【《煤制甲醇生产设计中的物料衡算和能量衡算综述》4500字】.docx

煤制甲静生产设计中的物料衡算和能量衡算综述目录IJ11.1.1粗甲醉中各姐分产量计糅14.1.2合成反应中各气体消耗和生成情况31.1.3新睇气和她放气气疥51.14循环气气*的确定71.1, 循环比和H2、CO.CO2单程转化率811.6入塔气和出塔气的组成81.1.7甲分分熟瑞的出】气组成10.21.2.1 甲醉合成塔热量衡算111.2.2 入塔气预存器热氏衡%15123水冷器的心量计熨161.1 物料衡算1.1.1 粗甲障中各姐分产It计算本设计为年产20万叫J甲醇,开工时间为330dy.连续操作,则甲胄的产量为25.25th用三塔精愉工艺，甲醉的总收率高达99%以上。XNc98通过实验分析发现，煤制甲解仅有反应温度和再循环率对甲静转化率有负面影响网。考虑甲静的榻失在内，本设计拟取98%.由此进入柿懦工段祖甲醉中的甲醵台址应为震=25765.30kgh.u.yj粗甲解产型：黑m-27064.39kWh机甲醉中各组分的产毋：CHQH：11k1,on=25765.30kg.'hHjO：m12o=27064.39×3.666%=992.28kgCH3OCH5:11vh,001)=27(>6439×0.(X)2%=0.54kghC?H，OH：InQH,oh=27()64.39×0.372%=100.68kghC4H9OH:mt1.H>H=270M39×0.35Wo=94.73kgCO：m<n2=27()64.39×0.4(X)%=IO8.26kg'hN>+r:myAr=27064.39×0,010%=2.7IkgZh经计算，机甲醉的组成与含贵如表5所示.衣5米甲醇组成处分质.分物产受/(kg'h)CHQH95.2025765.30H2O3.666992.28CHxOCH.0.0020.54C2H5OH0.3721.(K).68C1.HQH0.35094.72CO20.400108.26N2+A0.0102.71（体积都为标准状态工业生产中测讨低压时，f生产吨和甲解将产生1.52nF（标况）甲烷，即甲烷034kmo1.,则本设计每小时甲烷产量为：VCHj=x1.52=41.14Nm,/hf1.Rnt1.u=x0.34=9.20kmo1.'h在5.05MPa、40时，粗卬醉中的气体溶解M杳表，好吨相甲醉溶解其他组成如表6网所则粗甲醇中的溶解气体信为:出-鸯x4364r"8"m,h即S.27kmo1.h,706119CO=Ji寿×O.8I5=22.06NmYh即0.98kmo1.CO2-三×7.780-210.56NmYh即9.4OkmOuh>VMQN2=B365=9.X8Nm，m即0.44kmo1.A1.暇”43=6.58Nmvh即O.29kmo1.hC3Fx1.6X0=4552Nm,.hIW203kmo1.40时，液相甲即移放的溶解气中，甲酥含成为37.141m*气相上设溶解气体完全杼放,甲醇在粗甲醉中的扩散损失为:mIUKCH1OH=(118.11+22.06+210.56+9.88+6.5835.52×0.03714=I5.33kg-'hUP10.73Nm,.'h.经计算,每吨粗甲醉介成气溶解情况如表6所示.表6一吨粗甲醇合成气溶解情况气体IhCOCO2N2ArCH4溶解度(Nm加粗甲醉4.3640.8157.7800.3650.2431.680溶解Jft(Nnh)118.1122.06210.569.8«6.5845.524.1.2合成反应中各，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+2H2=CHjOH(I)CQ2+3H2-CI1.3OH+H2O(2)副反应2CO+4H1.(CHsO)2+HzOCQ÷3H2-CH4+H2O(4)4CO+8H2=C4H9OH+3H2O(5)CO2+H2=CO+H2O(6)由于合成反应中甲醇主要由CO合成，COz主要由逆反应生成，进塔中CO/J含此一般小于5%.则曰算忽略反应(2)(体积为标准状态，下同)表7为合成反应原料气消耗情况，其括号内为生产量，反应(D不包含扩敌的卬翳和林放气体中消耗的甲船附合成反应各反应所消耗的物料如K：反应(I)sV/也8*嗡手、224T8013.19Nm½V*"h222.4=36026.38Nm3Jh反应(3)sV消托8=黑222.4=0.525NmM1.V甥枫=糕x434=1.05Nm3小反应(4)：j-Vc1.1.4-41.14N11(1.hVJHaI,=41.I4×3=123.42Nmw反应(5)tVco=Jx4x22.4=1MJ1.NmjZhVW茨x8'224-229.03N11h反应(6)：因为甲醉入塔气里几乎没有含水Sih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：992.2894.730.54.-x22.4-X3X22.4-x22.4-4!J4=n(K，.86Nm-'/h经计算,合成反应中原料气消耗如表7所示。表1合成反应中原料气消耗消托项单位消耗原料气依分COCOjH2反应Im5h18013.19/36026.38反应<3>m'/h0.525/1.05反应<4>mh41.14/123.42反应<5>m5h114.51/229.03反应<6>m(11()6.86)1106.861106.86同理可计算出合成过程各反应的生成物产量，结果如去8所示,衣8合成反应中生成物情况生成项单位生成物如分CH4CHiOHCHQCHaCH«)HH2O反应(1)NmVh/18013.19/反商(3)NnrVh/0.263/0.263反应(4)Nm'/h41.14/41.14反应(5)NmVh/28.6385.88反庖(6)NmVh/1106.86已知他放气的组成如表9所示.表9弛放气组成气体CHxOHHiCOCO:NiArCH4组成v%0.6081.499.113.633.410.331.43其他情况原料气消耗物我10所示.表10其他情况原料气消耗假林消耗的细分济托项JS_平位COCOjHjNiArCH4相甲醇中部耨NmVh22.06210.56118.119.8«6.5845.52气体扩敢的NmVh10.73/21.46/即蹲弛放气NmVh0.091IGO.O363G0.8149G0.034IG0.0033G0.0I43G弛放气中的甲Nmvh0.006G/0.012G/醉注意:G是弛放气的量(NnfJh)1.1.3新鲜气和效放，量经甲醇合成工艺流程和施信守恒定律可得出，消耗的每种成分的总后和新鲜气体的摄入求应相同，消耗的每种成分的总小和新鲜气体的总价也应相同。各组分的消耗总量如下所示:CO消耗总Sb18013.19+0.525+41.14+114.51-110686÷22.06+10.73+0.(WI1G-H).6G17051.155+0.097IGCO2消耗总贵：1106.86+210.56*f1.0363G=13!7.42+0.0363G比消耗总量：36026.38+1.05*123.42+229.03+I1.06.86+118.11+21.46*<).8149G+O.OI2G37626.3I+O.8269GN?消耗总状：9.88+0.034IGAr消耗总;匕6.58+O.OO33GCH4消耗总fib45.52+0.0I43G综上可得出新鲜气体各气体组分的波I也如表11所示.I1.新鲜气体组成组分单位H3COCO'N2ArCH49.8837626.3117051.1551317.426.5845.52流麻Nm'/h+0.0341G+O.8269G+0.0971GM>.0363G新鲜气体总流Nm,h56059.865+1.012G量0OO33G÷O.OI43G合成气中的情气<NAr+CH4)=61.9840.0517G.因此新鲜气体总流E可表示为：C61.98+0.0517G56059.865+1.012G=0.0。45即G=4036.17Nm'.'h,则蛇放气一小时的流量为4036.1.7Nm,h.是：G”“-56059.865÷1.012×4036.17-60144.47Nmih由此可计算出弛放气、新鲜气的组成,如表12,表13所示.我12胞放气组成则新鲜气体的总流量气体CHOHH2COCO2N2ArCH4组成v%0.6081.499.113.633.41流JHy(Nm0.331.4321.223289.07367.70146.51137.63tIh)13.3257.72表13新鲜气组成气体HjCOCOiN2ArCH4组成v%68.i1.29.012.430.250.030.17W(Nm540963.8217445.911463.93147.5119.9()103.24h)从上衣可知，新鲜气体中HrC6一制改.3XAI*39J)COCO2(”445.91IUJ刻=2.09.则新鲜气体的组成满足该工艺合成的要求。1.1.4循环，量的确定从质量守恒定律和甲妈合成的工2流程可得出：出塔三芝=断岸三量+婚环十芝+生反应生成北量+的反应生成三芝-主反应消耗气量一副反应消耗t量，即Grfi4-G4f*+Ga耳+G？t+G*tG工甯4tG*JMK在式子中；Gtt-OI44.47Nm-.'hGi1.=1.X013.1.9+1.0.73+24.22=iS048.14Nm''hG4jt-0.263+0.263+41.14+41.14+28.63+85.88+1106.86+1106.86-2411.036Nm'小G1j,k=180I3.19+36026.38+10.73/3+24.223=54144.42NmjhGw,u-O.525+1.O5+41.14+123.42+114.51+229.03+1106.86+1IO6.86-2723.395Nm3h”汁算整理可得;Gifc1.J=G维环+23735*31可从甲醉物料守恒中得（合成塔出门气体甲醉质为5.85%）：-0.0585Gwff+23735.831Gmk×0.60%+24.22+18013.19+10.73即:G4琢-317325.60NnJh羟循环气的组成可知循环气中各组分流量如表14所示。气体CHiOHH>COCO2N>ArCH组成八%0.6081.499.113.633.410.331.43流fiV(Nnh)1904.00258588.6328908.3611518.9210820.8011M7.I84537.76表14循环气组成1.1.5簿环比和H2、CO.Co,单程转化率循环比;J1.7325.6OGX60144.47出单程转化率:36026.38+1.05+123.42+229.03+1106.8640963.82+258588.63xOO%=12.51.%CO单程转化率:Xro=18013.19+0.525+41.14+114.5117445.91-2890836×1.()0=39.20%C。?单程转化率:1106.86x<.463.93÷1.15.02×1°853°41.1.6入塔气和出塔气的倒成入塔气的总流僦：G.=G4;m+G1.tu=60144.47+317325.60=377470.07Nm5,'h用塔气的总流浆：Gjfc4-Gmjj.+23735.831-317325.6(H23735.831-341061.43Nm'入塔毛各组分流量=新鲜其中组分流量+循环'中细分流走由此人塔气各加分流地：H2的流量:G|bA-4O963.82+258588.63-299552.45Nm'hCO的流Jit：GCoA=I7445.91+2X909.01=46354.27Nm,.'hCO2的流量：Grn,1463.93+11518.92-12982.85N11,'hN的流量:Gn2a-I47.51+10820.80-I0968.31Nm3ZhArITjaJth1.GAr=19.90+1(M7.18=1067.0XNmCH4的流量：Gc1.1.a-103.24+4537.76-4641.00Nm,'hCHQH的流造Gri1.=I9(M.O()Nm'VI1.)¾11ZX入塔气总流ft：377469.96NmM1.,由此可计算出入塔气中各组分的流量如表15所小.衣15人塔气组成气体CHxOHH2COCO：N2ArCH4祖成v%0.5079.3612.283.442.9!0.281.23iiftM(Nm)1904.00299552.4546351.2712982.8510968.311067.084WI.(X)出塔气各尔分流量=入塔十中爆分流量一反应中消耗蛆分流量+反应中生成蛆分流量由此出塔气各组分流S1.比的流量：Gk.a-299552.45-36026.38-1.05-123.42-229.03-1106.86-21.46-0.012×4036.17-261995.82Nm3Zhco的流;4：Gwi,-46354.27-1801.3.19-0.525-41.14-114.51-1.0.73-0.006×4036.17+1.IO6.86-29256.82NmCOa的流量：G.*=12982.85-1106.86=11875.99NmVhN2的流用：Gn,a-10968.31NmAr的流fit：G.r.=1.()67.0SNm'.1.hCE的流量：Gc,1.-464I.OO÷4I.14-4682.14Nm3hCH,OH的流fitGri1.hi>=19(H.0()+18013.19+10.73+24.22=19952.14Nms.,hH2O的渔H：Gh,0jb-0.263+41.14+85.88+1106.86-1234.143Nm3ZhCHiOCHx的流出：GCMOtH,&=°-263Nm，,，hC4H9OH的流址：GCJw)HM-28.63Nm$小出塔气总流贵：341061.34Nm3h,可计算出出塔气中各组分的流出如表16所示.表16出塔气殂成气体组成v%注量/(Nm'加CHQH5.8519952.14H276.82261995.82CO8.5829256.82co3.4811875.99N23.2210968.31Ar0.311067.08C1.h1.374682.14H2O0.361231.143CH1OCH3/0.263GHX)H0.0128.631.1.7甲静分离器的出口气组成甲醇分禹因出口三体如成=弛放三%体妇分+得环三气体组分甲醉分离器出门气体各纲分流IA：H：的流hi：G1.bit1.t=3288.61+258594.43=261883.04Nm,小CO的流出Gco分sb-367.M+289O9.O1.-29276.6SNmCO：的流fibGt,i1.fc=146.49+1.I5I9.18=I1.665.67Nm'N2的流琏：Gn,分出T37.61+10821.05-10858.66Nm,hAr的流状：GAr分1.fc=1.3.32+1.(M7.2O=IO6O52NmVhCHu的流量：Gag57.71+4537.86-4595.57Nmj.'hCHQH的流盘：Gc",ohfr1.fc=24.21+1904.00=1928.21Nnh甲醇分离爆出口气体的总流fft½321268.32Nm'Th.其组成如表17所示。表17分陶器H1.口气体殂成气体CHaOHH2COCO2N2ArCH4级成Y%0.6081.499.113.633.410.331.43流Ift/(Nm5Zh)1927.61261801.5529267.5411662.0410955.251060.194591.141.2能衡算1.2.1 甲静合成塔热凝衡算(1)相关计算式：全塔热平衡方程式：Q1+Qf=Q2-KJj+Q4其中：Q1:入塔气各气体组分热量，kJ.h；Qr:合成反应与副反应的反应热.kJ三Q2:出塔气各气体组分的热"，kJ'h；Q,:合成塔的热量损失，kJ/h：Q4:沸脏水吸收的热城，kJ/h.入塔气的总热量：Q=(G1×Gt,×T1.)其中:G,：入塔气各组分的流状，kmo1./h：Cp1.：入塔气各祖分的比热容，kJ(mjK);T1:入塔气体的谓度，K,入塔气各处分热量许算式：Q1.-Cp×G,×T1出塔气的总热量：Q2=(g2×gp,×t2)其中：G1;出塔气各组分的流最，kmo1./h：C,1.:出塔气各组分的比热容，kJ(nK)sT:出塔气体的谢度，K,出塔气各处分热量计算式：q,-cp,×g2×t2总反应热：EQr-QUqq+Qz+QdQ其中，Qnt甲醉,kJ/h：Qr2：甲烷，kJ,11；Qrj1.二甲健.kJ/h；Qr4:异丁格kJ/h：Qrs：水的生成热，kJ.'1nQr6:CO?逆变反附反应热.U,'h.反应热的计算式：Q=Gr×H其中：G,：各组分的生成fitkmoUh：H：生成反应的热Ift变化，kJ'no1.(2)入塔热量计笄据E化学及化学物理性质数据于册3,各组分气体在49S.I5K,52MPa下恒压型容如花18所示。表18入塔气组分定压热容气体CHsOHH>COCO：N2ArCH.,热容/M(kmo1.K)65.8329.1230.5747.6930.2321.5447.61因入塔气海度T=498.ISK,出此出Q1.-CP加XTI可得出入塔气各批分的热畸如表19所示.表19人塔气各组分的热盘气体熟志kJ(kmo1.-K)J流量(NmMI)(kmoVh)入塔热量(kJ/h)CHxOH65.8319(M.(X)85.002787423.23H229.12299552.4513372.88193988709.01CO30.5746351.272069.3931513592.83CO247.6912982.85579.5913769188.35N：30.2310968.31489.667373826.42Ar21.541067.0847.64511184.39CH147.614641.207.194913908.97即入塔气总热量：Q1-2787423.23+I939887O9.O1+315I3592.83+13769188.35+7373826.42+51!184.39+4913908.97=254857833.20kJ，'h(3)塔内反应热计算忽略甲醉合成塔反应(2)产生的热埴，反应(1)、(3)、(4),(5).(6)产生的热加按式计算：Qr=GXAH计算.生成的各组分热盘如表20所示.表20甲醇合成塔内反应热气体CH1O1.ICH5OCHtC4HmOHCH4CO生成热(kJmo1.)97.7349.62200.39115.69-42.92生成It(NmVh)1X013.190.26328.6341.1411()6.86生成最(kmMh)801.160.011.28I.S449.41反应热(kJh)78590556.80496.20256499.20212X69.6()-2120677.20合成塔的总反应热为：WQr=78590556.X(H496.20+256499,20+212869.60-2120677.2Q=76939744.60U'h(4出塔热Ift计豫据“匕学和化学性版数据手册3在528.15K和5.2MPa条件下，各成分气体在恒压下的热容量:为528.I5K.出口气体温度为528.15K.E1.JQa=Cp,卬2=工:计算由各组分帚出塔的热法如表21所示。表21出塔气组分定压热容和出塔热用热忘气体依量(NmJjh)含量(kmoUh)出塔热(kJh)kJ(kmo1.K)JCHQH65.8319952.14890.7230968654.95H;29.12261995.8211696.24179884989.82CO30.5729256.821306.1121087858.43CO247.6911875.99530.1813353894.70N；30.231096831489.667817899.07Ar21.541067.0847.64541969.36C1.1.47.614682.14209.025255851.20CHIOCH396.300.2630.01508.61CMQH169.3528.631.281144X6.02H2O35.361231.14355.101029013.66出塔气的总热量为：Q2-3O968654.95+179884989.82+2IO87858.43+I3353894.7O+7817899.O7÷54I969.36+5255854.2O+508.61.+1.1.4486.02+1029013.66=260055128.82kJ,'(5)全塔热损失整个塔的热损失约为4%,则令成塔的热投失：Q=(Q,+Qr)×4%=(254X57833.20+76939744.60)4%=1.3271903.1.1.U'h(6)沸，水吸热计算由EQi+QQr=EQz+Qa+Q,可知沸次水吸收的热量是:Q£Q+£Qr-£Q2-Qi=254X57833.20+76939744.60-260055128.82-13271903.11=5X47O54587kJh经计舞，合成塔的热埴平衡如表22所示。表22合成塔的热盘平衡表、体t体晶热反应热然视失蒸汽吸收热合计入塔气(kjh)254857833.2076939744.60/331797577.80出塔气(U0260055128.82/13271903.1158470545.87331797577.801.2.2 入塔气焦卷谓量衡算(I)进入换热器的入塔气热里进入换热时,进入塔内的气体温度为333.15K.各组分比热容见C化学和化学物理性质数据手册3.各组分带入换热静的热盘按Q,=C>xG计算,如表23所示.去23入塔气带进换热器的热砧气体热容kJ.,(kmo1.-K)量(Nm'小)七量(kn>1.'h)热量IkJorKHCHxOH46.601904.0085.003961.(X)H228.92299552.4513372.88386743.69CO30.9246351.272069.3963985.54CO258.6612982.85579.5933998.75N231.0110968.31489.6615184.36Ar22.781067.0847.641085.24CH441.114641.(M)207.198517.58总计入塔气带进换热器的热琏:O5-(3961.0O+386743.69+63985.54+33998.75+151.84.36+1.085.24+851.7.58)×333.15-171064582.70kJ'h(2>也换热器的入塔气热价经该工艺可获得，换热器的热量咕化为塔气井然化为合成塔的相同热地，然后换热器转化为塔气热心；Qti-Q1-254857833.20kJ/h(3)进换热器的出塔气热显据工艺流程,进入换热湍的塔气热址与国开合成塔的塔气热量相同(忽略管路热根失).则进入换热零的塔气热量也相同：Q7=Q2=26OO551.28.82U'h(4)出换热器的出塔气热鬓经换热器的热册衡算可知：当出塔气进到换热器后其能瞰会降低,这部分降低的能册用来给进入换热器的入塔气加热，则入塔气热晶增加的值等于出塔气热破减少的值。则,合成气经换热器后热埴增加的星为：AQn*mQ6Q5-254857833.2O171.064582.7O-8379325°5°kJh则由换热器的出塔气热价为:Qg=Q广AQM用=260055128.82-83793250.50=176261878.32kJ.h.温度为90-C.1.2.3 水冷器的热景计算(1)进入水冷洪的出塔气的热盘经该工艺可知，出换热器的出塔气的热敏和进入水冷器的热质时相同的，则Q9=Q8=176261878.32kJJh(2)出水冷涔的出塔气的热盘从换热器出来的出塔气体经水冷器进一步降温后，温度从90下降到40。出塔气之中的甲静气液两相共存,二甲健，水和异J即为液态，CO,Co2,比，N2,Ar和C”.为气态.在叶匕学化工物性数据手册?卜查得在313.15K、4MPa的条件下,各组分气体的比热容和热收计算结果如下所示：气相带出的热量：Q41-387197+337787.41+40384.92+28809.98÷15081.53+1075.71+8333.63-435347.15kJ(hK)气相总热盘：Q1.O-43534715*313.15-136328960.02kJ,1h液相带出的热量：Q,4出1=682601H33.O5T).68+24K.96=72M2.85k(hK)液相总热量：Q1,-72642.85×313.15-22748108.48U.1.h则出水冷器的总热量为：Q1.,=Qw-Q11=1.36328960.02+227481.08.48=1.5907706R.50kJ,''h各组分从水冷器带走的热盘加我24所示，表24各组分从水冷器带走的热录组分热容kJ(kmo1.-K)公量(NmMI)含量(kmoVh)热量kJ(hK)JCHxOH(液相)84.8318024.53804.6768260.16CHsOH(气W)45.021927.6186.053873.97H228.88261995.8211696.24337787.41CO30.9229256.821306.1140384.92CO254.3411875.99530.1828809.98N；30.801096831489.6615081.53Ar22.581067.0847.641075.71C1.1.39.874682.14209.028333.63H2O75.011231.14355.104133.05CHJoCHa67.850.2630.010.68C1.HQH194.5028.631.28248.96气相侪出的热量：Q*H-3873.97+337787.41+40384.92+28809.98+15081.53+1075.71*8333.63-435347.15kJ.,(hK)气相总热V：Q,o-435347.15×313.15-136328960.02kJ.1h液相帚出的热量：Q44出1f8260.16+41.33.0S0.68+248.%-72642.8SkJ'(hK)液相总拄量：Q11-72M2.85×313.15-22748108.48Uh则出水冷器的总热员为：Q12=Q10-KJ11=I36328960.02+22748108.48=159077068.50kJXh(3)冷却水的用Iit入口的冷却水的温度为25,出口的冷却水的温度为40,平均比热容4.175k用kg)：冷却水吸收热fit：Qfib>9-Q1,-176261878.32159077068.50-17184809.82kJ,1h则冷却水的用量:Fi=器=嗡翳=2744082h,即274.41M此工艺流程中是并用两个一样的水冷器.则每个水冷器用水质为”7204.07k&h.吸收的热量为8592404.91.kJ1h,即2386.78kW。