年产20万吨甲醇精馏工艺的设计说明.doc

. . . . .年产20万吨煤制甲醇精馏工艺设计摘 要 我国的甲醇工业经过十几年的发展，生产能力得到了很大提高。1991年，我国的生产能力仅为70万吨，截止2004年底，我国甲醇产能已达740万吨，117家生产企业共生产甲醇440.65万吨，2005年甲醇产量达到500万吨，比2004年增长22.2%，进口量99.1万吨，因此下降3.1%。 于上世纪末相比，现在新建甲醇规模超过百万吨的已不再少数。在20042008年新建的14套甲醇装置中平均规模为134万t/a，其中卡塔尔二期工程项目高达230万t/a。最小规模的是智利甲醇项目，产能也达84万t/a，一些上世纪末还称得上经济规模的60万t/a装置因失去竞争力而纷纷关闭。 大型甲醇生产装置必须具备与其规模相适应的甲醇反应器和反应技术。传统甲醇合成反应器有ICI的冷激型反应器，Lungi的管壳式反应器，Topsdpe的径向流动反应器等，近期出现的新合成甲醇反应器有日本东洋工程的MRF-Z反应器等，而反应技术方面则出现了Lurgi推出的水冷一气冷相结合的新流程。 通常的甲醇合成工艺中，未反应气体需循环返回反应器，而KPT则提出将未反应气体送往膜分离器，并将气体分为富含氢气的气体，前者作燃料用，后者返回反应器。 传统甲醇合成采用气相工艺，不足之处是原料单程转化率低，合成气净化成本高，能耗高。相比之下，液相合成由于使用了比热容高，导热系数大的长链烷烃化合物作反应介质，可使甲醇合成在等温条件下进行。关键词：甲醇，合成，精馏 学习好帮手. . . . .目 录 1 甲醇合成的基本概念3 1.1 常用的方法 3 1.2 甲醇的合成路线 4 1.3 合成甲醇的目的和意义 7 1.4 本设计的主要方法及原理 82 生产工艺及主要设备计算 9 2.1 甲醇生产的物料平衡计算9 2.1.1 合成塔物料平衡计算10 2.2 甲醇生产的能量平衡计算20 2.2.1 合成塔能量计算 20 2.2.2 常压精馏塔能量衡算24 2.3 主要设备计算及选型26 2.3.1 常压精馏塔计算26 2.3.2 初估塔径28 2.3.3 理论板数的计算30 2.3.4 塔内件设计33 2.3.5 塔板流体力学验算36 2.3.6 塔板负荷性能39 2.3.7 常压塔主要尺寸确定41 2.3.8 辅助设备43 参考文献45致谢46第1章甲醇合成的基本概念1.1 甲醇的合成方法1.1.1 常用的合成方法 当今甲醇生产技术主要采用中压法和低压法两种工艺，并且以低压法为主，这两种方法生产的甲醇约占世界甲醇产量的80%以上。高压法：(19.6-29.4Mpa)是最初生产甲醇的方法，采用锌铬催化剂，反应温度360-400，压力19.6-29.4Mpa。高压法由于原料和动力消耗大，反应温度高，生成粗甲醇中有机杂质含量高，而且投资大，其发展长期以来处于停顿状态。低压法：(5.0-8.0 Mpa)是20世纪60年代后期发展起来的甲醇合成技术，低压法基于高活性的铜基催化剂，其活性明显高于锌铬催化剂，反应温度低(240-270)。在较低压力下可获得较高的甲醇收率，且选择性好，减少了副反应，改善了甲醇质量，降低了原料消耗。此外，由于压力低，动力消耗降低很多，工艺设备制造容易。中压法：(9.8-12.0 Mpa)随着甲醇工业的大型化，如采用低压法势必导致工艺管道和设备较大，因此在低压法的基础上适当提高合成压力，即发展成为中压法。中压法仍采用高活性的铜基催化剂，反应温度与低压法相同，但由于提高了压力，相应的动力消耗略有增加。目前，甲醇的生产方法还主要有甲烷直接氧化法：2CH4+O22CH3OH.由一氧化碳和氢气合成甲醇，液化石油气氧化法1.1.2 本设计所采用的合成方法比较以上三者的优缺点，以投资成本，生产成本，产品收率为依据，选择中压法为生产甲醇的工艺，用CO和H2在加热压力下，在催化剂作用下合成甲醇，其主要反应式为：CO+ H2CH3OH1.2 甲醇的合成路线1.2.1 常用的合成工艺 虽然开发了高活性的铜基催化剂，合成甲醇从高压法转向低压法，完成了合成甲醇技术的一次重大飞跃，但仍存在许多问题：反应器结构复杂；单程转化率低，气体压缩和循环的耗能大；反应温度不易控制，反应器热稳定性差。所有这些问题向人们揭示，在合成甲醇技术方面仍有很大的潜力，更新更高的技术等待我们去开发。(1) 气液固三项合成甲醇工艺 首先由美国化学系统公司提出，采用三相流化床，液相是惰性介质，催化剂是ICI的Cu-Zn改进型催化剂。对液相介质的要求：在甲醇合成条件下有很好的热稳定性和化学稳定性。既是催化剂的硫化介质，又是反应热吸收介质，甲醇在液相介质中的溶解度越小越好，产物甲醇以气相的形式离开反应器。这类液相介质有如三甲苯，液体石蜡和正十六烷等。后来Berty等人提出了相反的观点，采用的液相介质除了热稳定性及化学稳定性外，要求甲醇在其溶液中的溶解度越大越好，产物甲醇不是以气相形式离开反应器，而是以液相形式离开反应器，在反应器外进行分离。经试验发现四甘醇二甲醚是极理想的液相介质。CO和H2在该液相中的气液平衡常数很大，采用Cu-Zn-Al催化剂，其单程转化率大于相同条件下气相的平衡转化率。气液固三相工艺的优点是：反应器结构简单，投资少；由于介质的存在改善了反应器的传热性能，温度易于控制，提高了反应器的热稳定性；催化剂的颗粒小，内扩散影响易于消除；合成甲醇的单程转化率高，可达15%-20%，循环比大为减小；能量回收利用率高；催化剂磨损少。缺点是三相反应器压降较大，液相内的扩散系数比气相小的多。(2) 液相法合成甲醇工艺 液相合成甲醇工艺的特点是采用活性更高的过度金属络合催化剂。催化剂均匀分布在液相介质中，不存在催化剂表面不均一性和内扩散影响问题，反应温度低，一般不超过200，20世纪80年代中期，美国Brookhaven国家实验室开发了活性很高的复合型催化剂，其结构为NaOH-RONa-M(OAc)2,其中M代表过渡金属Ni,Pd或Co,R为低碳烷基，当M为Ni，R为叔戊烷基时催化剂性能最好，液相介质为四氢呋喃，反应温度为80-120，压力为2MPa左右，合成气单程转化率高于80%，甲醇选择性高达96%。 该法的缺点是由于反应温度低，反应热不易回收利用；CO2和H2O容易使复合催化剂中毒，因此对合成气体的要求很苛刻，不能还有CO2和H2O，还需进一步研究。 (3) 新型GSSTFR和RSIPR反应器系统 该系统采用反应,吸附和产物交换交替进行的一种新型反应装置。GSSTFR是指气-液-固滴流流动反应系统，CO和H2在催化剂的作用下，在此系统内进行反应合成甲醇，该甲醇马上被固态粉状吸附剂所吸附，并滴流带出反应系统。这样合成甲醇反应不断向右进行，CO的单程转化率可达100%，气相反应物不循环。这项新工艺仍处在研究之中，尚未投入工业生产，还有许多技术问题需要解决和完善。1.2.2 本设计的合成工艺 经过净化的原料气，经预热加压，于5 Mpa、220 下，从上到下进入Lurgi反应器，在铜基催化剂的作用下发生反应，出口温度为250 左右，甲醇7%左右，因此，原料气必须循环，则合成工序配置原则为图2-2。合成塔水冷器甲醇分离塔循环器甲醇的合成是可逆放热反应，为使反应达到较高的转化率，应迅速移走反应热，本设计采用Lurgi管壳式反应器，管程走反应气，壳程走4MPa的沸腾水粗甲醇驰放气 图1-1合成合序配置原则甲醇合成的工艺流程（图）这个流程是德国Lurgi公司开发的甲醇合成工艺，流程采用管壳式反应器，催化剂装在管内，反应热由管间沸腾水放走，并副产高压蒸汽，甲醇合成原料在离心式透平压缩机内加压到5.2 MPa (以1：5的比例混合) 循环，混合气体在进反应器前先与反应后气体换热，升温到220 左右，然后进入管壳式反应器反应，反应热传给壳程中的水，产生的蒸汽进入汽包，出塔气温度约为 250 ，含甲醇7%左右，经过换热冷却到40 ，冷凝的粗甲醇经分离器分离。分离粗甲醇后的气体适当放空，控制系统中的惰性气体含量。这部分空气作为燃料，大部分气体进入透平压缩机加压返回合成塔，合成塔副产的蒸汽及外部补充的高压蒸汽一起进入过热器加热到50 ，带动透平压缩机，透平后的低压蒸汽作为甲醇精馏工段所需热源。1.3合成甲醇的目的和意义 甲醇是极为重要的有机化工原料，在化工、医药、轻工、纺织及运输等行业都有广泛的应用，其衍生物产品发展前景广阔。目前甲醇的深加工产品已达120多种，我国以甲醇为原料的一次加工产品已有近30种。在化工生产中，甲醇可用于制造甲醛、醋酸、氯甲烷、甲胺、甲基叔丁基醚（MTBE）、聚乙烯醇（PVA）、硫酸二甲酯、对苯二甲酸二甲酯（DMT）、二甲醚、丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲醇等。以甲醇为中间体的煤基化学品深加工产业：从甲醇出发生产煤基化学品是未来C1化工发展的重要方向。比如神华集团发展以甲醇为中间体的煤基化学品深加工，利用先进成熟技术，发展“甲醇醋酸及其衍生物”；利用国外开发成功的MTO或MTP先进技术，发展“甲醇烯烃及衍生物”的2大系列。作为替代燃料：近几年，汽车工业在我国获得了飞速发展，随之带来能源供应问题。石油作为及其重要的能源储量是有限的，而甲醇燃料以其安全、廉价、燃烧充分，利用率高、环保的众多优点，替代汽油已经成为车用燃料的发展方向之一。我国政府已充分认识到发展车用替代燃料的重要性，并开展了这方面的工作。随着C1化工的发展，由甲醇为原料合成乙二醇、乙醛和乙醇等工艺正日益受到重视。甲醇作为重要原料在敌百虫、甲基对硫磷和多菌灵等农药生产中，在医药、染料、塑料和合成纤维等工业中都有着重要的地位。甲醇还可经生物发酵生成甲醇蛋白，用作饲料添加剂，有着广阔的应用前景。1.4 本设计的主要方法及原理 造气工段：使用二步法造气 CH4+H2O(气)CO+3H2-205.85 kJ/mol CH4+O2CO2+2H2+109.45 kJ/mol CH4+O2CO+2H2+35.6 kJ/mol CH4+2O2CO2+2H2O+802.3 kJ/mol 合成工段：5MPa下铜基催化剂作用下发生一系列反应 主反应 ： CO+2H2CH3OH+102.37 kJ/kmol副反应： 2CO+4H2(CH3O)2+H2O+200.3 kJ/kmol CO+3H2CH4+ H2O+115.69 kJ/kmol 4CO+8H2C4H9OH+3H2O+49.62 kJ/kmol-(A) CO+H2CO +H2O-42.92 kJ/kmol除（A）外，副反应的发生，都增大了CO的消耗量，降低了产率，故应尽量减少副反应。反应热力学一氧化碳加氢合成甲醇的反应式为 CO+2H2CH3OH(g)这是一个可逆放热反应，热效应。 当合成气中有CO2时，也可合成甲醇。 CO2 + 3H2 CH3OH(g) + H2O这也是一个可逆放热反应，热效应合成法反应机理 本反应采用铜基催化剂，5 MPa，250 左右反应，清华大学高森泉，朱起明等认为其机理为吸附理论，反应模式为：H2+22H -CO+HHCO-HCO+H H2COH2CO+2HCH3OH+3CH3OH CH3OH+反应为，控制。即吸附控制。第2章生产工艺及主要设备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。2.1 甲醇生产的物料平衡计算2.1.1 合成塔物料平衡计算已知：年产200000吨精甲醇，每年以330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：93.40%以二甲醚：0.42%高级醇以异丁醇C4H9OH计：0.26%高级烷烃以辛烷计：0.32%水：5.6%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(32)： 25239.90Kg/h 788.75kmol/h二甲醚(46)： 113.50Kg/h 2.47 k mol/h 异丁醇(74)： 70.26Kg/h 0.95 k mol/h 辛烷(100)： 86.48Kg/h 0.86k mol/h 水(18)： 1513.31Kg/h 84.07 k mol/h 合成甲醇的化学反应为：主反应：CO+2H2CH3OH+102.37 KJ/mol 副反应：2CO+4H2(CH3)2O+H2O+200.39 KJ/mol CO+3H2CH4+H2O+115.69 KJ/mol 4CO+8H2C4H9OH+3H2O+49.62 KJ/mol CO2+H2CO+ H2O-42.92 KJ/mol 生产中，测得每生产1吨粗甲醇生成甲烷0.34 k mol，故CH4每小时生成量为：0.3427.02345=9.187 k mol/h，147.008Kg/h。忽略原料气带入份，根据、得反应生成的水的量为：84.07-0.86-0.953-2.47=77.89 k mol/h，即在CO逆变换中生成的H2O为77.89kmol/h。 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20气体H2COCO2N2ArCH4溶解量（m3/t粗甲醇）4.3640.8157.7800.3650.2431.680则 粗甲醇中的溶解气体量为： H2 = 27.024.364 = 121.64 m3/h 即5.44 k mol/h CO= 27.020.815 = 22.72m3/h 即1.02kmol/hCO2 = 27.027.78= 216.84m3/h 即9.68kmol/hN2 = 27.020.365 = 10.18m3/h 即0.46kmol/Ar = 27.020.243 = 6.78m3/h 即0.30 k mol/hCH4 = 27.021.680 = 46.82 m3/h 即2.10kmol/h2.1.2 粗甲醇中甲醇扩散损失 40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 0.50 kmol/h，11.04 m3/h2.1.3 合成反应中各气体的消耗和生成情况表8 弛放气组成气体CH3OHH2COCO2N2ArCH4组成0.61%81.82%9.16%3.11%3.21%0.82%1.89%表9 合成反应中消耗原料情况 消耗项单位消耗原料气组分COCO2H2N2Ar反应（1）m3/h16585.8633171.72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10 合成反应中生成物情况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11 其他情况原料气消耗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。2.1.4 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+140.201636.54+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：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=（16.96+4.03%G）/0.42%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58838.44 m3/h由弛放气的组成可得出下表气体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14 新鲜气组成气体CH3OHH2COCO2N2ArCH4组成0.61%81.82%9.16%3.11%3.21%0.82%1.89%气量m3/h34.844637.48523.14177.64183.3246.86107.922.1.5 循环气气量的确定G1 =G 3+G4+G5+G6G7G8式中：G1 为出塔气气量 ； G 3 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+11.04+0.61%5711.20=16631.74 m3/hG6= 57.00+57.00+42.38+42.38+21.94+65.80+17.52+140.20+1636.54+1636.54=3717.30 m3/hG7=16585.86+3317.72+11.04+22.08+0.61%5711.203=49895.22 m3/hG8=114.00+228.00+42.38+127.14+87.74+175.48+140.20+297.94+1636.54+1636.54=4485.96 m3/h已知出塔气中甲醇含量为5.84%，则 （G40.61%+5711.200.61%+16585.86+11.04）/ G1=0.0584解得G4= 289947.38m3/h表15 循环气组成气体 CH3OH H 2 CO CO2 N2 Ar CH4组成 0.61% 81.82% 9.16% 3.11% 3.21% 0.82% 1.89%气量m3/h 1768.68 235437.28 26559.18 9017.36 9037.32 2377.58 5480.002.1.6 循环比，CO及 CO2单程转化率的确定循环比R= G4/G 3 =289947.38/58838.44=4.93CO单程转化率：(15344.68+69.68)/(15925.38+26559.18)=0.3620 即 36.2%CO2单程转化率：1636.54/(2031.02+9017.36)=0.1481 即 14.81%2.1.7 入塔气和出塔气组成G1 =G 3+G4+G5+G6G7G8=314845.88m3/h=14055.62 kmol/hG2= G3+G4 =348785.80m3/h=15570.80 kmol/h G2 为入塔气气量表16 入塔气组成气体 CH3OH H 2 CO CO2 N2 Ar CH4组成 0.06% 79.11% 12.18% 3.17% 2.72% 0.70% 1.60%气 m3/h 1768.68 275924.56 42484.56 11048.38 9500.82 2431.20 5592.36量 kmol/h 8.88 12318.08 1896.64 493.24 424.14 108.54 257.66表17 出塔气组成气体 H 2 CO CO2 N2 Ar CH3OH组成 76.29% 8.61% 2.93% 3.02% 0.77% 5.84%气m3/h 240196.42 27105.04 9234.22 9500.82 2431.20 18400.42量 kmol/h 10723.06 1210.04 412.24 424.14 108.54 821.44气体 CH4 （CH3O）2 C4H9OH C18H18 H2O 组成 1.79% 0.018% 0.007% 0.006% 0.62% 气m3/h 5634.74 57.00 21.94 17.52 1941.52量 kmol/h 251.52 2.54 0.98 0.78 86.68 计算过程: 入塔气CO=循环气中CO+新鲜气中CO即15925.38+26559.18=42484.56 m3/h同理可得其他气体气量;出塔气中CO=入塔气中CO反应消耗的CO+反应中生成的CO即42484.5616585.86114.0042.3887.74140.2011.045711.200.61%+1636.54=27105.04 m3/h同理可得其它气体量2.1.8 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18 分离器出口气体组成气体 CH3OH H 2 CO CO2 N2 Ar CH4组成 0.61% 81.82% 9.16% 3.11% 3.21% 0.82% 1.89%气m3/h 1803.64 240074.68 27082.50 9195.20 9490.44 2424.58 5587.90量 kmol/h 80.52 10717.62 1209.04 410.50 423.68 108.24 249.46甲醇合成塔分离器贮 罐冷 凝根椐计算结果，可画出甲醇生产物流图，如：图2-1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 7.粗甲醇2.1.9 粗甲醇精馏的物料平衡计算A 预塔的物料平衡(1).进料A.粗甲醇：27023.45kg/h。根据以上计算列表2-12表2-12组分甲醇二甲醚异丁醇辛烷水合计流量：kg/h25252.53113.5070.2686.481513.3127023.45组成：(wt)%93.400.420.260.325.6100 B.碱液：据资料，碱液浓度为8%时，每吨粗甲醇消耗0.1 kg的NaOH。则消耗纯NaOH：0.127023.452.70kg/h换成8%为：=33.75 kg/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： 25252.5320%-33.75(1-8%)=5019.456kg/h据以上计算列表2-13。表2-13 预塔进料及组成物料量：kg/hCH3OHH2ONaOH(CH3)2OC4H9OH合计粗甲醇25252.531513.31113.5070.2627023.45碱液32.9942.735.863软水5019.4565515.122合计27751.346565.762.7113.5070.2634239.215 (2).出料A.塔底。甲醇：25252.53kg/h B.塔底水。粗甲醇含水：1513.31kg/h 碱液带水：32.994 kg/h 补加软水：5019.456 kg/h 合计：6565.76kg/h C.塔底异丁醇及高沸物：70.26 kg/h D.塔顶二甲醚及低沸物：113.50 kg/h由以上计算列表2-14。 表2-14预塔出料流量及组成物料量：kg/hCH3OHH2ONaOH(CH3)2OC4H9OH合计塔顶113.50113.50塔底25252.536565.762.7070.2631891.25合计25252.536565.762.7055.5670.2632004.755B 主塔的物料平衡计算(1).进料加压塔。预后粗甲醇：31891.25 kg/h常压塔。31891.25-25252.532/3=15169.73kg/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：25252.532/3=16835.02kg/h 塔釜：15682.76kg/hB. 常压塔。塔顶：27751.341/399%=9157.94 kg/h 塔釜：甲醇 水 NaOH 高沸物 kg/h：92.5 6421.746 2.869 7.70 总出料：由以上计算。得表2-15甲醇精馏塔物料平衡汇总表：单位：kg/h 18500.89+6421.746+2.869+7.70+92.5+9157.94=34183.645得表2-15 甲醇精馏塔物料平衡汇总物料物料加压塔顶出料常压塔顶出料常压塔釜出料合计甲醇27751.3418500.899157.9492.527751.34NaOH2.8692.8692.869水6421.7466421.7466421.746高沸物7.707.707.70合计34175.95518500.899157.946524.81534175.955根椐计算结果可画出粗甲精馏物流图，见图2-2。预精馏塔加压精馏塔常压精馏塔 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2-2 粗甲醇精馏物流图2.2 甲醇生产的能量平衡计算2.2.1 合成塔能量计算已知：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，4 MPa下水的气化潜热为409.7 kmol/kg，即1715.00 kJ/kg，密度799.0 kg/m3，水蒸气密度为19.18 kg/m3，温度为250 。入塔气热容见 表2-165MPa，220下入塔气除(CH3OH)热容组分COCO2H2N2ArCH4合计流量：Nm334894.7710668.78239349.677808.4035627.28511721.95310070.86比热：kJ/kmol30.1545.9529.3430.3521.4147.05/热量：kJ/23580.6510987.99157396.595312.062700.6912360.21212338.19查得220时甲醇的焓值为42248.46 kJ/kmol，流量为749.391 Nm3。所以：Q入=42248.46+212338.19220=2815007.35+46714401.8 =49529409.15 kJ出塔气热容除(CH3OH)见表4-17。 表2-17 5MPa，220下出塔气除(CH3OH)热容组分COCO2H2N2ArCH4C4H9OH(CH3)2OH2O合计流量：Nm317145.498751.203198114.487805.7895626.16211941.632.32227.062185.08251599.207比热：kJ/kmol30.1346.5829.3930.4121.3648.39170.9795.8583.49/热量：kJ/11579.359138.40130521.965321.882694.3912951.538.9059.714088.59176365.71 查得250时甲醇的焓值为46883.2 kJ/kmol，流量为10471.692 Nm3。所以：Q出=46883.2+176365.71250=21917251.36+44091421.5 =66008672.86 kJ由反应式得:Q反应=102.37+200.39+115.69+49.62+(-42.92) 1000 =(88862.60+242.08+577.30+5.14-2130.80)1000 =87556320 kJ Q热损失=(Q入Q反应) 5%=(49529409.15+87556320) 5%=6854286.46 kJ所以：壳程热水带走热量 Q传 = Q入 + Q反应 - Q出 - Q热 =49529409.15+87556320-66008672.86-6854286.46 =64222769.83 kJ又：Q传=G热水r热水所以:G热水=37447.89 kg/h即时产蒸气：=1952.45m32.2.2 常压精馏塔能量衡算 Xf=0.448查化工工艺设计手册,甲醇露点温度t=74.8175操作条件：塔顶75，塔釜105，进料温度124，回流液温度40，取回流液与进料的比例为4:1。.带入热量见表2-18。 表2-18常压塔入热物料进料回流液加热蒸汽组分甲醇水+碱甲醇流量：kg/h9259.9146730.3163960.896温度：12412440比热：kJ/kg2.684.262.68热量:kg/h3077254.623555218.966856608.06Q加热Q入=Q进料+Q回流液+Q加热=3077254.62+3555218.96+6856608.06+Q加热=13489081.64+ Q加热 .带出热量见表2-19。表2-19常压塔物料带出热量物料精甲醇回流液残液热损失组分甲醇甲醇甲醇水+碱流量：kg/h9157.9463960.89692.56730.31温度：7575105105比热：kJ/kg2.682.683.504.187潜热：kJ/kg1046.751046.75热量:kg/h11426819.6446331674.0434030.52958879.845%Q入所以：Q出11426819.6446331674.0434030.529588879.845%Q入 =60751404.02+5%Q入因为：Q出Q入所以：Q入= Q出=63948846.34kJ/h所以：Q蒸汽=50459764.7kJ/h已知水蒸气的汽化热为2118.6 kJ/kg所以：需蒸汽G3蒸汽=23817.5 kg/h甲醇蒸汽75 40水常压精馏塔 回流甲醇 加压塔底液体 40 30水 120 甲醇蒸汽 40 115 精甲醇 冷凝液 残液105 甲醇115 图2-3常压塔物流图.冷却水用量计算对热流体：Q入Q产品精甲醇+Q回流液=11426819.64+46331674.04 =57758493.68kJ/hQ出 = Q精甲醇(液)+Q回流液(液)=9157.94402.68+6856608.06=7838339.228kJ/h Q传 =57758493.68(1-5%)-7838339.228=47032229.77kJ/h所以：冷却水用量G3水=1123.3 t水/h所以：每吨精甲醇消耗G3水=40.44t水/t精甲醇.常压塔精馏段热量平衡见表2-20。 表2-20 精馏段热量平衡表带入热量：kJ/h带出热量：kJ/h加压塔来的甲醇：3077254.62采出热量精甲醇：11426819.64塔底供热：50459764.7内回流：g内(672.68+1046.75)内回流：g内(672.68)总入热：53537019.32+179.56g内总出热：11426819.64+1226.31g内所以：总入热=总出热所以：53537019.32+179.56g内=11426819.64+1226.31g内所以：g内=40229.47 kg/h.常压塔提馏段热量平衡见表2-21。 表2-21提馏段热量平衡表带入热量：kJ/h带出热量：kJ/h加压塔来的甲醇：3555218.96残液：2992910.34塔底供热：50459764.7内回流：g内(672.68