附录1-物料衡算书

2019年“东华科技-恒易石化杯”第十三届全国大学生化学设计竞赛2019年“东华科技恒毅杯”第十三届全国大学生化学设计竞赛南京扬子石化公司材料平衡表年产20万吨醋酸乙烯项目热门团队、杨、吴佩丽、孙旺教员：常锡良、邵圣娟、李小虹、张云峰i内容1.2概述11.2物料平衡目的11.3物料平衡方法21.4各部分物料平衡21.4.1乙酸乙烯酯合成第3节中的物料平衡1.4.2气体吸收部分4中的物料平衡1.4.3醋酸乙烯精制第11节的物料平衡1.5总工艺物料平衡171.6摘要211.2概述本项目主要以扬子石化总厂供应的乙烯和醋酸为原料，合成纯度为99.9%的醋酸乙烯酯，年产20万吨。化学生产过程和流程确定后，定性阶段变为定量阶段。通过对整个生产系统、生产车间和一些重要生产单元的物料平衡计算，计算出主要产品和副产品的产量、原材料消耗定额、“三废”排放和成分、产品产量等各项经济技术指标，从而定量评价初步设计中选择的工艺路线、生产方法和工艺流程是否经济合理。在设计过程中，采用Aspen Plus模拟整个过程，并在此基础上完成物料平衡和能量平衡。Aspen Plus的模拟过程如图1-1所示。图1-1全流程模拟图该工艺主要分为三个工段，即醋酸乙烯合成工段、醋酸乙烯精制工段和气体吸收工段。该场地所需的主要设备包括反应器、气液分离器、吸收塔、解吸塔、精馏塔、泵、压缩机、热交换器、蒸发器等。涉及的原料包括乙烯、乙酸和氧气。输入整个系统的能量主要包括电能、热媒引入的能量等。输出能量主要包括冷却剂带走的能量和输出物质的焓。注：以下流号和设备位置号对应源文件中的“3-全过程模拟(包括热泵、公用设施、换热网络、塔优化参数替代)”。1.2物料平衡的目的在工艺设计中，物料平衡是在工艺流程确定后进行的。目的是根据原料和产品之间的定量换算关系，计算原料消耗、各种中间产品、产品和副产品的产量、生产过程中各阶段的消耗和组成，从而为热平衡计算、其他工艺计算和设备计算奠定基础。对于现有设备，物料平衡计算可以找出原材料的来源和发展，找出生产中的薄弱环节，为改进生产和管理提供可靠的依据和明确的方向，可以作为检查原材料利用率和三废治理完善程度的手段。1.3物料平衡方法物质平衡是根据质量守恒定律，利用一些已知物质在进入和离开化学工业过程中的流量和组成，通过建立相关物质的平衡和约束方程，获得其他未知物质的流量和组成的过程。系统中物料平衡的一般表达式是：系统积累=投入-产出-生产-消费在公式中，生成或消耗的项目是由于化学反应而生成或消耗的量；累计金额可以是正数，也可以是负数。当系统中的累计量不为零时，称为不稳定状态过程。当累积为零时，它被称为稳态过程。稳态过程可以简化为：输入=输出-生成消耗没有化学反应的稳定过程可以表示为：输入=输出物料平衡包括总质量平衡、组分平衡和元素平衡。各种会计方法的适用条件见表1-1:表1-1各种平衡方法的应用种类物料平衡表没有化学反应有一个化学反应总余额公式总物流平衡表1.4各工段的物料平衡计算本项目中，醋酸乙烯年产量为20万吨。根据相关文件乙烯气相氧化法合成醋酸乙烯催化剂的制备及性能研究和CTV-V型乙烯氧乙酰化合成醋酸乙烯，乙烯气相法的催化剂选择性为95%，产品收率为96.6%(以乙烯计)。一年的开始时间是330天，每天24小时，可以计算原料的供给量。根据以下公式：原料用量(kgh-1或kmolh-1)=每年产品产量33024小时乙烯的摩尔流量可以计算如下：乙烯消耗量n=2000000000.9663302228.05=931.95k molh-1乙烯的质量流量为：m=nM=931.9528.05=26141.2kgh-1根据文献，当乙烯氧气乙酸的摩尔比为91.54时，氧气进料速率可计算为155.32千摩尔/小时，乙酸进料速率为414.20千摩尔/小时。因此，氧气的质量流量为4970.24千克/小时，乙酸的质量流量为24852.00千克/小时1.4.1醋酸乙烯合成部分的物料平衡计算图1-2醋酸乙烯合成工段流程模拟图对反应器R0101进行物料平衡计算，结果见表1-2。表R0101反应器物料平衡进入在外流编号E 0103输出R0102OUT输出阶段蒸汽蒸汽温度C180180压酒吧88容积流量累计/小时9144.348510.20摩尔流量kmol/hr1941.661807.01质量流量千克/小时O2千克/小时4970.05404.09CH3COHOH千克/小时23289.398358.33C4H6O2千克/小时0021014.80CH2CH2千克/小时26144.7018557.62H2O千克/小时475.294997.05二氧化碳千克/小时00303.42CH3CHO千克/小时00907.45C3H6O2千克/小时00330.62C4H8O2千克/小时006.05N2千克/小时12331.2712331.27K2CO3千克/小时0000KHCO3千克/小时0000H3O千克/小时0000K千克/小时0000碳酸氢盐-千克/小时0000CO3 -千克/小时0000总数千克/小时67210.7167210.71输入反应器的物料总质量流量为67210.71千克/小时，输出的物料总流量为67210.71千克/小时，即输入=输出，物料节约。1.4.2气体吸收部分的物料平衡图1-3气体吸收段流程模拟图该段分为气液分离段、酸洗段和CO2吸收解吸段进行物料平衡计算。1.4.2.1气液分离部分图1-4气液分离部分流程模拟图对气液分离部分进行物料平衡计算，结果见表1-3。表1-3气液分离部件的物料平衡进入在外流编号J0101OUTm 0201输出F0202W阶段蒸汽蒸汽液体温度C18019.999970820压酒吧3.50.30.3摩尔流量kmol/hr1807.011173.75633.26质量流量千克/小时67210.7135194.5032016.21O2千克/小时404.09403.910.18CH3COHOH千克/小时8358.3334.178324.17C4H6O2千克/小时21014.803006.1118008.69CH2CH2千克/小时18557.6218557.530.09H2O千克/小时4997.05148.264848.77二氧化碳千克/小时303.42302.510.88CH3CHO千克/小时907.45368.42539.03C3H6O2千克/小时330.6245.52285.11C4H8O2千克/小时6.050.525.53N2千克/小时12331.2712327.543.73K2CO3千克/小时000000KHCO3千克/小时000000H3O千克/小时00000.01K千克/小时000000碳酸氢盐-千克/小时00000.04CO3 -千克/小时000000总数千克/小时67210.7167210.71气液分离部分物料的总质量流量为67210.71千克/小时，输出物料的总流量为67210.71千克/小时，即投入=产出，物料节约。1.4.2.2的酸洗和清洗部分图1-5酸洗清洗部分流程模拟图酸洗清洗部分进行物料平衡计算，结果见表1-4。表1-4酸洗和清洗零件的物料平衡进入在外流编号E0202OUT输出C2H4O2H20p 0202输出F0203DF0202W阶段混合的液体液体蒸汽蒸汽液体温度C21.062025134.142525压酒吧3.53.553.553.5511摩尔流量kmol/hr1173.75961.25001109.3732.61492.98质量流量千克/小时35194.555149.849007.6431064.15953.6667334.17O2千克/小时403.9100402.441.390.07CH3COHOH千克/小时34.1754047.310022.4354059.04C4H6O2千克/小时3006.1100033.882972.23CH2CH2千克/小时18557.530017723.51830.633.39H2O千克/小时148.261102.539007.64352.97.359898.18二氧化碳千克/小时302.5100294.836.051.62CH3CHO千克/小时368.4200015.74352.68C3H6O2千克/小时45.520000.644.92C4H8O2千克/小时0.5200000.52N2千克/小时12327.540012290.4635.591.49K2CO3千克/小时000000KHCO3千克/小时000000H3O千克/小时000000.01K千克/小时000000碳酸氢盐-千克/小时000000.02CO3 -千克/小时000000总数千克/小时99351.9899351.98酸洗和清洗部分物料的总质量流量为99351.98千克/小时，输出物料的总流量为99351.98千克/小时，即输入=输出，物料节约。1 . 4 . 2 . 1二氧化碳吸收和解吸部分图1-6 CO2吸收和解吸的分流模拟图CO2的吸收和解吸部分由物料衡算得出，结果见表1-5。表1-5 CO2吸收和解吸的物质平衡进入在外流编号阶段混合的液体蒸汽蒸汽液体温度C25点25点25.18106.45127.94压酒吧3.551.011.011.011.31摩尔流量kmol/hr1109.37295.271099.81123.61180.04质量流量千克/小时31064.156792.2330684.362403.854768.17O2千克/小时402.4400402.170.2700CH3COHOH千克/小时00000000