3 物料衡算和熱量衡算

1、3 物料衡算和熱量衡算3.1計(jì)算基準(zhǔn)年產(chǎn)4500噸的二氯甲烷氯化吸收，年工作日330天，每天工作24小時(shí)，每小時(shí)產(chǎn)二氯甲烷：4500×103330×24=568.18kg/h3.2物料衡算和熱量衡算3.2.1反應(yīng)器的物料衡算和熱量衡算本反應(yīng)為強(qiáng)放熱反應(yīng)，如不控制反應(yīng)熱并移走，溫度會(huì)急劇升高，產(chǎn)生強(qiáng)烈的燃燒反應(yīng)，是氯化物發(fā)生裂解反應(yīng)。由此可以通過(guò)加入過(guò)量的甲烷得到循環(huán)氣，以之作為稀釋劑移走反應(yīng)熱。（一） 計(jì)算依據(jù)（1） 二氯甲烷產(chǎn)量為：568.18 kg/h，即：6.69 kmol/h；（2） 原料組成含: Cl2 96%，CH495%；（3） 進(jìn)反應(yīng)器的原料配比（摩爾比）:

2、 Cl2：CH4：循環(huán)氣=1：0.68：3.0（4） 出反應(yīng)器的比例: CH2Cl2：CHCl3=1：0.5（質(zhì)量比）(CHCl3+CCl4)/CH2Cl2=0.38（摩爾比）；（5） 操作壓力: 0.08MPa（表壓）；（6） 反應(yīng)器進(jìn)口氣體溫度 25oC，出口溫度420oC。反應(yīng)器（二） 物料衡算 CH3ClCl2 CH2Cl2 CHCl3 CH4 CCl4 HCl 假設(shè)循環(huán)氣不參與反應(yīng)，只起到帶走熱量的作用。則設(shè)進(jìn)口甲烷為X kmol/h，出反應(yīng)器的一氯甲烷 Y kmol/h，氯化氫 Z kmol/h。由進(jìn)反應(yīng)器的原料配比（摩爾比） Cl2：CH4：循環(huán)氣=1：0.68：3.0原料組成含

3、: Cl2 96%，CH495%?？芍篊l296%X95%=10.68 得進(jìn)口Cl2為1.48X kmol/h由 CH2Cl2：CHCl3=1：0.5（質(zhì)量比）可得 CHCl3每小時(shí)產(chǎn)量為：568.18×0.5/119.5=2.38kmol/h由 (CHCl3+CCl4)/CH2Cl2=0.38（摩爾比）可得 CCl4的量為 0.38×6.692.38=0.162kmol/h用元素守衡法則： Cl元素守衡 2.96X=Y+6.69×2+2.38×3+0.162×4+Z H 元素守衡 4X=3Y+6.69×2+2.38+Z C 元素守

4、衡 X=Y+6.69+2.38+0.162 解方程得X=24.87kmol/hY=15.64kmol/hZ=36.81kmol/h（1）所以反應(yīng)器進(jìn)口原料中各組分的流量：Cl2: 24.87×1.48=36.81kmol/h=824.49Nm3/h （純） 36.81/0.96=38.34kmol/h=865.82Nm3/h （含雜質(zhì)）CH4: 24.87kmol/h=557.09Nm3/h （純） 24.87/0.95=26.18kmol/h=585.79Nm3/h （含雜質(zhì)）循環(huán)氣流量：3×38.34=115.02 kmol/h=2576.45 Nm3/h 其中：CH3

5、Cl：15.64 kmol/h N2：38.34×4%26.18×3%=2.319 kmol/h CO2：26.18×2%=0.524 kmol/h CH4：115.0215.642.3190.524=96.54 kmol/h進(jìn)口氣體總量： 38.3426.1896.54=161.06 kmol/h（2）反應(yīng)器出口中各組分流量：CH3Cl：15.64 kmol/hCH2Cl2：6.69 kmol/hCHCl3 ：2.38 kmol/hCCl4： 0.162 kmol/h HCl： 36.81 kmol/h循環(huán)氣：115.02 kmol/h 出口氣體總量：115.0

6、236.810.1622.386.69=161.06 kmol/h（3）出口氣體中各組分的含量： CH3Cl： 15.64/161.06×100%=9.65%CH2Cl2：6.69/161.06×100%=4.15%CHCl3： 2.38/161.06×100%=1.48% CCl4： 0.162/161.06×100%=0.10% HCl： 36.81/161.06×100%=22.85% N2： 2.319/161.06×100%=1.44% CO2： 0.524/161.06×100%=0.33% CH4： 96.54

7、/161.06×100%=59.94%表31反應(yīng)器物料平衡組分反應(yīng)器進(jìn)口反應(yīng)器出口kmol/h組成%（mol）kg/hkmol/h組成%（mol）kg/hCH4121.4175.381942.5696.5459.941544.64Cl236.8122.852513.51CH3Cl15.649.65789.82CH2Cl26.694.15568.65CHCl32.381.48284.41CCl40.1620.1024.95HCl36.8122.851343.57N22.3191.44106.672.3191.44106.67CO20.5240.3323.070.5240.3323.06

8、總計(jì)161.061004685.80161.061004685.80（三） 熱量衡算以25為基準(zhǔn)溫度由氯堿工業(yè)理化常數(shù)手冊(cè)查得如下數(shù)據(jù)：表32 反應(yīng)物料標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓fHm/（kJ/mol）物質(zhì)輸入輸出CH4Cl2CO2CH3ClCH2Cl2CHCl3CCl4HCln(kmol)24.8736.810.52415.646.692.380.16236.81fHm-74.810-393.51-81.92-87.86-100-106.76-92.3fHm=生成物nfHm反應(yīng)物nfHm=3.455×106 kJ420時(shí)，由氯堿工業(yè)理化常數(shù)手冊(cè)查得如下數(shù)據(jù)：表33生成物的標(biāo)準(zhǔn)摩爾定壓熱容Cp,

9、m/(JK-1mol-1)物質(zhì)CH3ClCH2Cl2CHCl3CCl4HClN2CO2n(kmol)15.646.692.380.16236.812.3190.524Cp,m66.0745.97588.28798.88729.9630.6552.27t = 42025=395輸出焓：輸出H = n Cp,mt = 1.093×106 kJ輸入焓：輸入H = 0則放出的熱量：Q放出=fHm+輸出H+輸入H=2.362×106 kJ 222.5時(shí)，由氯堿工業(yè)理化常數(shù)手冊(cè)查得如下數(shù)據(jù)：表34 循環(huán)氣各物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)摩爾定壓熱容Cp,m/(JK-1mol-1)物質(zhì)CH4CH3ClN2C

10、O2n(kmol)96.5415.642.3190.524Cp,m49.6254.8330.8153.43循環(huán)氣帶出熱量：Q帶出=n Cp,mt=2.27×106 kJ考慮4%熱損失，則2.362×106×（1-4%）=2.27則Q放出= Q帶出循環(huán)氣能帶走的熱量恰好為反應(yīng)氣放出的熱量，是反應(yīng)溫度保持在420左右可以維持反應(yīng)順利進(jìn)行。3.2.2空冷器的物料衡算和熱量衡算由于氣體溫度太高，直接進(jìn)入吸收器不利于氯化氫氣體的吸收。因此，先用空冷器冷卻降溫，以保證吸收的順利進(jìn)行。（一） 計(jì)算依據(jù)：進(jìn)口氣體溫度為420，組成和流量與反應(yīng)器出口相同。出口氣體溫度為80，操作壓

11、力為0.06MPa（表壓）。（二） 熱量衡算：定性溫度t=(420+80)/2=250250時(shí)，由氯堿工業(yè)理化常數(shù)手冊(cè)查得如下數(shù)據(jù)：表35生成物的標(biāo)準(zhǔn)摩爾定壓熱容Cp,m/(JK-1mol-1)物質(zhì)CH3ClCH2Cl2CHCl3CCl4HClN2CO2CH4n(kmol)15.646.692.380.16236.812.3190.52496.54Cp,m56.36169.63981.92096.55829.29329.61145.0647.752熱負(fù)荷 Q=n Cp,mt=2.50×106 kJ3.2.3模式吸收器的物料衡算和熱量衡算本次設(shè)計(jì)用兩個(gè)石墨降膜吸收器串聯(lián)吸收，氣體經(jīng)一膜

12、吸收后再經(jīng)二膜吸收，吸收劑水先經(jīng)二膜吸收成稀酸再去一膜吸收成高濃度酸。兩膜吸收劑用量相同，惰性氣體流量也相同，因此液氣比L/V也相同。（一） 第一膜式吸收器（1） 計(jì)算依據(jù)1、 一膜進(jìn)口氣體中氯化氫含量22.85%（摩爾），出口氣體氯化氫含量8%，二膜出口氣體氯化氫含量0.6%；2、 一膜進(jìn)口氣體溫度80，出口氣體溫度70，二膜出口氣體溫度60；3、 吸收水溫度42；4、 進(jìn)口氣體組成同反應(yīng)器出口；5、 操作壓力0.6MPa（表壓）；6、 一膜出口酸濃度28%（質(zhì)量），即16%（摩爾）；7、 冷卻水進(jìn)口溫度25。（2） 物料衡算由一膜出口氣體氯化氫含量8%可知一膜出口氣體總量為135.05 k

13、mol/h，含氯化氫10.80 kmol/h由二膜出口氣體氯化氫含量0.6%可知二膜出口氣體總量為125.00 kmol/h，含氯化氫0.75 kmol/h總共反應(yīng)掉氯化氫量為36.06 kmol/h由一膜出口酸濃度16%（摩爾）則二膜出口酸濃度為5.04%對(duì)并流高濃度氣體吸收操作線方程為：V(Y1Y2)L(X1X2)即：V(y11-y1-y21-y2)=L(x11-x1-x21-x2)LV=y11-y1-y21-y2x11-x1-x21-x2已知：V=161.06-36.81=124.25 kmol/hx1=0.16 x2=0.0504 y1=0.2285 y2=0.08 則，需要的吸收劑用

14、量：L=189.19kmol/h 吸收劑的單位耗用量：l=L/V=189.19/（161.0636.81）=1.52 副產(chǎn)物鹽酸的量：L0=V0(y1-y2)/(x1-x2)=161.06×（0.22850.006）/0.16=223.97 kmol/h 第一膜式吸收器吸收氯化氫氣體量：36.8110.8026.01 kmol/h剩余氣體總量：161.0626.01135.05kmol/h 出口氣體中各組分的含量：CH3Cl： 15.64/135.05×100%=11.58%CH2Cl2：6.69/135.05×100%=4.95%CHCl3： 2.38/135.

15、05×100%=1.76%CCl4： 0.162/135.05×100%=0.12%HCl： 10.80/135.05×100%=8.00%N2： 2.319/135.05×100%=1.72%CO2： 0.524/135.05×100%=0.39%CH4： 96.54/135.05×100%=71.48%表36第一膜式吸收器出口物料平衡組分第一模式吸收器出口kmol/h組成%（mol）CH496.5471.48CH3Cl15.6411.58CH2Cl26.694.95CHCl32.381.76CCl40.1620.12HCl10.8

16、08.00N22.3191.72CO20.5240.39總計(jì)135.05100（3） 熱量衡算定性溫度t=(70+80)/2=7575時(shí)，由氯堿工業(yè)理化常數(shù)手冊(cè)查得如下數(shù)據(jù)：表37第一膜式吸收器出口氣體的標(biāo)準(zhǔn)摩爾定壓熱容Cp,m/(JK-1mol-1)物質(zhì)CH3ClCH2Cl2CHCl3CCl4HClN2CO2CH4n(kmol)15.646.692.380.16210.802.3190.52496.54Cp,m44.5556.1171.2588.9328.8628.7738.3237.21Q=n Cp,mt=0.05×106 kJ42時(shí)，氯化氫溶解成16%的鹽酸溶解熱H=9172.

17、65kJ/kmolQ溶解= L0H=2.05×106kJQ總= QQ溶解=2.10×106kJ 假設(shè)冷卻水溫升8，則冷卻水耗用量：Cp,m,水=75.291kJ/kmol·K）W水= Q總/Cp,m,水/83.49×103 kmol（二） 第二膜式吸收器（1） 計(jì)算依據(jù)1、 進(jìn)口氣體組成同一膜出口氣體組成；2、 進(jìn)口氣體溫度70，出口氣體溫度60；3、 出口酸濃度5.04%；4、 吸收水溫42，冷卻水溫度33；5、 操作壓力0.036MPa(表壓)。（2） 物料衡算需要吸收劑的量與一膜相同L=189.19kmol/h得到稀酸的量L0=V0(y1-y2)/

18、(x1-x2)= 135.05（0.08-0.006）/0.0504=198.29 kmol/h吸收劑單位耗用量l=L/V=1.52被吸收的氯化氫氣體量：10. 800.75=10.05 kmol/h剩余氣體總量：135.0510.05=125.00 kmol/h出口氣體中各組分的含量：CH3Cl： 15.64/125.00×100%=12.51%CH2Cl2：6.69/125.00×100%=5.35%CHCl3： 2.38/125.00×100%=1.90%CCl4： 0.162/125.00×100%=0.13%HCl： 0.75/125.00&#

19、215;100%=0.60%N2： 2.319/125.00×100%=1.86%CO2： 0.524/125.00×100%=0.42%CH4： 96.54/125.00×100%=77.23%表38第二膜式吸收器出口物料平衡組分第二膜式吸收器吸收器出口kmol/h組成%（mol）CH496.5477.23CH3Cl15.6412.51CH2Cl26.695.35CHCl32.381.90CCl40.1620.13HCl0.750.60N22.3191.86CO20.5240.42總計(jì)125.00100（3） 熱量衡算定性溫度t=(70+60)/2=6565時(shí)，

20、由氯堿工業(yè)理化常數(shù)手冊(cè)查得如下數(shù)據(jù)：表39第二膜式吸收器出口氣體的標(biāo)準(zhǔn)摩爾定壓熱容Cp,m/(JK-1mol-1)物質(zhì)CH3ClCH2Cl2CHCl3CCl4HClN2CO2CH4n(kmol)15.646.692.380.1620.752.3190.52496.54Cp,m43.8755.4970.8187.9928.5028.4638.2237.05Q=n Cp,mt=0.05×106 kJ42時(shí)，氯化氫溶解成5.04%的鹽酸溶解熱H=3303.18kJ/kmolQ溶解= L0H=0.65×106kJQ總= QQ溶解=0.7×106kJ從一膜出來(lái)的冷卻水逆流進(jìn)

21、入二膜，進(jìn)口溫度33其升溫t= 0.7×106/（75.291×3.49×103）=2.66出口水溫：33+2.66=35.663.2.4 中和塔（填料塔）（一）計(jì)算依據(jù)（1）進(jìn)塔氣體組成同二膜出口氣體組成；（2）用20、15%的稀氫氧化鈉溶液吸收，出塔堿濃度4%（質(zhì)量）；（3）出塔氣體溫度60；（4）出口氣體中無(wú)氯化氫和二氧化碳?xì)怏w。（二）物料衡算入塔氣體摩爾流量：Wv=125.00 kmol/h惰性氣體摩爾流量：G0=125.000.750.524=123.73 kmol/h平均分子量M=50.5×12.51%85×5.35%119.5×1.90%154×0.13%36.5×0.60%28×1.86%44×0.42%16×77.23% =26.