循環(huán)比對甲醇合成過(guò)程影響的計算分析

第1期煤質(zhì)技術(shù)2007年1月煤化工循環(huán)比對甲醇合成過(guò)程影響的計算分析紀任山，郭治，何海軍(煤炭科學(xué)研究總院北京煤化工分院，北京100013)摘要:通過(guò)計算分析，探討了循環(huán)比對甲醇合成過(guò)程的影響，以方便甲醇合成過(guò)程的設計與生產(chǎn)。關(guān)鍵詞:甲醇合成;循環(huán)比;計算分析中圖分類(lèi)號: TQ223. 1文獻標識碼: B文章編號: 1007-7677 (2007) 01-0064-04Computational analysis of effect of recycle ratio upon methanol systhesisJI Ren-shan, GUO Zhi, HE Hai-jun( Beijing Research Institute of Coal Chemistry, China Coal Research Institute, Beijing 100013, China)Abstract: In order to make the design and produce of the process of methanol systhesis for convenience, the effect of recycle ratioupon the process of methanol systhesis are discussed by computation in this paper.Key words: methanol systhesis; recycle ratio; computational analysis循環(huán)氣與新鮮原料氣的比值(循環(huán)比)會(huì )直接CO+2H2 =CH3OH(1)影響甲醇的產(chǎn)量、濃度、消耗與質(zhì)量。定性地分該反應膨脹因子8co=-2，由計量關(guān)系得到析，根據甲醇合成反應化學(xué)方程式，原料氣的氫碳反應中各組分的摩爾分數如下。比值應該控制在2.05。但是，由于受合成原料氣1- .IcoYoo = Yco.(2)中CO的單程轉化率較低(一般為15%~20%)1- 2ycoxCo的影響，在單獨甲醇生產(chǎn)過(guò)程中，為了提高合成氣1一2Yco.xA Lco中CO的總轉化率，經(jīng)常采取反應后低轉化率尾氣(3)打循環(huán)的方式來(lái)獲得較高的CO轉化率。由于合成反應器在正常運行時(shí)對氣體流速有一定的要求，因Y=1-22yco.,xTcoYD,a(4)此，循環(huán)尾氣量的增加必然導致新鮮原料氣量的減少，即人合成塔氣體中有效反應物濃度的降低。從(5)化學(xué)反應動(dòng)力學(xué)角度來(lái)看，反應物濃度降低，化學(xué).過(guò)程推動(dòng)力減小，則反應速率減慢，從而降低合成NcHgOH = JYco.1一2yco.x Ico(6)反應器的生產(chǎn)能力?？梢?jiàn)，片面追求CO轉化率的生產(chǎn)方式將會(huì )降低合成裝置的利用效率[2]。同理，對于反應產(chǎn)物將甲醇冷凝以后的干氣，針對上述矛盾，該文就調節循環(huán)比對甲醇合成其摩爾分數如下:過(guò)程的影響通過(guò)計算分析進(jìn)行了探討。近似認為甲1一xco醇合成主要是CO與H2的反應，忽略CO2對合成Yco.,ll = Vco.x1一3yco.xco(2')過(guò)程的影響;忽略反應熱效應對過(guò)程的影響，認為1- 2 2C∞.x :Tic反應為等溫過(guò)程;反應器符合平推流模型;氣體質(zhì)(3')量流速較大，忽略?xún)韧鈹U散的影響，可借鑒C302催化劑的本征動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行分析計算。Yboe = - 3x0.x.YyD.2x(4')1化學(xué)計量 與物料衡算YCo.A(5')Jo.,.= - 3xvo.u.Co1.1 化學(xué)計量甲醇合成反應的獨立計量方程如下:其中，y為反應器人口處各組分的摩爾分數;64第1期煤質(zhì)技術(shù)2007年1月y為惰性組分的摩爾分數; y.or為反應產(chǎn)物將甲當轉化率、循環(huán)比確定后，可由式(17) 計算醇冷凝以后干氣的摩爾分數; xoo是以反應器入口反應器入口Co的摩爾分數，并據求解出的Vo,x，,CO摩爾數為基準的轉化率，其定義如下:由式(3')~(5')及式(10)， 可計算出反應器入口處其它各組分的摩爾分數。Nayc.n- Ntyo.d. Yco.n- N. Yo(7)βyco.xXcoNm (yco.in + Byo.oan)Yco.in + Pyco,ofe,二三3xox.cc(18)式中，β為循環(huán)比;N。為新鮮原料摩爾流率;1+β- iI - 3.co.x.Co. B_Nut為反應后干氣摩爾流率; o.為反應后干氣CO摩爾分數。YD.a二YD.m(19)g以新鮮原料為基準的轉化率為:1+β--3. 3yo.x Ico工= xo(1 +ρCc.o)(8)Yco2 .inYco,inYco,x = -(20)1.2物料衡算1+β-1一3co.x.co循環(huán)反應的物流關(guān)系如圖1所示。1.3 計算過(guò)程BNm，yio對于設計型計算:Nm_↓N反應器NostNot(1)規定反應器出口CO轉化率(以反應器進(jìn)Viayt,out口混合物料為基準，相當于單程轉化率)，并規定Na出口于氣中惰性組分摩爾分數。圖1循環(huán)反應物流關(guān)系(2)按新鮮原料中CO、惰性組分摩爾分數, .據圖1物流關(guān)系，有以下物料衡算結果:由式(16) 和式(17)迭代求解R、VCco.x.N,= (1 + β)N。(9)(3)由式(18)~(20)分別求出反應器進(jìn)口處混y.. = 2'im + yio(10)合物料各組分摩爾分數。1+β(4) 由式(2)~(6)及式(2' )~(5')計算出口濕Nout = N.(1 + β)(1 - 2yo,xco) (11)氣、干氣各組分的摩爾分數。Noπ+βNin = N。(1 + p)(1一3yo,xco)(12)(5)由式(11)~(13)計算反應器出口各氣體摩Na = (1 +β)Nxco.xICco .(13)爾流率。另外，據惰性組分的衡算有:NmYD,ia = NofrYD.ou(14)2反應器空速的確定由式(12)可得:根據平推流反應器設計方程:v.= 1-3(1+ β)vo,xT∞o(15)W1∞_ dxNn(1+β)co.x Ur+pYco.x」。-Roo(21)由式(14)和式(15)可知:YD.in其中，W為床層催化劑質(zhì)量，g; U1+p為 以反β= :3Jvco.x2coyD.of - 1(16)應器進(jìn)口混合物料為基準的空速，mol/g.h;- Roo為CO的反應速率，mol/g. h。即反應器人口CO摩爾分數、CO轉化率- -定時(shí)，根據北京化工大學(xué)對C302催化劑研究得到的循環(huán)比取決于新鮮原料惰性組分與產(chǎn)物干氣中惰性組本征動(dòng)力學(xué)方程:分之比，而0