物料能量衡算书

1、参考的设计条件说明：原料可以依据需要选用，没有给出的设计条件由自己查资料与文献确定。1、产品规格按任务要求进行计算。 2、设计规模为5000吨/年。3、年工作日300天。 4、每天操作日按24h。5、生产国际标准的缓释肥脲甲醛产品，产品为粉状，含水小于2%，现取1%。6、文献表示干燥过程物料损失率（以成品量100%计）0.5-0.8%，现取0.6%。7、文献表示筛分，裂开过程物料损失率（以成品前100%计）0.2-0.3%，现取0.3%。8、文献表示试验室中加成缩合反应的转化率为70%，现取60%。9、其他数据合理选取。3.5 设备选型及主要图表3.5.1热量衡算及设备计算产品脲甲醛：5000

2、吨/年，含水小于2%，含氮量37%。尿素（NH2CONH2）：农用级，含氮46%。外购。甲醛：36%工业甲醛。硝酸：工业硝酸。工艺条件：水：尿素：甲醛=1：1.5：1（摩尔比）；反应温度：40度；反应时间：1小时；设计过程按年工作日300天；作业制度：三班倒；实际过程中一天运行24h/d，接受间歇操作,反应时间1小时，帮助时间20min，每天实际生产时间为18小时。年产5000吨，故实际过程中一小时生产量：5000300180.9259吨/h=925.9kg/h实际筛分、裂开过程中成品损耗0.3%以及在干燥过程中损耗为0.6%，故实际的过程中每小时生产量为:925.90.9970.994=93

3、4.3kg/h。氢氧化钠水水脲醛聚合物氢氧化钠甲醛工业硝酸饱和蒸汽水脲甲醛反应釜 图2 主物料流程图出口中品位产品的含水量为1%；则每小时生产干产品量为：B=934.399%=943.7kg/h各物料的摩尔质量表物料尿素(CO(NH2)2)甲醛(HCHO)水(H2O)N摩尔质量(g/mol)60301814留意：NaoH加入量忽视不计，只起到调整碱性环境作用。3.5.2 反应过程的物料衡算计算过程：假定尿素到脲甲醛产品的过程中N的转化率为60%。则生成的脲甲醛缓释肥的含氮量为：943.7 37% =349.2 kg/h尿素中的含氮量为：349.260%=582 kg/h设生产所需的尿素为x：x

4、=58246%=1265.2kg/h尿素的物质的量为：1265.260=21.09kmol/h由 水：尿素：甲醛=1：1.5：1（摩尔比）得：水的物质的量为：21.091.5=14.06 kmol/h甲醛的物质的量为：21.091.5=14.06 kmol/h水的量为：14.0618=253.1kg/h工业甲醛的量为: 14.06300.36=1171.7 kg/h工业甲醛出料的质量流量为：1171.714.0630=749.9kg/h甲醛出料摩尔流率为：749.930=25.0kmol/h农用尿素的出料量为：1265.221.090.6060=506.0kg/h尿素出料流率为：506.060

5、=8.43kmol/h依据物料守恒计算出水的质量流量为：1265.2+251.3+1171.7749.9506.0943.7=488.6kg/h水的摩尔流率为：488.6/18=27.14kmol/h总物料衡算数据（以脲甲醛943.7kg/h计）表组分进料出料质量流量（kg/h）摩尔流量（kmol/h）质量流量（kg/h）摩尔流量（kmol/h）农用尿素1265.221.09506.08.43工业甲醛1171.714.06749.925.0水251.314.06488.627.14脲甲醛943.7合计2688.249.212688.260.573.5.3 反应过程能量衡算反应釜中有关的化学方程

6、式1）加成反应过程2）缩合反应过程 所用共价键的键能表共价键键能E/(kJ/mol)NH389CN305CO789CH414HO464CO326利用键能估算反应的焓变1）加成反应过程：加成反应过程中，断裂的键有1个键，1个键；形成的键有1个键，1个键，1个键。 由于反应掉1mol甲醛就发生1mol的旧键断裂和新键生成，假设该过程甲醛反应完全，以甲醛的量为基准计算，加成反应过程的焓变为：rH=n甲醛*rHm=14.0610322=3.09105kJ/h2）缩合反应过程：缩合反应过程中，断裂的键有1个C键，个键；形成的键有个键，个键。该过程生成的水量可以确定，故以水的量为基准计算。（1）生成的水的

7、摩尔流率为: 缩合反应过程的焓变为：rH=n水*rHm=13.08103（54）=7.06105kJ/h（2）原料预处理阶段热量衡算 25下进料组成物性数据：Cp尿素=1.55Kj /(kg*)Cp水=4.2Kj /(kg*)Cp甲醛=3.0Kj /(kg*)加热进料组成所需的热量： =（1.551265.2+4.2251.3+3.01171.7）（40-25） =9.80104Kj/h(3)干燥滤饼所需热量衡算滤饼含水50%，而最终的产品含水量为1%，滤饼质量：则每小时滤饼量为：10204300181.89t/hm蒸发量=1.890.9970.9940.49=0.93t/h若反应为等温间歇反

8、应，滤饼的水分应从反应温度40上升到100，水在100时的汽化热为2256.8kj /kg，故而所需热量为：Q2=m(cpt+r) =0.93103(4.2(100-40)+2256.8)kj/h =2.33106kj/h（4）干燥阶段物料衡算由设计要求可知湿物料含水量X1为50%，干物料含水量X2为1%，绝干物料G=943.7kg/h。设计条件：t0=25, H0=0.007kg/kg干气，热空气温度t1=127，废气出口温度t2=80，湿物料温度T1=40.按抱负干燥过程计算。绝干物料的处理量G：G=G1(1X1)=G2(1X2)则，湿物料处理量：G1=G/(1-X1)=943.7/(10

9、.5)=1887.4kg/h干物料处理量：G2=G/(1-X2)=943.7/(10.01)=953.2kg/h水分蒸发量为：W=G1-G2=1887.4953.2=934.2kg/h气体进干燥器的状态为：t1=100, H1=0.007kg/kg，则干燥器进气的焓为： =（1.01+1.880.007）100+25000.007 =119.82kj/kg干气气体出干燥器的状态为：t2=80，I2=I1=119.82kj/kg干气，,则出口气体的湿度为：空气用量：V=W（H2-H1）=934.2（0.015-0.007）=1.17105kg干气/h（5）干燥器能量衡算预热器进气的焓为：I0=（

10、1.01+1.88H0）t0+2500H0 =（1.01+1.880.007）25+25000.007 =43.08kj/kg干气预热器的热负荷为：Q=V（I1I0）=1.17105（119.8243.08）=8.98106kJ/h所以干燥过程需要供热量为8.98106kj/h3.5.4设备选型计算：间歇反应器设计：设计条件：1、用间歇反应器进行生产脲甲醛反应，年产量为5000吨2、反应式为：A+BR3、原料反应物组分的摩尔比为：水：尿素：甲醛=1：1.5：14、假设反应液的密度不变，恒为1150kg/m35、每批装料、卸料以及清洗时间总和为1小时6、反应在40下进行，反应速率方程式为：7、初

11、步计算确定k1=4.76104L/(mol*min)，平衡常数K=2.928/反应器的填充系数为：=0.75反应釜设计选型反应釜物料衡算：已知反应时间：T = 1 小时= 60 minM=2688.2kg/hQ0=2688.21150=2.34m3/h则可求得反应体积为：VR=Q0(T+T0)=2.34（1+13）=3.12m3则反应器实际体积为：V=VR=3.120.75=4.16m3反应釜公称直径的计算：将反应釜视为筒体，反应釜内物料类型为液液相时，L/D=1.01.3，现取L/D=1.0，V=（4）D2L所以D=L=1.74m经圆整有取1800mm查到反应釜DN=1800mm反应釜筒体壁

12、厚的确定设计参数的确定设计压力P:取 P=0.5MPa液态静压忽视不计：设计温度t：t=85焊缝系数：=1（双面对接焊。100%无损探伤）许用应力【】：依据材料Q-235B号钢设计，【】=113MPa钢板负偏差C1：C1=0.6mm腐蚀峪量：C2：C2=2mm（双面腐蚀）计算壁厚用下式有：得到Sn值为6.59mm，圆整取8.0mm，刚度校核值知Smin10mm由于筒体加工厚度不小于10mm，故厚壁取10mm。经校核可知本设计的反应釜是满足要求的。除尘器的选型由于在干燥器中物料与热空气直接接触，冷却器中物料与冷空气也是直接接触的。所以，从干燥器和冷却器排解的废气中都含有肯定量的物料。为了达到国家

13、废气排放标准，需要将废气中的绝大部分粉尘出去后，才能排放到大气中。在此，我们选用MC84-型多管旋风除尘器，该除尘器是一种高效除尘器，除尘效率可达9+9.5%以上，除尘器本体的阻力低于900 Pa，用现有的锅炉引风机就能保证锅炉正常进行。本除尘器的负荷适应性好，内部旋风子接受铸铁或陶瓷制造，厚度大于6 mm，有良好的耐磨性能，它是粉尘治理的良好设备。由前面计算可知，输入的空气量为：输入的空气体积为1.17105kg/h查询化工原理附录知道40下的常压空气的密度为1.128kg/m3,黏度为1.9110-5Pas,假设dm=10-5m由此,假设其沉降区处于斯托克区，其沉降速度应为：ut=dm2(

14、p-)g/18 =(10-5)2(1150-1.128)9.81/(181.9110-5) =0.00328m/s Rep=dput/=10-50.003281.128/(1.9110-5)=0.001942，假设合理知道空气体积为1105 m3/h，由此可以选择除尘器的规格型号，可以选用MC84-II, 其技术参数如下：流化床干燥器的设计对于低压气体，流速一般为815m/s,现取u1=10m/s,由前面计算可知V =1.17105kg干气/h=11.87kg/s，设干燥器内径为D，100时空气密度为0.946kg/m3则V=36000.946（4）D2u1所以D=2.1m，圆整取D=2.2m.假设颗粒在床层内的平均停留时间为=0.3h，干燥器长度为L，则L=ut=0.310=3m干燥器效率为，故而所需热量为：Q2 =2.33106kj/h干燥过程需要供热量Q为8.98106kj/h，则=Q