【正文】 統(tǒng)利用在建的原科研實(shí)驗(yàn)裝置的PLC系統(tǒng)。根據(jù)新增控制點(diǎn)數(shù)需對(duì)原系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)容改造，將新增的控制回路納入其系統(tǒng)內(nèi)。整個(gè)工程的控制水平保持在同類裝置的中等水平上。 主要的控制方式及回路 本工程內(nèi)多數(shù)控制回路為簡(jiǎn)單控制回路。下面僅就甲苯流量與氫氣流量比值調(diào)節(jié)系統(tǒng)作一介紹： 甲苯流量與氫氣流量比值調(diào)節(jié)回路主回路測(cè)量值取甲苯流量信號(hào)，調(diào)節(jié)器的輸出分別控制甲苯泵P101a/b變頻器的轉(zhuǎn)速，控制甲苯流量衡定。流量信號(hào)經(jīng)比值運(yùn)算后作為氫氣流量調(diào)節(jié)器的外給定值。 設(shè)備布置說(shuō)明 工藝設(shè)備的選擇中試裝置共需各類工藝設(shè)備19臺(tái)；其中反應(yīng)器1臺(tái)，換熱器4臺(tái)，容器8臺(tái)，機(jī)泵6 臺(tái)，非標(biāo)設(shè)備金屬總重約21噸。個(gè)別工藝設(shè)備明細(xì)詳見(jiàn)附表。 現(xiàn)場(chǎng)主要設(shè)置布置說(shuō)明中試裝置擬建于原科研試驗(yàn)裝置區(qū)域內(nèi)。原試驗(yàn)裝置東南西三面毗鄰廠內(nèi)道路，北面變配電室和儀表室，整個(gè)區(qū)域?yàn)榉叫?，大小約5040m。新老裝置防火等級(jí)均為甲類。根據(jù)《石油化工企業(yè)防火設(shè)計(jì)規(guī)范》，由于新老裝置工藝流程和生產(chǎn)性質(zhì)不同，不能視為聯(lián)合裝置而貼鄰布置。《石油化工企業(yè)防火設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，甲類工藝裝置之間的防火間距為30m。, ，；豎直面以11，22兩個(gè)剖面將其剖開(kāi)，主要設(shè)備的相對(duì)位置就比較清楚了，以圖面的方向自南向北：甲苯槽T101，成品槽T102a/b位于同一水平位置，處在最前面；在11剖面上有甲苯加料泵P101a/b,熱水泵P102a/b，熱水循環(huán)泵P103a/b預(yù)熱器V102，換熱器E103，冷凝器E104，汽水分離器V101,熱水槽V102，尾氣緩沖器V103；在22剖面上有加氫反應(yīng)器R101，汽化器E102,烷中間罐V104,氫氣緩沖罐V105；T101，T102a/b在地面上，所有的泵都在地面上，另外E102,V104,V105著地，其余設(shè)備都懸空。，圖面上有T101,T102ab,P101ab, P102ab, P103ab, R101, E101, E102, E103, V104, V105。，府視圖上可看到：R101,V101,V102,E101,E103。 ，府視圖面上有：R101,V101,V103,E104.平豎面布圖詳見(jiàn)附圖4。第三章 工藝計(jì)算書 設(shè)計(jì)條件生產(chǎn)能力：年產(chǎn)甲基環(huán)己烷3000噸，年操作時(shí)間7200小時(shí)。原料氣的組成：組分氮?dú)鈿錃饧妆诫s質(zhì)合計(jì)摩爾分?jǐn)?shù)%100反應(yīng)器入口氣：甲苯，氫氣，氮?dú)?，雜質(zhì)反應(yīng)操作壓力：新鮮氣溫度：25℃ 物料衡算對(duì)于任何一個(gè)化工工藝設(shè)計(jì)，無(wú)論規(guī)模大小，過(guò)程復(fù)雜與否，都必須進(jìn)行物料衡算。物料衡算是化工工藝設(shè)計(jì)中最基本最重要的內(nèi)容之一。物料衡算的理論依據(jù)是質(zhì)量守恒定律。對(duì)于某一個(gè)體系，或者是任何一個(gè)化工工藝過(guò)程，不論是物理加工過(guò)程還是化學(xué)加工過(guò)程，也不論是總過(guò)程還是單元過(guò)程，都是根據(jù)質(zhì)量守恒定律進(jìn)行平衡計(jì)算的。即進(jìn)入一個(gè)裝置的全部物料質(zhì)量必等于離開(kāi)這個(gè)裝置的全部物料的質(zhì)量，再加上損失掉的和系統(tǒng)內(nèi)積累起來(lái)的物料的質(zhì)量。如果把損失的物料合并到輸出物料量當(dāng)中，物料衡算可用下式表示： (31) 輸入 = 輸出 + 積累對(duì)于有化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的物料平衡是根據(jù)反應(yīng)平衡方程式的化學(xué)計(jì)量關(guān)系進(jìn)行的，實(shí)際也服從于質(zhì)量守衡定律的，因?yàn)閷?duì)于參與反應(yīng)的任何組分也必然服從于質(zhì)量平衡。但要注意物料物質(zhì)的量（mol）不一定守恒，另外實(shí)際上的物料平衡要考慮到開(kāi)始的物料組成和最后的產(chǎn)品組成，還要考慮組分的過(guò)剩量、轉(zhuǎn)化率以及原料和產(chǎn)品的損失等。因此其衡算式成為：輸入物料量177。[反應(yīng)生成或消耗的物料的量] = 輸出物料量 + 積累物料量積累物料量表示體系內(nèi)物料量隨時(shí)間變化時(shí)所增加或減少的量。 對(duì)于多數(shù)化工過(guò)程都是連續(xù)的，而且在正常操作時(shí)是穩(wěn)定狀態(tài)，因此體系內(nèi)無(wú)物料積累，可視積累項(xiàng)等于零。所以衡算式可寫成： (32) 物料流程示意圖整個(gè)過(guò)程的物料流向如圖31所示甲苯1預(yù)熱氣化反應(yīng)器換熱器氫氣成品罐冷凝器尾氣23456879圖 31 物料的衡算以下計(jì)算過(guò)程都以1甲苯為參照，時(shí)間取1h 為基準(zhǔn)。并結(jié)合物料流程示意圖對(duì)各點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)計(jì)算。 全過(guò)程的物料衡算 反應(yīng)過(guò)程中N2的量始終不變，新鮮氫氣中氫氣的含量R[93%（）]和尾氣中的氫氣含量 [55%（）]都可以測(cè)到。所以過(guò)程的衡算就以N2為基準(zhǔn)，甲苯取原材料中的優(yōu)級(jí)品。設(shè)與1甲苯反應(yīng)需要?dú)錃獾牧繛镹 ；反應(yīng)進(jìn)氣中N2的量：尾氣中N2的量：即 = (33)整理得：代入數(shù)據(jù)得：,. 參照物料流程圖，對(duì)各控制點(diǎn)的物料衡算（1）. 反應(yīng)器入口氣的組成（%）（3點(diǎn)） 進(jìn)口氣中甲苯的流量：。烴類雜質(zhì)流量：% = 。進(jìn)氣中氫氣的流量： = 。進(jìn)氣中氮?dú)獾牧髁浚? = 。反應(yīng)器入口氣總的流量：+++ =。y3,甲苯 =100% = %。y3,氫氣 =100% = %。y3,氮?dú)?=100% = %。y 3,雜質(zhì) =100% = %。反應(yīng)器入口氣組成列表如下：表 31 反應(yīng)器入口氣摩爾百分比組成甲 苯氫 氣氮 氣雜 質(zhì)合 計(jì)%() 100（2）.反應(yīng)器出口氣組成 （%）(4,7點(diǎn))反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率為100%，甲苯全部變?yōu)榧谆h(huán)已烷；甲基環(huán)已烷的流量：。剩余氫氣的流量：。氮?dú)獾牧髁浚骸N雜質(zhì)的流量：。反應(yīng)器出口氣總量：+++ = y4,甲環(huán) = y7,甲環(huán)=100% = %。y4,氫氣 = y7,氫氣= 100% = 。y4,氮?dú)?= y7,氮?dú)?100% = %。y4,雜質(zhì) = y7,雜質(zhì)=100% = %反應(yīng)器出口氣組成見(jiàn)表（32）：表 32 反應(yīng)器出口氣摩爾百分比組成甲 環(huán)氫 氣氮 氣雜 質(zhì)合 計(jì)%（）100（3）甲苯入氣化器的組成 （%）(1,2,8點(diǎn)) 甲苯流量：。 烴類雜質(zhì)的流量：。 甲苯原料氣總量：+ = 。 y1,甲苯 = y2,甲苯= y8,甲苯 = 100% = %。 y1,雜質(zhì) = y2,雜質(zhì)= y8,雜質(zhì) = 100% = %。甲苯入汽化器組成見(jiàn)表（33）：表 33 原料甲苯的組成組成甲苯雜質(zhì)合計(jì)%（） 100（4）.氫氣入氣化器的組成 （%）(5,6點(diǎn)) 氫氣流量：。 氮?dú)饬髁浚骸? 氫氣源料氣總流量：+ = 。 y5,氫氣 = y6,氫氣= 100% = 93%。 y5,氮?dú)?= y6,氮?dú)? 100% = 7%。氫氣入汽化器組成見(jiàn)表（34）：表 34 原料氣氫氣的組成組成氫氣氮?dú)夂嫌?jì) %（） 93 7 100（5）.尾氣的物料組成 （%）(9點(diǎn)) 氫氣的流量：。 氮?dú)獾牧髁浚骸Ｎ矚馕锪峡偭髁浚? = 。 y9,氫氣 =100% = %。 y9,氮?dú)?=100% = %尾氣組成見(jiàn)表（35）：表 35 尾氣的成分組成氫氣氮?dú)夂嫌?jì)%()100 各控制點(diǎn)物料組成及摩爾百分含量總表見(jiàn)附圖1 能量衡算 能量的消耗是化工生產(chǎn)中的一項(xiàng)重要指標(biāo)。任何化工生產(chǎn)都必然要消耗能量。因此它是衡量工藝流程、設(shè)備設(shè)計(jì)和操作制度是否先進(jìn)的主要指標(biāo)之一。在物料衡算之后，工藝過(guò)程涉及能耗時(shí)必須進(jìn)行能量衡算。能量衡算的理論依據(jù)是熱力學(xué)第一定律，即能量守衡定律： (34)即 輸入 = 輸出 + 損失對(duì)于某些單元設(shè)備的熱量衡算，熱平衡方程式可寫成如下形式： Q1 + Q2 + Q3 = Q 4+ Q5+ Q6 (35)式中：Q1 各股物料帶入設(shè)備的熱量； Q2 由加熱劑傳遞給設(shè)備和物料的熱量； Q3 過(guò)程的各種熱效應(yīng)，如反應(yīng)熱、溶解熱等； Q4 各股物料帶出設(shè)備的熱量； Q5 消耗在加熱設(shè)備上的熱量；或可能是氣體產(chǎn)物冷凝傳出的熱量； Q6 設(shè)備向外界環(huán)境散失的熱量 根據(jù)已知條件和物料衡算結(jié)果，對(duì)系統(tǒng)中幾個(gè)重要設(shè)備進(jìn)行能量衡算。回路中有預(yù)熱器、氣化器、加氫反應(yīng)器、換熱器、冷凝器等。預(yù)熱器開(kāi)始對(duì)以上提到的設(shè)備進(jìn)行能量衡算。 預(yù)熱器能量衡算 能量衡算示意圖（32）： 圖 32熱平衡式： Q1 + Q3 = Q2 + Q4 （36）查化學(xué)工業(yè)出版社出版的《化學(xué)工程手冊(cè)____化工基礎(chǔ)數(shù)據(jù)》第一篇得以下數(shù)據(jù)：△Hr,H2O,179℃ = = Cp,甲苯,25℃ = = Cp,甲苯,130℃ = = Q1, Q2 為潛熱，Q3, Q4為顯熱；Q1 Q2 = NH2O △Hr,H2O,179℃ Q3 = N甲苯 Cp,甲苯,25℃T1Q4 = N甲苯 Cp,甲苯,130℃ T2Q1 蒸汽帶入預(yù)熱器的熱量，；Q2 飽和水出預(yù)熱器帶走的熱量，；Q3 甲苯進(jìn)入預(yù)熱器帶入的熱量，；Q4 甲苯出預(yù)熱器帶走的熱量，；NH2O 飽和水蒸汽的量，T1 甲苯進(jìn)入預(yù)熱器的溫度，25℃；T2 甲苯出預(yù)熱器的溫度，130℃由熱平衡式變換得：Q1 Q2 = Q4 – Q3代入數(shù)據(jù)算得：NH2O = 汽化器熱量衡算能量衡算示意圖(33)：圖 33熱平衡式： Q1 + Q3 + Q5 = Q2 + Q4 + Q6 （37）查化學(xué)工業(yè)出版社出版的《化學(xué)工程手冊(cè)____化工基礎(chǔ)數(shù)據(jù)》第一篇得以下數(shù)據(jù)：△Hr,H2O,230℃ = 900= Cp,H2,130℃ == Cp,H2,180℃ = = Q5, Q6 為潛熱，Q1, Q2為顯熱, ，Q3, Q4既有顯熱又有潛熱；Q5 – Q6 = NH2O △Hr,H2O,230℃ Q1 = NH2 Cp,H2,130℃ T1= Q2= NH2Cp,H2,180℃ T2=Q1 氫氣進(jìn)入汽化器帶入的熱量，；Q2 氫氣出汽化器事走的熱量，；Q5 230℃的水蒸汽進(jìn)入汽化器帶入的熱量，；Q6 230℃的飽和水出汽化器帶走的熱量，；T1 氫氣進(jìn)入汽化器的溫度，130℃；T2 氫氣出汽化器的溫度，180℃要求Q3, Q4首先要判斷甲苯汽化的溫度點(diǎn)參考化學(xué)工業(yè)出版社出版的《化學(xué)工程手冊(cè)____化工基礎(chǔ)數(shù)據(jù)》中的kirchhoff法： （38） （39）式中 Pvp在T溫度下的蒸汽壓，mmHg；Tb 常壓下的沸點(diǎn)，K；Tc 臨界溫度，K；Pc 臨界壓力，atm通過(guò)kirchhoff法判斷，甲苯在150℃汽化，甲苯放出的熱量通過(guò)設(shè)定下面的過(guò)程圖（34）來(lái)求取：圖 34查1980年化學(xué)工業(yè)出版社出版的《化工工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)》第一篇，上冊(cè)得以下數(shù)據(jù)：△Hv,甲苯,150℃ =80 = Cp,甲苯,130℃,l = Cp,甲苯,150℃,l = Cp,甲苯,150℃,g = = Cp,甲苯,180℃,g = 36 = 由圖中可知：H4 = H1+H2+H3 （310）H1 = Cp,甲苯,150℃,l T2 + Cp,甲苯,130℃,l T1 = H2 = △Hv,甲苯,150℃ = H3 = Cp,甲苯,180℃,g T3 + Cp,甲苯,150℃,gT2 = H4 = H1+H2+H3 = 由熱平衡式變換得：Q5–Q6 = Q4 Q3 +Q2–Q1 （311）即： NH2O△Hr,H2O,230℃ = N甲苯△H4 +Q2–Q1 （312）NH2O 汽化器中用來(lái)預(yù)熱的蒸汽的量，；N甲苯 在汽化器中汽化的甲苯的量，；代入數(shù)據(jù)算得： NH2O = 反應(yīng)器熱量衡算 能量衡算示意圖(35)： 圖 35首先 ： 查1980年化學(xué)工業(yè)出版社出版的《化工工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)》第一篇，上冊(cè)得以下數(shù)據(jù)：Cp,甲苯,200℃,g =39 Cp,甲苯,180℃,g =36 Cp,氫氣,