内蒙古科技大学毕业设计说明书
第四章 甲醇生产热量平衡计算
热量衡算的用途：
一 (1) 对已知设备作出评价 (2) 设计新设备 二 热量衡算的基础：物料衡算和热量衡算
4.1 甲醇合成工段热量平衡计算
工艺条件：（1）进合成塔气体温度平均按34℃计算；（2）冷凝气气体出口温度与液体温度相等，都为30℃； （3）冷却上水温度为24℃，冷却回水温度为38℃； （4）系统热损失为5%.
4.1.1甲醇合成塔的热平衡计算 1全塔热平衡方程式
?Q入塔气+
?Qr=
??G出塔?Cm入?Tm入??Q热损失 (4.1)
式中 Q入塔气 —入塔各气体组分热量，kJ/h； Qr — 合成反应和副反映的反应热，kJ/h；
G出塔— 出合成塔各组分包括反应物生成物流量，Nm3/h； Cm入 — 各组分的热容，kJ /（Kmol·℃）； Tm入 — 出塔气体温度，℃； Q热损失 — 合成塔热损失，kJ /h。
∑Q入塔气=∑（G出塔气×Cm入×Tm入）=∑G入塔气×CP入 (4.2)
式中 Q入塔气 — 入塔气体个组分热量，Nm/h。
∑Qr = Qr1 + Qr2+ Qr3 + Qr4 + Qr5 (4.3)
式中 Qr1 、Qr2、Qr3、Qr4 — 分别为甲醇、二甲醚、异丁醇、甲烷的生成热，kJ /h； Qr5 — 二氧化碳逆变换反应的反应热，kJ /h。
Qr = Gr×△H (4.4)
式中 Gr — 各组分的生成量，Nm3 /h；
△H — 生成反应的热量变化，kJ / Nm3或kJ /mol。 2.全塔入热计算
根据《物理化学》附录八公式计算压力为30MPa时，进合成塔气体平均温度为34℃时，合成塔入塔各组分的热容。
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以计算H2为例，具体计算步骤如下：a=26.88 b=4.347×10-3 c=-0.3265×10-6 带入公式：Cp,m?a?bT?cT2
Cp,m?26.88?4.437?10?3?307.15?0.3265?10?6??307.15??28.182
按上述计算步骤分别计算出合成塔入塔各组分的热容，如表4.1所示
表4.1 甲醇合成塔入塔各组分的热容
组 分
热容 kJ /（Kmol·℃）
H2 28.18
N2 29.14
CH4 35.64
CO 28.79
CO2 38.39
利用式（4.2）计算入塔热量。以计算H2为例，具体计算步骤如下 QH2=G入塔气×CP入=5461.87×28.18=153915.50 kJ /（h·℃） 按上述步骤分别计算个组分的入塔热量，如表4.2所示
表4.2 各组分入塔热量
组 分 kJ/kmo℃ kmol/h kJ/h℃
H2 28.18 5461.87 153915.50
N2 29.14 793.27 23115.89
CH4 35.64 807.66 28785.00
CO 28.79 862.17 24821.87
CO2 38.39 150.17 5765.03
合 计 160.14 8075.24 236403.29
计算条件中入塔气温度为34℃，所以入塔的总热量为：
236403.29×34=8037711.86kJ/h
3.塔内反应热计算
在甲醇合成塔内，CO、CO2、H2分别按反应方程式(4.1)、(4.2)、(4.3)、(4.4)、(4.5)进行反应,生成甲醇、二甲醚、异丁醇、甲烷、二氧化碳还原成一氧化碳和水.计算塔内反应热,以计算甲醇为例,具体步骤如下:
Qr = Gr×△H=202.91×102.50×1000=20798275.00 kJ/h
按上述步骤分别计算各组分的塔内反应热,如表4.3所示
表4.3 甲醇合成塔内反应热
组分 kJ/mol kmol/h kJ/h
CH3OH 102.50 202.91
20798275.00
(CH3)2O 200.20 0.75
150150.00
C4H9OH 49.62 0.50 24810.00
CH4 115.60 4.38
506328.00
CO -49.20 14.42 -709464
合计 — 222.96 19457143.0
4.塔出口总热量计算
假设出塔温度为100℃时,查《氮肥工艺设计手册理化数据》甲醇合成塔出口状态下各组分的热容，并根据表3.9中甲醇合成塔出口物料流量，依据公式
C出塔 =G×Cmλ (2.27)
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分别算出各组分比热容。以计算CO2为例，具体计算步骤如下：
CO2 =135.75× 67.20=9122.40 kJ /（h·℃）
按上述步骤分别计算甲醇合成塔出塔各组分的比热容，如表4.4所示。
表4.4 甲醇合成塔出塔各组分比热容
组 分 kJ /（h·℃） kmol/h kJ /（h·℃） H2 29.64 5021.28 148830.74 N2 32.53 793.27 25805.07 CH4 51.58 812.14 41890.18 CO 33.16 665.72 22075.28 CO2 67.20 135.75 9122.40 CH3OH 58.95 202.91 11961.54 (CH3)2O 89.68 0.75 67.26 C4H9OH 158.26 0.50 79.13 H2O 1.51 21.07 31.82 合 计 __ 7653.11 259863.42 5.全塔热损失
计算条件中已经给出全塔热损失为5%，因此损失掉的热量为： Q热损失=（Q入塔+Q反应热）×5%
=（8037711.86+19457143.00）×5%
=1374742.74 kJ/h
按全塔热平衡方程式（4.1），求出出塔气体温度T出塔 8037711.86+19457143.00=259863.42×T出塔+1374742.74 故有T出塔=118.07℃
综合以上数据，得出全塔的热平衡表，如表5.5所示。
表5.5 甲醇合成塔全塔热平衡表
热量 入热，kJ/h 出热，kJ/h
气体显热 8037711.86 26118872.34
反应热 19457143.00
—
热损失 合 计
27494854.86 —
1374742.74 27493615.08
4.1.2甲醇水冷器的热量平衡计算
1.热平衡方程式
Q入口气+ Q冷凝=Q出口气 + Q液体+ Q冷却水 (2.28)
式中Q入口气、Q出口气 — 分别为冷凝器进出口气体显热，kJ/h； Q冷凝 — 在出口温度下气体冷凝放热，kJ/h； Q冷却水 — 冷却水带走的热量，kJ/h。
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2.热平衡计算
查《氮肥工艺设计手册理化数据》得粗甲醇的物理常数，如表5.6所示。
表5.6 粗甲醇中各组分的物理常数
组分
汽化热，kJ/ kg
液体热容，kJ /（kg·℃）
CH3OH 1117.93 2.72
(CH3)2O 531.75 2.64
C4H9OH 577.81 2.60
H2O 2260.98 4.19
有相变化的物质在低于沸点时全部冷凝，扩散于气相中的组分忽略不计。 (1).气体冷凝放热
Q冷凝 = G×△Hr (2.29)
式中G — 冷凝液体流量，kg/h； △Hr — 组分的饿汽化热，kJ/h。
依据表2.29中的数据计算出塔各组分及冷凝放热量，以计算甲醇为例，具体计算步骤如下：
Q甲醇 = 6493.15×1117.93=7761955.68 kJ/h
按上述步骤分别计算出塔各组分及冷凝放热量，如表5.7所示。
表5.7 出塔气在冷凝器内冷凝放热量
组 分
冷凝量，kg/h 放热量，kJ/h
CH3OH 6943.15 7761955.68
(CH3)2O 34.72 18445.69
C4H9OH H2O 合 计 37.50 379.17 6944.44 21667.88 857295.79 8659365.04
(2).进冷凝器气体总热量
Q入冷凝器=Q出塔= （GF×CP）×T出塔 (2.30)
式中GF — 进冷凝器各组分摩尔流量，kmol/h； CP — 各气体组分热容，J/mol； T出塔 — 出合成塔气体温度，℃。 Q入冷凝器=Q出塔= 26118872.34 kJ/h (3).冷凝器出口气体显热
Q′出冷凝器=Q出塔= ∑（G′F×CP）×T出口 (2.31)
式中G′F — 冷凝器出口气体组分摩尔流量，kmol/h； CP — 出口气体各组分热容，J/mol； T出口 — 冷凝器出口气体温度，℃。
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依据表3.9各组分组成及表2.20中各组分的热容，计算冷凝器出口气体显热，以计算CO2为例，计算步骤如下：
G′F×CP=135.75×38.25=5192.44kJ /（h·℃）
按上述步骤分别计算冷凝器出口气体显热，如表4.8所示。
表4.8 冷凝器出口气体显热
组 分 热容，J/mol 气量，kmol/h 热量，kJ /（h·℃）
H2 28.18 5021.28 141499.67
N2 CH4 CO CO2 合 计 29.12 35.37 28.76 38.25 — 793.27 812.14 665.72 135.75 7428.16 19146.11 5192.44 23100.02 28725.39 217663.63
冷凝器气体出口温度为30℃，则出口气体热量为： Q′出冷凝器=217663.63×30=6529908.90 kJ /h (4).冷凝器出口液体带走热量
Q〞出冷凝器=Q出塔= ∑（G〞F×CP）×T出口 (4.9)
式中G〞F — 冷凝器出口液体各组分的质量流量，kg /h； CP — 各液体组分的热容，kJ /（kg·℃）。
依据表2.9各组分组成及表2.25中各组分热容，计算冷凝液体中各组分带出的热量。以计算甲醇为例，具体计算步骤如下：
G〞F×CP=6493.15×2.72=17661.37 kJ /（h·℃）
按上述步骤分别计算冷凝液体中各组分带出的热量，如表4.9所示。
表4.9 冷凝器出口液体热量
组 分
液体热容，kJ /（kg·℃）
流量，kg /h 热量，kJ /（h·℃）
CH3OH (CH3)2O C4H9OH H2O 合 计 2.72 2.638 2.596 4.187 — 6493.15 34.72 37.50 379.17 6944.44 17661.37 91.66 97.50 1588.72 19439.25
冷凝器出口液体温度为30℃，则液体带出热量为： Q〞出冷凝器=19439.25×30=583177.50 kJ /h 由此，可得冷却水带出热量为：
Q冷却水=26118872.34+8659365.04-（583177.50+6529908.90） =27665150.98 kJ /h
冷凝器热平衡表，如表4.10所示。
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