【正文】 計(jì) 第 9 頁 共 64 頁 究系統(tǒng)做物料衡算，可用下式表示： ∑ G 進(jìn) =∑ G 出 +∑ G 損 +∑ G 積 式中 ∑ G 進(jìn) — 輸入物料量總和； ∑ G 出 — 離開物料量總和； ∑ G 損 — 總的損失量； ∑ G 積 — 系統(tǒng)中積累量。 （ 1）進(jìn)出 脫氫反應(yīng)器 的物料衡算 1） 對 連續(xù) 生產(chǎn)可確定計(jì)算基準(zhǔn)為 Kg/批，則需計(jì)算每批產(chǎn)量及原料投料量。乙苯 的 脫氫 反應(yīng) (見反應(yīng)歷程 ) 其中原料規(guī)格： 乙苯 （ %） 水蒸氣 氧氣 每批產(chǎn) 苯乙烯 ： G8=333Kg(折算為 100%) 投料比： 水蒸氣 ： 乙苯 =3： 1（ 質(zhì)量 比） 每班理論投料 乙苯量 ： G1=( 103 )/( 90% 98% 98%)= 104Kg 每班理論投 水蒸氣 量： G2=3 103= 104Kg 每批原料實(shí)際投入量： G1=( 104/)Kg= 104Kg G2=( 104/)Kg= 104Kg 雜質(zhì)： G3=（ ） 104Kg+() 104Kg= 103Kg 催化劑 的 量： G4=(+) 104%Kg= 103Kg 2） 脫氫 過程計(jì)算 轉(zhuǎn)化率為： 90% 苯乙烯 的產(chǎn)量 G5=( 1041 90%)/= 104Kg 氫氣的產(chǎn) 量： G6=（ 104 90% 2） /= 103Kg 氧氣的加入量： G7=（ 32 103） /2= 103 Kg 乙苯 剩余量： 104 （ 1－ 90%） = 103Kg 生成水 G7=( 10318)/ 2Kg= 103Kg 進(jìn)出 脫氫反應(yīng)器 的物料衡算見表 。 南華大學(xué)化 學(xué)化工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 10 頁 共 64 頁 表 進(jìn)出 脫氫反應(yīng)器 的物料衡算表（ Kg/批） 輸入 輸出 序號 物料名稱 質(zhì)量 Kg 序號 物料名稱 質(zhì)量 Kg 1 乙苯（ %） 1 乙苯 （ 100%） 2 水蒸 汽 51716 2 水蒸 汽 51716 3 氧氣 3 水 蒸汽 4 催化劑 205 4 苯乙烯 14460 5 甲苯 6 苯 7 焦油 11 8 催化劑 205 總計(jì) 總計(jì) （ 2） 冷凝 油水分離 階段 的物料衡算 脫氫 結(jié)束后混合物 溫度很高 ，用 冷凝器 加以 冷凝 ， 除 去水 ，溫度必須控制在 20℃ 左右 ，進(jìn)出 冷凝器 的物料衡算見表 。 表 進(jìn)出 冷凝 油水分離器 的物料衡算表 (Kg/批 ) 輸入 輸出 序號 物料名稱 質(zhì)量 Kg 序號 物料名稱 質(zhì)量 Kg 1 乙苯 有機(jī)層 1 乙苯 2 苯乙烯 14460 2 苯乙烯 14460 3 甲苯 3 甲苯 4 苯 4 苯 5 焦油 11 5 焦油 11 6 水蒸汽 無機(jī) 層 6 水 7 催化劑 205 7 催化劑 205 總計(jì) 總計(jì) 南華大學(xué)化 學(xué)化工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 11 頁 共 64 頁 （ 3）粗餾塔的物料衡算 將有機(jī)相加入粗餾塔中進(jìn)行分離 ，同時(shí)加入阻聚劑防止苯乙烯聚合。 加入阻聚劑的量為：（ +14460+++11） %= 表 粗餾塔的物料衡算表 (Kg/批 ) 輸入 輸出 序號 物料名稱 質(zhì)量 Kg 物料名稱 質(zhì)量 Kg 1 乙苯 塔頂 乙苯 2 苯乙烯 14460 甲苯 3 甲苯 苯 4 苯 塔底 苯乙烯 14460 5 焦油 11 焦油 11 6 阻聚劑 阻聚劑 總計(jì) 總計(jì) （ 4）乙苯塔的物料衡 算表 將 粗餾塔 塔頂?shù)奈锪霞尤氲揭冶剿校M(jìn)行分離。 表 乙苯塔的物料衡算表 輸入 輸出 序號 物料名稱 質(zhì)量 Kg 序號 物料名稱 質(zhì)量 Kg 1 乙苯 塔頂 甲苯 2 甲苯 苯 3 苯 4 塔底 乙苯 總計(jì) 總計(jì) 南華大學(xué)化 學(xué)化工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 12 頁 共 64 頁 （ 5）苯乙烯精餾塔的物料 衡 算 將粗餾塔塔底的物料加到苯乙烯的精餾塔中進(jìn)行分離，進(jìn)一步濃縮苯乙烯的濃度。 表 苯乙烯 精餾塔 的物料衡算表 輸 入 輸出 序號 物料名稱 質(zhì)量 Kg 序號 物料名稱 質(zhì)量 Kg 1 苯乙烯 14460 塔頂 苯乙烯 14460 2 焦油 11 3 阻聚劑 4 塔底 焦油 11 5 阻聚劑 總計(jì) 總計(jì) （ 6）苯∕甲苯的物料衡算 將乙苯塔塔頂?shù)奈锪纤偷奖建M甲苯塔中，進(jìn)行分離。 表 苯∕甲苯塔的物料衡算表 輸入 輸出 序號 物料名稱 質(zhì)量 Kg 序號 物料名稱 質(zhì)量 Kg 1 苯 塔頂 苯 2 甲苯 3 塔底 甲苯 總計(jì) 總計(jì) 南華大學(xué)化 學(xué)化工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 13 頁 共 64 頁 3．物料流 程 圖 根據(jù)以上物料衡算，物料流 程 見圖 圖 物料流程圖 （三）熱量衡算 熱量衡算按能量守恒定律“在無軸功條件下，進(jìn)入系統(tǒng)的熱量與離開熱量應(yīng)該平衡”，在實(shí)際中對傳熱設(shè)備的衡算可由下式表示 Q1+Q2+Q3=Q4+Q5+Q6 （ 1— 1） 式中： Q1— 所處理的物料帶入設(shè)備總的熱量， KJ。 Q2— 加熱劑或冷卻劑與設(shè)備和物料傳遞的熱量（符號規(guī)定加熱劑加入熱苯乙烯 焦油 11 乙苯塔 苯乙烯精餾塔 粗餾塔 冷凝分離 脫氫反應(yīng) 乙苯 水蒸汽 51716 氧氣 催化劑 205 乙苯 苯乙烯 14460 甲苯 苯 焦油 11 水蒸汽 催化劑 205 乙苯 苯乙烯 14460 甲苯 苯 焦油 11 阻聚劑 乙苯 甲苯 苯 苯∕甲苯 甲苯 苯 南華大學(xué)化 學(xué)化工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 14 頁 共 64 頁 量為“ +”，冷卻劑吸收熱量為“ ”）， KJ。 Q3— 過程的熱效率，（符號規(guī)定過程放熱為“ +”；過程吸熱為“ ”） Q4— 反應(yīng)終了時(shí)物料的焓（輸出反應(yīng)器的物料的焓） Q5— 設(shè)備部件所消耗的熱量， KJ。 Q6— 設(shè)備向四周散失的熱量，又稱熱損失 ,KJ。 熱量衡算的基準(zhǔn)可與物料衡算相同，即對間歇生產(chǎn)可以以每日或每批處理物料基準(zhǔn)。（計(jì)算傳熱面積的熱負(fù)荷必須以 每小時(shí)作為基準(zhǔn)，而該時(shí)間必須是穩(wěn)定傳熱時(shí)間）熱量衡算溫度基準(zhǔn)， 一般規(guī)定 25℃ 。熱量衡算式中各項(xiàng)計(jì)算 從 （ 1— 1）式中可得： Q2 =Q 4+Q5+Q6Q1Q3 (1— 2) 式中各項(xiàng)可用以下計(jì)算方法 （ 1） Q1和 Q4的計(jì)算 Q1和 Q4均可以用下式計(jì)算： Q=∑m iciT1(T2) 式中： mi— 反應(yīng)物體系中組分 I的質(zhì)量， Kg。 ci— 組分 i 在 0— T℃ 時(shí)的平均比熱容， KJ/(Kg*℃) 或 KJ/(Kmol℃)。 T1(T2)— 反應(yīng)物系反應(yīng)前 后的溫度，℃ Q1=[( 氧氣氧氣水水乙苯乙苯 CCC mmm ?? ) 373]KJ =[( )+( )+()] 373 KJ =（ ++） 373KJ = KJ Q4=[( 焦油焦油苯苯甲苯甲苯苯乙烯苯乙烯乙苯乙苯 CCCCC mmmm`m ` ???? ) 333] =[（ ） +（ ） +（ 11 ） +（ ） +（ 11 ） ] 333 KJ = （ 2） Q3的計(jì)算 冷凝器帶走的熱量 Q3= （ 3） Q6的計(jì)算 設(shè)備向四周散失的熱量 Q6可用下式計(jì)算： 南華大學(xué)化 學(xué)化工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 15 頁 共 64 頁 Q6=∑A α (TwT)θ 103 式中 A— 設(shè)備散熱銘記（㎡）（計(jì)算見 13 頁）； Tw— 設(shè)備外表溫度，℃； T— 環(huán)境介質(zhì)溫度，℃； θ — 操作過程持續(xù)時(shí)間（ s） ； α — 對流傳質(zhì)系數(shù)， W/(㎡ ℃ ) 當(dāng)空氣做自然對流，散熱層表面溫度為 50～ 350℃時(shí)， α =8+=(8+60)W/( ㎡ ℃ ) Q6=1 1( 10025)33600 103 = （ 4）過程效應(yīng)熱 Q3的計(jì)算 過程效應(yīng)熱可分為兩類，一類是化學(xué)過程熱效應(yīng)即化學(xué)反應(yīng)熱效應(yīng)；另一類是物理過程熱效應(yīng)。物料經(jīng)化學(xué)變化過程，除化學(xué)反應(yīng)熱效應(yīng)外，往往伴隨著物料狀態(tài)變化熱效應(yīng)，但本工藝流程中物理過程熱效應(yīng)較低，可忽略不計(jì)，故過程熱效應(yīng)可由下式表示： Q3=Qr+Qp 式中 Qr— 化學(xué)反應(yīng)熱效應(yīng) ， KJ。 Qp— 物理過程熱效應(yīng)， KJ。(可忽略不計(jì) ) Qr可通過標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)反應(yīng)熱 qr0計(jì)算： Qr=(1000GA/MA)q r0 式中 qr0— 標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)反應(yīng)熱， KJ/mol。 GA— 參與化學(xué)反應(yīng)的 A物質(zhì)質(zhì)量， Kg。 MA— A物質(zhì)分子量。 qr0=∑（ qc0） R∑(q c0)P[9] 反應(yīng)體系中各物質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)焓為： 乙苯 （ ） ,苯（ KJ/mol），甲苯（ ） 則 qr0=[（ +） （ 103） ]KJ/mol=Qr=Q3=(1000 13887 )= 南華大學(xué)化 學(xué)化工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 16 頁 共 64 頁 （ 5）熱負(fù) 荷 Q2的計(jì)算 Q2=(Q4+Q3+Q6)(Q1+Q3)=(++)(+691) = 查手冊得冷卻水得 cp為 (Kg℃), 則冷卻水 的 用量 G=Q/[cp(t 出 t 進(jìn) )]=[（ 6025） ]= （四）設(shè)備設(shè)計(jì)計(jì)算 與選型 苯∕甲苯精餾塔的 設(shè)計(jì)計(jì)算 通過計(jì)算 D= hkoml ， ??FDFDxx ，設(shè) %98?? 可知原料液的處理量為F=， 由于每小時(shí)處理量很小，所以先儲存在儲罐里，等 100 小時(shí)后再精餾 。故 D= hkoml ,F=?F ， 要求塔頂餾出液的組成為 ? ,塔底釜液的組成為 ? 。設(shè)計(jì)條件如下：操作壓力 4 kPa（塔頂 表壓） ；進(jìn)料熱狀況 自選；回流比 自選；單板壓降 ≤ kPa ；全塔壓降 %52?TE 。 精餾塔的物料衡算 、 塔底產(chǎn)品的摩爾分率 苯的摩爾質(zhì)量 A ? kg/kmol 甲苯的摩爾質(zhì)量 B ? kg/kmol ?F ? ? 、塔底產(chǎn)品的平均摩爾質(zhì)量 ?FM +() = kg/kmol ?DM +() = kg/kmol ?BM +() = kg/kmol 南華大學(xué)化 學(xué)化工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 17 頁 共 64 頁 原料處理量 F=總物料衡算 =D+W 苯物料衡算 =+ 聯(lián)立解得 D=W= kmol/h TN 的求取 苯 — 甲苯屬理想物系，可采用圖解法求理論板層數(shù)。 ①由 物性 手冊查得苯 — 甲苯物系的氣液平衡數(shù)據(jù)，繪出 x— y 圖 ，見 下圖 圖 圖解法求理論板層數(shù) ②求最小回流比及操作回流比。 采用作圖法求最 小回流比。在 圖中對角線上，自點(diǎn) e（ ， ）作垂線 ef即為進(jìn)料線（ q 線），該線與平衡線的交點(diǎn)坐標(biāo)為 ? ? 故最小回流比為 南華大學(xué)化 學(xué)化工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 18 頁 共 64 頁 yx qq qm i n ???????? DR 取操作回流比為 R=2 ???R ③求精餾塔的氣、液相負(fù)荷 L=RD= =V=(R+1)D=(+1) = kmol/h ????? FLL kmol/h ??VV kmol/h ④求操作線方程 精餾段操作線方程為 ??????? DVDVL 提餾段操作線方程為 1111111 ?????? WVWVL — ⑤圖解法求理論板層