甲醛氧化制甲醇物料衡算

甲醛氧化制甲醇物料衡算第一頁(yè)，共二十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日概述1計(jì)算中用的基本量物理過(guò)程的物料衡算化學(xué)反應(yīng)的物料衡算234目錄第二頁(yè)，共二十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日概述

物料衡算是化工工藝設(shè)計(jì)中最基本的設(shè)計(jì)內(nèi)容，是工藝設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。主副產(chǎn)品的產(chǎn)量原材料消耗定額生產(chǎn)過(guò)程中的損耗三廢產(chǎn)生量物料的浪費(fèi)生產(chǎn)過(guò)程的反常現(xiàn)象物料衡算第三頁(yè)，共二十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日物料衡算的理論依據(jù)“質(zhì)量守衡定律”在化工過(guò)程中，物料平衡是指：進(jìn)入一個(gè)裝置（或設(shè)備）的全部物料的量，必定等于離開這個(gè)裝置（或設(shè)備）的全部物料的量（包括損失量）和系統(tǒng)內(nèi)累積起來(lái)的物料的量。輸入=輸出+累積∑F=∑D+W第四頁(yè)，共二十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日（1）基本式：輸入+生成=輸出+消耗+累積“生成”、“消耗”是指由于化學(xué)反應(yīng)而生成、消耗的質(zhì)量（2）對(duì)穩(wěn)態(tài)過(guò)程：累積項(xiàng)=0

輸入+生成=輸出+消耗*穩(wěn)態(tài)（定態(tài)）過(guò)程：系統(tǒng)內(nèi)任一部分的參數(shù)，不隨時(shí)間而變，只隨空間位置而改變，是存在于連續(xù)操作的一個(gè)過(guò)程，其特征為：累積項(xiàng)=0有化學(xué)反應(yīng)時(shí)的物料衡算無(wú)化學(xué)反應(yīng)的穩(wěn)態(tài)過(guò)程：輸入=輸出第五頁(yè)，共二十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日數(shù)據(jù)收集1.生產(chǎn)規(guī)模和生產(chǎn)時(shí)間（年生產(chǎn)時(shí)數(shù)）生產(chǎn)規(guī)模在設(shè)計(jì)任務(wù)書中已有，若是中間車間應(yīng)根據(jù)消耗定額來(lái)確定生產(chǎn)規(guī)模，要考慮物料在車間回流的情況。

大型化工廠一般8000小時(shí)/年

對(duì)要經(jīng)常維修或試驗(yàn)性車間一般7200小時(shí)/年

很少的廠可達(dá)8400小時(shí)/年2.有關(guān)的定額，收率，轉(zhuǎn)化率的數(shù)據(jù)收集

要注意可靠性準(zhǔn)確性，并了解其單位與基準(zhǔn)3.原料，輔助材料，產(chǎn)品，中間產(chǎn)品的規(guī)格4.與計(jì)算有關(guān)的物理化學(xué)常數(shù)

如密度，蒸汽壓，相平衡常數(shù)第六頁(yè)，共二十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日5.選擇計(jì)算基準(zhǔn)6.建立物料平衡方程，進(jìn)行物料衡算7.整理并校核計(jì)算結(jié)果8.繪制物料流程圖，填寫物料平衡表。列出的數(shù)學(xué)關(guān)聯(lián)式的數(shù)目應(yīng)與所求未知項(xiàng)的數(shù)目相同，若數(shù)學(xué)式不夠，用試差法求解。時(shí)間基準(zhǔn)質(zhì)量基準(zhǔn)體積基準(zhǔn)干濕基準(zhǔn)第七頁(yè)，共二十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日對(duì)連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程可用單位時(shí)間的物料量或單位時(shí)間的產(chǎn)品量作計(jì)算基準(zhǔn)如三十萬(wàn)噸NH3廠，可以每小時(shí)產(chǎn)NH3量作物料衡算基準(zhǔn)，年生產(chǎn)時(shí)間8000h（7200h），30×104/8000=37.5T/h

對(duì)間歇生產(chǎn)過(guò)程可以一套或一批料的生產(chǎn)周期作基準(zhǔn)。

如一個(gè)反應(yīng)釜，每次投料800kg，完成一個(gè)操作周期為4h，則每小時(shí)處理物料200kg/h作計(jì)算基準(zhǔn)。時(shí)間基準(zhǔn)第八頁(yè)，共二十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日質(zhì)量基準(zhǔn)當(dāng)進(jìn)行衡算的系統(tǒng)其物料緣于固相或液相時(shí)，可選擇一定質(zhì)量的原料或產(chǎn)品作為計(jì)算基準(zhǔn)，如以煤，礦石，石油為原料的化工過(guò)程可選用1kg原料為計(jì)算基準(zhǔn)。特別是原料或產(chǎn)品是單一化合物，或其組成是已知的，選此作計(jì)算基準(zhǔn)更為方便。第九頁(yè)，共二十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日體積基準(zhǔn)當(dāng)物料是氣體時(shí)，可選用體積為基準(zhǔn)，通常都換算成STP（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)）下的體積，這樣可排除T，P變化帶來(lái)的影響，而且容易把體積換算成mol數(shù)（除以22.4）。不論是固態(tài)，液態(tài)或氣態(tài)物質(zhì)往往都含有一定的水分，因此就出現(xiàn)干基，濕基的問(wèn)題。

若進(jìn)行衡算時(shí)，把水分去掉則稱干基，把水分一起算入稱為濕基，二者可互算。干濕基準(zhǔn)*選作基準(zhǔn)的物料，必須是已知條件最多，并與其它物料關(guān)系明確之物。第十頁(yè)，共二十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日物料平衡表

組分工業(yè)甲醇組成（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），%反應(yīng)尾氣組成（體積分?jǐn)?shù)），%CH2OH98.0

H2O2.0

空氣O2：21%,N2：77.16%;H2O:1.84%

O2

0.2CO2

3.6CO

0.4CH3

0.2H2O

2H2

19.0HCHO

0.05CH2OH

0.15N2

74.4第十一頁(yè)，共二十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日物料平衡表

組分甲醛溶液組成（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），%

其他參數(shù)HCHO37.0

CH3OH1.6

H2O61.36

HCOOH0.004

氧醇度

0.38配料濃度

60單耗CH3OH/37%CH3CHO

0.448第十二頁(yè)，共二十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日甲醇氧化制甲醛的物料流程圖第十三頁(yè)，共二十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日主反應(yīng)：CH30H+1/2O2=HCHO+H2OCH3OH=HCHO+H2H2+1/2O2=H2O副反應(yīng)：CH3OH+O2=CO+2H2OCH3OH+3/2O2=CO2+2H2OHCHO+1/2O2=HCOOHHCOOH=CO+H2OHCHO=CO+H2HCHO+O2=CO2+H2OCH3OH=C+H2O+H2CH3OH+H2=CH4+H2O2HCHO+H2O=CH3OH+HCOOH第十四頁(yè)，共二十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日產(chǎn)品產(chǎn)量及組成50000/8000=6.25t=6250kg其中：HCHO6250*37%=2312.5kg=77.08kmolCH3OH6250*1.6%=100kg=3.125kmolHCOOH6250*0.04%=2.5kg=0.0543kmolH2O6250-（2312.5+100+2.5）=3835kg=213.05kmol總摩爾數(shù)=77.08+3.125+0.0543+213.06=293.32kmol（3）甲醇投入量：6250*0.448=2800kg=87.50kmol（4）空氣消耗量根據(jù)氧醇比得：0.38*87.50*22.4÷21%=3546.67m2=158.33kmol其中：O2=158.33*21%=33.25Kmol=1064kgN2=158.33*77.16%=122.17kmol=3420.7kgH2O=158.33*1.84%=2.91kmol=52.44kg(1.84%為空氣在相對(duì)濕度為80%的水含量（5)吸收尾氣排放量：158.33*77.16%/74.4%=164.2kmol

第十五頁(yè)，共二十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日CO=164.2*0.4%=0.657kmol=18.4kgCH4=164.2*0.2%=0.3284kmol=5.25kgO2=164.2*0.2%=0.3284kmol=5.25kgH2=164.2*19%=31.20kmol=62.4kgH2O=164.2*2%=3.284kmol=59.1kgHCHO=164.2*0.05%=0.082kmol=2.46kgCH3OH=164.2*0.15%=0.2463kmol=7.88kgN2=164.2*74.4%=122.17kmol=3420.7kg(6)數(shù)據(jù)校核①甲醛量：根據(jù)氧的衡算，計(jì)算出按反應(yīng)式（12-1）生成的甲醛量[33.25-(5.91*3/2+0.657+0.3284+0.0543)]*2=46.49kmol根據(jù)尾氣中的H2量并結(jié)合反應(yīng)式（12-5），計(jì)算按反應(yīng)式（12-2）生成的甲醛量甲醛總生成量：46.69+31.53=78.22kmol折算成37%CH2O水溶液：78.14%*30/37%=6336kg產(chǎn)品產(chǎn)量與設(shè)計(jì)要求一致第十六頁(yè)，共二十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日②甲醛量根據(jù)氧的衡算反應(yīng)式(12-1)消耗甲醇46.69kmol反應(yīng)式（12-2）消耗甲醇31.53kmol反應(yīng)式(12-3)消耗甲醇5.91kmol反應(yīng)式（12-4）消耗甲醇0.657kmol反應(yīng)式(12-5)消耗甲醇0.328kmol反應(yīng)式（12-6）消耗甲醇0.0543kmol尾氣中的帶走甲醇0.2463kmol產(chǎn)品中帶走甲醇3.125kmol甲醇總消耗量46.99+31.53+5.91+0.657+0.3284+0.0543+0.2463+3.125=88.54kmol=2833kg技術(shù)消耗2833/6250=0.458t/t實(shí)物單耗：2833/（98%*6250）=0.462t/t此數(shù)據(jù)亦與上面給定條件基本一致第十七頁(yè)，共二十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日③水量衡算（按每小時(shí)計(jì)）尾氣帶出的水3.284kmol=59.11kg產(chǎn)品帶出的水218.06kmol=3835kg空氣帶入的水2.91kmol=52.44kg原料中甲醇帶入的水2833/98%-2833=57.82kg=3.21kmol反應(yīng)生成的水：46.69+2*（5.91+0.657）+0.3284+0.0543=60.21kmol=1083.8kg按配料濃度60%計(jì)，應(yīng)加入的配料水蒸汽量2833/60%-（2833+57.82+52.44）=1778kg=98.80kmol吸收塔加水量（3.284+213.06）-（2.+60.21+98.80)=51.21kmol=921.85kg第十八頁(yè)，共二十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日④吸收系統(tǒng)計(jì)算設(shè)一吸甲醛吸收率為90%，則一吸收塔吸收甲醛量為78.22*90%=70.4kmol=2112kg二吸塔吸收吸收甲醛量為78.22-70.4=0.0827.738kmol=232.14kg又設(shè)二吸收塔循環(huán)液中甲醛濃度15%，并設(shè)轉(zhuǎn)化甲醇除尾氣帶出外，均在二吸收塔被吸收，則二吸收塔循環(huán)液入一吸收塔量為：232.14/15%=1547.6kg其中，甲醇量=3.125kmol=100.16kg水量=1547.6-232.14-100.16=1215.3kg=67.52kmol（7）各主要單元設(shè)備的物料衡算表（按小時(shí)計(jì)）見表12.5~表12.9第十九頁(yè)，共二十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日表12.5：蒸發(fā)器物料衡算表

進(jìn)料出料物料名稱質(zhì)量，kg物質(zhì)的量kmol物料名稱質(zhì)量，kg物質(zhì)的量kmol1，甲醇2890.8291.74原料氣7427.96250.07CH3OH2833.088.53CH3OH2833.088.53H2O57.823.21H2O110.256.122，空氣4537.14158.33O21064.032.25O2106433.25N23420.7122.17N23420.7122.17—__H2O52.442.91—__合計(jì)7427.96250.07合計(jì)7427.96250.07第二十頁(yè)，共二十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日表12.6：過(guò)熱器的物料衡算進(jìn)料出料物料名稱質(zhì)量，kg物質(zhì)的量kmol物料名稱質(zhì)量kg物質(zhì)的量kmol原料氣7427.95250.07三元?dú)?206.36348.87CH3OH2633.088.53CH3OH2833.088.53H2O110.266.12H2O1888.66104.93O21064.033.25O21064.032.25N23420.7122.17N23420.7122.172，配料蒸汽1778.4098.80—__合計(jì)9206.36348.83合計(jì)9209.36348.87第二十一頁(yè)，共二十三頁(yè)，編輯于2023年，星期日表12.7氧化器物料衡算表：進(jìn)料出料物料名稱質(zhì)量，kg物質(zhì)的量kmol物料名稱質(zhì)量，kg物質(zhì)的量，kmol三元?dú)?206.36348.87轉(zhuǎn)化氣9206.75407.38CH3OH2833.088.52CH2O2346.678.22H2O1888.66104.93CH2OH107.883.2713O21064.033.25HCOOH2.49780.0543N23420.7122.17H2O2972.5