内蒙古科技大学毕业设计说明书
3.2.1单醇生产初始条件
1. 新鲜气中H2 、N2、CH4、CO、CO2 的组成如表3.1所示
表3.1新鲜气的组成
气体组成 V% H2 68.00 N2 1.29 CH4 1.27 CO 27.00 CO2 2.44 合计 100.00 2. 水冷器中气体的平均组成 如表3.2所示
表3.2水冷器中气体的平均组成
气体组成 V%
H2 67.60
N2 10.70
CH4 10.90
CO 9.00
CO2 1.80
合计 100.00
3. 甲醇分离器后粗甲醇的组成 如表3.3所示
表3.3甲醇分离器后粗甲醇的组成
气体组成 W%
甲醇 93.50
二甲醚 0.50
异丁醇 0.54
水 5.46
合计 100.00
4. 由<<化工设计习题集>>附录4查得：各种气体在液体甲醇中的溶解度数据[3]，如表3.4所示
表3.4 各气体在液体甲醇中的溶解度
气体
Nm3（气体）/吨（粗甲醇）
H2
19.40
N2 4.50
CH4 5.80
CO 4.40
合计 6.20 40.3 CO2
5. 计算中所需各种基础数据
以1吨粗甲醇为计算基准，计算粗甲醇中各组分的含量。以计算甲醇为例，具体计算步骤如下：
每小时粗甲醇的产量：M=甲醇的质量流量：M=甲醇的摩尔流量：N=甲醇的摩尔分数：C=
55000?1000=6944.44 kg/h
330?2455000?1000?0.935=6493.05 kg/h
330?246493.05=202.91kmol/h 32N202.91×100%=90.17% ?100%?N总225.23每吨粗甲醇中甲醇的质量：M=1000×93.50%=935.00 kg/t
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每吨粗甲醇中甲醇的体积V=
935.00?22.4=654.50 Nm3/t
32按上述步骤分别计算粗甲醇中各组分的组成，如表3.5所示
表3.5 粗甲醇中各组分的组成
组成 kg/h W% kmol/h mol% kg/t Nm3/t
甲醇 6493.15 93.50 202.91 90.17 935.00 654.50
二甲醚 34.72 0.50 0.75 0.34 5.00 2.43
异丁醇 37.50 0.54 0.50 0.23 5.40 1.63
水 379.17 5.46 21.07 9.36 54.60 67.95
合计 6944.44 100.00 225.23 100.00 1000.00 726.51
以1吨粗甲醇为计算基准，计算粗甲醇中溶解气体的含量。以计算氢气为例，具体步骤如下：
氢气的摩尔流量：N=
19.40?6944.44=6.01 kmol/h
22.40?1000氢气的摩尔分数： C=
N6.01×100%=48.12% ?100%?N总12.49氢气的质量流量M=6.01×2=12.02 kg/h 氢气的质量分数：x=
12.02×100%=5.93% 202.58按上述步骤分别计算粗甲醇中溶解的各种气体含量，如表3.6所示
表3.6 粗甲醇中溶解的各种气体含量
气体组成 kmol/h mol% kg/h W% H2 6.01 48.12 12.02 5.93 N2 1.40 11.17 39.20 19.35 CH4 1.80 14.41 28.80 14.22 CO 1.36 10.92 38.08 18.80 CO2 1.92 15.39 84.48 41.70 合计 12.49 100.00 202.58 100.00
3.2.2物料平衡的基本关系式
由新鲜气中带入的CO2量等于放空时消耗的CO2量、溶解在液态甲醇中的CO2量及按方程（3.5）参加反应时所消耗的CO2量之和，即有：
CO2平衡：VFkF=Vkkk+Kp+Ku (3.6)
同理：可推得其他元素的平衡方程式：
CH4平衡：VFmF+M=Vkmk+Mp (3.7) H2O平衡：W=A+M+3I+ Ku (3.8) N2平衡: VFnF=Vknk+Np (3.9)
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CO平衡：VFcF+Ku =Vkck+Cp +L+ 2A+M+4I (3.10) H2平衡: VFhF =Vkhk+Hp +2L+ 4A+3M+8I+Ku (3.11)
上述六个方程中有八个未知数，即VF、VK、nK、mK、M、Ku、Ck、hk。 利用惰性气体在循环气体中的含量i来建立两个尚缺的方程式：
nK+mK = i , (3.12) cK+hk+kK =1-i (3.13)
联立解上述方程组： 循环气中氮气的含量nK：
n(1?3i?kk)B?(i?kk)DK?nF?(c F?hF?4mF?4nF)B?(nF?mF?kF)D循环气中甲烷的含量nK：
mK=i-nK 放空气量VK：
VDK?ncF?hF?4mF?4K?nn F?(1?3i?kk)F新鲜气加入量VF：
V?VnKPFKn?NFnF 生成甲烷的量M：
M?VRmR?MP?VFmF 进行变换反应消耗的CO2的量：
KU?W?(A?M?3I) 新鲜其中CO的含量：
C?CKVK?(KU?CP?L?2A?M?4I)FV F在这些方程中，两个辅组量D与B分别等于：
D?C?hF?4P?HP?3L?6A?12I?4MnmFP?npcF F 18
(3.14)
(3.15)
(3.16)
(3.17)
(3.18)
(3.19)
(3.20)
(3.21)
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B?MP?A?3I?NPkF上述各式中的符号意义：
n?mFF?KP?W (3.22)
V — 生成1顿甲醇的气体总体积，NM3/t； N —氮气量，NM3/t； n — 氮气含量，容积%：
Ku — 参加反映的CO2的量，NM3/t； K — CO2含量，容积%； M — 甲烷生成量，NM3/t； m — 甲烷含量，容积%； H — 氢气量，NM3/t； h — 氢气含量，容积%； C — CO的量，NM3/t； c — CO含量，容积%； L — 甲醇量，NM3/t； A — 二甲醚量，NM3/t； I — 异丁醇量，NM3/t； W — 生成水量，NM3/t；
i — 循环其中(N2 + CH4)的容积百分数；
VF—新鲜气的容积，NM/t粗甲醇； Vk—放空气的容积，NM/t； nK—循环气中氮气的含量，容积%； mK—循环气中CH4的含量，容积%； CF—新鲜气中CO的含量，NM/t； hF—新鲜气中氢气的含量，容积%；；
3
33
符号下标表示：
P—产物； K—循环气； F—新鲜气； 由式（3.21）求D ：
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D?CP?HP?3L?6A?12I?4MP?NPcF?hF?4mFn
0.27?0.68?4?0.0127 0.0129F?4.40?19.40?3?654.50?6?2.43?12?1.63?4?5.80?4.50??1695.52NM3/t由式（3.22）求B ：
B?MP?A?3I?NPkFn?mFF?KP?W
?5.80?2.43?3?1.63?4.50???56.95NM3/t0.0244?0.0127?6.20?67.95 0.0129由式：（3.14）求循坏气中氮气含量nK
nK?nF??0.0129??0.089(cF?hF?4mF?4nF)B?(nF?mF?kF)D(1?3i?kk)B?(i?kk)D(1?3?0.216?0.018)?(?56.95)?(0.216?0.018)?1695.52
(0.27?0.68?4?0.0127?4?0.0129)?(?56.95)?(0.0129?0.0127?0.0244)?1695.52由式：（3.15）求循环气中甲烷含量mK mK=i-nK
mK =0.216-0.089=0.13
由式：（3.16）求循环气中放空气量VK
Vk?n?kDcF?hF?4nF?4mF
?(1?3i?kk)nF1695.520.27?0.68?4?0.0127?4?0.01290.089??(1?3?0.216?0.018)0.01293Vk?301.12Nm/tVk?由式 VF?Vk?nk?nFNnp求得新鲜气加入量VF：
F0.0894.50??2426.33Nm3/t0.01290.0129由式 M=Vkmk?Mp?VFmF求得生成甲烷量MVF?301.12? 20