【甲醇合成工艺流程设计及物料衡算4800字（论文）】

甲醇合成工艺流程设计及物料衡算目录TOC\o"1-2"\h\u15852甲醇合成工艺流程设计及物料衡算 1235433甲醇合成工艺流程 186914工艺计算 2311924.1物料衡算 256434.2能量衡算 123甲醇合成工艺流程经净化达到标准的新鲜合成气（40℃，3.4MPa）进入新鲜气压缩机增压至5MPa左右，然后与透平循环压缩机内升压至5MPa左右的循环气混合，混合气流经入塔气预热器加热至225℃后进入甲醇合成塔内。合成气在200～300℃时，与XCN-98含甲醇的混合气体从合成塔流出，经过入塔气预热器、甲醇水冷器换热和冷凝，降温至40℃后进入甲醇分离器，未反应的气体和粗甲醇在此被分离。在进入透平循环压缩机之前，排放部分未反应的气体作为弛放气，其余气体作为循环气，经透平循环压缩机增压至5MPa左右后与新鲜气按一定比例混合，再送至合成塔继续反应。为了析出溶解在粗甲醇中的气体，分离器中的粗甲醇进入甲醇膨胀槽后，减压至0.4Mpa再送至精馏工段精制。图1合成工艺流程图图1中，1为透平循环压缩机；2为入塔气预热器；3为新鲜气压缩机；4为甲醇水冷器；5为甲醇合成塔；6为汽包；7为甲醇分离器；8为甲醇膨胀槽4工艺计算4.1物料衡算4.1.1粗甲醇中各组分产量计算本设计为年产20万吨甲醇，开工时间为330d/y，连续操作，则甲醇的产量为25.25t/h。用三塔精馏工艺，甲醇的总收率高达99%以上。XNC-98通过实验分析发现，煤制甲醇仅有反应温度和再循环率对甲醇转化率有负面影响[9]。考虑甲醇的损失在内，本设计拟取98%。由此进入精馏工段粗甲醇中的甲醇含量应为252500.980粗甲醇产量：25765.30粗甲醇中各组分的产量：CH3OH：mCH3OHH2O：mH2O=27064.39×3.666%CH3OCH3：mCH3OCH3C2H5OH：mC2H5OHC4H9OH：mC4H9OH=CO2：mCO2=27064.39×0.400%N2+Ar：mN2+Ar=27064.39×0.010%经计算，粗甲醇的组成与含量如表5所示。表5粗甲醇组成组分质量分数/%产量/（kg/h）CH3OH95.2025765.30H2O3.666992.28CH3OCH30.0020.54C2H5OH0.372100.68C4H9OH0.35094.72CO20.400108.26N2+Ar0.0102.71（体积都为标准状态）工业生产中测量低压时，每生产吨粗甲醇将产生1.52m3(标况)甲烷，即甲烷VCH4在5.05Mpa、40℃时，粗甲醇中的气体溶解量查表，每吨粗甲醇溶解其他组成如表6[10]则粗甲醇中的溶解气体量为：H2=CO=27064.391000CO2=27064.391000N2=Ar=27064.391000CH4=40℃时，液相甲醇释放的溶解气中，甲醇含量为37.14g/mm损失CH3OH=（118.11+22.06+210.56+9.88+6.58+45.52）×0.03714即10.73Nm³/h。经计算，每吨粗甲醇合成气溶解情况如表6所示。表6一吨粗甲醇合成气溶解情况气体H2COCO2N2ArCH4溶解度（Nm3/t粗甲醇）4.3640.8157.7800.3650.2431.680溶解量(Nm3/h)118.1122.06210.569.886.5845.524.1.2合成反应中各气体消耗和生成情况合成气制甲醇过程中发生的反应：主反应CO+2H2CO2+3副反应2CO+4H2CO+3H24CO+8H2CO2+H2由于合成反应中甲醇主要由CO合成，CO2主要由逆反应生成，进塔中CO2表7为合成反应原料气消耗情况，其括号内为生产量。反应(1)不包含扩散的甲醇和释放气体中消耗的甲醇量合成反应各反应所消耗的物料如下：反应（1）：V V反应（3）：V V反应（4）：V V反应（5）：V V反应（6）：因为甲醇入塔气里几乎没有含水量，则忽视其中的水分，经反应（3）（4）（5）可计算出反应（2）（6）产生的水分为：992.28经计算，合成反应中原料气消耗如表7所示。表7合成反应中原料气消耗消耗项单位消耗原料气组分COCO2H2反应（1）m3/h18013.19/36026.38反应（3）m3/h0.525/1.05反应（4）m3/h41.14/123.42反应（5）m3/h114.51/229.03反应（6）m3/h（1106.86）1106.861106.86同理可计算出合成过程各反应的生成物产量，结果如表8所示。表8合成反应中生成物情况生成项单位生成物组分CH4CH3OHCH3OCH3C4H9OHH2O反应（1）Nm3/h/18013.19///反应（3）Nm3/h//0.263/0.263反应（4）Nm3/h41.14///41.14反应（5）Nm3/h///28.6385.88反应（6）Nm3/h////1106.86已知弛放气的组成如表9所示。表9弛放气组成气体CH3OHH2COCO2N2ArCH4组成/v%0.6081.499.113.633.410.331.43其他情况原料气消耗如表10所示。表10其他情况原料气消耗消耗项单位原料气消耗的组分COCO2H2N2ArCH4粗甲醇中溶解气体Nm3/h22.06210.56118.119.886.5845.52扩散的甲醇Nm3/h10.73/21.46///弛放气Nm3/h0.0911G0.0363G0.8149G0.0341G0.0033G0.0143G弛放气中的甲醇Nm3/h0.006G/0.012G///注意：G是弛放气的量（Nm³/h）4.1.3新鲜气和弛放气气量经甲醇合成工艺流程和质量守恒定律可得出，消耗的每种成分的总量和新鲜气体的摄入量应相同，消耗的每种成分的总量和新鲜气体的总量也应相同。各组分的消耗总量如下所示：CO消耗总量：18013.19+0.525+41.14+114.51-1106.86+22.06+10.73+0.0911G+0.006G=17054.155+0.0971GCO2消耗总量：1106.86+210.56+0.0363G=1317.42+0.0363GH2消耗总量：36026.38+1.05+123.42+229.03+1106.86+118.11+21.46+0.8149G+0.012G=37626.31+0.8269GN2消耗总量：9.88+0.0341GAr消耗总量：6.58+0.0033GCH4消耗总量：45.52+0.0143G综上可得出新鲜气体各气体组分的流量，如表11所示。表11新鲜气体组成组分单位H2COCO2N2ArCH4流量Nm³/h37626.31+0.8269G17054.155+0.0971G1317.42+0.0363G9.88+0.0341G6.58+0.0033G45.52+0.0143G新鲜气体总流量Nm³/h56059.865+1.012G合成气中的惰气（N2+Ar+CH4）=61.98+0.0517G，因此新鲜气体总流量可表示为：56059.865+1.012G=即G=4036.17Nm³/h，则弛放气一小时的流量为4036.17Nm³/h，则新鲜气体的总流量是：G由此可计算出弛放气、新鲜气的组成，如表12，表13所示。表12弛放气组成气体CH3OHH2COCO2N2ArCH4组成/v%0.6081.499.113.633.410.331.43流量/（Nm³/h）24.223289.07367.70146.51137.6313.3257.72表13新鲜气组成气体H2COCO2N2ArCH4组成/v%68.1129.012.430.250.030.17流量/（Nm³/h）40963.8217445.911463.93147.5119.90103.24从上表可知，新鲜气体中H24.1.4循环气气量的确定从质量守恒定律和甲醇合成的工艺流程可得出：出塔气量=G在式子中：GGGGG经计算整理可得：

G可从甲醇物料守恒中得(合成塔出口气体甲醇含量为5.85%)：G即：

G经循环气的组成可知循环气中各组分流量如表14所示。表14循环气组成气体CH3OHH2COCO2N2ArCH4组成/v%0.6081.499.113.633.410.331.43流量/（Nm³/h）1904.00258588.6328908.3611518.9210820.801047.184537.764.1.5循环比和H2循环比：R=H2单程转化率：XCO单程转化率：XCO2单程转化率：X4.1.6入塔气和出塔气的组成入塔气的总流量：G出塔气的总流量：G入塔气各组分流量=新鲜其中组分流量+循环气中组分流量由此入塔气各组分流量：H2的流量：GCO的流量：GCO2的流量：GN2的流量：GAr的流量：GCH4的流量：GCH3OH的流量：G入塔气总流量：377469.96Nm3/h，由此可计算出入塔气中各组分的流量如表15表15入塔气组成气体CH3OHH2COCO2N2ArCH4组成/v%0.5079.3612.283.442.910.281.23流量/(Nm3/h)1904.00299552.4546354.2712982.8510968.311067.084641.00出塔气各组分流量由此出塔气各组分流量：H2的流量：GCO的流量：GCO2的流量：GN2的流量：GAr的流量：GCH4的流量：GCH3OH的流量：GH2O的流量：GCH3OCH3的流量：GC4H9OH的流量：G出塔气总流量：341061.34Nm3/h表16出塔气组成气体组成/v%流量/(Nm³/h)CH3OH5.8519952.14H276.82261995.82CO8.5829256.82CO23.4811875.99N23.2210968.31Ar0.311067.08CH41.374682.14H2O0.361234.143CH3OCH3/0.263C4H9OH0.0128.634.1.7甲醇分离器的出口气组成甲醇分离器出口气体组成=甲醇分离器出口气体各组分流量：H2的流量：GCO的流量：GCO2的流量：GN2的流量：GAr的流量：GCH4的流量：GCH3OH的流量：G甲醇分离器出口气体的总流量是321268.32Nm3/h表17分离器出口气体组成气体CH3OHH2COCO2N2ArCH4组成/v%0.6081.499.113.633.410.331.43流量/(Nm3/h)1927.61261801.5529267.5411662.0410955.251060.194594.144.2能量衡算4.2.1甲醇合成塔热量衡算（1）相关计算式：全塔热平衡方程式：Q其中：Q1：入塔气各气体组分热量，kJ/hQr:合成反应与副反应的反应热，kJ/hQ2:出塔气各气体组分的热量，kJ/hQ3:合成塔的热量损失，kJ/hQ4:沸腾水吸收的热量，kJ/h入塔气的总热量：Q其中：G1：入塔气各组分的流量，kmol/h;Cp1：入塔气各组分的比热容，T1：入塔气体的温度，K。入塔气各组分热量计算式：Q出塔气的总热量：Q其中：G1：出塔气各组分的流量，kmol/hCp1：出塔气各组分的比热容，kJ/(T1：出塔气体的温度，K。出塔气各组分热量计算式：Q总反应热：Q其中：Qr1：甲醇，kJ/Qr2：甲烷，kJ/Qr3：二甲醚，kJ/Qr4：异丁醇，kJ/Qr5：水的生成热，kJ/Qr6：CO2逆变反应反应热，kJ/反应热的计算式：Q其中：Gr：各组分的生成量，kmol/hΔH：生成反应的热量变化，kJ/mol。（2）入塔热量计算据《化学及化学物理性质数据手册》，各组分气体在498.15K,5.2MPa下恒压热容如表18所示。表18入塔气组分定压热容气体CH3OHH2COCO2N2ArCH4热容/[kJ/(kmol·K)]65.8329.1230.5747.6930.2321.5447.61因入塔气温度T1=498.15K，由此由Q1=C表19入塔气各组分的热量气体热容[kJ/(kmol·K)]流量流量入塔热量CH3OH65.831904.0085.002787423.23H229.12299552.4513372.88193988709.01CO30.5746354.272069.3931513592.83CO247.6912982.85579.5913769188.35N230.2310968.31489.667373826.42Ar21.541067.0847.64511184.39CH447.614641.00207.194913908.97即入塔气总热量：Q=254857833.20kJ/h（3）塔内反应热计算忽略甲醇合成塔反应(2)产生的热量，反应(1)、(3)、(4)、(5)、(6)产生的热量按式计算：Qr=G表20甲醇合成塔内反应热气体CH3OHCH3OCH3C4H9OHCH4CO生成热(kJ/mol)9421−生成量(Nm³/18013.190.26328.6341.141106.86生成量(kmol/h)804.160.011.281.8449.41反应热(kJ/h)78590556.80496.20256499.20212869.60-2120677.20合成塔的总反应热为：Q（4）出塔热量计算据《化学和化学性质数据手册》，在528.15K和5.2MPa条件下，各成分气体在恒压下的热容量为528.15K，出口气体温度为528.15K，由Q2=C表21出塔气组分定压热容和出塔热量气体热容[kJ/(kmol·K)]含量含量出塔热量CH3OH65.8319952.14890.7230968654.95H229.12261995.8211696.24179884989.82CO30.5729256.821306.1121087858.43CO247.6911875.99530.1813353894.70N230.2310968.31489.667817899.07Ar21.541067.0847.64541969.36CH447.614682.14209.025255854.20CH3OCH396.300.2630.01508.61C4H9OH169.3528.631.28114486.02H2O35.361234.14355.101029013.66出塔气的总热量为：Q+508.61+114486.02+1029013.66=260055128.82kJ/h（5）全塔热损失整个塔的热损失约为4%，则合成塔的热损失：Q（6）沸腾水吸热计算由Q1Q经计算，合成塔的热量平衡如表22所示。表22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热合计入塔气(kJ/h)254857833.2076939744.60//331797577.80出塔气(kJ/h)260055128.82/13271903.1158470545.87331797577.804.2.2入塔气预热器热量衡算（1）进入换热器的入塔气热量进入换热器时，进入塔内的气体温度为333.15K，各组分比热容见《化学和化学物理性质数据手册》，各组分带入换热器的热量按Qi=C表23入塔气带进换热器的热量气体热容[气量气量热量CH3OH46.601904.0085.003961.00H228.92299552.4513372.88386743.69CO30.9246354.272069.3963985.54CO258.6612982.85579.5933998.75N231.0110968.31489.6615184.36Ar22.781067.0847.641085.24CH441.114641.00207.198517.58总计入塔气带进换热器的热量：Q（2）出换热器的入塔气热量经该工艺可获得，换热器的热量转化为塔气并转化为合成塔的相同热量，然后换热器转化为塔气热量：Q（3）进换热器的出塔气热量据工艺流程，进入换热器的塔气热量与离开合成塔的塔气热量相同（忽略管路热损失），则进入换热器的塔气热量也相同：Q（4）出换热器的出塔气热量经换热器的热量衡算可知：当出塔气进到换热器后其能量会降低，这部分降低的能量用来给进入换热器的入塔气加热，则入塔气热量增加的值等于出塔气热量减少的值。则，合成气经换热器后热量增加的量为：Δ则出换热器的出塔气热量