物料衡算

第二章物料衡算

2.1反应器物料衡算

将原料及产品规格换算成摩尔分率，即

原料：甲醇含量（99.73％），水含量（0.27％）

产品：合成产品粗二甲醚中二甲醚回收率不小于99％

精馏工段二甲醚含量不小于99.95％

已知:二甲醚的摩尔质量M

A

=46.07 kg/kmol

甲醇的摩尔质量M

B

=32.04kg/kmol

水的摩尔质量M

C

=18.02 kg/kmol

假设年工作时间8000h,要求年产10万吨二甲醚，则每小时应生产二甲醚的量为: 100000×1000/(8000×46.07)=271.326 kmol/h 又因合成产品粗二甲醚中二甲醚回收率不小于99％

故而生产二甲醚的量为：

F=271.326/0.99=274.067 kmol/h

图1 反应器物流简图

反应式： 2CH

3OH → CH

3

OCH

3

+ H

2

O

本次设计由于采用的催化剂是γ-A1

20

3

，甲醇的转化率为60%-80%，设定转化率

为75%，反应器应加入甲醇的量为：

274.067×2/0.75=730.845 kmol/h

原料中甲醇含量（99.73％），水含量（0.27％），则原料进料量为：

730.845/0.9973=732.824 kmol/h 水的量为：732.824×0.0027=1.979 kmol/h 按化学计量关系计算反应器出口气体各组分的量: CH 3OH: 730.845×25%=182.711 kmol/h H 2O: 1.979+274.067=276.046 kmol/h

进入反应器的气体总量Ft 0=732.824kmol/h ，给定空速S V =5000h -1，所以，催化剂床层体积V R 为：

V R =q vn /s v =732.824×22.4/5000

=3.283m 3

表1 反应器阶段的物料组成

2.2二甲醚精馏塔物料衡算

粗产品进入二甲醚精馏塔，二甲醚从塔顶分离出来，而甲醇和水由塔底分离出来，接着进入甲醇精馏塔。

图2 二甲醚精馏塔物流简图

由于三组分精馏，二甲醚是轻关键组分，甲醇是重关键组分，并且是完全分离，所以水全部从塔底分离出来。故塔顶含量为甲醇和二甲醚，塔釜中为二甲醚，甲醇和水。

因为要求精馏工段二甲醚含量不小于99.95％；

由工厂数据知道塔顶二甲醚含量为99.97%

故列式得：

0.3740F=x

1D+y

1

W

0.2493F=x

2D+y

2

W

0.3767F=y

3

W F=D+W

y 1+y

2

+y

3

=1

其中：F=732.824kmol/h,x

1=99.97%,x

2

=0.03%

得出：

D=273.920kmol/h

W=458.904kmol/h ，

y

1

=0.005 ,

y

2

=0.3978 ,

y=0.6017

其中塔釜中二甲醚的含量为0.005，甲醇含量为0.3978，

水的含量为0.6017

表2 二甲醚精馏塔阶段的物料组

组分进料（kmol/h）出料（kmol/h）

F D W

二甲醚 37.40% 274.067 99.97% 273.838 0.05% 0.229

甲醇 24.93% 182.711 0.03% 0.082 39.78% 182.552

水 37.67% 276.046 0 0 60.17% 276.123

合计 1 732.824 1 273.920 1 458.904

2.3甲醇精馏塔物料衡算

二甲醚精馏塔塔底出料进入甲醇精馏塔，甲醇是轻关键组分，从塔顶分离出来；水是重关键组分，从塔底分离出来。

图3 甲醇精馏塔物流见图

由流程图知，塔顶分离出来的甲醇会经过干燥塔进一步分离，最终所得的甲醇会回流至储罐入口，与原料液混合。塔釜则会产生废水，直接经处理后排出系统。则由工厂数据知，甲醇精馏塔塔顶的甲醇含量为95.08%

由二甲醚精馏塔计算结果知：L=458.904kmol/h

0.3798L=x

4D

2

+y

4

W

2

0.6017L=x

5D

2

+y

5

W

2

L=D

2+W

2

x 4 +x

5

=1

y 4+y

5

=1

已知：x

4

=0.9508

又知，甲醇精馏塔塔顶组成为甲醇和二甲醚，故

x

5

=0

因此得出：

0.3978L=0.9508D

2+ y

4

W

2

0.6017L=(1- y

4)W

2

458.904= D

2+W

2

由此求解得：

D

2

=172.64 kmol/h，

W

2

=286.264 kmol/h，

y

4

=0.036

由此知塔釜中甲醇含量为3.6%

表3甲醇精馏塔阶段的物料组成、

组分进料（kmol/h）出料（kmol/h）

L D

1 W

1

二甲醚 0.05% 0.2290 0 0 0

甲醇 39.78% 182.552 95.08% 172.64 3.6% 10.31

水 60.17% 276.123 0 0 96.40% 275.95

合计 1 458.904 1 172.64 1 286.254

2.4甲醇缓冲罐物料衡算

缓冲罐中的物料的来源有：1.新鲜的原料气，2.甲醇精馏段塔顶产物。

缓冲罐中的物料的去路有：去往反应器中进行反应。

前面已经求出甲醇回收塔顶产物172.64 kmol/h，经干燥塔后，其中甲醇的量不变，组成变为甲醇和水。即甲醇的量为：

172.64×95.08%=164.15 kmol/h

故进入甲醇缓冲罐的甲醇回收量为：

164.15/99.73%=164.59 kmol/h

由此知缓冲罐中来自甲醇精馏塔精馏段产物的量为164.59 kmol/h.

反应器中的原料气总量 732.824kmol/h，且甲醇的含量均99.73% 。所以，新鲜加入的原料气的量：568.234mol/h。

表4甲醇缓冲罐中的物料组成

组分甲醇回收后的进料（kmol/h）新鲜进料出料（kmol/h）

F

1 F

2

F