（7）贮罐气组成
由粗甲醇中溶解气体量可以计算贮罐气组成。 粗甲醇中溶解气体量为： nH2=97.08×4.364=17.733kmol/h nCO=97.08×0.815=3.572kmol/h nCO2=97.08×7.780=37.548kmol/h nN2=97.08×0.365=1.248kmol/h nAr=97.08×0.243=0.846kmol/h nCH4=97.08×1.680=7.169kmol/h 所以贮罐气组成如下:
表3.15 贮罐气组成
Tab. 3.15 composition of gas storage tank 气体 组成 % 含量kmol / h
H2 26.034 17.733
CO 5.244 3.572
CO2 55.124 37.548
N2 1.832 1.248
Ar 1.242 0.846
CH4 10.524 7.169
3.2甲醇合成工段热量衡算 3.2.1合成塔热量衡算相关计算式
全塔热平衡方程式为： ∑Q1+∑Qr=∑Q2+∑Q3+Q4 式中：Q1——入塔气各气体组分热量，kJ/h
Qr——合成反应和副反应的反应热，kJ/h Q2——出塔气各气体组分热量，kJ/h Q3——合成塔热损失，kJ/h Q4——蒸汽吸收的热量，kJ/h
∑Q1=∑（G1×Cp1×T1)
式中：G1——入塔气各组分流量，kmol/h； Cp1——入塔各组分的比热容，kJ/（m3.k）； T1——入塔气体温度，k；
∑Q2=∑（G2×Cp2×T2）
式中：G2——出塔气各组分流量kmol/h； Cp2——出塔各组分的热容，kJ/（m3.k）； T2——出塔气体温度，k；
∑Qr=Qr1+Qr2+Qr3+Qr4+Qr5+Qr6
21
式中：Qr1、Qr2、Qr3、Qr4、Qr5、Qr6、——分别为甲醇、甲烷、二甲醚、 异丁醇、水的生成热，kJ/h； 式中：Gr——各组分生成量，kmol/h； △H——生成反应的热量变化，kJ/mol 3.2.2合成塔热量计算
已知：合成塔入塔气为220℃，出塔气为255℃，热损失以5%计。 （1）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 （2）合成塔入塔热量计算
查《化学化工物性数据手册》[14]得在498.15K、5.2MPa下各组分气体的定压热容如下表所示：
表3.16 各组分气体定压热容
Tab. 3.16 components of gas heat capacity at constant pressure 气体 热容kJ/ (kmol·k)
H2 29.12
CO 30.57
CO2 47.69
N2 30.23
Ar 21.54
CH4 47.61
由Qi=Cpi×Gi得入塔气中各组分的热量：
表3.17 各组分（除CH3OH）带进合成塔的热量 Tab. 3.17 components (except CH3OH) into the reactor heat 气体
H2
CO 30.57 5730.230 0.175
CO2 47.69 2142.981 0.102
N2 30.23 1617.310 0.0488
Ar 21.54 1166.233 0.0251
CH4 47.61 2940.398 0.140
热容kJ/
29.12
(kmol·k)
含量
45784.817
kmol / h 入塔热量
1.333
kJ/（h·k）×106
查得220℃时甲醇的焓值为42248.46kJ/kmol，含量为307.469kmol/h 则每小时入塔热量：
22
∑Qi=1.333×106+0.175×106+0.102×106+0.0488×106+0.0251×106+ 0.140×106 =1.633×106 kJ/（h·k）
所以总热量：
∑Q1=1.633×106×498.15+42248.46×307.469=8.26×108 kJ/h （2）合成塔的反应热
由Qri=△H×Gi得：各组分生成的热量如下
表3.18 甲醇合成塔内反应热
Tab. 3.18 methanol synthesis tower reaction heat 气体 生成热kJ/mol 生成量kmol/h 反应热kJ/h ×108
CH3OH 102.37 2822.802 2.890
(CH3)2O 49.62 4.221 0.00209
C4H9OH 200.39 0.394 0.00079
CH4 115.69 33.007 0.0382
CO -42.92 327.258 -0.140
则合成塔每小时生成的反应热：
∑Qr=2.890×108+0.00209×108+0.00079×108+0.0382×108-0.140×108 =2.79×108 kJ/h （3）合成塔出塔热量计算
查《化学化工物性数据手册》得在528.15K、5.2MPa下各组分气体的定压热容如下表所示：
表3.19 组分气体定压热容
Tab. 3.19 component gas heat capacity at constant pressure 气体 热容kJ/(kmol·k)
H2 29.13
CO 30.69
CO2 48.23
N2 30.32
Ar 21.45
CH4 49.23
由Qi=Cpi×Gi得出塔气中各组分的热量：
查得250℃时甲醇的焓值为46883.2kJ/kmol，含量为3131.829kmol/h 则每小时出塔热量:
Q2=(1.16+0.0979+0.0876+0.0490+0.0250+0.1450+406.48×10-6 +66.72×10-6+0.0129)×106 =1.58×106 kJ/（h·k）
总出塔热量：
∑Q2=1.58×106×528.15+46883.2×3131.829=9.81×108 kJ/h
23
表3.20 各组分（除CH3OH）带出合成塔的热量
Tab. 3.20 components (except CH3OH) with a synthetic tower heat 气体 H2 CO CO2 N2 Ar CH4 (CH3)2O C4H9OH H2O
热容kJ /（kmol·k）
29.13 30.69 48.23 30.32 21.45 49.23 96.30 169.35 35.36
含量kmol/h 39672.049 3189.623 1815.723 1617.310 1166.233 2940.398 4.221 0.394 365.668
出塔热量kJ/（h·k）×106
1.16 0.0979 0.0876 0.0490 0.0250 0.1450 406.48×10-6 66.72×10-6 0.0129
（4） 合成塔热量损失
假设合成塔的热量损失为5%，则损失的这部分能量的值为： Q3=（∑Q1+∑Qr）×5%=（8.26×108+2.79×108)×5%=5.53×107 kJ/h （5）蒸汽吸收的热量
全塔热平衡方程式为：∑Q1+∑Qr=∑Q2+∑Q3+Q4 得： 蒸汽吸收的热量为：Q4=∑Q1+∑Qr-∑Q2-Q3
108+2.79×108-9.81×108-5.53×107 =8.26×
=6.87×107 kJ/h
水蒸气入口温度为200℃，出口温度为220℃，查表得：水蒸气的平均热容为3.224 kJ/（kg·k)，则由Q=Cp×F×△t得：
Q46.87×107F= =C×△t3.224×293.15水蒸气的用量：p =72689.521kg/h =72.689吨/h表3.21 合成塔的热量平衡表 Tab. 3.21 The heat balance of reactor 气体 入塔气kJ/h ×109 出塔气kJ/h ×109
气体显热 0.826 0.981
反应热 0.279 -
热损失 - 0.0553
蒸汽吸收
- 0.0687
合计 1.105 1.105
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