物料衡算

本子系统各过程或设备物料衡算的详细结果见后面3.3节。
2.3环己烷氧化及回收子系统衡算过程
2.3.1基本参数与假设
新鲜环己烷原料的纯度为99.9%（质量分数），假设进料杂质不参与反应，并在皂化系统中被排除系统外。
钴卟啉催化剂催化下，环己烷氧化反应单程转化率为8.7％（摩尔），选择性为91％；催化剂浓度为3mg/L。贫氧空气的氧气浓度为9％。
则，物流O中环己烷摩尔流量
反应后物流A中环己烷的摩尔流量
环己烷在皂化系统没有损失，故物流C、物流E中环己烷的流量跟物流A中环己烷流量一致，用质量流量表示为136925.2566kg/h。
物流P中环己烷的质量分数为99.9%，而物流K中环己烷流量为物流G中环己烷流量的20%。则对环己烷二塔中的环己烷作物料衡算，得到：
2.物料衡算过程
2.1物料衡算总体思路
考虑到物流的循环关系，我们把整个系统（生产流程）分割为两个可以独立计算的子系
统进行物料衡算。其中环己烷氧化工段和环己烷回收工段作为一个子系统，环己酮精馏工段作为另外一个子系统。衡算过程根据环己酮年产量等生产指标，利用质量守恒定律，先计算环己酮精馏子系统；然后根据环己酮精馏子系统的进料组成以及流量进一步衡算环己烷氧化及回收子系统。
4.36405708
14051.59
物流O进入反应系统，其中的环己烷发生氧化反应，产物为环己酮及环己醇，副产物主要为有机酸、X油、轻质油，其中有机酸中己二酸的质量分数约为90%。主反应如下所示：
分析整个子系统，我们发现，反应得到的环己酮及环己醇的流量等于流入环己酮精馏子系统（即物流F0）中环己酮及环己醇的流量。可根据反应中反应物和生成物的摩尔关系计算进入反应系统的环己烷的摩尔流量。
2.2 环己酮精馏子系统物料衡算过程 ……………………………………… 5
2.2.1 物流组成及相关参数 …………………………………………… 5
2.2.2 环己酮精馏子系统物料衡算过程 ……………………………… 6
2.3环己烷氧化及回收子系统衡算过程 …………………………………… 7
2.3.1 基本参数与假设 ………………………………………………… 7
2.2.2环己酮精馏子系统物料衡算过程
物流M中的环己醇在脱氢反应系统中发生脱氢反应，生成环己酮。脱氢反应方程式为：
衡算过程不考虑脱氢过程发生的副反应，则有1mol环己醇生成1mol环己酮和1mol氢气，平衡转化率为94.5％。
脱氢反应放出的氢气的质量流量
脱氢反应生成的环己酮质量流量
未反应的环己醇（R中的环己醇）的质量流量
环己酮精馏工段包括环己酮精馏塔，环己醇精馏塔以及环己醇脱氢反应系统。其中，环己酮精馏塔由并联操作的两个塔组成。环己酮精馏塔塔顶得到产品环己酮，环己醇精馏塔塔釜得到副产品X油，X油可用作本厂燃料。环己醇脱氢反应系统包括蒸发器、过热器、脱氢反应器等设备。脱氢后反应气体经冷凝后放出不凝性气体氢气，液体循环输送至环己酮精馏塔作进料。
水萃取己二酸，萃取率为80％，皂化用碱液中氢氧化钠的质量分数为15％。
物流Q中环己烷流量为物流G中环己烷流量的80%。Q中环己烷的质量分数为99.9%，环己酮的质量分数为0.09%，轻质油质量分数为0.01%。
物流P中环己烷的质量分数为99.9%，环己酮的质量分数为0.02%，轻质油质量分数为0.08%。
B——含环己醇，环己酮，X油。
M——含环己醇，环己酮，X油。设定M＝0.999B，M中环己醇质量分数为95％，环己酮质量分数为4.2％。
N——含X油，环己醇。设定N＝0.001B，X中环己醇质量分数为5％。
R——含环己酮，环己醇，X油。
H——氢气。
环己醇脱氢反应以氧化锌-碳酸钙（载体）为催化剂，设定反应温度为350℃，该温度下反应平衡转化率为94.5％。
同理，对其中的环己酮作物料衡算有：
…………………………………③
由上述①②③式联立求解，可得到：
从而得到：
故F0中，环己酮的质量分数为44.7845％
环己醇的质量分数为：
环己烷与轻质油的质量分数为：
X油的质量分数为：
轻质油的质量分数为：
环己烷的质量分数为：
从以上衡算过程得到的流量和质量分数，很容易可以得到进入与离开本子系统中每一过程或设备的物流组成和各种物料的流量。
3.3 环己酮精馏工段 ………………………………………………………… 12
3.3.1 环己酮精馏塔 …………………………………………………… 12
3.3.2 环己醇精馏塔 …………………………………………………… 13
3.3.3 环己醇脱氢反应系统 …………………………………………… 13
1.物料平衡概述
物料衡算过程，为了衡算方便，我们在不影响产品生产指标的前提下作出了一些合理的假设。
2.2环己酮精馏子系统物料衡算过程
2.2.1物流组成及相关参数
F0——含环己酮，环己醇，环己烷，轻质油，X油。其中，醇酮比为1.2（摩尔），X油与轻质油质量比为1.867（见1.3.3节）。
D——含环己酮，环己醇，环己烷，轻质油。D＝10万吨/年，环己酮质量分数为99.5％，环己醇质量分数为0.2％。
环己烷脱氢反应温度为350℃，该温度下反应平衡常数为8.5，平衡转化率为94.5％。②
1.4物料衡算简化流程图及说明
环己烷绿色催化氧化法生产环己酮的生产流程简图见图1。整个流程分为环己烷氧化、环己烷回收、环己酮精馏三个工段。
环己烷氧化工段包括环己烷氧化反应系统、萃取槽、皂化系统三部分。其中，环己烷反应系统包括5个氧化釜，2个分解釜，该系统作为整体进行物料衡算。新鲜原料与环己烷一塔循环回来的环己烷混合后进入反应系统，在钴卟啉催化剂催化下被氧化分解得到环己酮、环己醇以及其他副产物。氧化后，在萃取槽中用水萃取副产物中的己二酸，作为本厂的副产品。回收大部分己二酸后料液进入皂化系统，皂化系统包括皂化反应器、静置分离槽、水洗分离器等设备。料液流经皂化系统时，首先在皂化反应器中通入碱液中和掉副产物当中剩下的己二酸以及其他有机酸，静置分离出皂化废液后接着通水水洗，洗掉多余的废碱。
物流Q中环己烷的质量分数为99.9%，该物流中环己烷流量为物流G中环己烷流量的80%。根据此关系可得到：
由于物流O跟物流Q中环己烷的流量均已算出，从而可以得到新鲜环己烷进料（物流①）的流量。
根据环己烷氧化反应中反应物与生成物之间的摩尔关系，容易衡算得到反应所需要的空气量、反应生成的水量以及各种副产物的流量。
1.1衡算目的与手段
只有经过物料衡算，才能得出进入与离开每一过程或设备的物流组成和各种物料的流量，这就是进行物料衡算的目的。车间物料衡算是车间能量衡算、设备选型、确定原材料消耗定额、进行化工管路设计等各种设计项目的依据。
物料衡算的主要依据是质量守恒定律，化学反应过程严格按照反应物跟生成物的摩尔关系进行衡算。
表3-1环己烷新鲜进料流量和组成
组分
质量流量
kg/h
质量分数
%
摩尔流量
kmol/h
摩尔组成
%
环己烷
13084.94481
99.9
155.477
99.905
进料杂质
13.09804285
0.1
0.14717
0.095
共计
13098.04285
100
155.6242
100
3.1.2环己烷氧化反应系统
环己烷氧化反应系统包括5个氧化釜（R0101---R0105），2个分解釜(R0106---R0107)，该系统作为整体进行物料衡算。通入的空气所含氧气的体积浓度为9%。衡算结果见表3-2及表3-3。
3.1.3 萃取槽 …………………………………………………………… 10
3.1.4 皂化系统 ………………………………………………………… 10
3.2 环己烷回收工段 ………………………………………………………… 11
3.2.1 环己烷一塔 ……………………………………………………… 11
3.2.2 环己烷二塔 ……………………………………………………… 11
1.3生产指标及工艺参数
1.3.1产品环己酮年产量及产品指标
表1-1环己酮生产指标
年产量/万吨
纯度(质量分数)/％
等级
10
99.5
一等品
1.3.2原料环己烷指标
表1-2原料环己烷指标
纯度（质量分数）/％
等级
99.9
优等品
1.3.3工艺参数及控制指标
钴卟啉催化剂催化下，环己烷氧化反应单程转化率为8.7％（摩尔），选择性为91％；催化剂浓度为3mg/L。①
表3-2环己烷氧化反应系统进料流量和组成
组分
萃取槽中萃取所通入的水可根据己二酸的流量确定，皂化反应器重通入的碱液量、水洗分离器通入的水量也可根据有机酸的流量确定。
根据以上衡算思路，可以得到进入与离开本子系统中每一过程或设备的物流组成和各种物料的流量。具体的物料衡算结果见后面3.1节和3.2节。
3.物料衡算结果
3.1环己烷氧化工段
3.1.1环己烷新鲜进料
表2-1物流F0组分和流量
环己醇
环己酮
环己烷
X油
轻质油
总流量
摩尔流量（kmol/h）
76.96527
64.11546548
0.4
0.05146294
141.6215
质量流量（kg/h）
7708.841
6292.932936
37.30260771
8.146210785
环己烷回收工段包括环己烷一塔以及环己烷二塔。其中环己烷一塔跟环己烷二塔都分别由两个分离能力一样处理量相同的并联操作的塔组成。环己烷一塔塔顶馏出物冷凝后部分回流，部分循环至氧化工段与新鲜原料混合给氧化釜进料。一塔塔釜液供给环己烷二塔进料，而环己烷二塔塔顶馏出的环己烷循环至一塔与氧化工段送来的料液混合后给一塔进料。