【乙苯的工藝設(shè)計(jì)及相關(guān)計(jì)算案例綜述3800字】

乙苯的工藝設(shè)計(jì)及相關(guān)計(jì)算案例綜述1化工設(shè)計(jì)圖2.工藝計(jì)算書(shū)2.1計(jì)算條件及基準(zhǔn)設(shè)計(jì)條件一年工作日按300天計(jì)，一天以24小時(shí)計(jì)；苯單耗0.80噸(純)/噸乙苯；精苯（原料苯）組成（質(zhì)量%）：苯99.00%；甲苯0.95%；水0.05%；乙烯一次轉(zhuǎn)化率100%（生成乙苯75.8%、二乙苯4.00%、三乙苯及樹(shù)脂等2.50%）；機(jī)械損失1.5%；原料乙烯組成（mol%）：C2H4=95.00%、CH4=1.60%、C3H8=1.00%;催化劑絡(luò)合物組成（質(zhì)量%）：AlCl3=25.00%、二乙苯51.70%、三乙苯23.30%；AlCl3添加量為0.03噸/噸乙苯循環(huán)的AlCl3絡(luò)合物量為0.35噸/噸乙苯;烴化塔操作溫度95℃,操作壓力1.3atm,為簡(jiǎn)化計(jì)算,設(shè):甲苯不參加反應(yīng);乙苯以上按三乙苯計(jì);新AlCl3絡(luò)合物與循環(huán)絡(luò)合物組成相同。冷凝器操作壓力1.3atm,尾氣在40℃下冷凝;進(jìn)料溫度：精苯及原料氣25℃循環(huán)苯25℃；新AlCl3絡(luò)合物65℃循環(huán)絡(luò)合物65℃回流苯40℃乙苯純度99.50%(質(zhì)量%),尾氣及其它損失的乙苯為產(chǎn)量的1%;烷基化反應(yīng)器頂部蒸出的芳烴中苯占70%、甲苯占20%、乙苯占10%(質(zhì)量%);熱損失為輸出熱的(5~10%);氣體空塔速度W=0.1m/s;反應(yīng)器生產(chǎn)強(qiáng)度為153kg~170kg/(m3.h)。用于吸收塔頂(烴化塔)尾氣中的苯的二乙苯量為600kg/h,溫度為25℃,該二乙苯溢流后進(jìn)入烷基化液中。2.2物料衡算2.2.1物料平衡示意圖過(guò)程的化學(xué)反應(yīng)方程式主反應(yīng):C6H6+C2H4→C6H5C2H5+Q副反應(yīng):C6H5C2H5+C2H4→C6H4(C2H5)2+QC6H4(C2H5)2+C6H6→2C6H5C2H5+Q計(jì)算基準(zhǔn):以每小時(shí)生產(chǎn)乙苯量為基準(zhǔn)(純乙苯)10000×1000÷(300×24)=1388.89kg/h因損失的乙苯量為產(chǎn)量的1%則反應(yīng)生成的乙苯量為:1388.89÷(1-1%)=1402.92kg/h原料乙烯氣進(jìn)料量的計(jì)算乙烯理論消耗量為1402.92×M乙烯÷M乙苯=1402.92×28÷106=370.583kg/h乙烯實(shí)際消耗量為：370.583÷91%=407.234kg/h乙烯在生成物中的分配量為：用于乙苯的量：407.234×91%=370.583kg/h用于二乙苯的量：407.234×4%=16.29kg/h用于三乙苯的量：407.234×2.5%=10.180kg/h總損失量為：407.234×2.5%=10.180kg/h合計(jì):407.234kg/h將原料乙烯氣的mol%換算成質(zhì)量%如下:表2-1原料乙烯氣的換算組分C2H4CH4C2H6C3H8合計(jì)Mol%95.001.602.401.00100質(zhì)量%94.9460.912,571.57100如C2H4（質(zhì)量%）=0.9500×28÷(0.9500×28+0.0160×16+0.0240×30+0.010×44)=94.946%原料乙烯氣總質(zhì)量為：407.234÷94.946%=428.911kg/h其中：C2H4為：428.91×94.946%=407.232kg/hCH4為：428.91×0.91%=3.903kg/hC2H6為：428.91×2.57%=11.022kg/hC3H8為：428.91×1.57%=6.733kg/h原料新鮮苯量的計(jì)算原料新鮮苯量:因苯單耗為0.80噸/噸乙苯計(jì)(純)故原料新鮮苯量為:0.80×1402.92÷0.99=1133.673kg/h其中:純苯為1133.673×99%=1122.24kg/h甲苯為1133.673×0.95%=10.769kg/h水為1133.673×0.05%=0.5668kg/h合計(jì)：1133.673kg/h原料新鮮苯中苯量的分配為:用于生產(chǎn)乙苯的苯量為370.583÷28×78=1032.238kg/h用于生產(chǎn)二乙苯的苯量為16.289÷28×0.5×78=22.688kg/h用于生產(chǎn)三乙苯的苯量為10.181÷28÷3×78=9.454kg/h合計(jì):1064.478kg/h苯損失量(包括尾氣中的損失)為:1122.234-1064.478=57.856kg/h生成的產(chǎn)物量為:生成乙苯為:370.582÷28×106=1402.918kg/h生成二乙苯為:16.289÷28×0.5×134=38.977kg/h生成三乙苯為:10.181÷28÷3×162=19.635kg/h合計(jì):1461.530kg/h循環(huán)苯量的計(jì)算進(jìn)入反應(yīng)器的苯量(不包括回流苯)因苯的單程轉(zhuǎn)化率為35%,故進(jìn)入烷基化反應(yīng)器的苯量為:1064.478÷35%=3041.366kg/h循環(huán)苯量為:3041.366-1122.234=1919.032kg/h新鮮絡(luò)合物用量的計(jì)算因添加新鮮AlCl3量為0.03噸/噸乙苯,所以新鮮絡(luò)合物量為:0.03×1402.918÷0.25=168.350kg/h由絡(luò)合物組成:AlCl3=25.00%、二乙苯=51.70%、多乙苯=23.30%得:新鮮絡(luò)合物中各物質(zhì)的量為：AlCl3為：168.350×25.00%=42.088kg/h二乙苯為：168.350×51.70%=87.037kg/h多乙苯為：168.350×23.30%=39.226kg/h合計(jì)：168.350kg/h循環(huán)絡(luò)合物量的計(jì)算因循環(huán)AlCl3絡(luò)合物量為0.35噸/噸乙苯,故循環(huán)AlCl3絡(luò)合物量為:0.35×1402.918=491.021kg/h其中:AlCl3為；491.021×25.00%=122.755kg/h二乙苯為;491.021×51.70%=253.858kg/h多乙苯為:491.021×23.30%=114.408kg/h合計(jì):491.021kg/h尾氣(冷凝器出口)量的計(jì)算尾氣中的乙烯量因尾氣中的乙烯損失量為1%，故尾氣中的乙烯量為:407.233×0.01=4.072kg/h尾氣中的惰性氣體量因原料C2H4中帶入的CH4、C2H6、C3H8不參加反應(yīng)則尾氣中各組分的量為:表2-2各組分的量組分C2H4CH4C2H6C3H8合計(jì)質(zhì)量%4.0723.90311.0236.73425.732Mol%0.14540.24390.36740.15300.9097尾氣中夾帶的HCl的計(jì)算假定由原料新鮮苯中帶入的水與三氯化鋁反應(yīng)生HCl全部跑到尾氣中去，因：3H2O(l)+AlCl3=Al(OH)+3HCl(g)3×18133.5783×36.50.567zyx設(shè)生成HCl為xkg、Al(OH)3為ykg、消耗AlCl3為zkg，則：生成的HCl量為：x=3×36.5×0.567÷(3×18)=1.150kg生成的Al(OH)3量為：y=78×0.567÷(3×18)=0.819kg消耗的AlCl3量為：z=133.5×0.567÷(3×18)=1.402kg尾氣中夾帶的苯、甲苯、乙苯量的計(jì)算（假定尾氣中不含二乙苯以上的烷基苯，尾氣中苯、甲苯、乙苯餾分達(dá)飽和量）由：（式中：PfD為苯、甲苯、乙苯的飽和蒸汽壓;P氣為除了苯、甲苯、乙苯以外氣體的分壓；n氣為除了苯、甲苯、乙苯以外的氣體的摩爾數(shù)；nfD為苯為摩爾數(shù)）尾氣中n氣量為:n氣=0.9097+0.567÷18=0.9412kmol由《化工工藝及計(jì)算》查得苯、甲苯、乙苯的安托因方程為苯:lnP=14.1603-2948.78÷(T-44.5633)(kPa)甲苯:lnP=14.2515-3242.28÷(T-47.1806)(kPa)乙苯:lnP=13.9698-3257.17÷(T-61.0096)(kPa)將T=40+273.15=313.15K代入上述三式可得苯、甲苯、乙苯的飽和蒸汽壓分別為:P苯=24.0810kPa=0.2377atm;P甲苯=7.8515kPa=0.0775atm;P乙苯=2.8626kPa=0.0283atm尾氣中帶走的苯量為:m苯=0.2339×78=18.2431kg同理可得尾氣中帶走的甲苯量為:n甲苯=0.0763kmol、m甲苯=0.0763×92=7.016kg尾氣中帶走的乙苯量為:n乙苯=0.0278kmol、m甲苯=0.0278×106=2.952kg尾氣的總質(zhì)量為:25.732+1.150+18.243+7.016+2.952=55.093kg將尾氣中各組分的量整理成如下表:表2-3尾氣中各組分的量組分C2H4CH4C2H6C3H8HCIC6H6C6H5CH3C6H5C2H5合計(jì)kg數(shù)4.0723.90311.0236.7341.15018.2437.0162.95255.093質(zhì)量%7.3917.08420.00812.2232.08733.11312.7355.358100.00kmol數(shù)0.14540.24390.36740.15300.03150.23390.07630.02781.2792mol%11.36619.06728.72111,9612.46218.2855.9652.173100.00烷基化液量的計(jì)算:烷基化液的總重量=循環(huán)苯+(產(chǎn)物乙苯-尾氣損失乙苯)+二乙苯(包括生成的+新鮮絡(luò)合物中的+循環(huán)絡(luò)合物中的)+三乙苯(生成的+新鮮絡(luò)合物中的+循環(huán)絡(luò)合物中的)+AlCl3[(新鮮絡(luò)合物+循環(huán)絡(luò)合物)-反應(yīng)掉的]+(新鮮原料苯中甲苯量-尾氣中甲苯量)+生成的Al(OH)3量=1919.032+(1402.918-2.952)+(38.977+87.037+253.858)+(19.635+39.266+114.408)+(42.088+122.755-1.402)+0.819+(10.770-7.016)=4040.153kg/h烷基化液經(jīng)沉降分離后,分離出三氯化鋁絡(luò)合物后苯、乙苯餾分量為:循環(huán)苯+(產(chǎn)物乙苯-尾氣帶走乙苯)+(生成二乙苯+生成三乙苯)+(甲苯-尾氣帶走甲苯)=1919.032+(1402.918-2.952)+(38.977+19.635)+(10.770-7.016)=3381.364kg/h排除的廢絡(luò)合物量的計(jì)算排除的廢絡(luò)合物量為:進(jìn)入系統(tǒng)的絡(luò)合物總量-循環(huán)絡(luò)合物量,即為:新鮮絡(luò)合物+循環(huán)絡(luò)合物量-反應(yīng)掉的三氯化鋁+生成的Al(OH)3量-循環(huán)絡(luò)合物量=168.350-1.402+0.819=167.767kg/h2.4熱量衡算烷基化反應(yīng)器工藝流程及溫度控制圖(見(jiàn)物料衡算)熱量平衡示意圖如下:選基準(zhǔn)溫度為25℃物料帶入熱的計(jì)算原料乙烯帶入熱Q1∵t1=25℃=t0∴Q1=0新鮮原料苯帶入熱Q2∵t2=25℃=t0∴Q2=0回流苯帶入熱Q3Q3=m33PC(t3-t0)式中恒壓平均熱容由苯、甲苯、乙苯三部分組成查得25~40℃上述三者的恒壓平均熱容分別為:1.65、1.69、1.75kJ/(kg.K),回流苯的組成分別為0.70、0.20、0.10,代入公式可得:Q3=25.02m3·kJ循環(huán)苯帶入熱Q4∵t4=25℃=t0∴Q4=0新鮮絡(luò)合物和循環(huán)絡(luò)合物帶入熱Q5+Q6Q5+Q6=[mAICI3cpAICI3+(m二乙苯+m多乙苯)cp二多乙苯](t5-t0)二乙苯、多乙苯以同樣的恒壓熱容處理,查得:AlCl3、二乙苯的恒壓熱容值分別為:3.35、2.03kJ/(kg.K)代入公式得:Q5+Q6=[(42.09+122.76)×3.35+(87.04+39.23+253.86+114.41)×2.03]×(65-25)=62293.51kJ烷基化反應(yīng)熱Q7(為便于計(jì)算烷基化反應(yīng)熱均按生成乙苯計(jì))=-12.47-52.26-48.66=-113.39kJ/mol乙苯=-1069.72kJ/kg乙苯(查得:乙烯、苯(液)、乙苯(液)的標(biāo)準(zhǔn)生成熱分別為:52.26、48.66、-12.47kJ/mol)Q7=1069.72(1402.918+38.977+19.635)=1563427.87kJ二乙苯帶入熱Q二乙苯=0所以物料帶入的熱Q入=∑Qi=1625721.38+24.9776m3kJ物料帶出熱的計(jì)算塔頂氣體帶出熱Q8(a.計(jì)甲苯b.不計(jì)甲苯)以下僅給出了a.計(jì)甲苯的情況查得尾氣中各氣體的cp=f(T)=a+b×10-3T+c×10-6T2+d×10-9T3中各系數(shù)如下:表2-4尾氣中各氣體系數(shù)組分abcdC2H43.803156.583.4317.54CH419.2452.09-11.97-11.31C2H65.406178.069.338.707C3H8-4.222306.1158.532.12C6H6-33.89474.0301,571.25C6H5CH3-24.34512.1276.449.08C6H5C2H5-43.07706.7480.7130.0HCI26.534.602-1.088T^2將平均溫度T=0.5×(95+25)+273.15=333.15K代入可得其混合氣體的平均恒壓摩爾熱容為:66.6117kJ/(kmol.K)Q8=n8cp(t8-t0)=1.28×66.62×(95-25)=5964.68kJ塔頂蒸發(fā)熱及蒸發(fā)的苯蒸氣出的熱Q9(包括尾氣中苯等的蒸發(fā)熱)(a.計(jì)甲苯,b.不計(jì)甲苯)表2-5苯、乙苯、甲苯正常沸點(diǎn)、正常沸點(diǎn)下的蒸發(fā)熱及臨界溫度組分ΔHvb(kJ/mol)tc℃tb℃ΔHv25℃(kJ/mol)苯30.78288.9580.0933.64乙苯35.59343.94136.2041.89甲苯33.21318.57110.6337.86根據(jù)松(Waston)公式計(jì)算25℃下的汽化潛熱列在上表中如苯：由瓦松公式（文獻(xiàn)值為33.85）Q9=(n尾苯+n回苯)[ΔH苯25℃+cp苯(t9-t0)]+(n尾甲苯+n回甲苯)[ΔH甲苯25℃(t9-t0)]+（n尾乙苯+n回乙苯）[ΔH乙苯25℃+cp乙苯]（t9-t0）]=(0.2339×103+0.70m3×103÷78)[33.64+93.1945×10-3×(95-25)]+(0.0763×103+0.20m3×103÷92)[37.86+117.4036×10-3×(95-25)]+(0.0278×103+0.10m3×103÷106)[41.89+143.8216×10^-3×(95-25)]=14354.46+509.6293m3kJ烷基化液中苯—乙苯餾分帶出熱Q10計(jì)算(a.b)Q10=∑micPi(t10-t0)(二乙苯、三乙苯以同樣的恒壓平均摩爾熱容處理)查得:二乙苯、三乙苯平均恒壓熱容為0.50kcal/(kg.K)=2.0920kJ/(kg.K)苯:CP=-7.27329+7.70541×10-1T-1.64818×10-3T2+1.89794×10-6T3kJ/(kmol.K)甲苯:CP=1.80826+8.12223×10-1T-1.51267×10-3T2+1.63001×10-6T3kJ/(kmol.K)乙苯：CP=14.0673+8.70264×10-1T-1.47733×10-3T2+1.51193×10-6T3kJ/(kmol.K)將平均溫度333.15K代入上述三式中分別可得苯(l)、甲苯(l)、乙苯(l)的平均恒壓摩爾熱容為:136.6809、164.7819、195.9335kJ/(kmol.K),化成以kJ/(kg.K)單位分別為:1.7523、1.7911、1.8484kJ/(kg.K)代入Q10計(jì)算式中得:Q10=[1919.032×1.7523+1399.966×1.8484+(38.977+600+19.635)×2.0920+3.754×1.7911]×(95-25)=513446.99kJ烷基化液中三氯化鋁絡(luò)合物帶出熱Q11Q11=∑micpi(t10-t0)(二乙苯、三乙苯以同樣的恒壓平均摩爾熱容處理,少量的Al(OH)3以AlCl3計(jì)算)查得二乙苯、AlCl3的恒壓平均熱容分別為:2.0920、3.3472kJ/(kg.K)Q11=[(87.037+39.226+253.858+114.408)×2.0920+(40.686+0.819+122.755)×3.3472]×(95-25)=110905.60kJ反應(yīng)器熱損失Q12取輸出總熱量的10%,即:Q12=10%(Q8+Q9+Q10+Q11)代入數(shù)據(jù)得:Q12=64467.17+50.96293m3kJ因此:∑Q出=709138.91+560.5922m3由熱平衡∑Q入=∑Q出得:1625721.38+24.9776m3=709138.91+560.5922m3解之得：m3=1711.2724kg所以塔頂蒸出的芳烴中苯、甲苯、乙苯分別為1197.891、342.255、171.127kg所以帶入、帶出的各部分熱為：Q3=24.9776m3=42743.48kJQ9=14354.46+509.6293m3=886469.00kJ、Q12=64467.17+50.96293m3=151678.62kJ表2-6熱平衡表(基準(zhǔn):1小時(shí)、25℃)序號(hào)輸入輸出項(xiàng)目熱量（KJ/h）%項(xiàng)目熱量（kJ/h）%1原料乙烯帶入熱Q100塔頂尾氣帶出熱Q85964.180.362新鮮原料苯帶入熱Q200蒸發(fā)熱及蒸發(fā)后蒸汽帶出熱Q9886469.0053.133回流苯帶入熱Q342743.4812.564循環(huán)苯帶入熱Q400烷基化液中苯—乙苯帶出熱Q10513446.9930.775新鮮絡(luò)合物帶入熱Q515904.810.956循環(huán)絡(luò)合物帶入熱Q646388.702.78AlCl3絡(luò)合物帶出熱Q11110905.606.657烷基化反應(yīng)熱Q71563427.8793.70熱損失Q12151678.629.09總計(jì)1668464.86100.00總計(jì)1668464.89100.002.5烷基化反應(yīng)器冷凝器負(fù)荷及冷卻水量的計(jì)算尾氣中考慮甲苯時(shí) Q尾=n尾Cp尾(t尾-t0)Cp尾=ΣyiCpi將平均溫度305.65K代入CP=f(T)中可得Cp尾=PΣyiCpi=61.8330kJ/(kmol.K)Q尾=1.2792×61.8330×(4025)=1186.45kJQ負(fù)荷=(Q8+Q9)-(Q3+Q尾)=(5964.68+886469.00)(42743.48+1186.45)=848503.75kJ而Q負(fù)荷=G冷卻水CP水ΔT時(shí)即848503.75=G冷卻水×4.1868×5故G冷卻水=40532.23kg/h=40.532噸/小時(shí)2.5.1烷基化液冷卻器負(fù)荷及冷卻水量的計(jì)算尾氣中考慮甲苯時(shí)25~65℃苯(l)、乙苯(l)、甲苯(l)的平均恒壓熱容分別為1.6944、1.7934、1.7347kJ/(kg.K)廢絡(luò)合物中少量Al(OH)3以AlCl3計(jì)，二乙苯、多乙苯的平均恒壓熱容用二乙苯處理，查得AlCl3、二乙苯的平均恒壓熱容分別為3.3472、2.0334kJ/(kg.K)Q液=[1919.032×1.6944+1399.966×1.7934+(38.977+19.6357+600)×2.0334+3.754×1.7347]×(6525)=284319.26kJQ廢=[(40.686+0.819)×3.3472+(87.037+39.226)×2.0334]×40=15826.75kJQ負(fù)荷=(Q10+Q11)-(Q6+Q廢+Q液)=(513446.99+110905.60)(46388.70+15826.75+284