3 物料衡算和热量衡算VIP

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：450010333024=568.18kg/h3.2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） 二氯甲烷产量为：568.18 kg/h，即：6.69 kmol/h；（2） 原料组成含: Cl2 96%，CH495%；（3） 进反应器的原料配比（摩尔比）: Cl2：CH4：循环气=1：0.68：3.0（4） 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）；（6） 反应器进口气体温度 25oC，出口温度420oC。反应器（二） 物料衡算 CH3ClCl2 CH2Cl2 CHCl3 CH4 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：Cl296%X95%=10.68 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：568.180.5/119.5=2.38kmol/h由 (CHCl3+CCl4)/CH2Cl2=0.38（摩尔比）可得 CCl4的量为 0.386.692.38=0.162kmol/h用元素守衡法则： Cl元素守衡 2.96X=Y+6.692+2.383+0.1624+Z H 元素守衡 4X=3Y+6.692+2.38+Z C 元素守衡 X=Y+6.69+2.38+0.162 解方程得X=24.87kmol/hY=15.64kmol/hZ=36.81kmol/h（1）所以反应器进口原料中各组分的流量：Cl2: 24.871.48=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） 24.87/0.95=26.18kmol/h=585.79Nm3/h （含杂质）循环气流量：338.34=115.02 kmol/h=2576.45 Nm3/h 其中：CH3Cl：15.64 kmol/h N2：38.344%26.183%=2.319 kmol/h CO2：26.182%=0.524 kmol/h CH4：115.0215.642.3190.524=96.54 kmol/h进口气体总量： 38.3426.1896.54=161.06 kmol/h（2）反应器出口中各组分流量：CH3Cl：15.64 kmol/hCH2Cl2：6.69 kmol/hCHCl3 ：2.38 kmol/hCCl4： 0.162 kmol/h HCl： 36.81 kmol/h循环气：115.02 kmol/h 出口气体总量：115.0236.810.1622.386.69=161.06 kmol/h（3）出口气体中各组分的含量： CH3Cl： 15.64/161.06100%=9.65%CH2Cl2：6.69/161.06100%=4.15%CHCl3： 2.38/161.06100%=1.48% CCl4： 0.162/161.06100%=0.10% HCl： 36.81/161.06100%=22.85% N2： 2.319/161.06100%=1.44% CO2： 0.524/161.06100%=0.33% CH4： 96.54/161.06100%=59.94%表31反应器物料平衡组分反应器进口反应器出口kmol/h组成%（mol）kg/hkmol/h组成%（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总计161.061004685.80161.061004685.80（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32 反应物料标准摩尔生成焓fHm/（kJ/mol）物质输入输出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反应物nfHm=3.455106 kJ420时，由氯碱工业理化常数手册查得如下数据：表33生成物的标准摩尔定压热容Cp,m/(JK-1mol-1)物质CH3ClCH2Cl2CHCl3CCl4HClN2CO2n(kmol)15.646.692.380.16236.812.3190.524Cp,m66.0745.97588.28798.88729.9630.6552.27t = 42025=395输出焓：输出H = n Cp,mt = 1.093106 kJ输入焓：输入H = 0则放出的热量：Q放出=fHm+输出H+输入H=2.362106 kJ 222.5时，由氯碱工业理化常数手册查得如下数据：表34 循环气各物质的标准摩尔定压热容Cp,m/(JK-1mol-1)物质CH4CH3ClN2CO2n(kmol)96.5415.642.3190.524Cp,m49.6254.8330.8153.43循环气带出热量：Q带出=n Cp,mt=2.27106 kJ考虑4%热损失，则2.362106（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=250250时，由氯碱工业理化常数手册查得如下数据：表35生成物的标准摩尔定压热容Cp,m/(JK-1mol-1)物质CH3ClCH2Cl2CHCl3CCl4HClN2CO2CH4n(kmol)15.646.692.380.16236.812.3190.52496.54Cp,m56.36169.63981.92096.55829.29329.61145.0647.752热负荷 Q=n Cp,mt=2.50106 kJ3.2.3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(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 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/（161.0636.81）=1.52 副产物盐酸的量：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氢气体量：36.8110.8026.01 kmol/h剩余气体总量：161.0626.01135.05kmol/h 出口气体中各组分的含量：CH3Cl： 15.64/135.05100%=11.58%CH2Cl2：6.69/135.05100%=4.95%CHCl3： 2.38/135.05100%=1.76%CCl4： 0.162/135.05100%=0.12%HCl： 10.80/135.05100%=8.00%N2： 2.319/135.05100%=1.72%CO2： 0.524/135.05100%=0.39%CH4： 96.54/135.05100%=71.48%表36第一膜式吸收器出口物料平衡组分第一模式吸收器出口kmol/h组成%（mol）CH496.5471.48CH3Cl15.6411.58CH2Cl26.694.95CHCl32.381.76CCl40.1620.12HCl10.808.00N22.3191.72CO20.5240.39总计135.05100（3） 热量衡算定性温度t=(70+80)/2=7575时，由氯碱工业理化常数手册查得如下数据：表37第一膜式吸收器出口气体的标准摩尔定压热容Cp,m/(JK-1mol-1)物质CH3ClCH2Cl2CHCl3CCl4HClN2CO2CH4n(kmol)15.646.692.380.16210.802.3190.52496.54Cp,m44.5556.1171.2588.9328.8628.7738.3237.21Q=n Cp,mt=0.05106 kJ42时，氯化氢溶解成16%的盐酸溶解热H=9172.65kJ/kmolQ溶解= L0H=2.05106kJQ总= QQ溶解=2.10106kJ 假设冷却水温升8，则冷却水耗用量：Cp,m,水=75.291kJ/kmolK）W水= Q总/Cp,m,水/83.49103 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. 800.75=10.05 kmol/h剩余气体总量：135.0510.05=125.00 kmol/h出口气体中各组分的含量：CH3Cl： 15.64/125.00100%=12.51%CH2Cl2：6.69/125.00100%=5.35%CHCl3： 2.38/125.00100%=1.90%CCl4： 0.162/125.00100%=0.13%HCl： 0.75/125.00100%=0.60%N2： 2.319/125.00100%=1.86%CO2： 0.524/125.00100%=0.42%CH4： 96.54/125.00100%=77.23%表38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组成%（mol）CH496.5477.23CH3Cl15.6412.51CH2Cl26.695.35CHCl32.381.90CCl40.1620.13HCl0.750.60N22.3191.86CO20.5240.42总计125.00100（3） 热量衡算定性温度t=(70+60)/2=6565时，由氯碱工业理化常数手册查得如下数据：表39第二膜式吸收器出口气体的标准摩尔定压热容Cp,m/(JK-1mol-1)物质CH3ClCH2Cl2CHCl3CCl4HClN2CO2CH4n(kmol)15.646.692.380.1620.752.3190.52496.54Cp,m43.8755.4970.8187.9928.5028.4638.2237.05Q=n Cp,mt=0.05106 kJ42时，氯化氢溶解成5.04%的盐酸溶解热H=3303.18kJ/kmolQ溶解= L0H=0.65106kJQ总= QQ溶解=0.7106kJ从一膜出来的冷却水逆流进入二膜，进口温度33其升温t= 0.7106/（75.2913.49103）=2.66出口水温：33+2.66=35.663.2.4 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=125.000.750.524=123.73 kmol/h平均分子量M=50.512.51%855.35%119.51.90%1540.13%36.50.60%2