【环戊酮生产物料衡算及能量衡算计算案例6300字】

环戊酮生产物料衡算及能量衡算计算案例目录TOC\o"1-3"\h\u12372环戊酮生产物料衡算及能量衡算计算案例 17271.1物料衡算 1309551.1.1环戊酮合成工序 2165211.1.2碱洗工序 3215231.1.3脱水工序 5252061.1.4精馏工序 69491.2能量衡算 711411.2.1化料工序 8142561.2.2环戊酮合成工序 1053061.2.3碱洗工序 1450811.2.4精馏工序 151.1物料衡算本设计为年产500吨环戊酮生产项目，可以分为250批次完成生产目标。每天生产2吨环戊酮（含量99.9%），分别在两套生产能力为1吨的相同的生产装置内生产。下面对工艺流程各工序计算进行说明：化料工序：该工序是将固体己二酸加热融化成液态，过程中没有己二酸损耗。反应工序：热解反应过程中，己二酸（含量99%）与氢氧化钠（含量98%）含量较高。反应过程中大约有6.8%的己二酸生成环戊酮后转化成2-环亚戊基环戊酮，5.2%的己二酸未反应并随粗产品一起蒸出，产品的收率为88%。碱洗工序：该工序主要去除一起蒸出的己二酸，环戊酮的收率为99.7%。脱水工序：该工序是用无水CaCl2吸收粗产品中少量的水，再过滤掉固体结晶水氯化钙，该工序环戊酮几乎没有损失，环戊酮的收率为100%。精馏工序：该工序对环戊酮粗产品进行分离提纯，获得纯度为99.9%的环戊酮产品。1.1.1环戊酮合成工序反应方程式：2COOH(C分子量：146.14×284.124418.02反应时投料比(W%)：己二酸：氢氧化钠=1.01:0.015反应中有部分环戊酮继续反应生成副产物，约有6.8%的己二酸最终转化为副产物。分子量：84.12×2150.2218.02×344×2一个生产批次加入2020kg己二酸（含量99%）和30kg氢氧化钠（含量98%），产率为88%。根据上述两个反应方程式可以计算出：原料中实际己二酸使用量：2020×99%=1999.8kg原料中实际氢氧化钠使用量：30×98%=29.4kg原料所含杂质的总量：2020×1%+30×2%=20.8kg己二酸的消耗量：1999.8×（88%+6.8%）=1895.81kg未参与反应的己二酸的量：1999.8×5.2%=103.99kg未参与反应的己二酸洗碱洗工序中被碱液洗涤。环戊酮的生成量：1999.8×84.12÷146.14×88%=1012.98kg副产物2-环亚戊基环戊酮的生成量：1999.8×6.8%×150.22÷（146.14×2）=69.89kg水的总生成量：1999.8×18.02二氧化碳的总生成量：1999.8×44÷146.14×(88%＋6.8%)=570.79kg反应过程中氢氧化钠作为催化剂，反应前后总量不变。上述计算数据可得本工序物料平衡表：表2环戊酮合成工序物料平衡表序号物料反应前的量（kg）反应后的量（kg）1己二酸1999.8101.992氢氧化钠29.429.43环戊酮—1012.9842-环亚戊基环戊酮—69.895水—242.156二氧化碳—570.797杂质20.820.8总计—205020501.1.2碱洗工序碱洗工序中己二酸的量为101.99kg，产物环戊酮的量为1012.97kg，副产物2-环亚戊基环戊酮的量为69.89kg，水的量为242.15kg。碱洗工序中，向碱洗釜中投入40%的碱液75kg，氢氧化钠的用量为30kg。之后分别用10kg水清洗两次，过程中向碱洗釜共计加入65kg水。本工序用碱洗涤时，釜内的己二酸与氢氧化钠首先发生如下反应：若氢氧化钠过量，则继续发生如下反应：若己二酸全部转化为一钠盐，则需要氢氧化钠的量：103.99×40÷146.14=28.46kg若全部转化为二钠盐，则需要氢氧化钠的量：103.99×40×2÷146.14=56.93kg碱液中氢氧化钠的量为30kg，则氢氧化钠全部转化为钠盐与水。碱洗工序中，生成的水的量：30×18.02÷40=13.52kg生成钠盐随水一起收集至废水罐，钠盐的量：103.99+30−13.52=120.47kg碱洗工序的总效率为99.7%，则工序后碱洗釜内剩余环戊酮的量：1012.98×99.7%=1009.94kg废水罐中环戊酮的量：1012.98－1009.94=3.04kg碱洗釜内剩余2-环亚戊基环戊酮的量：69.89×99.7%=69.68kg废水罐中2-环亚戊基环戊酮的量：69.89－69.68=0.21kg碱洗釜内还残留少量水分，约为有机物质量的0.1%，残留的水的量为：(1009.94+69.68)×0.1%=1.08kg废水罐中水的量：242.15+65+13.52－1.08=319.59kg上述计算数据可得碱洗工序物料平衡表：表3碱洗工序物料平衡表序号物料进料量（kg）出料量（kg）碱洗釜废水罐1环戊酮1012.981009.941.0422-环亚戊基环戊酮69.8969.680.213己二酸101.99——4氢氧化钠30——5钠盐——120.476水307.151.08319.59总计—1524.011080.7441.311.1.3脱水工序该工序主要是用无水氯化钙去除粗产品中少量的水，再过滤掉含有结晶水的CaCl2固体。该过程中有机相的损失量可忽略不计。表4脱水工序物料平衡表序号物料进料量（kg）出料量（kg）液相固相1环戊酮1009.941009.94—22-环亚戊基环戊酮69.8969.68—3无水CaCl25——4水1.08——5结晶水CaCl2固体——6.08总计—1085.71079.626.081085.71.1.4精馏工序精馏工序将环戊酮与2-环亚戊基环戊酮作为关键组分进行分离。要求精馏塔顶得到的环戊酮含量(W%)大于99.9%，塔底中的环戊酮含量(W%)小于2%。采用连续精馏将上述液相成分进行分离，一次精馏工序的时间为2小时。精馏后塔顶得到的环戊酮收集至成品罐。为了方便计算，环戊酮用“A”表示，2-环亚戊基环戊酮用“B”表示，原料液用“AB”表示。具体计算过程如下：一次生产中进入料液的量为1079.62kg，精馏时间为2小时，原料液的进料量为：1079.62原料液中环戊酮的质量分数为：ω原料液的平均摩尔质量为：M原料液的流量为：F=539.81÷86.58=6.235kmol/h原料液中环戊酮的质量分数ωAX塔顶馏出液中环戊酮的质量分数ωA1X塔底中环戊酮的质量分数ωA2X根据精馏塔物料衡算：F=D+WF则代入数据得：6.235=D+W6.235×0.963=0.9994D+0.0352W可得：D=6kmol/hW=0.235kmol/h塔顶馏出液中环戊酮的质量流量为：6×0.9994×84.12=504.42kg/h塔底中环戊酮的质量流量为：1009.94由此可得精馏塔物料衡算表表5精馏工序物料衡算表序号物料进料量（kg）蒸出量（kg）塔顶塔底1环戊酮1009.941008.841.122-环亚戊基环戊酮69.891.0168.67总计—1079.621009.8569.771085.7由上述计算数据可知，生产一批环戊酮产品（含量≥99.9%）的量为：1009.85×2=2019.7kg每年生产250天，年产量为：2019.7×250÷1000=504.925t≈500t1.2能量衡算本设计采用能量守恒定律对工艺过程中每个单元设备进行能量衡算，过程中的热量平衡可以用下式进行表示：Q式中：Q1——物料带入设备的热量，kJQ2——加热剂或冷却剂与系统交换的热量，kJQ3——过程的热效应，kJQ4——物料带出设备时的热量，kJQ5——工艺流程中设备散失的热量，kJ化料釜B（185℃）1化料釜B（185℃）185导热油（240℃）185导热油AA——己二酸（25℃，固态）B——己二酸（180℃，液态）化料工序中用导热油在常压下将固态己二酸加热至180℃，该温度下己二酸为液态。该工序中己二酸固体由25℃升温至熔点（153℃）开始熔化，完全融化后继续升温至180℃。1）Q1的计算Q=153℃以下己二酸为固体，此时的比热容不可查，可用Missenard法进行估算。Missenard法：C=式中：ni——分子中同种元素原子数ci——元素的原子比热容，kJ/(kmol•℃)M——化合物的摩尔质量，kg/kmol查询相关资料，得到原子的摩尔热容数据，见下表：表6元素原子的摩尔热容单位：kcal（kmol•℃）当物质为固体时，各原子的Ca近似值原子碳C氢H氧O硫S氮N其它Ca1.82.34.05.52.66.2当物质为液体时，各原子的Ca近似值原子碳C氢H氧O硫S氮N其它Ca2.84.36.07.42.68.0由上述数据可计算出固体己二酸的平均比热容为：CQ2）Q3的计算化料工序中己二酸在153℃时发生相变，由固体转化为液体。查询相关资料可知，己二酸的熔化热为30.1kcal/kg，即126.03kJ/kg。熔化为吸热过程，Q3取负值Q3）Q4的计算153℃以下己二酸为固体，此时的比热容用Missenard法进行估算为1.43kJ/(kg•℃)；153~260℃己二酸为液体，查资料[15]可知，该温度范围内，己二酸的平均比热为2.50kJ/(kg•℃)。Q4）该工序损失的热量Q5的计算Q5）导热油为物料提供的热量Q2的计算Q6）导热油循环用量的计算化料工序使用YD-300型号导热油提供热量，查询该型号导热油在200℃的平均比热容为2.434kJ/(kg•℃)，故导热油的循环用量为：m=1.2.2环戊酮合成工序此工序可分为反应过程和蒸汽冷却过程两部分计算。1、反应过程己二酸（1己二酸（180℃）化料釜BCO2（280℃）185导热油（300℃）185导热油AH2ONaOH（25℃）A——环戊酮（260℃，气态）B——2-环亚戊基环戊酮（260℃，气态）该过程用氮气将180℃的液态己二酸压入反应釜，加热至260℃进行热解反应，生成产物环戊酮，副产物2-环亚戊基环戊酮、水和二氧化碳。查询相关资料可知：环戊酮的平均比热容为2.11kJ/(kg•℃)，汽化热为440.32kJ/kg液态H2O的平均比热容为4.2kJ/(kg•℃)，汽化热为2259.7kJ/kg己二酸气体的平均比热容为230kJ/(kg•℃)己二酸在260℃的汽化热为585.36kJ/kg氢氧化钠固体的平均比热容为1.49kJ/(kg•℃)CO2的平均比热容为0.84kJ/(kg•℃)2-环亚戊基环戊酮的平均比热容用Missenard法进行估算为1.58kJ/(kg•℃)，汽化热约为339.5kJ/kg。Q1的计算己二酸的进料量为2020kg，其所携带的热量与化料工序的Q4，己二酸相等。即：Q氢氧化钠的进料量为30kg，平均比热容为1.49kJ/(kg•℃)，则：QQ2）Q4的计算反应结束后，生成环戊酮1012.98kg；副产物2-环亚戊基环戊酮69.89kg，水242.15kg，CO2570.79kg，大约有101.99kg己二酸随产物一起蒸出。氢氧化钠及其杂质30kg及己二酸中所含杂质10.2kg均留在反应釜中。己二酸所含热量：水所含热量：Q环戊酮所含热量：Q2-环亚戊基环戊酮所含热量：Q二氧化碳所含热量：Q反应釜内剩余物所含热量：QQ=6218602+648889.36+724964.46+49324.45+124660.54+18252=7784692.81kJ3）Q3的计算环戊酮合成反应维持在260℃，反应中约有1759.82kg己二酸最终转化为产物环戊酮，约有136kg己二酸最终转化为副产物2-环亚戊基环戊酮。查询物料性质可知：己二酸的燃烧热为2580kJ/mol，环戊酮的燃烧热为2697.97kJ/mol。2-环亚戊基环戊酮的燃烧热无法查询，本设计采用卡拉奇（Khrasch）法进行估算：Q＝109.07(4C+H−P)式中，Q——化合物的燃烧热，kJ/molC——化合物中C原子数H——化合物中H原子数P——C、H已和O结合的电子数2-环亚戊基环戊酮的分子式为C10H14O，其燃烧热为：109.07×（4×10＋14－4）=5451.5kJ/mol正负反应均为吸热反应，Q3取负值。Q4）反应过程损失热量Q5的计算Q5）导热油为设备反应提供的热量Q2的计算Q6）导热油循环用量的计算导热油的循环用量为：m=Q2、蒸汽冷却过程蒸汽蒸汽化料釜（33℃）185循环水（25℃）185循环水液体（35℃）蒸汽冷却过程中，使用25℃循环水在冷却器中对反应蒸出的蒸汽进行冷却液化。1）Q1的计算该蒸汽为上一步反应过程输送出的蒸汽，热量与输出蒸汽的热量相同。Q2）Q3的计算冷却过程中蒸汽在冷却器内放热，Q3取正值。水液化放出的热量：Q环戊酮液化放出的热量：Q2-环亚戊基环戊酮液化所放热量：Q己二酸液化所放热量：QQ3）Q4的计算蒸汽在冷却器内冷却到35℃，反应物己二酸、产物环戊酮与副产物2-环亚戊基环戊酮变为液态混合物，水变为液态。环戊酮所含热量：Q2-环亚戊基环戊酮所含热量：Q己二酸所含热量：Q水所含热量：Q二氧化碳所含热量：QQ4）Q5的计算Q5）冷却器负荷热量Q2的计算Q6）循环水循环用量的计算循环水吸收的热量为8690096.9kJ，循环用量为：m=1.2.3碱洗工序碱洗工序的主要目的是除去随产物一起蒸出的未反应的己二酸。该工序原理是使氢氧化钠与己二酸发生中和反应，共反应生成水11.52kg。参照强酸强碱生成水的中和热为57.3kJ/mol，己二酸为二元弱酸，离解时吸收热量，故其和氢氧化钠溶液反应生成中和热小于57.3kJ/mol。己二酸的中和热约为56.0kJ/mol。反应放出的热量：Q=56.0×13.52×1000÷18.02=42015.54kJ碱洗工序反应放出的热量由碱洗釜缓慢释放到环境中。1.2.4精馏工序1、精馏塔预热器预热釜预热釜B（155℃）185导热油（175℃）185导热油A进料：A——环戊酮：1009.94kg（25℃）2-环亚戊基环戊酮：69.68kg（25℃）出料：B——环戊酮：1009.94kg（135℃）2-环亚戊基环戊酮：69.68kg（135℃）用预热釜代替预热器加热，按一批次进料，一次进料环戊酮1009.94kg，2-环亚戊基环戊酮69.68kg。本精馏塔采用泡点进料，进料温度135℃。环戊酮的平均比热容为2.11kJ/(kg•℃)，汽化热为440.32kJ/kg。2-环亚戊基环戊酮的平均比热容用Missenard法进行估算为1.58kJ/(kg•℃)，汽化热约为339.5kJ/kg。进料物料所含热量Q1的计算Q=环戊酮所含热量：Q2-环亚戊基环戊酮所含热量：Q物料所含总热量：Q出料物料所含热量Q4的计算环戊酮所含热量：Q2-环亚戊基环戊酮所含热量：Q物料所含总热量：QQ3的计算预热过程中物料气化吸热，Q3取负值。Q=mr环戊酮相变热量：Q2-环亚戊基环戊酮相变热量：Q物料气化总热量：Q损失热量Q5的计算Q预热器提供热量Q3的计算Q导热油循环用量的计算导热油的循环用量为：m=2、冷凝过程冷凝釜冷凝釜液相馏出物（45℃）185冷却水（25℃）185冷却水气相馏出物塔顶馏出液环戊酮DA为1008.84kg，则环戊酮的冷凝液为：(R+1)塔顶馏出液2-环亚戊基环戊酮DB为1.01kg，则2-环亚戊基环戊酮的冷凝液为：(R+1)冷凝过程中物料前后的温度保持不变，只发生了相变，故该冷凝过程物料液化放出的热量就是冷凝过程放出的总热量。1）进料物料