第四章化工工艺计算课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第四章化工工艺计算,*,PPT,文档演模板,Office,PPT,第四章化工工艺计算,2024/10/2,第四章化工工艺计算,一.,设计计算前的准备工作,1.,工艺性资料的收集,（1）物料衡算提纲。,生产步骤和化学反应（包括主、付反应）,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,（2）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、,等）。,（4）流体输送过程参数（粘度、密度、摩擦系数,等）。,第四章化工工艺计算,（5）传质过程系数，相平衡数据。,（6）冷冻过程的热力学参数。,（7）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。,（9）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,式、管件、阀件等）,（11）环境保护、安全保护等规范和资料,。,第四章化工工艺计算,2,.工程性资料的收集：,（1）,气象、地质资料。,（2）,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。,（4）,上、下水资料。,（5）,配电工程资料。,（6）,仪表自控资料等。,第四章化工工艺计算,一.设计计算前的准备工作,3.资料的来源,（1）科研单位 （研究报告）,（2）设计单位 （设计图纸、设计说明书）,（3）基建单位 （厂址方案、基建工程资料和,安装工程资料）,第四章化工工艺计算,（4）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、各类调查报告、各种化工过程与设备计算等书籍。,第四章化工工艺计算,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）,Industrical Chemicals,（2）,Encyclopedia of Chemical Technology,（3）,Science and Technology,（4）,Chemical Abstracts （C.A）,（5）,Handbook of Technology,（6）,I.C.T,（物性手册）,（7）,化工工艺设计手册,（8）,材料与零部件手册,第四章化工工艺计算,二.,物料衡算,1.物料衡算能为化工设计提供的基础数据（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。,第四章化工工艺计算,二.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、反应,转化率、相平衡数据等。,第四章化工工艺计算,二.物料衡算,3.物料衡算式：,进料总量=出料总量+损耗量+积累量,对于一个连续稳定过程：,进料总量=出料总量+损耗量,第四章化工工艺计算,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,据。,（2）,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,数据,（4）,列出衡算式。,（5）,展开计算。将计算结果列出物料衡算表。,第四章化工工艺计算,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 0.5h,进料 0.5h,聚合反应 5.0h,出料 1.5h,清理 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。,第四章化工工艺计算,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：,50008/8000=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:,1.15/0.47/0.9=13.0m,3,进口管道通过能力=每批投料量/进料时间,=1.15/0.5,=11t/h,=23.4m,3,/h,出口管道的通过能力=,5.5,/1.5,=3.67t/h,第四章化工工艺计算,（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,Cl,2,C,2,H,4,HCl,A氯化,B次氯化,热裂解C,D分离,C,2,H,3,Cl,(VC),第四章化工工艺计算,在各反应器中发生如下反应：,(A)氯化反应 C,2,H,4,+Cl,2,C,2,H,4,Cl,2,(DCE：二氯乙烷）,DCE收率98%,（B)次氯化 C,2,H,4,+2HCl+0.5O,2,C,2,H,4,Cl,2,+H,2,O,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 C,2,H,4,Cl,2,C,2,H,3,Cl(VCM)+HCl,VCM的收率为99%，HCl的收率为99.5%,设VC产量为12500kg/h，试求Cl,2,C,2,H,4,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62.5,99.0,36.5,设C,2,H,4,进入（A）的流量为x,1,进入（B）的流量为x,2,HCl的循环量为x,3,VC=12500/62.5=200kmol/h,第四章化工工艺计算,则：x,3,=0.995(0.98x,1,+0.95x,2,)(1),0.90 x,3,/2=0.95x,2,(2),0.99(0.98x,1,+0.95x,2,)=200 (3),联立（1）（2）得 x,2,=0.995(0.98x,1,+0.95x,2,)0.9/1.9,x,2,=0.837x,1,（4）,联立（3）（4）x,1,=113.8,x,2,=95.3,因此：Cl,2,流量=x,1,=113.8kmol/h,C,2,H,4,=x,1,+x,2,=209.1kmol/h,HCl循环量x,3,=0.995(0.98113.8+0.95 95.3)=201.1kmol/h,解（2）直接迭代法,设以HCl的循环量x,3,作为迭代变量,第四章化工工艺计算,迭代步骤为：,1）假设x3,2）用式 0.9x,3,/2=0.95x,2,0.99(0.98x,1,+0.95x,2,)=200,求出x,1,x,2,3）将x,1,x,2,代入 x,3,=0.995(0.98x,1,+0.95x,2,)方程,求出x,3,，与初值比较，若误差已经达到收敛指标，则结束计算。,现设x,3,=150kmol/h，迭代过程各变量值如下,迭代次数 x,3,x,2,x,1,x,3,1 150 71.055 137.2877 201.034,2 201.034 95.2298 113.8623 201.043,3 201.043 95.234 113.858 201.043,4 201.043,由此可知，迭代4次即可收敛。,第四章化工工艺计算,（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 C,6,H,5,CH,3,+H,2,C,6,H,6,+CH,4,副反应 2C,6,H,6,(C,6,H,5,),2,+H,2,(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51，当转化率为70%时，选择性为97.69%，进料氢气的组成为95%H,2,，5%CH,4,。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：,第四章化工工艺计算,换热,反应,压缩,分离,氢气,甲苯,循环气,苯,联苯,排放气,1）列出各组分物料平衡方程,（1）甲苯 F,T,=P,B,/S F,T,P,B,甲苯进料量，苯的产量,（2）联苯 P,D,=P,B,(1-S)/2S P,D,S 联苯产量，反应的选择性,（3）氢 0.95F,G,=P,B,/S-P,B,(1-S)/2S+Y,PH,P,G,Y,PH,排放气中的氢含量mol%,P,G,排放气量,F,G,氢气进料量,第四章化工工艺计算,（4）甲烷 0.05F,G,+P,B,/S=(1-Y,PH,)P,G,将（3）+（4）得,（5）排放气量 P,G,=F,G,+P,B,(1-S)/2S=F,G,+P,D,以（5）代入（3）得,（6）氢气进料量,（7）循环气量：C,G,=(F,T,5/X-F,G,0.95)/Y,PH,X 转化率 C,G,循环量,2)设F,T,=100kmol/h,Y,PH,=40%，求循环气量、补充气量和循环压缩机功率,F,G,=100(1-0.50.6 0.0231)/(0.95-0.4),=180.6kmol/h,P,G,=F,G,+P,D,=180.6+100(1-0.9769)/2,=181.8kmol/h,C,G,=(5 100/0.7-180.6 0.95)/0.4,=1356kmol/h,第四章化工工艺计算,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,=0.72，压缩因子Z=1，则每kmol循环压缩机的理论功耗：,W=410.11kJ/kmol,故循环压缩机理论功耗,WC,G,=1356 410.11=5.56 10,6,kJ/h,=154.5kw.h,实际功耗,W C,G,/,=154.5/0.72=214.5kw.h,3)计算各种Y,PH,下的氢气成本和操作费用,YPH 0.05 0.1 0.2 0.4 0.6 0.8,氢气成本 958.3 1015 1152 1445 2480 5800,操作费用 771.6 318.9 106.2 85.8 46.8 6.5,总费用 1729.9 1396.9 1258.2 1530.8 2226.8 5806.5,第四章化工工艺计算,（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。,步骤,写出化学反应方程式,列出化学计量系数矩阵,求出矩阵的秩,确定独立反应数和关键组分数,对关键组分进行物料衡算,第四章化工工艺计算,例4 苯与乙烯在一绝热反应器中进行气相烷基化反应，发生的主要反应有：,C,6,H,6,(A)+C,2,H,4,(B)C,6,H,5,C,2,H,5,(C),C,6,H,5,C,2,H,5,(C)+C,2,H,4,(B)C,6,H,5,(C,2,H,5,),2,(D),C,6,H,5,(C,2,H,5,),2,(D)+C,6,H,6,(A)2C,6,H,5,C,2,H,5,(C),C,6,H,5,C,2,H,5,(C)C,6,H,5,(CH,3,),2,(E),已知某中试反应器乙烯的进料量为12.5kg/h，苯进料量为255kg/h，反应产物经精馏分离，未反应的乙烯作为