【《碳酸乙烯酯法合成生产乙二醇的物料衡算和热量衡算计算案例》3800字】

碳酸乙烯酯法合成生产乙二醇的物料衡算和热量衡算计算案例目录TOC\o"1-3"\h\u3681碳酸乙烯酯法合成生产乙二醇的物料衡算和热量衡算计算案例 1144521.1主要设备的物料衡算 135371.1.1物料衡算条件及依据 1126531.1.2乙烯氧化反应器R101物料衡算 1164371.1.3环氧乙烷吸收塔A101物料衡算 2145851.1.4酯化反应器R201和闪蒸罐F201物料衡算 3270141.1.5闪蒸罐F202物料衡算 4104351.2主要设备的热量衡算 5215221.2.1热量衡算及标准 5174101.2.2乙烯氧化反应器R101热量衡算 5224761.2.3环氧乙烷吸收塔A101的热量衡算 615501.2.4酯化反应器R201和闪蒸罐F201热量衡算 6166611.2.5闪蒸罐F202的热量衡算 6303452塔的设计及选型 7150432.1塔设备设计 7142742.1.1塔设计依据 7157332.1.2塔型的确定 8269402.1.3塔盘类型的确定 8221332.1.4塔的工艺设计 81.1主要设备的物料衡算1.1.1物料衡算条件及依据依据质量守恒定律，物料衡算方程可用以下等式表示：单位时间进入体积元中的物料=单位时间排出体积元的物料+单位时间内体积元中反应消失的物料+单位时间内体积元积累的物料用符号表示为：Fin=Fout+Fr+Fb在确定了生产工艺技术路线后，对此工艺进行物料衡算。其目的是依据所用原料和产品之间的定量转化关系，以此为基础计算出原料的消耗量，各个中间产品、产品和副产品的具体产量，在生产过程中各个过程的消耗量及其组成，从而为热量衡算、其他工艺计算和设备的计算奠定基础。本工艺进行物料衡算的依据如下：乙烯原料的质量分数99.99%近似看成纯组分。乙二醇收率为99.8%，扣除维修、停车等时间，以一年开车330天设计，约共计8000h。1.1.2乙烯氧化反应器R101物料衡算表3-1反应器R101模拟结果R101-INR101-OUT温度，℃250250压力，Mpa2.22.2摩尔汽相分率11质量汽相分率11物料名称质量流量kg/h质量流量kg/hCO24541.81113637.898N26118.1446118.114C2H415586.6691776.880O221501.1945360.285CH415266.29015266.290C2H4O017131.155H2O03721.456C3H4O300C2H6O200C4H10O300总计63016.10863016.078物料名称质量分率质量分率CO20.0720.216N20.0970.097C2H40.2470.028O20.3410.085CH40.2420.242C2H4O00.272H2O00.059C3H4O300C2H6O200C4H10O300总计11从上表可以得出，乙烯进入反应器中，气体在银催化剂的环境下使其反应充分，而后物料为气相出料。1.1.3环氧乙烷吸收塔A101物料衡算表3-2吸收塔A101模拟结果H102-OUTP101-OUTCIRCULA1EO温度，℃12022.225.672.6压力，Mpa2.22.22.22.217摩尔汽相分率1010质量汽相分率1010物料质量流量kg/h质量流量kg/h质量流量kg/h质量流量kg/hCO213637.898011699.2791938.619N26118.14406100.80917.335C2H41776.88001681.92492.956O25360.28505305.66752.618CH415266.290015056.162210.129C2H4O17131.1550017131.155H2O3721.456225.4440.1863948.714C3H4O30175268.3090.272175268.037C2H6O2049950.0000.31249949.688C4H10O30000总计63016.108225441.75339842.611248615.251物料质量分率质量分率质量分率质量分率CO20.21600.2940.008N20.09700.1530C2H40.02800.0420O20.08500.1330CH40.24200.3780C2H4O0.272000.069H2O0.0590.0010.016C3H4O300.7770.705C2H6O200.2220.201C4H10O30000总计1111由上表可以看出物料进入到吸收塔（A101）之中，流股物料平衡。1.1.4酯化反应器R201和闪蒸罐F201物料衡算表3-3酯化反应器R201和闪蒸罐F201模拟结果H201-OUTH202-OUTCIRCULA2F201OUT温度，℃120120120120压力，Mpa2.62.60.50.5摩尔汽相分率0110质量汽相分率0110物料质量流量kg/h质量流量kg/h质量流量kg/h质量流量kg/hCO21938.61916508.736882.226787.452N217.33552.80567.6882.452C2H492.956062.94330.013O252.618049.3285.29CH4210.1290181.71226.416C2H4O17131.15502.587166.744H2O3948.714017.7653861.585C3H4O3175268.03708.179208827.741C2H6O249949.68807.30950181.361C4H10O30000总计248615.25116561.5411287.737263889.054物料质量分率质量分率质量分率质量分率CO20.0080.9970.6870.003N200.0030.0530C2H4000.050O2000.0380CH4000.1430C2H4O0.06900.0040H2O0.01600.0140.015C3H4O30.70500.0060.791C2H6O20.20100.0060.19C4H10O30000总计1111由表得出，液相流股EO与气相流股二氧化碳同时进料，因吸收液相对于二氧化碳同样存在着良好的吸收效果，即二氧化碳可近似全溶解于吸收液中，并在充分的发生接触反应后形成中间产物碳酸乙烯酯，该出料都是液相出料。1.1.5闪蒸罐F202物料衡算表3-4闪蒸罐F202模拟结果F201-OUTCO2-2F202-OUT温度，℃1205050压力，Mpa0.50.040.04摩尔汽相分率010质量汽相分率010物料质量流量kg/h质量流量kg/h质量流量kg/hCO2787.452580.511206.941N22.4522.4420.01C2H430.01326.8431.17O25.295.1960.094CH426.41625.7690.648C2H4O166.7442.861161.884H2O3861.5855.0723856.513C3H4O3208827.7410.609208827.32C2H6O250181.3610.61250180.749C4H10O3000总计263889.054651.87263237.329物料质量分率质量分率质量分率CO20.0030.890N200.0040C2H400.0410O200.0080CH400.040C2H4O00.0070H2O0.0150.0080.015C3H4O30.79100.793C2H6O20.1900.191C4H10O3000总计111由表得出，通过闪蒸将塔底输出物料碳酸乙烯酯、乙二醇和水，还有极少量的二氧化碳气体继续进行分离工艺。1.2主要设备的热量衡算1.2.1热量衡算及标准热量衡算遵循着能量守恒的原则，可用以下等式表达：输入环境的能量=输出环境的能量+环境积累的能量。对于连续系统为：Q总+W总=H1.2.2乙烯氧化反应器R101热量衡算表3-5乙烯氧化反应器R101物流热焓模拟结果R101-INR101-OUT温度，℃250250压力，Mpa2.22.2摩尔汽相分率11质量汽相分率11焓流量，Gcal/h-12.33128-56.914249摩尔流量，Kmol/h2500.82306.34质量流量，Kg/h63016.108563016.1085体积流量，m3/h4968.964528.80表3-6乙烯氧化反应器R101热量衡算（单位：Gcal/h）QW∑∑-42.5830-12.331-56.9141.2.3环氧乙烷吸收塔A101的热量衡算表3-7环氧乙烷吸收塔A101物流热焓模拟H101-OUTP101-OUTCIRCULA1EO温度，℃12022.225.648813472.6058201压力，Mpa2.22.22.22.2166焓流量，Gcal/h-60.307091-362.75522-41.087624-381.97464摩尔流量，Kmol/h2306.342807.532241647.896993465.97525质量流量，Kg/h63016.1085225441.75339842.6106248615.251体积流量，m3/h3301.8643240.72141791.1940277.4655表3-8环氧乙烷吸收塔A101热量衡算（单位：Gcal/h）QW∑∑0.0000470-421.062311-421.0622641.2.4酯化反应器R201和闪蒸罐F201热量衡算表3-9酯化反应器R201和闪蒸罐F201物流热焓模拟结果H202-OUTH201-OUTCIRCULA2F201OUT温度，℃120120120120压力，Mpa2.62.60.50.5焓流量，Gcal/h-32.979056-375.39351-2.1102967-417.11007摩尔流量，Kmol/h3773465.9752539.11658043418.82787质量流量，Kg/h16561.5415248615.2511287.73644263889.056体积流量，m3/h452.350872286.2554252.2277298.1976表3-10酯化反应器R201和闪蒸罐F201热量衡算（单位：Gcal/h）QW∑∑-8,84780070-410.372566-419.22041.2.5闪蒸罐F202的热量衡算表3-11闪蒸罐F202物流热焓模拟结果F201-OUTCO2-2F202-OUT温度，℃1205050压力，bar0.50.040.04焓流量，Gcal/h-417.11007-1.2720782-426.35601摩尔流量，Kmol/h3418.8278716.41183533402.41603质量流量，Kg/h263889.056651.915665263237.141体积流量，m3/h298.1976481100.787444285.655932表3-11闪蒸罐F202热量衡算结果（单位：Gcal/h）Q总W∑∑-10.51801820-417.11007-427.62808824塔的设计及选型2.1塔设备设计2.1.1塔设计依据该工艺的塔型主要是吸收分离塔，以A101为例该设计选型即要符合工艺规范和国家标准，又要不会对生产造成违背。在所有工艺设计中，安全问题极其重要，由于在化学工业生产过程中，会存在一些需要高温高压的生产条件，少数情况下生产的产品可能为易燃易爆的危险物品，安全环境不合格则可能会导致重大的人身和财产损失隐患。在以安全为前提的情况下，我们要尽可能的对资源进行最大化利用，实现生产最大化。 表4-1塔模拟参数H101-OUTP101-OUTCIRCULA1EO相态汽相液相汽相液相温度12022.225.672.6摩尔汽相分率1010摩尔液相分率0101摩尔焓-26.0828-127.707-25.0009-105.332质量焓-952.61-1590.38-1040.37-1462.14摩尔熵-12.82255-102.22081-17.734019-77.145166质量熵-0.5424937-1.2978993-0.7379686-1.07233645摩尔密度0.67700116.36391.235112.8803质量密度18.49771312.0229.68051070.51平均分子量27.32380.299622.030971.9412压力，bar22222222焓流量-60.307091-362.75522-41.087624-381.97464摩尔流量2306.342807.532241647.896993465.97525质量流量63016.1085225441.75339842.6106248615.251体积流量3301.8643240.72141791.1940277.46552.1.2塔型的确定塔形的选择非常重要，它关系到生产能力、产品纯度、设备费用等多方面因素，所以要求我们必须在安全且合理的情况下，选则最恰当的塔型。基础的两种塔型分别是板式塔与填料塔，它们都能够实现精馏、吸收、萃取等工艺流程，而两者都存在着优缺点。填料塔为一种立式圆柱，塔体中由较多填料所填充，填料组成通常为各种固体的物料，填料的方法主要包括散装填料及规整填料等方法。填料塔的优势：生产能力较大且填料塔的操作范围相对较小、适用于小塔径生产、压降较小、分离效率较高等。板式塔是立式塔柱且塔内有许多相互间隔一定距离的塔板组成。而板式塔的通常适合塔径相对较大的塔，板式塔的优点：压降较大，操作稳定、易于清洗、塔效率高等。所以通过比较，板式塔更适宜上述的工艺条件，则该设计的吸收塔采用板式塔。2.1.3塔盘类型的确定塔盘能够实现将物质和热量快速传递，使液体混合物或气体混合物达到分离效果。塔盘类型主要含有泡罩塔盘、浮阀塔盘、筛孔塔盘等几种。依照上面的工艺结果可选用筛孔塔盘。2.1.4塔的工艺设计（1）介质与选材查《腐蚀数据手册》[11]并且依据强度等方面得，材料选用碳钢16MnR。（2）设计压力与温度吸收塔的工作压力为2.2Mpa，则设计压力选取为工作压力1.1倍。P=1.1P吸收塔最大温度为120℃，设计温度比最大温度大10~15℃，即取工作温度为130℃。（3）塔体的计算空塔气速能够通过史密斯关联图法计算。先求出umax，后设定空塔气速等于最大气速的0.7倍。其中umax=CρL−ρV查阅文献和书籍，选择板间间距为HT=800mm，选择板上液层高度为hL=100mm，则HT-hL=700mm。图4-1smith关联图查史密斯关联图知，C20=0.073C=C20因此umax所以空塔气速为u=0.7umax=0.7×空塔气速下的塔径为D=4Vsπu由塔径标准对塔径圆整后，取D=1.1m塔径圆整后空塔气速为u=V安全系数uumax=0.43650、602（4）筒体厚度及封头厚度设计筒体选材为16MnR，查文献和书籍得知，在这个设计温度下，此材料的许用应力值为163MPa，取计算压力为2.42MPa，塔径D=1.1m。筒体厚度δ=PcD取腐蚀裕量C1为2mm，则筒体壁厚δc=27.31+2=29.31mm本设计选择标准椭圆封头，且封头的材质也选择使用16MnR。封头厚度δ‘=P取腐蚀裕量C1为2mm，封头的设计厚度δ’c=δ‘+C1（5）流型的选择及负荷性能图根据Aspen模拟，由于环氧乙烷吸收塔模拟塔半径为1.1m，塔流量Ls=240.7214m3/h，计算过后对塔进行校核。由Aspen模拟结果，得到塔板的负荷性能图。如下图4-2某块塔板的负荷性能图（6）塔的水力学结果表4-2环氧乙烷吸收塔A101水力学结果塔板%液泛率总压降%降液管持液量干板压降干板压降总压降barbarmmmm272.673638580.013836539432.088678980.00835283051919631916371.651630230.014350448032.893294240.0088274855395.01413450152.4602253471.373602630.014447591832.741512740.0088773726392.41766443151.6612161572.914949980.014480805832.520468120.0088717823791.47449583152.5720506672.025639630.014405422932.147758690.0088006327592.03717710150.6521747767.139082660.011915333328.591857030.0066525922868.24452398122.2314882860.745912500.011976916029.073919250.0041277911736.39573080105.6033584960.988654980.012030506829.107514070.0041741428836.71614012105.82143161060.946482420.012048160729.087014420.0041771377336.66583641105.75564351160.881611600.012059914229.063876660.0041754117036.58543602105.67035091260.823007580.012069574929.043538780.0041734487936.51269028105.59435921360.772346260.012077745129.026091310.00417166627