化工設計 第四章

1、化工設計 第四章第1頁，共40頁，2022年，5月20日，1點15分，星期二一. 設計計算前的準備工作 1. 工藝性資料的收集 （1）物料衡算提綱。 生產步驟和化學反應（包括主、付反應） 各步驟所需的原料，中間體規(guī)格和物理化學性質 成品的規(guī)格和物化性質 每批加料量或單位時間進料量 各生產步驟的產率 （2）工藝流程圖及說明。 （3）熱量計算參數和設備計算數據（H、Cp、K、 等）。 （4）流體輸送過程參數（粘度、密度、摩擦系數 等）。第2頁，共40頁，2022年，5月20日，1點15分，星期二 （5）傳質過程系數，相平衡數據。 （6）冷凍過程的熱力學參數。 （7）具體的工藝操作條件（溫度T、壓力

2、P、流量G） （8）介質物性和材質性能，材質數據，腐蝕數據。 （9）車間平立面布置的參考資料。 （10）管道設計資料（管道配置、管道材質、架設方 式、管件、閥件等） （11）環(huán)境保護、安全保護等規(guī)范和資料。第3頁，共40頁，2022年，5月20日，1點15分，星期二2. 工程性資料的收集：（1） 氣象、地質資料。（2） 公用工程的消耗量， 輔助設施能力。（3） 總圖運輸、原料輸送方式、儲存方式。（4） 上、下水資料。（5） 配電工程資料。（6） 儀表自控資料等。第4頁，共40頁，2022年，5月20日，1點15分，星期二 一. 設計計算前的準備工作 3. 資料的來源 （1）科研單位 （研究報告

3、） （2）設計單位 （設計圖紙、設計說明書） （3）基建單位 （廠址方案、基建工程資料和 安裝工程資料） 第5頁，共40頁，2022年，5月20日，1點15分，星期二（4）生產單位（現場操作數據和實際的經濟技術指標） 車間原始資料、各種生產報表 工藝操作規(guī)程 設備崗位操作法 設備維護檢修規(guī)程及設備維修紀錄卡 勞動保護及安全技術規(guī)程 車間化驗室的分析研究資料 車間實測數據 工廠科室掌握的技改資料 供銷科的產品目錄和樣本 財務科的產品原料單耗及成本分析資料 全廠職工勞動福利的生活資料（5）可行性研究報告、各國文摘和專利、各類工藝書籍、各類調查報告、各種化工過程與設備計算等書籍。第6頁，共40頁，2

4、022年，5月20日，1點15分，星期二 一. 設計計算前的準備工作 4.幾本常用的化工設計資料和手冊 （1） Industrical Chemicals （2） Encyclopedia of Chemical Technology （3） Science and Technology （4） Handbook of Technology （5） I.C.T （物性手冊）第7頁，共40頁，2022年，5月20日，1點15分，星期二 二. 物料衡算 1.物料衡算能為化工設計提供的基礎數據（目的）（1） 物料消耗定額。（2） 工藝設備的大小尺寸。（3） 管道的大小尺寸。（4） 為能量衡算提供基礎

5、數據。第8頁，共40頁，2022年，5月20日，1點15分，星期二 二.物料衡算 2. 物料衡算的依據 設計任務書、 生產量、 工藝技術條件、 反應 轉化率、 相平衡數據等。第9頁，共40頁，2022年，5月20日，1點15分，星期二 二.物料衡算 3. 物料衡算式： 進料總量=出料總量+損耗量+積累量 對于一個連續(xù)穩(wěn)定過程： 進料總量=出料總量+損耗量第10頁，共40頁，2022年，5月20日，1點15分，星期二 二. 物料衡算4. 物料衡算的基本步驟：（1）畫出物料衡算示意圖，注明物料衡算的有關數 據。（2） 列出反應方程式，識別反應類型。（3）確定計算基準，選定工藝參數及計算所必要的 數

6、據 （4）列出衡算式。（5）展開計算。將計算結果列出物料衡算表。 第11頁，共40頁，2022年，5月20日，1點15分，星期二5 流程物料衡算的幾個問題（1）計算基準 設計過程中各種計算通常以小時或是以設備為單位進行，而設計任務卻是指定年產量，此時應注意計算基準。 例1 設計一個年產量為10000t（噸）的間歇本體法聚丙烯設備裝置，由二個反應釜并聯操作，反應釜的操作時間表如下置換 0.5h進料 0.5h聚合反應 5.0h出料 1.5h清理 0.5h設年操作時為8000小時，消耗定額為1.1t丙烯/聚丙烯，試決定所需反應器的體積和管道的通過能力。第12頁，共40頁，2022年，5月20日，1點

7、15分，星期二 解： 每個反應釜的生產能力為5000t/a（年），每批操作周期為8h，故每個反應釜每批的生產量為：50008/8000=5t/批 在操作狀態(tài)下丙烯的密度為470kg/m3，反應釜的裝填系數為0.9，則所需反應釜的體積:1.15/0.47/0.9=13.0m3進口管道通過能力=每批投料量/進料時間 =1.15/0.5 =11t/h =23.4m3/h 出口管道的通過能力=5.5/1.5 = 3.67t/h第13頁，共40頁，2022年，5月20日，1點15分，星期二（2）比率系數對于一個較復雜過程，開始進行物料衡算時通常不能確切知道每噸產品的原料消耗，可以任意選擇一個進料數值，例

8、如100kmol/h，待系統(tǒng)計算完成得到產品數值時，再將各股物料乘該比例系數。（3）物流的循環(huán) 對于轉化率較低或有一種反應物過量的反應系統(tǒng)，需將未反應的原料與產物分離后，返回到反應器入口，構成物料循環(huán)。如此，增加了物料衡算的復雜程度。例2： 乙烯與氯氣反應生產氯乙烯的過程如下圖Cl2C2H4HClA氯化B次氯化熱裂解CD分離C2H3Cl(VC)第14頁，共40頁，2022年，5月20日，1點15分，星期二在各反應器中發(fā)生如下反應：(A)氯化反應 C2H4 +Cl2 C2H4Cl2 (DCE：二氯乙烷） DCE收率98%（B)次氯化 C2H4 +2HCl + 0.5O2 C2H4Cl2 +H2O

9、 DCE以乙烯為基準的收率為95% 以HCl為基準的收率為90%（C)熱裂解 C2H4Cl2 C2H3Cl (VCM) + HCl VCM的收率為99%，HCl的收率為99.5% 設VC產量為12500kg/h，試求Cl2, C2H4流量及HCl的循環(huán)量。解（1）：聯立代數方程法 已知：VC , DCE, HCl分子量分別為62.5, 99.0, 36.5 設C2H4進入（A）的流量為x1, 進入（B）的流量為x2, HCl的循環(huán)量為x3 VC=12500/62.5=200kmol/h第15頁，共40頁，2022年，5月20日，1點15分，星期二則： x3 = 0.995(0.98x1 + 0

10、.95x2) (1) 0.90 x3/2 = 0.95x2 (2) 0.99(0.98x1 + 0.95x2) = 200 (3)聯立（1）（2）得 x2 = 0.995(0.98x1 + 0.95x2) 0.9/1.9 x2 = 0.837x1 （4）聯立 （3）（4） x1=113.8 x2=95.3因此：Cl2流量=x1=113.8kmol/h C2H4=x1+x2=209.1kmol/h HCl循環(huán)量x3=0.995 (0.98113.8+0.95 95.3)=201.1kmol/h解（2） 直接迭代法 設以HCl的循環(huán)量x3作為迭代變量第16頁，共40頁，2022年，5月20日，1點

11、15分，星期二迭代步驟為： 1）假設x3 2）用式 0.9x3/2=0.95x2 0.99(0.98x1+0.95x2)=200 求出x1, x2 3）將x1, x2代入 x3=0.995(0.98x1+0.95x2)方程 求出x3，與初值比較，若誤差已經達到收斂指標，則結束計算?，F設x3=150kmol/h，迭代過程各變量值如下 迭代次數 x3 x2 x1 x3 1 150 71.055 137.2877 201.034 2 201.034 95.2298 113.8623 201.043 3 201.043 95.234 113.858 201.043 4 201.043由此可知，迭代4次

12、即可收斂 。第17頁，共40頁，2022年，5月20日，1點15分，星期二（4）物料的排放 物料的排放是為了防止循環(huán)過程中某些組分的積累。例如，合成氨工藝和氫氣循環(huán)使用的加氫工藝。例3 有甲苯脫烷基制苯過程，其反應式如下 主反應 C6H5CH3 + H2 C6H6 + CH4 副反應 2C6H6 (C6H5)2 + H2 (聯苯）反應器的進口壓力為3450KPa，為提高選擇性和減輕反應器結焦，氫與甲苯進反應器的分子比為51，當轉化率為70%時，選擇性為97.69%，進料氫氣的組成為95%H2，5%CH4。設循環(huán)氣體壓縮機的設備折舊費和操作費用為0.4元/（kw.h)，氫氣的價格為4000元/噸

13、，不計循環(huán)中物料加熱冷卻所需的費用，試確定排放氣體的甲烷濃度。解：根據題意該過程的流程結構如下：第18頁，共40頁，2022年，5月20日，1點15分，星期二換熱反應壓縮分離氫氣甲苯循環(huán)氣苯聯苯排放氣1）列出各組分物料平衡方程（1）甲苯 FT=PB/S FT,PB 甲苯進料量，苯的產量（2）聯苯 PD=PB(1-S)/2S PD,S 聯苯產量，反應的選擇性 （3）氫 0.95FG=PB/S-PB(1-S)/2S+YPHPG YPH 排放氣中的氫含量mol% PG 排放氣量 FG 氫氣進料量第19頁，共40頁，2022年，5月20日，1點15分，星期二（4）甲烷 0.05FG+PB/S=(1-Y

14、PH)PG 將（3）+ （4）得 （5）排放氣量 PG=FG+PB(1-S)/2S=FG+PD 以（5）代入（3）得 （6）氫氣進料量 （7）循環(huán)氣量：CG=(FT5/X-FG0.95)/YPH X 轉化率 CG 循環(huán)量2)設FT=100kmol/h, YPH=40%，求循環(huán)氣量、補充氣量和循環(huán)壓縮機功率 FG=100(1-0.50.6 0.0231)/(0.95-0.4) =180.6kmol/h PG=FG+PD=180.6+100(1-0.9769)/2 =181.8kmol/h CG=(5 100/0.7-180.6 0.95)/0.4 =1356kmol/h第20頁，共40頁，202

15、2年，5月20日，1點15分，星期二設反應器入口至循環(huán)壓縮機進口壓降為450kpa，進口溫度313k，壓縮機出口壓力3500kpa，壓縮過程的多變指數n=1.4，效率=0.72，壓縮因子Z=1，則每kmol循環(huán)壓縮機的理論功耗： W=410.11kJ/kmol故循環(huán)壓縮機理論功耗 WCG=1356 410.11=5.56 106kJ/h實際功耗 W CG/3)計算各種YPH下的氫氣成本和操作費用YPH 0.05 0.1 0.2 0.4 0.6 0.8氫氣成本 958.3 1015 1152 1445 2480 5800操作費用 771.6 318.9 106.2 85.8 46.8 6.5總費

16、用 1729.9 1396.9 1258.2 1530.8 2226.8 5806.5第21頁，共40頁，2022年，5月20日，1點15分，星期二（5 ）化學計量學反應物系中各組分的反應量必須服從一定的化學計量關系，這不僅是進行反應器物料衡算的基礎，而且對確定反應器的進料配比、工藝流程的安排具有重要意義。步驟寫出化學反應方程式列出化學計量系數矩陣求出矩陣的秩確定獨立反應數和關鍵組分數對關鍵組分進行物料衡算第22頁，共40頁，2022年，5月20日，1點15分，星期二例4 苯與乙烯在一絕熱反應器中進行氣相烷基化反應，發(fā)生的主要反應有： C6H6(A) + C2H4(B) C6H5C2H5(C)

17、 C6H5C2H5(C) + C2H4 (B) C6H5(C2H5)2(D) C6H5(C2H5)2(D) + C6H6(A) 2C6H5C2H5(C) C6H5C2H5(C) C6H5(CH3)2(E)已知某中試反應器乙烯的進料量為12.5kg/h，苯進料量為255kg/h，反應產物經精餾分離，未反應的乙烯作為尾氣排放。對液相產物分析表明，每小時苯的出料量為224kg/h，乙苯的出料量37.2kg/h，二乙苯的出料量為5.9kg/h，請計算乙烯的轉化率，以及乙烯生成乙苯的選擇性。解：首先列出化學計量系數矩陣，通過線性變換確定秩。ABCDE-1-11000-1-110-102-1000-101

18、-1-11000-1-1100000000-101第23頁，共40頁，2022年，5月20日，1點15分，星期二 可見反應體系的獨立反應數為3，三個獨立反應可選為 C6H6 + C2H4 C6H5C2H5 C6H5C2H5 + C2H4 C6H5(C2H5)2 C6H5C2H5 C6H5(CH3)2選擇苯、乙苯、二乙苯為關鍵組分，三關鍵組分的反應量為 苯N苯 = 224-255 = -31kg/h = -0.397kmol/h 乙苯N乙苯 = 37.2kg/h = 0.351kmol/h 二乙苯N二乙苯 = 5.9kg/h = 0.044kmol/h由獨立化學反應計量方程可求得乙烯的反應量：

19、N乙烯 = N苯 - N二乙苯 = -0.397 0.044 = -0.441kmol = 12.35kg/h乙烯的轉化率為 x = 12.35/12.5=98.8%乙烯生成乙苯的選擇性 B = 0.351/0.441 = 79.6% 第24頁，共40頁，2022年，5月20日，1點15分，星期二生成二甲苯的量也可由化學計量方程求得N二甲苯 = -N苯 - N乙苯 - N二乙苯 =0.397 0.351 0.044 = 0.002kmol/h = 0.212kg/h第25頁，共40頁，2022年，5月20日，1點15分，星期二 三. 能量衡算 1.在化工生產中，需要通過能量衡算解決的問題： （

20、1）確定物料輸送機械和其他操作機械所需功率。 （2）確定各單元過程所需熱量或冷量及其傳遞速率。 （3）化學反應所需的放熱速率和供熱速率。 （4）充分利用余熱的綜合利用。第26頁，共40頁，2022年，5月20日，1點15分，星期二 2. 一般能量衡算式： 也可以通過熱容計算： 三. 能量衡算 第27頁，共40頁，2022年，5月20日，1點15分，星期二最小分離功 Wmin=-RTXj,fln(j,fXj,f)凈功耗 第28頁，共40頁，2022年，5月20日，1點15分，星期二 3. 熱容的計算：(1) 經驗公式（多項式） 或 式中： 為經驗常數第29頁，共40頁，2022年，5月20日，1

21、點15分，星期二 （2）平均熱容 如果已知 Cp 則焓變可由下式算得 第30頁，共40頁，2022年，5月20日，1點15分，星期二 3. 熱( 4 4.熱容的估算： （1）柯普（Koop）規(guī)則 1 1mol化合物的總熱容 近似地等于化合物以原子形式存在的元素熱容的總和。 第31頁，共40頁，2022年，5月20日，1點15分，星期二 （2）混合物熱容的估算 對于已知組成的混合物，可用下式估算它的熱容： 式中： 混合物的熱容； 純組分i的熱容； 組分i的質量分數或物質的百分數量。 第32頁，共40頁，2022年，5月20日，1點15分，星期二 5. 無相變體系的能量衡算 （封閉體系） （流動體系） 第33頁，共40頁，2022年