книги из ГПНТБ / Караваев М.М. Промышленный синтез метанола

Определив коэффициенты активностей по приведенным параметрам, вычи­ сляют константу активности Ку для реакции 1 по уравнению:

ѵYco YH„

уравнений с двумя неизвестными. Затем рассчитывают равновесный состав газо­

РАСЧЕТ ПРОЦЕССА СИНТЕЗА МЕТАНОЛА

Примеры составления материального и теплового баланса синтеза метанола и технологические расчеты колонн синтеза и ректификации проведены по мето­

количество образовавшегося метанола, количество восстановленной двуокиси углерода, содержание азота, метана и водорода в циркуляционном газе.

119

Т а б л и ц а i

где С—масса компонента, кг: ЛГ—его молекулярный вес.

У с л о в н ы е о б о з н а ч е н и я

При расчете материального баланса синтеза принимается, что в колонне синтеза протекают реакции:

СО + 2Н2 ц==± СН3ОН 4СО + 8Н2 С4Н0ОН + ЗН20

дувочных газов, м3; с — количество метана, образовавшегося по реакции 3, м3;

g — количество двуокиси углерода, восстановленной по реакции 5, м3;

і— количество инертных компонентов в цикле, объемн. %; b — количество

водорода в циркуляционном газе, объемн. %.

Материальный баланс цикла синтеза метанола

В соответствии с исходными данными (см. табл. 1) общее количество воды, образовавшейся по реакциям 2, 3, 4 и 5, составляет 54,72 м3/т.

Зная количество образовавшегося днметилового эфира и изобутилового спирта, находят количество воды, получающейся по реакциям 2 и 4:

17,1 + 3 - 3 ,3 = 27,0 м3/т

т. е. на 1 моль днметилового эфира (17,1 м3/т) образуется 1 моль воды, а на 1 моль изобутилового спирта (3,3 м3/т) — 3 моль воды.

Вычитая эту воду из общего количества реакционной воды, определяют ко­ личество воды, образующейся по реакциям 3 и 5 (с + g):

с + £ = 54,72 — 27,00 = 27,72 м3

Величина 27,72 м3 составляет также сумму образовавшихся метана (реак­ ция 3) и окиси углерода (реакция 5).

Для расчета материального баланса синтеза для каждого компонента газо­

где 0,54 и 1,15 — содержание метана и азота в исходном газе, объемн. %; 0^4ңю'~ Х — количество инертных компонентов, поступающих с исходным га­

121

где 695,2 — количество окиси углерода, расходуемое но реакциям 1, 2, 4 и теря­

29,5 и 11,0 — содержание СО в исходном и циркуляционном газах, объемн. %

в о д о р о д

где 1394,1 — количество Но, расходуемое по реакциям 1, 2, 4 и теряемое с тан­ ковыми газами (см. табл. 1):

где 1,0 и 0,9 —концентрация С02 в исходном и циркуляционном газах, объемн. %

танковыми газами (см. табл. 1):

1394,1 + 6 9 5 ,2 + 5,24 + 9,1 = 2103,64 м3

Количество окиси углерода, образующейся по реакции 5, равно:

§ = 27,72 — с

Подставив значение g в уравнения (3—6) и преобразуя их, получают сле­ дующие уравнения:

Для нахождения значения у проводят следующие арифметические действия. Обе части уравнения (10) умножают на 2 и суммируют его с уравнением (11):

2 -(0,01л: — 0,009у — с) = 32,96-2

+ X— у — 2с = 2131,36 1,02л:— 1,018у = 2197,28

122

Затем из уравнения (11) вычитают уравнение (8):

X — у — 2с -=2131,36

~0,295л: — 0,11«/ — 2с = 667,48

Отношение Н2 : СО в циркуляционном газе составит:

73,1

—= 6,64

Содержание азота в циркуляционном газе по уравнению (баланс по азоту) равно:

Таким образом, в результате расчетов получен такой состав циркуляцион­ ного газа: 73,1 объемн. % Н2, 11,0 объемн. % СО. 0,9 объемн. %С02, 8,1 объемн. % М2 и 6,9 объемн. % СН4.

Учитывая потери исходного газа (3—5%), расход его в колонну синтеза сос­ тавит:

2441,6-(1,03 4- 1,05) — 2550 м3/т

После выполнения материального баланса рассчитывают состав и объем га­ зовой смеси в разных точках цикла синтеза (см. рис. 11, стр. 58). Исходя из прак­ тических соображений, принимают объемную скорость подачи газа в колонну синтеза — 40000 м3/(м3-ч), производительность 40 т/(м3-сут) или 1,67 т/(м3-ч).

Объем и состав газовой смеси в разных точках синтеза следующий: исходный газ — 2550 м3/т; газ на входе в колонну (смесь исходного и циркуляционного)

40 000

-J g1 = 24 000 м3/т

газ перед сепаратором (до смещения циркуляционного газа с исходным)

24000—2550 == 21450 м3/т

продувочный газ (до отмывки паров метанола)

288,2 + 9,52 = 297,72 м3/т

где 9,52 — содержание метанола в продувочном газе, м3/т; газ после холодиль­ ника-конденсатора

21 450 + 297,72 = 21747,72 м3/т

жидкий метанол

.712,92 — 9,52 = 703,4 м3/т

123

танковые газы — 43,04 м:,/т; газ после колонны синтеза

21747,72 + 703,4 + 43,04 = 22494,16 м3/т

Уменьшение объема газа в колонне за счет реакций 1—5 составит:

24 000 — 22494,16= 1505,84 м3/т

Критерием правильности материального баланса является соответствие рассчитанного и принятого количества газа на входе в колонну синтеза. В про­ тивном случае условно принятые значения содержания СО и С 02 в циркуляцион­ ном газе принимают вновь и расчеты повторяют. Результаты сравнивают меж­ ду собой и принимают те значения, при которых расхождение минимально.

Сводный баланс цикла синтеза метанола приведен в табл. 2. Плотность газа у, кг/м3 на входе в колонну определяют по формуле:

ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ АГРЕГАТА СИНТЕЗА МЕТАНОЛА

Тепловой баланс колонны синтеза выражается уравнением:

ІахУв\. — I вых.^вых. + QnoT.

где / вх., /вых. — теплосодержание газа на входе и выходе из колонны, ккал/м3; Ѵвх„ Ѵвых. — количество газа на входе и выходе, м3; Опот. — потери тепла,

Содержание метанола-сырца в газовой смеси на выходе из колонны синтеза рав­ но:

124

Всего . . 2550,0 100,00 24000,0 100,00 22494,1 100,00 43,04 100,00 21450,0 100,0 288,20 100,0 712,92 100,00 1000 100,і

/ вх —9 ккал/м3. Затем из уравнения теплового баланса определяется теплосодер­ жание газа /цых.:

Рис. 38. Зависимость теплосодержания газовой смеси от температуры при различной концентрации метанола в газе при 300 кгс/см2:

126

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ

Расчет полочной насадки колонны синтеза

И с х о д н ы е д а н н ы е

Содержание метанола в газе на выходе из колонны (см. табл. 2) равно 2,85 объемн. %, или в вес. % оно составит:

4,6-1,67-1000-100

10,4%

184 000-0,397

где 0,397 — плотность газа, кг/м3. Температура газа

на входе в колонну — /вх = 35° С между корпусом колонны и катализаторной коробкой (в щели) — ^Щ= 45°С

на выходе из теплообменника до поступления на I полку — 7Г= 335°С

на входе в I полку катализаторной коробки (в центральной трубе)—/ц=340 °С температура начала реакции /н. р. == 335 °С

на выходе из катализаторной коробки — tK= 355 °С Повышение температуры газа

вщели — Д^щ = 1 0 °С

вцентральной трубе — Д/ц = 5 °С Общие потери тепла — А/пот. = 15 °С

Тепловой эффект реакции синтеза метанола — 750 ккал/кг.

Теплоемкость газа—0,74 ккал/(кг-град). Размеры катализаторной коробки

диаметр кожуха — 1100 X 14 мм (DK= 1100—2 • 14 = 1072 мм)

диаметр центральной трубы — с1ц = 245 X 5 мм диаметр чехлов для термопар d4 — 51 X 2 мм

диаметр труб холодного байпаса dn= 56 мм высота смесителя между полками /ісм = 350 мм

Сечение слоя катализатора на полке равно:

Sk= -J - (ö ’ - d 3 - 4 d 2 -1 0 r f2 ) =

r = — (1,072= — 0,245- — 4-0,051- — 10-0,0562) = 0,82 м2

Тепловой расчет насадки. При образовании 10,4% метанола температура газа повышается на:

Отсюда повышение температуры газа при образовании 1% метанола соста­

вит:

о 13 °с

10,4 — 1и-10 L

Доля газа, подаваемого по холодным байпасам (х), рассчитывается по урав­ нению теплового баланса катализаторной коробки:

п о с т у п а е т р а с х о д у е т с я

(1— X) (т+ А г р + хівх.= /к + (1—X) (гщ— t B X _ )

Откуда X = 0,246 или 24,6%.

127

Тогда объем газа, подаваемый в колонну по основному ходу, составит:

Расчет катализаторнон коробки

Объем и высота катализатора на 1 полке. Принимаем температуру газовой смеси после смешения /см = 335 °С. Температура холодного газа /б = 35 °С.

Количество холодного газа, подаваемого на I полку, находят по формуле:

Тогда общее количество газа, поступающего на I полку, составит:

55 Ю0 + 900 = 56 000 кг/ч

Температура газа, подаваемого на 1 полку, равна 335 °С. Если принять тем­ пературу газа па выходе из I полки, равной 370 °С, то в результате реакции тем­ пература газа повысится на:

370 — 335 = 35 °С

Принимаем высоту катализаторной коробки Н = 7,33 м (по чертежу), а вы­ соту 1 полки hl = 1,15 м. Потерн тепла в щели и центральной трубе пропорцио­

Таким образом повышение температуры газа по слою катализатора на I пол­ ке равно:

35 -f 2,32 = 37,32 °С

Содержание метанола на выходе из I полки:

37,32

----:------ч 7г\о/.

10,13 —

Рис. 39. Кривая для определения температурного режи­ ма катализаторных коробок колонн синтеза метанола.

128