生产管理知识_甲苯加氢生产甲基环己烷中试工艺设计

湖南理工学院南湖学院毕业论文第一章 引言1.1概 述1.1.1甲基环己烷物理性质及用途甲基环已烷（Methyl cyclohexane）CH3C6H11，98.2g/mol，含量99.5%，熔点()：-126.4，密度（水=1）：0.79，沸点()：100.3，对蒸气密度（空气=1）：3.39，饱和蒸汽压（kPa）5.33(22),燃烧热(kJ/mol)：4563.7，临界温度()：299.1，临界压力(MPa)：3.48，闪点()：-3.8，爆炸上限%(V/V)：6.7，引燃温度()：250，爆炸下限%(V/V)：1.2，溶解性：不溶于水，溶于乙醇、乙醚、丙酮、苯、石油醚、四氯化碳等。本品为无色液体，有特殊香味。甲基环己烷对酸、碱比较稳定。在三氯化铝作用下异构化为乙基环戊烷和二甲基环戊烷。在紫外光或过氧化物存在下能发生氧化反应。在催化剂存在条件下发生脱氢反应生成甲苯。不溶于水，能与丙酮、苯、乙醚、四氯化碳、乙醇、高级醇相混溶。在室内装修中，不为国家限制级有机溶剂，环保效果较苯要好。甲基环己烷是重要的有机溶剂和萃取剂，可用作橡胶、涂料、清漆用溶剂，用作油脂萃取剂等。甲基环己烷可用于有机合成，作溶剂及分析试剂。除此之外甲基环己烷也可用作校正温度计的标准物。涂改液一般也是以甲基环己烷做为主要成分。1.1.2 生产方法在150、约11MPa压力下加氢反应5h，加得到较纯的甲基环已烷。精制时可用浓硫酸、水、5%氢氧化钠溶液和水依次洗涤，用脱水剂干燥，最后进行蒸馏而得成品。 Antonie 方程： (200.0kpa以下适用)相法，而西欧和日本主要采用液相法。生产工艺：由甲苯加氢制得，反应式如下：上述反应温度为150，压力约1.3MPa，经加氢5h，可得到较纯的甲基环已烷；再经浓硫酸、水和5%氢氧化钠溶液和水，依次洗涤，脱水剂干燥最后进行蒸馏而得成品。1.1.3 烷毒性及防护毒性：属低毒类。 急性毒性：LDmg/kg(小鼠经口)；LCmg/m3，2小时(小鼠吸入) 亚急性和慢性毒性：兔暴露于40g/m3，6小时/天，每周5天，2周后全部死亡；13.3g/m3，10周共300小时，出现肝肾轻微损害。 危险特性：其蒸气与空气可形成爆炸性混合物。遇热源和明火有燃烧爆炸的危险。与氧化剂能发生强烈反应，引起燃烧或爆炸。在火场中，受热的容器有爆炸危险。高速冲击、流动、激荡后可因产生静电火花放电引起燃烧爆炸。其蒸气比空气重，能在较低处扩散到相当远的地方，遇明火会引着回燃。 燃烧(分解)产物：一氧化碳、二氧化碳。皮肤接触能引起红肿、皲裂、溃疡等。兔经口致死量为4.04.5g/Kg。当吸入甲基环己烷浓度达60g/m3时出现抽搐、呼吸困难、流涎及结膜充血，70min死亡。工作场所最高容许浓度为500ppm（美国）。生产车间有良好的通风，设备应密闭。操作人员应穿戴防护用具。急救措施：皮肤接触：立即脱去污染的衣着，用肥皂水和清水彻底冲洗皮肤。就医。眼睛接触：提起眼睑，用流动清水或生理盐水冲洗。就医。吸入：迅速脱离现场至空气新鲜处。保持呼吸道通畅。如呼吸困难，给输氧。如呼吸停止，立即进行人工呼吸。就医。食入：饮足量温水，催吐。就医。1.1.4储运包装标志： 易燃液体； 包装方法： （）类，玻璃瓶外要用木箱或钨塑箱加固或桶装； 操作注意事项：密闭操作，全面通风。操作人员必须经过专门培训，严格遵守操作规程。建议操作人员佩戴过滤式防毒面具（半面罩），穿防静电工作服，戴橡胶耐油手套。远离火种、热源，工作场所严禁吸烟。使用防爆型的通风系统和设备。防止蒸气泄漏到工作场所空气中。避免与氧化剂接触。灌装时应控制流速，且有接地装置，防止静电积聚。配备相应品种和数量的消防器材及泄漏应急处理设备。倒空的容器可能残留有害物。储存注意事项：储存于阴凉、通风的库房。远离火种、热源。库温不宜超过30。保持容器密封。应与氧化剂分开存放，切忌混储。采用防爆型照明、通风设施。禁止使用易产生火花的机械设备和工具。储区应备有泄漏应急处理设备和合适的收容材料。泄露处理： 首先切断一切火源，戴好防毒面具与手套，用不燃性分散剂制成乳液刷洗，如无分散剂可用砂土吸收，倒到空旷地掩埋，受污染的地方用肥皂或洗涤剂刷洗，经稀释后，污水放入废水系统，大面积泄露周围应设雾状水幕抑爆。1.1.5主要技术指针表1-1 甲基环己烷的技术指针主要技术指针参 考测 量 值合格测量仪器或方法含量( %，)9899.9Y气相色谱仪相对密度(20)0.769370.77Y密度计折射率(20/25)1.423121.4231Y阿贝折射仪沸点(101.3kPa,)100.934101Y毛细管测定法馏程( %, )98-10499-102Y蒸馏法酸度(以乙酸计)0.0030.001YGB97361.2文献综述 设计过程中主要以高等学校毕业设计(论文)指导手册为主，结合指导老师提出的毕业设计的要求（掌握化工生产过程设计的基本要求及主要内容；掌握设计原则，了解工厂与车间布置内容，厂址选择的方法和应遵循的原则; 论证设计方案，确定设计流程及方法，掌握化工过程物料衡算，能量衡算，以及主要工艺设备（反应器、分离设备、换热设备等）计算原理和方法；基本掌握过程和设备的物料参数（如温度、压力、流量等）控制指标的确定方法和控制方案；掌握绘制物料流程图，带控制点的流程图和主要设备图的要求和标准；初步掌握撰写设计说明书的基本内容和要求。），我们翻阅了大量国内外期刊和有关图书，进而了解到氢能极有可能成为21世纪的主要能源。有关氢能技术的研究的近年来取得了可喜的进展，但仍有不少技术问题需要研究，储氢技术便是其中的一个难点课题。氢能的储存比汽油、柴油、煤炭等常规能源困难得多。有机液体氢化物储氢作为一种新型储氢技术，具有储氢量大、储存设施简便、维护保养安全而方便等优点，国内外都非常重视这项技术的研究。有机液体氢化物储氢是借助不饱和液体有机物与氢的一对可逆反应（即加氢反应和脱氢反应）实现的，加氢反应实现氢的储存，脱氢反应实现氢的释放。不饱和有机液体化合物作储氢剂，可循环使用，烯烃、炔烃、芳烃等不饱和液体有机化合物均可作储氢材料，但从储氢过程的能耗、储氢量、储氢剂物性等方面考虑，以芳烃特别是单环芳烃作储氢剂最佳其中甲苯是比较理想的储氢材料。甲苯加氢的机理及动力学研究已有报道。另外，甲基环已烷是重要的有机溶剂及萃取剂，广泛用于橡胶、涂料、清漆、油脂等行业，也用于色谱淋洗剂、标准物等。随着职业安全和环保要求的日趋严格，各种芳烃、非芳烃纯溶剂和窄镏程、用途专一的镏份溶剂油将是溶剂市场的发展方向。以甲苯为原料生产甲基环已烷纯溶剂，或将甲基环已烷与现有的溶剂油产品调合，生产窄镏程、用途专一的溶剂油将会提升现有产品的附加值，满足溶剂市场的需要。1.3 设计任务的依据或项目来源中国石化长岭分公司研究院对自制的甲苯加氢催化剂时行了试验和评价，摸索出在绝热环境的反应条件。由于实验室研究的条件局限性，该催化剂应用至工业生产之前，仍需对于催化剂的耐热性，反应器的形式，生产工艺及其操作条件进行中试规模的实验。因此提出建设3000t/a甲苯加氢生产甲基环已烷中试装置。既为工业规模生产装置摸索生产条件，积累生产经验，也是市场提供附加值较高的甲基环已烷纯溶剂产品。1.4 原材料及公用物料规格1.4.1原材料1.4.1.1甲苯A物性及用途甲基苯 C6H5CH3 别名甲苯，为无色透明易燃液体。有苯样气味。有强折光性。能与乙醇、乙醚、丙酮、氯仿、二硫化碳和冰乙酸混溶，极微溶于水。相对密度0.866。凝固点-95。沸点110.6。折光率1.4967。闪点（闭杯） 4.4。易燃。蒸气能与空气形成爆炸性混合物，爆炸极限1.2%7.0%（体积）。低毒，半数致死量（大鼠，经口）5000mg/kg。高浓度气体有麻醉性。有刺激性。甲苯大量用作溶剂和高辛烷值汽油添加剂，也是有机化工的重要原料，但与同时从煤和石油得到的苯和二甲苯相比，目前的产量相对过剩，因此相当数量的甲苯用于脱烷基制苯或岐化制二甲苯。甲苯衍生的一系列中间体，广泛用于染料；医药；农药；火炸药；助剂；香料等精细化学品的生产，也用于合成材料工业。甲苯进行侧链氯化得到的一氯苄；二氯苄和三氯苄，包括它们的衍生物苯甲醇；苯甲醛和苯甲酰氯（一般也从苯甲酸光气化得到），在医药；农药；染料，特别是香料合成中应用广泛。甲苯的环氯化产物是农药；医药；染料的中间体。甲苯氧化得到苯甲酸，是重要的食品防腐剂（主要使用其钠盐），也用作有机合成的中间体。甲苯及苯衍生物经磺化制得的中间体，包括对甲苯磺酸及其钠盐；CLT酸；甲苯-2,4-二磺酸；苯甲醛-2,4-二磺酸；甲苯磺酰氯等，用于洗涤剂添加剂，化肥防结块添加剂；有机颜料；医药；染料的生产。甲苯硝化制得大量的中间体。可衍生得到很多最终产品，其中在聚氨酯制品；染料和有机颜料；橡胶助剂；医药；炸药等方面最为重要。B毒性及防护本品具有中等毒性，对皮肤和粘膜刺激性大，对神经系统作用比苯强，但因甲苯最初被氧化生成苯甲酸，对血液有较大毒害。对小鼠致死浓度为3035mol/L。C包装及贮运槽车或160kg铁桶包装。包装上应有明显的“易燃物品”和“有毒品”的标志。属一级易燃液体。危规编号61039.应贮存于阴凉、通风的库房中，远离火种、热源，最高仓温不宜超过30，防止阳光直射。应与氧化剂隔离存放。搬运时轻装轻卸，防止包装破损。D质量指标质量指标满足GB3406-90石油甲苯标准的要求，主要指标见表（1-3）：表1-2原料甲苯的主要指标项目质量指标GB3406试验方法优级品一级品外观透明，无不溶于水及机械杂质密度（20），kg/ cm3865868 865868GB/T2013酸洗比色 不深于24GB/T2012总硫含量，mg/kg 不大于22GB/T0253颜色（HaZen）不深于2020GB/T3143蒸发残余物，mg/100ml55GB/T3209中性试验中性中性GB/T1816烃类含杂质量苯含量,%(m/m) 不大于碳八芳烃含量,%(m/m) 不大于非芳烃含量,%(m/m) 不大于0.050.050.200. 10. 10. 25GB/T31441.4.1.2 氢 气组分 H2N2压力体积分数（%） 93%(V) 3.25%(V) 1.3MPa1.4.2公用物料1.4.2.1 蒸 汽 压力 温度 1.1MPa 2301.4.2.2 软 水电阻率压力温度1105欧/cm0.3 MPa环境温度(25)1.4.2.3 新鲜水压力温度0.5MPa环境温度(25)1.4.2.4循环冷却水污垢系数0.0006m2K/W Cl 100mg/LpH值7.58.5供水压力0.55MPa回水压力0.33MPa供水温度33回水温度401.4.2.5氮 气N298.5%(V)O210ppm(v)油含量无CO 无压力0.5MPa温度 401.4.2.6仪表空气 质量无油无尘露点-40(在0.7MPa)压力0.5MPa温度401.4.2.7 装置空气质量无油无尘露点-25(在0.7MPa下)压力0.5MPa温度401.4.2.8电380V/220V+10%，50HN+1%，TN-C系统，中性点接地与PE线合为一根。第二章 过程说明2.1 反应方程式：2.2 反应过程的分析 甲苯加氢已是一个成熟技术，有关反应机理及动力学研究都有了少的报道。从实验的角度来讲，其动力学不存在问题；下面就仅从热力学上分析其可行性,由于G0 ，说明反应是自发的，热力学分析的结论也是可行的，反应温度低时，由于受动力学控制，甲苯转化率不高；反应温度升高，反应速率加快。甲苯加氢是强放热反应，高温将降低平衡转化率。实验表明在130170温度下，甲苯转化率达96%以上。从工程上来讲，要求原来的甲苯加氢变为气相反应，甲苯不是在常态下，所以温度还要升高，并且要有一定的压力，反应的正方向是体积缩小的，压力加大促使反应向正方向进行，参考经验值，经实际工艺校核，确定反应温度为200220，压力为1.0MPaG。催化剂在此工程反应上是一个最重要的原因，取液相空速0.6h-1 ，结合物料的体积流量，得出催化剂的体积，进而核算反应器的公称尺寸。整个过程就围绕这个反应需要的条件而展开核算的。甲苯加氢催化剂小试是在绝热条件下进行的。由于甲苯加氢反应的放热量较大（约高于苯加氢反应），因此，中试装置由于规模的扩大，反应热的移去成为关键问题。为了解决反应热的导出问题，中试装置选择非绝热列管式固定床反应器，进行甲苯气相加氢反应，并通过付产蒸汽移出反应热量的工艺流程。 与绝热固定床反应器的流程相比，中试装置的工艺流程具有以下特点：1. 反应温度易于调节控制；2. 反应热付产蒸汽，不需要靠氢气循环带出热量，因而装置的能量消耗较代低；3. 由于反应易于平稳控制，因而产品的质量比较稳定，催化剂使用周期延长。2.3 流程简述从界区外来的甲苯进入T-101甲苯槽，经过P-101泵送，并与氢气流量比值调节计量后进入预热器。在E-101预热器内，用蒸汽或付产蒸汽预热甲苯，再进入E-102汽化器用蒸汽加热汽化。 从界区外送入的氢气经过压力调节进入V-105氢气缓冲罐，经氢气缓冲罐后送出的氢气，经流量调节后进入E-103换热器，在换热器内与高温的反应气体换热。被加热后的氢气进入汽化器内，与甲苯气体混合，并加热至反应温度后进入R-101加氢反应器。氢气与甲苯的摩尔比控制在3.23.5左右。 在加氢反应器内，甲苯与氢气在催化剂作用下反应100%转化，生成甲基环已烷，选择性达99.95%以上。加氢反应产生热量靠反应器壳程付产0.9MPa.G的蒸汽移出，付产蒸汽需要的热水由V-102热水罐和P-102热水泵提供，热水的加入量通过V-101汽水分离器的液位调节控制。 从加氢反应器出来的反应气体，在换热器内与新鲜氢气换热，反应气体被冷却后，进入冷凝器E-104。气体中的甲基环已烷产品经循环水冷凝冷却进入V-104烷中间槽，烷中间槽的成品靠系统的压力，通过液位调节送入T-101成品槽，并自流送至界外的灌装设施，装桶外售。 由冷凝器排出的不凝气体含有氢气和C1C5烷烃，送至工厂现有的瓦斯气燃料系统。 工艺流程详见附图2。2.4 自控水平 本项目为3000t/a甲苯加氢生产甲基环已烷中试装置，其控制系统利用在建的原科研实验装置的PLC系统。根据新增控制点数需对原系统进行扩容改造，将新增的控制回路纳入其系统内。整个工程的控制水平保持在同类装置的中等水平上。2.5 主要的控制方式及回路 本工程内多数控制回路为简单控制回路。下面仅就甲苯流量与氢气流量比值调节系统作一介绍： 甲苯流量与氢气流量比值调节回路主回路测量值取甲苯流量信号，调节器的输出分别控制甲苯泵P-101a/b变频器的转速，控制甲苯流量衡定。流量信号经比值运算后作为氢气流量调节器的外给定值。2.6 设备布置说明2.6.1 工艺设备的选择中试装置共需各类工艺设备19台；其中反应器1台，换热器4台，容器8台，机泵6 台，非标设备金属总重约21吨。个别工艺设备明细详见附表。2.6.2 现场主要设置布置说明中试装置拟建于原科研试验装置区域内。原试验装置东南西三面毗邻厂内道路，北面变配电室和仪表室，整个区域为方形，大小约5040m。新老装置防火等级均为甲类。根据石油化工企业防火设计规范，由于新老装置工艺流程和生产性质不同，不能视为联合装置而贴邻布置。石油化工企业防火设计规范规定，甲类工艺装置之间的防火间距为30m。设备的平面布置以标高EL0.000, EL5.500，EL7.800，EL13.0000分为三个层次；竖直面以1-1，2-2两个剖面将其剖开，主要设备的相对位置就比较清楚了，以图面的方向自南向北：甲苯槽T-101，成品槽T-102a/b位于同一水平位置，处在最前面；在1-1剖面上有甲苯加料泵P-101a/b,热水泵P-102a/b，热水循环泵P-103a/b预热器V-102，换热器E-103，冷凝器E-104，汽水分离器V-101,热水槽V-102，尾气缓冲器V-103；在2-2剖面上有加氢反应器R-101，汽化器E-102,烷中间罐V-104,氢气缓冲罐V-105；T-101，T-102a/b在地面上，所有的泵都在地面上，另外E-102,V-104,V-105着地，其余设备都悬空。以EL5.500截断看第一层的府视图，图面上有T-101,T-102ab,P-101ab, P-102ab, P-103ab, R-101, E-101, E-102, E-103, V-104, V-105;以EL5.500到EL7.800作为第二层，府视图上可看到：R-101,V-101,V-102,E-101,E-103; 以EL7.800到EL13.000作为第三层，府视图面上有：R-101,V-101,V-103,E-104.平竖面布图详见附图4。第三章 工艺计算书3.1 设计条件生产能力：年产甲基环己烷3000吨，年操作时间7200小时。原料气的组成：组分氮气氢气甲苯杂质合计摩尔分数%5.4672.5121.970.06100反应器入口气：甲苯，氢气，氮气，杂质反应操作压力：1.1MPa新鲜气温度：253.2 物料衡算对于任何一个化工工艺设计，无论规模大小，过程复杂与否，都必须进行物料衡算。物料衡算是化工工艺设计中最基本最重要的内容之一。物料衡算的理论依据是质量守恒定律。对于某一个体系，或者是任何一个化工工艺过程，不论是物理加工过程还是化学加工过程，也不论是总过程还是单元过程，都是根据质量守恒定律进行平衡计算的。即进入一个装置的全部物料质量必等于离开这个装置的全部物料的质量，再加上损失掉的和系统内积累起来的物料的质量。如果把损失的物料合并到输出物料量当中，物料衡算可用下式表示： (3-1) 输入 = 输出 + 积累对于有化学反应过程的物料平衡是根据反应平衡方程式的化学计量关系进行的，实际也服从于质量守衡定律的，因为对于参与反应的任何组分也必然服从于质量平衡。但要注意物料物质的量（mol）不一定守恒，另外实际上的物料平衡要考虑到开始的物料组成和最后的产品组成，还要考虑组分的过剩量、转化率以及原料和产品的损失等。因此其衡算式成为：输入物料量反应生成或消耗的物料的量 = 输出物料量 + 积累物料量积累物料量表示体系内物料量随时间变化时所增加或减少的量。 对于多数化工过程都是连续的，而且在正常操作时是稳定状态，因此体系内无物料积累，可视积累项等于零。所以衡算式可写成： (3-2)3.2.1 物料流程示意图整个过程的物料流向如图3-1所示甲苯1预热气化反应器换热器氢气成品罐冷凝器尾气23456879图 3-13.2.2 物料的衡算以下计算过程都以1甲苯为参照，时间取1h 为基准。并结合物料流程示意图对各点进行了详细计算。3.2.2.1 全过程的物料衡算 反应过程中N2的量始终不变，新鲜氢气中氢气的含量R93%（）和尾气中的氢气含量 55%（）都可以测到。所以过程的衡算就以N2为基准，甲苯取原材料中的优级品。设与1甲苯反应需要氢气的量为N ；反应进气中N2的量：尾气中N2的量：即 = (3-3)整理得：代入数据得：纯甲苯的物料流量为4.2120,氢气的流量应为13.8996.3.2.2.2 参照物料流程图，对各控制点的物料衡算（1）. 反应器入口气的组成（%）（3点） 进口气中甲苯的流量：4.2120;烃类杂质流量：4.2120/99.7%0.3% = 0.0127;进气中氢气的流量：4.21203.3 = 13.8996;进气中氮气的流量：4.2120/21.97%5.46% = 1.0468;反应器入口气总的流量：4.2120+0.0127+13.8996+1.0468 =19.1711;y3,甲苯 =4.2120/19.1711100% = 21.97%;y3,氢气 =13.8996/19.1711100% = 72.5%;y3,氮气 =1.0468/19.1711100% = 5.46%;y 3,杂质 =0.0127/19.1711100% = 0.066%;反应器入口气组成列表如下：表 3-1 反应器入口气摩尔百分比组成甲 苯氢 气氮 气杂 质合 计%() 21.9772.55.460.066100（2）.反应器出口气组成 （%）(4,7点)反应的转化率为100%，甲苯全部变为甲基环已烷；甲基环已烷的流量：4.2120;剩余氢气的流量：1.2635;氮气的流量：1.0468;烃杂质的流量：0.0127;反应器出口气总量：4.2120+1.2635+1.0468+0.0127 = 6.535y4,甲环 = y7,甲环=4.2120/6.535100% = 64.45%;y4,氢气 = y7,氢气= 1.2635/6.535100% = 19.33;y4,氮气 = y7,氮气=1.0468/6.535100% = 16.48%;y4,杂质 = y7,杂质=0.0127/6.535100% = 0.19%反应器出口气组成见表（3-2）：表 3-2 反应器出口气摩尔百分比组成甲 环氢 气氮 气杂 质合 计%（）64.4519.3316.480.19100（3）甲苯入气化器的组成 （%）(1,2,8点) 甲苯流量：4.2120; 烃类杂质的流量：0.0127; 甲苯原料气总量：4.2120+0.0127 = 4.2247; y1,甲苯 = y2,甲苯= y8,甲苯 = 4.2120/4.2247100% = 99.7%; y1,杂质 = y2,杂质= y8,杂质 = 0.0127/4.2120100% = 0.3%;甲苯入汽化器组成见表（3-3）：表 3-3 原料甲苯的组成组成甲苯杂质合计%（） 99.7 0.3100（4）.氢气入气化器的组成 （%）(5,6点) 氢气流量：13.8996; 氮气流量：1.0468; 氢气源料气总流量：13.8996+1.0468 = 14.9464; y5,氢气 = y6,氢气= 13.8996/14.9464100% = 93%; y5,氮气 = y6,氮气= 1.0468/14.9464100% = 7%;氢气入汽化器组成见表（3-4）：表 3-4 原料气氢气的组成组成氢气氮气合计 %（） 93 7 100（5）.尾气的物料组成 （%）(9点) 氢气的流量：1.2635; 氮气的流量：1.0468;尾气物料总流量：1.2635+1.0468 = 2.3103; y9,氢气 =1.2635/2.3103100% = 54.69%; y9,氮气 =1.0468/2.3103100% = 44.31%尾气组成见表（3-5）：表 3-5 尾气的成分组成氢气氮气合计%()54.6944.31100 各控制点物料组成及摩尔百分含量总表见附图13.3 能量衡算 能量的消耗是化工生产中的一项重要指标。任何化工生产都必然要消耗能量。因此它是衡量工艺流程、设备设计和操作制度是否先进的主要指标之一。在物料衡算之后，工艺过程涉及能耗时必须进行能量衡算。能量衡算的理论依据是热力学第一定律，即能量守衡定律： (3-4)即 输入 = 输出 + 损失对于某些单元设备的热量衡算，热平衡方程式可写成如下形式： Q1 + Q2 + Q3 = Q 4+ Q5+ Q6 (3-5)式中：Q1 - 各股物料带入设备的热量； Q2 - 由加热剂传递给设备和物料的热量； Q3 - 过程的各种热效应，如反应热、溶解热等； Q4 - 各股物料带出设备的热量； Q5 - 消耗在加热设备上的热量；或可能是气体产物冷凝传出的热量； Q6 - 设备向外界环境散失的热量 根据已知条件和物料衡算结果，对系统中几个重要设备进行能量衡算。回路中有预热器、气化器、加氢反应器、换热器、冷凝器等。预热器开始对以上提到的设备进行能量衡算。3.3.1 预热器能量衡算 能量衡算示意图（3-2）： 图 3-2热平衡式： Q1 + Q3 = Q2 + Q4 （3-6）查化学工业出版社出版的化学工程手册_化工基础数据第一篇得以下数据：Hr,H2O,179 = 481.6 = 36.41Cp,甲苯,25 = 0.41 = 0.169Cp,甲苯,130 = 0.52 = 0.214Q1, Q2 为潜热，Q3, Q4为显热；Q1 - Q2 = NH2O Hr,H2O,179 Q3 = N甲苯 Cp,甲苯,25T1Q4 = N甲苯 Cp,甲苯,130 T2Q1 - 蒸汽带入预热器的热量，；Q2 - 饱和水出预热器带走的热量，；Q3 - 甲苯进入预热器带入的热量，；Q4 - 甲苯出预热器带走的热量，；NH2O - 饱和水蒸汽的量，T1 - 甲苯进入预热器的温度，25；T2 - 甲苯出预热器的温度，130由热平衡式变换得：Q1 - Q2 = Q4 Q3代入数据算得：NH2O = 3.1363.3.2 汽化器热量衡算能量衡算示意图(3-3)：图 3-3热平衡式： Q1 + Q3 + Q5 = Q2 + Q4 + Q6 （3-7）查化学工业出版社出版的化学工程手册_化工基础数据第一篇得以下数据：Hr,H2O,230 = 900= 68.04 Cp,H2,130 =3.50= 0.0294Cp,H2,180 = 3.55= 0.0298 Q5, Q6 为潜热，Q1, Q2为显热, ，Q3, Q4既有显热又有潜热；Q5 Q6 = NH2O Hr,H2O,230 Q1 = NH2 Cp,H2,130 T1=.8 Q2= NH2Cp,H2,180 T2=.7Q1 - 氢气进入汽化器带入的热量，；Q2 - 氢气出汽化器事走的热量，；Q5 - 230的水蒸汽进入汽化器带入的热量，；Q6 - 230的饱和水出汽化器带走的热量，；T1 - 氢气进入汽化器的温度，130；T2 - 氢气出汽化器的温度，180要求Q3, Q4首先要判断甲苯汽化的温度点参考化学工业出版社出版的化学工程手册_化工基础数据中的kirchhoff法： （3-8） （3-9）式中 Pvp-在T温度下的蒸汽压，mmHg；Tb - 常压下的沸点，K；Tc - 临界温度，K；Pc - 临界压力，atm通过kirchhoff法判断，甲苯在150汽化，甲苯放出的热量通过设定下面的过程图（3-4）来求取：图 3-4查1980年化学工业出版社出版的化工工艺设计手册第一篇，上册得以下数据：Hv,甲苯,150 =80 = 33.0 Cp,甲苯,130,l =0.52 Cp,甲苯,150,l =0.54 Cp,甲苯,150,g =35.5 = 0.149 Cp,甲苯,180,g = 36 = 0.151 由图中可知：H4 = H1+H2+H3 （3-10）H1 = Cp,甲苯,150,l T2 + Cp,甲苯,130,l T1 = 5.53 H2 = Hv,甲苯,150 = 33.0 H3 = Cp,甲苯,180,g T3 + Cp,甲苯,150,gT2 = 4.83 H4 = H1+H2+H3 = 43.36 由热平衡式变换得：Q5Q6 = Q4 -Q3 +Q2Q1 （3-11）即： NH2OHr,H2O,230 = N甲苯H4 +Q2Q1 （3-12）NH2O- 汽化器中用来预热的蒸汽的量，；N甲苯- 在汽化器中汽化的甲苯的量，；代入数据算得： NH2O =5.883.3.3 反应器热量衡算 能量衡算示意图(3-5)： 图 3-5首先 ： 查1980年化学工业出版社出版的化工工艺设计手册第一篇，上册得以下数据：Cp,甲苯,200,g =39 Cp,甲苯,180,g =36 Cp,氢气,200 =3.54Cp,氢气,180 =3.51Cp,氮气,200 =0.254 Cp,氮气,180 =0.251 甲苯吸热: H1= Cp,甲苯,200,g T2 Cp,甲苯,180,g T1 氢气吸热：H2= Cp,氢气,200 T2 Cp,氢气,180 T1 氮气吸热：H3= Cp,氮气,200 T2 Cp,氮气,180 T1T1- 混合气进入反应器前的温度，180T2- 混合气进入反应器后的温度，200混合气吸热总量：Q = N甲苯H1+ N氢气H2+ N氮气H3 （3-13） 代入数据得：Q =3.315104 kJ来自外界预热蒸汽所需的量如图（3-6）所示：图 3-6查得：Cp,H2O,g = 37.207 Cp,H2O, 100,l = 75.88Cp,H2O, 179,l = 76.356 H2 = Cp,H2O,g (T2 - T1)H3 = Hvap = 40.36 H4 = 1/2(Cp,H2O, 100,l + Cp,H2O, 179,l)(T3 T2) （3-14） H1 = H2 + H3 - H4 代入数据算得： H1 =60.02 预热蒸汽所放出的热量等于混合气吸收的热量即 Q = N蒸汽H1N蒸汽- 反应器中用来预热的蒸汽的量，；Q - 混合气由180变为200时所要吸收的热量，KJ。代入数据算得 N蒸汽 = 8.425反应热： （3-15） 标准摩尔反应焓： （3-16） （3-17）反应过程的焓值可用图（3-7）示意 图 3-7H = -H1 -H2+H3+H4-H5 （3-18） H = rHm = 240.29 H1 = Hvap,25 =37.647 H2 = Cp,甲苯,200,g T2 Cp,甲苯,25,g T1H4 = Cp,甲环,200,g T2 Cp,甲环,25,g T1H5 =35.383 T1 - 25T2 - 200算得 ：H3 =294.363 反应总放热：Q放 = N甲苯H3 =1.2399106 KJ付产蒸汽的量：水的焓值如下图（3-8）所示： 图 3-8 H3 = H1+H2 (3-19)查得： = 1.002 = 1.055 (3-20)H2 = = 481.6 - 由80到179的温度差 计算得： H3 = 44.63又反应放出的热量全部用来付产蒸汽即 Q放 = N热水H3Q放- 反应放出总的热量，KJ；N热水- 付产蒸汽的量，kmol。N热水 =27.78 kmolws = 500.04 kg/h3.3.4 换热器的热量衡算热量衡算示意图(3-9)：冷凝器Q3，TQ4加氢反应气Q1，200加氢反应气氢气 T氢气 25Q2 图 3-9在换热器中，反应气中的甲基环已烷有部份冷凝，但是考虑到其相对量很小，所以计算中忽略。查高等教育出版社出版的化工过程的物料衡算和能量衡算 李应麟 尹其光 编得以下数据: 化合物的热熔： （3-21）化合物 a b102 c105 d109 H2 28.84 0.00765 0.3288 -0.8698 N2 29.00 0.2199 0.5723 -2.871甲基环已烷 121.3 56.53 -37.72 100.8热平衡式： （3-22） （3-23）NH2 - 新鲜进气中氢气的物质的量，kmol；NN2 -新鲜进气中氮气的物质的量，kmol；NH2 - 加氢反应气中氢气的物质的量，kmol；NN2 - 加氢反应气中氮气的物质的量，kmol；N甲环 - 加氢反应气中甲基环已烷的物质的量，kmol；dT- 指温度由25上升到T；dT- 指温度由200下降到T代入数据可算出： T = 1303.3.5 冷凝器的能量衡算冷凝器能量衡算示意图见图（3-10）：冷凝器H2，N2（g）130H2O（l）40H2O（l）33甲基环己烷（l）45甲基环己烷（g）130H2，N2（g）45图 3-10kirchhoff法： 式中 Pvp- 在T温度下的蒸汽压，mmHg;Tb - 常压下的沸点，K;Tc - 临界温度，K;Pc - 临界压力，atm查1980年化学工业出版社出版的化工工艺设计手册第一篇，上册 知甲基环已烷的关物性常数：Tb= 374.1K Tc= 572.1K Pc = 34.3atm进一步算出：Pvp = 7.02atmPvpr = 0.205Tbr = 0.654 = 6.68 ,由以上数据可得：T = 461.4K=188.25即甲基环已烷在7.02atm下的汽化温度为188.25，反过来在同样的条件下，温度下也会液化。又 Hr(甲环，374.1K) =31.248 KJ/mol由蒸发潜热与温度的关系： （3-24） HV1- 正常沸点下蒸发潜热，KJ/mol； HV2- T2温度下蒸发潜热，KJ/mol； （3-25） （3-26）由T2 = 461.4K 代入可得： HV2 = 24.88 KJ/mol甲基环已烷冷凝放热过程示意见下图（3-11）：甲苯130（g）甲苯42（l）甲苯188（g）甲苯188（l）图 3-11H1 = H2 + H3 + H4 (3-27)查1980年化学工业出版社出版的化工工艺设计手册第一篇，上册得以下数据：Cp,甲环,130,g = 45 Cp,甲环,180,g = 51 H2 = Cp,甲环,180,gT2 + Cp,甲环,180,gT1H3 = 24.88 H4 = Cp,甲环dTT1 - 130T2- 180dT - 指温度由180下降到42代入得：H1 = 53.69 KJ/mol甲基环已烷冷却放热：Q 1= N甲环H1=2.26105 KJ不凝气放热:Cp,H2,130 = 30.24 Cp,H2,42 = 29.4Cp,N2,130 = 0.255 Cp,N2,42 = 0.250 氢气：氮气： T1- 45 T2- 130代入数据得： Q 2= 3.42103 KJ Q 3= 2.78103 KJ此过程共放热：Q = Q 1 + Q 2 + Q 3= 286.2103 KJ循环水吸热： (3-28) T- 循环冷却水进出水温度差，由 Q = Q得 NH2O =450.96 kmol 故循环冷却水的质量流量为： 8117.2kg/h第四章 主要设备的工艺计算 本设计中我们就工艺过程中主要设备进行工艺计算，下面就选反应器、换热器来进行计算。4.1 反应器4.1.1 催化剂的体积 空速：0.6h-1,以1小时为基准；甲苯：4.212 kmol/h；Ws = 4.21292.1kg/h = 387.925kg/h；Vs =290.944kg/h866.5kg/m=