【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 機(jī)械功，忽略動(dòng)能和位能，則可知P+HR=Q式中：HP和HR是反應(yīng)物料的物理狀態(tài)變化和化學(xué)狀態(tài)變化所引起的焓變； Q包括加熱劑或冷卻劑傳入或傳出的熱量、設(shè)備表面的熱損失和通過(guò) 回流冷凝器傳遞的熱量。 （2）HP的計(jì)算 HP=[21]。 式中：是始態(tài)及終態(tài)時(shí)各項(xiàng)物質(zhì)的質(zhì)量，kg。 是始態(tài)及終態(tài)時(shí)各項(xiàng)物質(zhì)的溫度，K。 是計(jì)算熱焓的基準(zhǔn)溫度，一般取298K（25oC)。 是各項(xiàng)物質(zhì)在與及與的平均等壓比熱，kJkg1K1 （a）平均等壓比熱容的計(jì)算 以反應(yīng)物乙炔為例，與之間的平均等壓熱容====，平均等壓比熱=/M(乙炔)=kg1K1。 與之間的平均等壓熱容==[AT++/()=[+=。 平均等壓比熱 =/M(乙炔)=kg1K1。 與之間的平均等壓熱容 ====。平均等壓比熱 =/M(乙炔)=kg1K1。 這里需要注意的是反應(yīng)物的初始溫度是，生成物的初始溫度是，終溫均是。依此計(jì)算，得到各物質(zhì)在兩個(gè)不同溫度區(qū)間的平均等壓比熱容。 表44 各物質(zhì)在兩個(gè)不同溫度區(qū)間的平均等壓比熱容（單位：kJkg1K1） C2H2 HAc VAc ALd CrALd H20 （b）根據(jù)物料衡算中反應(yīng)器的進(jìn)口流和出口流(忽略其他副反應(yīng)），計(jì)算HP C2H2的物理狀態(tài)變化引起的焓變HP1=[()()]+[() （)=+=。 HAc的物理狀態(tài)變化引起的焓變 HP2=[()()][()()]=+=。 H2O的物理狀態(tài)變化引起的焓變HP3=[)()][() ()]=+=。 VAc的物理狀態(tài)變化引起的焓變HP4=()()=。 ALd的物理狀態(tài)變化引起的焓變HP5=()()=。 CrALd的物理狀態(tài)變化引起的焓變HP6=()()=。 綜上，HP=HP1+HP2+HP3+HP4+HP5+HP6=。 （3）HR的計(jì)算 HR=Hr+HS=+HS[21]，式中HS是反應(yīng)物的狀態(tài)變化熱。 （a）C2H2 + CH3COOH CH3COOCH=CH2 = [+( )]= kJ/mol（放熱反應(yīng)）， m（VAc）=， M（VAc）=86，則==。 （b）CH3COOCHCH2 + H2O CH3CHO + CH3COOH =[+()][ +()]= kJ/mol（吸熱反應(yīng)）， m（ALd）=，M（ALd）=44，則==。 （c）2CH3CHO CH3CH=CHCHO + H2O =[+()][2()]=(放熱反應(yīng)），m（CrALd)=，M（CrALd)=70，則==。 (d)，諸多反應(yīng)或消耗或生成熱量，由于情況錯(cuò)綜復(fù)雜難以計(jì)算，完全可以忽略不計(jì)。 （e）無(wú)論反應(yīng)物還是生成物皆是呈氣體狀態(tài)，故HS=0。 綜上，HR=++= （3）Q的計(jì)算 （a） 反應(yīng)釋放的熱量一部分被反應(yīng)合成物帶出在預(yù)熱器中與反應(yīng)氣體進(jìn)行換熱。另一部分被反應(yīng)器內(nèi)載熱介質(zhì)蒸汽冷凝水帶走用于醋酸蒸發(fā)器蒸發(fā)醋酸。Q=P+HR== （b）反應(yīng)系統(tǒng)是封閉連續(xù)的，故而忽略設(shè)備的熱損失，Q的一部分Q1用于蒸發(fā)HAc。HAc的沸點(diǎn)是118oC，沸點(diǎn)下的蒸發(fā)焓=，醋酸蒸發(fā)器內(nèi)提供的熱量Q1 = = ，則Q2.=1==。25oC的C2H2和25oC的HAc組成的混合氣體，經(jīng)預(yù)熱器預(yù)熱至140oC。預(yù)熱C2H2所需的熱量==。預(yù)熱HAc所需的熱量==。則預(yù)熱系統(tǒng)內(nèi)蒸汽預(yù)熱器提供的熱量=+Q2.=。（c）蒸汽預(yù)熱器預(yù)熱的介質(zhì)是過(guò)熱蒸氣，通過(guò)換熱器換熱作用，吸取自分離系統(tǒng)中的冷凝水所攜帶的熱量轉(zhuǎn)移部分至過(guò)熱蒸汽。設(shè)過(guò)熱蒸汽進(jìn)口溫度205℃，出口溫度155℃，則所需過(guò)熱蒸汽流量h1== 。 分離工段的分離塔為篩板和泡罩的混合塔板結(jié)構(gòu)，全塔共22 塊塔板，分為三段。第一段，HAc氣體被冷凝液化，降溫至90℃，送入HAc蒸發(fā)器，釋放熱量Q3。第二段，VAc、CrALd和H2O等高沸物被冷凝液化，降溫至50~60℃,送入精餾工段，釋放熱量Q4。第三段，ALd等低沸物被冷凝液化，降溫至1177。2℃,送入精餾工段，釋放熱量Q5。氣體分離塔頂排出的混合氣體（主要是C2H2)溫度為 0℃,釋放熱量Q6。 （1）不同溫度區(qū)間的平均等壓比熱容的計(jì)算 依上述方法和數(shù)據(jù)，求得HAc在90℃~205℃溫度區(qū)間的平均等壓熱==。 平均等壓比熱容=kg1K1。 依次逐次計(jì)算，算得C2H2在0℃~205℃溫度區(qū)間、VAc在55℃~205℃溫度區(qū)間、H2O在55℃~205℃溫度區(qū)間、ALd在1℃~205℃溫度區(qū)間和CrALd在55℃~205℃kg1Kkg1Kkg1Kkg1Kkg1K1。 （2） 各物質(zhì)溫度變化引起的焓變 C2H2：1==。 HAc：2==。 VAc：3==。 H2O：4==。 ALd：5==。 CrALd：6==。 （3） 各物質(zhì)相態(tài)變化引起的焓變 HAc：7==。 VAc：8==。 H2O：9==。 ALd：10==。 CrALd：11==。 。 （4） 冷凝水量的計(jì)算 設(shè)冷凝水進(jìn)口溫度為20℃，出口溫度為80℃，可得冷凝器所用冷水流量h2==。 整個(gè)醋酸乙烯精餾系統(tǒng)由八個(gè)精餾塔組成[22]，工藝流程圖如圖41。 圖41 醋酸乙烯精餾工藝流程圖 精餾一塔熱量衡算 反應(yīng)液用泵送至第一精餾塔，目的是脫除比醋酸乙烯沸點(diǎn)低的輕組分－乙醛、溶解的乙炔等。熱量衡算式子：Q[塔頂出料]+Q[塔釜出料]=Q[回流進(jìn)料]+Q[原始進(jìn)料]+Q[23]。 式中Q的值為正時(shí)表示該塔短缺熱量，反之則是富余熱量。 根據(jù)物料衡算的計(jì)算結(jié)果，再結(jié)合精餾原理，計(jì)算一塔的進(jìn)、出料的氣液相焓值以及流量如表45所示。 表45 一塔進(jìn)、出料的氣夜相流量及焓值 類型 流量（kmol/h) 焓值(kJ/mol) 塔頂出料 塔釜出料 回流進(jìn)料 原始進(jìn)料 據(jù)表45計(jì)算得到一塔必須加入的熱量=5975286kJ/h。確定一塔再沸器提供的熱量是通過(guò)進(jìn)出口參數(shù)來(lái)計(jì)算的。再沸器的進(jìn)口參數(shù)就是壓縮機(jī)的出口參數(shù)，再沸器的出口參數(shù)可以選擇冷凝至飽和液體的狀態(tài)參數(shù)。再沸器進(jìn)口參數(shù)包括進(jìn)口溫度、進(jìn)口壓力和進(jìn)口焓值，數(shù)值分別是 、。再沸器的出口溫度一定要高于塔釜出料的溫度（），計(jì)算飽和液體時(shí)的流體焓值：=。再計(jì)算得到再沸器給一塔提供的熱量： =5665693kJ/h，= =309592kJ/h，這部分熱量可自加熱器提供。 精餾二塔熱量衡算 第二精餾塔的功能是把醋酸和醋酸乙烯區(qū)分開，塔頂出粗醋酸乙烯，塔底出粗醋酸，熱量衡算式子：Q[塔頂出料]+Q[塔釜出料]=+Q[原始進(jìn)料]+Q[23]。 根據(jù)同樣的原理和數(shù)據(jù)，進(jìn)行二塔的物料衡算，得到二塔塔頂、塔釜出料的各個(gè)狀態(tài)參數(shù)如表46所示。 表46 二塔塔頂、塔釜出料的流量和焓值 類型 流量（kmol/h) 焓值(kJ/mol) 塔頂出料 塔釜出料 原始進(jìn)料 二塔的輸出熱量： =921164kJ/h。 二塔的輸入能量：=558483kJ/h。==36268kJ/h，這部分熱量可由加熱器提供。 精餾三塔的熱量衡算 第三精餾塔的加料是第二精餾塔塔頂采出的粗醋酸乙烯，該塔的功能是脫輕組分，即從塔頂把乙醛蒸出。熱量衡算式子：Q[塔頂出料]+Q[塔釜出料]=Q[回流進(jìn)料]+Q[原始進(jìn)料]+Q[23]。 依一塔的熱量衡算，三塔進(jìn)、出料氣液相焓值以及流量如表47所示。 表47 一塔進(jìn)、出料的氣夜相流量及焓值 類型 流量（kmol/h) 焓值(kJ/mol) 塔頂出料 塔釜出料 回流進(jìn)料 原始進(jìn)料 三塔必須加入的熱量：=7565798kJ/h。 三塔再沸器的供熱量是通過(guò)進(jìn)出口參數(shù)是來(lái)計(jì)算的，再沸器的進(jìn)口參數(shù)就是它的出口參數(shù)，出口參數(shù)可以選擇冷凝至飽和液體的狀態(tài)參數(shù)。、。 三塔再沸器的出口溫度必須高于塔釜出料的溫度，,計(jì)算得到飽和液體的流體焓值：=。 三塔再沸器的供熱量：=8302090kJ/h。= =736292kJ/h，這部分熱量由冷凝器帶走。 假定冷凝水進(jìn)口溫度為20℃，出口溫度為80℃，可得冷凝器所用冷水流量h3==。 依上述方法，通過(guò)計(jì)算得到其它幾塔的熱量衡算結(jié)果，見(jiàn)表48 表48 四－八塔的熱量衡算結(jié)果 塔號(hào) 四 五 六 七 八 (kJ/h) 550872 150752 299476 105824 250682 精餾四、五、七塔所短缺的熱量由加熱器提供。精餾六、八塔所富余的熱量由冷凝器帶走，假定冷凝水進(jìn)口溫度為20℃，出口溫度為80℃，計(jì)算所需冷凝水用量分別是h4=，h5=。5. 主要設(shè)備的工藝設(shè)計(jì)和選型乙炔氣相法合成醋酸乙烯的反應(yīng)器主要有固定床反應(yīng)器和流化床反應(yīng)器，根據(jù)反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率、選擇性、反應(yīng)熱提供或轉(zhuǎn)移的方法、催化劑的性能和壽命等幾個(gè)方面因素選擇。固定床反應(yīng)器被廣泛應(yīng)用于流－固相催化和非催化反應(yīng)，尤其適用于要求高轉(zhuǎn)化率和高選擇性的反應(yīng)，這次化工設(shè)計(jì)采用固定床反應(yīng)器。固定床反應(yīng)器按催化劑床與外界是否進(jìn)行熱量交換可以分為絕熱反應(yīng)器和換熱式反應(yīng)器，工業(yè)上普遍采用換熱式反應(yīng)器，尤其是列管式換熱反應(yīng)器[24]。 （1）體積的計(jì)算依一般經(jīng)驗(yàn)看來(lái)固定床反應(yīng)器進(jìn)口氣體的初始濃度=，即是固定床反應(yīng)器每小時(shí)需要處理的物料量，反應(yīng)器采用連續(xù)式操作?？账伲縨3催化劑每h通過(guò)的標(biāo)準(zhǔn)氣體量）U=315h1[25]，則催化劑床層理論體積=。 [25]，則==，則催化劑床層實(shí)際體積=Vc+V0=。從下面有關(guān)的固定床反應(yīng)器的尺寸設(shè)計(jì)，我們知道反應(yīng)器內(nèi)列管呈三角形排列，列管之間的間距是63mm，列管有效長(zhǎng)度是8m，則反應(yīng)器內(nèi)列管及其空間排布所占的體積VL==。 固定床反應(yīng)器體積不僅包括，還包括原料分布體積空間和物料分離空間，這部分空間占據(jù)的體積Vw=(128)+20= V=VL+Vw=，圓整取360m3。（2）尺寸的設(shè)計(jì) ，列管有效長(zhǎng)度8m。因反應(yīng)物料較多，采用了四臺(tái)非連續(xù)式固定床反應(yīng)器，則每臺(tái)固定床反應(yīng)器列管數(shù)按公式 ===150/4，解得n=，n的數(shù)值取3733，即是固定床反應(yīng)器的列管數(shù)。根據(jù)《化工原理課程設(shè)計(jì)》[23]知反應(yīng)器直徑D=Pt（b1）+2e，管心距Pt=63mm，正六邊形對(duì)角線上的管數(shù)b=95，最外層六角形管中心到殼體內(nèi)壁距離e==，代入計(jì)算知反應(yīng)器殼體直徑D=6000mm。 筒體高度H，長(zhǎng)徑比r（H/D）一般是1～3,固定床