丙烯腈合成工藝的物料衡算和熱量衡算計算過程案例目錄TOC\o"1-3"\h\u27818丙烯腈合成工藝的物料衡算和熱量衡算計算過程案例 1242821總體方案的工藝設(shè)計 195211.1丙烯腈的物料流程圖 183571.2設(shè)計任務(wù) 249422物料衡算和熱量衡算 2232882.1丙烯腈每小時的生產(chǎn)能力 2309732.1.1反應(yīng)器的物料衡算和熱量衡算 210432.1.2沸熱鍋爐的熱量衡算 799362.1.3空氣飽和塔的熱量衡算和物料衡算 8226092.1.4氨中和塔的熱量衡算和物料衡算 1114332.1.5換熱器的熱量衡算和物料衡算 19193432.1.6水吸收塔的熱量衡算和物料衡算 2158072.1.7空氣水飽和塔釜液槽的物料衡算和熱量衡算 2628062.1.8丙烯蒸發(fā)器的熱量衡算 28263982.1.9丙烯過熱器熱量衡算 28148112.1.10氨蒸發(fā)器的熱量衡算 2954982.1.11氣氨過熱器 29109572.1.12混合器 30182252.1.13空氣加熱器的熱量衡算 3177062.1.14吸收水第一冷卻器 3144992.1.15吸收水第二冷卻器 3264642.1.16吸收水第三冷卻器 321總體方案的工藝設(shè)計1.1丙烯腈的物料流程圖圖1.2物料流程圖1.2設(shè)計任務(wù)(1)設(shè)計的項目名稱：丙烯腈的合成工藝設(shè)計；(2)生產(chǎn)方法：采用的是丙烯氨氧化法制，所采用的原料為氨、丙烯和氧；(3)生產(chǎn)能力：年產(chǎn)噸丙烯腈合成工藝設(shè)計；(4)溫度：850華氏度；(5)壓力：0.2MPa；(6)接觸時間：2-6s；(7)原料配比：C3H6:NH3:O2:H2O=1.0:1.05:1.3:3(摩爾比)；(8)原料組成：各個物質(zhì)占液態(tài)丙烯原料的百分比分別為丙烯,丙烷；氨；(9)丙烯腈在合成工段所占的比例為。2物料衡算和熱量衡算2.1丙烯腈每小時的生產(chǎn)能力一年按天計算，的損失率為，設(shè)計裕量為，則的小時產(chǎn)量為2.1.1反應(yīng)器的物料衡算和熱量衡算(1)計算依據(jù)a.原料組成含b.進(jìn)入反應(yīng)器的原料配比為c.如表反應(yīng)后各產(chǎn)物的單程轉(zhuǎn)化率d.丙烯腈的產(chǎn)量,即；e.被認(rèn)為是氣體進(jìn)入溫度，出口氣體溫度為，反應(yīng)溫度為；f.反應(yīng)器的進(jìn)出口操作壓力分別為。(2)物料衡算a.下面計算的是原料氣中各組分的流量(反應(yīng)器進(jìn)口)C3H6C3H8NH3O2H2ON2b.混合氣中各組分的流量(反應(yīng)器出口)AN(丙烯腈)AC(丙烯醛)CAN(乙腈)HCN(氰化氫)CO2N2C3H8O2C3H6NH3H2Oc.反應(yīng)器物料平衡表如表3-2反應(yīng)器物料平衡表(3)熱量衡算表各物質(zhì)在下的平均定壓比熱容表[10]a.則假設(shè)熱力學(xué)途徑如下圖：圖2.1濃相段的熱力學(xué)途徑可得各個物質(zhì)在25-t℃下的平均比熱容可以用0-t℃下的平均比熱容代替了，這樣代替誤差不會太大，所以各物質(zhì)的熱量如下 假設(shè)熱量損失是的，這樣就可以計算出濃相段裝置所放出的熱為：就從上面的計算可以看到此處的壓力為，產(chǎn)生的飽和溫度(飽和蒸汽),可以查到飽和蒸汽焓和飽和水焓分別為如下所示下的飽和蒸汽焓為下的飽和水焓為因此濃相段所產(chǎn)生的蒸汽量b.采用熱量衡算計算稀相段的裝置帶入的熱量和帶出的熱量衡算的基準(zhǔn)是以0℃氣體為基準(zhǔn)。帶入的熱帶帶出的假設(shè)稀相段的換熱裝置按照熱損失的來計算，則則可以算出稀相段裝置在產(chǎn)生的飽和蒸汽下，所產(chǎn)生的蒸汽量為2.1.2沸熱鍋爐的熱量衡算(1)計算依據(jù)a.由上面可以得到反應(yīng)器出口的氣體就是該出的氣體組成b.被認(rèn)為是氣體出去時的溫度，被認(rèn)為是氣體出去時的出壓力c.是氣體進(jìn)來時的溫度，是氣體進(jìn)來時的壓力d.是在鍋爐水側(cè)產(chǎn)生的飽和蒸汽為(2)熱衡算衡算基準(zhǔn)(是指以的氣體作為衡算基準(zhǔn))。下表所顯示的比熱容是各個物質(zhì)在下的表各個物質(zhì)在下的平均比熱容表a.它所帶出的熱量就是上面計算出來氣體帶入的熱量(稀相段)則有b.出口氣體帶出的熱c.采用熱衡算來求需要取出的熱量Q計算所需要放出的熱量時，此時熱損失按照計算，則d.產(chǎn)生的蒸汽量下面來計算下的值2.1.3空氣飽和塔的熱量衡算和物料衡算(1)計算依據(jù)a.被看做是空氣出塔的壓力，被看做是空氣進(jìn)塔的壓力b.和這兩個值分別是飽和塔氣、液體積比為和飽和度c.被認(rèn)為是空壓機的相對濕度，被當(dāng)成是空壓機的入口氣體溫度，被當(dāng)成是空壓機出口氣體溫度d.乙腈的解吸塔釜液就是塔頂噴淋液，溫度被看做是，則各組分的組成如下：表3-5塔頂噴淋液的組成e.下面計算塔頂濕空氣的量和成的組成，這些量可以從上面的計算中找到則即即即(2)物料衡算a.進(jìn)入塔的空氣量進(jìn)入塔的干空氣的量=我們可以從相關(guān)資料上查出下的相關(guān)數(shù)據(jù)，空氣濕含量為，所以，可以求出進(jìn)塔帶進(jìn)去的水蒸氣量為 b.熱水進(jìn)去塔的量是氣液比，這是查出來的，所以下面就可以計算出進(jìn)口塔的噴淋液在下的是塔頂噴淋液的密度，這樣就可以計算出水進(jìn)入塔的質(zhì)量流量 c.出口塔的濕空氣的量因為出口塔氣體中的的量等于反應(yīng)器入口氣體中的的量，所以即即即d.出口塔液流量塔內(nèi)水的蒸發(fā)量因此，出口塔液流量e.飽和塔物料平衡表3-6飽和塔物料平衡(3)熱衡算a.出口氣體溫度(指的是空氣飽和塔的出口氣體溫度)從上面的表中得，蒸汽的摩爾分?jǐn)?shù)看做為(空氣飽和塔的出口氣體),則根據(jù)分壓定律可以求出實際的蒸汽分壓為在這兒被看為飽和度，下面就可以計算出來我們要的分壓： 這樣一來對應(yīng)的得到了飽和溫度為，所以，就是我們所定義的出口的溫度。b.熱水溫度溫度是。c.是熱水的出塔溫度，計算如下，則的液態(tài)水，的氣態(tài)空氣都是熱衡算的基準(zhǔn)。(a)溫度為時進(jìn)入塔的空氣帶入的熱量為查得的蒸汽焓值為，()是干空氣的平均比熱容。(b)出口塔中濕空氣所帶出的熱量為查得在90℃下的蒸汽焓為，空氣的比熱容可以取。(c)在105℃這種情況下噴淋液進(jìn)到塔的熱量是(d)熱水溫度熱水出塔的時候帶出的熱量可以用表示，因此 熱量損失按照計算，則則熱平衡方程為將數(shù)據(jù)代入得：可以解得所以，解得出口塔的熱水溫度為。2.1.4氨中和塔的熱量衡算和物料衡算(1)計算依據(jù)a.直接可以采用上面的反應(yīng)器出口氣體的組成這個數(shù)值。b.就是新鮮硫酸吸收劑的含量。c.循環(huán)液(塔底出口液體)的組成如下：表3-7塔底出口液的組成e.被認(rèn)為是塔底的壓力，這個數(shù)值被認(rèn)為是塔頂?shù)膲毫?。f.被看做是新鮮硫酸吸收劑的溫度，這個值就看做是進(jìn)口塔氣體的溫度，這個值就定為出口塔氣體的溫度。(2)物料衡算：如圖氨中和塔局部流程所示圖2.1氨中和塔局部流程注：1-氨中和塔；2-循環(huán)冷卻器a.廢液從塔里面出來的量和組成，則這個值就是氨在進(jìn)口塔氣體的含量，在塔內(nèi)經(jīng)過一系列的反應(yīng)最終生產(chǎn)硫酸銨，則發(fā)生反應(yīng)的方程式為： 的生成量為： 由上面的計算可以看到的相對分子量是，而的相對分子量是。這樣計算下來的話的含量占塔底排出液的，所以，接下來計算出來的是就是廢液的排出量： 下面試廢液放出來的物質(zhì)的大?。篵.需將這個數(shù)值補充到里面的量為：b.下面計算了氣體出塔的量為：O2d.如下表所示表氨中和塔循環(huán)系統(tǒng)物料平衡(3)熱衡算a.氣體出塔的溫度下面的計算就是計算所需要的假設(shè)為飽和度，那么就可以計算出氣體出塔溫度的平衡飽和蒸氣分壓為： 的含量為，如表所示。根據(jù)的值和入塔噴淋液的含量，采用內(nèi)插法可以得到為出口塔氣體的溫度表硫酸銨溶液上方的飽和蒸汽壓為入塔蒸汽的分壓，飽和蒸汽分壓等于的時候在釜液含量下釜液的飽和溫度，為飽和溫度，是用內(nèi)插法從表中得到的飽和溫度，可以設(shè)為飽和溫度比塔釜液溫度，所以塔釜液溫度為。但是，經(jīng)過查該物質(zhì)的溶解度就可以得到，在時，每的水能溶解的硫酸銨，然而就是釜液的硫酸銨含量，因此塔釜液的溫度應(yīng)該控制在。d.循環(huán)冷卻器的冷卻水用量和負(fù)荷作圖的虛線方框列出熱平衡方程式得圖氨中和塔的熱量衡算注：1-氨中和塔，2-循環(huán)冷卻器(a)為氣體進(jìn)去塔里面所帶入的熱量其實從整個設(shè)計中可以得到氣體進(jìn)入塔的熱量就是氣體出廢熱鍋爐的熱量，因此有(b)為被認(rèn)為是氣體出來塔的時候帶的熱下面的平均比熱容值就是下的表各組分在的平均比熱容(c)把認(rèn)為是從他里面放出蒸汽切冷卻的熱 因為蒸汽的冷凝熱為，所以有 (d)是有機物冷凝放出的熱的冷凝量，它的冷凝熱為的冷凝量，它的冷凝熱為的冷凝量，它的冷凝熱為因此(e)是氨中和時放出的熱但是每生成硫酸銨所放出的熱為所以(f)是硫酸稀釋放出的熱已知硫酸的稀釋熱為故(g)把看成是在塔下面生成的廢而放出的熱當(dāng)做是硫酸銨水溶液的比熱容,這是通過氮肥設(shè)計手冊查得的，而塔釜排放的廢液中，與的摩爾比為。所以(h)是新鮮吸收劑帶入的熱量因為為的比熱容。因此(i)把看成是循環(huán)冷卻器的熱負(fù)荷可以忽略熱損失，則求解可得(j)當(dāng)做是循環(huán)冷卻器的冷卻水用量假設(shè)循環(huán)冷卻器的循環(huán)水上水溫度為，排水溫度為，因此冷卻水量為 e.計算出循環(huán)液流量是循環(huán)液的比熱容，為新鮮吸收液和循環(huán)液混合后的噴淋液比熱容。假設(shè)為循環(huán)液的流量，單位是，為循環(huán)冷卻器出口的循環(huán)液溫度。則可以計算出循環(huán)液和新鮮吸收劑匯合處的熱： (1)列循環(huán)冷卻器的熱平衡得： (2)把上面的兩個式子結(jié)合起來，有 2.1.5換熱器的熱量衡算和物料衡算(1)計算依據(jù)把這兒的流量和組成可以看做是上面的氨中和塔的，且氣體進(jìn)來時的溫度為，其他出去時溫度為以及操作壓力為。(2)物料衡算[11]由上面的圖可以得到為出口氣體溫度，所以下的飽和蒸汽壓為 假設(shè)的蒸汽是出口氣體中的，可以根據(jù)分壓定律得： 可以解得因此，蒸汽的冷凝量為 所以得到了下面的換熱器氣體的物料平衡表表3-10換熱器氣體物料平衡表(3)熱量衡算a.是氣體進(jìn)入換熱器所帶入的熱量 b.是蒸汽冷凝所放出的熱是40℃下水的汽化熱 c.是冷凝液帶出的熱量 d.是出口氣體帶出的熱量表3-11在0-40℃的出口氣體各組分的平均摩爾熱容因此b.換熱器的熱負(fù)荷用熱衡算可以求得則，熱平衡方程式為:將數(shù)據(jù)帶入得：求得2.1.6水吸收塔的熱量衡算和物料衡算(1)計算依據(jù)(見下圖)圖3.3水吸收塔的局部流程a.為氣體出塔的溫度，為壓力，為氣體進(jìn)入塔的溫度，為壓力。b.此處的量就是入塔氣的組成和流量。c.占出口塔溶液的。d.入塔吸收液溫度為。(1)物料衡算a.其實從整個的設(shè)計來看換熱器出口的流量和組成就等于進(jìn)口塔物料的流量和組成。b.氣體排出塔口的流量和組成假設(shè)入塔氣中的等組分全被水吸收(后面得以效驗)，等組分不溶于水，所以，出口塔干氣含有、、、、。因此，采用分壓定律可以求出氣體出塔的蒸汽量，則計算如下：由于為水的總壓，為飽和蒸汽壓，。所以，水蒸氣在出口塔氣體中的量為： 所以出口塔的氣體總量為：c.塔頂所加入的吸收水量(a)從塔中出去的量從塔中出去的量中，的量為895.538kg/h，為，因此，出口塔溶液總量為(b)把吸收水從塔最上面加入的量 d.溶液在塔底的量和組成水將全部吸收，因為在溶液中的量等于進(jìn)口塔氣、液混合物的量，按照全塔水量的平衡可以計算出溶液中的水量。 水吸收塔的物料平衡如下。表3-12水吸收塔的物料平衡f.這兒的溶液可以認(rèn)為是稀溶液，系統(tǒng)也就服從分壓定律和亨利定律。即壓力和含量的關(guān)系為 式中指的是亨利系數(shù)。經(jīng)查得時的的亨利系數(shù)的數(shù)值為①①②①（a）塔底從上面的計算結(jié)果可以得到，，可以得出溶液沒有達(dá)到飽和。（b）丙烯醛 塔底的含量，所以溶液沒有達(dá)到飽和。（c）乙腈 ①，②可以得到塔底的的含量，所以溶液沒有達(dá)到飽和。（d）氫氰酸 故塔底的的含量從上述計算可以得到，為了讓的含量在塔頂出口氣體中的含量達(dá)到要求的話，必須要求吸收塔的高度達(dá)到足夠高。(3)熱量衡算a.是入塔氣體帶入的熱量各組分在的平均摩爾熱容如下表表各組分在下的平均摩爾熱容b.是進(jìn)入塔的冷凝水帶入的熱量 c.把看做是氣體出來塔的熱量 d.是吸收水所帶入的熱量 e.是出口塔溶液所帶出的熱量表3-14AN溶液中各組分的液體摩爾熱容f.是水冷凝時放出的熱量水的冷凝量水的冷凝熱為因此f.等氣體的溶解時放出的熱量下表是的冷凝熱數(shù)據(jù)表3-15AN、ACN、ACL、HCN的冷凝熱h.是出口塔液體的溫度（用熱量衡算求）熱平衡方程為將數(shù)據(jù)帶入得：求得2.1.7空氣水飽和塔釜液槽的物料衡算和熱量衡算(1)計算依據(jù):如下圖所可以明顯的看出個物料進(jìn)出口的關(guān)系和各個物料的流量和組成從圖中可以看到，需要求的量可以通過空氣飽和塔的熱量和物料衡算分別算出出口液體的溫度和空氣飽和塔液體的進(jìn)出口的流量；還可以通過水吸收塔的物料衡算計算出水吸收塔的液體流量，可以從計算中得到；排污量是按照的乙腈解吸塔來的塔釜液量所考慮的；最后通過精制系統(tǒng)的物料衡算可以計算出萃取解吸塔的液體量和乙腈解吸塔塔釜液量。(2)物料衡算進(jìn)料：進(jìn)入槽的軟水量出料：a.去水吸收塔的液體量b.去萃取解吸塔的液體量做出釜液槽的總質(zhì)量平衡式得 求得(3)熱量衡算a.是乙腈的塔釜液進(jìn)入槽所帶入的熱量 b.是入槽軟水帶入的熱量 c.是空氣飽和塔塔底液帶入的熱量 d.是去吸收塔液體帶出的熱量 e.是去萃取解吸塔液體帶出的熱量 f.采用熱量衡算來求解出口液體溫度熱平衡方程式為(熱量損失按照5來考慮) 將數(shù)據(jù)帶入得： 求得 2.1.8丙烯蒸發(fā)器的熱量衡算(1)計算依據(jù)的冷凍鹽水被認(rèn)為是加熱劑，是冷凍鹽水的出口溫度；是蒸發(fā)壓力；是丙烯的蒸發(fā)量。(2)相關(guān)數(shù)據(jù)a.丙烯在下是汽化熱，沸點為b.丙烷在下是汽化熱，沸點為(3)求丙烯蒸發(fā)器的熱負(fù)荷和冷凍鹽水的用量a.把看做是丙烯蒸發(fā)時吸收的熱量 b.吧看做是丙烷蒸發(fā)時所吸收的熱量 c.是丙烯蒸發(fā)器的熱負(fù)荷冷量損失按照考慮d.是冷凍鹽水的用量冷凍鹽水的比熱容為，前提條件是在平均溫度下。所以冷凍鹽水的用量為2.1.9丙烯過熱器熱量衡算(1)計算依據(jù)采用的蒸汽作為加熱劑。是丙烯的出口溫度，是進(jìn)口溫度。(2)計算加熱蒸汽量和丙烯過熱器的熱負(fù)荷把這個數(shù)值看做是丙烷的比熱容，把這個數(shù)值看做是丙烯的比熱容，冷量損失按照來考慮，所以需要加熱蒸汽所提供的熱量為 因此，加熱蒸汽量為上面式子中的就是在下蒸汽的冷凝熱。2.1.10氨蒸發(fā)器的熱量衡算(1)計算依據(jù)a.把這個數(shù)值看做是蒸發(fā)的壓力。b.是冷凝熱，的飽和蒸汽被認(rèn)為是加熱劑。(2)相關(guān)數(shù)據(jù)下是氨的汽化熱，是蒸發(fā)溫度。(3)求加熱蒸汽的用量和氨蒸發(fā)器的熱負(fù)荷如果把這個數(shù)看做是冷量損失的占比，接下來算出來的負(fù)荷就是我們需要的 因此加熱蒸汽的用量為 2.1.11氣氨過熱器(1)計算依據(jù)a.把看做是是氣氨出該塔的溫度，把看做是氣氨進(jìn)入該塔的溫度。b.加熱劑采用的是0的蒸汽。c.是氣氨的流量。(2)采用熱量衡算來求加熱的蒸汽用量和氣氨過熱蒸汽的熱負(fù)荷是氨氣的比熱容，把這個數(shù)值看做是冷量損失的占比，則下面計算出來的數(shù)值就是我們所需要的 因此，加熱蒸汽的用量為 2.1.12混合器(1)計算依據(jù):把這個值當(dāng)做是氣氨的流量，把這個值當(dāng)做是氣氨的進(jìn)口溫度。把這個值認(rèn)為是丙烯氣的流量，這個值被認(rèn)為是進(jìn)口溫度，這個值被認(rèn)為是丙烷氣的流量，這個值被認(rèn)為進(jìn)口溫度。而這個值被認(rèn)為是出口混合氣的溫度。濕空氣來自空氣加熱器(2)求進(jìn)口濕空氣的溫度，熱衡算的基準(zhǔn)是。下表是在下的平均比