应用化学专业 化学工艺学课程设计

组成 34.30% 45.43% 18.98% 0.18% 0.09% 气量m3/h 37402.24 49560.70 20696.64 196.28 98.14 气体 NH3 CH4 H2S COS 组成 0.24% 0.05% 0.7% 0.03% 气量m3/h 261.70 54.52 763.32 32.72 2.1.4气化工段

2.1.4.1 原料煤用量的确定

水煤气中C元素的量=（49560.70+20696.64+32.72+54.52）/22.4=3140.38 kmol/h 。 原料煤选用的是铜川煤，煤的元素分析为/% ：C 67.5；H 4.0 ；S（可燃）1.73；S（不燃）0.34；O 10.2；N 0.65 ；Cl/（mg/kg）229；F/（mg/kg）104； Na/（mgkg）2180；K/（mg/kg）292 。

原料煤中C=3140.38/0.995=3156.16 kmol/h 。 原料煤用量=（3156.16×12）/0.675=56.10t/h

每吨精甲醇用煤量=56.10/26.04=2.15t（原煤）/t（精甲醇） 其中2.15×0.7=1.51t煤用于合成甲醇；0.65t煤用于发电。 4.1.4.2 氧气用量的确定 GSP气化工艺：

碳转化率为99.5%；

原料：1000m3（CO+H2）；原煤（热值Q=24870kJ/kg）645.3kg； O2（99.6%）：291.6m3；

O2（99.6%）用量=((37402.24 +49560.70）/1000）×291.6=25358.40m3 2.2能量衡算 2.2.1煤发电量

每吨煤发电1200 kw.h

0.65×1200×26.04=20311.20（kw.h）/h

2.2.2合成工段

2.2.2.1 合成塔的热平衡计算 （1）计算公式

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全塔热平衡方程式为：∑Q1 + ∑Qr = ∑Q2 + ∑Q3+ Q （1） 式中： Q1——入塔气各气体组分焓，kJ/h；

Qr ——合成反应和副反应的反应热，kJ/h； Q2 —— 出塔气各气体组分焓，kJ/h； Q3 ——合成塔热损失，kJ/h； Q——沸腾水吸收热量，kJ/h。

∑Q1=∑（G1×Cm1×Tm1） （2） 式中：G1——入塔气各组分流量，m/h；

Cm1 ——入塔各组分的比热容，kJ/（m.k）； Tm1——入塔气体温度，k；

∑Q2=∑（G2×Cm2×Tm2） （3）

式中：G2——出塔气各组分流量m/h；

Cm2 ——出塔各组分的热容，kJ/（m.k）； Tm2—— 出塔气体温度，k；

∑Qr= Qr1 +Qr2 +Qr3+ Qr4+ Qr5 +Qr6+ Qr7 （4）

式中：Qr1、Qr2 、Qr3、 Qr4、 Qr5 、Qr6、——分别为甲醇、二甲醚、异丁醇、甲烷、辛烷

的生成热，kJ/h；

Qr7——二氧化碳逆变反应的反应热，kJ/h

Qr=Gr×△H （5） 式中：Gr——各组分生成量，kmol/h；

△ H——生成反应的热量变化，kJ/mol （2）入塔热量计算

通过计算可以得到5.14Mpa，225℃时各入塔气气体的热容，根据入塔气各气体组分量，算的甲醇合成塔入塔热量如下表：

表24 甲醇合成塔入塔热量

气体 CH3OH H 2 CO CO2 N2 Ar CH4 热容kJ/（kmol.k） 67.04 29.54 29.88 44.18 29.47 25.16 46.82

3

3

3

3

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气量kmol /h 8.88 12318.08 1896.64 493.24 424.14 108.54 249.66 入塔热量kJ/（h.k） 595.32 363876.08 56673.92 21791.34 12499.40 2731.86 11689.08 入塔热量合计为479856.00 kJ/（h.k）

所以 ∑Q1=479856.00×498.15=234058766.40 kJ/h （3）塔内反应热的计算

忽略甲醇合成塔中的反应(2)生成的热量，按反应(1) (3) (4) (5) (6) (7)生成的热量如下表:

表25 甲醇合成塔内反应热

气体 CH3OH ( CH3 )2O C4H9OH C8H18 CH4 CO 生成热kJ/mol 102.37 49.62 200.39 957.98 115.69 －42.92 生成量kmol /h 813.50 2.54 0.98 0.76 86.72 73.04 反应热kJ/h 83277995.00 126034.80 196382.20 747224.40 10032636.80 －3135735.20 反应热合计=91244538.00 kJ/h （4） 塔出口气体总热量计算

表26 甲醇合成塔出塔气体组分热容和热量

气体 H 2 CO CO2 N2 Ar CH3OH 热容 29.56 30.01 45.04 29.61 25.16 72.05 气量 kmol/h 10723.06 1210.04 412.24 424.14 108.54 821.44 出塔热量

kJ/（h.k） 316973.66 36313.30 18567.28 12556.42 108.54 821.44 气体 CH4 （CH3O）2 C4H9OH C18H18 H2O 合计 热容 48.14 18.03 19.23 101.73 36.25 气量 kmol/h 251.52 2.54 0.98 0.76 86.68 出塔热量

kJ/（h.k） 12108.18 45.80 18.86 77.32 3142.16 461717.32 出塔气体温度255℃即528.15k

Q2=461717.32×528.15=243855997.28 kJ/h （5）全塔热量损失的确定

全塔热损失为4%,即Q3=(∑Q1 + ∑Qr)×4%=(234058766.40+91244538.00)

×4%=13012132.18 kJ/h

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（6）沸腾水吸收热量的确定

由公式(1)可得Q=∑Q1 + ∑Qr －∑ Q2 －∑Q3=68435174.94 kJ/h

表27 全塔热平衡表

气体 气体显热 反应热 损失热 蒸汽吸收热 合计 入塔气体kJ/h 234058766.40 91044538.00 325303304.40 出塔气体kJ/h 243855997.28 13012132.18 68435174.94 325303304.40 2.2.2.2 入塔气换热器的热量计算 （1）入换热器的被加热气体热量的确定

表28 入换热器被加热气体各组分热容和显热

气体 CH3OH H 2 CO CO2 N2 Ar CH4 热容kJ/（kmol.k）95.87 29.25 29.44 38.47 29.47 25.18 39.66 气量kmol /h 8.88 12318.08 1896.64 493.24 424.14 108.54 249.66

热量kJ/（h.k） 851.32 360303.84 55837.08 18874.94 12499.40 2730.86 9901.52

合计：入换热器的被加热气体热量为461098.96kJ/（h.k），入口温度为40℃， 461098.96×313.15=144393139.32 kJ/h （2）出换热器的被加热气体热量的确定

出换热器的被加热气体显热=入合成塔气体的显热，即234058766.40 kJ/h （3）入换热器的热气体热量的确定

入换热器的加热气体显热=出合成塔气体的显热，即243855997.28kJ/h （4）出换热器的热气体热量的确定

被加热气体吸收的热量=出换热器的被加热气体显热－入换热器的被加热气体显热=234058766.40－144393139.32=89665627.08kJ/h ，所以

出换热器的加热气体显热量=入换热器的加热气体显热－被加热气体吸收的热量

=243855997.28－89665627.08

=154190370.20 kJ/h

（5） 出换热器的加热气体的温度的确定

假设出换热器的加热气体各组分热容与出塔时相同，则出口温度为

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