甲醇化工廠畢業(yè)設(shè)計1部分

1、甲醇化工廠畢業(yè)設(shè)計1部分甲醇化工廠畢業(yè)設(shè)計 1部分 第四章 精甲醇生產(chǎn)工藝 計算 工藝計算作為化工工藝設(shè)計，工藝管道，設(shè)備的選擇 及生產(chǎn)管理，工藝條件選擇的主要依據(jù)，對平衡原料，產(chǎn)品 質(zhì)量，選擇最佳工藝條件，確定操作控制指標，合理利用生 產(chǎn)的廢料，廢氣，廢熱都有重要作用。4.1甲醇合成塔的物料能量衡算4.1.1合成塔物料平衡計算已知：年產(chǎn)50000噸精甲醇，每年以300個工作日計算，損耗按0.3% 計算。則年實際生產(chǎn)精甲醇 50150噸。精甲醇中甲醇含量(wt):99.95% 粗甲醇組成(wt):Lurgi低壓合成工藝甲醇：93.89% 輕組分以二甲醍(CH3)2O計:0.188% 重組分以異

2、丁醇C4H9OH計:0.026% 水：5.896% 所以：時產(chǎn)精甲醇：Kg/h時產(chǎn)粗甲醇：Kg/h根據(jù)粗甲醇組分，算得各組分的生成量為：甲醇:6944.44 Kg/h 216.74kmol/h 4855.0 Nm3/h 二甲醍：13.90 Kg/h 0.302kmol/h 6.77 Nm3/h 異丁醇：1.92 Kg/h 0.026kmol/h 0.58 Nm3/h 水：432.4 Kg/h 24.02kmol/h 538.1 Nm3/h 合成甲醇的化學(xué)反應(yīng) 為：、主反應(yīng)：CO+2H2 CH3OH+102.37 KJ/mol 副反應(yīng)：2CO+4H2 (CH3)2O+H2O+200.39 KJ/

3、mol CO+3H2 CH4+H2O+115.69 KJ/mol 4CO+8H2C4H9OH+3H2O+49.62 KJ/mol CO2+H2 CO+ H2O-42.92 KJ/mol 生產(chǎn)中，測得每生產(chǎn) 1噸粗甲醇 生成甲烷7.56 Nm3,即0.34kmol ,故CH4每小時生成量為： 7.567.39266=55.889 Nm3 ,即 2.495kmol/h , 39.920 Kg/h。忽略原料氣帶入份，根據(jù)、得反應(yīng)生成的水 的量為：24.02-0.302-0.00783-2.495=21.145kmol/h ,即在 CO 逆變換中 生成的 H2O 為 21.145kmol/h ,即 4

4、73.648 Nm3/h。5.06Mpa , 40c時各組分在甲醇中的溶解度列表于表4-1表4-1 5.06Mpa , 40c時氣體在甲醇中的溶解度組分H2 COCO2 N2 CH4 溶解度 Nm3/t 甲醇 0 0.682 3.416 0.341 0.682 Nm3/h 0 1.008 5.501 0.504 1.008甲醇生產(chǎn)技術(shù)及進展華 東工學(xué)院由版社.1990據(jù)測定：35c時液態(tài)甲醇中釋放 CO、CO2、H2等混合氣中每 m3含 37.14 g甲醇，假定溶解氣全部釋放，則甲醇擴散損失為：(1.008+5.501+0.504+1.008)=0.298kg/h 即 0.0093kmol/h

5、 , 0.208Nm3/h。根據(jù)以上計算，則粗甲醇生產(chǎn)消耗物料列表4-2及生成物料列表4-3。表4-2甲醇生產(chǎn)消耗物料和生成物量及組成消耗方式單位 反應(yīng)生 Kmol/h 成甲醇 Nm3/h反應(yīng)生 Kmol/h 成二甲醍 Nm3/h反應(yīng)生 Kmol/h成甲烷 Nm3/h反應(yīng) 生Kmol/h成異丁醇Nm3/h反應(yīng)CO2 Kmol/h逆變換Nm3/h氣體溶解 Nm3/h擴散損失 Nm3/h合計 Nm3/h消 耗組成 %(v)消耗物料合計 CO H2 CO2 N2消耗216.74 433.48 4855.0 9710 14565 0.604 1.208 13.54 27.08 40.62 2.495

6、4.99 55.889 111.778 167.668 0.104 0.208 2.33 4.66 6.99 ( 21.145)21.145 21.145( 473.648)473.648 473.648473.648 1.008 0 5.051 0.504 6.563 0.208 0 0.416 0.624 5401.6 10327.2 479.115 0.504 16208.4 33.3 63.71 2.96 0.031 消耗方 式單位反應(yīng)生Kmol/h成甲醇Nm3/h反應(yīng)生 Kmol/h 成二甲醍 Nm3/h反應(yīng)生 Kmol/h 成甲烷 Nm3/h 反應(yīng)生 Kmol/h成異丁醇 Nm3/

7、h反應(yīng)CO2 Kmol/h逆 變換 Nm3/h氣 體溶解 Nm3/h擴散損失 Nm3/h合計 Nm3/h生成質(zhì)量Kg/h生成組成(wt)生成物料合計CH4 CH3OH C4H9OH (CH3)2O H2O 生成 216.74 4855.04855.0 0.302 0.302 6.77 6.77 13.54 2.495 2.495 55.88955.889 111.7780.078 0.581.7472.329 21.145 473.648 473.648 1.008 (0.208) 0.208 54.881 4855.208 0.58 6.77 538.1 5455.5 6944.71.92

8、13.90 432.4 7393 93.89 0.026 0.188 5.896 100設(shè)新鮮氣量為G新鮮氣，馳放氣為新鮮氣的 9%1,馳放 氣組成與循環(huán)氣相同。見表4-3。表4-3馳放氣組成 組分 H2 CO CO2 CH4 N2 CH3OH H2O Mol % 79.31 6.29 3.50 4.79 5.49 0.61 0.01甲醇生產(chǎn)技術(shù)及進展華東工學(xué)院由版社.1990 G新鮮氣=G消耗氣+G馳放氣所以：G新鮮氣=G消耗氣+0.09 G新鮮氣=15261.11+0.09 G新鮮 氣 則 G新鮮氣=16770.5 Nm3/h新鮮氣組成見表 4-4表4-4 甲醇合成新鮮氣組成組分 H2 C

9、O CO2 CH4 N2總計Nm3/h 11558.23 5560.38 556.78 21.80 50.98 17748.17 組成 mol% 65.12 31.33 3.12 0.12 0.29 100 測得： 甲醇合成塔出塔氣中含甲醇7.12%。根楣表4-2、表4-4,設(shè)由塔氣量為 G出塔。又知醇后氣中含醇 0.61%。所以有：=7.12% G醇后=G由塔-(G醇+ G副+ G擴)+GCH4 = G由塔-5400.61所以：G由塔=74071.6Nm3/h G循環(huán)氣=G由塔-(G醇+ G副+ G 擴)+GCH4-G 馳放氣 =74071.6-5456.5+55.89-16770.50.0

10、9 =67161.6 Nm3/h甲醇生產(chǎn)循環(huán)氣量及組成見表4-5表4-5甲醇生產(chǎn)循環(huán)氣量及組成 組分 CO CO2 H2 N2 CH4 CH3OH H2O合計流量：Nm3/h 4224.5 2350.7 53265.7 3687.2 3217 388.61 6.71 67140.4 組 M%(V) 6.29 3.50 79.31 5.49 4.79 0.61 0.01 100 G 入塔=G 循環(huán)氣 +G 新鮮氣 =67161.6+16770.5 =83932.1 Nm3/h由表4-4及表4-5得到表4-6。表4-6甲醇生產(chǎn)入塔氣流量及組成單位：Nm3/h 組分 CO CO2 H2 N2 CH4

11、 CH3OH H2O 合計 流量： Nm3/h 9794.88 2904.1 64468 3738.2 3238.8 388.61 5.88 83932.1 組成(V)% 11.67 3.46 76.81 4.117 3.86 0.463 0.007 100又由G由塔=G循環(huán)氣-G消耗+ G生成 據(jù)表4-2、4-6、 得表4-7。組分 CO CO2 H2 N2 CH4 入塔 9794.88 2904.1 64468.25 3738.2 3238.8 消耗 5401.6 478.7 10327.2 0.504 1.008 生成 55.89 由塔 4392.3 2425.4 54141.1 373

12、7.7 3293.7 組成(V) % 7.2 3.27 72.23 5.04 4.44 組分 CH3OH H2O C4H9OH (CH3)2O 合計入塔 388.61 5.88 83932.1 消耗 16209 生成4855.21 538.1 0.58 6.77 5456.5 由塔 5243.82 543.98 0.586.77 73785.4 組成(V) % 7.08 0.734 0.0008 0.009 100 甲醇分離器由口氣體和液體產(chǎn)品的流量、組成見表4-8o表4-8甲醇分離器由口氣體組成、流量： 單位：Nm3/h 組分 CO CO2 H2 N2 CH4 損失 1.008 5.051

13、0 0.504 1.008 生氣 4391.2 2420.3 54141.1 3737.2 3292.6 組成(V)% 6.4 3.54 79.19 5.47 4.82 由液組成 Mol% 重量 Kg 組成 (wt)% 組分 CH3OH C4H9OH (CH3)2O H2O 合計損失 0.208 7.679 生氣 388.3 68371.7 組成(V)% 0.567 100 由液 4855.208 0.58 6.77 538.1 5400.66 組成 Mol% 89.9 0.011 0.125 9.96 100 重量 Kg 6944.7 1.92 13.9 432.4 7392.92 組成 (

14、wt)% 93.94 0.026 0.188 5.58 100甲醇馳放氣流量及組成見 表 4-9。表4-9甲醇馳放氣流量及組成 組成CO CO2 H2 CH4 CH3OH N2 合計 流量 Nm3/h 166.6 69.6 875.4 75.6 3.04 50 1209.4 組成(V)% 13.78 5.75 72.4 6.25 0.25 4.13 100 粗甲醇 貯罐氣流量及組成見表 4-10 o表4-10貯罐氣組成、流量 組成 CO CO2 H2 CH4 CH3OH N2 合計 流量 Nm3/h 1.008 5.051 0 1.008 0.208 0.504 7.679 組成(V) % 1

15、3.13 65.77 0 13.13 2.71 6.56 100 由 表4-2、表4-10、可得表 4-11。表4-11甲醇生產(chǎn)物料平衡匯總表組分新鮮氣入塔氣 循環(huán)氣流量組成流量組成流量組成Nm3/h (V)% Nm3/h (V)% Nm3/h (V)% CO 5560.38 31.33 9794.88 11.674224.5 6.29 CO2 556.78 3.12 2904.1 3.46 2350.7 3.5 H2 11558.23 65.12 64468.25 76.81 53265.7 79.31 N2 50.98 0.293738.2 4.117 3687.2 5.49 CH4 21

16、.80 0.12 3238.8 3.86 3217.04.79 CH3OH 388.61 0.463 388.61 0.61 C4H9OH (CH3)2O H2O 5.88 0.007 6.71 0.01 合計 17748.17 100 83932.1 100 67140.4 100組分由塔氣醇后氣流量組成流量組成 Nm3/h (V)% Nm3/h (V)% CO 4392.2 7.2 4391.1 7.7 CO22425.4 3.27 2420.3 3.5 H2 54141.1 72.23 54141.1 78.10 N23737.7 5.04 3737.2 5.385 CH4 3293.7

17、 4.44 3292.6 4.75 CH3OH 5243.82 7.08 391.65 0.565 C4H9OH 0.58 0.0008 (CH3)2O 6.77 0.009 H2O 543.98 0.734 很少 合計 73785.4 100 68374 100根楣計算結(jié)果，可畫由甲醇生產(chǎn)物流圖，如：圖4-1甲醇生產(chǎn)物流圖新鮮氣循環(huán)氣入塔氣馳放氣甲 醇合成塔 分離塔 醇后氣 儲罐氣 粗甲醇儲罐 冷凝器 由 塔氣 粗甲醇 圖4-1甲醇生產(chǎn)物流圖4.1.2合成工段能量計算1.合成能量計算已知：合成塔入塔氣為220C,由塔氣為250C,熱損失以5%計， 殼層走4MPa的沸水。查化工工藝設(shè)計手冊得，

18、 4MPa下水的氣化潛熱為409.7kmol/kg ,即 1715.00kJ/kg ,密度 799.0kg/m3 ,水蒸氣密度為19.18kg/m3,溫度為250 c入塔氣熱容見4-12 o表4-12 5MPa, 220c下入塔氣除（CH3OH）熱容 組分 COCO2 H2 N2 CH4合計流量：Nm3/h 9794.88 2904.1 64468.25 5174.41 3238.8 85580.44 比熱：kJ/kmol C 30.15 45.95 29.34 30.35 47.05 / 熱量：kJ/C 13183.7 5957.3 84441.9 7010.9 6802.9 117396.

19、7 查得220c時甲醇的始值為 42248.46kJ/kmol ,流量為388.61Nm3。所以：Q 入=42248.46+117396.7220=732954.4+25827274=26560228.2 kJ 由塔氣熱容除（CH3OH）見表 4-13。表4-13 5MPa, 250c下由塔氣除（CH3OH）熱容 組分 COCO2 H2 N2 流量：Nm3/h 4392.2 2425.4 54141.1 3737.7 比熱：kJ/kmol C 30.13 46.58 29.39 30.41 熱量：kJ/ C 5907.9 5043.5 71036.0 5074.3 組分 CH4 C4H9OH（

20、CH3）2O H2O合計流量：Nm3/h 3293.7 0.58 6.77 543.98 68541.6 比熱：kJ/kmol C 48.39 170.97 95.85 83.49 / 熱量：kJ/C 7115.3 4.43 28.97 2027.5 96237.9 查得 250 c 時甲醇的始值為 46883.2kJ/kmol ,流量為 5243.82 Nm3/h。所以:Q 由 =46883.2+96237.9250=10975315.3+24059475=135034790.3kJ 由反應(yīng)式得：Q 反應(yīng)=102.37+200.39+115.69 +49.62+(-42.92)1000=(2

21、2187.78+60.56+288.666+1.28-907.5)1000 =21630780 kJ Q 熱損失=(Q 入 + Q 由)5%=(26560228.2+21630780) 5% =2409550.41 kJ 所以：殼程熱水帶走熱量 Q傳=Q入+Q反應(yīng)-Q由-Q熱損失 =26560228.2+21630780-35034790.3-2409550.41 =10746667.5 kJ又：。傳=6熱水熱水 所以:G熱水=6266.3 kg/h即時產(chǎn)蒸氣： =326.71 m3 2.冷凝器能量計算 查手冊得，粗甲醇中各組分的 物理常數(shù)如表 4-14表4-14粗甲醇中各組分的物理常數(shù)組分

22、CH3OH (CH3)2O C4H9OH H2O 汽化熱 KJ/Kg 1117.93 531.75 577.81 2260.98 液體比熱容KJ/(Kg C) 2.27 2.6382.596 4.187假設(shè)，有相變物質(zhì)在低于沸點時全部冷凝，擴散于氣相中的組分忽略不計。(1)氣體冷凝放熱 Q冷凝=GxHr式中G-冷凝液體流 量；Kg/h AHr-組分的汽化熱；KJ/Kg根據(jù)表4-8數(shù)據(jù)計算 得由塔各組分及冷凝放熱量如表4-15表4-15由塔氣在冷凝器冷凝放熱量 組分CH3OH (CH3)2O C4H9OH H2O合計 冷凝量 Nm3/h 4855.3 6.77 1.92 543.98 5407.

23、97 Kg/h 6944.813.90 1.92 432.4 7393.03 放熱量 KJ/h 7763798 7388.7 1106.8 977643.6 8749937.1 (2)進冷凝器氣體總熱量 Q=Q= =35034790.3KJ/h式中-進冷凝器各組分摩爾流量；Kmol/h一各氣體組分比熱容；J/(mol G ) 一生合成塔氣體溫度；C (3) 冷凝器由口氣體顯熱冷凝器由口氣體顯熱=式中-冷凝器由口氣體各組分摩爾流量；Kmol/h -由口氣體各組分比熱容；J/(mol ©) 冷凝器由口氣體溫度；C 根據(jù)表4-8各組 分的流量及熱熔，計算冷凝器由口氣體顯熱，見表 4-16.

24、表 4-16冷凝器由口氣體組分的顯熱組分CO CO2 H2 N2 CH4CH3OH 合計 比熱容 J/(mol G) 34.42 38.60 29.02 29.06 36.68 44.21 氣量 Nm3/h 4392.2 2425.4 54141.1 3737.7 3293.7391.65 68381 Kmol/h 196.1 108.3 2417 166.9 147 17.5 3052.8 熱量 KJ/(h -C ) 6749.8 4180.4 70141.3 4850.1 5392 773.7 92087.3因冷凝器氣體由口溫度為40C,所以由口氣體熱量為=92087.3 >38 =

25、 3683492 KJ/h (4) 冷凝器由口液體帶走熱 量=式中-冷凝器由口液體各組分摩爾流量；Kmol/h -由口液體各組分比熱容；J/(mol C) 冷凝器由口液體溫度；C 根據(jù)表4-14和表4-15,計算冷凝液體帶走熱量，列 表4-17表4-17冷凝器由口液體熱量 組分 CH3OH (CH3)2O C4H9OH H2O 合計液體比熱容 KJ/(Kg C) 2.27 2.638 2.569 4.187 流量 Kg/h 6944.8 13.90 1.92 432.4 7393.03 熱量 KJ/(h C) 18889.9 36.67 4.93 1810.46 20742.0 因冷凝器液體由

26、口溫度為40 C ,故液體帶走熱量：=20742.0沖0=829680KJ/h于是，冷卻水帶走熱量:=35034790.3 + 9371170.8 ( 3683492 + 829680 )=39892788.8KJ/h則冷凝器熱平衡如下表表4-18冷凝器的熱平衡熱量氣體顯熱液體帶熱冷卻水帶熱合計帶入熱量 KJ/h 35034790.3 9371170.8 44405961.1 帶由熱量 KJ/h3683492 829680 39892788.8 44405961.1(5)冷凝器用水量已知條件：進冷凝器的冷卻水溫度 26 C ,由冷凝器的冷卻水溫度為 40 C 則：冷凝器需冷卻水量為Kg/h=6

27、80.56t/h 4.2脫硫工段的簡單計算4.2.1進脫硫塔物料組成表4-19進脫硫塔物料組成組分 CH4 C2H6 C3H8 C4H10 N2 合計 mol% 92.9 4.7 0.6 0.31.0 100查消耗定額，生產(chǎn)每噸甲醇消耗工藝天然氣925m3則年消耗天然氣量為46250000m3天消耗量為 154166.7m3小時消耗量為 6882.4m3 氣體的總摩爾流量為6882.4/22.4=307.25Kmol/hCH4 的摩爾流量為307.25 0.929=285.4Kmol/h307.25 0.047=14.44Kmol/hC2H6 的摩爾流量為C3H8 的摩爾流量為307.25 0

28、.006=1.84Kmol/hC4H10 的摩爾流量為307.25 0.003=0.92Kmol/hN2 的摩爾流量為307.25 0.01=3.07Kmol/h 4.2.2進脫硫塔物料組成由脫硫塔的物料組成和進脫硫塔的組成相同，經(jīng)脫硫后，由口氣中硫 化物的含量降低到0.1ppm 4.3轉(zhuǎn)化工段的能量物料衡算轉(zhuǎn)化工段分為兩段轉(zhuǎn)化法。一段轉(zhuǎn)化爐氣體的入口溫度為510C,由口溫度為822C,轉(zhuǎn)化氣中的烷燒含量約為10%。二段轉(zhuǎn)化爐的進口溫度為822 C,由口溫度為1003 c，該爐的作用是使未轉(zhuǎn)化的烷燒發(fā)生部分氧化反應(yīng)，由口氣中甲 烷的含量0.3% 4.3.1計算依據(jù)(1)進一段轉(zhuǎn)化爐的干氣組成見

29、表 4-20表4-20進轉(zhuǎn)化爐干氣組成組分 CH4 C2H6C3H8 C4H10 N2 合計 mol% 92.9 4.7 0.6 0.3 1.0 100 Kmol/h 285.4 14.44 1.84 0.92 3.07 307.25(2)進轉(zhuǎn)化爐干氣體總量307.25Kmol/h 水碳 比 3.7 蒸汽 總 量 307.25 3.7=1136.81Kmol/h 氣體總量 1444.08Kmol/h(3)一段轉(zhuǎn)化爐入口溫度 510C,由口溫度822C,轉(zhuǎn)化氣中CH4 含量大約為 10%.由口氣體滿查參考資料當T=822 C時=0.94135 4.3.2 一段轉(zhuǎn)化爐物料衡算分別表示轉(zhuǎn)化爐由口氣中

30、H2、 CO2、CO的Kmol數(shù)表示轉(zhuǎn)化爐由口氣中水蒸 氣的Kmol數(shù)表示反應(yīng)掉的水蒸氣的Kmol數(shù)V表示干氣的Kmol數(shù) 下面根據(jù)元素 平衡進行物料 衡算C平衡 285.4+14.44 2+1.84 區(qū)+0.92 沖=+0.1V整 理 得323.48=+0.1VH2 平 衡2X285.4+3 X4.44+4 X.84+5 私92+1136.81=+2 0.1V+(1136.81-) 整理得 626.08=+0.2V- O2 平衡0.5 1136.81=0.5 僅36.81-0.5 + 0.5 * 整理得 =+2 總干氣 量為 V=+0.1V+ 整理得 V=+0.1V+3.07 - =V-32

31、6.55 + =1.2V-952.55 - =323.48-0.1V+ 代入 =1.3V-1276.03 X2-代入得 =1599.51-1.4V 由轉(zhuǎn)化爐的工藝蒸氣量為 =1136.81-=2089.36-1.2V 因為 =0.94135 所以 整理得 V2-10214V+9747353.9=0 解得 V=1065.45Kmol/h 將 V 代入 式解得 =738.9 Kmol/h =326.0Kmol/h =109.06Kmol/h=107.88Kmol/h=810.82Kmol/h 總 濕 氣=1876.27Kmol/h表4-21 一段轉(zhuǎn)化爐由塔干氣的組成組分N2 H2 CO CO2 C

32、H4 合計 % (mol) 0.29 69.34 10.13 10.24 10 100 Kmol/h 3.07 738.9 107.88 109.06 106.55 1065.55 4.3.3 二段轉(zhuǎn)化爐的物料計算二段轉(zhuǎn)化爐是在轉(zhuǎn)化氣中加入氧氣，使部分氣體氧化燃燒，放由熱量，把氣體溫度提高到 1003C,在銀催化劑上繼續(xù)轉(zhuǎn)化反應(yīng)，二段轉(zhuǎn)化爐由口氣體 中甲烷含量可以降低到 0.3%左右。進二段轉(zhuǎn)化爐的干氣組成見表4-22表4-22進二段轉(zhuǎn)化爐干氣組成 組分 N2 H2 CO CO2 CH4 合計 % (mol) 0.29 69.34 10.13 10.24 10 100 Kmol/h 3.07 738.9 107.88 109.06 106.55 1065.55由二段轉(zhuǎn)化