2 工业上采扩铜锌铝催化剂由一氧化碳和氢合成甲醇,其主副反应如下: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,可凝组分变为液体即为粗甲醇。不凝组分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。┌―――→合 成 ――――→冷 凝 分 离―――┐原料气 │ B ↓ kg/h 粗甲醇│ A kmol/h―――――→┤ ├―――――→100kmol/h │ │ 放空气体└―――――――― 循 环 压 缩 ←―――――― ┘原料气和冷凝分离后的气体的摩尔组成分率如下“组分 CO H CO CH N原料气 26.82 68.25 1.46 0.55 2.92冷凝分离后的气体 15.49 69.78 0.82 3.62 10.29粗甲醇的组成为CHOH 89.15%,(CH)O 3.55%,CHOH 1.10% HO 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1 kg粗甲醇而言,其溶解量为:CO 9.82g,CO 9.38g, H 1.76g, CH 2.14g,N 5.38g。若循环气体与原料气之比为7.2(摩尔比),试计算:(1) 一氧化碳的单程转化率和全程转化率;(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100,则根据已知条件,计算进料原料组成以质量分率表示如下:

组成 摩尔质量 摩尔分率 / 质量分率/%

CO 28 26.82 26.82 72.05

H2 2 68.25 68.25 13.10

CO2 44 1.46 1.46 6.164

CH4 16 0.55 0.55 0.8443

N2 28 2.92 2.92 7.844

Σ 100.00 100.00 100.00

上表中。进料的平均摩尔质量。

经冷凝分离后的气体组成,亦即放空气体的组成如下:

组分 Σ

摩尔质量 28 2 44 16 28

摩尔分率 15.49 69.78 0.82 3.62 10.29 100.0

其中冷凝分离后气体平均分子量为:

又设放空气体流量为;粗甲醇的流量为。对整个系统的作衡算得:

对整个系统就所有物料进行衡算得:

(B)

联立(A)和(B)两个方程,解之得:

反应后产物摩尔流量为:

将求得的A、B值代入得:

故的全程转化率为:

由已知循环气体与新鲜气之摩尔比,可得反应器进口处的CO 摩尔流量为:

所以CO的单程转化率为:

产物粗甲醇所溶解的总量为:

粗甲醇中甲醇的含量为:

所以,甲醇的全程收率为:

甲醇的单程收率为: