《化工设计》第四章
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册） 物性手册） 化工工艺设计手册 材料与零部件手册 二． 物料衡算 １． 物料衡算能为化工设计提供的基础数 目的） 据（目的） （１） 物料消耗定额。 （２） 工艺设备的大小尺寸。 （３） 管道的大小尺寸。 （４） 为能量衡算提供基础数据。 二．物料衡算 物料衡算 ２． 物料衡算的依据 设计任务书、 生产量、 工艺技术条件、 设计任务书、 生产量、 工艺技术条 件、 反应 转化率、 相平衡数据等。 转化率、 相平衡数据等。 二．物料衡算 物料衡算 物料衡算式： ３． 物料衡算式： 进料总量＝出料总量 损耗量 积累量 进料总量 出料总量＋损耗量 出料总量 损耗 量＋积累量 对于一个连续稳定过程： 对于一个连续稳定过程： 进料总量＝出料总量 损耗量 进料总量 出料总量＋损耗量 出料总量 二． 物料衡算 ４． 物料衡算的基本步骤： （１） 画出物料衡算示意图，注明物料衡算的有关数 ） 画出物料衡算示意图， 据。 （２） 列出反应方程式，识别反应类型。 ） 列出反应方程式，识别反应类型 。 （３） 确定计算基准，选定工艺参数及计算所必要的 ） 确定计算基准， 数据 （ ４） 列出衡算式。 ） 列出衡算式。 （５） 展开计算。将计算结果列出物料衡算表。 ） 展开计算。将计算结果列出物料衡算表。 ５ 流程物料衡算的几个问题 （１）计算基准 设计过程中各种计算通常以小时或是以设备为单位进行，而设计 任务 却是指定年产量，此时应注意计算基准。 例１ 设计一个年产量为１００００ｔ（吨）的间歇本体法聚丙烯设备装置，由二 个反 应釜并联操作，反应釜的操作时间表如下 置换 进料 聚合反应 出料 清理 ０．５ｈ ０．５ ｈ ５．０ｈ １．５ｈ ０．５ｈ 设年操作时为８０００小时，消耗定额为１．１ｔ丙烯／聚丙烯，试决定所需反应器 的体 积和管道的通过能力。 解： 每个反应釜的生产能力为５０００ｔ／ａ（年），每批操作周期为８ｈ，故每个反 应釜每批的生产量为： ５０００×８／８０００＝５ｔ／批 在操作状态下丙烯的密度为４７０ｋｇ／ｍ３， 反应釜的装填系数为０．９，则所 需反应釜的体积： １．１×５／０．４７／０．９＝１３．０ｍ３ 进口管道 通过能力＝每批投料量／进料时间 ＝１．１×５／０．５ ＝１１ｔ／ｈ ＝２３．４ｍ３／ｈ 出口管道的通过能 力＝５．５／１．５ ＝ ３．６７ｔ／ｈ （２）比率系数 对于一个较复杂过程，开始进行物料衡算时通常不能确切知道每 吨产品 的原料消耗，可以任意选择一个进料数值，例如１００ｋｍｏｌ／ｈ，待系统计算 完成 得到产品数值时，再将各股物料乘该比例系数。 （３）物流的循环 对于转化率较低或 有一种反应物过量的反应系统，需将未反应的原料 与产物分离后，返回到反应器入口 ，构成物料循环。如此，增加了物料 衡算的复杂程度。 例２： 乙烯与氯气反应生产 氯乙烯的过程如下图 Ｃｌ２ Ａ氯化 Ｃ２Ｈ４ Ｂ次氯化 ＨＣｌ 热裂解 Ｃ Ｄ分离 Ｃ２Ｈ３Ｃｌ （ＶＣ） 在各反应器中发生如下反应： （Ａ）氯化反应 Ｃ２Ｈ４ ＋Ｃｌ２ → Ｃ２Ｈ４Ｃｌ２ （ＤＣＥ：二氯 乙烷） ＤＣＥ收率９８％ （Ｂ）次氯化 Ｃ２Ｈ４ ＋２ＨＣｌ ＋ ０．５Ｏ２ → Ｃ２Ｈ４Ｃｌ２ ＋Ｈ２Ｏ ＤＣＥ以乙烯为 基准的收率为９５％ 以ＨＣｌ为基准的收率为９０％ （Ｃ）热裂解 Ｃ２Ｈ４Ｃｌ２ → Ｃ２Ｈ３Ｃｌ （ＶＣＭ） ＋ ＨＣｌ ＶＣＭ的收率为９９％，ＨＣｌ的收率为９９．５％ 设ＶＣ产量为１２５００ｋｇ／ｈ，试求Ｃｌ２， Ｃ２Ｈ４流 量及ＨＣｌ的循环量。 解（１）：联立代数方程法 已知：ＶＣ ， ＤＣＥ， ＨＣｌ分子量分别为６ ２．５， ９９．０， ３６．５ 设Ｃ２Ｈ４进入（Ａ）的流量为ｘ１， 进入（Ｂ）的流量为ｘ２， ＨＣｌ的循环量 为ｘ３ ＶＣ＝１２５００／６２．５＝２００ｋｍｏｌ／ｈ 则： ｘ３ ＝ ０．９９５（０．９８ｘ１ ＋ ０．９５ｘ２） ０．９０ｘ３／２ ＝ ０．９５ｘ２ ０．９９（０．９８ｘ１ ＋ ０．９５ｘ２） ＝ ２００
本文由不拘一格降鬼才贡献 ｐｐｔ文档可能在ＷＡＰ端浏览体验不佳。建议您优先选择ＴＸＴ，或下载源文件到本机 查看。 第四章 一． 化工工艺计算 设计计算前的准备工作 二． 物料衡算 三． 能量衡算 一． 设计计算前的准备工作 １． 工艺性资料的收集 生产步骤和化学反应（包括主、付反应） 生产步骤和化学反应（包括主、付反 应） 各步骤所需的原料， 各步骤所需的原料，中间体规格和物理化学性质 成品的规 格和物化性质 每批加料量或单位时间进料量 各生产步骤的产率 （１）物料衡算提纲。 ）物料衡算提纲。 （２）工艺流程图及说明。 ）工艺流程图及说明。 （３）热量计算参数和设备计 算数据（？Ｈ、Ｃｐ、Ｋ、λ、 ）热量计算参数和设备计算数据（ 、 、 、 、 α等）。 等 （４）流体输送过程参数（粘度 、密度 、摩擦系数 ）流体输送过程参数（粘度 μ、密度ρ、 等）。 （５）传质过程系数，相平衡数据。 ）传质过程系数，相平衡数据。 （６）冷冻 过程的热力学参数。 ）冷冻过程的热力学参数。 （７）具体的工艺操作条件（温度 、压力 、流量 ） ）具体的工艺操作条件（温度Ｔ、压力Ｐ、流量Ｇ） （８）介质物性 和材质性能，材质数据，腐蚀数据。 ）介质物性和材质性能，材质数据，腐蚀数据。 （９）车间平立面布置的参考资料。 ）车间平立面布置的参考资料。 （１０）管道设 计资料（管道配置、管道材质、架设方 ）管道设计资料（管道配置、管道材质、 式 、管件、阀件等） 管件、阀件等） （１１）环境保护、安全保护等规范和资料。 ）环 境保护、安全保护等规范和资料。 ２． 工程性资料的收集： 工程性资料的收集： （１） 气象、地质资料。 ） 气象、地质资料。 （２） 公用工程的消耗量， 辅 助设施能力。 ） 公用工程的消耗量， 辅助设施能力。 （３） 总图运输、原料输送 方式、储存方式。 ） 总图运输、原料输送方式、储存方式。 下水资料。 （４） 上 、下水资料。 ） （５） 配电工程资料。 ） 配电工程资料。 （６） 仪表自控资料等 。 ） 仪表自控资料等。 一． 设计计算前的准备工作 ３． 资料的来源 １） 研究报告） （１）科研单位 （研究报告） （２）设计单位 （设计图纸、设 计说明书） ） 设计图纸、设计说明书） 厂址方案、 （３）基建单位 （厂址方案、 基建工程资料和 ） 安装工程资料） 安装工程资料） （４）生产单位（现场操作数据和实际的经济技术指标） ）生产单位（现场操作 数据和实际的经济技术指标） 车间原始资料、各种生产报表 工艺操作规程 设备岗位操作法 设备维护检修规 程及设备维修纪录卡 劳动保护及安全技术规程 车间化验室的分析研究资料 车间实测 数据 工厂科室掌握的技改资料 供销科的产品目录和样本 财务科的产品原料单耗及成 本分析资料 全厂职工劳动福利的生活资料 （５）可行性研究报告、各国文摘和专利、各类工艺书籍、各 ）可行性研究报告 、各国文摘和专利、各类工艺书籍、 类调查报告、各种化工过程与设备计算等书籍。 类调查报告、各种化工过程与设备计算等书籍。 一． 设计计算前的准备工作 ４．几本常用的化工设计资料和手册 （１） ） （２） ） （３） ） （４） ） （５） ） （６） ） （７） ） （８） ） Ｉｎｄｕｓｔｒｉｃａｌ Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ Ｅｎｃｙｃｌｏｐｅｄｉａ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔ ｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ａｂｓｔｒａｃｔｓ （Ｃ．Ａ） Ｈａｎｄｂｏｏｋ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｉ．Ｃ．Ｔ （物性手
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（１） （２） （３） 联立（１）（２）得 ｘ２ ＝ ０．９９５（０．９８ｘ１ ＋ ０．９５ｘ２） ×０．９／１．９ ｘ２ ＝ ０．８３７ｘ１ 联 立 （３）（４） ｘ１＝１１３．８ ｘ２＝９５．３ 因此：Ｃｌ２流量＝ｘ１＝１１３．８ｋｍｏｌ／ｈ Ｃ２Ｈ４＝ｘ１＋ｘ２＝２０９ ．１ｋｍｏｌ／ｈ ＨＣｌ循环量ｘ３＝０．９９５ ×（０．９８×１１３．８＋０．９５ ×９５．３）＝２０１．１ｋｍｏｌ／ｈ 解（２） 直接迭代法 设以ＨＣｌ的循环量ｘ３作为迭代变量 （４） 迭代步骤为： １）假设ｘ３ ２）用式 ０．９ｘ３／２＝０．９５ｘ２ ０．９９（０．９８ｘ１＋０．９５ｘ２）＝２００ 求出ｘ１， ｘ２ ３）将ｘ１， ｘ２代入 ｘ３＝０．９９５（０．９８ｘ１＋０．９５ｘ２）方程 求出ｘ３’，与初值比 较，若误差已经达到收敛指标，则结束计算。 现设ｘ３＝１５０ｋｍｏｌ／ｈ，迭代过程各变量值 如下 迭代次数 １ ２ ３ ４ ｘ３ １５０ ２０１．０３４ ２０１．０４３ ２０１．０４３ ｘ２ ７１．０５５ ９５．２２９８ ９５． ２３４ ｘ１ １３７．２８７７ １１３．８６２３ １１３．８５８ ｘ３’ ２０１．０３４ ２０１．０４３ ２０１．０４３ 由此可知，迭代４次即可收敛 。 （４）物料的排放 物料的排放是为了防止循环过程中某些组分的积累。例如，合 成氨工 艺和氢气循环使用的加氢工艺。 例３ 有甲苯脱烷基制苯过程，其反应式如下 主反应 Ｃ６Ｈ５ＣＨ３ ＋ Ｈ２ → Ｃ６Ｈ６ ＋ ＣＨ４ 副反应 ２Ｃ６Ｈ６ → （Ｃ６Ｈ５）２ ＋ Ｈ２ （联苯） 反应器的进口压力为３４５０ＫＰａ，为提高 选择性和减轻反应器结焦，氢与甲 苯进反应器的分子比为５︰１，当转化率为７０％时， 选择性为９７．６９％，进料 氢气的组成为９５％Ｈ２，５％ＣＨ４。设循环气体压缩机的设备折旧费 和操作费 用为０．４元／（ｋｗ．ｈ），氢气的价格为４０００元／吨，不计循环中物料加热冷却所 需的费用，试确定排放气体的甲烷浓度。 解：根据题意该过程的流程结构如下： 换热 压缩 循环气 排放 气 氢气 反应 甲苯 分离 苯 联苯 １）列出各组分物料平衡方程 （１）甲苯 ＦＴ＝ＰＢ／Ｓ （２）联苯 ＰＤ＝ＰＢ（１－Ｓ）／２Ｓ Ｆ Ｔ，ＰＢ 甲苯进料量，苯的产量 ＰＤ，Ｓ 联苯产量，反应的选择性 ＰＧ 排放气量 ＦＧ 氢气进 料量 （３）氢 ０．９５ＦＧ＝ＰＢ／Ｓ－ＰＢ（１－Ｓ）／２Ｓ＋ＹＰＨ×ＰＧ ＹＰＨ 排放气中的氢含量ｍｏｌ％ （４）甲烷 ０．０５ＦＧ＋ＰＢ／Ｓ＝（１－ＹＰＨ）ＰＧ 将（３）＋ （４）得 （５）排放气量 ＰＧ＝ＦＧ＋ ＰＢ（１－Ｓ）／２Ｓ＝ＦＧ＋ＰＤ 以（５）代入（３）得 （６）氢气进料量 ＦＧ ＝ ？ １ ？ ＰＢ １？ （１？ＹＰＨ ）（１？ Ｓ ）？ Ｓ （０．９５？ＹＰＨ ） ？ ２ ？ ？ （７）循环气量：ＣＧ＝（ＦＴ×５／Ｘ－ＦＧ×０．９５）／ＹＰＨ Ｘ 转化率 ＣＧ 循环量 ２）设ＦＴ＝１００ｋｍｏｌ／ｈ， ＹＰＨ＝４０％，求循环气量、补充气量和循环压缩机功率 ＦＧ＝１０ ０（１－０．５×０．６ ×０．０２３１）／（０．９５－０．４） ＝１８０．６ｋｍｏｌ／ｈ ＰＧ＝ＦＧ＋ＰＤ＝１８０．６＋１００（１－０．９７６９ ）／２ ＝１８１．８ｋｍｏｌ／ｈ ＣＧ＝（５ ×１００／０．７－１８０．６ ×０．９５）／０．４ ＝１３５６ｋｍｏｌ／ｈ 设反应器入口至循环压缩机进口压降为４５０ｋｐａ，进口温度３１３ｋ，压缩机出口压 力３５００ｋｐａ，压缩过程的多变指数ｎ＝１．４，效率η＝０．７２，压缩因子Ｚ＝１，则每 ｋｍｏｌ循环 压缩机的理论功耗： Ｗ＝ ｎ ？ Ｐ２ ？ × ＺＲＴ ？（ ） （ ｎ ？１） ／ ｎ ？ １？ ｎ ？１ ？ Ｐ１ ？ Ｗ＝４１０．１１ｋＪ／ｋｍｏｌ 故循环压缩机理论功耗 Ｗ×ＣＧ＝１３５６ ×４１０．１１＝５．５６ ×１０６ｋＪ ／ｈ ＝１５４．５ｋｗ．ｈ 实际功耗 Ｗ ×ＣＧ／η＝１５４．５／０．７２＝２１４．５ｋｗ．ｈ ３）计算各种ＹＰＨ下的氢气 成本和操作费用 ＹＰＨ 氢气成本 操作费用 总费用 ０．０５ ９５８．３ ７７１．６ １７２９．９ ０．１ １０１５ ３１８．９ １ ３９６．９ ０．２ １１５２ １０６．２ １２５８．２ ０．４ １４４５ ８５．８ １５３０．８ ０．６ ２４８０ ４６．８ ２２２６．８ ０．８ ５８００ ６．５ ５８０６．５ （５ ）化学计量学 反应物系中各组分的反应量必须服从一定的化学计量关系，这不仅是 进行反应 器物料衡算的基础，而且对确定反应器的进料配比、工艺流 程的安排具有重要意义。
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册） 物性手册） 化工工艺设计手册 材料与零部件手册 二． 物料衡算 １． 物料衡算能为化工设计提供的基础数 目的） 据（目的） （１） 物料消耗定额。 （２） 工艺设备的大小尺寸。 （３） 管道的大小尺寸。 （４） 为能量衡算提供基础数据。 二．物料衡算 物料衡算 ２． 物料衡算的依据 设计任务书、 生产量、 工艺技术条件、 设计任务书、 生产量、 工艺技术条 件、 反应 转化率、 相平衡数据等。 转化率、 相平衡数据等。 二．物料衡算 物料衡算 物料衡算式： ３． 物料衡算式： 进料总量＝出料总量 损耗量 积累量 进料总量 出料总量＋损耗量 出料总量 损耗 量＋积累量 对于一个连续稳定过程： 对于一个连续稳定过程： 进料总量＝出料总量 损耗量 进料总量 出料总量＋损耗量 出料总量 二． 物料衡算 ４． 物料衡算的基本步骤： （１） 画出物料衡算示意图，注明物料衡算的有关数 ） 画出物料衡算示意图， 据。 （２） 列出反应方程式，识别反应类型。 ） 列出反应方程式，识别反应类型 。 （３） 确定计算基准，选定工艺参数及计算所必要的 ） 确定计算基准， 数据 （ ４） 列出衡算式。 ） 列出衡算式。 （５） 展开计算。将计算结果列出物料衡算表。 ） 展开计算。将计算结果列出物料衡算表。 ５ 流程物料衡算的几个问题 （１）计算基准 设计过程中各种计算通常以小时或是以设备为单位进行，而设计 任务 却是指定年产量，此时应注意计算基准。 例１ 设计一个年产量为１００００ｔ（吨）的间歇本体法聚丙烯设备装置，由二 个反 应釜并联操作，反应釜的操作时间表如下 置换 进料 聚合反应 出料 清理 ０．５ｈ ０．５ ｈ ５．０ｈ １．５ｈ ０．５ｈ 设年操作时为８０００小时，消耗定额为１．１ｔ丙烯／聚丙烯，试决定所需反应器 的体 积和管道的通过能力。 解： 每个反应釜的生产能力为５０００ｔ／ａ（年），每批操作周期为８ｈ，故每个反 应釜每批的生产量为： ５０００×８／８０００＝５ｔ／批 在操作状态下丙烯的密度为４７０ｋｇ／ｍ３， 反应釜的装填系数为０．９，则所 需反应釜的体积： １．１×５／０．４７／０．９＝１３．０ｍ３ 进口管道 通过能力＝每批投料量／进料时间 ＝１．１×５／０．５ ＝１１ｔ／ｈ ＝２３．４ｍ３／ｈ 出口管道的通过能 力＝５．５／１．５ ＝ ３．６７ｔ／ｈ （２）比率系数 对于一个较复杂过程，开始进行物料衡算时通常不能确切知道每 吨产品 的原料消耗，可以任意选择一个进料数值，例如１００ｋｍｏｌ／ｈ，待系统计算 完成 得到产品数值时，再将各股物料乘该比例系数。 （３）物流的循环 对于转化率较低或 有一种反应物过量的反应系统，需将未反应的原料 与产物分离后，返回到反应器入口 ，构成物料循环。如此，增加了物料 衡算的复杂程度。 例２： 乙烯与氯气反应生产 氯乙烯的过程如下图 Ｃｌ２ Ａ氯化 Ｃ２Ｈ４ Ｂ次氯化 ＨＣｌ 热裂解 Ｃ Ｄ分离 Ｃ２Ｈ３Ｃｌ （ＶＣ） 在各反应器中发生如下反应： （Ａ）氯化反应 Ｃ２Ｈ４ ＋Ｃｌ２ → Ｃ２Ｈ４Ｃｌ２ （ＤＣＥ：二氯 乙烷） ＤＣＥ收率９８％ （Ｂ）次氯化 Ｃ２Ｈ４ ＋２ＨＣｌ ＋ ０．５Ｏ２ → Ｃ２Ｈ４Ｃｌ２ ＋Ｈ２Ｏ ＤＣＥ以乙烯为 基准的收率为９５％ 以ＨＣｌ为基准的收率为９０％ （Ｃ）热裂解 Ｃ２Ｈ４Ｃｌ２ → Ｃ２Ｈ３Ｃｌ （ＶＣＭ） ＋ ＨＣｌ ＶＣＭ的收率为９９％，ＨＣｌ的收率为９９．５％ 设ＶＣ产量为１２５００ｋｇ／ｈ，试求Ｃｌ２， Ｃ２Ｈ４流 量及ＨＣｌ的循环量。 解（１）：联立代数方程法 已知：ＶＣ ， ＤＣＥ， ＨＣｌ分子量分别为６ ２．５， ９９．０， ３６．５ 设Ｃ２Ｈ４进入（Ａ）的流量为ｘ１， 进入（Ｂ）的流量为ｘ２， ＨＣｌ的循环量 为ｘ３ ＶＣ＝１２５００／６２．５＝２００ｋｍｏｌ／ｈ 则： ｘ３ ＝ ０．９９５（０．９８ｘ１ ＋ ０．９５ｘ２） ０．９０ｘ３／２ ＝ ０．９５ｘ２ ０．９９（０．９８ｘ１ ＋ ０．９５ｘ２） ＝ ２００
本文由不拘一格降鬼才贡献 ｐｐｔ文档可能在ＷＡＰ端浏览体验不佳。建议您优先选择ＴＸＴ，或下载源文件到本机 查看。 第四章 一． 化工工艺计算 设计计算前的准备工作 二． 物料衡算 三． 能量衡算 一． 设计计算前的准备工作 １． 工艺性资料的收集 生产步骤和化学反应（包括主、付反应） 生产步骤和化学反应（包括主、付反 应） 各步骤所需的原料， 各步骤所需的原料，中间体规格和物理化学性质 成品的规 格和物化性质 每批加料量或单位时间进料量 各生产步骤的产率 （１）物料衡算提纲。 ）物料衡算提纲。 （２）工艺流程图及说明。 ）工艺流程图及说明。 （３）热量计算参数和设备计 算数据（？Ｈ、Ｃｐ、Ｋ、λ、 ）热量计算参数和设备计算数据（ 、 、 、 、 α等）。 等 （４）流体输送过程参数（粘度 、密度 、摩擦系数 ）流体输送过程参数（粘度 μ、密度ρ、 等）。 （５）传质过程系数，相平衡数据。 ）传质过程系数，相平衡数据。 （６）冷冻 过程的热力学参数。 ）冷冻过程的热力学参数。 （７）具体的工艺操作条件（温度 、压力 、流量 ） ）具体的工艺操作条件（温度Ｔ、压力Ｐ、流量Ｇ） （８）介质物性 和材质性能，材质数据，腐蚀数据。 ）介质物性和材质性能，材质数据，腐蚀数据。 （９）车间平立面布置的参考资料。 ）车间平立面布置的参考资料。 （１０）管道设 计资料（管道配置、管道材质、架设方 ）管道设计资料（管道配置、管道材质、 式 、管件、阀件等） 管件、阀件等） （１１）环境保护、安全保护等规范和资料。 ）环 境保护、安全保护等规范和资料。 ２． 工程性资料的收集： 工程性资料的收集： （１） 气象、地质资料。 ） 气象、地质资料。 （２） 公用工程的消耗量， 辅 助设施能力。 ） 公用工程的消耗量， 辅助设施能力。 （３） 总图运输、原料输送 方式、储存方式。 ） 总图运输、原料输送方式、储存方式。 下水资料。 （４） 上 、下水资料。 ） （５） 配电工程资料。 ） 配电工程资料。 （６） 仪表自控资料等 。 ） 仪表自控资料等。 一． 设计计算前的准备工作 ３． 资料的来源 １） 研究报告） （１）科研单位 （研究报告） （２）设计单位 （设计图纸、设 计说明书） ） 设计图纸、设计说明书） 厂址方案、 （３）基建单位 （厂址方案、 基建工程资料和 ） 安装工程资料） 安装工程资料） （４）生产单位（现场操作数据和实际的经济技术指标） ）生产单位（现场操作 数据和实际的经济技术指标） 车间原始资料、各种生产报表 工艺操作规程 设备岗位操作法 设备维护检修规 程及设备维修纪录卡 劳动保护及安全技术规程 车间化验室的分析研究资料 车间实测 数据 工厂科室掌握的技改资料 供销科的产品目录和样本 财务科的产品原料单耗及成 本分析资料 全厂职工劳动福利的生活资料 （５）可行性研究报告、各国文摘和专利、各类工艺书籍、各 ）可行性研究报告 、各国文摘和专利、各类工艺书籍、 类调查报告、各种化工过程与设备计算等书籍。 类调查报告、各种化工过程与设备计算等书籍。 一． 设计计算前的准备工作 ４．几本常用的化工设计资料和手册 （１） ） （２） ） （３） ） （４） ） （５） ） （６） ） （７） ） （８） ） Ｉｎｄｕｓｔｒｉｃａｌ Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ Ｅｎｃｙｃｌｏｐｅｄｉａ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔ ｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ａｂｓｔｒａｃｔｓ （Ｃ．Ａ） Ｈａｎｄｂｏｏｋ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｉ．Ｃ．Ｔ （物性手
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（１） （２） （３） 联立（１）（２）得 ｘ２ ＝ ０．９９５（０．９８ｘ１ ＋ ０．９５ｘ２） ×０．９／１．９ ｘ２ ＝ ０．８３７ｘ１ 联 立 （３）（４） ｘ１＝１１３．８ ｘ２＝９５．３ 因此：Ｃｌ２流量＝ｘ１＝１１３．８ｋｍｏｌ／ｈ Ｃ２Ｈ４＝ｘ１＋ｘ２＝２０９ ．１ｋｍｏｌ／ｈ ＨＣｌ循环量ｘ３＝０．９９５ ×（０．９８×１１３．８＋０．９５ ×９５．３）＝２０１．１ｋｍｏｌ／ｈ 解（２） 直接迭代法 设以ＨＣｌ的循环量ｘ３作为迭代变量 （４） 迭代步骤为： １）假设ｘ３ ２）用式 ０．９ｘ３／２＝０．９５ｘ２ ０．９９（０．９８ｘ１＋０．９５ｘ２）＝２００ 求出ｘ１， ｘ２ ３）将ｘ１， ｘ２代入 ｘ３＝０．９９５（０．９８ｘ１＋０．９５ｘ２）方程 求出ｘ３’，与初值比 较，若误差已经达到收敛指标，则结束计算。 现设ｘ３＝１５０ｋｍｏｌ／ｈ，迭代过程各变量值 如下 迭代次数 １ ２ ３ ４ ｘ３ １５０ ２０１．０３４ ２０１．０４３ ２０１．０４３ ｘ２ ７１．０５５ ９５．２２９８ ９５． ２３４ ｘ１ １３７．２８７７ １１３．８６２３ １１３．８５８ ｘ３’ ２０１．０３４ ２０１．０４３ ２０１．０４３ 由此可知，迭代４次即可收敛 。 （４）物料的排放 物料的排放是为了防止循环过程中某些组分的积累。例如，合 成氨工 艺和氢气循环使用的加氢工艺。 例３ 有甲苯脱烷基制苯过程，其反应式如下 主反应 Ｃ６Ｈ５ＣＨ３ ＋ Ｈ２ → Ｃ６Ｈ６ ＋ ＣＨ４ 副反应 ２Ｃ６Ｈ６ → （Ｃ６Ｈ５）２ ＋ Ｈ２ （联苯） 反应器的进口压力为３４５０ＫＰａ，为提高 选择性和减轻反应器结焦，氢与甲 苯进反应器的分子比为５︰１，当转化率为７０％时， 选择性为９７．６９％，进料 氢气的组成为９５％Ｈ２，５％ＣＨ４。设循环气体压缩机的设备折旧费 和操作费 用为０．４元／（ｋｗ．ｈ），氢气的价格为４０００元／吨，不计循环中物料加热冷却所 需的费用，试确定排放气体的甲烷浓度。 解：根据题意该过程的流程结构如下： 换热 压缩 循环气 排放 气 氢气 反应 甲苯 分离 苯 联苯 １）列出各组分物料平衡方程 （１）甲苯 ＦＴ＝ＰＢ／Ｓ （２）联苯 ＰＤ＝ＰＢ（１－Ｓ）／２Ｓ Ｆ Ｔ，ＰＢ 甲苯进料量，苯的产量 ＰＤ，Ｓ 联苯产量，反应的选择性 ＰＧ 排放气量 ＦＧ 氢气进 料量 （３）氢 ０．９５ＦＧ＝ＰＢ／Ｓ－ＰＢ（１－Ｓ）／２Ｓ＋ＹＰＨ×ＰＧ ＹＰＨ 排放气中的氢含量ｍｏｌ％ （４）甲烷 ０．０５ＦＧ＋ＰＢ／Ｓ＝（１－ＹＰＨ）ＰＧ 将（３）＋ （４）得 （５）排放气量 ＰＧ＝ＦＧ＋ ＰＢ（１－Ｓ）／２Ｓ＝ＦＧ＋ＰＤ 以（５）代入（３）得 （６）氢气进料量 ＦＧ ＝ ？ １ ？ ＰＢ １？ （１？ＹＰＨ ）（１？ Ｓ ）？ Ｓ （０．９５？ＹＰＨ ） ？ ２ ？ ？ （７）循环气量：ＣＧ＝（ＦＴ×５／Ｘ－ＦＧ×０．９５）／ＹＰＨ Ｘ 转化率 ＣＧ 循环量 ２）设ＦＴ＝１００ｋｍｏｌ／ｈ， ＹＰＨ＝４０％，求循环气量、补充气量和循环压缩机功率 ＦＧ＝１０ ０（１－０．５×０．６ ×０．０２３１）／（０．９５－０．４） ＝１８０．６ｋｍｏｌ／ｈ ＰＧ＝ＦＧ＋ＰＤ＝１８０．６＋１００（１－０．９７６９ ）／２ ＝１８１．８ｋｍｏｌ／ｈ ＣＧ＝（５ ×１００／０．７－１８０．６ ×０．９５）／０．４ ＝１３５６ｋｍｏｌ／ｈ 设反应器入口至循环压缩机进口压降为４５０ｋｐａ，进口温度３１３ｋ，压缩机出口压 力３５００ｋｐａ，压缩过程的多变指数ｎ＝１．４，效率η＝０．７２，压缩因子Ｚ＝１，则每 ｋｍｏｌ循环 压缩机的理论功耗： Ｗ＝ ｎ ？ Ｐ２ ？ × ＺＲＴ ？（ ） （ ｎ ？１） ／ ｎ ？ １？ ｎ ？１ ？ Ｐ１ ？ Ｗ＝４１０．１１ｋＪ／ｋｍｏｌ 故循环压缩机理论功耗 Ｗ×ＣＧ＝１３５６ ×４１０．１１＝５．５６ ×１０６ｋＪ ／ｈ ＝１５４．５ｋｗ．ｈ 实际功耗 Ｗ ×ＣＧ／η＝１５４．５／０．７２＝２１４．５ｋｗ．ｈ ３）计算各种ＹＰＨ下的氢气 成本和操作费用 ＹＰＨ 氢气成本 操作费用 总费用 ０．０５ ９５８．３ ７７１．６ １７２９．９ ０．１ １０１５ ３１８．９ １ ３９６．９ ０．２ １１５２ １０６．２ １２５８．２ ０．４ １４４５ ８５．８ １５３０．８ ０．６ ２４８０ ４６．８ ２２２６．８ ０．８ ５８００ ６．５ ５８０６．５ （５ ）化学计量学 反应物系中各组分的反应量必须服从一定的化学计量关系，这不仅是 进行反应 器物料衡算的基础，而且对确定反应器的进料配比、工艺流 程的安排具有重要意义。