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3 物料衡算和热量衡算


3 物料衡算和热量衡算 3.1 计算基准

年产 4500 吨的二氯甲烷氯化吸收,年工作日 330 天,每天工作 24 小时,每 小时产二氯甲烷: =568.18kg/h
3.2 物料衡算和热量衡算 3.2.1 反应器的物料衡算和热量衡算 本反应为强放热反应, 如不控制反应热并移走, 温度会急剧升高, 产生强烈的燃烧反应, 是氯化物发生裂解反应。 由

此可以通过加入过量的甲烷得到循环气, 以之作为稀释剂移走反 应热。 (一) 计算依据

(1) (2) (3) (4)

二氯甲烷产量为:568.18 kg/h,即:6.69 kmol/h; 原料组成含: Cl2 96%,CH495%; 进反应器的原料配比(摩尔比): Cl2:CH4:循环气=1:0.68:3.0 出反应器的比例: CH2Cl2:CHCl3=1:0.5(质量比) ; (CHCl3+CCl4)/CH2Cl2=0.38(摩尔比) (5) 操作压力: 0.08MPa(表压) ; o (6) 反应器进口气体温度 25 C,出口温度 420oC。


(二) 物料衡算

Cl2


CH4


CH3Cl CH2Cl2 CHCl3 CCl4 HCl

假设循环气不参与反应, 只起到带走热量的作用。 则设进口甲烷为 X kmol/h, 出反应器的一氯甲烷 Y kmol/h,氯化氢 Z kmol/h。 由进反应器的原料配比(摩尔比) Cl2:CH4:循环气=1:0.68:3.0 原料组成含: Cl2 96%,CH495%。 可知:
% %

=

.

得进口 Cl2 为 1.48X kmol/h

由 CH2Cl2:CHCl3=1:0.5(质量比) 可得 CHCl3 每小时产量为:568.18×0.5/119.5=2.38kmol/h 由 (CHCl3+CCl4)/CH2Cl2=0.38(摩尔比) 可得 CCl4 的量为 0.38×6.69-2.38=0.162kmol/h 用元素守衡法 则: 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 元素守衡 X=Y+6.69+2.38+0.162 解方程①①③得 X=24.87kmol/h

① ② ③

Y=15.64kmol/h Z=36.81kmol/h (1)所以反应器进口原料中各组分的流量: Cl2: 24.87×1.48=36.81kmol/h=824.49Nm3/h (纯) 36.81/0.96=38.34kmol/h=865.82Nm3/h (含杂质) CH4: 24.87kmol/h=557.09Nm3/h (纯) 3 24.87/0.95=26.18kmol/h=585.79Nm /h (含杂质) 循环气流量:3×38.34=115.02 kmol/h=2576.45 Nm3/h 其中:CH3Cl:15.64 kmol/h N2:38.34×4%+26.18×3%=2.319 kmol/h CO2:26.18×2%=0.524 kmol/h CH4:115.02-15.64-2.319-0.524=96.54 kmol/h 进口气体总量: 38.34+26.18+96.54=161.06 kmol/h (2)反应器出口中各组分流量: CH3Cl:15.64 kmol/h CH2Cl2:6.69 kmol/h CHCl3 :2.38 kmol/h CCl4: 0.162 kmol/h HCl: 36.81 kmol/h 循环气:115.02 kmol/h 出口气体总量:115.02+36.81+0.162+2.38+6.69=161.06 kmol/h (3)出口气体中各组分的含量: 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% N 2: 2.319/161.06×100%=1.44% CO2: 0.524/161.06×100%=0.33% CH4: 96.54/161.06×100%=59.94% 表 3—1 反应器物料平衡
组分 kmol/h CH4 Cl2 CH3Cl CH2Cl2 CHCl3 CCl4 HCl N2 CO2 总计 121.41 反应器进口
组成% (mol) kg/h

反应器出口 kmol/h
组成%(mol) kg/h

36.81

75.38 22.85

1942.56 2513.51

96.54 15.64 6.69 2.38 0.162 36.81 2.319 0.524
161.06

59.94 9.65 4.15 1.48 0.10 22.85 1.44 0.33
100

1544.64 789.82 568.65 284.41 24.95 1343.57 106.67 23.06 4685.80

2.319 0.524
161.06

1.44 0.33 100

106.67 23.07 4685.80

(三)热量衡算 以 25℃为基准温度 由《氯碱工业理化常数手册》查得如下数据: 表 3—2 反应物料标准摩尔生成焓ΔfH /(kJ/mol) 物质 n(kmol) ΔfH CH4 24.87 -74.81 输入 Cl2 36.81 0 CO2 0.524 CH3Cl 15.64 CH2Cl2 6.69 输出 CHCl3 CCl4 2.38 0.162 -100 HCl 36.81

-393.51 -81.92 -87.86

-106.76 -92.3

ΔfH =∑生成物 nΔfHmθ-∑反应物 nΔfHmθ=-3.455×106 kJ 420℃时,由《氯碱工业理化常数手册》查得如下数据: 表 3—3 生成物的标准摩尔定压热容C 物质 n(kmol) C
θ , θ ,

/(J﹒K-1﹒mol-1) HCl 36.81 29.96
N2 CO2

CH3Cl 15.64

CH2Cl2 6.69

CHCl3 2.38 88.287

CCl4 0.162 98.887

2.319 30.65

0.524 52.27

66.07 45.975 Δt = 420-25=395℃ 输出焓:∑输出 H = ∑n C 输入焓:∑输入 H = 0
θ ,

Δt = 1.093×106 kJ

则放出的热量:Q 放出=ΔfH +∑输出 H+∑输入 H=-2.362×106 kJ 222.5℃时,由《氯碱工业理化常数手册》查得如下数据: 表 3—4 循环气各物质的标准摩尔定压热容C 物质 n(kmol) C
θ , θ ,

/(J﹒K-1﹒mol-1)
CO2

CH4

96.54 49.62
θ ,

CH3Cl 15.64 54.83

N2

2.319 30.81

0.524 53.43

循环气带出热量:Q 带出=∑n C

Δt=2.27×106 kJ

考虑 4%热损失,则 2.362×106×(1-4%)=2.27 则 Q 放出= Q 带出 循环气能带走的热量恰好为反应气放出的热量,是反应温度保持在 420℃左右可以维持反应顺利进行。 3.2.2 空冷器的物料衡算和热量衡算 由于气体温度太高,直接进入吸收器不利于氯化氢气体的吸收。因此,先用

空冷器冷却降温,以保证吸收的顺利进行。 (一)计算依据: 进口气体温度为 420℃,组成和流量与反应器出口相同。 出口气体温度为 80℃,操作压力为 0.06MPa(表压) 。 (二)热量衡算: 定性温度 t=(420+80)/2=250℃ 250℃时,由《氯碱工业理化常数手册》查得如下数据: 表 3—5 生成物的标准摩尔定压热容C 物质 n(kmol) C
θ , θ ,

/(J﹒K ﹒mol )
N2 CO2 CH4

-1

-1

CH3Cl 15.64

CH2Cl2 6.69

CHCl3 2.38

CCl4 0.162

HCl 36.81

2.319

0.524

96.54

56.361 69.639 81.920 96.558 29.293 29.611 45.06 47.752
θ ,

热负荷 Q=∑n C

Δt=2.50×106 kJ

3.2.3 模式吸收器的物料衡算和热量衡算 本次设计用两个石墨降膜吸收器串联吸收, 气体经一膜吸收后再经二膜吸收, 吸收剂水先经二膜吸收成稀酸再去一膜吸收成高浓度酸。 两膜吸收剂用量相同,惰性气体流量也相同,因此液气比 L/V 也相同。 (一)第一膜式吸收器 (1) 计算依据 1、 一膜进口气体中氯化氢含量 22.85%(摩尔) ,出口气体氯化氢含量 8%,二膜 出口气体氯化氢含量 0.6%; 2、 一膜进口气体温度 80℃,出口气体温度 70℃,二膜出口气体温度 60℃; 3、 吸收水温度 42℃; 4、 进口气体组成同反应器出口; ; 5、 操作压力 0.6MPa(表压) 6、 一膜出口酸浓度 28%(质量) ,即 16%(摩尔) ; 7、 冷却水进口温度 25℃。 (2) 物料衡算 由一膜出口气体氯化氢含量 8% 可知一膜出口气体总量为 135.05 kmol/h,含氯化氢 10.80 kmol/h 由二膜出口气体氯化氢含量 0.6% 可知二膜出口气体总量为 125.00 kmol/h,含氯化氢 0.75 kmol/h
总共反应掉氯化氢量为 36.06 kmol/h 由一膜出口酸浓度 16%(摩尔) 则二膜出口酸浓度为 5.04%

对并流高浓度气体吸收操作线方程为: V(Y1-Y2)=L(X1-X2) 即:V L

L V

1 1

y x

y x

1 1

y x

y x

已知:V=161.06-36.81=124.25 kmol/h
x1=0.16 x2=0.0504 y1=0.2285 y2=0.08 则,需要的吸收剂用量:L=189.19kmol/h 吸收剂的单位耗用量:l=L/V=189.19/(161.06-36.81)=1.52 副产物盐酸的量:L0=V0(y1-y2)/(x1-x2)=161.06×(0.2285-0.006)/0.16=223.97 kmol/h 第一膜式吸收器 吸收氯化氢气体量:36.81-10.80=26.01 kmol/h 剩余气体总量:161.06-26.01=135.05kmol/h

出口气体中各组分的含量: CH3Cl: 15.64/135.05×100%=11.58% CH2Cl2:6.69/135.05×100%=4.95% CHCl3: 2.38/135.05×100%=1.76% CCl4: 0.162/135.05×100%=0.12% HCl: 10.80/135.05×100%=8.00% N 2: 2.319/135.05×100%=1.72% CO2: 0.524/135.05×100%=0.39% CH4: 96.54/135.05×100%=71.48% 表 3—6 第一膜式吸收器出口物料平衡 第一模式吸收器出口
kmol/h CH4 CH3Cl CH2Cl2 CHCl3 CCl4 HCl N2 CO2 总计
组成%(mol)

组分

96.54 15.64 6.69 2.38 0.162 10.80 2.319 0.524 135.05

71.48 11.58 4.95 1.76 0.12 8.00 1.72 0.39 100

(3) 热量衡算 定性温度 t=(70+80)/2=75℃ 75℃时,由《氯碱工业理化常数手册》查得如下数据: 表 3—7 第一膜式吸收器出口气体的标准摩尔定压热容C 物质 n(kmol) C
θ , θ ,

/(J﹒K-1﹒mol-1)
CO2 CH4

CH3Cl 15.64 44.55

CH2Cl2 6.69 56.11

CHCl3 2.38 71.25

CCl4 0.162 88.93

HCl 10.80 28.86

N2

2.319 0.524 28.77 38.32

96.54 37.21

Q=∑n C

θ ,

Δt=0.05×10 kJ

6

42℃时,氯化氢溶解成 16%的盐酸溶解热ΔH=9172.65kJ/kmol Q 溶解= L0ΔH=2.05×106kJ Q 总= Q+Q 溶解=2.10×106kJ 假设冷却水温升 8℃,则冷却水耗用量: C
θ , ,水

75.291kJ/﹙kmol·K)
θ , ,水

W水

Q 总/C

/8=3.49×103 kmol

(二)第二膜式吸收器 (1) 计算依据 1、 进口气体组成同一膜出口气体组成; 2、 进口气体温度 70℃,出口气体温度 60℃; 3、 出口酸浓度 5.04%; 4、 吸收水温 42℃,冷却水温度 33℃; 5、 操作压力 0.036MPa(表压)。 (2) 物料衡算 需要吸收剂的量与一膜相同 L=189.19kmol/h
得到稀酸的量 L0=V0(y1-y2)/(x1-x2)= 135.05(0.08-0.006)/0.0504=198.29 kmol/h 吸收剂单位耗用量 l=L/V=1.52 被吸收的氯化氢气体量:10. 80-0.75=10.05 kmol/h

剩余气体总量:135.05-10.05=125.00 kmol/h 出口气体中各组分的含量: 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: 0.75/125.00×100%=0.60% N 2: 2.319/125.00×100%=1.86% CO2: 0.524/125.00×100%=0.42% CH4: 96.54/125.00×100%=77.23% 表 3—8 第二膜式吸收器出口物料平衡 组分 第二膜式吸收器吸收器出口
kmol/h CH4 CH3Cl CH2Cl2 CHCl3 CCl4 HCl N2 CO2 总计
组成%(mol)

96.54 15.64 6.69 2.38 0.162 0.75 2.319 0.524 125.00

77.23 12.51 5.35 1.90 0.13 0.60 1.86 0.42 100

(3) 热量衡算 定性温度 t=(70+60)/2=65℃ 65℃时,由《氯碱工业理化常数手册》查得如下数据: 表 3—9 第二膜式吸收器出口气体的标准摩尔定压热容C 物质 n(kmol) C
θ , θ ,

/(J﹒K ﹒mol )
CO2 CH4

-1

-1

CH3Cl 15.64 43.87

CH2Cl2 6.69 55.49

CHCl3 2.38 70.81
θ ,

CCl4 0.162 87.99

HCl 0.75 28.50
6

N2

2.319 0.524 28.46 38.22

96.54 37.05

Q=∑n C

Δt=0.05×10 kJ

42℃时,氯化氢溶解成 5.04%的盐酸溶解热ΔH=3303.18kJ/kmol Q 溶解= L0ΔH=0.65×106kJ Q 总= Q+Q 溶解=0.7×106kJ 从一膜出来的冷却水逆流进入二膜,进口温度 33℃ 其升温Δt= 0.7×106/(75.291×3.49×103)=2.66℃ 出口水温:33+2.66=35.66℃ 3.2.4 中和塔(填料塔) (一)计算依据 (1)进塔气体组成同二膜出口气体组成; (2)用 20℃、15%的稀氢氧化钠溶液吸收,出塔碱浓度 4%(质量) ; (3)出塔气体温度 60℃; (4)出口气体中无氯化氢和二氧化碳气体。 (二)物料衡算 入塔气体摩尔流量:Wv=125.00 kmol/h 惰性气体摩尔流量:G0=125.00-0.75-0.524=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% =26.62 则: 入塔气体质量流量:125.00×26.62=3327.5 kg/h 3 入塔气体密度:ρv=3327.5/(125.00×22.4)=1.19kg/m 15%和 4%的氢氧化钠溶液转化为摩尔浓度: 15%(质量) : 4%(质量) :
. . . . . .

×100%=7.35%(摩尔) ×100%=1.84%(摩尔)

氢氧化钠溶液消耗量: l= W (0.75+0.524×2) 7.35%-1.84%) / ( =32.63 kmol/h
出塔气体中无氯化氢气体和二氧化碳气体,但会带出 3 kmol/h 的水蒸气 则总量为 G0=126.73 kmol/h

出口气体中各组分的含量: CH3Cl: 15.64/126.73×100%=12.34%

组分
CH4 CH3Cl CH2Cl2 CHCl3 CCl4 N2

CH2Cl2:6.69/126.73×100%=5.28% CHCl3: 2.38/126.73×100%=1.88% CCl4: 0.162/126.73×100%=0.13% 2.319/126.73×100%=1.83% N 2: CH4: 96.54/126.73×100%=76.18% H20: 3.00/126.73×100%=2.37% 表 3—10 中和塔(填料塔)出口物料平衡 吸收器出口
kmol/h
组成%(mol)

H20
总计

96.54 15.64 6.69 2.38 0.162 2.319 3.00 126.73

76.18 12.34 5.28 1.88 0.13 1.83 2.37 100


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