物料衡算部分模板

4.1物料衡算4.1.1产品组成分析工厂设计为年产精甲醇20万吨，开工时间为每年330天，采用连续操作，则每小时精甲醇的产量为25.25（=200,000/330/24）吨，即25.25t/h。精馏工段通过三塔高效精馏工艺，精甲醇的纯度可达到99.9%，三塔精馏工艺中甲醇的收率达97%。则入预精馏塔的粗甲醇中甲醇量25.25/0.97=26.03t/h。由粗甲醇的组成通过计算可得下表：表2粗甲醇组成组分百分比产量甲醇93.40%813.50kmol/h即18222.40m3/h二甲醚0.42%2.53kmol/h即57.00m3/h高级醇（以异丁醇计）0.26%0.98kmol/h即21.94m3/h高级烷烃（以辛烷计）0.32%0.78kmol/h即17.52m3/h水5.6%86.72kmol/h即1942.36m3/h粗甲醇100%27.87t/h注；设计中的体积都为标准状态下计算方法:粗甲醇=26.03/0.9340=27.87t/h二甲醚=27.87×0.42%=117.05kg/h即2.53kmol/h，57.00m3/h高级醇（以异丁醇计）=27.87×0.26%=72.48kg/h即0.98kmol/h，21.94m3/h高级烷烃（以辛烷计）=27.87×0.32%=89.22kg/h即0.78kmol/h，17.52m3/h水=27.87×5.6%=1561.28kg/h即86.72kmol/h，1942.36m3/h4.1.2合成工段（1）合成塔中发生的反应:主反应CO+2H2=CH3OH（1）CO2+3H2=CH3OH+H2O（2）副反应2CO+4H2=（CH3O）2+H2O（3）CO+3H2=CH4+H2O（4）4CO+8H2=C4H9OH+3H2O（5）8CO+17H2=C18H18+8H2O（6）CO2+H2=CO+H2O（7）（2）粗甲醇的合成工业生产中测得低压时，每生产一吨粗甲醇就会产生1.52m3（标态）的甲烷，即设计中每小时甲烷产量为1.90kmol/h，42.38m3/h。由于甲醇入塔气中水含量很少，忽略入塔气带入的水。由反应（3）、（4）、（5）、（6）得出反应（2）、（7）生成的水分为；86.72－1.90－2.54－0.98×3－0.78×8=73.06kmol/h由于合成反应中甲醇主要由一氧化碳合成，二氧化碳主要发生逆变反应生成一氧化碳，且入塔气中二氧化碳的含量一般不超过5%，所以计算中忽略反应（2）。则反应（7）中二氧化碳生成了73.06kmol/h，即1636.54m3/h的水和一氧化碳。（计算水汽变换反应）（3）粗甲醇中的溶解气体量粗甲醇中气体溶解量查表5Mpa、40℃时，每一吨粗甲醇中溶解其他组成如下表：表3吨粗甲醇中合成气溶解情况（已知）气体H2COCO2N2ArCH4溶解量（m3/t粗甲醇）4.3640.8157.7800.3650.2431.680（4）粗甲醇中甲醇扩散损失则粗甲醇中的溶解气体量为：H2=27.87×4.364=121.64m3/h即5.44kmol/hCO=27.87×0.815=22.72m3/h即1.02kmol/hCO2=27.87×7.780=216.84m3/h即9.68kmol/hN2=27.87×0.365=10.18m3/h即0.46kmol/hAr=27.87×0.243=6.78m3/h即0.30kmol/hCH4=27.87×1.680=46.82m3/h即2.10kmol/h40℃时,液体甲醇中释放的溶解气中,每立方米含有37014g的甲醇,假设减压后液相中除二甲醚外,其他气体全部释放出，则甲醇扩散损失：G=（121.64+22.72+216.84+10.18+6.78+46.82）×0.03714=15.80kg/h即0.50kmol/h，11.04m3/h（5）合成反应中各气体的消耗和生成情况表4弛放气组成（已知给定条件）气体CH3OHH2COCO2N2ArCH4组成0.61%81.82%9.16%3.11%3.21%0.82%1.89%表5合成反应中消耗原料情况（生成甲醇、异丁醇、二甲醚等所消耗）消耗项单位消耗原料气组分CO16585.86CO2H233171.72N2Ar反应（1）m3/h反应（3）m3/h114.00228.00反应（4）m3/h42.38127.14反应（5）m3/h87.74175.52反应（6）m3/h140.20297.50反应（7）m3/h（1636.54）1636.541636.54注：括号内的为生成量；反应（1）项不包括扩散甲醇和弛放气中甲醇消耗的原料气量表6合成反应中生成物情况（根据上述两个表计算出）生成项单位生成物组分CH4CH3OH（CH3O）2C4H9OHC18H18H2O反应（1）m3/h16585.86反应（3）m3/h57.0057.00反应（4）m3/h42.3842.38反应（5）m3/h21.9465.80反应（6）m3/h17.52140.20反应（7）m3/h1636.54表7其他情况原料气消耗（包括甲醇中溶解、扩散的甲醇、驰放气体、驰放气中的甲醇）消耗项单位消耗原料气组分COCO2H2N2ArCH4粗甲醇中溶解m3/h22.72216.84121.6410.186.7846.82扩散的甲醇m3/h11.0422.10弛放气m3/h9.16%×G3.11%×G81.20%×G3.21%×G0.82%×G1.89%×G驰放气中甲醇m3/h0.61%×G1.22%×G注：G为驰放气的量，m3/h。（6）新鲜气和弛放气气量的确定CO的各项消耗总和=新鲜气中CO的量，即16585.86+114.00+42.38+87.74+140.20－1636.54+22.72+11.04+0.61%G+9.16%G=15367.40+9.77%G同理，原料气中其他各气体的量=该气体的各项消耗总和，由此可得新鲜气体中各气体流量，如下表：表8新鲜气组成（新鲜气量等于驰放气量与产物及其他消耗量）组分单位COCO2H2N2ArCH4气量m3/h15367.40+9.77%G1853.38+3.11%G35780.54+82.42%G10.18+3.21%G6.78+0.82%G4.44+1.89%G新鲜气m3/h53022.72+1.0183G新鲜气中惰性气体（N2+Ar）百分比保持在0.42%，反应过程中惰性气体的量保持不变，（N2+Ar）=16.96+4.03%G，则：（53022.72+1.0183G）×0.42%=16.96+4.03%G（新鲜气中的惰性气体N2+Ar等于驰放气和溶解在甲醇中的气体的量，据此求出驰放气体积）解得G=5711.20m3/h，即弛放气的量为5711.20m3/h，由G可得到新鲜气的量58838.44m3/h由弛放气的组成可得出下表表9弛放气组成（计算各组分的气量）气体CH3OHH2COCO2N2ArCH4组成0.61%81.82%9.16%3.11%3.21%0.82%1.89%气量m3/h34.844637.48523.14177.64183.3246.86107.92表10新鲜气组成（根据驰放气与其他消耗算出）气体CH4H2COCO2N2Ar组成0.19%68.81%27.07%3.45%0.33%0.09%气量m3/h112.3640487.7215925.382031.02193.5053.62（7）循环气气量的确定G1=G3+G4+G5+G6－G7－G8式中：G1为出塔气气量；G3新鲜气气量；G4循环气气量；G5主反应生成气量；G6副反应生成气量；G7主反应消耗气量；G8副反应消耗气量；G5=16585.86（产品中甲醇）+11.04（扩散甲醇）+0.61%×5711.20（驰放气中甲醇）=16631.74m3/hG6=57.00（二甲醚）+57.00（二甲醚副产水）+42.38（甲烷）+42.38（甲烷副产水）+21.94（异丁醇）+65.80（异丁醇副产水）+17.52（辛烷）+140.20（辛烷副产水）+1636.54（二氧化碳转化为一氧化碳）+1636.54（副产水）=3717.30m3/hG7=（16585.86（产物中甲醇消耗一氧化碳）+3317.72（产物中甲醇消耗氢气））+（11.04（扩散甲醇消耗CO）+22.08（扩散甲醇消耗H2））+0.61%×5711.20×3（驰放气中甲醇消耗CO和H2）=49895.22m3/hG8=114.00+228.00+42.38+127.14+87.74+175.48+140.20+297.94+1636.54+1636.54=4485.96m3/h已知出塔气中甲醇含量为5.84%（已知条件？），则（G4×0.61%+5711.20×0.61%+16585.86+11.04）/G1=0.0584解得G4=289947.38m3/h表11循环气组成（循环气组成与驰放气相同）气体CH3OHH2COCO2N2ArCH4组成0.61%81.82%9.16%3.11%3.21%0.82%1.89%气量m3/h1768.68235437.2826559.189017.369037.322377.585480.00（8）循环比，CO及CO2单程转化率的确定循环比R=G4/G3=289947.38/58838.44=4.93（循环比通常为3.5-6）CO单程转化率：(15344.68+69.68)/(15925.38+26559.18)=0.3620（主、副反应消耗CO除以入塔气CO）即36.2%（通常为10-15%，给定条件不合理）CO2单程转化率：1636.54/(2031.02+9017.36)=0.1481即14.81%（9）入塔气和出塔气组成G1=G3+G4+G5+G6－G7－G8=314845.88m3/h=14055.62kmol/hG2=G3+G4=348785.80m3/h=15570.80kmol/hG2为入塔气气量表12入塔气组成（新鲜气加循环气）气体CH3OHH2COCO2N2ArCH4组成0.06%79.11%12.18%3.17%2.72%0.70%1.60%气m3/h1768.68275924.5642484.5611048.389500.822431.205592.36量kmol/h8.8812318.081896.64493.24424.14108.54257.66表13出塔气组成（甲醇给定，其余计算）气体组成气m3/h量kmol/hH276.29%240196.4210723.06CO8.61%27105.041210.04CO22.93%9234.22412.24N23.02%9500.82424.14CH3OH5.84%18400.42821.44CH41.79%5634.74251.52Ar0.77%2431.20108.54H2O0.62%1941.5286.68计算过程：（a）入塔气CO=循环气中CO+新鲜气中CO即：15925.38+26559.18=42484.56m3/h。同理可得其他气体气量;（b）出塔气中CO=入塔气中CO－反应消耗的CO+反应中生成的CO即42484.56－16585.86－114.00－42.38－87.74－140.20－11.04－5711.20×0.61%+1636.54=27105.04m3/h同理可得其它气体量。（10）甲醇分离器出口气体组成的确定分离器出口气体组分=循环气气体组分+弛放气气体组分则分离器出口气体中CO气量=循环气中CO+弛放气中CO=26559.18+523.14=27082.32m3/h即1209.04kmol/h；同理可算的其他气体的气量。表14分离器出口气体组成气体CH3OHH2COCO2N2ArCH4组成0.61%81.82%9.16%3.11%3.21%0.82%1.89%气m3/h1803.64240074.6827082.509195.209490.442424.58558