【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 造工藝流程和設(shè)備，了解和控制生產(chǎn)操作流程，核算生產(chǎn)過程的經(jīng)濟(jì)效益等都要驚醒物料衡算。物料衡算在生產(chǎn)和設(shè)計(jì)中都得到廣泛的應(yīng)用。在工廠設(shè)計(jì)中，物料衡算是在工藝流程及工藝參數(shù)確定后即開始的一項(xiàng)化工計(jì)算工作。因此，設(shè)計(jì)工作從定性分析轉(zhuǎn)入定量計(jì)算。物料衡算是通過每一道工序的物料變化情況進(jìn)行平衡計(jì)算，從而得到在正常生產(chǎn)情況下各股物料的量。通過物料平衡在已知產(chǎn)品生產(chǎn)任務(wù)情況下算出所需要的原材料，生成的副產(chǎn)物及廢物等的生成量，或者在已知原料投放情況下，算出產(chǎn)品，副產(chǎn)物及廢物量。此外 ，通過物料衡算，不僅可以算出原材料消耗定額，并在此次基礎(chǔ)上作出能量平衡，算出動(dòng)量消耗和消耗定額。算出生產(chǎn)過程所需要熱量或冷量，同時(shí)為設(shè)備選型和計(jì)算提供依據(jù)。物料衡算的結(jié)果直接關(guān)系到生產(chǎn)成本和車間運(yùn)輸量，對(duì)工廠技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)有舉足輕重的影響。 物料衡算 本次設(shè)計(jì)為年產(chǎn)丁辛醇 80000噸，其中辛醇 55000噸，正丁醇 25000噸，同時(shí)副產(chǎn)異丁醇 8000噸。以每小時(shí)投料量作為計(jì)算基準(zhǔn)。一年的工作日按 330天計(jì)算，每天工作 24小時(shí)，設(shè)計(jì)中采用已知下列數(shù)據(jù)： 丙烯的摩爾質(zhì)量為 摩爾質(zhì)量為 2kg/ ，氫氣占 %，雜質(zhì)（ CH4+N2+Ar）占 。 由于合成氣凈化過程中雜質(zhì)為 106/mol 數(shù)量級(jí)，物料變化可以忽略不計(jì)，所以對(duì)合成氣凈化過程不進(jìn)行物料衡算，直接對(duì)羰基合成反應(yīng)進(jìn)行物料衡算。 涉及到的反應(yīng)有： CH2 CH=CH2 +CO+H2 09 0 ~1 1 0 1 .6 5 .R h TP PC M P a g???????? ， CH3 CH2 CHi CHO CH3 CH=CH2 +CO+H2 09 0 ~1 1 0 1 .6 5 .R h TP PC M P a g???????? ， （ CH3 ） 2 CHCHO CH3 CH=CH2 +H2 ??? CH3 CH2 CH3 上述三個(gè)反應(yīng)，正丁醛是目的產(chǎn)物，而異丁醛是副產(chǎn)物，在選擇的反應(yīng)條件下，正丁醛 /異丁醛生成的比率為 10： 1。丙烯除了進(jìn)行上述兩個(gè)反應(yīng)外，還與氫氣發(fā)生加氫反應(yīng)生成，丁醛 /丙烷的生成比率為 11： 。 物料計(jì)算：計(jì)算基準(zhǔn)取 100Kmol/h 進(jìn)口合成氣進(jìn)入反應(yīng)器。物料平衡圖如下： 圖 物料平衡圖 100Kmol/h 合成氣中含 CO= 10049100? =49 Kmol/h H2= ? = Kmol/h 因?yàn)?H2過量，所以以 CO 為反應(yīng)基準(zhǔn)，需 C3H6 49 Kmol/h CO 的量 [4] 因?yàn)楫a(chǎn)物 n nbal: n ibal = 10:1 所以主反應(yīng)消耗 CO 的量 = ?? Kmol/h C3H6的量 = ?? Kmol/h 生成 nbal 的量 = ?? Kmol/h 副反應(yīng)消耗 CO 的量 = ?? Kmol/h C3H6的量 = ?? Kmol/h 生成 ibal 的量 = ?? Kmol/h H2的量 主反應(yīng)消耗 H2 = ?? Kmol/h 副反應(yīng)消耗 H2 = ?? Kmol/h，因?yàn)?n nbal: n C3H8 = 11: , n ibal: n C3H8 = 11:， 所以反應(yīng)生成 C3H8的量 = 33 ?? Kmol/h 所以三個(gè)反應(yīng)共消耗 H2 = + 49 = Kmol/h 反應(yīng)剩余的 H2 = – = Kmol/h 、副反應(yīng)共消耗 C3H6 = + 49 = Kmol/h 因?yàn)楸﹥艋蠼M成為 C3H695%，其余為 C3H8 所以丙烯用量為 247。95% = Kmol/h 其中含 C3H8的量 = – = Kmol/h C3H8 = + = Kmol/h 、副產(chǎn)物的量 n nbal = Kmol/h， n ibal = Kmol/h， n C3H8 = Kmol/h， 表 表 反應(yīng)器進(jìn)口物料平衡表 組分 K mol/h %(mol) 分子量 Kg/h %(wt) nBal iBal C3H8 H2 2 忽略 雜質(zhì) 28 合計(jì) 100 100 其中： CH4+Ar+N2，所以分子量取平均值，為 28便于計(jì)算。 2. H2質(zhì)量百分比為 3105數(shù)量級(jí)，故忽略計(jì)算。 組分 K mol/h %(mol) 分子量 Kg/h %(wt) C3H6 H2 2 CO 49 C3H8 雜質(zhì) 28 合計(jì) 100 100 經(jīng)核算： n 合成氣 =++49=100 K mol/h M 合成氣 =1008.++= K mol/h n 丙烯 =+= K mol/h M 丙烯 =+= K mol/h 圖 熱量衡算 能量衡算的意義與作用 在化工生產(chǎn)過程中，各工序都要在嚴(yán)格控制的工藝下（如溫度、壓力、流量、濃度等）進(jìn)行。經(jīng)歷各種化學(xué)變化和物理變化，進(jìn)行著物質(zhì)的生產(chǎn)。在這過程中，各類化工單元操作，或者有動(dòng)量的傳遞（如流量傳送）；或者有熱量的傳遞（如換熱設(shè)備）；或者有伴隨熱量的質(zhì)量傳遞（如精餾，吸收等）。若有化學(xué)反應(yīng)，則不僅兼有 ―三傳 ‖（動(dòng)量傳遞，熱量傳遞，質(zhì)量傳遞），還具有 ―一反 ‖（化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱效應(yīng) —吸收或放熱）。物質(zhì)在整個(gè)過程中發(fā)生質(zhì)量的傳遞和能量的變化。前者可從物料衡算中求得，后者則依據(jù)能量守衡定律，利用能量傳遞和轉(zhuǎn)化的規(guī)律，通過平衡計(jì)算求得，這樣的化工計(jì)算稱為能量衡算?；どa(chǎn)中，能量衡算概括起來應(yīng)用于以下幾個(gè)方面： (1)確定效率如流體輸運(yùn)、攪拌、粉碎等單元操作中所需效率。 2)確定熱量或冷量如蒸發(fā)、蒸餾、冷凝、冷卻、閃蒸等所需要的熱量或冷量。 (3)確定供熱效率或放熱效率如化學(xué) 反應(yīng)中，由于熱效應(yīng)（使體系的溫度上升或下降）需確定的熱量或冷量。 (4)確定節(jié)能措施為充分利用余熱，降低總能量消耗所采用的相應(yīng)措施。 羰基 合成裝置 合成氣 K mol/h K mol/h iBal K mol/h 丙烯 K mol/h C3H8 K mol/h K mol/h 雜質(zhì) K mol/h 由此可見，能量衡算作為化工計(jì)算的一部分是非常重要的，所以我們必須對(duì)能量衡算進(jìn)行認(rèn)真嚴(yán)格的計(jì)算。 熱量衡算及所需媒質(zhì)的量 熱平衡式： Q1+Q2+Q3=Q4+Q5+Q6；（ 21） 式中 Q1—處理物料時(shí)需要的熱量 kJ； Q2—加熱劑或冷卻劑與設(shè)備和物料傳遞的熱量（符號(hào)規(guī)定加熱劑加入熱量為―＋ ‖，冷卻劑吸收熱量為 ―－ ‖ ） kJ； Q3—過程的熱效應(yīng)（符號(hào)規(guī)定放熱為 ―＋ ‖，過程吸熱為 ―－ ‖，注意： Q 與熱焓符號(hào)相反，即 Q=－ ? H。如 過程放熱則 ? H 為 ―－ ‖，則 Q 為 ―＋ ‖ ） kJ； Q4—離開設(shè)備物料帶出的熱量 kJ； Q5—設(shè)備各部件所消耗的熱量 kJ； Q6—設(shè)備向四周散失的熱量，又稱熱損失 kJ。 物料表 表 反應(yīng)器進(jìn)口物料表 反應(yīng)器進(jìn)口 物質(zhì) C3H6 H2 CO C3H8 雜質(zhì) K mol/h 49 % mol 32 表 反應(yīng)器出口物料表 反應(yīng)器出口 物質(zhì) nBal iBal C3H8 H2 雜質(zhì) K mol/h % mol 生成熱和燃燒熱 表 生成熱和燃燒熱表 1 atm,25℃ 下生成熱 ΔH/ Kcal/mol 1 atm,25℃ 下燃燒熱 ΔH/ Kcal/mol CO,g iBal,g H2,g H2,g nBal,g CO,g C3H8 C3H6 C3H6 臨界溫度，臨界壓力 表 臨界溫度和臨界壓力表 臨界溫度 tc/℃ 臨界壓力 pc/atm CO H2 C3H6 nBal 253 C3H8 各鍵的 ΔT、 ΔP 表 各鍵的 ΔT和 ΔP表 ΔT ΔP CHO CH CH3 氣體熱容 Cp176。 表 氣體熱容 Cp176。 a b103 c106 CO H2 C3H6 C3H8 熱量計(jì)算 據(jù)物料衡算，凈化后合成氣設(shè)為 100 K mol/h 進(jìn)入， H2:CO = :，由于凈化所除去的雜質(zhì)量過小，所以忽略不計(jì)。為了調(diào)節(jié) H2與 CO 的比 需加高純度氫氣，所以在計(jì)算中以 H2:CO = :1 為基準(zhǔn)。則： n H2=100 ?? = K mol/h n H2=100 1?? = K mol/h 40℃ ， 。經(jīng)預(yù)加熱器 1519 加熱到 90℃ ，進(jìn)入 1120： 查表得： tc CO = ℃ , pc CO = atm = MPa tc H2 = ℃ , pc H2 = atm = MPa 求 Q CO： Q CO = nCp176。（ t2t1） [6] （ 22） （ 1）求 CO 的 Cp Cp176。： Tr CO = T/Tc= )9040(21273???= Pr CO =P/Pc= = 查表得 Cp Cp176。＝ K cal/(K molK)= K J/(K molK) （ 2）求 CO 的 Cp176。： Cp176。= a + bT + cT2 （ 23） 表 CO 的 a、 b、 c 的值 a b103 c106 CO 40℃ Cp176。=+313/313/106 = K cal/(K molK) = KJ/(K molK) 90℃ Cp =+363/363/106 = K cal/(K molK) = KJ/(K molK) 所以 =(Cp1+ Cp2)/2=1/2(+)=29 KJ/(K molK) 所以 Cp= Cp176。+= KJ/(K molK) 所以 Q CO= =（ 9040） = KJ/(K molK) 同理求得 Q H2= KJ/h 所以 Q 總 = Q H2+Q CO=+= KJ/h=106 KJ/h 1120 出來經(jīng)加熱器 1520 加熱到 180℃ ，進(jìn)入 1121 過程中物料由 90℃ ， ——→180 ℃ ， ， H2:CO = :1 同理求得 Q CO= kJ/h Q H2= kJ/h Q 總 = Q H2+Q CO =+ = kJ/h =106 kJ/h 3. OXO 反應(yīng)器： 因?yàn)榉磻?yīng)溫度為 95℃ ，且已知 25℃ 下的反應(yīng)數(shù)據(jù)，所以 假設(shè)如下熱力學(xué)途徑： 圖 熱力學(xué)途徑 （ 1） ΔH1 求： CO 的 Cp Cp176。： Tr CO = T/Tc= )2595(21273???= Pr CO = P/Pc= = 查圖得 Cp Cp176。＝ K cal/(kmolK)=0. 460 kJ/(kmolK) 求： CO 的 Cp176。： Cp176。= a + bT + cT2 （ 24） 95℃，反應(yīng)物料 25℃，反應(yīng)物料 25℃，反應(yīng)后物料 95℃，反應(yīng)后物料 Δ H1 Δ H3 Δ H2 Δ H 95℃ Cp176。=+368/368/106 = K cal/(kmolK) = kJ/(kmolK) 25℃ Cp176。=+298/298/106 = K cal/(kmolK) = kJ/(kmolK) 所以 =(Cp1+ Cp2)/2=1/2(+)= kJ/(kmolK) 所以 Cp= += kJ/(kmolK) 求 H2 的 Cp176。： Cp176。= a + bT + cT2 （ 25） 表 H2 的 a、 b、 c 的值 a b103 c106 H2 95℃ Cp176。=+368/368/106 = K cal/(kmolK) = kJ/(kmolK) 25℃ Cp176。=+298/298/106 = K cal/(kmolK) = kJ/(kmolK) 所以 =(Cp1+ Cp2)/2=1/2(+)=(kmolK) 求： H2 的 Cp Cp176。