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1、1 绪论 1 1 在银催化剂上进行甲醇氧化为甲醛的反应 1 1 在银催化剂上进行甲醇氧化为甲醛的反应 322322322322 2CH OHO2HCHO2H O2CH OHO2HCHO2H O2CH OHO2HCHO2H O2CH OHO2HCHO2H O 3222322232223222 2CH OH3O2CO4H O2CH OH3O2CO4H O2CH OH3O2CO4H O2CH OH3O2CO4H O 进入反应器的原料气中 甲醇 空气 水蒸气 2 4 1 3 摩尔比 反应 后甲醇的转化率达 72 甲醛的收率为 69 2 试计算 1 1 反应的选择性 2 2 反应器出口气体的组成 解 1
2、 由 1 7 式得反应的选择性为 进入反应器的原料气中 甲醇 空气 水蒸气 2 4 1 3 摩尔比 反应 后甲醇的转化率达 72 甲醛的收率为 69 2 试计算 1 1 反应的选择性 2 2 反应器出口气体的组成 解 1 由 1 7 式得反应的选择性为 0 6290 6290 6290 629Y Y Y Y S0 961196 11 S0 961196 11 S0 961196 11 S0 961196 11 X0 720X0 720X0 720X0 720 2 进入反应器的原料气中 甲醇 空气 水蒸气 2 4 1 3 摩尔比 当进入反应器的总原料量为 100mol 时 则反应器的进料组成为
3、设甲醇的转化率为 XA 甲醛的收率为 YP 根据 1 3 和 1 5 式可得反应器 出口甲醇 甲醛和二氧化碳的摩尔数 nA nP和 nc分别为 2 进入反应器的原料气中 甲醇 空气 水蒸气 2 4 1 3 摩尔比 当进入反应器的总原料量为 100mol 时 则反应器的进料组成为 设甲醇的转化率为 XA 甲醛的收率为 YP 根据 1 3 和 1 5 式可得反应器 出口甲醇 甲醛和二氧化碳的摩尔数 nA nP和 nc分别为 n n n nA A A A n n n nA0 A0A0A0 1 X 1 X 1 X 1 XA A A A 7 672 7 672 7 672 7 672 molmolmol
4、mol n n n nP P P P n n n nA0 A0A0A0Y Y Y YP P P P 18 96 18 96 18 96 18 96 molmolmolmol n n n nC C C C n n n nA0 A0A0A0 X X X XA A A A Y Y Y YP P P P 0 7672 0 7672 0 7672 0 7672 molmolmolmol 结合上述反应的化学计量式 水 nW 氧气 nO 和氮气 nN 的摩尔数分别 为 结合上述反应的化学计量式 水 nW 氧气 nO 和氮气 nN 的摩尔数分别 为 n n n nW WWW n n n nW0 W0W0W0
5、n n n nP P P P 2n 2n 2n 2nC C C C 38 30 38 30 38 30 38 30 molmolmolmol n n n nO O O O n n n nO0 O0O0O0 1 2n 1 2n 1 2n 1 2nP P P P 3 2n 3 2n 3 2n 3 2nC C C C 0 8788 0 8788 0 8788 0 8788 molmolmolmol n n n nN N N N n n n nN0 N0N0N0 43 28 43 28 43 28 43 28 molmolmolmol 所以 反应器出口气体组成为 1 1 2 工业上采用铜锌铝催化剂由一
6、氧化碳和氢合成甲醇 其主副反应如下 所以 反应器出口气体组成为 1 1 2 工业上采用铜锌铝催化剂由一氧化碳和氢合成甲醇 其主副反应如下 23232323 CO2HCH OHCO2HCH OHCO2HCH OHCO2HCH OH 组分组分摩尔分率 yi0摩尔分率 yi0摩尔数 ni0 mol 摩尔数 ni0 mol CH3O H CH3O H 2 2 4 1 3 0 27402 2 4 1 3 0 274027 4027 40 空气空气4 2 4 1 3 0 54794 2 4 1 3 0 547954 7954 79 水水1 3 2 4 1 3 0 17811 3 2 4 1 3 0 178
7、117 8117 81 总计总计1 0001 000100 0100 0 组分组分摩尔数 mol 摩尔数 mol 摩尔分率 摩尔分率 CH3O H CH3O H 7 6727 6726 9836 983 HCHOHCHO18 9618 9617 2617 26 H2OH2O38 338 334 8734 87 CO2CO20 76720 76720 69830 6983 O2O20 87880 87880 79990 7999 N2N243 2843 2839 3939 39 23 2223 2223 2223 22 2CO4H CH OH O2CO4H CH OH O2CO4H CH OH
8、O2CO4H CH OH O 242242242242 CO3HCHH OCO3HCHH OCO3HCHH OCO3HCHH O 2492249224922492 4CO8HC H OH3H O4CO8HC H OH3H O4CO8HC H OH3H O4CO8HC H OH3H O 222222222222 COH OCOHCOH OCOHCOH OCOHCOH OCOH 由于化学平衡的限制 反应过程中一氧化碳不可能全部转化成甲醇 为了提高 原料的利用率 生产上采用循环操作 即将反应后的气体冷却 可凝组份变为 液体即为粗甲醇 不凝组份如氢气及一氧化碳等部分放空 大部分经循环压缩 机后与原料气
9、混合返回合成塔中 下图是生产流程示意图 原料气Bkg h 粗甲醇Akmol h 100kmol放空气体 原料气和冷凝分离后的气体组成如下 mol 粗甲醇的组成为 CH3OH 89 15 CH3 2O 3 55 C3H9OH 1 10 H2O 6 20 均 为重量百分率 在操作压力及温度下 其余组分均为不凝组分 但在冷凝冷却 过程中可部分溶解于粗甲醇中 对 1kg 粗甲醇而言 其溶解量为 CO29 82g CO 9 38g H21 76g CH42 14g N25 38g 若循环气与原料气之比为 7 2 摩尔 比 试计算 1 1 一氧化碳的单程转换率和全程转化率 2 2 甲醇的单程收率和全程收率
10、 解 1 设新鲜原料气进料流量为 100kmol h 则根据已知条件 计算进料原料 气组成以质量分率表示如下 由于化学平衡的限制 反应过程中一氧化碳不可能全部转化成甲醇 为了提高 原料的利用率 生产上采用循环操作 即将反应后的气体冷却 可凝组份变为 液体即为粗甲醇 不凝组份如氢气及一氧化碳等部分放空 大部分经循环压缩 机后与原料气混合返回合成塔中 下图是生产流程示意图 原料气Bkg h 粗甲醇Akmol h 100kmol放空气体 原料气和冷凝分离后的气体组成如下 mol 粗甲醇的组成为 CH3OH 89 15 CH3 2O 3 55 C3H9OH 1 10 H2O 6 20 均 为重量百分率
11、 在操作压力及温度下 其余组分均为不凝组分 但在冷凝冷却 过程中可部分溶解于粗甲醇中 对 1kg 粗甲醇而言 其溶解量为 CO29 82g CO 9 38g H21 76g CH42 14g N25 38g 若循环气与原料气之比为 7 2 摩尔 比 试计算 1 1 一氧化碳的单程转换率和全程转化率 2 2 甲醇的单程收率和全程收率 解 1 设新鲜原料气进料流量为 100kmol h 则根据已知条件 计算进料原料 气组成以质量分率表示如下 组分组分原料气原料气冷凝分离后的气体冷凝分离后的气体 COCO26 8226 8215 4915 49 H2H268 2568 2569 7869 78 CO
12、2CO21 461 460 820 82 CH4CH40 550 553 623 62 N2N22 922 9210 2910 29 组分组分摩尔质量摩尔质量yi0 mol yi0 mol Fi0 kmol h Fi0 kmol h 质量分率 xi0 质量分率 xi0 COCO282826 8226 8226 8226 8272 0572 05 H2H22 268 2568 2568 2568 2513 113 1 CO2CO244441 461 461 461 466 1646 164 CH4CH416160 550 550 550 550 84430 8443 N2N228282 922
13、922 922 927 8447 844 总计总计100100100100100100 循环压缩循环压缩 合成合成 冷凝分离冷凝分离 其中 xi yiMi yiMi 进料的平均摩尔质量 Mm yiMi 10 42kg kmol 经冷凝分离后的气体组成 亦即放空气体的组成 如下 其中冷凝分离后气体平均分子量为 其中 xi yiMi yiMi 进料的平均摩尔质量 Mm yiMi 10 42kg kmol 经冷凝分离后的气体组成 亦即放空气体的组成 如下 其中冷凝分离后气体平均分子量为 MMMM m mmm y y y yi i i iMMMMi i i i 9 554 9 554 9 554 9
14、554 又设放空气体流量为 Akmol h 粗甲醇的流量为 Bkg h 对整个系统的 N2作衡算 得 5 38B 28 1000 0 1029A 2 92 A 对整个系统就所有物料作衡算得 100 10 42 B 9 554A B 联立 A B 两个方程 解之得 A 26 91kmol hB 785 2kg h 反应后产物中 CO 摩尔流量为 FCO 0 1549A 9 38B 28 1000 将求得的 A B 值代入得 FCO 4 431 kmol h 故 CO 的全程转化率为 又设放空气体流量为 Akmol h 粗甲醇的流量为 Bkg h 对整个系统的 N2作衡算 得 5 38B 28 1
15、000 0 1029A 2 92 A 对整个系统就所有物料作衡算得 100 10 42 B 9 554A B 联立 A B 两个方程 解之得 A 26 91kmol hB 785 2kg h 反应后产物中 CO 摩尔流量为 FCO 0 1549A 9 38B 28 1000 将求得的 A B 值代入得 FCO 4 431 kmol h 故 CO 的全程转化率为 CO 0COCO 0COCO 0COCO 0CO COCOCOCO CO 0CO 0CO 0CO 0 FFFFFFFF 26 824 43526 824 43526 824 43526 824 435 X83 48 X83 48 X83
16、 48 X83 48 F26 82F26 82F26 82F26 82 由已知循环气与新鲜气之摩尔比 可得反应器出口处的 CO 摩尔流量为由已知循环气与新鲜气之摩尔比 可得反应器出口处的 CO 摩尔流量为 F F F F CO 0 CO 0CO 0CO 0 100 100 100 100 0 2682 7 20 2682 7 20 2682 7 20 2682 7 2 100100100100 0 1549 138 40 1549 138 40 1549 138 40 1549 138 4 kmol hkmol hkmol hkmol h 所以 CO 的单程转化率为所以 CO 的单程转化率为 CO 0COCO 0COCO 0COCO 0CO COCOCOCO CO 0CO 0CO 0CO 0 FFFFFFFF 26 824 43526 824 43526 824 43526 824 435 X16 18 X16 18 X16 18 X16 18 F138 4F138 4F138 4F138 4 产物粗甲醇所溶解的 CO2 CO H2 CH4和 N2总量 D 为产物粗甲醇所溶解的 CO2
