甲醇合成工序計算

1、第3章工藝計算及設(shè)備選型3.1物料衡算去精餾本次設(shè)計中甲醇的生產(chǎn)能力為年產(chǎn)五萬噸粗甲醇，精甲醇的成分見表3.1。表3.1粗甲醇組成物料名稱| 甲醇二甲醚正丁醇水組成(wt%)|90.000.011.458.55甲醇合成的主副反應(yīng)：甲醇分離一合成器水冷器合成工段原則流程:主反應(yīng):副反應(yīng):合成塔出塔氣中含主反應(yīng):副反應(yīng):合成塔出塔氣中含進(jìn)合成塔氣體壓力貯罐氣壓力溫度T1.6x1025 CCO+2H2CH3OH+102.37KJ/mol2CO+4H2(CH3)2O+H2O+200.39KJ/molCO + 3H2CH4+H2O+115.69KJ/mol4CO+8H2C4H9OH+ H2O + 49.

2、62 KJ/molCO2 + H2 一 CO + H2O 42.92 KJ/molCH3OH:2.88%30 x106本次設(shè)計中的工作制度為年工作日30 0天，三班制生產(chǎn)。本次設(shè)計中粗甲醇每小時產(chǎn)量：5x107/300 x24=6944.44kg/h1、一噸粗甲醇為例進(jìn)行物料衡算表3.2新鮮氣體的組成見表物料名稱 |co2COh2ch4N水冷器后循環(huán)氣組成見表3.3表3.3水冷器后循環(huán)氣組成物料名稱C。，CO_H_CH4_N_組成(V%)1.50%8.93%68.57%10.80%10.20%以循環(huán)氣組成為根據(jù)由固氮工藝計算法P295圖X、XI、XII查得混合氣 在粗甲醇的溶解量見表3.4。表

3、3.4混合氣在粗甲醇的溶解量組分VNm3/TNm3/hKmol/tKmol/hKg/tKg/hwtCO20.14715.8240.420.261.8111.4379.380.4092CO0.10614.2029.170.191.305.2536.460.1879H20.491519.45135.070.876.051.7412.090.0622CH40.14665.8040.280.261.804.1428.750.1483N20.10874.3029.860.191.345.3837.360.1924總計1.000039.57274.801.7712.3027.94194.041.0000以

4、H2求解過程為例：循環(huán)氣中H2的含量為68.56%，由固氮工藝計算法P295圖XI查得每噸粗 甲醇中溶解量H2量為19.50。因此V%=19.45/39.57x100%=49.15%換算為質(zhì)量：19.45/22.4x2=1.74kg/t所以Wt%=1.74/27.94x100%=6.22%每小時溶解氣量19.45x6.944=135.07Nm3/h1.74x6.944=12.09kg/h12.09/2=6.045kmol/h一噸粗甲醇中各組分含量計算：以甲醇含量計算為例：1000 x90.00%=900.00kg/t 粗(900.0032)x22.4=630.00Nm3/t 粗根據(jù)甲醇合成的主

5、副反應(yīng)：CO + 2H2 CH3OH(1-1)2CO + 4H2 (CH3)2O + H2O(1-2)CO + 3H CH + H O242(1-3)2C0 + 4H2 - C4H9OH + H20I)C02 + H2 t C0 + H20(1-5)根據(jù)上述反應(yīng)方程式可寫出下列物料平衡方程式：VfK廣 VK +KP +KuVpmF + m = VKmK + mpW = A + m + 3I + KuVFnF = VKnK + NpVfCf + Ku = VKCK + Cp + L + 2A + m + 4IVFhF = VKhK + Hp + 2L + 4A + 3m + 8I + 虬式中：

6、Vf新鮮氣容積，Nm3/T粗；kf新鮮氣體中C02的百分含量，V%；Vk放空氣容積，Nm3/T粗；K放空氣中C02的百分含量，V%；Kp產(chǎn)物中C02的量，Nm3/T粗；KuC02 的量，Nm3/T 粗；vf一新鮮氣中甲烷的百分含量，V%；M式(1-3)中生成的CH4量，Nm3/T粗；mK一放空氣中CH4的百分含量，V%；mp產(chǎn)物中CH4的量，Nm3/T粗；W生成水的量，Nm3/T粗；A(CH3)20 的量，Nm3/T粗；IC4H90H 的量，Nm3/T粗；nF新鮮氣中N2的百分含量，V% ；nK一循環(huán)氣中N2的百分含量，V%；Np產(chǎn)物中N2的量，Nm3/T粗；CF新鮮氣中C0的百分含量，V%；

7、CK一循環(huán)氣中C0的百分含量，V%；Cp產(chǎn)物中C0的量，Nm3/T粗；LCH30H 的量，Nm3/T粗；hF新鮮氣中H2的百分含量，V%；hK一循環(huán)氣中H2的百分含量，V%；Hp產(chǎn)物中H2的量，Nm3/T粗。根據(jù)惰性組分的組成平衡可設(shè)：i = nK + mK1-i = CK + hK + KK由以上6個方程式引入輔助變量B、D,可解得：nK=nFx(1 + 3i - KK)B - (I - KK)D(CF + hF + 4mF + 4nF)B - (nF+mFKF)DmK=i-nKVK=DnK(CF+hF+4mF+4nF)nF - (1 + 3i - Ku)VF=VKnK/nF+Np/nFm=

8、VKmK+mp-VFmFKu=W-(A+m+3I)CF=CKVK-(Ku-Cp-L-2A-m-4I)WF其中：D=Cp+Hp+3L+6A+ 12I+4mP - Hp(CF+hF+4mF)nFB=mP+A+3I+NP(KF-mF)nF - Kp - W將已知數(shù)據(jù)代入進(jìn)行物料衡算得：B=5.80 + 0.097 + 3x4.329 + 4.30 x(2.83 - 1.40)1.77 - 5.82 - 106.40=- 89.862Nm3/t 粗D=4.20 + 19.45 + 3x630.00 + 6x0.097 + 12x4.329 + 4x5.80 - 4.30 x(28.20 + 65.80

9、+4x1.40)7.57=1716.59 Nm3/t 粗分離后氣體中N2含量：nk=1.77%x1 + 3x(10.80% +10.20%) -28.30% x( - 89.862) - (21.00% -1.5x1716.59)H(28.20% + 65.80% + 4x1.77%)x( - 89.862) - (1.77% + 1.40%-2.83%) x1716.59 =8.345%循環(huán)氣中CH4的含量：mK=inK=10.20% +10.80% 8.345%=12.655%放空氣的量N9：V6=VK=1716.59H8.345%x(28.20% + 65.80% + 4x1.40% +

10、 4x1.77%)H.77% (1+ 3x0.210.015)=502.716 Nm3/t 粗新鮮氣體的量N1 :N1=VF=(502.716x8.345%+4.30)H.77%=2613.09 Nm3/t 粗反應(yīng)生成CH4的量：m=VKmK+mpVFmF=502.716x12.655% + 5.80 2613.09x1.40%=32.84 Nm3/t 粗參加反應(yīng)的CO2的量：Ku=W(A+m+3I)=106.40(0.097 + 32.84 + 3x4.329=60.48 c新鮮氣體中CO的量：CF=CKVK (Ku CPL2Am4I)WF=8.93%x502.716 (60.476 4.2

11、0 630.00 2x0.097 32.42 4x4.329)?2613.09=25.58%新鮮氣中H2的百分含量：hF=(502.716x68.57% + 19.45 + 60.476 + 8x4.329 + 3x32.42 + 4x0.097 +2x630.00)2613.09=69.53%循環(huán)氣系統(tǒng)中不同點氣體容積的確定。合成塔后氣體的容積：3=甲醇蒸汽的體積/合成塔出口氣體混合物中甲醇的百分含量=630.00?2.88%=21875.00 Nm3/T 粗甲醇分離器后氣體的體積：N8=N3-N6-N7=21875.00 - 740.83 39.57=21094.60 Nm3/T 粗循環(huán)氣

12、體積：N10=N8N9=21094.60-502.72=20591.88 Nm3/T 粗入塔氣體積：N2=N1+N10=2613.09 + 20591.88=23204.97 Nm3/T 粗放空氣體積：N9=VK=502.716 Nm3/T 粗反應(yīng)中消耗的H2的量：NH2 反應(yīng)=2L+4A+3M + 8I+Ku=2x630.00+4x0.097 + 3x32.42 + 8x4.329 + 60.476=1452.756 Nm3/T 粗反應(yīng)過程中消耗=L+2A+M+4I+Ku=630.00+2x0.097 + 32.42+4x4.329 - 60.476=619.454 Nm3/T 粗由上述計算

13、結(jié)果入塔氣為67248.69kg/h，出塔氣為66717.49kg/h。(I出一入I)/入故100%=(67248.69 66717.49)?66717.49x100%=0.796%在允許的誤差范圍內(nèi)，可以認(rèn)為物料平衡。從甲醇分離器出來的粗甲醇中溶有一定量氣體，當(dāng)進(jìn)入低壓設(shè)備粗甲醇貯罐 時，壓力太大，降低會有一定量氣體從粗甲醇中馳放出來，稱馳放氣，遺留在粗 甲醇中另一部分氣體隨粗甲醇進(jìn)入精餾工程。弛放量 N7=194.03 30.08=163.95kg/h各組分含量見表3.5,以H2計算為例：表3.5馳放氣各組分含量組分VNm3/TNm3/hKmol/TKmol/hKg/TKg/hwtCO20

14、.14704.8333.540.221.089.4865.840.4092CO0.10613.4824.170.161.114.3530.210.1879H20.491716.14112.090.725.001.4410.000.0622CH40.14654.8133.410.211.463.4423.890.1483N20.10863.5724.790.161.114.4630.970.1924163.59x6.22%=10.20kg/h10.20?2=5.1kmol/h5.1x22.4=114.24Nm3/hCO 的量3.2熱量衡算3.2.1甲醇合成塔的熱平衡計算1、全塔熱平衡式ZQ 入+

15、ZQr=ZQ 出+/式中：ZQ入一入塔氣熱量，KJ/h；ZQ出一出塔氣熱量，KJ/h；ZQr 一合成塔反應(yīng)熱，KJ/h；ZQf一合成塔熱損失，KJ/h。ZQ葺（G入Cm入Tm入）ZQ 出=Z（G 出氣出）式中：G入G出一進(jìn)出合成塔物料量，Kmol/h；Cm入Cm出一進(jìn)出合成塔各組分熱容，KJ/KmolC；Tm入.Tm出一進(jìn)出合成塔氣體溫度，C；Qri 一各組分生成量，Kmol/h；H-反應(yīng)熱，KJ/Kmol；ZQr=Qr1 + Qr2 + Qr3 + Qr4 + Qr52、比熱的計算出塔氣中各組分的熱容由固氮工藝計算法P304表V2查得.在p=300atm時氣體混合物組分的熱量見表3.6： K

16、cal/Kmol-Co表3.6氣體混合物熱容組分CO2CO_HCH4N0 C9.007.327.1413.407.4645 C9.328.467.1313.208.7750 C9.358.597.1313.208.69出塔氣個組分熱容見表3.7表3.7出塔氣各組分熱容組分CO2CO_HN_CH4 (CH3)2O ch3oh c4h9oh1000C9.698.827.128.779.898.557.118.1214.7013.3013.5114.7510.347.917.087.7713009.898.557.118.1214.7013.3013.5114.7510.347.917.087.77

17、2000CC =C _ V _ +C _ V _ +C V +C _ V _ + C V +P2 P2CO2 2-CO2 P2CO 2-CO P2H2 2-H2 P2CH4 2-CH4 P2N2 2-N2CP2(CH3)2OV2-(CH3)2O+ CP2CH3OHV2-CH3OH + Cp2C4H9OHV2-C4H9OH +Cp2H2OV2-H2O=9.89x1.47% + 8.55x8.63% + 7.11x66.21% + 14.7x10.44% + 8.12x9.85%+ 13.51x0% +13.30 x2.88% +14.75x0.02% +11.21x0.49%=8.37kcal/

18、kmolC=35.00KJ/kmolC3、入塔熱量設(shè)入塔平均氣溫T /=45C，以CO2為例計算 入塔熱=入塔量x熱量=118.69x9.32=1106.19kcal/hC=4623.87KJ/hC對甲醇合成塔各組分熱容和熱量見表3.8表3.8氣體混合物熱容組分CO2CO_H_CH4_N_0 C9.007.327.1413.407.4645 C9.328.467.1313.208.7750 C9.358.597.1313.208.69入塔總熱量=242275.62x45=10902402.9KJ/h4、塔內(nèi)反應(yīng)熱以甲醇反應(yīng)為例：CO + 2H2 f CH 3OH + 102.37 KJ/mol

19、反應(yīng)熱：Qr=生成熱x生成量=102.37x103x195.35 =19997979.50KJ/h各組分反應(yīng)熱見表3.9。表3.9各組分反應(yīng)熱組分 I ch4(CH3)2Och3ohc4h9ohco 總計KJ/mol115.69200.39102.3749.62-49.92Kmol/h9.210.03195.351.3217.33223.24KJ/h1065504.96011.719997979.5065498.4-865113.6 20269880.95、合成塔出口總熱量出塔熱=出塔量x熱容設(shè)出口溫度T出=130C，以CO2為例計算：出塔熱=99.9x9.89=988.01 Kcal/h-C

20、=4129.88 KJ/hC合成塔出口熱量見表3.10表3.10出口熱量組分CO,COH_N2CH4(CH3)2OCH3OHC4H9OHKcal/Kmol-C9.898.557.118.1214.7013.3013.5114.75Kmol/h99.9585.34490.35668.39708.090.03195.351.32KJ/h- C4129.8820918.04 133452.322686.2343509.301.6711031.7781.386、全塔熱損失已知：ZQf=(ZQ 入+ZQ r)x5% =(10902402.9+20269880.9)x5%=1558614.19KJ/h7、

21、按全塔熱平衡方程：ZQ 入+ZQ r=ZQ 出+ZQfZQ =ZQ a+ZQ r-SQf =10902402.9+20269880.9 1558614.19=29613669.61KJ/h由 SQ 出=G2xCp2xt2則t2=SQ出佑皿=29613669.61H35x6781.72)=124.76相對誤差=(130124.76)x100%/124.76=4.2%20%誤差在允許范圍內(nèi)，所以認(rèn)為合成塔熱量平衡。3.2.2水冷器熱量衡算1、熱平衡方程式Q入口氣+Q冷凝=Q出口氣+Q液+Q冷卻水 式中：Q入口氣、Q出口氣一冷凝器進(jìn)出口氣體顯熱，KJ/h；Q冷凝一出口溫度下氣體冷凝放熱，KJ/h；Q

22、液一出冷凝器液體帶熱，KJ/h；Q冷卻水一冷卻水帶走的熱量，KJ/h。2、熱平衡計算查聯(lián)醇生產(chǎn)8得粗甲醇中各組分物理常數(shù)見表3.11表3.11粗甲醇中各組分物理常數(shù)組分ch3oh(ch3)2oC4H9OHH2OKJ/kg1117.93531.75577.812260.98KJ/kg-C2.722.6382.5964.187假設(shè)有相變物質(zhì)在低于沸點時全部冷凝，擴(kuò)散于氣相中的組分忽略不計。3、氣體冷凝放熱Q 冷=GAHr式中：G一由物料衡算得出的合成塔氣量；AHr氣化熱，KJ/kg。以甲醇為例進(jìn)行計算：Q 冷=GrAHr=6250 x1117.93=6987062.5kg/h冷凝放熱表見表3.12

23、。表3.12冷凝放熱組分ch3oh(ch3)2oC4H9OHH,0總計Kg/h6250.001.3999.31593.756944.45KJ/kg1117.93531.75577.812260.98KJ/h6987062.5739.13457382.31111342456.8758387640.824、進(jìn)冷凝器氣體熱量Q入冷=Q出塔=Z（G，fCp）T出塔=29613669.61KJ/h式中：QF一進(jìn)冷凝器各組分摩爾流量，kmol/h；Cp各氣體組分摩爾流量，J/molC。5、冷凝器出口氣體顯熱QL=Z(GfCp)xt 出式中：G，f 一冷凝器出口各氣體組分摩爾流量；Kmol/h；Cp一出口氣體各組分熱容，KJ/molC；T出一冷凝器出口溫度，C。以co為例計算：冷凝器出口溫度為52C，則出口氣體顯熱為：Q 出冷=585.30 x35.91x52=1092942.40KJ/h各組分氣體顯熱見表3.13。表3.13出口各氣體組分顯熱組分CO2coh2KJ/kmoloC39.08Kmol/h99.9KJ/