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工艺计算
第四章精甲醇生产工艺计算
工艺计算作为化工工艺设计,工艺管道,设备的选择及生产管理,工艺条件选择的主要依据,对平衡原料,产品质量,选择最佳工艺条件,确定操作控制指标,合理利用生产的废料,废气,废热都有重要作用。
4.1甲醇生产的物料平衡计算
4.1.1合成塔物料平衡计算
已知:
年产15000吨精甲醇,每年以300个工作日计。
精甲醇中甲醇含量(wt):
99.95%
粗甲醇组成(wt):
[Lurgi低压合成工艺]
甲醇:
93.89%
轻组分[以二甲醚(CH3)2O计]:
0.188%
重组分[以异丁醇C4H9OH计]:
0.026%
水:
5.896%
所以:
时产精甲醇:
Kg/h
时产粗甲醇:
Kg/h
根据粗甲醇组分,算得各组分的生成量为:
甲醇:
2083.33Kg/h65.10kmol/h1458.24Nm3/h
二甲醚:
4.169Kg/h0.0906kmol/h2.030Nm3/h
异丁醇:
0.577Kg/h0.0078kmol/h0.175Nm3/h
水:
130.76Kg/h7.265kmol/h162.00Nm3/h
合成甲醇的化学反应为:
、
主反应:
CO+2H2
CH3OH+102.37KJ/mol……①
副反应:
2CO+4H2
(CH3)2O+H2O+200.39KJ/mol……②
CO+3H2
CH4+H2O+115.69KJ/mol……③
4CO+8H2
C4H9OH+3H2O+49.62KJ/mol……④
CO2+H2
CO+H2O-42.92KJ/mol……⑤
生产中,测得每生产1吨粗甲醇生成甲烷7.56Nm3,即0.34kmol,故CH4每小时生成量为:
Nm3,即0.757kmol/h,12.112Kg/h。
忽略原料气带入份,根据②、③、④得反应⑤生成的水的量为:
7.265-0.0906-0.0078
3-0.757=6.394kmol/h,即在CO逆变换中生成的H2O为6.394kmol/h,即143.23Nm3/h。
5.06Mpa,40℃时各组分在甲醇中的溶解度列表于表4-1
表4-15.06Mpa,40℃时气体在甲醇中的溶解度
组分
H2
CO
CO2
N2
Ar
CH4
溶解度
Nm3/t甲醇
0
0.682
3.416
0.341
0.358
0.682
Nm3/h
0
1.008
5.501
0.504
0.529
1.008
《甲醇生产技术及进展》华东工学院出版社.1990
据测定:
35℃时液态甲醇中释放CO、CO2、H2等混合气中每m3含37.14g甲醇,假定溶解气全部释放,则甲醇扩散损失为:
(1.008+5.501+0.504+0.529+1.008)
=0.301kg/h
即0.0094kmol/h,0.211Nm3/h。
根据以上计算,则粗甲醇生产消耗量及生产量及组成列表4-2。
表4-2甲醇生产消耗和生成物量及组成
消耗
方式
单
位
消耗物料量
生成物料量
合计
CO
H2
CO2
N2
CH4
CH3OH
C4H9OH
(CH3)2O
H2O
消耗
生成
①式
kmol
65.10
130.20
65.10
Nm3
1458.24
2916.48
1458.24
4374.72
1458.24
②式
kmol
0.1812
0.3624
0.0906
0.0906
Nm3
4.06
8.12
2.030
2.030
12.18
4.06
③式
kmol
0.757
1.514
0.757
0.757
Nm3
16.957
33.914
16.957
16.957
50.871
33.914
④式
kmol
0.0312
0.0624
0.0078
0.024
Nm3
0.7
1.4
0.175
0.525
2.1
0.7
⑤式
kmol
<6.394>
6.394
6.394
6.394
Nm3
<143.23>
143.23
143.23
143.23
143.23
143.23
气体溶解
Nm3
1.008
0
5.051
0.504
1.008
7.571
扩散损失
Nm3
0.211
0
0.422
<0.211>
0.633
0.211
合计
Nm3
1337.96
3103.14
143.70
0.504
15.949
1458.45
0.175
2.030
162.74
4590.67
1640.14
消耗组成
%(v)
29.145
67.597
3.13
0.011
生成质量
kg
2081.5
0.578
4.168
130.77
2219.02
生成组成
%(wt)
93.89
0.026
0.188
5.896
100
设新鲜气量为G新鲜气,驰放气为新鲜气的9%[1],驰放气组成与循环气相同。
见表4-3。
表4-3 驰放气组成
组分
H2
CO
CO2
CH4
N2
Ar
CH3OH
H2O
Mol%
79.31
6.29
3.50
4.79
3.19
2.30
0.61
0.01
《甲醇生产技术及进展》华东工学院出版社.1990
G新鲜气=G消耗气+G驰放气
所以:
G新鲜气=G消耗气+0.09G新鲜气=4590.67+0.09G新鲜气
=5044.72Nm3/h
新鲜气组成见表4-4
表4-4 甲醇合成新鲜气组成
组分
H2
CO
CO2
CH4
N2
Ar
总计
Nm3
3476.99
1365.17
167.49
6.394
15.29
13.92
5044.72
组成mol%
68.92
27.06
3.32
0.130
0.303
0.276
100
测得:
甲醇合成塔出塔气中含甲醇7.12%。
根椐表4-2、表4-4,设出塔气量为G出塔。
又知醇后气中含醇0.61%。
所以有:
=7012%
G醇后=G出塔-(G醇+G副+G扩)+GCH4
=G出塔-1629.974
所以:
G出塔=22247.27Nm3/h
G循环气=G出塔-(G醇+G副+G扩)+GCH4-G驰放气
=22247.27-1640.144+10.17-
=20163.271Nm3/h
甲醇生产循环气量及组成见表4-5
表4-5甲醇生产循环气量及组成
组分
CO
CO2
H2
N2
CH4
Ar
CH3OH
H2O
合计
流量:
Nm3/h
1268.27
705.71
15991.49
613.65
918.74
442.85
116.71
2.02
20163.27
组成%(V)
6.29
3.50
79.31
3.19
4.79
2.30
0.61
0.01
100
G入塔=G循环气+G新鲜气
=20163.271+5044.72
=25207.99Nm3/h
由表4-4及表4-5得到表4-6。
表4-6甲醇生产入塔气流量及组成 单位:
Nm3/h
组分
CO
CO2
H2
N2
CH4
Ar
CH3OH
H2O
合计
流量:
Nm3/h
2945.98
872.20
19362.26
925.13
456.77
628.94
116.71
1.76
25207.99
组成(V)%
4.29
3.46
76.81
3.67
1.812
2.495
0.463
0.007
100
又由G出塔=G循环气-G消耗+G生成
据表4-2、4-6、得表4-7。
组分
CO
CO2
H2
N2
CH4
Ar
CH3OH
H2O
C4H9OH
(CH3)2O
合计
入塔
2845.98
872.20
19362.26
628.94
925.13
456.77
116.71
1.76
25207.99
消耗
1337.96
143.70
3103.14
0.504
1.008
0.529
4586.84
生成
16.957
1458.45
162.74
0.175
2.030
1640.35
出塔
1508.02
728.50
16259.12
628.44
941.08
456.24
1575.16
164.50
0.175
2.030
22263.24
组成(V)
6077
3027
73.03
2.82
4.23
2.05
7.08
0.739
0.001
0.01
100
甲醇分离器出口气体和液体产品的流量、组成见表4-8。
表4-8 甲醇分离器出口气体组成、流量:
单位:
Nm3/h
组分
CO
CO2
H2
N2
CH4
Ar
CH3OH
C4H9OH
(CH3)2O
H2O
合计
损失
1.008
5.051
0
0.504
1.008
0.529
0.211
8.311
出气
1508.24
723.45
16259.12
627.932
940.07
455.71
116.50
20630.8
组成(V)%
7.309
3.507
78.81
3.044
4.557
2.209
0.565
100
出液
1458.45
0.175
2.030
162.74
1623.40
组成mol%
89.84
0.011
0.125
10.13
100
重量:
kg
2083.5
0.384
2.780
130.77
2217.43
组成(wt)%
93.96
0.017
0.125
5.897
100
甲醇驰放气流量及组成见表4-9。
表4-9甲醇驰放气流量及组成
组成
CO
CO2
H2
CH4
Ar
CH3OH
H2O
合计
流量:
Nm3/h
18.11
5.59
241.05
13.55
8.25
1.86
微
297.6
组成:
(V)%
6.085
1.878
81.00
4.553
2.771
0.625
100
粗甲醇贮罐气流量及组成风表4-10。
表4-10贮罐气组成、流量
组成
CO
CO2
H2
CH4
Ar
CH3OH
N2
合计
流量:
Nm3/h
1.008
5.051
0
1.008
0.529
0.211
0.504
8.311
组成:
(V)%
12.129
60.774
0
12.129
6.365
2.539
6.064
100
由表4-2到表4-10可得表4-11。
表4-11 甲醇生产物料平衡汇总表
组分
新鲜气
入塔气
循环气
出塔气
醇后气
流量
组成
流量
组成
流量
组成
流量
组成
流量
组成
Nm3
(v)%
Nm3
(v)%
Nm3
(v)%
Nm3
(v)%
Nm3
(v)%
CO
1365.77
27.06
2845.98
4.29
1268.27
6.29
1508.02
6.77
1508.02
7.309
CO2
167.49
3.32
872.20
3.46
705.71
3.50
728.50
3.27
723.45
3.507
H2
3476.99
68.92
19362.26
78.81
15991.49
79.31
16259.46
73.03
16259.12
78.81
N2
15.29
0.303
628.94
2.495
613.65
3.19
628.44
2.82
627.932
3.044
Ar
13.92
0.276
456.77
1.812
442.85
2.30
456.24
2.05
455.71
2.209
CH4
6.394
0.130
925.13
3.67
918.74
4.79
941.08
4.23
940.07
4.557
CH3OH
116.71
0.463
116.71
0.61
1575.16
7.08
116.50
0.565
C4H9OH
0.175
0.001
(CH3)2O
2.030
0.01
H2O
1.76
0.007
2.02
0.01
164.5
0.739
微
/
合计
5044.72
100
25207.99
100
20163.27
100
22263.24
100
20630.8
100
根椐计算结果,可画出甲醇生产物流图,如:
图4-1 甲醇生产物流图
1.新鲜气3.循环气
2.入塔气6.驰放气
5.醇后气
4.出塔气
7.粗甲醇
4.1.2粗甲醇精馏的物料平衡计算
1.预塔的物料平衡
(1).进料
A.粗甲醇:
2217.80kg/h。
根据以上计算列表4-12
组分
甲醇
二甲醚
异丁醇
水
合计
流量:
kg/h
2083.55
0.579
4.168
130.77
2219.067
组成:
(wt)%
93.893
0.026
0.188
5.896
100
B.碱液:
据资料,碱液浓度为8%时,每吨粗甲醇消耗0.1kg的NaOH。
则消耗纯NaOH:
换成8%为:
=2.605kg/h
C.软水:
据资料记载。
软水加入量为精甲醇的20%计,则需补加软水:
2083.55
20%-2.605
(1-8%)=416.71-2.40
=414.31
据以上计算列表4-13。
表4-13 预塔进料及组成
物料量:
kg/h
CH3OH
H2O
NaOH
(CH3)2O
C4H9OH
合计
粗甲醇
2083.55
130.76
4.169
0.577
2219.056
碱液
2.397
0.2084
2.605
软水
414.31
414.31
合计
2083.55
547.467
0.2084
4.169
0.577
2635.97
(2).出料
A.塔底。
甲醇:
2083.55kg/h
B.塔底水。
粗甲醇含水:
130.76kg/h
碱液带水:
2.397kg/h
补加软水:
414.31kg/h
合计:
547.467kg/h
C.塔底异丁醇及高沸物:
0.577kg/h
D.塔顶二甲醚及低沸物:
4.169kg/h
由以上计算列表4-14。
表4-14 预塔出料流量及组成
物料量:
kg/h
CH3OH
H2O
NaOH
(CH3)2O
C4H9OH
合计
塔顶
4.169
4.169
塔底
2083.55
547.467
0.2084
0.577
2635.97
合计
2083.55
547.467
0.2084
4.169
0.577
2635.97
2.主塔的物料平衡计算
(1).进料
加压塔。
预后粗甲醇:
2631.801kg/h
常压塔。
2631.801-2083.55
=2631.801-1389.033
=1242.768kg/h
(2).出料
加压塔和常压塔的采出量之比为2:
1,常压塔釜液含甲醇1%。
A.加压塔。
塔顶:
2083.55
=1389.033kg/h
塔釜:
1242.768kg/h
B.常压塔。
塔顶:
2083.55
99%=687.57kg/h
塔釜:
甲醇 水 NaOH高沸物
kg/h:
6.945547.4670.20840.577
总出料:
由以上计算。
得表4-15甲醇精馏塔物料平衡汇总表:
单位:
kg/h
1389.033+547.467+0.2084+0.577+6.945+687.57=2631.80
得表4-15甲醇精馏塔物料平衡汇总
物料
物料
加压塔出料
常压塔出料
常压塔釜出料
合计
甲醇
2083.55
1389.033
687.57
6.945
2083.55
NaOH
0.2084
0.2084
0.2084
水
547.467
547.467
547.467
高沸物
0.577
0.577
0.577
合计
2631.80
1389.033
687.57
555.20
2631.80
根椐计算结果可画出粗甲精馏物流图,见图4-2。
4.预塔顶出料6.加压塔顶出料 7.常压塔顶出料
1.粗甲醇
2.软水
3.碱液
5.预塔底出料8.常压塔釜出料
图4-2粗甲醇精馏物流图
4.2甲醇生产的能量平衡计算
4.2.1合成工段能量计算
1.合成能量计算
已知:
合成塔入塔气为220℃,出塔气为250℃,热损失以5%计,壳层走4MPa的沸水。
查《化工工艺设计手册》得,4MPa下水的气化潜热为409.7kmol/kg,即1715.00kJ/kg,密度799.0kg/m3,水蒸气密度为19.18kg/m3,温度为250℃。
入塔气热容见4-16。
表4-16 5MPa,220℃下入塔气除(CH3OH)热容
组分
CO
CO2
H2
N2
Ar
CH4
合计
流量:
Nm3
2845.98
872.20
19362.26
628.94
456.77
925.13
25089.52
比热:
kJ/kmol℃
30.15
45.95
29.34
30.35
21.41
47.05
/
热量:
kJ/℃
3830.64
1789.18
25361.10
852.21
436.58
1943.19
34213.00
查得220℃时甲醇的焓值为42248.46kJ/kmol,流量为116.71Nm3。
所以:
Q入=42248.46
+34213.00
220
=221025.79+7526860
=7746985.79kJ
出塔气热容除(CH3OH)见表4-17。
表4-175MPa,220℃下出塔气除(CH3OH)热容
组分
CO
CO2
H2
N2
Ar
CH4
C4H9OH
(CH3)2O
H2O
合计
流量:
Nm3
1508.024
728.497
16259.12
628.44
456.24
941.08
0.175
2.030
164.5
20688.06
比热:
kJ/kmol℃
30.13
46.58
29.39
30.41
21.36
48.39
170.97
95.85
83.49
/
热量:
kJ/℃
2040.54
1514.88
21332.83
853.16
443.64
2032.98
1.34
8.69
613.13
28841.19
查得250℃时甲醇的焓值为46883.2kJ/kmol,流量为1575.16Nm3。
所以:
Q出=46883.2
+28841.19
250
=3296809.88+7210297.5
=.38kJ
由反应式得:
Q反应=[
102.37+
200.39+
115.69
+
49.62+
(-42.92)]
1000
=(6665.24672+18.16034+87.57836+0.38766-274.43891)
1000
=6496934.17kJ
Q热损失=(Q入+Q出)
5%=(7746985.79+6496934.17)
5%
=712195.998kJ
所以:
壳程热水带走热量
Q传=Q入+Q反应-Q出-Q热损失
=7746985.79+6496934.17-.38-712195.998
=3024616.58kJ
又:
Q传=G热水r热水
所以:
G热水=
=1763.64kg/h
即时产蒸气:
=91.95m3
2.冷凝皿能量计算
查得5MPa,90℃的水焓为380.93kJ/kg,流量为132.19kg/h,其它组分热容见表4-18。
表4-18 5MPa,90℃出冷凝皿液体性质
组分
CO
CO2
H2
N2
Ar
CH4
C4H9OH
(CH3)2O
H2O
合计
流量:
Nm3
1508.024
728.497
16259.12
628.44
456.24
941.08
0.175
2.030
1575.16
22098.75
比热:
kJ/kmol℃
30.77
53.49
29.28
30.84
22.41
41.59
137.70
74.87
108.5
/
热量:
kJ/℃
2071.51
1739.61
21252.99
865.22
456.44
1747.30
1.08
6.79
7629.68
35770.62
而Q入冷1=Q出塔=.38kJ
热损失以5%计,故Q损1=Q入冷1
5%=525355.369
所以:
Q传冷1=Q入冷1-Q损1-Q出冷1
=.38-525355.369-35770.
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