化工設計：第4章 化工工藝計算

第4章

化工工藝計算

4.1

設計計算前的準備工作

4.2物料衡算

4.3能量衡算

4.4化工流程模擬軟件的應用

4.1設計計算前的準備工作

1.

工藝性資料的收集（1）物料衡算提綱。生產(chǎn)步驟和化學反應（包括主、付反應）各步驟所需的原料，中間體規(guī)格和物理化學性質(zhì)成品的規(guī)格和物化性質(zhì)每批加料量或單位時間進料量各生產(chǎn)步驟的產(chǎn)率

（2）工藝流程圖及說明。（3）熱量計算參數(shù)和設備計算數(shù)據(jù)（ΔH、Cp、K、λ、α等）。（4）流體輸送過程參數(shù)（粘度μ、密度ρ、摩擦系數(shù)等）。

（5）傳質(zhì)過程系數(shù)，相平衡數(shù)據(jù)。（6）冷凍過程的熱力學參數(shù)。（7）具體的工藝操作條件（溫度T、壓力P、流量G）（8）介質(zhì)物性和材質(zhì)性能，材質(zhì)數(shù)據(jù)，腐蝕數(shù)據(jù)。（9）車間平立面布置的參考資料。（10）管道設計資料（管道配置、管道材質(zhì)、架設方式、管件、閥件等）（11）環(huán)境保護、安全保護等規(guī)范和資料。2.工程性資料的收集（1）

氣象、地質(zhì)資料（2）

公用工程的消耗量，輔助設施能力（3）

總圖運輸、原料輸送方式、儲存方式（4）

上、下水資料（5）

配電工程資料（6）

儀表自控資料等

（1）科研單位（研究報告）（2）設計單位（設計圖紙、設計說明書）（3）基建單位（廠址方案、基建工程資料和安裝工程資料）>>>

3.資料的來源（4）生產(chǎn)單位（現(xiàn)場操作數(shù)據(jù)和實際的經(jīng)濟技術指標）

車間原始資料、各種生產(chǎn)報表工藝操作規(guī)程設備崗位操作法設備維護檢修規(guī)程及設備維修紀錄卡勞動保護及安全技術規(guī)程車間化驗室的分析研究資料車間實測數(shù)據(jù)工廠科室掌握的技改資料供銷科的產(chǎn)品目錄和樣本財務科的產(chǎn)品原料單耗及成本分析資料全廠職工勞動福利的生活資料（5）可行性研究報告、各國文摘和專利、各類工藝書籍、各類調(diào)查報告、各種化工過程與設備計算等書籍。Perry'sChemicalEngineer'sHandbookIndustrialChemicalsEncyclopediaofChemicalTechnologyHandbookofchemistryandphysics

I.C.T（物性手冊）蘭氏化學手冊化學工程手冊化學工程師手冊化工工藝設計手冊化工工藝算圖4.幾本常用的化工設計資料和手冊

4.2

物料衡算

1.物料衡算能為化工設計提供的基礎數(shù)據(jù)（目的）（1）

物料消耗定額（2）

工藝設備的大小尺寸（3）

管道的大小尺寸（4）

為能量衡算提供基礎數(shù)據(jù)

設計任務書生產(chǎn)量工藝技術條件反應轉(zhuǎn)化率相平衡數(shù)據(jù)等

2.

物料衡算的依據(jù)

進料總量=出料總量+損耗量+積累量對于一個連續(xù)穩(wěn)定過程：進料總量=出料總量+損耗量3.

物料衡算式理論基礎是質(zhì)量守恒

（1）

畫出物料衡算示意圖，注明物料衡算的有關數(shù)據(jù)。（2）

列出反應方程式，識別反應類型。（3）

確定計算基準，選定工藝參數(shù)及計算所必要的數(shù)據(jù)（4）

列出衡算式。（5）

展開計算。將計算結果列出物料衡算表。

4.

物料衡算的基本步驟⑴轉(zhuǎn)化率轉(zhuǎn)化率=⑵選擇性選擇性=xA=β=基本概念⑶收率收率=轉(zhuǎn)化率×選擇性

=ψ=βxA

=⑷限制反應物⑸過量反應物5流程物料衡算的幾個問題（1）計算基準設計過程中各種計算通常以小時或是以設備為單位進行，而設計任務卻是指定年產(chǎn)量，此時應注意計算基準。例1設計一個年產(chǎn)量為10000t（噸）的間歇本體法聚丙烯設備裝置，由二個反應釜并聯(lián)操作，反應釜的操作時間表如下置換0.5h進料0.5h聚合反應5.0h出料1.5h清理0.5h設年操作時為8000小時，消耗定額為1.1t丙烯/聚丙烯，試確定所需反應器的體積和管道的通過能力。

解：每個反應釜的生產(chǎn)能力為5000t/a（年），每批操作周期為8h，故每個反應釜每批的生產(chǎn)量為：5000×8/8000=5t/批在操作狀態(tài)下丙烯的密度為470kg/m3，反應釜的裝填系數(shù)為0.9，則所需反應釜的體積:1.1×5/0.47/0.9=13.0m3進口管道通過能力=每批投料量/進料時間

=1.1×5/0.5=11t/h=23.4m3/h

出口管道的通過能力=5.5/1.5=3.67t/h（2）比率系數(shù)對于一個較復雜過程，開始進行物料衡算時通常不能確切知道每噸產(chǎn)品的原料消耗，可以任意選擇一個進料數(shù)值，例如100kmol/h，待系統(tǒng)計算完成得到產(chǎn)品數(shù)值時，再將各股物料乘該比例系數(shù)。（3）物流的循環(huán)對于轉(zhuǎn)化率較低或有一種反應物過量的反應系統(tǒng)，需將未反應的原料與產(chǎn)物分離后，返回到反應器入口，構成物料循環(huán)。如此，增加了物料衡算的復雜程度。例2：乙烯與氯氣反應生產(chǎn)氯乙烯的過程如下圖Cl2C2H4HClA氯化B次氯化熱裂解CD分離C2H3Cl(VC)x1x2x3在各反應器中發(fā)生如下反應：(A)氯化反應C2H4+Cl2→C2H4Cl2(DCE：二氯乙烷）

DCE收率98%（B)次氯化C2H4+2HCl+0.5O2→C2H4Cl2+H2ODCE以乙烯為基準的收率為95%

以HCl為基準的收率為90%（C)熱裂解C2H4Cl2→C2H3Cl(VC)+HCl

VC的收率為99%，HCl的收率為99.5%

設VC產(chǎn)量為12500kg/h，試求Cl2,C2H4流量及HCl的循環(huán)量。則：x3=0.995(0.98x1+0.95x2)(1)——HCL衡算

0.90x3/2=0.95x2(2)——DCE衡算（次氯化）

0.99(0.98x1+0.95x2)=200(3)——VC衡算聯(lián)立（1）（2）得x2=0.995(0.98x1+0.95x2)×0.9/1.9x2=0.837x1

（4）聯(lián)立（3）（4）x1=113.8x2=95.3因此：Cl2流量=x1=113.8kmol/hC2H4=x1+x2=209.1kmol/hHCl循環(huán)量x3=0.995×(0.98×113.8+0.95×95.3)=201.1kmol/h解（1）：聯(lián)立代數(shù)方程法已知：VC,DCE,HCl分子量分別為62.5,99.0,36.5

設C2H4進入（A）的流量為x1,進入（B）的流量為x2,HCl的循環(huán)量為x3

VC=12500/62.5=200kmol/h迭代步驟為：

1）假設x32）用式0.9x3/2=0.95x20.99(0.98x1+0.95x2)=200

求出x1,x23）將x1,x2代入x3=0.995(0.98x1+0.95x2)方程求出x3’，與初值比較，若誤差已經(jīng)達到收斂指標，則結束計算?，F(xiàn)設x3=150kmol/h，迭代過程各變量值如下迭代次數(shù)x3x2x1x3’115071.055137.2877201.0342201.03495.2298113.8623201.0433201.04395.234113.858201.0434201.043由此可知，迭代4次即可收斂。解（2）直接迭代法設以HCl的循環(huán)量x3作為迭代變量（4）物料的排放物料的排放是為了防止循環(huán)過程中某些組分的積累。例如，合成氨工藝和氫氣循環(huán)使用的加氫工藝。例3有甲苯脫烷基制苯過程，其反應式如下主反應C6H5CH3+H2→C6H6+CH4

副反應2C6H6→(C6H5)2+H2(聯(lián)苯）反應器的進口壓力為3450KPa，為提高選擇性和減輕反應器結焦，氫與甲苯進反應器的分子比為5︰1，當轉(zhuǎn)化率為70%時，選擇性為97.69%，進料氫氣的組成為95%H2，5%CH4。設循環(huán)氣體壓縮機的設備折舊費和操作費用為0.4元/（kw.h)，氫氣的價格為4000元/噸，不計循環(huán)中物料加熱冷卻所需的費用，試確定排放氣體的甲烷濃度。解：根據(jù)題意該過程的流程結構如下：換熱反應壓縮分離氫氣甲苯循環(huán)氣苯聯(lián)苯排放氣1）列出各組分物料平衡方程（1）甲苯FT=PB/SFT,PB

甲苯進料量，苯的產(chǎn)量（2）聯(lián)苯PD==FT(1-S)/2PB(1-S)/2SPD,S聯(lián)苯產(chǎn)量，反應的選擇性（3）氫0.95FG=PB/S-PB(1-S)/2S+YPH×PGYPH

排放氣中的氫含量mol%PG排放氣量

FG氫氣進料量（4）甲烷0.05FG+PB/S=(1-YPH)PG

將（3）+（4）得（5）排放氣量PG=FG+PB(1-S)/2S=FG+PD

以（5）代入（3）得（6）氫氣進料量

（7）循環(huán)氣量：CG=(FT×5/X-FG×0.95)/YPHX轉(zhuǎn)化率CG

循環(huán)量2)設FT=100kmol/h,YPH=40%，求循環(huán)氣量、補充氣量和循環(huán)壓縮機功率

FG=100(1-0.5×0.6×0.0231)/(0.95-0.4)=180.6kmol/hPG=FG+PD=180.6+100(1-0.9769)/2=181.8kmol/hCG=(5×100/0.7-180.6×0.95)/0.4=1356kmol/h設反應器入口至循環(huán)壓縮機進口壓降為450kpa，進口溫度313k，壓縮機出口壓力3500kpa，壓縮過程的多變指數(shù)n=1.4，效率

=0.72，壓縮因子Z=1，則每kmol循環(huán)壓縮機的理論功耗：

W=410.11kJ/kmol故循環(huán)壓縮機理論功耗

W×CG=1356×410.11=5.56×106kJ/h=154.5kw.h實際功耗

W×CG/=154.5/0.72=214.5kw.h3)計算各種YPH下的氫氣成本和操作費用YPH0.050.10.20.40.60.8氫氣成本958.310151152144524805800操作費用771.6318.9106.285.846.86.5總費用1729.91396.91258.21530.82226.85806.5（5）化學計量學反應物系中各組分的反應量必須服從一定的化學計量關系，這不僅是進行反應器物料衡算的基礎，而且對確定反應器的進料配比、工藝流程的安排具有重要意義。步驟寫出化學反應方程式列出化學計量系數(shù)矩陣求出矩陣的秩確定獨立反應數(shù)和關鍵組分數(shù)對關鍵組分進行物料衡算例4苯與乙烯在一絕熱反應器中進行氣相烷基化反應，發(fā)生的主要反應有：

C6H6(A)+C2H4(B)→C6H5C2H5(C)C6H5C2H5(C)+C2H4(B)→C6H5(C2H5)2(D)C6H5(C2H5)2(D)+C6H6(A)→2C6H5C2H5(C)C6H5C2H5(C)→C6H5(CH3)2(E)已知某中試反應器乙烯的進料量為12.5kg/h，苯進料量為255kg/h，反應產(chǎn)物經(jīng)精餾分離，未反應的乙烯作為尾氣排放。對液相產(chǎn)物分析表明，每小時苯的出料量為224kg/h，乙苯的出料量37.2kg/h，二乙苯的出料量為5.9kg/h，請計算乙烯的轉(zhuǎn)化率，以及乙烯生成乙苯的選擇性。解：首先列出化學計量系數(shù)矩陣，通過線性變換確定秩。ABCDE-1-11000-1-110-102-1000-101-1-11000-1-1100000000-101

可見反應體系的獨立反應數(shù)為3，三個獨立反應可選為

C6H6+C2H4→C6H5C2H5C6H5C2H5+C2H4→C6H5(C2H5)2

C6H5C2H5→C6H5(CH3)2選擇苯、乙苯、二乙苯為關鍵組分，三關鍵組分的反應量為苯：△N苯

=224-255=-31kg/h=-0.397kmol/h

乙苯：△N乙苯

=37.2kg/h=0.351kmol/h

二乙苯：△N二乙苯

=5.9kg/h=0.044kmol/h由獨立化學反應計量方程可求得乙烯的反應量：△N乙烯

=△N苯

-△N二乙苯

=-0.397–0.044=-0.441kmol=12.35kg/h乙烯的轉(zhuǎn)化率為

x=12.35/12.5=98.8%乙烯生成乙苯的選擇性

B=0.351/0.441=79.6%生成二甲苯的量也可由化學計量方程求得（苯環(huán)守恒）△N二甲苯=-△N苯-△N乙苯-△N二乙苯

=0.397–0.351–0.044=0.002kmol/h=0.212kg/h課堂作業(yè)：利用聯(lián)系物作物料衡算某廠用空氣氧化鄰二甲苯生產(chǎn)苯酐。原料流量為：205kg/h鄰二甲苯，4500m3(STP)/h空氣。從反應的化學計量關系可知，生成1mol的苯酐消耗1mol的鄰二甲苯。經(jīng)檢測得反應器出口氣體組成如下表：組分苯酐(主產(chǎn)物）順酐（副產(chǎn)物）鄰二甲苯O2N2其它合計％(mol)0.650.040.0316.58784.7100

試計算：鄰二甲苯的轉(zhuǎn)化率，苯酐的收率、反應的選擇性；苯酐的年產(chǎn)量(年工作日設為330天)、

注：鄰二甲苯的分子量為106鄰苯二甲酸酐（苯酐）馬來酸酐（順酐）空氣：4500m3/hr=4500/22.4kmol/hr=200.9kmol/hrN2:200.9*0.79=158.71kmol/hr鄰二甲苯：205/106=1.934kmol/hr出口氣體:158.71/0.78=203.5kmol/h鄰二甲苯轉(zhuǎn)化率：(1.934-0.0003*203.5)/1.934*100%=96.84%苯酐的收率：

203.5*0.0065/(1.934-0.0003*203.5)*100%=68.39%苯酐選擇性：68.39/96.84*100%=70.62%苯酐產(chǎn)量：1.934*0.6839*148*24*330/1000=1550.6t

4.3能量衡算

1.在化工生產(chǎn)中，需要通過能量衡算解決的問題：（1）確定物料輸送機械和其他操作機械所需功率。（2）確定各單元過程所需熱量或冷量及其傳遞速率。（3）化學反應所需的放熱速率和供熱速率。（4）充分利用余熱的綜合利用。4.3.1熱量衡算的基本方法2.熱量衡算的基本關系式

對于連續(xù)流動系統(tǒng)：

等壓時也可以通過熱容計算：

最小分離功

Wmin=-RT∑Xj,fln(

j,f·Xj,f)凈功耗

3、能量衡算的基準數(shù)量上的基準以物料的量或者時間為基準物料焓的基準態(tài)不同的物料可使用不同的基準態(tài)，但是同一物料必須使用相同的基準態(tài)。4.3.2能量衡算中使用的基本數(shù)據(jù)熱容焓相變熱反應熱溶解熱

1.熱容的計算(1)

經(jīng)驗公式（多項式）或

式中：為經(jīng)驗常數(shù)

（2）平均熱容

如果已知Cp則焓變可由下式算得

熱容的估算：（1）柯普（Koop）規(guī)則

1mol化合物的總熱容近似地等于化合物以原子形式存在的元素熱容的總和。

（2）混合物熱容的估算對于已知組成的混合物，可用下式估算它的熱容：

式中：—混合物的熱容；—純組分i的熱容；

—組分i的質(zhì)量分數(shù)或物質(zhì)的百分數(shù)量。

2、焓焓的數(shù)據(jù)的獲?。豪硐霘怏w焓表某些理想氣體焓的多項式熱力學圖表飽和蒸汽物性參數(shù)表3、相變熱

(1)汽化潛熱恒溫恒壓

(2)融化潛熱恒溫恒壓

(3)升華潛熱恒溫恒壓相變潛熱的估算方法：1)特魯頓（Trouton）規(guī)則

式中Tb為液體的正常沸點（非極性溶液）（水、低分子醇類）

2)

襖森（Watson）關系式已知的值來估算其他任何溫度的值

為物質(zhì)的臨界溫度。

3)

陳氏（Chen）方程式為正常沸點℃為臨界溫度（K）為臨界壓力（atm）

4)計算近似標準融化熱的陳氏方程式

（金屬類元素）（無機化合物）（有機化合物）4、反應熱根據(jù)參與反應的各物質(zhì)的標準生成焓計算：5、溶解熱積分溶解熱每mol溶質(zhì)溶解于一定量溶劑形成組成為x的溶液時的總熱效應（即累計的熱量）加水累計量/mol012345678910形成的溶液組成molH2O/molH2SO4012345678910放熱累計量029.2541.8448.9553.5656.9059.4162.7664.4368.2071.5576.15微分溶解熱微分溶解熱指每kmol（或kg）溶質(zhì)溶解于含量為x的無限多溶液中（即溶解后溶液的含量仍可視為x）時所釋放出的熱量，以KJ/Kmol表示4.3.3能量衡算的基本過程

(1)按題意繪出簡略流程圖，并在圖上標明已知條件。

(2)

選擇組分焓計算基準的狀態(tài)及溫度。

(3)

列出能量衡算方程式。

(4)

查表或計算求得，再求得。

(5)

將有關數(shù)據(jù)代入能量衡算方程式計算

(6)

作輸入、輸出表。熱量衡算實例一個節(jié)熱器（廢熱回收器）的熱量衡算在煙道中引入一個節(jié)熱蛇管以回收煙道氣的廢熱，煙道氣溫度為T1為250℃，流率為1800kg/h，蛇管內(nèi)通入TL＝15℃的水，希望換熱后產(chǎn)生TS＝120℃的飽和蒸汽。流程如右圖，給定數(shù)據(jù)如下：焓計算的基準溫度取0℃，15℃液態(tài)水焓H1=65kJ/kg，120℃液態(tài)水焓HL=500kJ/kg，120℃汽態(tài)水焓HV=2700kJ/kg，25～250℃范圍內(nèi)，煙道氣體平均比熱為0.9kJ/(kg*K)試求節(jié)熱器的最大蒸汽發(fā)生量以及相應的煙道尾氣溫度Ta，如果維持最小溫差為20℃，可發(fā)生多少蒸汽？煙道氣煙道氣鍋爐進水蒸汽15℃120

℃250℃1800kg/ｈ解：最大蒸汽發(fā)生量出現(xiàn)在冷、熱介質(zhì)溫度分布曲線的交點處（最小溫差為零），即：FCp（T1－TS）＝M（HV－HL）1800×0.9×（250－120）＝M×（2700－500）

M＝95.73kg/hFCp（TS－Ta）＝M（HL－H1）1800×0.9×（120－Ta）＝95.73×（500－65）Ta＝94.3℃熱量衡算實例Q/(kJ/h)T/℃TS=120℃T1=250℃15℃Ta預熱汽化解：最大蒸汽發(fā)生量出現(xiàn)在冷、熱介質(zhì)溫度分布曲線的交點處（最小溫差為零），即：FCp（T1－TS－20）＝M（HV－HL）1800×0.9×（250－120－20）＝M×（2700－500）

M＝81kg/hFCp（TS＋20－Ta）＝M（HL－H1）1800×0.9×（140－Ta）＝81×（500－65）Ta＝118.25℃熱量衡算實例Q/(kJ/h)T/℃TS=120℃T1=250℃15℃Ta預熱汽化140℃4.3.4載熱劑的選擇能達到足夠的溫度化學穩(wěn)定性高對設備無腐蝕作用熱容量大潛熱大無火災和爆炸危險無毒價格低廉常用載熱劑序號名稱使用溫度范圍，℃1熱水40～1002飽和蒸汽100～1803過熱蒸汽180～3004導熱油180～2505道生液180～2506道生蒸汽250～3507煙道氣500～10008電加熱5009熔鹽400