畢業(yè)設計---40kta粗甲醇合成精餾工段工藝設計

1、<p><b>　?。?lt;/b></p><p>　　二 〇 一 一 年 六 月</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　作為化工畢業(yè)生，我們應該較為系統(tǒng)掌握化工設計的基本程序和方法，使我們在查閱技術資料，迅速進行工程計算，用簡潔的文字、清晰的圖表表達自己設計結果等方面的能力有所

2、提高。這就是本次設計的目的。</p><p>　　這次設計，主要是進行甲醇合成和精餾工段的物料和熱量衡算。進行物料衡算時，理論依據(jù)是物料平衡方程。但具體計算時，由于副反應較多，而且有些副反應的生產量不確定，所以在計算過程中引用了一些經驗計算公式、做了一些近似處理。進行熱量衡算的理論依據(jù)是熱量平衡式，在計算時有些物質的準確比熱和汽化熱很難找到，所以用了近似計算值或是經驗值。本次設計雖然作了不少近似計算，引用了一些經

3、驗值，但是都是嚴格按照有關文獻資料進行的，所以設計結果達到預期效果。</p><p>　　通過這次設計使我認識到做設計計算時一定要嚴謹求實，同時是我覺得自己在綜合所學相關知識進行化工設計、迅速進行工程計算等方面發(fā)展空間很大，有待于提高。</p><p>　　關鍵詞：甲醇合成；物料衡算；熱量衡算</p><p><b>　　Abstract</b>

4、;</p><p>　　As a chemical graduates, we should be more systematically mastered the basic chemical engineering design procedures and methods, access to technical information to enable us to quickly carry out e

5、ngineering calculations, using simple language, clear expression of their own design charts results of capacity increased. This is the purpose of this design.</p><p>　　The design, mainly for methanol synthes

6、is and distillation section in the material and heat balance. The material balance, the theory is based on material balance equation. However, the specific calculations, the more side effects, side effects and some uncer

7、tain volume of production, so the reference in the calculation formula of some experience, make some approximations. The heat balance of the theory is based on heat balance, a little bit of substance in the calculation o

8、f the exact specific </p><p>　　Through this design has helped me to do the design calculations must be rigorous and realistic, while I feel that the knowledge learned in the comprehensive design of the chemi

9、cal industry, the rapid development of the engineering calculation, and plenty of room to be improved.</p><p>　　Keywords: methanol synthesis; material balance; heat balance</p><p><b>　　朗讀&

10、lt;/b></p><p>　　顯示對應的拉丁字符的拼音</p><p><b>　　字典</b></p><p><b>　　翻譯以下任意網站</b></p><p>　　The White House-美國</p><p>　　Zeit Online-德語<

11、/p><p>　　Berlingske.dk-丹麥</p><p>　　OneIndia-印地語</p><p>　　Los Angeles Times-美國</p><p>　　Komika Magasin-瑞典語</p><p>　　Spiegel Online-德語</p><p>　　Mar

12、miton.org-法國</p><p>　　Gotujmy.pl-波蘭語</p><p>　　USA Today-美國</p><p>　　Bild.de-德語</p><p>　　Focus Online-德語</p><p><b>　　朗讀</b></p><p>

13、　　顯示對應的拉丁字符的拼音</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　前 言1</b></p><p>　　第一章 概 述2</p><p>　　1.1 甲醇發(fā)展現(xiàn)狀2</p><p>　　1.2 甲醇的發(fā)展前景2</p&g

14、t;<p>　　1.3 甲醇合成3</p><p>　　1.3.1 甲醇合成方法及設備簡介3</p><p>　　1.3.2 甲醇合成工藝流程簡介5</p><p>　　1.4 甲醇精餾工藝流程簡介6</p><p>　　1.4.1 精餾的原理6</p><p>　　1.4.2 精餾工藝流程6

15、</p><p>　　第二章 合成工段工藝計算9</p><p>　　2.1 合成工段物料衡算9</p><p>　　2.1.1 設計條件及參數(shù)9</p><p>　　2.1.2 合成工段物料衡算10</p><p>　　2.2 合成工段熱量衡算19</p><p>　　2.2.1 合

16、成塔的熱量衡算19</p><p>　　2.2.2 原料預熱器的熱量計算24</p><p>　　2.2.3 水冷器熱量的計算27</p><p>　　第三章 精餾工段工藝計算31</p><p>　　3.1 精餾工段物料衡算31</p><p>　　3.1.1 預精餾塔物料衡算31</p>

17、<p>　　3.1.2 加壓塔物料衡算33</p><p>　　3.1.3常壓塔物料衡算35</p><p>　　3.2 精餾工段的熱量衡算37</p><p>　　3.2.1 預精餾塔熱量衡算37</p><p>　　3.2.2 預塔冷凝器熱量衡算40</p><p>　　3.2.3 常壓塔熱量衡

18、算41</p><p>　　3.2.4 加壓塔熱量衡算44</p><p>　　第四章 預塔冷卻器工藝計算47</p><p>　　4.1、初選換熱器47</p><p>　　4.1.1 基本物性數(shù)據(jù)47</p><p>　　4.1.2 初選換熱器型號47</p><p>　　4.1

19、.3 確定流體的流徑48</p><p>　　4.2 核算壓降49</p><p>　　4.2.1 管程壓強降49</p><p>　　4.2.2 殼程壓強降49</p><p>　　4.3 核算總傳熱系數(shù)50</p><p><b>　　結束語52</b></p>&l

20、t;p><b>　　參考文獻53</b></p><p><b>　　謝 辭54</b></p><p><b>　　引 言</b></p><p>　　甲醇是僅次于合成氨的化工產品和重要的有機化工原料，也是最簡單的化學品之一，廣泛應用于有機合成、染料、醫(yī)藥、農藥、涂料、汽午和國防等工業(yè)

21、中。近年來，隨著科學技術的發(fā)展，甲醇被認為是最有希望代替汽油的并且將成為21世紀有競爭力的可選清潔燃料，它可直接用作汽車燃料，也可與汽油摻合使用。因此，合成甲醇的研究越來越引起人們的重視了。 </p><p>　　近幾十年來,特別是我國甲醇工業(yè)的發(fā)展,生產規(guī)模逐漸擴大,下游產品種類不斷增加,社會需求越來越大。所以迫切要求對甲醇合成過程進行優(yōu)化操作和控制。目前我國甲醇合成主要還是以高壓法和低壓法為主，高壓法對設備

22、耐壓要求較高，能耗較高，投資費用較大，而且單程轉化率較低；低壓法雖然克服了壓力的影響，但是設備龐大，投資費用也較高，所以我們應該集中精力開發(fā)中低壓甲醇合成的工藝。在粗甲醇的精制過程中，我國大多數(shù)甲醇生產還采用雙塔流程，它的缺點是甲醇純度不高，熱量利用率較低；三塔流程雖然設備投資較高，但它克服了雙塔流程的一些缺點，從經濟和環(huán)保角度綜合考慮我們應該向三塔流程發(fā)展。與此同時，應該積極做好三廢處理等問題，逐步實現(xiàn)綠色化工。</p>

23、<p><b>　　第一章 概 述</b></p><p>　　1.1 甲醇發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　隨著國民經濟持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展，我國能源生產總量和需求總量都在不斷增長。7O年代兩次石油危機和石油價格持續(xù)上漲，使世界各國都充分認識到2l世紀將是能源結構逐步向多元化結構發(fā)展的時代。目前，人類己面臨著石油及天然氣這一寶貴的化石能源的不斷枯竭，按照經濟可持

24、續(xù)發(fā)展的要求，必須更加合理有效地利用資源。“缺油、少氣、富煤”的客觀現(xiàn)實，意味著今后30年內，我國一次能源消費以煤為主的格局不會改變。但如果只沿用落后技術，把煤直接燃燒用于發(fā)電和其它工業(yè)目的，不斷擴大低效、高污染應用技術中煤的用量，則同樣是難以為繼的，同時對環(huán)境的威脅將是難以估量的。因此，充分利用豐富的煤炭資源，大力發(fā)展?jié)崈裘杭夹g和新一代煤化工技術是非常必要的，既對我國合理利用資源、有效利用能源和促進經濟可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實，又對保

25、護國家能源安全具有深遠的戰(zhàn)略意義。</p><p>　　近年來，我國甲醇市場非?；鸨杭状純r格持續(xù)高位，甲醇生產裝置開工率不斷提高，各地甲醇新建項目陸續(xù)開工。出現(xiàn)這種局面的原因，一是甲醇傳統(tǒng)消費領域，如甲醛、醋酸等產品的產量穩(wěn)步提升，對甲醇的需求量逐步增加；二是新的消費領域，如醇醚燃料、甲醇制烯烴等由于發(fā)展前景廣闊，也引發(fā)了國內對甲醇裝置的投資熱。 我國甲醇生產以煤為主要原料，產業(yè)結構不盡合理，裝置規(guī)模偏小，企

26、業(yè)數(shù)目過多，原料路線和工藝技術五花八門。由于對醇醚燃料需求的高度期待，我國甲醇發(fā)展過熱，幾乎“遍地開花”。據(jù)報導，2000～2007年我國甲醇產能年均增長率為24.8%，2007年我國共有甲醇生產企業(yè)177家，總規(guī)模已突破1600萬噸/年，2010年總產能達到3000萬噸/年。我國規(guī)劃中的甲醇產能已超過同期世界其他各國的總產能。2007年下半年甲醇出口激增。而煤基甲醇是資源消耗型產品，是低附加值產品，依靠大量出口來消化過剩的產能是不妥的

27、。</p><p>　　1.2 甲醇的發(fā)展前景</p><p>　　甲醇作為最有希望代替汽油的并且將成為21世紀有競爭力的可選清潔燃料，具有巨大的發(fā)展前景。專家認為，首先必須開拓甲醇作為車用燃料的用途， 即發(fā)展甲醇汽車才能使甲醇取得較好的經濟效益。甲醇汽油是符合我國國情的替代能源之一，不僅符合國家節(jié)能減排政策的要求，而且因甲醇汽油可部分替代石油，在一定程度上相當于擴大了我國石油戰(zhàn)略儲備。同

28、時，推廣甲醇汽油，一方面可以釋放我國每年2000多萬噸的甲醇產能，改變我國甲醇產能嚴重過剩的局面，提高甲醇生產企業(yè)的開工率。另一方面，甲醇汽油的生產成本低，甲醇汽油價格更為優(yōu)惠，從普通百姓的角度講，更經濟實惠。我國現(xiàn)在提出了四個石油替代路徑：天然氣替代、電動力替代、生物燃料替代和煤基燃料替代，煤基燃料替代包括煤制天然氣、甲醇、二甲醚、合成油等。煤基醇醚燃料更具有大規(guī)模、基地化推廣的現(xiàn)實性，是最實用、經濟的選擇。因為甲醇在我國已經有一定規(guī)

29、模的產能，另外甲醇的投資成本低，無論甲醇汽油生產技術還是甲醇車輛生產技術都已經非常成熟了。甲醇汽油如果作為車用燃料比其他替代能源都有優(yōu)勢，因為甲醇汽油是一種液體燃料，好多特性和汽油雷同，但比汽油更安全、更環(huán)保、更節(jié)能。另外，甲醇汽油可直</p><p><b>　　1.3 甲醇合成</b></p><p>　　1.3.1 甲醇合成方法及設備簡介</p>

30、<p>　　生產甲醇的方法有多種，早期用木材或木質素干餾法制甲醇的方法，今大在工業(yè)上已經被淘汰了。氯甲烷水解法也可以生產甲醇，但因水解法價格昂貴，所以沒有得到工業(yè)上的應用。甲烷部分氧化法可以生產甲醇，這種制甲醇的方法工藝流程簡單，建設投資節(jié)省。但是，這種氧化過程不易控制，常因深度氧化生成碳的氧化物和水，而使原料和產品受到很大損失，因此甲烷部分氧化法制甲醇的方法仍未實現(xiàn)工業(yè)化。但它具有上述優(yōu)點，國外在這方面的研究一直沒有中斷，

31、應該是—種很有工業(yè)前途的制取甲醇的方法。</p><p>　　目前工業(yè)上幾乎都是采用一氧化碳、二氧化碳加壓催化氫化法合成甲醇。天然氣、石腦油、重油、煤及其加工產品(焦炭、焦滬煤氣)、乙炔尾氣等均可作為生產甲醇的原料。天然氣與石腦油的蒸汽轉化需在結構復雜、造價很高的轉化爐中進行。轉化爐設置有輻射室與對流室，在高溫、催化劑存在下進行烴類蒸汽轉化反應。重油部分氧化要在高溫氣化爐中進行，以固體燃料為原料時，可用間歇氣化或

32、連續(xù)氣化制水煤氣。間歇氣化法以空氣、蒸汽為氣化劑，將吹風、制氣階段分開進行；連續(xù)氣化以氧氣、蒸汽為氣化劑，過程連續(xù)進行。</p><p>　　甲醇生產中所使用的多種催化劑，如天然氣與石腦油蒸氣轉化催化劑、甲醇合成催化劑等都易受硫化物毒害而失去活性，因此必須將硫化物除凈。氣體脫硫方法可分為兩類：一類是干法脫硫，一類是濕法脫硫。干法脫硫設備簡單，但由于反應速率較慢，設備比較龐大。濕法脫硫可分為物理吸收法、化學吸收法與

33、直接氧化法三類。甲醇的合成是在高溫、高壓、催化劑存在下進行的，是典型的復合氣—固相催化反應過程。隨著甲醇合成催化劑技術的不斷發(fā)展，目前總的趨勢是由高壓向低、中壓發(fā)展。</p><p>　　我國富煤貧油，因此煤與焦炭是制造甲醇粗原料氣的主要固體燃料。用煤和焦炭制甲醇的工藝路線包括燃料的氣化、氣體的脫硫、變換、脫碳及甲醇合成。用蒸汽與氧氣(或空氣、富氧空氣)對煤、焦炭進行熱加工稱為固體燃料氣化。氣化所得可燃性氣體通稱

34、煤氣，是制造甲醇的切始原料氣。</p><p>　　氣化的主要設備是煤氣發(fā)生爐，按煤在爐中的運動方式，氣化方法可分為固定床(移動床)氣化法、流化床氣化法和氣流床氣化法。國內用煤與焦炭制甲醇的煤氣化一般都沿用固定床間歇氣化法，煤氣爐沿用UGI爐。在國外對于煤的氣化，目前已工業(yè)化的煤氣化爐有柯柏斯—托切克(Koppers-Totzek)、魯奇(Lurgi)及溫克勒(Winkler)三種。還有第二、第三代煤氣化爐的爐型

35、主要有德士古(Texaco)及謝爾-柯柏斯(SheII-Koppers)等。</p><p>　　制得合成氣經變換、脫硫、脫碳處理后送入合成器進行甲醇合成。甲醇合成的主要設備有甲醇合成塔、水冷卻器、甲醇分離器、濾油器、循環(huán)壓縮機。其中，甲醇合成塔的類型很多。由于甲醇合成反應是一個可逆的放熱反應，反應熱效應大，為使反應始終處于較高的速度下，必須及時移走這些熱量，因此，按不同的移熱方法，可分為冷管型連續(xù)換熱式和冷激型

36、多段換熱式兩大類；按反應氣流動的方式有軸向和徑向，或者二者兼有的混合型。甲醇合成塔的基本結構主要由外簡、內件和電加熱器三部分組成。外筒是一個高壓容器，一般由多層鋼板卷焊而成繞帶統(tǒng)制而成。內件是由催化刑筐和換熱器兩部分組成。</p><p>　　本次設計所用的合成工藝為Lurgi甲醇合成工藝，該工藝所用的合成器為管束型副產蒸汽的合成反應器，被稱為Lurgi管殼式甲醇合成反應器。該合成反應器既是反應器又是廢熱鍋爐，反

37、應器內部類似一般列管式換熱器，列管內裝催化劑，管外為沸騰水。原料氣與反應后的氣體換熱后溫度上升到220℃左右進入反應器反應放出的熱量經管壁傳給管間的沸騰水，產生4MPa的飽和蒸汽。反應器殼程的鍋爐水是自然循環(huán)的，這樣可以通過控制沸騰水的蒸汽壓力，可以保持恒定的反應溫度，有效的抑制了副反應，延長了催化劑的使用壽命。該反應器單位體積催化劑床層的換熱面積較大，熱能利用合理，每噸甲醇副產蒸汽高達1.4噸，產生的這些蒸汽首先用于驅動新鮮原料氣及循

38、環(huán)氣透平壓縮機，然后將出來的低壓蒸汽送至精餾工段作為精餾塔塔釜再沸器的加熱熱源，Lurgi工藝合成每噸甲醇比軸向合成反應器工藝多回收熱量約1.8×106KJ。該工藝的優(yōu)點是反應溫度溫和、壓力低，副反應少、時空收率高，單程轉化率較高，熱能利用合理，因此循環(huán)氣量減少，這樣降低了循環(huán)回路中管件閥門的費用和循環(huán)壓縮機的能耗；Lurgi合成反應器開車方便，只要將4MPa蒸汽通過合成塔殼程即可加熱</p><p>

39、　　1.3.2 甲醇合成工藝流程簡介</p><p>　　甲醇合成的前期工藝與合成氨相似，首先進行合成氣的生產，合成氣經脫硫、變換脫碳后處理后進行甲醇合成。本次合成工藝選用Lurgi工藝，合成壓力為5MPa，合成氣進合成塔溫度220℃，反應溫度270℃，出口溫度為250℃。新鮮原料氣首先進入透平壓縮機，將原料氣壓縮至合成壓力，此時溫度約為40-50℃。由于合成塔出口溫度較進口溫度相差較高，因此可用合成塔出口氣加

40、熱原料氣，使其溫度上升至合成溫度，這樣既節(jié)省了能源又合理利用了熱量。加熱后的原料氣由Lurgi管殼式甲醇合成反應器頂部進入合成塔內部列管，管中填充催化劑，合成氣在其中進行反應。甲醇合成反應是可逆放熱反應，低溫有利于反應向合成方向進行，而且溫度過高會使催化劑失活，因此需要即使將反應熱移出合成塔。Lugi合成器同時是廢熱鍋爐，它的殼程走的是沸騰水，沸騰水從合成塔底部進入，4MPa的蒸汽有頂部側端排出，這樣只要控制合成塔頂部蒸汽的壓力就可以控

41、制合成塔的溫度恒定。反應后的氣體溫度較高，與新鮮原料氣換熱后溫度降到約70-95℃，其中的甲醇還以氣體的形式存在，因此需要進一步冷凝。換熱后的甲醇進入水冷器與冷卻水進行換熱，換熱后粗甲醇冷凝下來，經甲醇分</p><p>　　1.4 甲醇精餾工藝流程簡介</p><p>　　1.4.1 精餾的原理</p><p>　　將液體混合物進行多次部分氣化，同時又把產生的蒸氣

42、多次部分冷凝，使混合物分離為所要求組分的操作過程稱為精餾。</p><p>　　對于一次氣化和一次冷凝來說，由于液體混合物中所含組分的沸點不同，當其在一定溫度下部分氣化時，因低沸點物易于氣化，故它在氣相中的濃度較液相高，而液相中高沸點物的濃度較氣相高。這就改變了氣液兩相的組成。當對部分氣化所得的蒸汽進行部分冷凝時，因高沸點物易于冷凝，使冷凝液中高沸點物的濃度較氣相高，而未冷凝氣中低沸點物的濃度比冷凝液中要高。這樣

43、經過一次部分氣化和部分冷凝，使混合液通過各組分濃度的改變得到了初步分離。如果多次這樣進行下去，將最終在液相中留下基本上是高沸點的組分，在氣相中留下的基本上是低沸點組分。由此可見，部分氣化和部分冷凝，都使氣液相的組成發(fā)生變化，多次部分氣化和多次部分冷凝同時進行，就可以將混合物分離為純的或比較純的組分。</p><p>　　1.4.2 精餾工藝流程 </p><p>　　粗甲醇精餾流程是根據(jù)對

44、產品甲醇不同的質量要求而定的，一般可分為單塔、雙塔以及三塔流程。如果產品為燃料級甲醇時可采用較簡單的單塔流程，如果要想獲得質量較高的甲醇時常采用雙塔流程，從節(jié)能的觀點出發(fā)還可采用三塔流程。一般單塔流程已很少用到，本次設計采用雙效法三塔流程，雙塔流程只做簡要介紹。</p><p>　　1.4.2.1雙塔流程</p><p>　　雙塔流程是最為普遍采用的甲醇精餾方式。第一塔為預精餾塔，第二塔為

45、主精餾塔，二塔再沸器的熱源均來自循環(huán)氣壓縮機驅動透平排出的低壓蒸汽。預精餾塔用以分離輕組分和溶解的氣體如H2、CO、CO2等。塔頂取出的氣體包括不凝性氣體、輕組分、水蒸氣以及甲醇。經過冷凝，大部分水分和甲醇回流入塔，同時從冷凝器抽一小部分冷凝液以減少揮發(fā)性較低的輕組分。為了減少塔頂排放氣中甲醇的損失，塔頂冷凝器可做成二級冷凝。主精餾塔主要除去重組分，包括乙醇、水以及高級醇，同時獲得產品精甲醇。含水和高沸點組分的甲醇從該塔中部進入，高級醇

46、從加料板以下側線引出，含微量甲醇的水從塔底排出，產品甲醇從近塔頂處取出。</p><p>　　1.4.2.2 三塔流程</p><p>　　精餾過程的能耗很大且熱能利用率很低，故精餾工序的節(jié)能有許多潛力可挖。采用三塔流程的目的是為了更合理地利用熱量，三塔流程與雙塔流程的區(qū)別在于三塔流程采用兩個主精餾塔，第一主精餾塔加壓操作，第二主精餾塔于常壓下操作，利用加壓塔的塔頂蒸汽冷凝熱作為第二主精

47、餾塔再沸器的加熱源。這樣不僅節(jié)省了加熱蒸汽而且也節(jié)省了冷卻用水，有效地利用了能量。</p><p>　　預精餾塔中的操作與雙塔流程相仿，經預蒸餾后的甲醇混合液用泵壓送入第一加壓主精餾塔，其再沸器用低壓蒸汽加熱，塔內壓力為0.6—0.8MPa，塔頂蒸汽引入第二常壓主精餾塔底再沸器，蒸汽冷凝熱作為第二塔操作熱源。第一精餾塔底部排出的甲醇水溶液利用壓差進入第二主精餾塔加料口，在此脫除水及高級醇等雜質。高級醇可由塔側線引

48、出，塔頂引出的殘液含1%—2%的高級醇和甲醇，送廢水生化處理后排放。產品精甲醇部分來自第一主精餾塔頂冷凝液，另一部分采自第二主精餾塔塔頂冷凝液。</p><p>　　此次設計，粗甲醇精餾采用雙效法三塔精餾工藝，此流程與普通雙塔流程不同的是第一精餾塔加壓和第二精餾塔常壓均采出產品。該流顯著的特點是節(jié)能，在粗甲醇精餾系統(tǒng), 一般流程都考慮廢熱的回收利用, 如采用蒸汽冷凝水或殘液等來加熱粗甲醇。這里主要指多效利用熱源蒸

49、汽的潛熱, 如將原雙塔流程的主精餾塔一分為二, 第一塔（塔2）加壓操作（約為0.6MPa）,第二塔（塔3）為常壓操作, 則塔2由于加壓操作，頂部氣相甲醇的液化溫度約為123℃,遠高于常壓塔塔釜液體主要為水的沸點溫度, 其冷凝潛熱可作為塔再沸器的熱源，不僅節(jié)省了加熱蒸汽，也節(jié)省了冷卻用水，有效的利用了熱能。這一過程稱為雙效法, 較雙塔流程（單效法）可節(jié)約熱能40%左右。一般在正常操作條件下, 比較理想的能耗為每精制1噸精甲醇消耗熱能3.0

50、×106 kJ(折蒸汽約1噸左右)。</p><p>　　自然, 雙效法三塔流程投資較多, 以年產10萬噸精甲醇規(guī)模計算, 雙塔單效法投資為100, 則三塔雙效法為113，但由于能耗下降，前者的操作費用為100, 后者僅為64。顯然, 三塔雙效法效益顯著, 隨著粗甲醇精餾規(guī)模的增大效益更加明顯。</p><p>　　第二章 合成工段工藝計算</p><

51、p>　　本次設計任務是年產4萬噸粗甲醇合成、精餾工段工藝設計，采用的工藝為德國魯奇公司1971年開發(fā)的Lurgi低壓甲醇合成工藝，該工藝合成壓力為4.053—5.066MPa，溫度為230—290℃，新鮮氣與循環(huán)氣的比例為1:5。為方便計算，取合成壓力為5.0MPa，合成溫度為270℃。</p><p>　　2.1 合成工段物料衡算</p><p>　　2.1.1 設計條件及參數(shù)&l

52、t;/p><p>　　已知年產40000噸粗甲醇，每年以330個工作日計。則，</p><p><b>　　每小時生產粗甲醇：</b></p><p>　　粗甲醇和新鮮原料氣的組成含量及摩爾質量見表2-1到表2-3：</p><p>　　表2-1 粗甲醇組成</p><p>　　表2-2 新鮮氣組

53、成</p><p>　　表2-3 各物質的摩爾質量</p><p>　　根據(jù)粗甲醇各組分及含量，算得各組分的量為：</p><p>　　甲醇： 即</p><p><b>　　二甲醚： </b></p><p><b>　　異丁醇： </b></p

54、><p><b>　　水： </b></p><p>　　上述計算結果見表2-4</p><p>　　表2-4 粗甲醇物料表</p><p>　　5.0 MPa，40℃時各組分在甲醇中的溶解度列于表2-5</p><p>　　表2-5各物質在甲醇中溶解度</p><p&g

55、t;　　以一小時為基準則一氧化碳在甲醇中的摩爾溶解量為：</p><p>　　同理二氧化碳、氫氣、甲烷、氮氣在甲醇中的摩爾溶解度依次為：</p><p>　　現(xiàn)將其列為表格形式，見表2-6：</p><p>　　表2-6各物質在甲醇中溶解量</p><p>　　2.1.2 合成工段物料衡算</p><p>　　合成甲醇

56、主反應方程式為： </p><p>　　可能的副反應主要有： </p><p>　　上述個反應均為可逆反應。</p><p>　　2.1.2.1 物料平衡關系式</p><p>　　根據(jù)上述反應方程式可以推出以下平衡關系式：</p><p>　　CO的平衡：VFCF + Ku= KCK + CP +

57、L + 2A + M + 4I （2-1）</p><p>　　CO2的平衡：VFKF = VKKK + KP + Ku （2-2）</p><p>　　H2的平衡：VFhF = VKhK + HP + 2L + 4A + 3M + 8I + Ku （2-3）</p><p>

58、;　　CH4的平衡：VFmF + M = VKmK + MP （2-4）</p><p>　　N2的平衡：VFnF = VKnK + NP （2-5）</p><p>　　H2O的平衡：W=A+M+3I+Ku

59、 （2-6）</p><p>　　上述六個方程共有八個未知數(shù)，即VF、VK、nK、mK、M、Ku、CP、hK。利用惰性氣體在循環(huán)氣中的含量i來建立兩個方程式：</p><p>　　nK + mK = i （2-7）</p><p>　　CK + hK + KK = 1—i

60、 （2-8）</p><p>　　聯(lián)立上述八個方程，得到兩個輔助變量D、B：</p><p>　　上例各式中的符號意義：</p><p>　　V——生成一噸粗甲醇的氣體總體積，kmol/h；</p><p>　　N——氮量，kmol/h；</p><p>　　n——氮氣含量，V

61、%</p><p>　　Ku——參加反應的CO2的量，kmol/h；</p><p>　　K——CO2量，kmol/h；</p><p>　　k——CO2含量，V%；</p><p>　　M——甲烷的生成量，kmol/h；</p><p>　　m——甲烷含量，V%；</p><p>　　H——氫

62、氣量，kmol/h；</p><p>　　h——氫氣含量，V%；</p><p>　　C——CO的量，kmol/h；</p><p>　　c——CO含量，V%；</p><p>　　L——甲醇量，kmol/h；</p><p>　　A——二甲醚量，kmol/h；</p><p>　　I——異丁醇

63、的量，kmol/h；</p><p>　　W——生成的水量，kmol/h ；</p><p>　　i——循環(huán)氣中氮氣的百分數(shù)，V%；</p><p><b>　　符號腳注表示：</b></p><p>　　P——產物； K——循環(huán)氣； F——新鮮氣；</p><p>　　i的經驗范圍值為15%

64、 ～ 25%，取i = 20%，則</p><p><b>　　450.38</b></p><p><b>　　15.56</b></p><p>　　根據(jù)經驗，設循環(huán)氣中二氧化碳的含量=3.0%，由此知循環(huán)氣中氮氣含量為：</p><p><b>　　12.87%</b>&

65、lt;/p><p>　　由（2-7）式知，mk =i=20.0% 12.87=7.13%</p><p><b>　　馳放氣的量:</b></p><p><b>　　新鮮氣加入量:</b></p><p>　　689.25 kmol/h</p><p>　　Lurgi工藝新鮮氣

66、與循環(huán)氣之比為1: 5，故循環(huán)氣的量為：</p><p>　　5 VF = 5689.25 = 3446.25kmol/h；</p><p><b>　　甲烷的生成量：</b></p><p>　　1.52kmol/h</p><p>　　進行逆變換反應消耗的CO2的量：</p><p>　　13

67、.02 kmol/h</p><p>　　新鮮原料氣中一氧化碳的量</p><p>　　解得循環(huán)氣中一氧化碳的含量：CK =12.91%</p><p>　　由（2-9）式 CK + + kK = 1i </p><p>　　帶入數(shù)據(jù)知循環(huán)氣中氫氣的含量： </p><p><b>　　= 64

68、.09%</b></p><p>　　由于此物料衡算方法選用試差法，故需要核算。將相關數(shù)據(jù)帶入到上述八個式子進行核算，結果發(fā)現(xiàn)等式兩端誤差小于3%。因此，試差成功，上述計算有效。</p><p>　　2.1.2.2合成塔物料衡算</p><p>　　由計算得到的新鮮氣的量及給定的新鮮氣的組成，可求得新鮮氣的流量，列于表2-7中：</p>&

69、lt;p>　　表2-7新鮮氣的流量及組成</p><p>　　計算示例：以一氧化碳為例，新鮮氣的流量VF = 689.25kmol/h ,一氧化碳的含量ck = 24.25%，則一氧化碳的摩爾流量為 689.25 24.25% = 167.14 kmol/h，</p><p>　　質量流量為 167.14 28 = 4679.92 kmol/h。</p><p

70、>　　由生產經驗②知，5MPa、40℃下，年產4萬噸粗甲醇在氣液分離設備中，粗甲醇中各組分的揮發(fā)量依次為：甲醇23.79kmol/h、甲醚1.38kmol/h、水2.87kmol/h,異丁醇在該條件下幾乎不揮發(fā)，故其揮發(fā)量取0.則揮發(fā)總量為：</p><p>　　23.79 + 1.38 + 2.87 + 0 = 28.04kmol/h</p><p>　　粗甲醇中各物質揮發(fā)量見表2

71、-8</p><p>　　表2-8 液相粗甲醇中各組分的揮發(fā)量</p><p>　　計算表明弛放氣與循環(huán)氣的比值不到7%，因此弛放氣中揮發(fā)組分的量可以忽略，故不考慮揮發(fā)相時弛放氣與循環(huán)氣之比近似為：</p><p>　　因此考慮揮發(fā)相時弛放氣與循環(huán)氣之比近似為：</p><p>　　由此得弛放氣中甲醇的量為</p><p

72、>　　同理，弛放氣中甲醚和水的量依次為0.08、0.17</p><p>　　不考慮揮發(fā)量馳放氣中各氣體的摩爾流量為：</p><p>　　馳放氣的總量VK = 218.94 </p><p>　　CO的量：218.9412.91% = 28.25 </p><p>　　CO2的量：218.943.00% = 6.57 </p&

73、gt;<p>　　H2的量： 218.9464.09% = 140.33 </p><p>　　CH4的量：218.947.13% = 15.60 </p><p>　　N2的量： 218.9412.87% = 28.19 </p><p>　　則馳放氣的組成列于表2-9中:</p><p>　　表2-9 馳放氣流量及組成&l

74、t;/p><p>　　計算示例，以一氧化碳為例：</p><p>　　弛放氣總物質的量的流量為 ：</p><p>　　28.25 + 140.33 + 6.57 + 15.60 + 28.19 +1.43 +0.08 +0.17= 220.62kmol/h</p><p>　　一氧化碳的摩爾分數(shù)：</p><p>　　(

75、 28.25 / 220.62 ) 100% =12.80%</p><p>　　弛放氣總質量流量為：</p><p>　　28.2528+140.332+6.5744+15.6016+28.1928+1.4332+0.0846+0.1718 = 2452.16 kg/h</p><p>　　一氧化碳的摩爾分數(shù)：</p><p>　　( 2

76、8.25 28 / 2452.16 ) 100% = 32.26%</p><p><b>　　易知循環(huán)氣中</b></p><p>　　CH3OH的量為：23.79 1.43 =22.36 kmol/h</p><p>　　(CH3)2O的量為：1.38 0.08 = 1.30 kmol/h</p><p>　　

77、H2O的量為： 2.87 0.17 = 2.70 kmol/h</p><p>　　由于循環(huán)氣中各組分的摩爾分數(shù)與弛放氣中的一樣，故</p><p>　　循環(huán)氣中各氣體的量為：</p><p>　　循環(huán)氣總量為：3346.25 kmol/h</p><p>　　CO的量：3346.2512.80% = 441.33 kmol/h</p

78、><p>　　CO2的量：3346.252.98% = 107.60 kmol/h</p><p>　　H2的量：3346.2563.61% = 2191.98 kmol/h</p><p>　　CH4的量：3346.257.07% = 243.68 kmol/h</p><p>　　N2的量：3346.2512.78% = 440.29 kmo

79、l/h</p><p>　　由計算得到循環(huán)氣的流量及組成，列于表2-10中：</p><p>　　表2-10 循環(huán)氣的流量及組成</p><p>　　計算示例，計算方法與弛放氣流量組成的計算方法大體一致。</p><p>　　合成塔入口氣體等于新鮮氣的量加上循環(huán)氣的量，由表2-7和表2-10得到表2-11如下：</p><

80、;p>　　表2-11 合成塔入塔氣流量及組成</p><p>　　計算示例，以一氧化碳為例，合成塔入塔氣中一氧化碳的量等于新鮮氣中一氧化碳的量加上循環(huán)氣中一氧化碳的量，其摩爾流量為：</p><p>　　167.14 + 441.33 = 608.47 kmol/h</p><p>　　質量流量為： 4679.92 + 12357.24 = 17037.16

81、 kg/h</p><p>　　合成塔入塔氣總摩爾流量： 689.24 + 3346.25 = 4135.47 kmol/h</p><p>　　合成塔入塔氣總質量流量： 7544.30 + 38306.20 = 45850.50 kg/h</p><p>　　則一氧化碳的摩爾含量為： (608.47/4135.47) 100% = 14.71%</p>

82、;<p>　　一氧化碳的摩爾含量為： (17037.16 / 45850.50) 100% = 37.16%</p><p>　　合成塔出塔氣體流量等于循環(huán)氣的量加弛放氣的量加粗甲醇的量再加粗甲醇中的溶氣量，由表2-4、表2-6、表2-9及表2-10可得合成塔出塔氣體流量及組成，見表2-12：</p><p>　　表2-12 合成塔出塔氣體流量及組成</p>

83、;<p>　　計算示例，以一氧化碳為例，合成塔出塔氣中一氧化碳的量等于循環(huán)氣、弛放氣、粗甲醇及粗甲醇溶氣之中一氧化碳之和，故其摩爾流量為：</p><p>　　441.33 + 28.25 + 0 + 0.16 = 469.74 kmol/h</p><p>　　一氧化碳的質量流量為：</p><p>　　12357.24 + 791.00 + 0 +

84、 4.48 = 13152.72 kg/h</p><p>　　出塔氣總摩爾流量為：</p><p>　　3446.23 + 220.62 + 164.24 + 3.35 = 3833.44 kmol/h </p><p>　　出塔氣總質量流量為：</p><p>　　38306.20 + 2452.16 + 5050.58 + 91.76

85、= 45900.70 k/h</p><p>　　則一氧化碳的摩爾含量為：</p><p>　　(469.74/3833.44) 100% = 12.25%</p><p>　　一氧化碳的質量含量為：</p><p>　　(13152.72/45900.70) 100% = 28.66%</p><p>　　2.1

86、.2.3甲醇分離器物料衡算</p><p>　　甲醇分離器出口的氣體由循環(huán)氣和弛放氣兩部分組成，循環(huán)氣進入循環(huán)壓縮機進行壓縮循環(huán)利用，弛放氣則進行放空。由表2-9和表2-10可得到甲醇分離器出口氣體的流量及組成，見表2-13：</p><p>　　表2-13 甲醇分離器氣相流量及組成</p><p>　　計算示例，以一氧化碳為例：</p><p

87、>　　由表2-9和表2-10可知，一氧化碳流量：441.33 + 28.25 = 469.58 kmol/h</p><p>　　一氧化碳的質量流量為： 12357.24 + 791.00 = 13148.24 kg/h</p><p>　　分離器出口氣體摩爾流量為： 3446.23 + 220.62 = 3666.85 kmol/h</p><p&g

88、t;　　分離器出口氣體質量流量為： 38306.20 + 2452.16 = 40758.36 kg/h</p><p>　　則一氧化碳的摩爾含量為： 469.58/3666.85) 100% = 12.81%</p><p>　　一氧化碳的質量含量為： (13148.24/40758.36) 100% = 32.26%</p><p>　　分

89、離器出口液相組成為生成的粗甲醇及溶解在其中的小部分合成氣，由表2-4和表2-6可計算出分離器出口液相組成及流量，見表2-14。</p><p>　　計算示例，以一氧化碳為例：</p><p>　　由表2-4和表2-6可知，一氧化碳的摩爾流量為： 0 + 0.16 = 0.16 kmol/h</p><p>　　一氧化碳的質量流量為： 0 + 4.

90、88 = 4.88 kg/h</p><p>　　分離器出口液相摩爾流量為： 3.35 + 164.24 = 167.59 kmol/h</p><p>　　分離器出口氣體質量流量為： 5050.58 + 91.76 = 5142.34 kg/h</p><p>　　則一氧化碳的摩爾含量為： (0.16/167.59) 100%

91、 = 0.10%</p><p>　　一氧化碳的質量含量為： (4.88/5142.34) 100% = 0.09%</p><p>　　表2-14 分離器出口液相組成及流量</p><p>　　2.1.2.4 粗甲醇貯槽物料衡算</p><p>　　甲醇合成工段生成的粗甲醇壓力很高，因此首先在粗甲醇貯槽內進行泄壓，使

92、粗甲醇恢復到常壓，然后進入精餾工段。粗甲醇泄壓后，溶解在其中的氣體（除二甲醚）可認為全部釋放，液相粗甲醇即為設計任務規(guī)定的粗甲醇（具體見表2-4），進入到精餾工段進行精制；放空的氣相即為溶解在粗甲醇中的氣體（具體見表2-6）。由于甲醇貯槽物料衡算都已體現(xiàn)在上述兩表中，故在此不再進行反復計算。</p><p>　　2.2 合成工段熱量衡算</p><p>　　2.2.1 合成塔的熱量衡算

93、</p><p>　　2.2.1.1 熱平衡方程式</p><p>　　全塔熱平衡方程式為：</p><p>　　∑Q 入塔氣 + ∑Q r ∑Q出塔氣 + Q熱損 + Q移+ Q維 （1）</p><p>　　式中： Q 入塔氣 ——入塔氣帶入的熱量，kJ/h；</p><p>　　Q

94、 r ——合成反應的反應熱，kJ/h；</p><p>　　Q出塔氣 —— 出塔氣帶走熱量，kJ/h；</p><p>　　Q熱損 ——合成塔熱損失，kJ/h</p><p>　　Q移 —— 沸騰水移出去的熱量，kJ/h</p><p>　　Q維 —— 維持合成塔反應所需要的熱量，kJ/h</p><p>　　∑Q 入

95、塔氣 ∑（Gi × Ci× T入） （2）</p><p>　　式中：Gi——入塔氣各組分流量，kmol/h；</p><p>　　Ci——入塔各組分的比熱容，kJ/（kmol . ℃）；</p><p>　　T入——入塔氣體溫度，℃；</p><p>　　∑Q出塔氣∑（Go × Co&#

96、215; T出） （3）</p><p>　　式中：Go——出塔氣各組分流量kmol/h；</p><p>　　Co ——出塔各組分的熱容，kJ/（kmol . ℃）；</p><p>　　To—— 出塔氣體溫度，℃；</p><p>　　∑QrQr1 + Qr2 + Qr3 + Qr4 + Qr5

97、 （4）</p><p>　　式中：Qr1、Qr2 、Qr3、 Qr4——分別為甲醇、二甲醚、甲烷、異丁醇、生成熱，kJ/h；</p><p>　　Qr5——二氧化碳逆變反應的反應熱，kJ/h</p><p>　　QrGr×△H （5

98、）</p><p>　　式中：Gr——各組分生成量，kmol/h；</p><p>　　△H——生成反應的摩爾熱，kJ/mol</p><p>　　2.2.1.2 定壓熱容計算式</p><p>　　由實驗數(shù)據(jù)用電子計算機上回歸得出下列各式，可以計算純組分壓力下的比熱：</p><p>　　CPH2 = 6.8172

99、1 + 0.031345(T/100) + 0.14138 10-2PH2 – 0.6 10-6(PH2)2 + 0.1603 10-3 PH2(T/100) （6）</p><p>　　CPCO = 1.98719[3.86771 - 0.23279(T/100) + 0.046135(T/100)2 – 0.21861 10-2

100、(T/100)3 + 0.42112 10-2PCO - 0.4694 10-3 PCO(T/100)] （7）</p><p>　　CPCO2 = 1.98719[3.18266 + 0.53754(T/100) + 0.020125(T/100)2 + 0.018520PCO2 - 0.22009 10-2 PCO2(T/100)] （8）&

101、lt;/p><p>　　CCH3OH = 3.39523 + 3.1695(T/100) - 0.16678(T/100)2 + 0.0057833(T/100)3 + 5.03 PCH3OH /78.5 (T/513.4)3 （9）</p><p>　　CH2O

102、 = 18.0153[0.65765 - 0.049712(T/100) + 0.5239 10-3 (T/100)3 + 0.02739PH2O - 0.27123 10-2 PH2O(T/100)] （10）</p><p>　　CN2 = 1.98719[4.23329 - 0.41451(T/100) + 0.072309(T/100)2 – 0.3

103、4116 10-2(T/100)3 + 0.57726 10-2PN2 - 0.7404 10-3 PN2(T/100)] （11）</p><p>　　以上各式中溫度T的單位為K，壓力里P的單位為MPa，比熱C的單位為KCal/(Kmol ℃)。</p><p>　　由表2-11和表2-12知合成塔進、出口氣體的摩爾組成，方便參看，現(xiàn)列為表2-15：</p>

104、<p>　　表2-15 合成塔進、出口氣體組成 （單位mol%）</p><p>　　采用Lurgi低壓合成工藝，合成壓力為5MPa，則進塔氣體各組分的分壓為：</p><p>　　PCO 5 14.71% 0.736 MPa PH2 5 64.09% 3.204 MPa </p><p>　　PCO2 5 2.99% 0.14

105、9 MPa PCH4 5 6.24% 0.312 MPa </p><p>　　PN2 5 11.33% 0.567 MPa PCH3OH 5 0.54% 0.027 MPa </p><p>　　P(CH3)2O 50.03%0.002 MPa PH2O 5 0.07% 0.004 MPa </p><p>　

106、　同理，合成塔出塔各氣體分壓依次為:</p><p>　　PCO 0.613 MPa PCO2 0.142 MPa PH2 3.044 MPa </p><p>　　PCH4 0.338 MPa PN2 0.611 MPa PCH3OH 0.223 MPa </p><p>　　P(CH3)2O 0.003 M

107、Pa PC4H9OH 0.0005 MPa PH2O 0.026 MPa </p><p>　　合成塔的進口溫度設為220℃，出口溫度為250℃，由以上公式可計算得到各氣體在對應溫度壓力下的熱容，見表2-16：</p><p>　　表2-16 合成塔進、出口氣體比熱 </p><p>　　計算得到的結果單位與表格中的單位不同，但已轉換，例如</p&

108、gt;<p>　　CiCO =7.116kCal/(kmol ℃)= 7.116×4.184 kJ/(kmol ℃)= 29.773 kJ/(kmol ℃)。 </p><p>　　二甲醚和異丁醇的比熱容沒有經驗計算公式，故需查得，由物性數(shù)據(jù)手冊查得：二甲醚和異丁醇在壓力5MPa，溫度為220℃及250℃下的比熱容分別為：</p><p>　　Ci(CH3)2O =

109、84.35 kJ/(kmol ℃) ； Co(CH3)2O =95.850 kJ/(kmol ℃) ； </p><p>　　CiC4H9OH 150.450 kJ/(kmol ℃) ； CoC4H9OHO=170.970 kJ/(kmol ℃)</p><p>　　2.2.1.3 合成塔熱量衡算</p><p><b>　?。?）、入塔氣熱

110、量</b></p><p>　　入塔氣熱量計算公式為: ∑Q 入塔氣 ∑（G入塔氣Cmλ× Tmλ） </p><p>　　式中：G入塔氣——入塔氣各組分流量，kmol/h；</p><p>　　Cmλ——入塔各組分的比熱容，kJ/（kmol . ℃）；</p><p>　　Tmλ——入塔氣體溫度，℃；&

111、lt;/p><p>　　將合成塔進口氣體的摩爾流量（見表2-11）及比熱容列于表2-17中：</p><p>　　表2-17 合成塔單位溫度入塔熱量</p><p>　　故入塔氣溫度為220℃時入塔總熱量為：</p><p>　　1.288105220 2.834107 KJ/h</p><p>　　（2）、出塔氣熱

112、量衡算</p><p>　　合成塔出口氣體的摩爾流量（見表2-12）及比熱容列于表2-18中，具體見表2-18。</p><p>　　同理，可求得出塔氣溫度為250℃時帶出的總熱量為：</p><p>　　1.259105250 3.148107 KJ/h</p><p>　　表2-18 合成塔單位溫度出塔熱量</p><

113、;p><b>　　（3）、反應熱計算</b></p><p>　　查相關資料知，合成塔內氣體在5MPa、270℃時進行反應，各物質的生產量、摩爾生成熱及反應熱見表2-19：</p><p>　　表2-19 各物質生成熱</p><p>　　其中某一種物質的生成量 = 合成塔出口的量 - 合成塔出口的量；</p><p

114、>　　例如甲醇的生成量為：170.758 - 22.346 = 148.412 Kmol/h</p><p><b>　　（4）、熱損失核算</b></p><p>　　假設全塔的熱損失為入塔熱量4%，則：</p><p>　　Q熱損 （Q入塔氣 + Q反應）5%</p><p>　?。?.834107 + 1.