生產(chǎn)管理知識_甲苯加氫生產(chǎn)甲基環(huán)己烷中試工藝設(shè)計

湖南理工學院南湖學院畢業(yè)論文第一章 引言1.1概 述1.1.1甲基環(huán)己烷物理性質(zhì)及用途甲基環(huán)已烷（Methyl cyclohexane）CH3C6H11，98.2g/mol，含量99.5%，熔點()：-126.4，密度（水=1）：0.79，沸點()：100.3，對蒸氣密度（空氣=1）：3.39，飽和蒸汽壓（kPa）5.33(22),燃燒熱(kJ/mol)：4563.7，臨界溫度()：299.1，臨界壓力(MPa)：3.48，閃點()：-3.8，爆炸上限%(V/V)：6.7，引燃溫度()：250，爆炸下限%(V/V)：1.2，溶解性：不溶于水，溶于乙醇、乙醚、丙酮、苯、石油醚、四氯化碳等。本品為無色液體，有特殊香味。甲基環(huán)己烷對酸、堿比較穩(wěn)定。在三氯化鋁作用下異構(gòu)化為乙基環(huán)戊烷和二甲基環(huán)戊烷。在紫外光或過氧化物存在下能發(fā)生氧化反應(yīng)。在催化劑存在條件下發(fā)生脫氫反應(yīng)生成甲苯。不溶于水，能與丙酮、苯、乙醚、四氯化碳、乙醇、高級醇相混溶。在室內(nèi)裝修中，不為國家限制級有機溶劑，環(huán)保效果較苯要好。甲基環(huán)己烷是重要的有機溶劑和萃取劑，可用作橡膠、涂料、清漆用溶劑，用作油脂萃取劑等。甲基環(huán)己烷可用于有機合成，作溶劑及分析試劑。除此之外甲基環(huán)己烷也可用作校正溫度計的標準物。涂改液一般也是以甲基環(huán)己烷做為主要成分。1.1.2 生產(chǎn)方法在150、約11MPa壓力下加氫反應(yīng)5h，加得到較純的甲基環(huán)已烷。精制時可用濃硫酸、水、5%氫氧化鈉溶液和水依次洗滌，用脫水劑干燥，最后進行蒸餾而得成品。 Antonie 方程： (200.0kpa以下適用)相法，而西歐和日本主要采用液相法。生產(chǎn)工藝：由甲苯加氫制得，反應(yīng)式如下：上述反應(yīng)溫度為150，壓力約1.3MPa，經(jīng)加氫5h，可得到較純的甲基環(huán)已烷；再經(jīng)濃硫酸、水和5%氫氧化鈉溶液和水，依次洗滌，脫水劑干燥最后進行蒸餾而得成品。1.1.3 烷毒性及防護毒性：屬低毒類。 急性毒性：LDmg/kg(小鼠經(jīng)口)；LCmg/m3，2小時(小鼠吸入) 亞急性和慢性毒性：兔暴露于40g/m3，6小時/天，每周5天，2周后全部死亡；13.3g/m3，10周共300小時，出現(xiàn)肝腎輕微損害。 危險特性：其蒸氣與空氣可形成爆炸性混合物。遇熱源和明火有燃燒爆炸的危險。與氧化劑能發(fā)生強烈反應(yīng)，引起燃燒或爆炸。在火場中，受熱的容器有爆炸危險。高速沖擊、流動、激蕩后可因產(chǎn)生靜電火花放電引起燃燒爆炸。其蒸氣比空氣重，能在較低處擴散到相當遠的地方，遇明火會引著回燃。 燃燒(分解)產(chǎn)物：一氧化碳、二氧化碳。皮膚接觸能引起紅腫、皸裂、潰瘍等。兔經(jīng)口致死量為4.04.5g/Kg。當吸入甲基環(huán)己烷濃度達60g/m3時出現(xiàn)抽搐、呼吸困難、流涎及結(jié)膜充血，70min死亡。工作場所最高容許濃度為500ppm（美國）。生產(chǎn)車間有良好的通風，設(shè)備應(yīng)密閉。操作人員應(yīng)穿戴防護用具。急救措施：皮膚接觸：立即脫去污染的衣著，用肥皂水和清水徹底沖洗皮膚。就醫(yī)。眼睛接觸：提起眼瞼，用流動清水或生理鹽水沖洗。就醫(yī)。吸入：迅速脫離現(xiàn)場至空氣新鮮處。保持呼吸道通暢。如呼吸困難，給輸氧。如呼吸停止，立即進行人工呼吸。就醫(yī)。食入：飲足量溫水，催吐。就醫(yī)。1.1.4儲運包裝標志： 易燃液體； 包裝方法： （）類，玻璃瓶外要用木箱或鎢塑箱加固或桶裝； 操作注意事項：密閉操作，全面通風。操作人員必須經(jīng)過專門培訓(xùn)，嚴格遵守操作規(guī)程。建議操作人員佩戴過濾式防毒面具（半面罩），穿防靜電工作服，戴橡膠耐油手套。遠離火種、熱源，工作場所嚴禁吸煙。使用防爆型的通風系統(tǒng)和設(shè)備。防止蒸氣泄漏到工作場所空氣中。避免與氧化劑接觸。灌裝時應(yīng)控制流速，且有接地裝置，防止靜電積聚。配備相應(yīng)品種和數(shù)量的消防器材及泄漏應(yīng)急處理設(shè)備。倒空的容器可能殘留有害物。儲存注意事項：儲存于陰涼、通風的庫房。遠離火種、熱源。庫溫不宜超過30。保持容器密封。應(yīng)與氧化劑分開存放，切忌混儲。采用防爆型照明、通風設(shè)施。禁止使用易產(chǎn)生火花的機械設(shè)備和工具。儲區(qū)應(yīng)備有泄漏應(yīng)急處理設(shè)備和合適的收容材料。泄露處理： 首先切斷一切火源，戴好防毒面具與手套，用不燃性分散劑制成乳液刷洗，如無分散劑可用砂土吸收，倒到空曠地掩埋，受污染的地方用肥皂或洗滌劑刷洗，經(jīng)稀釋后，污水放入廢水系統(tǒng)，大面積泄露周圍應(yīng)設(shè)霧狀水幕抑爆。1.1.5主要技術(shù)指針表1-1 甲基環(huán)己烷的技術(shù)指針主要技術(shù)指針參 考測 量 值合格測量儀器或方法含量( %，)9899.9Y氣相色譜儀相對密度(20)0.769370.77Y密度計折射率(20/25)1.423121.4231Y阿貝折射儀沸點(101.3kPa,)100.934101Y毛細管測定法餾程( %, )98-10499-102Y蒸餾法酸度(以乙酸計)0.0030.001YGB97361.2文獻綜述 設(shè)計過程中主要以高等學校畢業(yè)設(shè)計(論文)指導(dǎo)手冊為主，結(jié)合指導(dǎo)老師提出的畢業(yè)設(shè)計的要求（掌握化工生產(chǎn)過程設(shè)計的基本要求及主要內(nèi)容；掌握設(shè)計原則，了解工廠與車間布置內(nèi)容，廠址選擇的方法和應(yīng)遵循的原則; 論證設(shè)計方案，確定設(shè)計流程及方法，掌握化工過程物料衡算，能量衡算，以及主要工藝設(shè)備（反應(yīng)器、分離設(shè)備、換熱設(shè)備等）計算原理和方法；基本掌握過程和設(shè)備的物料參數(shù)（如溫度、壓力、流量等）控制指標的確定方法和控制方案；掌握繪制物料流程圖，帶控制點的流程圖和主要設(shè)備圖的要求和標準；初步掌握撰寫設(shè)計說明書的基本內(nèi)容和要求。），我們翻閱了大量國內(nèi)外期刊和有關(guān)圖書，進而了解到氫能極有可能成為21世紀的主要能源。有關(guān)氫能技術(shù)的研究的近年來取得了可喜的進展，但仍有不少技術(shù)問題需要研究，儲氫技術(shù)便是其中的一個難點課題。氫能的儲存比汽油、柴油、煤炭等常規(guī)能源困難得多。有機液體氫化物儲氫作為一種新型儲氫技術(shù)，具有儲氫量大、儲存設(shè)施簡便、維護保養(yǎng)安全而方便等優(yōu)點，國內(nèi)外都非常重視這項技術(shù)的研究。有機液體氫化物儲氫是借助不飽和液體有機物與氫的一對可逆反應(yīng)（即加氫反應(yīng)和脫氫反應(yīng)）實現(xiàn)的，加氫反應(yīng)實現(xiàn)氫的儲存，脫氫反應(yīng)實現(xiàn)氫的釋放。不飽和有機液體化合物作儲氫劑，可循環(huán)使用，烯烴、炔烴、芳烴等不飽和液體有機化合物均可作儲氫材料，但從儲氫過程的能耗、儲氫量、儲氫劑物性等方面考慮，以芳烴特別是單環(huán)芳烴作儲氫劑最佳其中甲苯是比較理想的儲氫材料。甲苯加氫的機理及動力學研究已有報道。另外，甲基環(huán)已烷是重要的有機溶劑及萃取劑，廣泛用于橡膠、涂料、清漆、油脂等行業(yè)，也用于色譜淋洗劑、標準物等。隨著職業(yè)安全和環(huán)保要求的日趨嚴格，各種芳烴、非芳烴純?nèi)軇┖驼y程、用途專一的鎦份溶劑油將是溶劑市場的發(fā)展方向。以甲苯為原料生產(chǎn)甲基環(huán)已烷純?nèi)軇?，或?qū)⒓谆h(huán)已烷與現(xiàn)有的溶劑油產(chǎn)品調(diào)合，生產(chǎn)窄鎦程、用途專一的溶劑油將會提升現(xiàn)有產(chǎn)品的附加值，滿足溶劑市場的需要。1.3 設(shè)計任務(wù)的依據(jù)或項目來源中國石化長嶺分公司研究院對自制的甲苯加氫催化劑時行了試驗和評價，摸索出在絕熱環(huán)境的反應(yīng)條件。由于實驗室研究的條件局限性，該催化劑應(yīng)用至工業(yè)生產(chǎn)之前，仍需對于催化劑的耐熱性，反應(yīng)器的形式，生產(chǎn)工藝及其操作條件進行中試規(guī)模的實驗。因此提出建設(shè)3000t/a甲苯加氫生產(chǎn)甲基環(huán)已烷中試裝置。既為工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)裝置摸索生產(chǎn)條件，積累生產(chǎn)經(jīng)驗，也是市場提供附加值較高的甲基環(huán)已烷純?nèi)軇┊a(chǎn)品。1.4 原材料及公用物料規(guī)格1.4.1原材料1.4.1.1甲苯A物性及用途甲基苯 C6H5CH3 別名甲苯，為無色透明易燃液體。有苯樣氣味。有強折光性。能與乙醇、乙醚、丙酮、氯仿、二硫化碳和冰乙酸混溶，極微溶于水。相對密度0.866。凝固點-95。沸點110.6。折光率1.4967。閃點（閉杯） 4.4。易燃。蒸氣能與空氣形成爆炸性混合物，爆炸極限1.2%7.0%（體積）。低毒，半數(shù)致死量（大鼠，經(jīng)口）5000mg/kg。高濃度氣體有麻醉性。有刺激性。甲苯大量用作溶劑和高辛烷值汽油添加劑，也是有機化工的重要原料，但與同時從煤和石油得到的苯和二甲苯相比，目前的產(chǎn)量相對過剩，因此相當數(shù)量的甲苯用于脫烷基制苯或岐化制二甲苯。甲苯衍生的一系列中間體，廣泛用于染料；醫(yī)藥；農(nóng)藥；火炸藥；助劑；香料等精細化學品的生產(chǎn)，也用于合成材料工業(yè)。甲苯進行側(cè)鏈氯化得到的一氯芐；二氯芐和三氯芐，包括它們的衍生物苯甲醇；苯甲醛和苯甲酰氯（一般也從苯甲酸光氣化得到），在醫(yī)藥；農(nóng)藥；染料，特別是香料合成中應(yīng)用廣泛。甲苯的環(huán)氯化產(chǎn)物是農(nóng)藥；醫(yī)藥；染料的中間體。甲苯氧化得到苯甲酸，是重要的食品防腐劑（主要使用其鈉鹽），也用作有機合成的中間體。甲苯及苯衍生物經(jīng)磺化制得的中間體，包括對甲苯磺酸及其鈉鹽；CLT酸；甲苯-2,4-二磺酸；苯甲醛-2,4-二磺酸；甲苯磺酰氯等，用于洗滌劑添加劑，化肥防結(jié)塊添加劑；有機顏料；醫(yī)藥；染料的生產(chǎn)。甲苯硝化制得大量的中間體。可衍生得到很多最終產(chǎn)品，其中在聚氨酯制品；染料和有機顏料；橡膠助劑；醫(yī)藥；炸藥等方面最為重要。B毒性及防護本品具有中等毒性，對皮膚和粘膜刺激性大，對神經(jīng)系統(tǒng)作用比苯強，但因甲苯最初被氧化生成苯甲酸，對血液有較大毒害。對小鼠致死濃度為3035mol/L。C包裝及貯運槽車或160kg鐵桶包裝。包裝上應(yīng)有明顯的“易燃物品”和“有毒品”的標志。屬一級易燃液體。危規(guī)編號61039.應(yīng)貯存于陰涼、通風的庫房中，遠離火種、熱源，最高倉溫不宜超過30，防止陽光直射。應(yīng)與氧化劑隔離存放。搬運時輕裝輕卸，防止包裝破損。D質(zhì)量指標質(zhì)量指標滿足GB3406-90石油甲苯標準的要求，主要指標見表（1-3）：表1-2原料甲苯的主要指標項目質(zhì)量指標GB3406試驗方法優(yōu)級品一級品外觀透明，無不溶于水及機械雜質(zhì)密度（20），kg/ cm3865868 865868GB/T2013酸洗比色 不深于24GB/T2012總硫含量，mg/kg 不大于22GB/T0253顏色（HaZen）不深于2020GB/T3143蒸發(fā)殘余物，mg/100ml55GB/T3209中性試驗中性中性GB/T1816烴類含雜質(zhì)量苯含量,%(m/m) 不大于碳八芳烴含量,%(m/m) 不大于非芳烴含量,%(m/m) 不大于0.050.050.200. 10. 10. 25GB/T31441.4.1.2 氫 氣組分 H2N2壓力體積分數(shù)（%） 93%(V) 3.25%(V) 1.3MPa1.4.2公用物料1.4.2.1 蒸 汽 壓力 溫度 1.1MPa 2301.4.2.2 軟 水電阻率壓力溫度1105歐/cm0.3 MPa環(huán)境溫度(25)1.4.2.3 新鮮水壓力溫度0.5MPa環(huán)境溫度(25)1.4.2.4循環(huán)冷卻水污垢系數(shù)0.0006m2K/W Cl 100mg/LpH值7.58.5供水壓力0.55MPa回水壓力0.33MPa供水溫度33回水溫度401.4.2.5氮 氣N298.5%(V)O210ppm(v)油含量無CO 無壓力0.5MPa溫度 401.4.2.6儀表空氣 質(zhì)量無油無塵露點-40(在0.7MPa)壓力0.5MPa溫度401.4.2.7 裝置空氣質(zhì)量無油無塵露點-25(在0.7MPa下)壓力0.5MPa溫度401.4.2.8電380V/220V+10%，50HN+1%，TN-C系統(tǒng)，中性點接地與PE線合為一根。第二章 過程說明2.1 反應(yīng)方程式：2.2 反應(yīng)過程的分析 甲苯加氫已是一個成熟技術(shù)，有關(guān)反應(yīng)機理及動力學研究都有了少的報道。從實驗的角度來講，其動力學不存在問題；下面就僅從熱力學上分析其可行性,由于G0 ，說明反應(yīng)是自發(fā)的，熱力學分析的結(jié)論也是可行的，反應(yīng)溫度低時，由于受動力學控制，甲苯轉(zhuǎn)化率不高；反應(yīng)溫度升高，反應(yīng)速率加快。甲苯加氫是強放熱反應(yīng)，高溫將降低平衡轉(zhuǎn)化率。實驗表明在130170溫度下，甲苯轉(zhuǎn)化率達96%以上。從工程上來講，要求原來的甲苯加氫變?yōu)闅庀喾磻?yīng)，甲苯不是在常態(tài)下，所以溫度還要升高，并且要有一定的壓力，反應(yīng)的正方向是體積縮小的，壓力加大促使反應(yīng)向正方向進行，參考經(jīng)驗值，經(jīng)實際工藝校核，確定反應(yīng)溫度為200220，壓力為1.0MPaG。催化劑在此工程反應(yīng)上是一個最重要的原因，取液相空速0.6h-1 ，結(jié)合物料的體積流量，得出催化劑的體積，進而核算反應(yīng)器的公稱尺寸。整個過程就圍繞這個反應(yīng)需要的條件而展開核算的。甲苯加氫催化劑小試是在絕熱條件下進行的。由于甲苯加氫反應(yīng)的放熱量較大（約高于苯加氫反應(yīng)），因此，中試裝置由于規(guī)模的擴大，反應(yīng)熱的移去成為關(guān)鍵問題。為了解決反應(yīng)熱的導(dǎo)出問題，中試裝置選擇非絕熱列管式固定床反應(yīng)器，進行甲苯氣相加氫反應(yīng)，并通過付產(chǎn)蒸汽移出反應(yīng)熱量的工藝流程。 與絕熱固定床反應(yīng)器的流程相比，中試裝置的工藝流程具有以下特點：1. 反應(yīng)溫度易于調(diào)節(jié)控制；2. 反應(yīng)熱付產(chǎn)蒸汽，不需要靠氫氣循環(huán)帶出熱量，因而裝置的能量消耗較代低；3. 由于反應(yīng)易于平穩(wěn)控制，因而產(chǎn)品的質(zhì)量比較穩(wěn)定，催化劑使用周期延長。2.3 流程簡述從界區(qū)外來的甲苯進入T-101甲苯槽，經(jīng)過P-101泵送，并與氫氣流量比值調(diào)節(jié)計量后進入預(yù)熱器。在E-101預(yù)熱器內(nèi)，用蒸汽或付產(chǎn)蒸汽預(yù)熱甲苯，再進入E-102汽化器用蒸汽加熱汽化。 從界區(qū)外送入的氫氣經(jīng)過壓力調(diào)節(jié)進入V-105氫氣緩沖罐，經(jīng)氫氣緩沖罐后送出的氫氣，經(jīng)流量調(diào)節(jié)后進入E-103換熱器，在換熱器內(nèi)與高溫的反應(yīng)氣體換熱。被加熱后的氫氣進入汽化器內(nèi)，與甲苯氣體混合，并加熱至反應(yīng)溫度后進入R-101加氫反應(yīng)器。氫氣與甲苯的摩爾比控制在3.23.5左右。 在加氫反應(yīng)器內(nèi)，甲苯與氫氣在催化劑作用下反應(yīng)100%轉(zhuǎn)化，生成甲基環(huán)已烷，選擇性達99.95%以上。加氫反應(yīng)產(chǎn)生熱量靠反應(yīng)器殼程付產(chǎn)0.9MPa.G的蒸汽移出，付產(chǎn)蒸汽需要的熱水由V-102熱水罐和P-102熱水泵提供，熱水的加入量通過V-101汽水分離器的液位調(diào)節(jié)控制。 從加氫反應(yīng)器出來的反應(yīng)氣體，在換熱器內(nèi)與新鮮氫氣換熱，反應(yīng)氣體被冷卻后，進入冷凝器E-104。氣體中的甲基環(huán)已烷產(chǎn)品經(jīng)循環(huán)水冷凝冷卻進入V-104烷中間槽，烷中間槽的成品靠系統(tǒng)的壓力，通過液位調(diào)節(jié)送入T-101成品槽，并自流送至界外的灌裝設(shè)施，裝桶外售。 由冷凝器排出的不凝氣體含有氫氣和C1C5烷烴，送至工廠現(xiàn)有的瓦斯氣燃料系統(tǒng)。 工藝流程詳見附圖2。2.4 自控水平 本項目為3000t/a甲苯加氫生產(chǎn)甲基環(huán)已烷中試裝置，其控制系統(tǒng)利用在建的原科研實驗裝置的PLC系統(tǒng)。根據(jù)新增控制點數(shù)需對原系統(tǒng)進行擴容改造，將新增的控制回路納入其系統(tǒng)內(nèi)。整個工程的控制水平保持在同類裝置的中等水平上。2.5 主要的控制方式及回路 本工程內(nèi)多數(shù)控制回路為簡單控制回路。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)回路主回路測量值取甲苯流量信號，調(diào)節(jié)器的輸出分別控制甲苯泵P-101a/b變頻器的轉(zhuǎn)速，控制甲苯流量衡定。流量信號經(jīng)比值運算后作為氫氣流量調(diào)節(jié)器的外給定值。2.6 設(shè)備布置說明2.6.1 工藝設(shè)備的選擇中試裝置共需各類工藝設(shè)備19臺；其中反應(yīng)器1臺，換熱器4臺，容器8臺，機泵6 臺，非標設(shè)備金屬總重約21噸。個別工藝設(shè)備明細詳見附表。2.6.2 現(xiàn)場主要設(shè)置布置說明中試裝置擬建于原科研試驗裝置區(qū)域內(nèi)。原試驗裝置東南西三面毗鄰廠內(nèi)道路，北面變配電室和儀表室，整個區(qū)域為方形，大小約5040m。新老裝置防火等級均為甲類。根據(jù)石油化工企業(yè)防火設(shè)計規(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)計規(guī)范規(guī)定，甲類工藝裝置之間的防火間距為30m。設(shè)備的平面布置以標高EL0.000, EL5.500，EL7.800，EL13.0000分為三個層次；豎直面以1-1，2-2兩個剖面將其剖開，主要設(shè)備的相對位置就比較清楚了，以圖面的方向自南向北：甲苯槽T-101，成品槽T-102a/b位于同一水平位置，處在最前面；在1-1剖面上有甲苯加料泵P-101a/b,熱水泵P-102a/b，熱水循環(huán)泵P-103a/b預(yù)熱器V-102，換熱器E-103，冷凝器E-104，汽水分離器V-101,熱水槽V-102，尾氣緩沖器V-103；在2-2剖面上有加氫反應(yīng)器R-101，汽化器E-102,烷中間罐V-104,氫氣緩沖罐V-105；T-101，T-102a/b在地面上，所有的泵都在地面上，另外E-102,V-104,V-105著地，其余設(shè)備都懸空。以EL5.500截斷看第一層的府視圖，圖面上有T-101,T-102ab,P-101ab, P-102ab, P-103ab, R-101, E-101, E-102, E-103, V-104, V-105;以EL5.500到EL7.800作為第二層，府視圖上可看到：R-101,V-101,V-102,E-101,E-103; 以EL7.800到EL13.000作為第三層，府視圖面上有：R-101,V-101,V-103,E-104.平豎面布圖詳見附圖4。第三章 工藝計算書3.1 設(shè)計條件生產(chǎn)能力：年產(chǎn)甲基環(huán)己烷3000噸，年操作時間7200小時。原料氣的組成：組分氮氣氫氣甲苯雜質(zhì)合計摩爾分數(shù)%5.4672.5121.970.06100反應(yīng)器入口氣：甲苯，氫氣，氮氣，雜質(zhì)反應(yīng)操作壓力：1.1MPa新鮮氣溫度：253.2 物料衡算對于任何一個化工工藝設(shè)計，無論規(guī)模大小，過程復(fù)雜與否，都必須進行物料衡算。物料衡算是化工工藝設(shè)計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。對于某一個體系，或者是任何一個化工工藝過程，不論是物理加工過程還是化學加工過程，也不論是總過程還是單元過程，都是根據(jù)質(zhì)量守恒定律進行平衡計算的。即進入一個裝置的全部物料質(zhì)量必等于離開這個裝置的全部物料的質(zhì)量，再加上損失掉的和系統(tǒng)內(nèi)積累起來的物料的質(zhì)量。如果把損失的物料合并到輸出物料量當中，物料衡算可用下式表示： (3-1) 輸入 = 輸出 + 積累對于有化學反應(yīng)過程的物料平衡是根據(jù)反應(yīng)平衡方程式的化學計量關(guān)系進行的，實際也服從于質(zhì)量守衡定律的，因為對于參與反應(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，另外實際上的物料平衡要考慮到開始的物料組成和最后的產(chǎn)品組成，還要考慮組分的過剩量、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)物料量隨時間變化時所增加或減少的量。 對于多數(shù)化工過程都是連續(xù)的，而且在正常操作時是穩(wěn)定狀態(tài)，因此體系內(nèi)無物料積累，可視積累項等于零。所以衡算式可寫成： (3-2)3.2.1 物料流程示意圖整個過程的物料流向如圖3-1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 3-13.2.2 物料的衡算以下計算過程都以1甲苯為參照，時間取1h 為基準。并結(jié)合物料流程示意圖對各點進行了詳細計算。3.2.2.1 全過程的物料衡算 反應(yīng)過程中N2的量始終不變，新鮮氫氣中氫氣的含量R93%（）和尾氣中的氫氣含量 55%（）都可以測到。所以過程的衡算就以N2為基準，甲苯取原材料中的優(yōu)級品。設(shè)與1甲苯反應(yīng)需要氫氣的量為N ；反應(yīng)進氣中N2的量：尾氣中N2的量：即 = (3-3)整理得：代入數(shù)據(jù)得：純甲苯的物料流量為4.2120,氫氣的流量應(yīng)為13.8996.3.2.2.2 參照物料流程圖，對各控制點的物料衡算（1）. 反應(yīng)器入口氣的組成（%）（3點） 進口氣中甲苯的流量：4.2120;烴類雜質(zhì)流量：4.2120/99.7%0.3% = 0.0127;進氣中氫氣的流量：4.21203.3 = 13.8996;進氣中氮氣的流量：4.2120/21.97%5.46% = 1.0468;反應(yīng)器入口氣總的流量：4.2120+0.0127+13.8996+1.0468 =19.1711;y3,甲苯 =4.2120/19.1711100% = 21.97%;y3,氫氣 =13.8996/19.1711100% = 72.5%;y3,氮氣 =1.0468/19.1711100% = 5.46%;y 3,雜質(zhì) =0.0127/19.1711100% = 0.066%;反應(yīng)器入口氣組成列表如下：表 3-1 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%() 21.9772.55.460.066100（2）.反應(yīng)器出口氣組成 （%）(4,7點)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：4.2120;剩余氫氣的流量：1.2635;氮氣的流量：1.0468;烴雜質(zhì)的流量：0.0127;反應(yīng)器出口氣總量：4.2120+1.2635+1.0468+0.0127 = 6.535y4,甲環(huán) = y7,甲環(huán)=4.2120/6.535100% = 64.45%;y4,氫氣 = y7,氫氣= 1.2635/6.535100% = 19.33;y4,氮氣 = y7,氮氣=1.0468/6.535100% = 16.48%;y4,雜質(zhì) = y7,雜質(zhì)=0.0127/6.535100% = 0.19%反應(yīng)器出口氣組成見表（3-2）：表 3-2 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%（）64.4519.3316.480.19100（3）甲苯入氣化器的組成 （%）(1,2,8點) 甲苯流量：4.2120; 烴類雜質(zhì)的流量：0.0127; 甲苯原料氣總量：4.2120+0.0127 = 4.2247; y1,甲苯 = y2,甲苯= y8,甲苯 = 4.2120/4.2247100% = 99.7%; y1,雜質(zhì) = y2,雜質(zhì)= y8,雜質(zhì) = 0.0127/4.2120100% = 0.3%;甲苯入汽化器組成見表（3-3）：表 3-3 原料甲苯的組成組成甲苯雜質(zhì)合計%（） 99.7 0.3100（4）.氫氣入氣化器的組成 （%）(5,6點) 氫氣流量：13.8996; 氮氣流量：1.0468; 氫氣源料氣總流量：13.8996+1.0468 = 14.9464; y5,氫氣 = y6,氫氣= 13.8996/14.9464100% = 93%; y5,氮氣 = y6,氮氣= 1.0468/14.9464100% = 7%;氫氣入汽化器組成見表（3-4）：表 3-4 原料氣氫氣的組成組成氫氣氮氣合計 %（） 93 7 100（5）.尾氣的物料組成 （%）(9點) 氫氣的流量：1.2635; 氮氣的流量：1.0468;尾氣物料總流量：1.2635+1.0468 = 2.3103; y9,氫氣 =1.2635/2.3103100% = 54.69%; y9,氮氣 =1.0468/2.3103100% = 44.31%尾氣組成見表（3-5）：表 3-5 尾氣的成分組成氫氣氮氣合計%()54.6944.31100 各控制點物料組成及摩爾百分含量總表見附圖13.3 能量衡算 能量的消耗是化工生產(chǎn)中的一項重要指標。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)計和操作制度是否先進的主要指標之一。在物料衡算之后，工藝過程涉及能耗時必須進行能量衡算。能量衡算的理論依據(jù)是熱力學第一定律，即能量守衡定律： (3-4)即 輸入 = 輸出 + 損失對于某些單元設(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 (3-5)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，對系統(tǒng)中幾個重要設(shè)備進行能量衡算?；芈分杏蓄A(yù)熱器、氣化器、加氫反應(yīng)器、換熱器、冷凝器等。預(yù)熱器開始對以上提到的設(shè)備進行能量衡算。3.3.1 預(yù)熱器能量衡算 能量衡算示意圖（3-2）： 圖 3-2熱平衡式： Q1 + Q3 = Q2 + Q4 （3-6）查化學工業(yè)出版社出版的化學工程手冊_化工基礎(chǔ)數(shù)據(jù)第一篇得以下數(shù)據(jù)：Hr,H2O,179 = 481.6 = 36.41Cp,甲苯,25 = 0.41 = 0.169Cp,甲苯,130 = 0.52 = 0.214Q1, Q2 為潛熱，Q3, Q4為顯熱；Q1 - Q2 = NH2O Hr,H2O,179 Q3 = N甲苯 Cp,甲苯,25T1Q4 = 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 = 3.1363.3.2 汽化器熱量衡算能量衡算示意圖(3-3)：圖 3-3熱平衡式： Q1 + Q3 + Q5 = Q2 + Q4 + Q6 （3-7）查化學工業(yè)出版社出版的化學工程手冊_化工基礎(chǔ)數(shù)據(jù)第一篇得以下數(shù)據(jù)：Hr,H2O,230 = 900= 68.04 Cp,H2,130 =3.50= 0.0294Cp,H2,180 = 3.55= 0.0298 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=.8 Q2= NH2Cp,H2,180 T2=.7Q1 - 氫氣進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參考化學工業(yè)出版社出版的化學工程手冊_化工基礎(chǔ)數(shù)據(jù)中的kirchhoff法： （3-8） （3-9）式中 Pvp-在T溫度下的蒸汽壓，mmHg；Tb - 常壓下的沸點，K；Tc - 臨界溫度，K；Pc - 臨界壓力，atm通過kirchhoff法判斷，甲苯在150汽化，甲苯放出的熱量通過設(shè)定下面的過程圖（3-4）來求?。簣D 3-4查1980年化學工業(yè)出版社出版的化工工藝設(shè)計手冊第一篇，上冊得以下數(shù)據(jù)：Hv,甲苯,150 =80 = 33.0 Cp,甲苯,130,l =0.52 Cp,甲苯,150,l =0.54 Cp,甲苯,150,g =35.5 = 0.149 Cp,甲苯,180,g = 36 = 0.151 由圖中可知：H4 = H1+H2+H3 （3-10）H1 = Cp,甲苯,150,l T2 + Cp,甲苯,130,l T1 = 5.53 H2 = Hv,甲苯,150 = 33.0 H3 = Cp,甲苯,180,g T3 + Cp,甲苯,150,gT2 = 4.83 H4 = H1+H2+H3 = 43.36 由熱平衡式變換得：Q5Q6 = Q4 -Q3 +Q2Q1 （3-11）即： NH2OHr,H2O,230 = N甲苯H4 +Q2Q1 （3-12）NH2O- 汽化器中用來預(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 =5.883.3.3 反應(yīng)器熱量衡算 能量衡算示意圖(3-5)： 圖 3-5首先 ： 查1980年化學工業(yè)出版社出版的化工工藝設(shè)計手冊第一篇，上冊得以下數(shù)據(jù)：Cp,甲苯,200,g =39 Cp,甲苯,180,g =36 Cp,氫氣,200 =3.54Cp,氫氣,180 =3.51Cp,氮氣,200 =0.254 Cp,氮氣,180 =0.251 甲苯吸熱: H1= Cp,甲苯,200,g T2 Cp,甲苯,180,g T1 氫氣吸熱：H2= Cp,氫氣,200 T2 Cp,氫氣,180 T1 氮氣吸熱：H3= Cp,氮氣,200 T2 Cp,氮氣,180 T1T1- 混合氣進入反應(yīng)器前的溫度，180T2- 混合氣進入反應(yīng)器后的溫度，200混合氣吸熱總量：Q = N甲苯H1+ N氫氣H2+ N氮氣H3 （3-13） 代入數(shù)據(jù)得：Q =3.315104 kJ來自外界預(yù)熱蒸汽所需的量如圖（3-6）所示：圖 3-6查得：Cp,H2O,g = 37.207 Cp,H2O, 100,l = 75.88Cp,H2O, 179,l = 76.356 H2 = Cp,H2O,g (T2 - T1)H3 = Hvap = 40.36 H4 = 1/2(Cp,H2O, 100,l + Cp,H2O, 179,l)(T3 T2) （3-14） H1 = H2 + H3 - H4 代入數(shù)據(jù)算得： H1 =60.02 預(yù)熱蒸汽所放出的熱量等于混合氣吸收的熱量即 Q = N蒸汽H1N蒸汽- 反應(yīng)器中用來預(yù)熱的蒸汽的量，；Q - 混合氣由180變?yōu)?00時所要吸收的熱量，KJ。代入數(shù)據(jù)算得 N蒸汽 = 8.425反應(yīng)熱： （3-15） 標準摩爾反應(yīng)焓： （3-16） （3-17）反應(yīng)過程的焓值可用圖（3-7）示意 圖 3-7H = -H1 -H2+H3+H4-H5 （3-18） H = rHm = 240.29 H1 = Hvap,25 =37.647 H2 = Cp,甲苯,200,g T2 Cp,甲苯,25,g T1H4 = Cp,甲環(huán),200,g T2 Cp,甲環(huán),25,g T1H5 =35.383 T1 - 25T2 - 200算得 ：H3 =294.363 反應(yīng)總放熱：Q放 = N甲苯H3 =1.2399106 KJ付產(chǎn)蒸汽的量：水的焓值如下圖（3-8）所示： 圖 3-8 H3 = H1+H2 (3-19)查得： = 1.002 = 1.055 (3-20)H2 = = 481.6 - 由80到179的溫度差 計算得： H3 = 44.63又反應(yīng)放出的熱量全部用來付產(chǎn)蒸汽即 Q放 = N熱水H3Q放- 反應(yīng)放出總的熱量，KJ；N熱水- 付產(chǎn)蒸汽的量，kmol。N熱水 =27.78 kmolws = 500.04 kg/h3.3.4 換熱器的熱量衡算熱量衡算示意圖(3-9)：冷凝器Q3，TQ4加氫反應(yīng)氣Q1，200加氫反應(yīng)氣氫氣 T氫氣 25Q2 圖 3-9在換熱器中，反應(yīng)氣中的甲基環(huán)已烷有部份冷凝，但是考慮到其相對量很小，所以計算中忽略。查高等教育出版社出版的化工過程的物料衡算和能量衡算 李應(yīng)麟 尹其光 編得以下數(shù)據(jù): 化合物的熱熔： （3-21）化合物 a b102 c105 d109 H2 28.84 0.00765 0.3288 -0.8698 N2 29.00 0.2199 0.5723 -2.871甲基環(huán)已烷 121.3 56.53 -37.72 100.8熱平衡式： （3-22） （3-23）NH2 - 新鮮進氣中氫氣的物質(zhì)的量，kmol；NN2 -新鮮進氣中氮氣的物質(zhì)的量，kmol；NH2 - 加氫反應(yīng)氣中氫氣的物質(zhì)的量，kmol；NN2 - 加氫反應(yīng)氣中氮氣的物質(zhì)的量，kmol；N甲環(huán) - 加氫反應(yīng)氣中甲基環(huán)已烷的物質(zhì)的量，kmol；dT- 指溫度由25上升到T；dT- 指溫度由200下降到T代入數(shù)據(jù)可算出： T = 1303.3.5 冷凝器的能量衡算冷凝器能量衡算示意圖見圖（3-10）：冷凝器H2，N2（g）130H2O（l）40H2O（l）33甲基環(huán)己烷（l）45甲基環(huán)己烷（g）130H2，N2（g）45圖 3-10kirchhoff法： 式中 Pvp- 在T溫度下的蒸汽壓，mmHg;Tb - 常壓下的沸點，K;Tc - 臨界溫度，K;Pc - 臨界壓力，atm查1980年化學工業(yè)出版社出版的化工工藝設(shè)計手冊第一篇，上冊 知甲基環(huán)已烷的關(guān)物性常數(shù)：Tb= 374.1K Tc= 572.1K Pc = 34.3atm進一步算出：Pvp = 7.02atmPvpr = 0.205Tbr = 0.654 = 6.68 ,由以上數(shù)據(jù)可得：T = 461.4K=188.25即甲基環(huán)已烷在7.02atm下的汽化溫度為188.25，反過來在同樣的條件下，溫度下也會液化。又 Hr(甲環(huán)，374.1K) =31.248 KJ/mol由蒸發(fā)潛熱與溫度的關(guān)系： （3-24） HV1- 正常沸點下蒸發(fā)潛熱，KJ/mol； HV2- T2溫度下蒸發(fā)潛熱，KJ/mol； （3-25） （3-26）由T2 = 461.4K 代入可得： HV2 = 24.88 KJ/mol甲基環(huán)已烷冷凝放熱過程示意見下圖（3-11）：甲苯130（g）甲苯42（l）甲苯188（g）甲苯188（l）圖 3-11H1 = H2 + H3 + H4 (3-27)查1980年化學工業(yè)出版社出版的化工工藝設(shè)計手冊第一篇，上冊得以下數(shù)據(jù)：Cp,甲環(huán),130,g = 45 Cp,甲環(huán),180,g = 51 H2 = Cp,甲環(huán),180,gT2 + Cp,甲環(huán),180,gT1H3 = 24.88 H4 = Cp,甲環(huán)dTT1 - 130T2- 180dT - 指溫度由180下降到42代入得：H1 = 53.69 KJ/mol甲基環(huán)已烷冷卻放熱：Q 1= N甲環(huán)H1=2.26105 KJ不凝氣放熱:Cp,H2,130 = 30.24 Cp,H2,42 = 29.4Cp,N2,130 = 0.255 Cp,N2,42 = 0.250 氫氣：氮氣： T1- 45 T2- 130代入數(shù)據(jù)得： Q 2= 3.42103 KJ Q 3= 2.78103 KJ此過程共放熱：Q = Q 1 + Q 2 + Q 3= 286.2103 KJ循環(huán)水吸熱： (3-28) T- 循環(huán)冷卻水進出水溫度差，由 Q = Q得 NH2O =450.96 kmol 故循環(huán)冷卻水的質(zhì)量流量為： 8117.2kg/h第四章 主要設(shè)備的工藝計算 本設(shè)計中我們就工藝過程中主要設(shè)備進行工藝計算，下面就選反應(yīng)器、換熱器來進行計算。4.1 反應(yīng)器4.1.1 催化劑的體積 空速：0.6h-1,以1小時為基準；甲苯：4.212 kmol/h；Ws = 4.21292.1kg/h = 387.925kg/h；Vs =290.944kg/h866.5kg/m=