第1期煤質(zhì)技術(shù)2007年1月煤化工循環(huán)比對(duì)甲醇合成過程影響的計(jì)算分析紀(jì)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:通過計(jì)算分析，探討了循環(huán)比對(duì)甲醇合成過程的影響，以方便甲醇合成過程的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)。關(guān)鍵詞:甲醇合成;循環(huán)比;計(jì)算分析中圖分類號(hào): TQ223. 1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: B文章編號(hào): 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(yīng)膨脹因子8co=-2，由計(jì)量關(guān)系得到析，根據(jù)甲醇合成反應(yīng)化學(xué)方程式，原料氣的氫碳反應(yīng)中各組分的摩爾分?jǐn)?shù)如下。比值應(yīng)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(zhuǎn)化率較低(一般為15%~20%)1- 2ycoxCo的影響，在單獨(dú)甲醇生產(chǎn)過程中，為了提高合成氣1一2Yco.xA Lco中CO的總轉(zhuǎn)化率，經(jīng)常采取反應(yīng)后低轉(zhuǎn)化率尾氣(3)打循環(huán)的方式來獲得較高的CO轉(zhuǎn)化率。由于合成反應(yīng)器在正常運(yùn)行時(shí)對(duì)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(dǎo)致新鮮原料氣量的減少，即人合成塔氣體中有效反應(yīng)物濃度的降低。從(5)化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)角度來看，反應(yīng)物濃度降低，化學(xué).過程推動(dòng)力減小，則反應(yīng)速率減慢，從而降低合成NcHgOH = JYco.1一2yco.x Ico(6)反應(yīng)器的生產(chǎn)能力?？梢?，片面追求CO轉(zhuǎn)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(duì)于反應(yīng)產(chǎn)物將甲醇冷凝以后的干氣，針對(duì)上述矛盾，該文就調(diào)節(jié)循環(huán)比對(duì)甲醇合成其摩爾分?jǐn)?shù)如下:過程的影響通過計(jì)算分析進(jìn)行了探討。近似認(rèn)為甲1一xco醇合成主要是CO與H2的反應(yīng)，忽略CO2對(duì)合成Yco.,ll = Vco.x1一3yco.xco(2')過程的影響;忽略反應(yīng)熱效應(yīng)對(duì)過程的影響，認(rèn)為1- 2 2C∞.x :Tic反應(yīng)為等溫過程;反應(yīng)器符合平推流模型;氣體質(zhì)(3')量流速較大，忽略內(nèi)外擴(kuò)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(jì)算。Yboe = - 3x0.x.YyD.2x(4')1化學(xué)計(jì)量 與物料衡算YCo.A(5')Jo.,.= - 3xvo.u.Co1.1 化學(xué)計(jì)量甲醇合成反應(yīng)的獨(dú)立計(jì)量方程如下:其中，y為反應(yīng)器人口處各組分的摩爾分?jǐn)?shù);64第1期煤質(zhì)技術(shù)2007年1月y為惰性組分的摩爾分?jǐn)?shù); y.or為反應(yīng)產(chǎn)物將甲當(dāng)轉(zhuǎn)化率、循環(huán)比確定后，可由式(17) 計(jì)算醇冷凝以后干氣的摩爾分?jǐn)?shù); xoo是以反應(yīng)器入口反應(yīng)器入口Co的摩爾分?jǐn)?shù)，并據(jù)求解出的Vo,x，,CO摩爾數(shù)為基準(zhǔn)的轉(zhuǎn)化率，其定義如下:由式(3')~(5')及式(10)， 可計(jì)算出反應(yīng)器入口處其它各組分的摩爾分?jǐn)?shù)。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(yīng)后干氣摩爾流率; o.為反應(yīng)后干氣CO摩爾分?jǐn)?shù)。YD.a二YD.m(19)g以新鮮原料為基準(zhǔn)的轉(zhuǎn)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(yīng)的物流關(guān)系如圖1所示。1.3 計(jì)算過程BNm，yio對(duì)于設(shè)計(jì)型計(jì)算:Nm_↓N反應(yīng)器NostNot(1)規(guī)定反應(yīng)器出口CO轉(zhuǎn)化率(以反應(yīng)器進(jìn)Viayt,out口混合物料為基準(zhǔn)，相當(dāng)于單程轉(zhuǎn)化率)，并規(guī)定Na出口于氣中惰性組分摩爾分?jǐn)?shù)。圖1循環(huán)反應(yīng)物流關(guān)系(2)按新鮮原料中CO、惰性組分摩爾分?jǐn)?shù), .據(jù)圖1物流關(guān)系，有以下物料衡算結(jié)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(yīng)器進(jìn)口處混y.. = 2'im + yio(10)合物料各組分摩爾分?jǐn)?shù)。1+β(4) 由式(2)~(6)及式(2' )~(5')計(jì)算出口濕Nout = N.(1 + β)(1 - 2yo,xco) (11)氣、干氣各組分的摩爾分?jǐn)?shù)。Noπ+βNin = N。(1 + p)(1一3yo,xco)(12)(5)由式(11)~(13)計(jì)算反應(yīng)器出口各氣體摩Na = (1 +β)Nxco.xICco .(13)爾流率。另外，據(jù)惰性組分的衡算有:NmYD,ia = NofrYD.ou(14)2反應(yīng)器空速的確定由式(12)可得:根據(jù)平推流反應(yīng)器設(shè)計(jì)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(yīng)器進(jìn)口混合物料為基準(zhǔn)的空速，mol/g.h;- Roo為CO的反應(yīng)速率，mol/g. h。即反應(yīng)器人口CO摩爾分?jǐn)?shù)、CO轉(zhuǎn)化率- -定時(shí)，根據(jù)北京化工大學(xué)對(duì)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