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列管式等温反应器的结构示意图如图2-2所示
图 2-2列管等温甲醇反应器结构示意图
这种反应器与列管式换热器很相似，催化剂装填在列管内，壳程走的是沸腾锅炉水，带走反应热，可以使其沿管长温度几乎不变，避免了催化剂的过热，延长了催化剂的使用寿命[9][1]。
这种反应器的优点是温度易于控制，单程转化率较高，循环气量小，能量利用较经济，反应器生产能力大，设备结构紧凑[9]。
合成甲醇的反应器还有冷管式、水管式、多床内换热式等。 综上，设计选用列管式等温反应器。
2.3 甲醇合成工艺流程
2.3.1 操作条件
反应器为列管式等温反应器，催化剂为XNC-98型甲醇合成催化剂，催化剂装于列管中，管外走的是沸腾锅炉水。
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进入反应器的物料温度：225℃； 反应器入口的压力：5.14MPa； 离开反应器的物料温度：255℃； 反应器出口的压力：4.9 MPa。 2.3.1 工艺流程
甲醇合成工段的工艺流程简图如图2-3所示
入塔气新鲜气弛放气出分离器气体循环气粗甲醇出塔气图2-3 甲醇合成工段工艺流程简图
（1）新鲜气和循环气进入压缩机，被压缩到5.14MPa； （2）混合后的新鲜气和循环气进入预热器预热至225℃； （3）从预热器出来的混合气进入甲醇反应器进行反应；
（4）从甲醇反应器内出来的合成气经预热器和两个并联的甲醇水冷器； （5）最后，粗甲醇在甲醇分离器中被分离，进入粗甲醇贮槽；混合气从甲醇分离器顶部分离出来先排放一部分废弃物，和新鲜气按一定比例混合后升压，送回甲醇反应器继续反应。
第3章 物料衡算及热量衡算
3.1 甲醇合成工段的物料衡算
3.1.1 设计的条件和参数
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已知：年产量为25万吨的精甲醇，年工作日为330天
表3-1 各物质的摩尔质量
组分 H2 CO CO2 CH4 摩尔质量
（g/mol） 2 28 44 16 28 32 46 74 18
N2 CH3OH (CH3)2O C4H9OH H2O
精甲醇中的甲醇含量为99.95%
表3-2 粗甲醇组成
组分 百分含量
甲醇 93.86%
二甲醚 0.20%
重组分 0.03%
水 5.91%
25?10000?31.57t/h
330?2431.57?99.95%?33.62t/h 每小时生产粗甲醇的量为：
93.86%3.1.2 化学反应
每小时生产精甲醇的量为：
反应器中，CO和H2可以发生很多复杂的化学反应。 （1）发生的主反应
CO+2H2=CH3OH 式(1) （2）发生的副反应
2CO+4H2 = (CH3)2O+H2O 式(2) CO+3H2 =CH4+H2O 式(3) 4CO+8H2 = C4H9OH+3H2O 式(4) CO2+H2= CO+H2O 式(5) 3.1.3 物料衡算
(1) 根据粗甲醇的组分，各组分的生成量计算如下： 甲醇= 31565.66kg/h
即31565.66÷32=986.43kmol/h 986.43?22.4=22095.96m3/h 二甲醚 =33.62?0.0020?1000=67.24 kg /h
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即67.24÷46=1.46kmol/h 1.46?22.4=32.70 m3/h 异丁醇= 33.62?0.0003?1000=10.086kg/h
即10.086÷74=0.14kmol/h 0.14?22.4= 3.05m3/h 水= 33.62?0.0591?1000=1986.942 kg/h
即1986.942÷18=110.39kmol/h 110.39?22.4= 2472.64m3/h 反应过程中，每小时生成甲烷量：33.62×1.52=51.1024 m3/h 即51.1024÷22.4=2.28kmol/h，2.28×16=36.5kg/h。
忽略原物料带入水分，由反应(2)、(3)、(4)可得反应(5)生成的H2O的量为：101.39-1.46-0.14?3-2.28=106.23kmol/h，即在CO的逆变换中生成的H2O的量为106.23kmol/h，即2379.552 m3/h。
5Mpa、40℃时，查表[10]可得：
表3-3 1吨粗甲醇中合成气溶解情况表
气体
溶解量（m3/t粗甲醇）
H2 4.364
CO 0.815
CO2 7.780
N2 0.365
[16]
Ar 0.243
CH4 1.680
则粗甲醇中溶解气体量： H2=33.62×4.364 =146.72m3/h 即146.72÷22.4=6.55kmol/h
CO= 33.62×0.815 = 27.40m3/h 即27.40÷22.4=1.22kmol/h
CO2 = 33.62×7.780 =261.56m3/h 即261.56÷22.4=11.68kmol/h
N2 = 33.62×0.365 = 12.27m3/h 即12.27÷22.4=0.55kmol/h
Ar = 33.62×0.243 = 8.17m3/h 即8.17÷22.4=0.36 kmol/h
CH4 = 33.62×1.680 = 56.48m3/h 即 56.48÷22.4=2.52kmol/h
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甲醇扩散损失为：
(146.72+27.40+261.56+12.27+8.17+56.48)?37.14/1000=19.04kg/h 即0.595kmol/h，13.328Nm3/h （2）物料消耗情况
表3-4 物料消耗情况表
消耗 方式 反应（1）
反应（2）
反应（3）
反应（4）
反应（5）
气体溶解 扩散损失 合计 组成
单 位 kmol/h Nm3/h kmol/h Nm3/h kmol/h Nm3/h kmol/h Nm3/h kmol/h Nm3/h Nm3/h Nm3/h Nm3/h %（V
物料消耗量
合计
一氧化碳 氢气 二氧化碳 氮气等 986.43 22095.96 2.92 65.4 2.28 51.10 0.56 3.05 （106.23） （2379.5） 27.40 13.33 19876.74 28.546
1972.86 44191.92 5.84 130.8 6.84 153.30 1.12 6.1 106.23 2379.5 146.72 47008.34 67.512
106.23 2379.5 261.56 26.66 2667.72 3.831
76.92 76.92 0.111
66287.88
196.2 204.4 9.15 4759 512.6 39.99 69629.72 100
注：括号内为生成量；反应(5)项不包括扩散甲醇和弛放气中甲醇消耗的原料气量
（3）物料生成情况
表3-5 物料生成情况表
生成 方式
单 位
生成物料量
合计
甲烷 甲醇 异丁醇 二甲醚 水
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