Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Ф едеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Инженерная школа природных ресурсов

Направление подготовки 18.04.01 «Химическая технология»

Образовательная программа «Химическая инженерия»

ОТЧЕТ ПО ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ № 2

Название работы

Составление материального баланса установки синтеза метанола

Вариант

Вариант 18

По дисциплине

Современные химические технологии

Студент

Группа	ФИО	Подпись	Дата
ХИМ54	Чижова Анастасия Васильевна

Руководитель

Должность	ФИО	Ученая степень, звание	Подпись	Дата
Доцент	Юрьев Е.М.	к.т.н.

Томск – 2025 г.

Цель работы: составить материальный баланс установки синтеза метанола.

Теоретическая часть

1. Расчет материального баланса установки синтеза метанола

Задача определения основных показателей материального баланса синтеза метанола, совмещенная с задачей поиска состава продукта реактора, является достаточно интересной, т.к. позволяет ознакомиться с некоторыми важными понятиями общей химической технологии применительно к процессам газопереработки.

Рассмотрим блок-схему, используемую для составления материального баланса установки синтеза метанола (рис. 1).

Рисунок 1 — Блок-схема установки синтеза метанола: R — реактор (реактора) синтеза метанола; S — сепаратор синтез-газа и метанола-сырца, 1 — свежий синтез-газ; 2 — сырье реактора синтеза метанола; 3 — продукт реактора синтеза метанола; 4 — метанол-сырец; 5 — газовый продукт сепаратора; 6 — продувочный синтез-газ; 7 — рециркулирующий синтез-газ

Свежий синтез-газ 1 смешивается с циркулирующим синтез-газом 7. Полученный поток 2 является сырьем для реактора R. Продуктовый поток 3 поступает в сепаратор S. Метанол-сырец 4 отводится из нижней части сепаратора и направляется на хранение и последующую ректификацию. Поток синтез-газа 5 из верхней части сепаратора S разделяется на циркулирующий синтез-газ 7 и продувочный синтез-газ 6 (англ. «purge gas»).

Отвод продувочного газа 6 необходим для того, чтобы избежать накопления инертных компонентов в контуре циркулирующего синтез-газа (потоки 2–3–5–7), в первую очередь: азота и метана. Инертные газы в реакторе синтеза метанола не превращаются и, как правило, всегда целиком покидают сепаратор S с верхним газовым продуктом. Продувочный синтез-газ 6 (его иногда называют продувочным водородсодержащим газом, ВСГ), как правило, направляется на сжигание в печи парового риформинга природного газа.

Допущение, которое можно применять при расчете простого матбаланса: в сепараторе S в метанол-сырец 4 нацело уходят метанол, вода и диметиловый эфир, а в газовый продукт сепаратора 5 целиком переходят СО, СО2, N2, CH4, H2. При детальном расчете схемы следует использовать методику расчета однократного испарения (в т.ч. подходящие модели состояния и равновесия) для составления точного материального баланса сепаратора S.

Если рассмотреть работу схемы в целом, становится понятно, что существуют некоторые общие закономерности материального баланса, которые в любом случае должны выполняться в стационарном режиме работы установки. Назовем их критериями сходимости (англ. convergence) материального баланса:

1. Сумма расходов потоков метанола-сырца 4 и продувочного газа 6 должна быть равна расходу свежего синтез-газа 1.

2. Расходы азота и метана с продувочным газом 6 должны быть равны расходам, соответственно, азота и метана со свежим синтез-газом 1.

2. Коэффициенты рециркуляции и загрузки

Как было показано, синтез метанола является типичным процессом, управляемым термодинамикой реакции, ее равновесием. Производительность по целевому продукту сильно зависит от температуры и давления в реакторе. Процесс характеризуется неполной конверсией сырья. Используемый на установке рециркулирующий поток непрореагировавшего сырья составляет значительную долю от потока, входящего в реактор. Поэтому одними из важных характеристик процесса являются величины:

• коэффициент рециркуляции kр:

• коэффициент загрузки kз:

где G_c — расход свежего сырья, кг/с; G_р — расход рециркулирующего сырья, кг/с.