù)減少的反應(yīng)，所以較低的溫度及較高的壓力可獲得較高的平衡轉(zhuǎn)化率（60%）。 其優(yōu)點(diǎn)：打破制甲醇反應(yīng)的平衡限制，合成氣轉(zhuǎn)化率提高；總生產(chǎn)成本降低20%。故而合成二甲醚在熱力學(xué)上優(yōu)于合成甲醇。（2） n (H2)/n (CO) = 1.02.0; 單程轉(zhuǎn)化率(

14、CO+H2) = 3575 %，理想值為5060%。（3）在控制單程轉(zhuǎn)化率(CO+H2)接近50%條件下，適當(dāng)提高n (H2)/n (CO)值，如0.5-1.7，或提高合成氣的模數(shù)。參考1產(chǎn) 品二甲醚甲醇甲醇及二甲醚循環(huán)比CO單程轉(zhuǎn)化率/%總轉(zhuǎn)化率/%排放氣量比/%表觀熱效率/%相對(duì)投資相對(duì)天然氣消耗量25095570.785.981.1514772355.0100100518851563.294.590.6總結(jié)與訓(xùn)練-2 §5 甲醇制低碳烯烴1. 在微孔沸石催化劑作用下甲醇轉(zhuǎn)化制低碳烯烴(MTO)，低碳烯烴通常是指碳原子數(shù)nC 4的烯烴。2. 甲醇轉(zhuǎn)化制烴包括MTO、MTP、MTG

15、、MTA及其變體過程，其中MTP是指甲醇轉(zhuǎn)化制丙烯過程，而MTG是指甲醇轉(zhuǎn)化制汽油過程。3. 甲醇轉(zhuǎn)化制烴過程可統(tǒng)稱為（B）。 （A） MTG ; （B） MTO; （C） MTP; （D） MTH 4. 甲醇轉(zhuǎn)化制低碳烯烴的主反應(yīng)可表示為，其中n值不正確的是（A） n =1; （B） n=2; （C） n=3; （D） n=45. 甲醇轉(zhuǎn)化制烯烴(MTO)系統(tǒng)發(fā)生如下反應(yīng)：其中 熱效應(yīng)值最大的是（C）。（A）2CH3OH (CH3)2O +H2O；（B）(CH3)2O C2H4 + H2O; （C) 2CH3OH C2H4 +2H2O； （D）(CH3)2O CH4 + CO + H2 6.

16、 SAPO-34和ZSM-5分子篩催化甲醇制烯烴反應(yīng)催化劑，產(chǎn)物分布以C2C4特別是乙烯、丙烯為主是（ ）。7. SAPO-34和ZSM-5分子篩催化MTO反應(yīng)催化劑，其中可以副產(chǎn)C5+和芳烴的是（ ZSM-5）。8. SAPO-34分子篩具有8元環(huán)孔結(jié)構(gòu)，ZSM-5分子篩具有10元環(huán)孔結(jié)構(gòu)。9. 在ZSM-5分子篩催化甲醇制汽油(MTG)過程中，產(chǎn)生的粗汽油中含有部分芳烴，其中碳數(shù)最大的芳烴是均四甲苯，該化合物的純品在常溫下為固體。10. MTG過程合成的重質(zhì)汽油改質(zhì)方案主要是指： 過程。11. 費(fèi)托合成油的精制過程主要指合成油的加氫裂化和加氫異構(gòu)化產(chǎn)品改質(zhì)升級(jí)過程。12. 費(fèi)托合成涉及到的

17、基本化學(xué)問題 （ ）。 （A）C-O 斷裂和C-C 形成； （B）C-O選擇加氫； （C）C-C 增長(zhǎng)規(guī)律； （D）碳鏈終止。12-1費(fèi)托合成涉及到的主要化學(xué)過程： ； ； 。13. 根據(jù)不同催化劑和反應(yīng)條件，費(fèi)托合成過程可分為低溫費(fèi)托和高溫費(fèi)托合成，下列條件屬于高溫費(fèi)托過程的是（ ）; 屬于低溫費(fèi)托過程的是（ ）。（A）Fe基催化劑, 2-4 MPa, 330350；（B）Fe基催化劑, 17-30 MPa, 450-470;（C）Co基催化劑, 2.5MPa, 330350；（D）Co基催化劑, 2.6 MPa, 220 250。 13-1 以下是CO加氫催化劑的活性金屬組分，適合煤油、柴

18、油、液蠟生產(chǎn)的費(fèi)托合成催化劑活性金屬組分為（ ）；而甲醇合成催化劑活性金屬組分為（ ）。 （A）Ni （B）Cu （C）Co （D） Fe 14. 天然氣制液體燃料(GTL)技術(shù)路線所涉及到的系列主反應(yīng)可概括為（ ）。 CH4 + 2 H2O CO + 3 H2 n CO + 2n H2 CH2n + n H2O CO + 2 H2 CH3OH n CO +2n H2 CnH2n+1OH + (n-1) H2O CO + H2O CO2 + H2 n-C(x+y)H2(x+y+1) + H2 n-CxH2x+2 + i-CyH2y+2 CH3OH -(CH2)- + H2O 2CO CO2 +

19、 C (A) +; (B) +；（C）+; （D）+15. 費(fèi)托合成產(chǎn)物普遍遵循ASF方程，即 （ ）， 其中是碳鏈增長(zhǎng)概率。 （A） （B） （C） （D）16. 在正常F-T合成條件下，碳鏈越長(zhǎng)形成的概率越??；而正構(gòu)烯烴的情況正好相反。因此，低溫費(fèi)托合成產(chǎn)物主要是（ ）。 （A）甲烷和輕質(zhì)飽和烴； （B）長(zhǎng)鏈正構(gòu)烯烴； （C）支鏈烷烴和正構(gòu)烯烴；（D）長(zhǎng)鏈正構(gòu)烷烴； 17. 高溫費(fèi)托合成較適合于（ ）生產(chǎn)方案。 （A）低碳烯烴； （B）汽油餾分油+煤油； （C）煤油+柴油；（D）液蠟18. 費(fèi)-托合成碳遷移內(nèi)插機(jī)理涉及 （1）形成-CH2-的起始步驟； （2）碳鏈增長(zhǎng)過程； （3）碳鏈終止

20、。 19. Sasol第三代SSPD工藝采用的合成反應(yīng)器是 （ ）。 （A）Arge管式固定床(TFB)； （B）Synthol疏相流化床(CFB)； （C）SAS密相流化床(FFB)； （D）漿態(tài)床（Fe-或Co-催化劑）反應(yīng)器。20天然氣直接轉(zhuǎn)化制烴、甲醇或制氫等是嶄新的研究方向，其中相對(duì)成熟的技術(shù)是（ ）。 （A）甲烷等離子轉(zhuǎn)化制乙炔； （B）天然氣等離子制氫 （B）天然氣等離子制甲醇； （D）甲烷氧化偶聯(lián)制乙烯21. 天然氣的液化一般包括天然氣凈化過程和天然氣液化過程兩部分，其核心是制冷循環(huán)系統(tǒng)。22. 在常壓下，凈化后的天然氣溫度降低到 （ ） 左右，即可得到液化天然氣產(chǎn)品。（A）-

21、162； （B）-168 （C）-183 （D）-195.8二、 簡(jiǎn)述和工藝流程圖1. 下圖描述顯示，在ZSM-5催化劑作用下，甲醇轉(zhuǎn)化過程的產(chǎn)物分布隨空時(shí)(1/LHSV)的變化規(guī)律，試闡述：（1）甲醇制二甲醚（DME）、MTO和MTG在反應(yīng)進(jìn)程上的差異；（2）如何最大化生產(chǎn)低碳烯烴？ （3） MTG過程為何伴有較高分率的芳烴生成，而低碳烯烴分率卻較??？2. 闡述UOP/Hydro流化床MTO工藝條件、反應(yīng)結(jié)果和流化床再生器溫度。工藝條件：流化床反應(yīng)器和流化床再生器； 催化劑：SAPO-34分子篩； 反應(yīng)溫度T=350525，最佳450； 操作壓力P=0.20.4 MPa； 甲醇WHSV=1.

22、0 h-1 ；(1/LHSV=0.04h) 原料氣最佳MeOH/H2O= 1/4 。 反應(yīng)結(jié)果：甲醇轉(zhuǎn)化率99-100%； 最高C2C3烯烴選擇性88.04%； C2C3烯烴產(chǎn)出比可在0.77-1.33間調(diào)整。 流化床再生器溫度：550-650；再生氣:凈化空氣+氮?dú)狻?.掌握UOP/Hydro流化床MTO工藝流程（圖4-33 P115) 3. 繪制EMRE甲醇制汽油工藝示意流程（一段簡(jiǎn)化），并描述工藝過程、催化劑和工藝條件。4. Shell中間餾分油(SMDS)工藝注釋： 1) Shell中間餾分油(SMDS)工藝條件2) Shell中間餾分油工藝的產(chǎn)物分布：液化石油氣：5%；石腦油餾分：2

23、0%；煤油餾分：20%；柴油餾分：55%。5. 繪制天然氣制甲醇、低碳烯烴、液化石油氣、汽油、煤油、柴油和液體蠟的工藝網(wǎng)絡(luò)（框圖），要求包括MTO、MTG、GTL（HTFT和LTFT）主要路徑。（GTL路線；甲醇路線）6. 美國能源部根據(jù)真實(shí)能源回收情況，對(duì)F-T合成、甲醇制汽油和液化氣燃料(MTG),乙醇燃料和生物質(zhì)加氫脫氧（HDO）制燃料技術(shù)進(jìn)行的經(jīng)濟(jì)效益評(píng)估。結(jié)果如下表。試分析表中數(shù)據(jù)，得出你的評(píng)價(jià)結(jié)果。 7. 以下催化反應(yīng)機(jī)理描述了費(fèi)-托合成碳鏈終止過程，費(fèi)-托合成主產(chǎn)物為長(zhǎng)鏈烴(A)，但通常有少量高級(jí)醇（B）副產(chǎn)物生成。（1）請(qǐng)完善長(zhǎng)鏈烴(A)和高級(jí)醇(B)的形成機(jī)理；（2）據(jù)此機(jī)理

24、解釋Fe或Co基催化劑與Cu-Zn-Al催化劑在CO選擇加氫氫能上的差別，及其作為甲醇合成和費(fèi)托合成催化劑的依據(jù)。 解 （1）(A)R-(CH2)2-CH3 （A 主產(chǎn)物）+ H2R-(CH2)2-OH（B 副產(chǎn)物）+ 2H2（2） 提示：甲醇合成和費(fèi)托合成均屬于CO加氫過程。由于Cu基催化劑加氫活性低于Fe-、Co-費(fèi)托催化劑，可以實(shí)現(xiàn)CO選擇性加氫，即絕大部分C-O鍵不發(fā)生加氫斷裂，因此主要生成甲醇，甲烷和高級(jí)醇副產(chǎn)物較少。就加氫活性而言，F(xiàn)e、Co的比Ni、W、Mo金屬弱而比Cu強(qiáng)，因而常采用Fe或Co作為費(fèi)托催化劑的金屬組分，以此克服甲烷化過程和保證碳鏈增長(zhǎng)（參見ASF分布規(guī)律）；另一

25、方面，加氫活性較溫和Fe、Co組分不能導(dǎo)致CO的完全氫化，即C-O鍵不完全加氫斷裂，所以仍有少量高級(jí)醇和其它含氧化合物生產(chǎn)。流程圖：1、下圖為薩索爾(Sasol)漿態(tài)床餾分油工藝（SSPD）流程示意圖 2、下圖為?？松?美孚二十一世紀(jì)天然氣制液體燃料新技術(shù)示意流程圖 ExxonMobil AGC-21 process scheme（GTL）3、畫出日本JEF公司開發(fā)的天然氣經(jīng)合成氣直接制二甲醚(DME)工藝示意流程，并標(biāo)明主要操作單元。Dimethyl Ether Production Technology (JEF)4、UOP/Hydro流化床MTO工藝流程 UOP/Hydro流化床MTO工

26、藝條件工藝條件：流化床反應(yīng)器和流化床再生器； 催化劑：SAPO-34分子篩； 反應(yīng)溫度T=350525，最佳450； 操作壓力P = 0.20.4 MPa； 甲醇WHSV=1.0 h-1 ；(1/LHSV=0.04 h) 原料氣最佳MeOH/H2O= 1/4。 反應(yīng)結(jié)果：甲醇轉(zhuǎn)化率99-100%； 最高C2-C3烯烴選擇性88.04% (過程選擇性）； C2-C3烯烴產(chǎn)出比可在0.77-1.33間調(diào)整。 流化床再生器溫度： 550-650； 再生氣:凈化空氣+氮?dú)狻?5、畫出埃克森-美孚公司開發(fā)的一段簡(jiǎn)化甲醇制汽油工藝示意流程，并標(biāo)明主要操作單元。反應(yīng)器設(shè)計(jì)： 1.畫出薩索爾SSPD低溫費(fèi)-托

27、合成漿態(tài)床反應(yīng)器示意圖，標(biāo)注反應(yīng)器件、進(jìn)料、產(chǎn)品出口及換熱方式；指出：費(fèi)-托合成反應(yīng)類型；費(fèi)-托合成催化劑；反應(yīng)器操作壓力；操作溫度范圍?！镜蜏刭M(fèi)-托合成；Co基催化劑；壓力：2.5 MPa；操作溫度范圍：250-300】2. CH4-H2O(g)重整是甲烷制合成氣(CO +H2)的主要技術(shù)路線，轉(zhuǎn)化爐操作條件較苛刻（ 1400、 3.56.0 MPa）；甲烷部分氧化(POM)制合成氣是一個(gè)相對(duì)較溫和的放熱反應(yīng)，在750800下，甲烷平衡轉(zhuǎn)化率可達(dá)90以上，CO和H2的選擇性高達(dá)95。根據(jù)甲烷水蒸氣重整和甲烷部分氧化制合成氣反應(yīng)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一個(gè)“甲烷部分氧化與水蒸氣重整”聯(lián)合轉(zhuǎn)化爐，要求：（1）

28、繪制聯(lián)合轉(zhuǎn)化爐的結(jié)構(gòu)示意圖和功能區(qū)；（2）給出不同功能區(qū)發(fā)生的CH4部分氧化、CH4-H2O(g)或CH4-CO2重整反應(yīng)。3、 NKK漿態(tài)床反應(yīng)器4、UOP流化床MTO工藝流程流化床反應(yīng)器設(shè)計(jì)示范廠流化床反應(yīng)器：H1=19.4m; H2 =18.4m；D1=0.33m; D2=0.17m; D3=0.6m5、Mobil兩段固定床反應(yīng)器v Overall heat of reaction = 1.74 MJ/kg MeOH (15-20% + 80-85%);v Dehydration Reactor 1: Inlet T=310-320 , p=26 bar; Catalyst: a spe

29、cial alumina.v Conversin Reactor 2: Inlet T=350-366, p=19-23 bar, Outlet T=403, ( 2.6 MPa); Catalyst: H-ZSM-5. 三、計(jì)算 （例題和習(xí)題）1. 已知UOP/ HYDRO示范廠甲醇制烯烴物料平衡數(shù)據(jù)如下表所示。試計(jì)算：（1）計(jì)算甲醇轉(zhuǎn)化率和各含碳組分的產(chǎn)率（填入下表）；原料和產(chǎn)物原料(噸/年)產(chǎn)物(噸/年)產(chǎn)率(m %) 產(chǎn)率(C %)CH3OH2370-C2= -50021.10 C3=-34514.56 n/i-C4=-1004.22 C5+鏈烷烴-251.05 H2, C1- C4烷

30、烴-371.56 COx (CO/CO2=1/4,摩爾比)-50.21 焦炭-301.27 水-132856.03-（2）計(jì)算C2-C4碳烯的選擇性(C %)。2. 用合成氣分層一步法制汽油和IGCC發(fā)電，原則流程如下圖所示。本流程中兩個(gè)主反應(yīng)器的循環(huán)比皆為零，馳放氣2772 kmol/h全部去IGCC 發(fā)電。示范研究表明，由原料氣量10000 kmol/h可制得C2以上烴的流量為33268 kg/h。分析數(shù)據(jù)詳見表2（注：除了所給C2以上烴外，其余成分流量的單位為kmol/h）。試計(jì)算：（1）經(jīng)甲醇合成單元，合成氣中CO轉(zhuǎn)化率和甲醇產(chǎn)率；（2）經(jīng)甲醇轉(zhuǎn)化單元，甲醇轉(zhuǎn)化率和C2以上烴的產(chǎn)率；（

31、3）經(jīng)甲醇合成與轉(zhuǎn)化聯(lián)合加工過程，即合成氣間接制烴過程中CO總轉(zhuǎn)化率及合成烴的總產(chǎn)率。3. 在銀催化劑上進(jìn)行甲醇氧化為甲醛的反應(yīng)： 進(jìn)入反應(yīng)器的原料氣中，甲醇：空氣：水蒸氣=2：4：1.3（摩爾比），反應(yīng)后甲醇的轉(zhuǎn)化率達(dá)72%，甲醛的收率為69.2%。試計(jì)算（1）   反應(yīng)的選擇性；（2）   反應(yīng)器出口氣體的組成。解：（1）由（1.7）式得反應(yīng)的選擇性為： （2）進(jìn)入反應(yīng)器的原料氣中，甲醇：空氣：水蒸氣=2：4：1.3（摩爾比），當(dāng)進(jìn)入反應(yīng)器的總原料量為100mol時(shí)，則反應(yīng)器的進(jìn)料組成為組分摩爾分率yi0摩爾數(shù)ni0(mol)CH3OH2/（2+4+

32、1.3）=0.274027.40空氣4/（2+4+1.3）=0.547954.79水1.3/（2+4+1.3）=0.178117.81總計(jì)1.000100.0設(shè)甲醇的轉(zhuǎn)化率為XA，甲醛的收率為YP，根據(jù)（1.3）和（1.5）式可得反應(yīng)器出口甲醇、甲醛和二氧化碳的摩爾數(shù)nA、nP和nc分別為：nA=nA0(1-XA)=7.672 molnP=nA0YP=18.96 molnC=nA0(XA-YP)=0.7672 mol結(jié)合上述反應(yīng)的化學(xué)計(jì)量式，水（nW）、氧氣（nO）和氮?dú)猓╪N）的摩爾數(shù)分別為：nW=nW0+nP+2nC=38.30 molnO=nO0-1/2nP-3/2nC=0.8788 m

33、olnN=nN0=43.28 mol所以，反應(yīng)器出口氣體組成為：組分摩爾數(shù)（mol）摩爾分率%CH3OH7.6726.983HCHO18.9617.26H2O38.334.87CO20.76720.6983O20.87880.7999N243.2839.394. 工業(yè)上采用銅鋅鋁催化劑由一氧化碳和氫合成甲醇，其主副反應(yīng)如下：由于化學(xué)平衡的限制，反應(yīng)過程中一氧化碳不可能全部轉(zhuǎn)化成甲醇，為了提高原料的利用率，生產(chǎn)上采用循環(huán)操作，即將反應(yīng)后的氣體冷卻，可凝組份變?yōu)橐后w即為粗甲醇，不凝組份如氫氣及一氧化碳等部分放空，大部分經(jīng)循環(huán)壓縮機(jī)后與原料氣混合返回合成塔中。下圖是生產(chǎn)流程示意圖合成冷凝分離 原料氣

34、 B kg/h 粗甲醇 A kmol/h 循環(huán)壓縮100kmol 放空氣體  原料氣和冷凝分離后的氣體組成如下：（mol）組分原料氣冷凝分離后的氣體CO26.8215.49H268.2569.78CO21.460.82CH40.553.62N22.9210.29粗甲醇的組成為CH3OH 89.15%,(CH3)2O 3.55%,C4H9OH 1.10%,H2O 6.20%,均為重量百分率。在操作壓力及溫度下，其余組分均為不凝組分，但在冷凝冷卻過程中可部分溶解于粗甲醇中，對(duì)1kg粗甲醇而言，其溶解量為CO2 9.82g,CO 9.38g,H2 1.76g,CH4 2.14g,

35、N25.38g。若循環(huán)氣與原料氣之比為7.2（摩爾比），試計(jì)算：（1）   一氧化碳的單程轉(zhuǎn)換率和全程轉(zhuǎn)化率；（2）   甲醇的單程收率和全程收率。解：（1）設(shè)新鮮原料氣進(jìn)料流量為100kmol/h，則根據(jù)已知條件，計(jì)算進(jìn)料原料氣組成以質(zhì)量分率表示如下：組分摩爾質(zhì)量yi0(mol%)Fi0(kmol/h)質(zhì)量分率xi0%CO2826.8226.8272.05H2268.2568.2513.1CO2441.461.466.164CH4160.550.550.8443N2282.922.927.844總計(jì) 100100100其中xi=yiMi/yi

36、Mi。進(jìn)料的平均摩爾質(zhì)量Mm=yiMi=10.42kg/kmol。經(jīng)冷凝分離后的氣體組成（亦即放空氣體的組成）如下：組分摩爾質(zhì)量摩爾分率yiCO2815.49H2269.78CO2440.82CH4163.62N22810.29總計(jì) 100其中冷凝分離后氣體平均分子量為 Mm=yiMi=9.554 kg/kmol又設(shè)放空氣體流量為A kmol/h，粗甲醇的流量為B kg/h。對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的N2作衡算得：5.38B/(28×1000) + 0.1029A = 2.92 (A) 對(duì)整個(gè)系統(tǒng)就所有物料作衡算得：100×10.42 = B + 9.554A (B) (質(zhì)量流

37、率衡算) 聯(lián)立（A）、（B）兩個(gè)方程，解之得A=26.91kmol/h B=785.2kg/h反應(yīng)后放空氣體和粗甲醇產(chǎn)物中CO摩爾流量為FCO=0.1549A+9.38B/(28×1000)將求得的A、B值代入得FCO=4.431 kmol/h故CO的全程轉(zhuǎn)化率為由已知循環(huán)氣與新鮮氣之摩爾比，可得反應(yīng)器入口處的CO摩爾流量為FCO,0=100×0.2682+7.2×100×0.1549=138.4 kmol/h所以CO的單程轉(zhuǎn)化率為 （技巧）產(chǎn)物粗甲醇所溶解的CO2、CO、H2、CH4和N2總量D為粗甲醇中甲醇的量為(B-D)X甲/Mm=(785.2-0

38、.02848B) ×0.8915/32=21.25 kmol/h所以，甲醇的全程收率為Y總=21.25/26.82=79.24%甲醇的單程收率為Y單=21.25/138.4=15.36%6、已知UOP/ HYDRO示范廠甲醇制烯烴物料平衡數(shù)據(jù)如下表所示。試計(jì)算：（1）計(jì)算甲醇轉(zhuǎn)化率和各含碳組分的產(chǎn)率（填入下表）；（2）計(jì)算C2-C4碳烯的選擇性(C %)。原料和產(chǎn)物原料 (噸/年)產(chǎn)物 (噸/年)產(chǎn)率 (wt %) 產(chǎn)率 (C %)CH3OH2370-C2= -50021.10 C3=-34514.56 n/i-C4=-1004.22 C5+鏈烷烴-251.05 H2, C1- C4

39、烷烴-371.56 COx (CO/CO2=1/4,摩爾比)-50.21 焦炭-301.27 水-132856.03-8、在Cu基催化劑作用下，用合成氣（H2、CO、CO2）和N2載氣混合氣體合成甲醇。已知某合成塔入口氣體流量為10.0×105 m3/h（標(biāo)況），出口氣體流量為8.85×105 m3/h（標(biāo)況）；入口氣體中CO 和CH3OH的體積含量分別為10.5%和0.5%，出口氣體CO 和CH3OH的體積含量別為6.0%和4.5%，合成塔催化劑裝填量90 m3，填充密度99 kg/m3。試計(jì)算：（1）CO單程轉(zhuǎn)化率； （2）空間速度（GHSV）；（3）合成塔產(chǎn)甲醇速率(m3(MeOH, g)/h)；（4）催化劑生產(chǎn)強(qiáng)度m3(MeOH, g)/( kgh)。解：（1）CO單程轉(zhuǎn)化率:XCO =（1F出×CO出/ F入×CO入）×100%=1(8.85×105×6.0)/(10.0×105×10.5）×100%=49.43%（2） GHSV