5Mpa,温度250℃。 Lurgi 合成塔既是反应器又是废热锅炉。 Lurgi 低压法合成甲醇的主要特点是采用管束式水浴型合成塔。这种合成塔温度几乎是恒定的，温度恒定的好处一是有效地抑制了副反应；二是催化剂寿命长，由于温度比较恒定，因此当操作条件发生变化时（如循环机故障等），催化剂也没有超温危险，仍可安全运转。利用反应热产生地中压蒸汽（4.5-5MPa），经过热后可带动透平压缩机（即甲醇合成气压缩机及循环气压缩机），压缩机用过地低压蒸汽又送至甲醇精制部分使用，因此整个系统热的利用很好。但是Lurgi 合成塔的结构较为复杂，装卸催化剂不太方便，这是它的不足之处。 4.1.2 反应器的计算依据 反应器内的条件：温度：通过冷凝介质（中压水）维持在 230.00℃左右,压力： 5.15Mpa 沈阳化工大学学士学位论文 4 设备计算 21 由于本设计选用的是固定床管式反应器,因此先确定催化剂为C301 铜基催化剂。使用固定空速法,按照实际生产的合成塔中的管间空速,确定设计参数。在 Aspen Plus 里面选用的是RPlug 形式的反应器模型来进行模拟,所使用的物性方法是：BWR-LS。 化学反应的方程式： O H OH CH H CO OH CH H CO Cat Cat 2 3 2 2 3 2 3 2
反应速率方程式： ) / ( ) 1 ( ) 1 ( ) / ( ) 1 ( ) 1 ( 3 4 2 3 2 3 3 1 2 1 2 2 2 2 2 4 2 2 2 2 2 2 2 4 2 s m kmol P K P K P K P P K P P k r s m kmol P K P K P K P K P P k r H H CO CO CO CO O H O CH P H CO CO H H CO CO CO CO O CH P H CO CO
在SI 制下，速率方程式中各系数可表示为：
速率常数： ) / )( 10 997 . 6 exp( 10 296 . 6 ) / )( 10 043 . 5 exp( 10 175 . 6 3 3 7 20 2 3 3 7 16 1 Pa s m kmol RT k Pa s m kmol
RT k 平衡常数： P=5Mpa T T K T T K
P P ln 4263 . 4 1 10 9079 . 9 246 . 81 ln ln 2095 . 3 1 10 3818 . 1 707 . 75 ln 3 2 4 1
P=10Mpa T T
K T T K P P ln 5112 . 9 1 10 3565 . 1 775 . 118 ln ln 013 . 7 1 10 6502 . 1 434 . 104 ln 4 2 4 1
吸
附系数： T K CO 1 10 309 . 1 35763 . 5 ln 4 沈阳化工
大学学士学位论文 4 设备计算 22 T K CO 1 10 257 . 2 64851 . 21 ln 3 2
T K H 1 10 585 . 1 19395 . 12 ln 3 2
4.1.3 反应器R301 1．反应器R301 的物性数据 表4.1 进入反应器R301 的物料数据表 4.1.4 反应器的设计Aspen 模拟流程图 5 R301 1 2 3 图4-1 反应器R301 的Aspen 模拟流程图 序 号 组分 分子式 分子量 常 压 沸点℃ 摩尔分率 温度 ℃ 压力 MPa 1 一氧化碳 CO 28.0100 -190.00 0.0778 210 5.4 2 二氧化碳 CO 2 44.0095 -78.45 0.1397 3 氢气 H 2 2.0000 -252.77 0.6162 4 甲烷 CH 4 16.0423 -162.15 0.0888 5 氮气 N 2 28.0134 -195.8 0.0057 6 氩气 Ar 39.9480 -185.87 0.0004 7 甲醇 CH 4 O 32.0400 64.70 0.0541 8 水 H 2 O 18.0152 100 0.0169 9 乙醇 C 2 H 6 O 46.0688 78.40 0.0003 10 甲酸甲酯 C 2 H 4 O 2 60.050 32.0 0.0001 沈阳化工大学学士学位论文 4 设备计算 23 4.1.5 反应器的设计和灵敏度分析 1．管数的灵敏度分析 表4.2 管数的灵敏度分析一览表 管数 CO 转化率 CO2 转化率 出口CH3OH 含率 5200 0.3328416 0.1336907 0.0720673 5300 0.3476347 0.1287461 0.0741161 5400 0.3620235 0.1240744 0.0761412 5500 0.3760152 0.1196861 0.0781445 5600 0.3896131 0.1155709 0.0801249
5700 0.4028252 0.1117052 0.0820799 5800 0.4156584 0.1080886 0.0840103 5900 0.4281223 0.1047021 0.0859145 6000 0.4402214 0.1015293 0.0877906 6100 0.4519681 0.0985596 0.0896388 6200 0.4633644 0.0957746 0.0914564 6300 0.4744223 0.0931617 0.0932432 6400 0.4851501 0.0907091 0.0949986 6500 0.495556 0.0884043 0.0967217 6600 0.5056486 0.0862377 0.0984123 6700 0.5154346 0.0841953 0.1000691 6800 0.524922 0.0822712 0.1016921 6900 0.5341233 0.0804567 0.103282 7000 0.5430436 0.078746 0.1048384 7100 0.5516909 0.0771269 0.1063606 7200 0.5600739 0.0755966 0.1078493 7300 0.5682011 0.0741478 0.1093047 7400 0.5760792 0.0727743 0.1107268 7500 0.5837135 0.0714735 0.1121157 7600 0.5911152 0.0702384 0.1134722 7700 0.5982905 0.0690647 0.1147965 7800 0.6052462 0.0679503 0.1160893 7900 0.6119885 0.0668895 0.1173505 8000 0.6185236 0.0658799 0.1185808 5200 0.3328416 0.1336907 0.0720673 5300 0.3476347 0.1287461 0.0741161 5400 0.3620235 0.1240744 0.0761412 5500 0.3760152 0.1196861 0.0781445 5600 0.3896131 0.1155709 0.0801249 5700 0.4028252 0.1117052 0.0820799 5800 0.4156584 0.1080886 0.0840103 5900 0.4281223 0.1047021 0.0859145 6000 0.4402214 0.1015293 0.0877906 6100 0.4519681 0.0985596 0.0896388 6200 0.4633644 0.0957746 0.0914564 6300 0.4744223 0.0931617 0.0932432 6400 0.4851501 0.0907091 0.0949986 6500 0.495556 0.0884043 0.0967217 6600 0.5056486 0.0862377 0.0984123 6700 0.5154346 0.0841953 0.1000691 6800
0.524922 0.0822712 0.1016921 沈阳化工大学学士学位论文 4 设备计算 24 管数 3250.0 3500.0 3750.0 4000.0 4250.0 4500.0 4750.0 5000.0 5250.0 5500.0 5750.0 6000.0 6250.0 6500.0 6750.0 7000.0 7250.0 7500.0 7750.0 8000.0 0 . 0 2 0 . 0 4 0 . 0 6 0 . 0 8 0 . 1 0 . 1 2 0 . 0 2 0 . 0 3 0 . 0 4 0 . 0 5 0 . 0 6 0 . 0 7 0 . 0 8 0 . 0 9 0 . 1 0 . 1 1 0 . 1 2 0 . 1 3 0 . 1 4 0 . 1 5 0 . 1 6 0 . 1 7 0 . 1 8 0 . 0 0 . 0 5 0 . 1 0 . 1 5 0 . 2 0 . 2 5 0 . 3 0 . 3 5 0 . 4 0 . 4 5 0 . 5 0 . 5 5 0 . 6 0 . 6 5 CO转化率 CO2转化率 出口CH3OH含率 图4-2 管数Aspen 模拟结果图 在整个流程中 CO 的转化率为 0.348，CO 2 的转化率为 0.1209，CH 3 OH 的产率为 0.177769。通过以上的数据一览表和结果图可以得到，要满足CO 和CO 2 的转化率以及甲醇的产率，可取管数为5300 根。 2．管长的灵敏度分析 表4.3 管长的灵敏度分析一览表 管长 CO 转化率 CO2 转化率 出口CH3OH 含率 8 0.2544923 0.1608958 0.0615825 8.5 0.3028934 0.1440572 0.0680096 9 0.3476347 0.1287461 0.0741161 9.5 0.3888678 0.1157929 0.0800155 10 0.4267556 0.1050675 0.0857043 10.5 0.4614886 0.0962265 0.0911555 11 0.4932715 0.0889042 0.0963417 11.5 0.522317 0.0827952 0.1012449 12 0.548838 0.0776572 0.1058569 12.5 0.5730448 0.0732995 0.1101777 13 0.5951168 0.0695915 0.1142112 13.5 0.6152815 0.0663785 0.1179695 14 0.6336691 0.0636064 0.121461 14.5 0.6504535 0.0611897 0.1247003 15 0.6657734 0.0590851 0.1277024 沈阳化工大学学士学位论文 4 设备计算 25 管长 m 8.0 8.5 9.0 9.5 10.0 10.5 11.0 11.5