3 物料衡算和热量衡算

CH3Cl： ×100%=%
CH2Cl2：×100%=%
CHCl3： ×100%=%
CCl4： ×100%=%
HCl： ×100%=%
N2： ×100%=%
CO2： ×100%=%
CH4： ×100%=%
表 3—1 反应器物料平衡
组分
反应器进口
反应器出口
kmol/
组成%
kg/h
kmol/
组成%
h
（mol）
CH4：－－－= kmol/h
进口气体总量： ＋＋= kmol/h
（2）反应器出口中各组分流量：
CH3Cl： kmol/h
CH2Cl2： kmol/h
CHCl3 ： kmol/h
CCl4： kmol/h
HCl： kmol/h
循环气： kmol/h
出口气体总量：＋＋＋＋= kmol/h
（3）出口气体中各组分的含量：
×100%=%（摩尔）
4%（质量）：
×100%=%（摩尔）
氢氧化钠溶液消耗量：Wl=（+×2）/（%－%）= kmol/h
出塔气体中无氯化氢气体和二氧化碳气体，但会带出 3 kmol/h 的水蒸气
则总量为 G0= kmol/h
出口气体中各组分的含量：
CH3Cl： ×100%=% CH2Cl2：×100%=% CHCl3： ×100%=%
物质
CH4
CH3Cl
N2
CO2
n(kmol)
3
循环气带出热量：Q 带出=∑n Δt=×106 kJ
考虑 4%热损失，则×106×（1-4%）= 则 Q 放出= Q 带出 循环气能带走的热量恰好为反应气放出的热量，是反应温度保持在 420℃左右可以维持反应顺利进行。
空冷器的物料衡算和热量衡算 由于气体温度太高，直接进入吸收器不利于氯化氢气体的吸收。因此，先用 空冷器冷却降温，以保证吸收的顺利进行。
应热。
（一） 计算依据
（1） 二氯甲烷产量为： kg/h，即： kmol/h；
（2） 原料组成含: Cl2 96%，CH495%； （3） 进反应器的原料配比（摩尔比）: Cl2：CH4：循环气=1：： （4） 出反应器的比例: CH2Cl2：CHCl3=1：（质量比） (CHCl3+CCl4)/CH2Cl2=（摩尔比）； （5） 操作压力: （表压）；
CCl4： ×100%=% N2： ×100%=% CH4： ×100%=% H20： ×100%=% 表 3—10 中和塔（填料塔）出口物料平衡
组分
吸收器出口
kmol/h
组成%（mol）
CH4
CH3Cl
CH2Cl2
CHCl3
CCl4
N2
H20
总计
100
8
（一） 第一膜式吸收器 （1） 计算依据 1、 一膜进口气体中氯化氢含量%（摩尔），出口气体氯化氢含量 8%，二 膜出口气体氯化氢含量%； 2、 一膜进口气体温度 80℃，出口气体温度 70℃，二膜出口气体温度 60℃； 3、 吸收水温度 42℃； 4、 进口气体组成同反应器出口； 5、 操作压力（表压）； 6、 一膜出口酸浓度 28%（质量），即 16%（摩尔）； 7、 冷却水进口温度 25℃。 （2） 物料衡算 由一膜出口气体氯化氢含量 8%
h
（mol）
CH4 Cl2 CH3Cl CH2Cl2 CHCl3 CCl4 HCl
kg/h
2
N2
CO2
总计
100
100
（三） 热量衡算
以 25℃为基准温度
由《氯碱工业理化常数手册》查得如下数据：
物 质
n(k mol)
表 3—2 反应物料标准摩尔生成焓Δf /（kJ/mol）
输入
输出
C
C
CO
C
C
C
CC
可知：
=
得进口 Cl2 为 kmol/h
由 CH2Cl2：CHCl3=1：（质量比） 可得 CHCl3 每小时产量为：×=h 由 (CHCl3+CCl4)/CH2Cl2=（摩尔比） 可得 CCl4 的量为 ×－=h 用元素守衡法 则： Cl 元素守衡 =Y+×2+×3+×4+Z
H 元素守衡 4X=3Y+×2++Z C 元素守衡 X=Y+++
即：
已知：V= kmol/h
x1= x2= y1= y2=
则，需要的吸收剂用量：L=h
吸收剂的单位耗用量：l=L/V=（－）=
副产物盐酸的量：L0=V0(y1-y2)/(x1-x2)=×（－）/= kmol/h
第一膜式吸收器
吸收氯化氢气体量：－＝ kmol/h
剩余气体总量：－＝h
出口气体中各组分的含量：
3 物料衡算和热量衡算 计算基准
年产 4500 吨的二氯甲烷氯化吸收，年工作日 330 天，每天工作 24 小时，每 小时产二氯甲烷：
=h
物料衡算和热量衡算
反应器的物料衡算和热量衡算
本反应为强放热反应，如不控制反应热并移走，温度会急剧升高，产生强烈的燃烧反应，
是氯化物发生裂解反应。由此可以通过加入过量的甲烷得到循环气，以之作为稀释剂移走反
Cl3
l4
l
n(k
mol)
Δt = 420－25=395℃
输出焓：∑输出 H = ∑n 输入焓：∑输入 H = 0
Δt = ×106 kJ
则放出的热量：Q 放出=Δf +∑输出 H+∑输入 H=－×106 kJ
℃时，由《氯碱工业理化常数手册》查得如下数据：
表 3—4 循环气各物质的标准摩尔定压热容 /(J﹒K-1﹒mol-1)
CH4
CH3Cl
CH2Cl2
CHCl3
CCl4
HCl
6
N2
CO2
总计
100
（1） 热量衡算 定性温度 t=(70+60)/2=65℃ 65℃时，由《氯碱工业理化常数手册》查得如下数据：
表 3—9 第二膜式吸收器出口气体的标准摩尔定压热容 /(J﹒K-1﹒
mol-1)
物wk.baidu.com
C
C
C
C
H
N
C
CH4
质
H3Cl H2Cl2 HCl3
Cl4
Cl
2
O2
n(k
mol)
Q=∑n Δt=×106 kJ
42℃时，氯化氢溶解成 16%的盐酸溶解热ΔH=kmol Q 溶解= L0ΔH=×106kJ Q 总= Q＋Q 溶解=×106kJ
假设冷却水温升 8℃，则冷却水耗用量：
·K）
W水
Q总
80－= kmol/h
剩余气体总量：－= kmol/h
出口气体中各组分的含量：
物
C
C
C
C
H
N
C
CH4
质
H3Cl H2Cl2 HCl3
Cl4
Cl
2
O2
n(k
mol)
热负荷 Q=∑n Δt=×106 kJ
模式吸收器的物料衡算和热量衡算 本次设计用两个石墨降膜吸收器串联吸收，气体经一膜吸收后再经二膜吸 收，吸收剂水先经二膜吸收成稀酸再去一膜吸收成高浓度酸。 两膜吸收剂用量相同，惰性气体流量也相同，因此液气比 L/V 也相同。
CH2Cl2：×100%=% CHCl3： ×100%=%
CH3Cl： ×100%=%
CCl4： ×100%=% HCl： ×100%=%
N2： ×100%=% CO2： ×100%=% CH4： ×100%=%
组分
CH4 CH3Cl CH2Cl2 CHCl3 CCl4 HCl
N2
表 3—6 第一膜式吸收器出口物料平衡
第一模式吸收器出口
kmol/h
组成%（mol）
5
CO2
总计
100
（3） 热量衡算 定性温度 t=(70+80)/2=75℃ 75℃时，由《氯碱工业理化常数手册》查得如下数据：
表 3—7 第一膜式吸收器出口气体的标准摩尔定压热容 /(J﹒K-1﹒
mol-1)
物
C
C
C
C
H
N
C
CH4
质
H3Cl H2Cl2 HCl3
① ②
③
1
解方程①①③得
X=h
Y=h
Z=h
（1）所以反应器进口原料中各组分的流量：
Cl2: ×=h=h （纯）
=h=h （含杂质）
CH4: h=h
（纯）
=h=h （含杂质）
循环气流量：3×= kmol/h= Nm3/h
其中：CH3Cl： kmol/h
N2：×4%＋×3%= kmol/h
CO2：×2%= kmol/h
Cl4
Cl
2
O2
n(k
mol)
Q=∑n Δt=×106 kJ
42℃时，氯化氢溶解成%的盐酸溶解热ΔH=kmol Q 溶解= L0ΔH=×106kJ Q 总= Q＋Q 溶解=×106kJ
从一膜出来的冷却水逆流进入二膜，进口温度 33℃
其升温Δt= ×106/（
××103）=℃
出口水温：33+=℃
中和塔（填料塔） （一）计算依据 （1）进塔气体组成同二膜出口气体组成； （2）用 20℃、15%的稀氢氧化钠溶液吸收，出塔碱浓度 4%（质量）； （3）出塔气体温度 60℃； （4）出口气体中无氯化氢和二氧化碳气体。 （二）物料衡算
（一） 计算依据： 进口气体温度为 420℃，组成和流量与反应器出口相同。 出口气体温度为 80℃，操作压力为（表压）。 （二） 热量衡算： 定性温度 t=(420+80)/2=250℃ 250℃时，由《氯碱工业理化常数手册》查得如下数据：
表 3—5 生成物的标准摩尔定压热容 /(J﹒K-1﹒mol-1)
入塔气体摩尔流量：Wv= kmol/h 惰性气体摩尔流量：G0=－－= kmol/h 平均分子量 M=×%＋85×%＋×%＋154×%＋ ×%＋28×%＋44×%＋16×%
= 则： 入塔气体质量流量：×= kg/h 入塔气体密度：ρv=（×）=m3 15%和 4%的氢氧化钠溶液转化为摩尔浓度：
7
15%（质量）：
4
可知一膜出口气体总量为 kmol/h，含氯化氢 kmol/h 由二膜出口气体氯化氢含量%
可知二膜出口气体总量为 kmol/h，含氯化氢 kmol/h
总共反应掉氯化氢量为 kmol/h
由一膜出口酸浓度 16%（摩尔）
则二膜出口酸浓度为%
对并流高浓度气体吸收操作线方程为： V(Y1－Y2)＝L(X1－X2)
CH2Cl2：×100%=% CHCl3： ×100%=%
CH3Cl： ×100%=%
CCl4： ×100%=% HCl： ×100%=%
N2： ×100%=% CO2： ×100%=% CH4： ×100%=% 表 3—8 第二膜式吸收器出口物料平衡
组分
第二膜式吸收器吸收器出口
kmol/h
组成%（mol）
H4
l2
2
H3Cl H2Cl2 HCl3
l4
H Cl
Δ
0
f
100
Δf =∑生成物 nΔfHmθ－∑反应物 nΔfHmθ=－×106 kJ
420℃时，由《氯碱工业理化常数手册》查得如下数据：
表 3—3 生成物的标准摩尔定压热容 /(J﹒K-1﹒mol-1)
物
CH
CH
CH
CC
HC
N2
CO2
质
3Cl
2Cl2
（6） 反应器进口气体温度 25oC，出口温度 420oC。
（二） 物料衡算
反
Cl2
应
CH4
器
CH2Cl2
CH3Cl
CHCl3 CCl4 HCl
假设循环气不参与反应，只起到带走热量的作用。则设进口甲烷为 X kmol/h， 出反应器的一氯甲烷 Y kmol/h，氯化氢 Z kmol/h。
由进反应器的原料配比（摩尔比） Cl2：CH4：循环气=1：： 原料组成含: Cl2 96%，CH495%。