年產(chǎn)3萬(wàn)噸甲醇工藝設(shè)計(jì)石化1212羅亞峰1(2)

1、湖南化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)課題名稱(chēng)：年產(chǎn)3萬(wàn)噸甲醇合成工藝設(shè)計(jì) 系 別 化學(xué)工程系 學(xué) 號(hào) 201201010857 班 級(jí) 石化1212 學(xué)生姓名 羅亞峰 指導(dǎo)老師 吳永健 完成日期 2014.12.07 摘 要甲醇是一種久用的傳統(tǒng)化工產(chǎn)品。在農(nóng)藥,醫(yī)藥,染料，香料,涂料以及三大合成材料生產(chǎn)中都需要甲醇作為原料或作為溶劑。因此,甲醇是一種有著廣泛用途的重要的有機(jī)化工原料,甲醇工業(yè)生產(chǎn)對(duì)其他相關(guān)工業(yè)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展都有著重要意義。 隨著經(jīng)濟(jì)全球化進(jìn)程的發(fā)展,21世紀(jì)的化學(xué)工業(yè),其產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)正在不斷調(diào)整,日益突出了精細(xì)化工的主體地位。近幾十年來(lái),特別是我國(guó)甲醇工業(yè)的發(fā)展,生產(chǎn)規(guī)模逐漸擴(kuò)大,

2、下游產(chǎn)品種類(lèi)不斷增加,社會(huì)需求越來(lái)越大。因此,迫切要求對(duì)甲醇合成過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化操作和控制。化學(xué)工業(yè)的巨大變遷也使得化學(xué)產(chǎn)品設(shè)計(jì)變得日益重要。設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是進(jìn)行工藝論證，物料衡算和熱量衡算等。本設(shè)計(jì)本著符合國(guó)情、技術(shù)先進(jìn)和易得、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的原則，采用煤炭為原料；利用GSP氣化工藝造氣；NHD凈化工藝凈化合成氣體；低壓下利用列管均溫合成塔合成甲醇；三塔精餾工藝精制甲醇；此外嚴(yán)格控制三廢的排放，充分利用廢熱，降低能耗，保證人員安全與衛(wèi)生。關(guān)鍵詞：甲醇、精餾。35Abstract Methanol is a kind of extremely important organic industrial

3、chemicals, and a kind of fuel too, it is the basic products of the chemistry of carbon one. It is very important in national economy. In recent years, with the development of the products that are made from methanol, especially the popularization and application of the fuel of methanol, the demand f

4、or the methanol rises by a large margin. In order to satisfy economic development's demands for methanol , have launched the methanol project of this 30,000t/a. Main content that design to carry on craft prove, supplies weighing apparatus regard as with heat weighing apparatus charging etc The p

5、rinciple of the design in line with according with the national conditions, technologically advanced and apt, economy, protecting environment,. Coals is adopted as raw materials; the craft of GSP gasification is utilized to make water gas; the craft of NHD purification is utilized to purify the syng

6、as; tubular average -temperature reaction is utilized to synthesize methanol keeping in low pressure; the rectification craft of three towers is utilized to rectify methanol; In addition control the discharge of the three wastes strictly, fully utilize used heat, reduce energy consumption, guarantee

7、 the personal security and hygiene. Keyword: Methanol, synthesis.目 錄一、甲醇的國(guó)內(nèi)外發(fā)展簡(jiǎn)況及市場(chǎng)用途 61、生產(chǎn)得發(fā)展 62、生產(chǎn)技術(shù)得發(fā)展 73、甲醇的用途 7二、甲醇合成的主要方法 8 三、甲醇合成的生產(chǎn)原理及影響因素 91、合成系統(tǒng)中的反應(yīng) 9 2、甲醇合成生產(chǎn)得影響因素 9 2.1溫度的影響 92.2壓力的影響 9 2.3原料配比的影響 102.4催化劑顆粒尺寸的影響 102.5空速的影響 102.6反應(yīng)器結(jié)構(gòu)的影響 11四、設(shè)計(jì)依據(jù) 12五、工藝流程說(shuō)明 13六、生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì) 13 1、物料衡算 13 1.1新鮮氣

8、、馳放氣摩爾流量 14 1.2循環(huán)比的計(jì)算 161.3轉(zhuǎn)化率得計(jì)算 17 2、熱量衡算 17 2.1入塔氣與出塔氣的熱交換過(guò)程熱量衡算 18 2.2合成器冷卻器得熱量衡 243、設(shè)備選型與計(jì)算 27 3.1催化劑用量 27 3.2冷卻冷凝器的設(shè)備計(jì)算與選型 273.3粗甲醇儲(chǔ)槽 293.4循環(huán)壓縮機(jī)的計(jì)算 30七、討論 31八、參考文獻(xiàn) 32一、 甲醇的國(guó)內(nèi)外發(fā)展簡(jiǎn)況及甲醇的用途甲醇作為極其重要的有機(jī)化工原料，是碳一化學(xué)工業(yè)的基礎(chǔ)產(chǎn)品，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位。長(zhǎng)期以來(lái)，甲醇都是被作為農(nóng)藥，醫(yī)藥，染料等行業(yè)的工業(yè)原料，但隨著科技的進(jìn)步與發(fā)展，甲醇將被應(yīng)用于越來(lái)越多的領(lǐng)域。1. 生產(chǎn)的發(fā)展1)

9、世界甲醇工業(yè)的發(fā)展總體上說(shuō)，世界甲醇工業(yè)從90年代開(kāi)始經(jīng)歷了19911998的供需平衡，19981999的供大于求，從2000年初至今的供求基本平衡三個(gè)基本階段。1據(jù)Nexant Chem Systems公司的最新統(tǒng)計(jì)，全球2004年甲醇生產(chǎn)能力為42265萬(wàn)ta2以下是近幾年的甲醇需求統(tǒng)計(jì)。表1 全球主要地區(qū)甲醇消費(fèi)構(gòu)成2001年2002年2003年2004年按用途分甲醛940(31)970(32)1010(32)1050(33)MTBE830(28)810(26)780(25)760(22)（其中美國(guó)）470(16)430(14)340(11)270(8)醋酸270(9)290(9)300

10、(10)310(10)MMA90(3)90(3)100(3)100(3)其它880(29)900(29)930(30)970(30)需求合計(jì)3020(100)3060(100)3100(100)3180(100)按地區(qū)分亞洲920(30)940(31)990(32)1040(33)北美1000(33)1000(33)980(31)970(30)西歐630(21)640(21)650(21)670(21)其它470(16)480(16)490(16)500(16)需求合計(jì)3020(100)3060(100)3110(100)3180(100) 從上表可以看出，到2004年為止，甲醇仍主要用于制造

11、甲醛和MTBE。用于制造甲醛的甲醇用量隨年份成增長(zhǎng)趨勢(shì)，而MTBE的需求量則逐年降低。亞洲需求量增長(zhǎng)比較迅速，與此相反，北美地區(qū)需求則在減少。2) 我國(guó)甲醇工業(yè)發(fā)展我國(guó)的甲醇工業(yè)經(jīng)過(guò)十幾年的發(fā)展，生產(chǎn)能力得到了很大提高。1991年，我國(guó)的生產(chǎn)能力僅為70萬(wàn)噸，截止2004年底，我國(guó)甲醇產(chǎn)能已達(dá)740萬(wàn)噸 ，ll7家生產(chǎn)企業(yè)共生產(chǎn)甲醇44065萬(wàn) 生產(chǎn)甲醇，2005年19月甲醇量達(dá)39322萬(wàn)t，因此增長(zhǎng)222，進(jìn)口量991萬(wàn)t，因此下降31。2. 生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展1) 裝置大型化 與上世紀(jì)末相比，現(xiàn)在新建甲醇規(guī)模超過(guò)百萬(wàn)噸的已不在少數(shù)。在20042008年新建的l4套甲醇裝置中平均規(guī)模為134萬(wàn)

12、ta，其中卡塔爾二期工程項(xiàng)目高達(dá)230萬(wàn)ta。最小規(guī)模的是智利甲醇項(xiàng)目，產(chǎn)能也達(dá)84萬(wàn)t/a ，一些上世紀(jì)末還稱(chēng)得上經(jīng)濟(jì)規(guī)模的6O萬(wàn)t/a 裝置因失去競(jìng)爭(zhēng)力而紛紛關(guān)閉。2) 二次轉(zhuǎn)化和自轉(zhuǎn)化工藝 合成氣發(fā)生占甲醇裝置總投資的5060，所以許多工程公司將其視為技術(shù)改進(jìn)重點(diǎn)。已經(jīng)形成的新工藝主要是Synetix(前ICI)的先進(jìn)天然氣加熱爐轉(zhuǎn)化工藝(AGHR)、Lurgi的組合轉(zhuǎn)化工藝(CR)和Tops e的自熱轉(zhuǎn)化工藝(ATR)3) 新甲醇反應(yīng)器和合成技術(shù)大型甲醇生產(chǎn)裝置必須具備與其規(guī)模相適應(yīng)的甲醇反應(yīng)器和反應(yīng)技術(shù)。傳統(tǒng)甲醇合成反應(yīng)器有ICI的冷激型反應(yīng)器、Lungi的管殼式反應(yīng)器、Topsdp

13、e的徑向流動(dòng)反應(yīng)器等 近期出現(xiàn)的新合成甲醇反應(yīng)器有日本東洋工程(TEC)的MRFZ反應(yīng)器等，而反應(yīng)技術(shù)方面則出現(xiàn)了Lurgi推出的水冷一氣冷相結(jié)合的新流程。4) 引入膜分離技術(shù)的反應(yīng)技術(shù)通常的甲醇合成工藝中，未反應(yīng)氣體需循環(huán)返回反應(yīng)器，而KPT則提出將未反應(yīng)氣體送往膜分離器，并將氣體分為富含氫氣的氣體，前者作燃料用，后者返回反應(yīng)器。5) 液相合成工藝 傳統(tǒng)甲醇合成采用氣相工藝，不足之處是原料單程轉(zhuǎn)化率低、合成氣凈化成本高、能耗高。相比之下，液相合成由于使用了比熱容高、導(dǎo)熱系數(shù)大的長(zhǎng)鏈烷烴化合物作反應(yīng)介質(zhì)，可使甲醇合成在等溫條件下進(jìn)行。3. 甲醇的用途甲醇是重要的化工原料，甲醇主要用于生產(chǎn)甲醛，

14、其消耗量約占甲醇總量的3040，其次作為甲基化劑，生產(chǎn)甲胺、甲烷氯化物、丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯、對(duì)苯二甲酸二甲酯等，甲醇羰基化可生產(chǎn)醋酸、醋酐、甲酸甲酯、碳酸二甲酯等。從甲醇低壓羰基化生產(chǎn)醋酸，近年來(lái)發(fā)展很快。甲醇作為重要原料在敵百蟲(chóng)、甲基對(duì)硫磷、多菌靈等農(nóng)藥生產(chǎn)中，在醫(yī)藥、染料、塑料、合成纖維等工業(yè)中有著重要的地位。甲醇還可經(jīng)生物發(fā)酵生成甲醇蛋白，用作飼料添加劑。 甲醇不僅是重要的化工原料，而且還是性能優(yōu)良的能源和車(chē)用燃料。它可直接用作汽車(chē)燃料，也可與汽油滲合使用，它可直接用于發(fā)電站或柴油機(jī)，或經(jīng)zsM5分于篩催化劑轉(zhuǎn)化為汽油，它可與異丁烯反應(yīng)生成甲基叔丁基醚，用作汽油添加劑。二、 甲醇

15、合成方法 當(dāng)今甲醇生產(chǎn)技術(shù)主要采用中壓法和低壓法兩種工藝，并且以低壓法為主，這兩種方法生產(chǎn)的甲醇約占世界甲醇產(chǎn)量的80以上。 高壓法：（19.629.4MPa）是最初生產(chǎn)甲醇的方法，采用鋅鉻催化劑，反應(yīng)溫度360400，壓力19.629.4MPa。高壓法由于原料和動(dòng)力消耗大，反應(yīng)溫度高，生成粗甲醇中有機(jī)雜質(zhì)含量高，而且投資大，其發(fā)展長(zhǎng)期以來(lái)處于停頓狀態(tài)。 低壓法（5.08.0MPa）是20世紀(jì)60年代后期發(fā)展起來(lái)的甲醇合成技術(shù)。低壓法基于高活性的銅系催化劑，其活性明顯高于鋅鉻催化劑，反應(yīng)溫度低（240-270）。在較低壓力下可獲得較高的甲醇收率，且選擇性好，減少了副反應(yīng)，改善了甲醇質(zhì)量，降低了

16、原料的消耗。此外，由于壓力低，動(dòng)力消耗降低很多，工藝設(shè)備制造容易。中壓法（9.812.0MPa）：隨著甲醇工業(yè)的大型化，如采用低壓法勢(shì)必導(dǎo)致工藝管道和設(shè)備較大，因此在低壓法的基礎(chǔ)上適當(dāng)提高合成壓力，即發(fā)展成為中壓法。中壓法仍采用高活性的銅系催化劑，反應(yīng)溫度與低壓法相同，但由于提高了壓力，相應(yīng)的動(dòng)力消耗略有增加。比較以上三者的優(yōu)缺點(diǎn)，以投資成本，生產(chǎn)成本，產(chǎn)品收率為依據(jù)，選擇低壓法為生產(chǎn)甲醇的工藝路線。三、 甲醇合成的生產(chǎn)原理及影響因素1. 合成系統(tǒng)中的反應(yīng) CO2 + H2 CO+H2O +102.37kJ/mol CO + H2 (CH3)2O+H2O +200.39kJ/mol CO +

17、3H2 CH4+H2O +115.69kJ/mol CO2 + H2 CO+H2O -42.92kJ/mol 4CO + 8H2 C4H9OH+3H2O +49.62kJ/mol2. 甲醇合成生產(chǎn)的影響因素1) 溫度用來(lái)調(diào)節(jié)甲醇合成反應(yīng)過(guò)程的工藝參數(shù)中，溫度對(duì)于反應(yīng)混合物的平衡和速率，都有很大影響。由一氧化碳加氫生成甲醇的反應(yīng)和由二氧化碳加氫生成甲醇的反應(yīng)，均為可逆的放熱反應(yīng)。（1） 一氧化碳加氫合成甲醇的最佳溫度對(duì)于可逆放熱反應(yīng)而言，存在最佳反應(yīng)溫度曲線。當(dāng)甲醇含量較低時(shí)，由于平衡的影響相對(duì)的很小，最佳溫度高，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，甲醇含量升高，平衡影響增大，最佳溫度就低。反應(yīng)器操作時(shí)，沿著最佳溫

18、度線進(jìn)行，則反應(yīng)速率最高而可得最大產(chǎn)量，但溫度不能超過(guò)催化劑耐熱允許溫度，對(duì)于銅基催化劑一般不超過(guò)300。最佳溫度值受操作壓力，反應(yīng)氣體混合物的初始組成以及所用催化劑的顆粒大小等因素影響。（2） 有二氧化碳參加反應(yīng)時(shí)的最佳溫度 由于兩個(gè)反應(yīng)的速率常數(shù)和平衡常數(shù)不同，同一組成下，兩個(gè)反應(yīng)的最佳溫度不同。故使兩個(gè)反應(yīng)速率之和最大時(shí)的溫度，才是該反應(yīng)系統(tǒng)的最佳溫度。實(shí)現(xiàn)最佳溫度的方法，工業(yè)上采用連續(xù)換熱式或多段冷激式催化劑筐，使催化床的溫度盡可能沿最佳溫度分布。2) 壓力 壓力也是甲醇合成反應(yīng)過(guò)程的重要工藝條件之一。甲醇合成反應(yīng)時(shí)分子數(shù)減少，因此增加壓力對(duì)平衡有利，由于壓力高，組分的分壓提高，因而催

19、化劑的生產(chǎn)強(qiáng)度也提高。操作壓力的選用與催化劑的活性溫度范圍有關(guān)。對(duì)于鋅鉻催化劑，其起始活性溫度在320，由于反應(yīng)平衡的限制，只能選用2530mpa。再高的壓力則會(huì)導(dǎo)致副反應(yīng)加速，造成溫度猛升而損壞催化劑。而銅系催化劑的活性溫度范圍在200300，操作壓力可降至5MPa，若能解決移熱問(wèn)題，則可設(shè)計(jì)高壓下銅基催化劑合成甲醇的系統(tǒng)。對(duì)于現(xiàn)有合成塔的操作，催化劑使用初期，活性好，操作壓力可較低;催化劑使用后期，活性降低，往往采用較高壓力，以保持一定的生產(chǎn)強(qiáng)度。3) 原料配比 實(shí)驗(yàn)證明，最大反應(yīng)速率時(shí)的組成并不是化學(xué)計(jì)量組成，由動(dòng)力學(xué)方程確定的最佳氫碳比表明，在遠(yuǎn)離平衡的情況下，ZnCr催化劑最大反應(yīng)速

20、率的組成H2 ：CO4，據(jù)報(bào)道，氫含量還可以減少副反應(yīng)以及降低催化劑的中毒程度。以上所指組成的氫碳比是合成反應(yīng)器內(nèi)的組成，近似于循環(huán)氣組成，至于合成系統(tǒng)的進(jìn)口新鮮氣組成，則應(yīng)根據(jù)整個(gè)合成系統(tǒng)的物料平衡而定，以維持系統(tǒng)的穩(wěn)定生產(chǎn)。CO2的存在對(duì)于甲醇合成是有益的，一般維持在26即可，新鮮氣中CO2含量還可略高些。新鮮氣的組成，一般受上游流程的制約，但也要盡量滿足本系統(tǒng)的要求。按化學(xué)計(jì)量要求（H2O2）與(CO+CO2)的摩爾比一般為2.052.15。惰性氣體的含量也能影響反應(yīng)速率，含量太高，降低反應(yīng)速率，生產(chǎn)單位產(chǎn)量的動(dòng)力消耗也大；維持低惰性氣含量，則放空量加大，多損失有效氣體。一般來(lái)說(shuō)，惰性氣

21、體含量要根據(jù)具體情況來(lái)定，而且這也是調(diào)節(jié)工況的手段之一。4) 催化劑顆粒尺寸 由動(dòng)力學(xué)研究可知，催化劑顆粒大小對(duì)甲醇合成的宏觀速率有顯著的影響。催化劑顆粒小，內(nèi)表面利用率大，從而宏觀反應(yīng)速率大，可減少催化劑用量；粒度減小，會(huì)使床層壓力降增大，從而增加動(dòng)力消耗。因此催化劑的最佳顆粒尺寸尚需視氣流和床層的特性即有關(guān)的具體情況而定。較合理的情況是，反應(yīng)器上部裝小顆粒，下部則裝大顆粒催化劑。5) 空速 對(duì)于甲醇合成過(guò)程，若采用較低空速，則反應(yīng)速率變化較大，反應(yīng)過(guò)程中氣體混合物的組成與平衡組成較接近，反應(yīng)速率較低，催化劑的生產(chǎn)強(qiáng)度較低，但單位甲醇產(chǎn)品所需循環(huán)氣量小，氣體循環(huán)的動(dòng)力消耗小，預(yù)熱未反應(yīng)氣體到

22、催化劑進(jìn)口溫度所需換熱面積較小，且離開(kāi)反應(yīng)器氣體的溫度較高，熱能利用價(jià)值高。若采用較高空速，則反應(yīng)速率變化較小，催化劑的生產(chǎn)強(qiáng)度提高，但增大了預(yù)熱所需傳熱面積，熱能利用率降低，增大了循環(huán)氣體通過(guò)設(shè)備的壓力降及動(dòng)力消耗，并且由于氣體中反應(yīng)產(chǎn)物的濃度降低，增加了分離反應(yīng)產(chǎn)物的費(fèi)用。還應(yīng)注意，空速增大到一定程度后，催化劑床層溫度不能維持。因此，必須綜合多方面因素來(lái)考慮最佳空速的問(wèn)題。6) 反應(yīng)器結(jié)構(gòu) 甲醇合成塔內(nèi)件的型式繁多，內(nèi)件的核心為催化劑筐，他的設(shè)計(jì)好壞直接影響合成塔的產(chǎn)量和消耗定額。一個(gè)好的催化劑筐設(shè)計(jì)應(yīng)滿足以下要求：（1） 能保證催化劑在升溫、還原過(guò)程中操作正常、還原充分，盡可能地提高催化

23、劑的活性，達(dá)到最大的生產(chǎn)強(qiáng)度。（2） 能有效地移去反應(yīng)熱，合理地控制催化劑層的溫度分布，使其逼近最佳操作溫度線，提高甲醇凈值和催化劑的使用壽命。 （3） 能保證氣體均勻地通過(guò)催化劑層，阻力小，氣體處理量大，甲醇產(chǎn)量高。（4） 充分利用高壓空間，盡可能多裝催化劑，提高容積利用系數(shù)。（5） 操作穩(wěn)定、調(diào)節(jié)方便，能適應(yīng)各種操作條件的變化。（6） 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)轉(zhuǎn)可靠，裝卸催化劑方便，制造、安裝和維修容易等。（7） 妥善處理各個(gè)內(nèi)件的連接與保溫，避免產(chǎn)生熱應(yīng)力，使內(nèi)件在塔內(nèi)能自由脹縮。如上所述，合成塔內(nèi)件型式很多，有各自的特點(diǎn)和適用場(chǎng)合，因此不能用簡(jiǎn)單的方法肯定一種塔型或全部否定一種塔型。傳統(tǒng)的高壓法甲

24、醇合成多用連續(xù)換熱的三套管并流式和單管并流式，中低壓法流程則多用多層冷激式合成塔和管式合成塔以及兩者的改進(jìn)型合成塔。無(wú)論在何種壓力下操作，為減少阻力面應(yīng)用徑向合成塔或軸、徑向復(fù)合式合成塔。四、 設(shè)計(jì)依據(jù)1. 生產(chǎn)規(guī)模： 3萬(wàn)噸/年2. 年工作時(shí)間：300天（7920小時(shí)）3. 產(chǎn)品純度：大于99（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）4. 甲醇衡算數(shù)據(jù)：見(jiàn)下表表2 甲醇衡算數(shù)據(jù)表組分組成合成塔出口氣中甲醇含量3.95新鮮氣（mol）馳放氣（mol）粗甲醇kg/100kg溶解氣NM3/tCO20.11640.06800.85224.9280CH40.01960.1560-0.1008N20.0112-0.5824H20.8

25、5280.66440.00013.1808CO0.10500.00680.5712CH3OH-0.005679.11400.6944(CH3)2O-0.00030.54800.0560C4H9OH-0.1990-H2O-0.000719.24090.1008五、 工藝流程說(shuō)明工藝流程可簡(jiǎn)略的表示為下圖： 合成塔循環(huán)壓縮冷卻冷凝甲醇分離閃蒸1新鮮氣23馳放氣5溶解（閃蒸）氣 86粗甲醇 7圖1 甲醇合成工藝流程示意圖 本工藝采用低壓法，新鮮氣與由壓縮機(jī)產(chǎn)生的循環(huán)壓縮氣混合，形成入塔氣，其溫度為40，壓力為10MPa。在進(jìn)入合成塔前，入塔氣與出塔氣進(jìn)行熱交換，溫度升到150，壓力仍為10.0MPa

26、,經(jīng)銅系催化劑催化反應(yīng)后，溫度變?yōu)?20，壓力變?yōu)?.6MPa。出塔氣與入塔氣熱交換后，進(jìn)入冷卻冷凝器，此過(guò)程大部分甲醇冷凝，溫度降至25。少量未冷凝的甲醇與其它氣體一起進(jìn)入循環(huán)壓縮機(jī)，然后再與新鮮氣混合。在進(jìn)入壓縮機(jī)前，有一排氣口，將少部分冷凝后的氣體排放，以減少惰性氣體在體系中的累積。冷凝后的甲醇進(jìn)入閃蒸罐，得到粗甲醇和閃蒸氣。閃蒸氣排空，粗甲醇進(jìn)入精餾系統(tǒng)精制。六、 工藝流程設(shè)計(jì)1. 物料衡算以1噸粗甲醇為基礎(chǔ)，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)作總的物料衡算，物料衡算圖如圖2所示。 第5流股馳放氣第1流股新鮮氣第8流股溶解（閃蒸）汽第7流股粗甲醇 圖2 總物料衡算圖CO2CH4N2H2COCH3OH(CH3)

27、2OC4H9OHH2Osum質(zhì)量/kg/h8.522000.0010.068791.145.481.99192.409999.61摩爾流量/Kmol/h0.194000.00050.00224.7230.1100.02710.68935.746摩爾分率5.42E-03001.40E-056.79E-056.92E-013.07E-037.52E-042.99E-011由甲醇衡算數(shù)據(jù)表，可計(jì)算出第7流股中各組分質(zhì)量，摩爾流量，摩爾分率表3 第7流股各組分構(gòu)成情況以CO2為例：m CO2=0.8522×108.522kg/hn CO2=8.522/44=0.194kmol/hx CO2=

28、0.194/xini=5.42e-03表4 第8流股各組成構(gòu)成情況CO2CH4N2H2COCH3OH(CH3)2OC4H9OHH2Osum體積/NM34.9280.1010.5823.1810.5710.6940.05600.101摩爾流量/Kmol/h0.2200.0050.0260.1420.0260.0310.00300.0050.456摩爾分率0.4820.0100.0570.3110.0560.0680.00500.0101.0001) 新鮮氣、馳放氣摩爾流量設(shè)新鮮氣摩爾流量為F，CO的摩爾含量為x。馳放氣摩爾流量為Q，其中甲烷含量為y。根據(jù)原子平衡，可得以下方程：C原子：F

29、5;(0.136+x)=25.532+Q×(0.1792+y) 1O原子：F×(0.2328+x)=36.442+Q×0.2476 2N原子：0.0112×F=0.026+Q×(0.156-y) 3H原子：F×(1.784-2x)=121.649+Q×(1.354+4y) 4由方程3得Qy=0.026+0.156Q-0.0112F 5將5代入1，2，4，得：0.1472+Fx=25.558+0.3352Q 60.2328+Fx=36.442+0.2476Q 7 0.9144F-Fx=86.4345+0.989Q 8由6，7，

30、8，解得 1.0616F=86.4345+1.3242Q 0.0856F=10.884-0.0876Q 故 F=106.5436 kmol/h Q=20.1421 kmol/h由方程2，3得 x =0.156y=0.0982) 循環(huán)比的計(jì)算設(shè)循環(huán)比為R,則循環(huán)流量為(R×106.5436)kmol/h,得到下列方程：(106.5436R+20.1421)×0.0056+36.2016×0.6838 =0.0395 106.5436R+20.1421+36.2016故R=6.2688再根據(jù)上述方法，對(duì)每個(gè)系統(tǒng)作物料衡算，可得到各流股的摩爾流量，摩爾分率。結(jié)果見(jiàn)下表：

31、表5 物料衡算表流股項(xiàng)目CO2CH4N2H2COCH3OH(CH3)2OC4H9OHH2Osum1摩爾流量12.4022.088 1.193 74.235 16.626 0000106.544 摩爾分率0.116 0.020 0.011 0.697 0.156 00001.000 2摩爾流量57.819 67.574 39.900 517.988 86.755 3.740 0.200 0.000 0.468 774.444 摩爾分率0.075 0.087 0.052 0.669 0.112 0.005 0.000 0.000 0.001 1.000 3摩爾流量47.201 67.465 39.

32、900 457.278 72.272 28.607 0.319 0.027 11.176 724.244 摩爾分率0.065 0.093 0.055 0.631 0.100 0.039 0.000 0.000 0.015 1.000 4摩爾流量0.414 0.005 0.026 0.143 0.028 24.754 0.112 0.027 10.694 36.202 摩爾分率0.011 0.000 0.001 0.004 0.001 0.684 0.003 0.001 0.295 1.000 5摩爾流量1.370 1.975 1.167 13.382 2.115 0.113 0.006 0.0

33、00 0.014 20.142 摩爾分率0.068 0.098 0.058 0.664 0.105 0.006 0.000 0.000 0.001 1.000 6摩爾流量45.417 65.486 38.707 443.753 70.130 3.740 0.200 0.000 0.468 667.901 摩爾分率0.068 0.098 0.058 0.664 0.105 0.006 0.000 0.000 0.001 1.000 7摩爾流量0.194 0.000 0.000 0.001 0.002 24.723 0.110 0.027 10.689 35.746 摩爾分率0.005 0.000

34、 0.000 0.000 0.000 0.692 0.003 0.001 0.299 1.000 8摩爾流量0.220 0.005 0.026 0.142 0.026 0.031 0.003 0.000 0.005 0.456 摩爾分率0.482 0.010 0.057 0.311 0.056 0.068 0.005 0.000 0.010 1.000 備注：摩爾流量的單位為kmol/h。3) 轉(zhuǎn)化率的計(jì)算 單程轉(zhuǎn)化率 X單=(57.819+86.755)-(47.201+72.272)/(57.819+86.755)=0.174 全程轉(zhuǎn)化率 X全=(57.819+86.755)-(47.20

35、1+72.272)/(12.402+16.626)=0.8652. 熱量衡算2.1入塔氣與出塔氣的熱交換過(guò)程熱量衡算，下圖為熱交換過(guò)程示意圖。 入塔氣10.0MPa,40出塔氣9.6MPa,22010MPa,1509.6MPa,T圖3 入塔氣與出塔氣的熱交換示意圖i) 入塔氣焓變計(jì)算r.g.10.0Mpa,40i.g.10.0Mpa,40r.g.10.0Mpa,150i.g.10.0Mpa,150H1H2H3H查手冊(cè)5，得到入塔氣各組分的物性數(shù)據(jù)，如下表：表6 入塔氣各組分的物性數(shù)據(jù)利用公式a= 0.42748×R2×Tc2.5/Pc b=0.08664×R

36、15;Tc/Pc可計(jì)算出各組分的a,b,再利用混合規(guī)則amix1/2=yiai1/2,bmix=biyi ，可得到混合物的a,b.如下表所示：表7 混合氣的a,b的計(jì)算組分abyiai1/2biyiCO26.45992.9682E-050.18982.216E-06CH43.22072.9847E-050.15662.604E-06N21.55602.6786E-050.06431.38E-06H20.14271.8203E-050.25271.218E-05CO1.72022.7364E-050.14693.065E-06CH3OH21.73424.5666E-050.02252.205E-

37、07(CH3)2O38.15509.2255E-050.00162.387E-08C4H9OH50.34719.1877E-050.00000H2O14.27272.1136E-050.00231.276E-086.45992.9682E-050.83662.17E-05所以： amix=0.6999, bmix=2.17×10-5由RK方程p=RT/(V-b)-a/T0.5V(V+b),求T=313.15K,P=10MPa時(shí)的摩爾體積V。解非線性方程的方法用Newton法。即： x(k+1)=x(k)-f(x)/f(x)求解過(guò)程如下： f(x)=RT/(Vm-b)-a/T0.5Vm

38、(Vm+b)-pf(x)=RT×-1/(Vm-b)2-a/T0.5-1/Vm(Vm+b)×(2Vm+b)取初值Vm=2.00×10-4m3；故入塔氣的Vm=2.00×10-4m3 .由此，可得到：H1=RT-pVm+3a/(2bT0.5)×ln(1+b/Vm) 8.314×313.15-10×106×2.70×10-4+3×0.6999/（2×2.17×10-5×313.150.5）×ln（1+2.17×10-5/2.70×10-4）

39、119.534J/(mol*h)同理，可求得H3=-1.45J/(mol*h), T=423.15K,P=10MPa下的Vm計(jì)算過(guò)程如下表：Vm(k)Vm(k+1)f(x)f(x)'2.00E-04-8.96E+06-1.03E+112.87E-042.87E-042.89E+06-4.75E+103.48E-043.48E-045.31E+05-3.17E+103.64E-043.64E-042.56E+04-2.87E+103.65E-043.65E-046.53E+01-2.85E+10-3.65E-04-由H2=T1T2CpdT可知，求解H2的關(guān)鍵為找到Cp與T的關(guān)系。查表5，

40、得到入塔氣各組分的Cp與T的關(guān)系： Cp/J/(mol*k)=a0+a1T+a2T2+a3T3+a4T4組分a0a1a2a3a4CO23.2591.36E-031.50E-05-2.37E-081.06E-11CH44.568-8.98E-033.63E-05-3.41E-081.09E-11N23.5385-2.61E-047.40E-081.57E-09-9.89E-13H22.88333.68E-03-7.72E-066.92E-09-2.13E-12CO3.912-3.91E-031.18E-05-1.30E-085.15E-12CH3OH4.714-6.99E-034.21E-05-

41、4.44E-081.54E-11(CH3)2O4.3616.07E-032.90E-05-3.58E-081.28E-11C4H9OH4.4671.64E-026.69E-05-9.69E-083.86E-11H2O4.395-4.19E-031.41E-05-1.56E-086.32E-12利用上表，可求得入塔氣的Cp與T的關(guān)系。組分摩爾分率a0'a1'a2'a3'a4'CO20.0747 0.2433 1.012E-041.121E-06-1.772E-097.884E-13CH40.0873 0.3986 -7.831E-043.168E-06-2

42、.973E-099.519E-13N20.0515 0.1823 -1.345E-053.813E-098.109E-11-5.094E-14H20.6689 1.9285 2.462E-03-5.16E-064.625E-09-1.421E-12CO0.1120 0.4382 -4.383E-041.324E-06-1.459E-095.769E-13CH3OH0.0048 0.0228 -3.374E-052.034E-07-2.146E-107.413E-14(CH3)2O0.0003 0.0011 1.570E-067.501E-09-9.265E-123.317E-15C4H9OH0

43、00000H2O0.0006 0.0027 -2.527E-068.482E-09-9.442E-123.815E-151.0000 3.2175 1.293E-036.733E-07-1.731E-099.263E-13故入塔氣的Cp=3.2175+1.293×10-3T+6.733×10-7T2+(-1.731×10-9)T3+9.263×10-13T4H2=3.2175×(423.15-313.15)+ 1.293×10-3/2×(423.152-313.152)+6.733×10-7/3×(423

44、.153-313.153)+(-1.731×10-9)/4×(423.154-313.154)+9.263×10-13/5×(423.155-313.155) 408.661 J/(mol*h)H(H1+H2+H3)×F2 = (119.534+408.661-1.45)×774.444×1000 4.08×108J/hii) 出塔氣經(jīng)熱交換后的溫度 出塔氣的H1的求解方法與入塔氣相同，利用相同的公式，把流股3的各組分的摩爾分率代入，即可求得 amix=1.0330, bmix=2.259×10-5r.g

45、.9.6Mpa,220i.g.9.6Mpa,220r.g.10.0Mpa,Ti.g.9.6Mpa,TH1H2H3H出塔氣換熱前的摩爾體積Vm(k)Vm(k+1)f(x)f(x)'2.00E-041.25E+07-1.20E+113.04E-043.04E-044.52E+06-4.89E+103.96E-043.96E-041.10E+06-2.80E+104.35E-044.35E-041.03E+05-2.30E+104.40E-044.40E-041.08E+03-2.26E+104.40E-04 Vm=4.40×10-4m3H1=RT-pVm+3a/(2bT0.5)&

46、#215;ln(1+b/Vm) 8.314×493.15-9.6×106×4.40×10-4+3×1.0330/（2×2.259×10-5×493.150.5）×ln（1+2.259×10-5/4.40×10-4） =33.3 J/(mol*h) 同理，求得出塔氣的Cp與T的關(guān)系為： Cp=3.2998+8.324×10-4T+2.566×10-6T2+(-3.583×10-9)T3+1.533×10-12T4 假設(shè)出塔氣經(jīng)還熱后溫度T=100,

47、求得該溫度下的摩爾體積，即可求得H2,H3,即可求得H，比較H與H之間的差值，再利用二分法調(diào)整T。當(dāng)達(dá)到所需精度要求后，此時(shí)的T即為要求的T。流程圖如下所示：設(shè)T=100利用RK方程求得Vm求得H2,H3求得HH+H<得到T是否，利用二分法重新取TT=100時(shí)，Vm(k)Vm(k+1)f(x)f(x)'2.00E-04-6.69E+06-8.72E+102.77E-042.77E-041962858.9-4.36E+103.22E-043.22E-042.87E+05-3.18E+103.31E-043.31E-048.15E+03-3.00E+103.31E-043.31E-0

48、46.95E+00-2.99E+10-3.31E-04- Vm=3.31×10-4m3H2=3.2998×(373.15-493.15)+8.324×10-4/2×(373.152-493.152)+2.566×10-6/3×(373.153-493.153)+(-3.583×10-9)/4×(373.154-493.154)+1.533×10-12/5×(373.155-493.155) =-468.587 J/(mol*h)H3=RT-pVm+3a/(2bT0.5)×ln(1+b/

49、Vm)8.314×373.15-9.6×106×3.31×10-4+3×1.0330/（2×2.259×10-5×373.150.5）×ln（1+2.259×10-5/3.31×10-4） =-158.414 J/(mol*h)H =(H1+H2+H3)×F3 =(33.3-468.587-158.414)×724.2442×1000 -4.30×108J/h =H+H=-4.30×108+4.08×108=-2.20×107 J/h迭代過(guò)程如下：次數(shù)T/KVmH1/J/mol*hH2/J/mol*hH3/J/mol*hH/J/hH/J/h/J/h1373.153.311E-0433.3-468.587-158.414-4.30E+084.08E+08-2.20E+072383.153.403E-0433.3-