制氢物料平衡计算

甲醇制氢物料平衡计算

甲醇制氢的物料流程如图1－2。流程包括以下步骤：甲醇与水按配比1：1.5进入原料液储罐，通过计算泵进入换热器（E0101）预热，然后在汽化塔（T0101）汽化，在经过换热器(E0102)过热到反应温度进入转化器(R0101)，转化反应生成H2、CO2的以及未反应的甲醇和水蒸气等首先与原料液换热(E0101)冷却，然后经水冷器(E0103)冷凝分离水和甲醇，这部分水和甲醇可以进入原料液储罐，水冷分离后的气体进入吸收塔，经碳酸丙烯脂吸收分离CO2，吸收饱和的吸收液进入解析塔降压解析后循环使用，最后进入PSA装置进一步脱除分离残余的CO2、CO及其它杂质，得到一定纯度要求的氢气。

图1－2 甲醇制氢的物料流程图及各节点物料量

1 物料衡算

1、依据

甲醇蒸气转化反应方程式:

CH3OH→CO↑+2H2↑ （1-1）

CO+H2O→CO2↑+ H2↑ （1-2）

CH3OH分解为CO转化率99%,反应温度280℃,反应压力1.5MPa,醇水投料比1:1.5(mol). 2、投料计算量

代入转化率数据,式(1-3)和式(1-4)变为:

CH3OH→0.99CO↑+1.98H2↑+0.01 CH3OH CO+0.99H2O→0.99CO2↑+ 1.99H2+0.01CO 合并式(1-5),式(1-6)得到:

CH3OH+0.981 H2O→0.981 CO2↑+0.961 H2↑+0.01 CH3OH+0.0099 CO↑ 氢气产量为: 1200m/h=53.571 kmol/h

甲醇投料量为: 53.571/2.9601ⅹ32=579.126 kg/h 水投料量为: 579.126/32ⅹ1.5ⅹ18=488.638 kg/h 3、原料液储槽(V0101)

进: 甲醇 579.126 kg/h , 水 488.638 kg/h 出: 甲醇 579.126 kg/h , 水 488.638 kg/h 4、换热器 (E0101),汽化塔(T0101),过热器(E0103) 没有物流变化. 5、转化器 (R0101)

进 : 甲醇 579.126kg/h , 水488.638 kg/h , 总计1067.764 kg/h 出 : 生成 CO2 579.126/32ⅹ0.9801ⅹ44 =780.452 kg/h H2 579.126/32ⅹ2.9601ⅹ2 =107.142 kg/h CO 579.126/32ⅹ0.0099ⅹ28 =5.017 kg/h 剩余甲醇 579.126/32ⅹ0.01ⅹ32 =5.791 kg/h 剩余水 488.638-579.126/32ⅹ0.9801ⅹ18=169.362 kg/h 总计 1067.764 kg/h 6、吸收塔和解析塔

吸收塔的总压为1．5MPa,其中CO2的分压为0.38 MPa ,操作温度为常温(25℃). 此时,每m 吸收液可溶解CO211.77 m.此数据可以在一般化工基础数据手册中找到，二氯 化碳在碳酸丙烯酯中的溶解度数据见表1一l及表1—2。

解吸塔操作压力为0.1MPa, CO2溶解度为2.32,则此时吸收塔的吸收能力为: 11.77-2.32=9.45

0.4MPa压力下 ?co2=pM/RT=0.4?44/[0.0082?(273.15+25)]=7.20kg/ m CO2体积量 VCO2=780.452/7.20=108.396 m/h 据此,所需吸收液量为 108.396/9.45=11.47 m/h

考虑吸收塔效率以及操作弹性需要,取吸收量为 11.47 m/h?3=34.41 m/h

33333333可知系统压力降至0.1MPa时,析出CO2量为108.396m/h=780.451 kg/h.

混合气体中的其他组分如氢气,CO以及微量甲醇等也可以按上述过程进行计算,在此,忽略这些组分在吸收液内的吸收. 7、PSA系统 略.

8、各节点的物料量

综合上面的工艺物料衡算结果,给出物料流程图及各节点的物料量,见图1一2.

32 热量衡算

1、汽化塔顶温确定

在已知汽相组成和总压的条件下，可以根据汽液平衡关系确定汽化塔的操作温度·甲醇 和水的蒸气压数据可以从一些化工基础数据手册中得到：表1-3列出了甲醇的蒸气压数据· 水的物性数据在很多手册中都可以得到，这里从略。

在本工艺过程中,要使甲醇水完全汽化,则其汽相分率必然是甲醇40%,水60%(mol)且已知操作压力为1.5MPa,设温度为T,根据汽液平衡关系有 0.4p甲醇+0.6p水=1.5MPa

初设 T=170℃ p甲醇=2.19MPa; p水=0.824 MPa p总=1.3704<1.5 MPa

再设 T=175℃ p甲醇=2.4MPa; p水=0.93 MPa p总=1.51 MPa

蒸气压与总压基本一致,可以认为操作压力为1.5MPa时,汽化塔塔顶温度为175℃. 2、转换器(R0101)

两步反应的总反应热为49.66kJ/mol,于是,在转化器内需要供给热量为: Q反应=579.126?0.99/32?1000?(-49.66) =-8.90?10 kJ/h

此热量由导热油系统带来,反应温度为280℃,可以选用导热油温度为320℃,导热油温度降设定为5℃,从手册中查到导热油的物性参数,如比定压热容与温度的关系,可得:

cp320?=4.1868?0.68=2.85kJ/(kg·K), cp300?=2.81kJ/(kg·K) 取平均值 cp=2.83 kJ/(kg·K)

5则导热油用量 w=Q反应/(cp?t)= 8.90?10/(2.83?5)=62898 kg/h

53、过热器(E0102)

甲醇和水的饱和蒸气在过热器中175℃过热到280℃,此热量由导热油供给.从手册中可

以方便地得到甲醇和水蒸气的部分比定压热容数据,见表1-4. 气体升温所需热量为:

Q=? cpm?t=(1.90?579.126+4.82?488.638) ?(280-175)=3.63?10kJ/h 导热油cp=2.826 kJ/(kg·K), 于是其温降为:

?t=Q/(cPm)= 3.63?10/(2.826?62898)=2.04℃ 导热油出口温度为: 315-2.0=313.0℃ 4、汽化塔（TO101 )

认为汽化塔仅有潜热变化。

175 ℃ 甲醇H = 727.2kJ/kg 水 H = 203IkJ/kg Q=579.126?727.2+2031?488.638=1.41?10 kJ/h

以300℃导热油cp计算 cp=2.76 kJ/(kg·K)

655?t=Q/(cPm)=1.41?106/(2.76?62898)=8.12℃

则导热油出口温度 t2=313.0-8.1=304.9℃

导热油系统温差为?T=320-304.9=15.1℃ 基本合适. 5、换热器（EO101)

壳程：甲醇和水液体混合物由常温（25 ℃ ）升至175 ℃ ，其比热容数据也可以从手册中得到，表1 一5 列出了甲醇和水液体的部分比定压热容数据。 液体混合物升温所需热量

Q=? cpm?t=(579.126?3.14+488.638?4.30) ?(175-25)=5.88?10kJ/h

管程：没有相变化，同时一般气体在一定的温度范围内，热容变化不大，以恒定值计算，这里取各种气体的比定压热容为： cpco2?10.47 kJ/(kg·K) cpH2?14.65 kJ/(kg·K) cpco ?4.19 kJ/(kg·K)

则管程中反应后气体混合物的温度变化为：

5?t=Q/(cPm)=5.88?105/(10.47?780.452+14.65?107.142+4.19?169.362)=56.3℃

换热器出口温度为 280-56.3=223.7℃ 6、冷凝器（EO103)

在E0103 中包含两方面的变化：①CO2, CO, H2的冷却以及②CH3OH , H2O的冷却和冷凝.

① CO2, CO, H2的冷却

Q=?c

pm?t=(10.47?780.452+14.65?107.142+4.19?5.017)

?(223.7-40)=1.79?106kJ/h

② CH3OH的量很小，在此其冷凝和冷却忽略不计。压力为1.5MPa时水的冷凝热为： H=2135KJ/kg,总冷凝热

Q2=H?m=2135?169.362=3.62?10kJ/h

55水显热变化Q3= cpm?t=4.19?169.362?(223.7-40)=1.30?10kJ/h

Q=Q1+Q2+ Q3=2.28?10kJ/h

冷却介质为循环水，采用中温型凉水塔，则温差△T=10℃

6用水量 w=Q/( cp?t)= 2.28?10/(4.19?10)=54415kg/

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