物料衡算

精品文档，仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除【精品文档】第PAGE页煤制甲醇物料衡算1合成过程的反应方程主反应：CO+2H2CH3OH（式4.1）CO2+3H2=CH3OH+H2O(式4.2)副反应：2CO+4H2(CH3)2O+H2O（式4.3）CO+3H2CH4+H2O（式4.4）4CO+8H2C4H9OH+3H2O（式4.5）CO2+H2CO+H2O（式4.6）由于合成反应中甲醇主要由一氧化碳合成，二氧化碳主要发生逆变反应生成一氧化碳，且入塔气中二氧化碳的含量一般不超过5%，所以计算中忽略反应（2）。.2合成塔物料衡算已知年产精甲醇50万吨，每年以330个工作日计算。考虑到粗甲醇精制过程中有一定的损耗，为保证设计的生产任务，合成工段的物料衡算以粗甲醇最终重量55万吨计算。4.1粗甲醇组分质量百分数组成CH3OH(CH3)2OC4H9OHH2O含量/%92.990.1980.0286.784每小时各组分产量：工业生产中测得低压时，每生产一吨粗甲醇就会产生1.52m3（标况），即0.34kmol的甲烷。故CH4每小时产量为：查《甲醇生产技术及进展》，在5.06MPa，40℃时各组分在甲醇中的溶解度如下表.2每吨粗甲醇中合成气溶解情况组分H2COCO2N2ArCH4溶解量（Nm3/t粗甲醇）4.3640.8157.7800.3650.2431.680粗甲醇中溶解的气体量：根据测定，40℃时液态甲醇中释放CO、CO2、H2等混合气中每立方米含37.14g甲醇，假定溶解气全部释放，则甲醇扩散损失为：3合成反应中各气体消耗和生产量查《甲醇工艺学》，驰放气组成如下：表4.3驰放气组成气体CH3OHH2COCO2N2ArCH4Mol%0.6178.316.293.513.192.305.79表4.4合成反应中消耗原料情况消耗项消耗原料气组分/kmol/hCOCO2H2反应（1）2018.012-4036.024反应（3）5.978-11.956反应（4）23.611-70.833反应（5）1.052-2.104反应（6）(234.339)234.339234.339注：括号内的为生成量；反应（1）项不包括扩散甲醇和弛放气中甲醇消耗的原料气量表4.5合成反应中生成物情况生成项生成物组分/kmol/hCH4CH3OH(CH3)2OC4H9OHH2O反应（1）-2018.012---反应（3）--2.989-2.989反应（4）23.611---23.611反应（5）---0.2630.789反应（6）----234.339表4.6其他原料气消耗消耗项消耗原料气组分/kmol/hCOCO2H2N2ArCH4粗甲醇中溶解2.52724.12013.5291.1320.7535.208扩散的甲醇1.229-2.458---驰放气0.0629G0.0351G0.7831G0.0319G0.023G0.0579G驰放气中甲醇0.0061G-0.0122G---注：G为驰放气的量.4新鲜气和驰放气量的确定由工艺流程可知，各组分的消耗总量与新鲜气的进料量相等。各组分等量关系如下：CO的消耗总量：H2的消耗总量：CO2的消耗总量：N2的消耗总量：Ar的消耗总量：CH4的消耗总量：由此可得新鲜气体中各气体流量，如下表：表4.7新鲜气组成组分单位COCO2H2N2ArCH4含量kmol/h1818.07+0.069G258.459+0.0351G4371.243+0.7953G1.132+0.0319G0.753+0.023G5.208+0.0579G总计6454.865+1.0122G新鲜气（合成气）中惰性气体（N2+Ar+CH4）百分比保持在0.41%，反应过程中惰性气体的量保持不变，（N2+Ar+CH4）=7.093+0.1128G，则解得，即驰放气的量为178.297kmol/h，由此可得到新鲜气的量为G新鲜=6635.337kmol/h所以驰放气的组成如下表4.8驰放气组成气体CH3OHH2COCO2N2ArCH4组成%0.6178.316.293.513.192.305.79含量kmol/h1.088139.62411.2156.2585.6884.10110.323新鲜气（合成气）组成如下表4.9新鲜气(合成气)组成气体CH4H2COCO2N2Ar组成%0.0567.9928.453.080.2510.179含量kmol/h3.3184511.3661887.753204.36816.65511.8775循环气气量的确定即：整理的：合成塔出塔气甲醇含量为5.84%，由甲醇的物料守恒得：解得：表4.10循环气组成气体CH3OHH2COCO2N2ArCH4组成%0.6178.316.203.513.192.305.80含量kmol/h219.98128240.4722268.3261225.7911150.391829.4352088.013循环比6入塔气和出塔气组成由：入塔气量=新鲜气量+循环气量得：入塔气各组分组成：H2的含量：CO的含量：CO2的含量：N2的含量：Ar的含量：CH4的含量：CH3OH的含量：入塔气总量为42697.746kmol/h，组成如下：表4.11入塔气组成气体CH3OHH2COCO2N2ArCH4组成%0.51576.7069.7343.4432.7331.9704.898含量kmol/h219.98132751.8384156.0791470.1591167.046841.3122091.331由：出塔气量=入塔气量—反应中消耗量+反应中生成量出塔气各组分含量：CH3OH的含量：H2的含量：CO的含量：CO2的含量：N2的含量：Ar的含量：CH4的含量：H2O的含量：（CH3)2O的含量：C4H9OH的含量：出塔气总量为38562.65kmol/h表4.12出塔气组成气体CH3OHH2COCO2N2ArCH4(CH3)2OC4H9OHH2O组成%5.8173.606.013.203.032.185.480.00780.000680.68含量kmol/h2240.3128380.5952317.6451235.8201167.046841.3122114.9422.9890.263261.7287甲醇分离器出口气体组成分离器出口组分=驰放气气体组分+循环气气体组分分离器出口气体各组分组成：H2的含量：CO的含量：CO2的含量：N2的含量：Ar的含量：CH4的含量：CH3OH的含量：分离器出口气体总量为36200.706kmol/h，各组分含量如下：表4.13分离器出口气体组成气体CH3OHH2COCO2N2ArCH4组成%0.6178.406.303.403.192.305.80含量kmol/h221.06928380.0962279.5411272.0491156.079833.5362098.336分离器出口液体组分=出塔气组分-分离器出口气体组分，则各液体组分含量：分离器液体总量为2284.221kmol/h，各组分含量如下：表4.14分离器出口液体组成气体CH3OH(CH3)2OC4H9OHH2Omol组成%88.400.130.01211.46含量kmol/h2019.2412.9890.263261.728实际甲醇的年产量：，满足设计要求的50万吨年产量。8贮罐气组成由粗甲醇中溶解气体量可以计算贮罐气组成。粗甲醇中溶解气体量为：所以贮罐气组成如下:表4.15贮罐气组成气体H2COCO2N2ArCH4组成%28.6215.34651.0272.3951.59311.018含量kmol/h13.5292.52724.1201.1320.7535.2085热量衡算5.1合成塔热量衡算相关计算式全塔热平衡方程式为：∑Q1+∑Qr=∑Q2+∑Q3+Q4（式5.1）式中：Q1——入塔气各气体组分热量，kJ/hQr——合成反应和副反应的反应热，kJ/hQ2——出塔气各气体组分热量，kJ/hQ3——合成塔热损失，kJ/hQ4——蒸汽吸收的热量，kJ/h∑Q1=∑（G1×Cp1×T1）（式5.2）式中：G1——入塔气各组分流量，kmol/h；Cp1——入塔各组分的比热容，kJ/（m3.k）；T1——入塔气体温度，k；∑Q2=∑（G2×Cp2×T2）（式5.3）式中：G2——出塔气各组分流量kmol/h；Cp2——出塔各组分的热容，kJ/（m3.k）；T2——出塔气体温度，k；∑Qr=Qr1+Qr2+Qr3+Qr4+Qr5+Qr6（式5.4）式中：Qr1、Qr2、Qr3、Qr4、Qr5、Qr6、——分别为甲醇、甲烷、二甲醚、异丁醇、水的生成热，kJ/h；式中：Gr——各组分生成量，kmol/h；△H——生成反应的热量变化，kJ/mol5.1.1合成塔入塔热量计算查《化学化工物性数据手册》[17]得在498.15K、5.2MPa下各组分气体的定压热容如下表所示：表5.1组分气体定压热容气体CH3OHH2COCO2N2ArCH4热容kJ/（kmol·k）65.8329.1230.5747.6930.2321.5447.61由得入塔气中各组分的热量：表5.2各组分带进合成塔的热量气体CH3OHH2COCO2N2ArCH4热容kJ/（kmol·k）65.8329.1230.5747.6930.2321.5447.61含量kmol/h219.98132751.8384156.0791470.1591167.046841.3122091.331入塔热量kJ/（h·k）1.448×1049.537×1051.271×1057.011×1043.528×1041.812×1049.957×104则每小时入塔热量：所以总热量5.1.2合成塔的反应热由得：各组分生成的热量如下表5.3甲醇合成塔内反应热气体CH3OH(CH3)2OC4H9OHCH4CO生成热kJ/mol97.7349.62200.39115.69－42.92生成量kmol/h2019.2412.9890.26323.611234.339反应热kJ/h1.97×1081.48×1055.27×1042.73×106-1.01×107则合成塔每小时生成的反应热：5.1.3合成塔出塔热量计算查《化学化工物性数据手册》得在528.15K、5.2MPa下各组分气体的定压热容如下表5.4所示：表5.4组分气体定压热容气体CH3OHH2COCO2N2ArCH4热容kJ/（kmol·k）67.8229.1330.6948.2330.3221.4549.23由得出塔气中各组分的热量：表5.5各组分带出合成塔的热量气体热容kJ/（kmol·k）含量kmol/h出塔热量kJ/（h·k）CH3OH65.832240.311.47×105H229.1228380.5958.26×105CO30.572317.6457.08×104CO247.691235.8205.89×104N230.231167.0463.53×104Ar21.54841.3121.81×104CH447.612114.9421.01×105(CH3)2O96.302.989287.84C4H9OH169.350.26344.54H2O35.36261.7289254.70则，每小时出塔热量：总出塔热量5.2合成塔热量损失假设合成塔的热量损失为5%，则损失的这部分能量的值为：5.3蒸汽吸收的热量全塔热平衡方程式为：∑Q1+∑Qr=∑Q2+∑Q3+Q4得：蒸汽吸收的热量为：水蒸气入口温度为200℃，出口温度为224℃，查《化工工艺设计手册》得：水蒸气的平均热容为3.224KJ/（kg·K)，则由得：水蒸气的用量：表5.6合成塔的热量平衡表气体气体显热反应热热损失蒸汽吸收合计入塔气kj/h6.566×1081.90×108--8.466×108出塔气kj/h6.71×108-4.23×1071.333×1088.466×1085.4合成气换热器的热量衡算5.4.1合成气入换热器的热量入换热器的合成气温度为60℃，查《化学化工物性数据手册》得各组分的比热容，由，计算得各组分带进换热器的热量如下表所示：表5.7合成气带进的热量气体CH3OHH2COCO2N2ArCH4热容kJ/（kmol·k）46.6028.9230.9258.6631.0122.7841.11含量kmol/h219.98132751.8384156.0791470.1591167.046841.3122091.331带进热量kJ/（h·k）1.025×1049.472×1051.285×1058.624×1043.619×1041.917×1048.597×104则每小时的热量：合成气带进换热器的总热量：5.4.2合成气出换热器的热量由工艺流程可知，合成气出换热器的热量与入合成塔的热量相等，则合成气出换热器的热量为：5.5换热器的热量衡算5.5.1入换热器的出合成塔气热量由工艺流程可知，在忽略管路热损失的条件下，入换热器的出合成塔气热量与合成塔出塔气的热量相等，，即入换热器的出合成塔气热量为：5.5.2出换热器的出合成塔气热量由换热器的热量衡算得：出合成塔气进入换热器后能量降低，降低的这部分能量用于入换热器的合成气的加热，即合成气热量的增值等于出合成塔气热量的减少值。由上面的计算得：合成气经过换热器后热量的增量为：由此可得：出换热器的出合成塔气体热量为：，温度为85℃。5.6水冷器的热量衡算5.6.1入水冷器的热量由工艺流程得：出换热器的出合成塔气体等于入水冷器的热量即：5.6.2出水冷器的热量出换热器的出合成塔气体经水冷器进一步冷却后，温度由85℃降至40℃。甲醇以气、液两种相态存在，甲醚、异丁醇、水以液态的形式存在，一氧化碳、二氧化碳、氢气、氮气、氩气、甲烷以气态形式存在，查《化学化工物性数据手册》的各组分在4MPa、40℃时的比热容及带出的热量如下表所示：表5.8各组分带出水冷器的热量组分热容kJ/（kmol·k）含量kmol/h出塔热量kJ/（h·k）CH3OH（气相）45.02221.0699.953×103H228.8828380.0968.196×105CO30.922279.5417.048×104CO254.341232.0496.695×104N230.801156.0793.561×104Ar22.58833.5361.882×104CH439.872098.3368.366×104(CH3)2O67.852.989202.804C4H9OH194.500.26351.154H2O75.01261.7281.963×104CH3OH（液相）84.832019.2411.713×105（1）气相带出的热量：气相总热量：液相带出的热量：液相总热量：所以出水冷器总热量：5.6.3冷却水的用量冷却水进口温度为25℃，出口温度为70℃，由上面计算得：冷却水吸收的热量为：则冷却水的用量：5.7甲醇分离器的热量衡算物料进入分离器后，气相由分离器上部分出；液相由下部分出。（1）甲醇分离器进口的热量由工艺流程得：甲醇分离器进口的热量与水冷器出口的热量相等，即甲醇分离器出口气相的热量分离器出口的气相即为水冷器出口的气相，则分离器气相的热量为：甲醇分离器出口液相的热量分离器出口的液相即为水冷器出口的液相，则分离器液相的热量为：