【正文】 由每噸粗CH3OH中純甲醇的量計(jì)算合成t出塔后氣體總體積量即V3 V3 純甲醇體積/CH3OH=630/%=21875 Nm3/t 甲醇合成塔出塔氣含CH3OH：% 進(jìn)合成塔出塔氣壓力：30106Pa② 甲醇分離器后氣體的總體積即 循環(huán)氣體積：V9 V9= V4－V5=V6+V10=V3－V7－V8=21875－40－= Nm3/t③ 出甲醇分離器后液體體積V5V5=V7+V8=40+= Nm3/t④ 循環(huán)氣體積V10V10=V9－V6=－= Nm3/t⑤ 進(jìn)甲醇合成塔氣體的體積V2V2=V1－V10=VF+V10=+=⑥V1=VF=消耗CO的量為： VCO′ =VCH3OH+2VCH3OCH3+VCH4+4VC4H9OH+VCO =630+2++4 = Nm3/t消耗H2VH2′=+4VCH3OCH3+3VCH4+8VC4H9OH +VCO =2630+40。第3章 甲醇生產(chǎn)的物料衡算、所需觸媒容積的物料衡算、所需觸媒容積的物料衡算式中： ——粗甲醇的量，kg/h ——空間速度，40000 ——觸媒容積， 3 ——合成塔出口甲醇容積百分?jǐn)?shù)，3% ——合成塔人口甲醇容積百分?jǐn)?shù)，%設(shè)甲醇合成部分的生產(chǎn)能力為每年5萬噸甲醇，每年為330個(gè)工作日時(shí)，其生產(chǎn)能力為:kg/h考慮到副反應(yīng)，便可由方程式確定. （式中32為甲醇的分子式）∴所需觸媒容積 合成塔的數(shù)目： 、粗甲醇合成循環(huán)的物料衡算計(jì)算參考《甲醇生產(chǎn)技術(shù)及進(jìn)展》假定粗甲醇的組成：粗甲醇組成： 甲醇 二甲醚 異丁醇 水Wt% 90 將粗甲醇中各組分含量分別與不同單位列表于下表粗甲醇中各組分含量31成分Wt%Kg/hKmol/hN m3/hV%分子式甲醇9032二甲醚46異丁醇74水18總計(jì)100100—解：甲醇每小時(shí)產(chǎn)量 90%=每小時(shí)產(chǎn)甲醇的物質(zhì)的體積 每小時(shí)產(chǎn)純甲醇的體積 = N m3/h每小時(shí)產(chǎn)甲醇的體積分?jǐn)?shù) 設(shè)新鮮氣組成為： CO2 CO H2 CH4 N2 % % % % %設(shè)水冷器循環(huán)組成：CO2 CO H2 CH4 N2 % % % % %解：水冷器循環(huán)氣組成：CO2 % 查《化工工藝設(shè)計(jì)思考習(xí)題集》圖1 m3氣體/噸甲醇CO %查《化工工藝設(shè)計(jì)思考習(xí)題集》圖2 m3氣體/噸甲醇H2 %查《化工工藝設(shè)計(jì)思考習(xí)題集》圖3 m3氣體/噸甲醇CH4 %查《化工工藝設(shè)計(jì)思考習(xí)題集》圖1 m3氣體/噸甲醇N2 %查《化工工藝設(shè)計(jì)思考習(xí)題集》圖2 m3氣體/噸甲醇粗甲醇中溶解的氣體各組分含量32組分N m3/tV%Kg/tWt%Kg/h二氧化碳一氧化碳11氫氣甲烷615氮?dú)饪傆?jì)40100100解：1每噸粗甲醇中溶解CO2量為： 100%=%每噸粗甲醇中溶解CO2的質(zhì)量： 44=（粗）每噸粗甲醇中溶解CO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù) 100%=%每小時(shí)溶解CO2的體積 N m3/t= N m3/h每小時(shí)溶解CO2的質(zhì)量 =每小時(shí)溶解CO2的物質(zhì)的量 =2每噸粗甲醇中溶解CO的體積為 100%=11% 每噸粗甲醇中溶解CO的質(zhì)量 （粗） 每噸粗甲醇中溶解CO質(zhì)量分?jǐn)?shù) 100%=% 每小時(shí)溶解CO的體積 N m3/t= N m3/h 每小時(shí)溶解CO的質(zhì)量 （粗）= 每小時(shí)溶解CO的物質(zhì)的量 =1噸粗甲醇中各組分含量 甲醇質(zhì)量含量 1000=900kg/t 甲醇體積含量 900=630 N m3/t 二甲醚質(zhì)量含量 1000kg= 二甲醚體積含量 = N m3/t 異丁醇質(zhì)量含量 %= 異丁醇體積含量 = N m3/t 水的質(zhì)量含量 1000= 水的體積含量 = N m3/t每噸甲醇中各組分的量33組分Wt%Kg/t(粗)N m3/tV%分子式甲醇9090063032二甲醚46異丁醇1074水18總計(jì)1001000100— 查閱《化工工藝設(shè)計(jì)思考習(xí)題集》（修訂版）甲醇合成系統(tǒng)的工藝物料平衡基本關(guān)系式 合成甲醇的化學(xué)反應(yīng)方程式： 主反應(yīng)：CO+2H2=CH3OH +（1） 副反應(yīng)：2CO+4H2=CH3OCH+H2O + kj/mol （2） CO=3H2=CH4+H2O + kj/mol （3） 4CO+8H2=C4H9OH + kj/mol （4） CO2+H2=CO+H2O kj/mol （5） 由新鮮氣帶入的CO2量等于放空時(shí)消耗的CO2量，溶解在液態(tài)甲醇中的CO2量及按方程（5）參加反應(yīng)時(shí)所消耗的CO2量之和。由于填充催化劑的管外被沸騰水所包圍，因此催化劑溫度分布均勻。冷凝的粗甲醇送入精制塔精制。合成甲醇的反應(yīng)熱用來產(chǎn)生高壓蒸汽，并作為透平壓縮機(jī)的動(dòng)力。反應(yīng)器內(nèi)裝有銅基催化劑。天然氣在銅基催化劑作用下，轉(zhuǎn)化為含CO、COH2和惰性氣體的合成氣，轉(zhuǎn)化后的合成氣與未轉(zhuǎn)化的進(jìn)料氣一起進(jìn)入純氧自熱式轉(zhuǎn)化爐中，℃下，進(jìn)一步轉(zhuǎn)化，得到甲醇合成氣。是目前工業(yè)上廣泛采用的一種甲醇生產(chǎn)方法。、德國Lurgi低壓合成甲醇的工藝流程德國Lurgi公司于1971年開發(fā)了以天然氣為原料的低壓法工藝。以上混合物送往脫輕組分塔（16），塔頂引出輕餾分，塔底物送甲醇精餾塔（20），塔頂引出產(chǎn)品精甲醇，塔底為水，接近塔釜的某一塔板處引出含異丁醇等組分的雜醇油。此外，還含有二甲醚及可溶性氣體，稱為輕餾分。為防止惰性氣體的積累，把一部分循環(huán)氣放空。經(jīng)合成反應(yīng)后，%～4%（體積），送入加熱器（11）以預(yù)熱合成氣，塔（10）釜部物料在水冷器（12）中冷卻后進(jìn)入分離器（13）。合成塔中填充CuOZnOAl2O3催化劑，于5MPa壓力下操作。合成塔頂尾氣經(jīng)轉(zhuǎn)化后含CO2量稍高，在壓縮機(jī)的二段后，將氣體送入CO2吸收塔（23），用K2CO3溶液吸收部分CO2，使合成氣中CO2保持在適宜值。從壓縮機(jī)第三段出來的氣體不經(jīng)冷卻，與分離器出來的循環(huán)氣混合后，在循環(huán)壓縮機(jī)（9）中壓縮到稍高于5MPa的壓力，進(jìn)入合成塔（10）。在實(shí)際生產(chǎn)中可用副閥來調(diào)節(jié)催化層的溫度，使H2和CO能在催化劑的活性溫度范圍內(nèi)合成甲醇。原料氣分兩路進(jìn)入合成塔。由甲醇分離器出來的氣體，壓力降至30MPa左右，送循環(huán)壓縮機(jī)以補(bǔ)充壓力損失，使氣體循環(huán)使用。為防止反應(yīng)器被腐蝕，保護(hù)反應(yīng)器機(jī)械強(qiáng)度，一般采用耐腐蝕的特種不銹鋼（如1Cr18Ni18Ti)加工制造。 反應(yīng)器材質(zhì)合成氣中含有氫和一氧化碳，氫氣在高溫高壓下會(huì)和鋼材發(fā)生脫碳反應(yīng)（即氫分子擴(kuò)散到金屬內(nèi)部，和金屬材料中的碳發(fā)生反應(yīng)生成甲烷逸出現(xiàn)象），會(huì)大大降低鋼材的性能。 （3）合成氣在魚鱗式徑向流分布器中流程短，流速低，阻力小。魚鱗式徑向流分布器的技術(shù)關(guān)鍵：（1）不等徑、不等距小孔的開孔與分布； （2）魚鱗筒的開孔大小、間距與角度； （3）不開孔段的長度。 　　關(guān)于冷激分布器的設(shè)計(jì)，前文已經(jīng)詳述，這里不再重述，僅對魚鱗式徑向流分布器的設(shè)計(jì)作一簡要介紹。在催化劑床層的一、二段之間采用直接換熱式，提高了換熱效率，簡化了結(jié)構(gòu)；在催化劑床層的二、三段及三、四段之間采用間接式換熱，避免了冷激式換熱對反應(yīng)氣的“沖稀”作用，提高了合成率；在反應(yīng)器內(nèi)氣體的流動(dòng)方式上，采用軸向流與徑向流相結(jié)合的特點(diǎn)，使整塔的阻力僅為全軸向合成反應(yīng)器的40％～60％。該類型反應(yīng)器是南京國昌化工科技有限公司創(chuàng)始人、國內(nèi)氨（甲醇）合成塔技術(shù)方面國家級專家、國內(nèi)知名學(xué)者呂仲明教授幾十年的研究結(jié)果，擁有國內(nèi)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，結(jié)構(gòu)形式如圖五。另外，由于該類型塔為全軸向塔，因此塔阻力較大，大型化的潛力相對較小。 　　該類型合成塔的主要優(yōu)點(diǎn)：均溫操作，減少了對催化劑的熱應(yīng)力，從而提高了它的使用壽命；單位體積催化劑床層的傳熱面積相對較大，床層溫差變化小，操作較平穩(wěn)。 均溫型冷管甲醇合成反應(yīng)器 　　均溫型冷管甲醇合成反應(yīng)器如圖四。該類型反應(yīng)器的主要優(yōu)點(diǎn)：單位體積催化劑床層的傳熱面積較大，床層溫差變化小，操作平穩(wěn)，熱能利用合理。該類型甲醇合成反應(yīng)器的主要結(jié)構(gòu)形式類似于列管式換熱器，通常有管內(nèi)裝催化劑、管外為鍋爐水，以及管外裝催化劑、管內(nèi)走水兩種結(jié)構(gòu)形式，另外還有一種使用雙套管的甲醇合成反應(yīng)器（該塔為日本三菱重工業(yè)公司和三菱瓦斯化學(xué)公司共同開發(fā)的超轉(zhuǎn)化率合成塔），催化劑裝填于內(nèi)外管間的環(huán)形空間中，鍋爐水在管間循環(huán)，內(nèi)管走冷氣。列管式等溫反應(yīng)器列管式等溫反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn)是溫度易于控制，單程轉(zhuǎn)化率高，循環(huán)氣量小，能量利用較經(jīng)濟(jì)，反應(yīng)器生產(chǎn)能力大，設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊。 其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：（1）埋于相鄰兩段催化劑床層之間，但并不使二者截然分開，催化劑可以自由流動(dòng)，便于裝卸； （2）該冷激分布器結(jié)構(gòu)簡單，裝卸及維修方便。 （3）通過對冷激分布器截面形狀的設(shè)計(jì)可以保證混合的氣體在進(jìn)入下一段催化劑床層時(shí)，氣體仍然可以均勻分布。 （2）噴嘴的設(shè)計(jì)。 冷激分布器的關(guān)鍵技術(shù)：（1）混合空間的設(shè)計(jì)。冷激分布器的工作原理是利用其混合空間的低阻力將熱氣體引入混合空間，利用噴嘴調(diào)節(jié)冷氣體的噴出速度與角度，以達(dá)到在混合空間內(nèi)冷熱氣體得以充分的混合與傳熱。由于其移熱方式為冷熱氣體直接混合式移熱，因此具有傳熱系數(shù)高、換熱效果好，且結(jié)構(gòu)簡單、維修工作量少、控制手段靈活、操作穩(wěn)定可靠，特別適于大型化裝置等優(yōu)點(diǎn)。冷激式絕熱甲醇合成反應(yīng)器如圖二。以下介紹低壓法合成甲醇所采用的冷激式和列管式兩