循环比对甲醇合成过程影响的计算分析

第1期煤质技术2007年1月煤化工循环比对甲醇合成过程影响的计算分析纪任山，郭治，何海军(煤炭科学研究总院北京煤化工分院，北京100013)摘要:通过计算分析，探讨了循环比对甲醇合成过程的影响，以方便甲醇合成过程的设计与生产。关键词:甲醇合成;循环比;计算分析中图分类号: TQ223. 1文献标识码: B文章编号: 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循环气与新鲜原料气的比值(循环比)会直接CO+2H2 =CH3OH(1)影响甲醇的产量、浓度、消耗与质量。定性地分该反应膨胀因子8co=-2，由计量关系得到析，根据甲醇合成反应化学方程式，原料气的氢碳反应中各组分的摩尔分数如下。比值应该控制在2.05。但是，由于受合成原料气1- .IcoYoo = Yco.(2)中CO的单程转化率较低(一般为15%~20%)1- 2ycoxCo的影响，在单独甲醇生产过程中，为了提高合成气1一2Yco.xA Lco中CO的总转化率，经常采取反应后低转化率尾气(3)打循环的方式来获得较高的CO转化率。由于合成反应器在正常运行时对气体流速有一定的要求，因Y=1-22yco.,xTcoYD,a(4)此，循环尾气量的增加必然导致新鲜原料气量的减少，即人合成塔气体中有效反应物浓度的降低。从(5)化学反应动力学角度来看，反应物浓度降低，化学.过程推动力减小，则反应速率减慢，从而降低合成NcHgOH = JYco.1一2yco.x Ico(6)反应器的生产能力。可见，片面追求CO转化率的生产方式将会降低合成装置的利用效率[2]。同理，对于反应产物将甲醇冷凝以后的干气，针对上述矛盾，该文就调节循环比对甲醇合成其摩尔分数如下:过程的影响通过计算分析进行了探讨。近似认为甲1一xco醇合成主要是CO与H2的反应，忽略CO2对合成Yco.,ll = Vco.x1一3yco.xco(2')过程的影响;忽略反应热效应对过程的影响，认为1- 2 2C∞.x :Tic反应为等温过程;反应器符合平推流模型;气体质(3')量流速较大，忽略内外扩散的影响，可借鉴C302催化剂的本征动力学模型进行分析计算。Yboe = - 3x0.x.YyD.2x(4')1化学计量 与物料衡算YCo.A(5')Jo.,.= - 3xvo.u.Co1.1 化学计量甲醇合成反应的独立计量方程如下:其中，y为反应器人口处各组分的摩尔分数;64第1期煤质技术2007年1月y为惰性组分的摩尔分数; y.or为反应产物将甲当转化率、循环比确定后，可由式(17) 计算醇冷凝以后干气的摩尔分数; xoo是以反应器入口反应器入口Co的摩尔分数，并据求解出的Vo,x，,CO摩尔数为基准的转化率，其定义如下:由式(3')~(5')及式(10)， 可计算出反应器入口处其它各组分的摩尔分数。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为循环比;N。为新鲜原料摩尔流率;1+β- iI - 3.co.x.Co. B_Nut为反应后干气摩尔流率; o.为反应后干气CO摩尔分数。YD.a二YD.m(19)g以新鲜原料为基准的转化率为: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循环反应的物流关系如图1所示。1.3 计算过程BNm，yio对于设计型计算:Nm_↓N反应器NostNot(1)规定反应器出口CO转化率(以反应器进Viayt,out口混合物料为基准，相当于单程转化率)，并规定Na出口于气中惰性组分摩尔分数。图1循环反应物流关系(2)按新鲜原料中CO、惰性组分摩尔分数, .据图1物流关系，有以下物料衡算结果:由式(16) 和式(17)迭代求解R、VCco.x.N,= (1 + β)N。(9)(3)由式(18)~(20)分别求出反应器进口处混y.. = 2'im + yio(10)合物料各组分摩尔分数。1+β(4) 由式(2)~(6)及式(2' )~(5')计算出口湿Nout = N.(1 + β)(1 - 2yo,xco) (11)气、干气各组分的摩尔分数。Noπ+βNin = N。(1 + p)(1一3yo,xco)(12)(5)由式(11)~(13)计算反应器出口各气体摩Na = (1 +β)Nxco.xICco .(13)尔流率。另外，据惰性组分的衡算有:NmYD,ia = NofrYD.ou(14)2反应器空速的确定由式(12)可得:根据平推流反应器设计方程: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为床层催化剂质量，g; U1+p为 以反β= :3Jvco.x2coyD.of - 1(16)应器进口混合物料为基准的空速，mol/g.h;- Roo为CO的反应速率，mol/g. h。即反应器人口CO摩尔分数、CO转化率- -定时，根据北京化工大学对C302催化剂研究得到的循环比取决于新鲜原料惰性组分与产物干气中惰性组本征动力学方程:分之比，而0