【正文】 為從輕組分塔塔底提取的苯酐 熔液即為產(chǎn)品苯酐（即物流 3）。同樣的，在本次設(shè)計(jì)中對(duì)精餾塔的設(shè)計(jì)計(jì)算章節(jié)也只考慮其中的輕組分塔。 21 輕組分塔物料衡算 經(jīng)過(guò)冷凝工段，粗苯酐熱熔后送入預(yù)處理槽加熱，然后由輕組分塔進(jìn)料泵送入輕組分塔。預(yù)處理工段中： 粗苯酐的雜質(zhì)苯酞經(jīng)高溫全部分解成苯酐和水： C8H6O2 + O2 → C 8H4O3 + H2O 由苯酞分解生成的苯酐為： 則經(jīng)過(guò)預(yù)處理段后苯酐： F1=+ = 粗苯酐中含量較少的鄰二甲苯、檸槺酐、苯甲酸也基本除去，為了后面精餾計(jì)算方便，可假設(shè)粗苯酐經(jīng)過(guò)預(yù)處理蒸餾后，雜質(zhì)中的鄰二甲苯、檸槺酐、苯甲酸、苯酞以及苯酞高溫分解產(chǎn)物水一起除去，通過(guò)泵送入尾氣洗滌裝置。 所以進(jìn)入輕組分塔的原料物流： 純苯酐的物料流量： F1=順酐的物料流量： F2=進(jìn)入精餾塔粗苯酐總物料： F=F1+F2 =物流 1 流量即為粗苯酐總的物料流量 F=對(duì)該段精餾，進(jìn)料組成： xF1= 0 .9 13 7 .2 1 6 13 4 .1 9 1 1FF1 ?? xF2= 0 .0 93 7 .2 1 6 13 .0 2 5 0FF2 ?? 物料 1 的平均摩爾質(zhì)量： MF=148+98 = 本次設(shè)計(jì)對(duì)精餾要求：塔頂 x1≤；塔底 x1≥，列出物料橫算式： F=D+W （ 1） F1=Dxd1+Wxw1 （ 2） F2=Dxd2+Wxw2 （ 3） 22 先將已知數(shù)據(jù)代人式（ 1）、（ 2）式： =D+W =+ 解得： D= kmol/h W= kmol/h 所以苯酐： F1D= = kmol/h F1W= = kmol/h 由： xd2= = xw2= = 所以順酐： F2D= = kmol/h F2W= = kmol/h 根據(jù)以上計(jì)算列出精餾物料平衡表： 表 34 精餾工段物料衡算表 物 流 表 1 2 3 摩爾流量 kmol/h 質(zhì)量流量 kg/h 苯酐 kg/h 順酐 kg/h 4. 能量 衡算 23 熱量衡算方程式 化工計(jì)算中的能量衡算是根據(jù)熱力學(xué)第一定律，即能量守恒與轉(zhuǎn)化定律，對(duì)化工過(guò)程進(jìn)行能量計(jì)算?；どa(chǎn)中消耗的能量形式有機(jī)械能，電能和熱能等等，其中以熱能為主要形式，因此化工過(guò)程中的能量衡算重點(diǎn)是熱量衡算。本章具體對(duì)苯酐氧化反應(yīng)器進(jìn)行能量衡算如下： 熱量衡算方程式： Q1+Q2+Q3=Q4+Q5 其中式中： Q1——初始物料帶入設(shè)備中的熱量 ， kJ Q2——加熱劑或冷卻劑與設(shè)備和物料傳遞的熱量 kJ Q3——物理變化及化學(xué)變化的熱效應(yīng) ， kJ Q4——離開(kāi)設(shè)備物料帶走的熱量 ， kJ Q5——反應(yīng)器系統(tǒng)熱量損失 ， kJ 反應(yīng)過(guò)程的能量方框圖 圖 41 反應(yīng)工段能量衡算圖 反應(yīng)器能量橫算過(guò)程 根據(jù)圖 41 及能量守恒可知： Q2=Q4+Q5Q1Q3 Q1和 Q4的計(jì)算 Q=∑MiC i（ t1t2） （ Q1和 Q4的 計(jì)算都適用） 式中： Mi——反應(yīng)物體系中組分的質(zhì)量， kg； Ci——組分 i 在 0T℃ 時(shí)的平均比熱容， KJ/； t1， t2——反應(yīng)物系在反應(yīng)前后的溫度， ℃ 。 物料進(jìn)入設(shè)備時(shí)的溫度為 145℃ ，熱量衡算的基準(zhǔn)為 145℃ ， △ T=0,則： Q1=0 查得各物項(xiàng)平均比熱容數(shù)據(jù)：（ kJ/kg.℃ ） 固 定 床 反 應(yīng) 器 Q 鄰二甲苯 工藝空氣 145℃ 苯酐 鄰二甲苯酐 苯甲酸 苯酞 檸槺酐 水 二氧化碳 一氧化碳 24 組分 OX O2 N2 苯酐 順酐 檸康酐 苯酞 苯甲酸 水 CO CO2 比熱容 表 41 各物相平均比熱容 所以： ? ?21ii4 tCMQ t??? =(370145)+225+0225+225+225+81.0097225+225+225+225+225+5225 = 過(guò)程 Q3的計(jì)算 過(guò)程熱效率可以分為兩類(lèi)：一類(lèi)是化學(xué)過(guò)程的熱效率即化學(xué)反應(yīng)速率；另一類(lèi)是物理過(guò)程熱效率。物料化學(xué)變化過(guò)程，除化學(xué)反應(yīng)外，往往伴隨著物料狀態(tài)變化熱效率，但本工藝流程中物理過(guò)程熱效率較低，可以忽略不計(jì)，該過(guò)程皆為放熱反應(yīng)，則過(guò)程熱效率可以由下式計(jì)算： 主反應(yīng)： C8H10+3O2→C 8H4O3+3H2O + Q31=103 =103kJ/h 副反應(yīng)： CH3C6H4CH3+→C 4H2O3（順酐） +4CO2+4H2O + Q32=103 =103kJ/h CH3C6H4CH3+3O2→C 6H5COOH（苯甲酸） +CO2+2H2O + Q33=103 =103kJ/h CH3C6H4CH3+2O2→C 8H6O2（苯酞） +2H2O + Q34=103 =103kJ/h CH3C6H4CH3+→C 5H5O3（檸槺酐） +3CO+3H2O + 25 Q35=103 =103kJ/h CH3C6H4CH3+→8CO+5H 2O + Q36=103 =103kJ/h CH3C6H4CH3+→8CO 2+5H2O + Q37=103 =103kJ/h 繼而得到： Q3 = Q31+Q32+Q33+Q34+Q35+Q36+Q37 =103kJ/h Q5的計(jì)算 該反應(yīng)中的熱損失按 5%計(jì)算，即： Q5=5%（ Q1+Q3） =5%（ 0+103） =3559375kJ/h Q2的計(jì)算 Q2為熔巖移出反應(yīng)器的熱量，由反應(yīng)器熱量守恒可知： Q2=Q4+Q5Q1Q3 = 反應(yīng)器能量衡算表 根據(jù)以上計(jì)算列出氧化反應(yīng)工段能量衡算表格如下： 表 42 反應(yīng)工段能量衡算表 （吸收熱量為 “+”，釋放熱量為 “”） 名稱 熱量（ kJ/h） 輸入物料焓（ Q1） 0 熱交換量（ Q2） 過(guò)程熱效率（ Q3） 71187500 輸出熱料焓（ Q4） 總的熱損失（ Q5） 3559375 26 5. 精餾塔的工藝設(shè)計(jì)及選型 本次設(shè)計(jì)的一部分是設(shè)計(jì)苯酐輕組分塔，塔型選用 F1 浮閥塔，進(jìn)料為兩組分進(jìn)料連續(xù)型精餾。苯酐為重組分，順酐為輕組分 ， 從塔頂蒸 除 去，所以該塔又稱為順酐塔。 確定操作條件 順酐為揮發(fā)組分，所以根據(jù)第 3 章物料衡算得摩爾份率： 進(jìn)料： F ?? 塔頂： Dx = 塔底： wx = 該設(shè)計(jì)根據(jù)工廠實(shí)際經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)文獻(xiàn)給出實(shí)際回流比 R=2（ R=），及以下操作條件： 塔頂壓力： ； 塔底壓力： ； 塔頂溫度： ℃ ； 塔底溫度： ℃ ； 進(jìn)料溫度： 225℃ ； 塔板效率： ET= 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)整理 （ 1） 精餾段： 圖 51 精餾段物流圖 F, xF 1 2 n n+1 檸槺酐 水 二氧化碳 x1 y2 x2 yn xn yn+1 V , y1 L,xD D,xD 27 平均溫度： ? ? 21 ??℃ 平均壓力： ? ? ??????? ?????? 333 ? pa 根據(jù)第 3 章物料衡算，列出精餾段物料流率表如下： 表 51 精餾段物料流率 物料 質(zhì)量流量 kg/h 分子量 kg/kmol 摩爾流量 kmol/h 內(nèi)回流 98 標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積： V0= 6 2 5 9 4 ?? Nm3/h 操作狀況下的體積： V1=636 ??? ???? = Nm3/h 氣體負(fù)荷： Vn= ? m3/s 氣體密度： ?n? ? 液體負(fù)荷： Ln= ? ℃ 時(shí) 苯酐的密度為 1455kg/m3 （ 2） 提餾段 ： 28 圖 52 提餾段物料圖 平均溫度： ? ? ?? ℃ 入料壓力： ? ? 19751030 ???? 平均壓力： ? ??? 根據(jù)第 3 章物料衡算列出提餾段內(nèi)回流如下圖： 表 52 提餾段內(nèi)回流 物料 質(zhì)量流量 kg/h 分子量 kg/kmol 摩爾流量 kmol/h 內(nèi)回流 98 標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積： ??0V 7 0 2 0 2 ?? Nm3/h 操作狀態(tài)下的體積： ??1V636 ??? ???? = 氣體負(fù)荷： Vm= ? m3/s 氣體密度 m? = 7 0 0 2 7 3 94 ? kg/m3 查得進(jìn)料狀態(tài)順酐與苯酐混合物在溫度 225℃ 下，含順酐 (wt)%,密度1546kg/m3。塔底含順酐很少，可近似為純苯酐，在塔頂?shù)臏囟燃皦毫顟B(tài)下苯m m+1 N L’ V’ x’m F , xF y’m+1 y’N x’N 蒸氣 W ,xW xn 29 酐的密度為 1530kg/m3。液體的平均密度： 3m/kg15382 15461530 ????，液體負(fù)荷 3m ?????m3/s 塔板數(shù)的確定 由于進(jìn)料中順酐的摩爾分率很小，無(wú)法用常規(guī)的 作圖法求解塔板數(shù)。所以這里采用假設(shè)全回流計(jì)算理論最少塔板數(shù) Nmin，下面應(yīng)用芬斯克方程 [14]式有 : 查得全塔平均相對(duì)揮發(fā)度 ma =，及精餾段平均響度揮發(fā)度 所以全塔的最少理論板層數(shù)： 1l g 3 .7N m in ??????? ?????? ????????? = 精餾段最少理論板層數(shù)： 1alg xx1x1xlgN FFDD1 ??????? ?????? ????????? ??????? ?????? ????????? = 由： 12 m in ?