碳酸乙烯酯法合成生產(chǎn)乙二醇的物料衡算和熱量衡算計算案例目錄TOC\o"1-3"\h\u3681碳酸乙烯酯法合成生產(chǎn)乙二醇的物料衡算和熱量衡算計算案例 1144521.1主要設(shè)備的物料衡算 135371.1.1物料衡算條件及依據(jù) 1126531.1.2乙烯氧化反應器R101物料衡算 1164371.1.3環(huán)氧乙烷吸收塔A101物料衡算 2145851.1.4酯化反應器R201和閃蒸罐F201物料衡算 3270141.1.5閃蒸罐F202物料衡算 4104351.2主要設(shè)備的熱量衡算 5215221.2.1熱量衡算及標準 5174101.2.2乙烯氧化反應器R101熱量衡算 5224761.2.3環(huán)氧乙烷吸收塔A101的熱量衡算 615501.2.4酯化反應器R201和閃蒸罐F201熱量衡算 6166611.2.5閃蒸罐F202的熱量衡算 6303452塔的設(shè)計及選型 7150432.1塔設(shè)備設(shè)計 7142742.1.1塔設(shè)計依據(jù) 7157332.1.2塔型的確定 8269402.1.3塔盤類型的確定 8221332.1.4塔的工藝設(shè)計 81.1主要設(shè)備的物料衡算1.1.1物料衡算條件及依據(jù)依據(jù)質(zhì)量守恒定律，物料衡算方程可用以下等式表示：單位時間進入體積元中的物料=單位時間排出體積元的物料+單位時間內(nèi)體積元中反應消失的物料+單位時間內(nèi)體積元積累的物料用符號表示為：Fin=Fout+Fr+Fb在確定了生產(chǎn)工藝技術(shù)路線后，對此工藝進行物料衡算。其目的是依據(jù)所用原料和產(chǎn)品之間的定量轉(zhuǎn)化關(guān)系，以此為基礎(chǔ)計算出原料的消耗量，各個中間產(chǎn)品、產(chǎn)品和副產(chǎn)品的具體產(chǎn)量，在生產(chǎn)過程中各個過程的消耗量及其組成，從而為熱量衡算、其他工藝計算和設(shè)備的計算奠定基礎(chǔ)。本工藝進行物料衡算的依據(jù)如下：乙烯原料的質(zhì)量分數(shù)99.99%近似看成純組分。乙二醇收率為99.8%，扣除維修、停車等時間，以一年開車330天設(shè)計，約共計8000h。1.1.2乙烯氧化反應器R101物料衡算表3-1反應器R101模擬結(jié)果R101-INR101-OUT溫度，℃250250壓力，Mpa2.22.2摩爾汽相分率11質(zhì)量汽相分率11物料名稱質(zhì)量流量kg/h質(zhì)量流量kg/hCO24541.81113637.898N26118.1446118.114C2H415586.6691776.880O221501.1945360.285CH415266.29015266.290C2H4O017131.155H2O03721.456C3H4O300C2H6O200C4H10O300總計63016.10863016.078物料名稱質(zhì)量分率質(zhì)量分率CO20.0720.216N20.0970.097C2H40.2470.028O20.3410.085CH40.2420.242C2H4O00.272H2O00.059C3H4O300C2H6O200C4H10O300總計11從上表可以得出，乙烯進入反應器中，氣體在銀催化劑的環(huán)境下使其反應充分，而后物料為氣相出料。1.1.3環(huán)氧乙烷吸收塔A101物料衡算表3-2吸收塔A101模擬結(jié)果H102-OUTP101-OUTCIRCULA1EO溫度，℃12022.225.672.6壓力，Mpa2.22.22.22.217摩爾汽相分率1010質(zhì)量汽相分率1010物料質(zhì)量流量kg/h質(zhì)量流量kg/h質(zhì)量流量kg/h質(zhì)量流量kg/hCO213637.898011699.2791938.619N26118.14406100.80917.335C2H41776.88001681.92492.956O25360.28505305.66752.618CH415266.290015056.162210.129C2H4O17131.1550017131.155H2O3721.456225.4440.1863948.714C3H4O30175268.3090.272175268.037C2H6O2049950.0000.31249949.688C4H10O30000總計63016.108225441.75339842.611248615.251物料質(zhì)量分率質(zhì)量分率質(zhì)量分率質(zhì)量分率CO20.21600.2940.008N20.09700.1530C2H40.02800.0420O20.08500.1330CH40.24200.3780C2H4O0.272000.069H2O0.0590.0010.016C3H4O300.7770.705C2H6O200.2220.201C4H10O30000總計1111由上表可以看出物料進入到吸收塔（A101）之中，流股物料平衡。1.1.4酯化反應器R201和閃蒸罐F201物料衡算表3-3酯化反應器R201和閃蒸罐F201模擬結(jié)果H201-OUTH202-OUTCIRCULA2F201OUT溫度，℃120120120120壓力，Mpa2.62.60.50.5摩爾汽相分率0110質(zhì)量汽相分率0110物料質(zhì)量流量kg/h質(zhì)量流量kg/h質(zhì)量流量kg/h質(zhì)量流量kg/hCO21938.61916508.736882.226787.452N217.33552.80567.6882.452C2H492.956062.94330.013O252.618049.3285.29CH4210.1290181.71226.416C2H4O17131.15502.587166.744H2O3948.714017.7653861.585C3H4O3175268.03708.179208827.741C2H6O249949.68807.30950181.361C4H10O30000總計248615.25116561.5411287.737263889.054物料質(zhì)量分率質(zhì)量分率質(zhì)量分率質(zhì)量分率CO20.0080.9970.6870.003N200.0030.0530C2H4000.050O2000.0380CH4000.1430C2H4O0.06900.0040H2O0.01600.0140.015C3H4O30.70500.0060.791C2H6O20.20100.0060.19C4H10O30000總計1111由表得出，液相流股EO與氣相流股二氧化碳同時進料，因吸收液相對于二氧化碳同樣存在著良好的吸收效果，即二氧化碳可近似全溶解于吸收液中，并在充分的發(fā)生接觸反應后形成中間產(chǎn)物碳酸乙烯酯，該出料都是液相出料。1.1.5閃蒸罐F202物料衡算表3-4閃蒸罐F202模擬結(jié)果F201-OUTCO2-2F202-OUT溫度，℃1205050壓力，Mpa0.50.040.04摩爾汽相分率010質(zhì)量汽相分率010物料質(zhì)量流量kg/h質(zhì)量流量kg/h質(zhì)量流量kg/hCO2787.452580.511206.941N22.4522.4420.01C2H430.01326.8431.17O25.295.1960.094CH426.41625.7690.648C2H4O166.7442.861161.884H2O3861.5855.0723856.513C3H4O3208827.7410.609208827.32C2H6O250181.3610.61250180.749C4H10O3000總計263889.054651.87263237.329物料質(zhì)量分率質(zhì)量分率質(zhì)量分率CO20.0030.890N200.0040C2H400.0410O200.0080CH400.040C2H4O00.0070H2O0.0150.0080.015C3H4O30.79100.793C2H6O20.1900.191C4H10O3000總計111由表得出，通過閃蒸將塔底輸出物料碳酸乙烯酯、乙二醇和水，還有極少量的二氧化碳氣體繼續(xù)進行分離工藝。1.2主要設(shè)備的熱量衡算1.2.1熱量衡算及標準熱量衡算遵循著能量守恒的原則，可用以下等式表達：輸入環(huán)境的能量=輸出環(huán)境的能量+環(huán)境積累的能量。對于連續(xù)系統(tǒng)為：Q總+W總=H1.2.2乙烯氧化反應器R101熱量衡算表3-5乙烯氧化反應器R101物流熱焓模擬結(jié)果R101-INR101-OUT溫度，℃250250壓力，Mpa2.22.2摩爾汽相分率11質(zhì)量汽相分率11焓流量，Gcal/h-12.33128-56.914249摩爾流量，Kmol/h2500.82306.34質(zhì)量流量，Kg/h63016.108563016.1085體積流量，m3/h4968.964528.80表3-6乙烯氧化反應器R101熱量衡算（單位：Gcal/h）QW∑∑-42.5830-12.331-56.9141.2.3環(huán)氧乙烷吸收塔A101的熱量衡算表3-7環(huán)氧乙烷吸收塔A101物流熱焓模擬H101-OUTP101-OUTCIRCULA1EO溫度，℃12022.225.648813472.6058201壓力，Mpa2.22.22.22.2166焓流量，Gcal/h-60.307091-362.75522-41.087624-381.97464摩爾流量，Kmol/h2306.342807.532241647.896993465.97525質(zhì)量流量，Kg/h63016.1085225441.75339842.6106248615.251體積流量，m3/h3301.8643240.72141791.1940277.4655表3-8環(huán)氧乙烷吸收塔A101熱量衡算（單位：Gcal/h）QW∑∑0.0000470-421.062311-421.0622641.2.4酯化反應器R201和閃蒸罐F201熱量衡算表3-9酯化反應器R201和閃蒸罐F201物流熱焓模擬結(jié)果H202-OUTH201-OUTCIRCULA2F201OUT溫度，℃120120120120壓力，Mpa2.62.60.50.5焓流量，Gcal/h-32.979056-375.39351-2.1102967-417.11007摩爾流量，Kmol/h3773465.9752539.11658043418.82787質(zhì)量流量，Kg/h16561.5415248615.2511287.73644263889.056體積流量，m3/h452.350872286.2554252.2277298.1976表3-10酯化反應器R201和閃蒸罐F201熱量衡算（單位：Gcal/h）QW∑∑-8,84780070-410.372566-419.22041.2.5閃蒸罐F202的熱量衡算表3-11閃蒸罐F202物流熱焓模擬結(jié)果F201-OUTCO2-2F202-OUT溫度，℃1205050壓力，bar0.50.040.04焓流量，Gcal/h-417.11007-1.2720782-426.35601摩爾流量，Kmol/h3418.8278716.41183533402.41603質(zhì)量流量，Kg/h263889.056651.915665263237.141體積流量，m3/h298.1976481100.787444285.655932表3-11閃蒸罐F202熱量衡算結(jié)果（單位：Gcal/h）Q總W∑∑-10.51801820-417.11007-427.62808824塔的設(shè)計及選型2.1塔設(shè)備設(shè)計2.1.1塔設(shè)計依據(jù)該工藝的塔型主要是吸收分離塔，以A101為例該設(shè)計選型即要符合工藝規(guī)范和國家標準，又要不會對生產(chǎn)造成違背。在所有工藝設(shè)計中，安全問題極其重要，由于在化學工業(yè)生產(chǎn)過程中，會存在一些需要高溫高壓的生產(chǎn)條件，少數(shù)情況下生產(chǎn)的產(chǎn)品可能為易燃易爆的危險物品，安全環(huán)境不合格則可能會導致重大的人身和財產(chǎn)損失隱患。在以安全為前提的情況下，我們要盡可能的對資源進行最大化利用，實現(xiàn)生產(chǎn)最大化。 表4-1塔模擬參數(shù)H101-OUTP101-OUTCIRCULA1EO相態(tài)汽相液相汽相液相溫度12022.225.672.6摩爾汽相分率1010摩爾液相分率0101摩爾焓-26.0828-127.707-25.0009-105.332質(zhì)量焓-952.61-1590.38-1040.37-1462.14摩爾熵-12.82255-102.22081-17.734019-77.145166質(zhì)量熵-0.5424937-1.2978993-0.7379686-1.07233645摩爾密度0.67700116.36391.235112.8803質(zhì)量密度18.49771312.0229.68051070.51平均分子量27.32380.299622.030971.9412壓力，bar22222222焓流量-60.307091-362.75522-41.087624-381.97464摩爾流量2306.342807.532241647.896993465.97525質(zhì)量流量63016.1085225441.75339842.6106248615.251體積流量3301.8643240.72141791.1940277.46552.1.2塔型的確定塔形的選擇非常重要，它關(guān)系到生產(chǎn)能力、產(chǎn)品純度、設(shè)備費用等多方面因素，所以要求我們必須在安全且合理的情況下，選則最恰當?shù)乃汀；A(chǔ)的兩種塔型分別是板式塔與填料塔，它們都能夠?qū)崿F(xiàn)精餾、吸收、萃取等工藝流程，而兩者都存在著優(yōu)缺點。填料塔為一種立式圓柱，塔體中由較多填料所填充，填料組成通常為各種固體的物料，填料的方法主要包括散裝填料及規(guī)整填料等方法。填料塔的優(yōu)勢：生產(chǎn)能力較大且填料塔的操作范圍相對較小、適用于小塔徑生產(chǎn)、壓降較小、分離效率較高等。板式塔是立式塔柱且塔內(nèi)有許多相互間隔一定距離的塔板組成。而板式塔的通常適合塔徑相對較大的塔，板式塔的優(yōu)點：壓降較大，操作穩(wěn)定、易于清洗、塔效率高等。所以通過比較，板式塔更適宜上述的工藝條件，則該設(shè)計的吸收塔采用板式塔。2.1.3塔盤類型的確定塔盤能夠?qū)崿F(xiàn)將物質(zhì)和熱量快速傳遞，使液體混合物或氣體混合物達到分離效果。塔盤類型主要含有泡罩塔盤、浮閥塔盤、篩孔塔盤等幾種。依照上面的工藝結(jié)果可選用篩孔塔盤。2.1.4塔的工藝設(shè)計（1）介質(zhì)與選材查《腐蝕數(shù)據(jù)手冊》[11]并且依據(jù)強度等方面得，材料選用碳鋼16MnR。（2）設(shè)計壓力與溫度吸收塔的工作壓力為2.2Mpa，則設(shè)計壓力選取為工作壓力1.1倍。P=1.1P吸收塔最大溫度為120℃，設(shè)計溫度比最大溫度大10~15℃，即取工作溫度為130℃。（3）塔體的計算空塔氣速能夠通過史密斯關(guān)聯(lián)圖法計算。先求出umax，后設(shè)定空塔氣速等于最大氣速的0.7倍。其中umax=CρL?ρV查閱文獻和書籍，選擇板間間距為HT=800mm，選擇板上液層高度為hL=100mm，則HT-hL=700mm。圖4-1smith關(guān)聯(lián)圖查史密斯關(guān)聯(lián)圖知，C20=0.073C=C20因此umax所以空塔氣速為u=0.7umax=0.7×空塔氣速下的塔徑為D=4Vsπu由塔徑標準對塔徑圓整后，取D=1.1m塔徑圓整后空塔氣速為u=V安全系數(shù)uumax=0.43650、602（4）筒體厚度及封頭厚度設(shè)計筒體選材為16MnR，查文獻和書籍得知，在這個設(shè)計溫度下，此材料的許用應力值為163MPa，取計算壓力為2.42MPa，塔徑D=1.1m。筒體厚度δ=PcD取腐蝕裕量C1為2mm，則筒體壁厚δc=27.31+2=29.31mm本設(shè)計選擇標準橢圓封頭，且封頭的材質(zhì)也選擇使用16MnR。封頭厚度δ‘=P取腐蝕裕量C1為2mm，封頭的設(shè)計厚度δ’c=δ‘+C1（5）流型的選擇及負荷性能圖根據(jù)Aspen模擬，由于環(huán)氧乙烷吸收塔模擬塔半徑為1.1m，塔流量Ls=240.7214m3/h，計算過后對塔進行校核。由Aspen模擬結(jié)果，得到塔板的負荷性能圖。如下圖4-2某塊塔板的負荷性能圖（6）塔的水力學結(jié)果表4-2環(huán)氧乙烷吸收塔A101水力學結(jié)果塔板%液泛率總壓降%降液管持液量干板壓降干板壓降總壓降barbarmmmm272.673638580.013836539432.088678980.00835283051919631916371.651630230.014350448032.893294240.0088274855395.01413450152.4602253471.373602630.014447591832.741512740.0088773726392.41766443151.6612161572.914949980.014480805832.520468120.0088717823791.47449583152.5720506672.025639630.014405422932.147758690.0088006327592.03717710150.6521747767.139082660.011915333328.591857030.0066525922868.24452398122.2314882860.745912500.011976916029.073919250.0041277911736.39573080105.6033584960.988654980.012030506829.107514070.0041741428836.71614012105.82143161060.946482420.012048160729.087014420.0041771377336.66583641105.75564351160.881611600.012059914229.063876660.0041754117036.58543602105.67035091260.823007580.012069574929.043538780.0041734487936.51269028105.59435921360.772346260.012077745129.026091310.00417166627