年产5万吨苯酐物料衡算.doc

物料衡算
一、 反应器的物料衡算
通过Aspen模拟得到邻二甲苯的进料量是6053.00kg/h，则空气的进气量为6053.00×9.5＝57503.5kg/h,根据苏南地区的平均空气组成可得：
O2=57503.5×20.573%=11830.20kg/h
N2=57503.5×76.434%=43952.22kg/h
CO2=57503.5×0.03%=17.25kg/h
H2O=57503.5×2.05%=1178.82kg/h
惰性气体=57503.5×0.913%=525.01kg/h
主反应以及副反应的选择性如下：

反应产物
苯酐
顺酐
苯甲酸
苯酞
柠槺酐
CO
CO2
选择性%
78.94
8.15
4.72
2.05
1.44
1.30
3.40

对主反应：
C8H10+3O2→C8H4O3（苯酐）+3H2O
106 96 148 54
式中各物质的质量为：
C8H10：6053.00×99.8%×78.94%=4768.68kg/h
O2：4768.68/106×96=4318.80 kg/h
C8H4O3（苯酐）：4768.68/106×148=6658.16 kg/h
H2O：4768.68/106×54=2429.33 kg/h

对副反应：
（1） C8H10+7.5O2→C4H2O3（顺酐）+4CO2+4H2O
106 240 98 176 72
式中各物质的质量为：
C8H10：6053.00×99.8%×8.15%=492.33kg/h
O2：92.33/106×240=1114.71 kg/h
C4H2O3（顺酐）：492.33/106×98=455.17 kg/h
CO2：492.33/106×176=817.45 kg/h
H2O：492.33/106×72=334.41 kg/h

（2） C8H10+3O2→C7H6O2（苯甲酸）+CO2+2H2O
106 96 122 44 36
式中各物质的质量为：
C8H10：6053.00×99.8%×4.72%=283.92kg/h
O2：283.92/106×96=257.14 kg/h
C7H6O2（苯甲酸）：283.92/106×122=326.78 kg/h
CO2：283.92/106×44=117.85 kg/h
H2O：283.92/106×36=96.42kg/h

（3） C8H10+2O2→C8H6O2（苯酞）+ 2H2O
106 64 134 36
式中各物质的质量为：
C8H10：6053.00×99.8%×2.05%=123.84kg/h
O2：123.84/106×64=74.77kg/h
C8H6O2（苯酞）：123.84/106×134=156.55kg/h
H2O：123.84/106×36=42.06kg/h

（4） C8H10+4.5O2→C5H4O3（柠槺酐）+ 3CO+3H2O
106 144 113 84 54
式中各物质的质量为：
C8H10：6053.00×99.8%×1.44%=86.99kg/h
O2：86.99/106×144=118.18kg/h
C5H4O3（柠槺酐）：86.99/106×113=92.73kg/h
CO：86.99/106×84=68.94kg/h
H2O：86.99/106×54=44.32kg/h

（5） C8H10+6.5O2→8CO+5H2O
106 208 224 90
式中各物质的质量为：
C8H10：6053.00×99.8%×1.30%=78.53kg/h
O2：78.53/106×208=154.10kg/h
CO：78.53/106×224=165.95kg/h
H2O：78.53/106×90=66.68kg/h

（6） C8H10+10.5O2→8CO2+5H2O
106 336 352 90
式中各物质的质量为：
C8H10：6053.00×99.8%×3.40%=205.39kg/h
O2：205.39/106×336=651.05kg/h
CO2：205.39/106×352=682.05kg/h
H2O：205.39/106×90=174.39kg/h

综合以上数据，可以得出反应器出口气体组成为：
N2=43952.22kg/h
惰性气体=525.01kg/h
O2=11830.20-4318.80-1114.71-257.14-74.77-118.18-154.10-651.05=5141.45 kg/h
CO2=17.25+817.45+117.85+682.05=1634.60 kg/h
H2O=1178.82+2429.33 +334.41+96.42+42.06+44.32+66.68+174.39=4366.43 kg/h
C8H4O3（苯酐）=6658.16 kg/h
C4H2O3（顺酐）=455.17 kg/h
C7H6O2（苯甲酸）=326.78 kg/h
C8H6O2（苯酞）=156.55kg/h
C5H4O3（柠槺酐）=92.73kg/h
CO=68.94+165.95=234.89 kg/h
C8H10（邻二甲苯）=6053.00×（1-99.8%）=12.11 kg/h

反应器进口
反应器出口
组分
质量流量（kg/h）
质量分数（%）
摩尔流量（kmol/h）
摩尔分数（%）
质量流量（kg/h）
质量分数（%）
摩尔流量（kmol/h）
摩尔分数（%）
N2
43952.22
69.16
1569.72
76.291
43952.22
69.16
1569.72
75.248
惰性气体
525.01
0.83
13.14
0.639
525.01
0.83
13.14
0.630
O2
11830.20
18.61
369.69
17.968
5141.45
8.09
160.67
7.702
CO2
17.25
0.03
0.39
0.019
1634.60
2.57
37.15
1.781
H2O
1178.82
1.85
65.49
3.183
4366.43
6.87
242.58
11.629
邻二甲苯
6053.00
9.52
57.10
2.775
12.11
0.02
0.11
0.005
苯酐
0
0
0
0
6658.16
10.48
44.99
2.157
顺酐
0
0
0
0
455.17
0.72
4.64
0.222
苯甲酸
0
0
0
0
326.78
0.51
2.68
0.128
苯酞
0
0
0
0
156.55
0.25
1.17
0.056
柠槺酐
0
0
0
0
92.73
0.14
0.82
0.039
CO
0
0
0
0
234.89
0.37
8.39
0.402
合计
63566.5

2057.53

63556.10

2086.06

二、 后冷器的物料衡算

后冷器进口（kg/h）
后冷器出口（kg/h）
组分

苯酐工艺废气
苯酐产品
N2
43952.22
43952.22
0
惰性气体
525.01
525.01
0
O2
5141.45
5141.45
0
CO2
1634.60
1634.60
0
H2O
4366.43
4366.43
0
邻二甲苯
12.11
8.76
3.35
苯酐
6658.16
3458.11
3200.05
顺酐
455.17
423.78
31.39
苯甲酸
326.78
279.35
47.43
苯酞
156.55
43.06
113.49
柠槺酐
92.73
53.96
38.77
CO
234.89
234.89
0
合计
63556.10
60121.62
3434.48

三、 切换冷凝器的物料衡算

切换冷凝器进口（kg/h）
切换冷凝器出口（kg/h）
组分

冷气体
固体苯酐
N2
43952.22
43952.22
0
惰性气体
525.01
525.01
0
O2
5141.45
5141.45
0
CO2
1634.60
1634.60
0
H2O
4366.43
4366.43
0
邻二甲苯
8.76
8.76
0
苯酐
3458.11
193.65
3264.46
顺酐
423.78
141.12
282.66
苯甲酸
279.35
1.68
277.67
苯酞
43.06
0.26
42.80
柠槺酐
53.96
17.97
35.99
CO
234.89
234.89
0
合计
60121.62
56218.04
3903.58

能量衡算
一、 对空气预热器（E101）能量衡算
由物料衡算知，空气的进料量为57502.11kg/h，查工具书知，空气在298.15K（25℃）→478.15K（205℃）的平均比热容为1.099kJ/kg/K，故有：
Q=Cm△T=1.099×57502.11×（205-25）=1.138×107kJ
又因为在6000Kpa时，水蒸气的汽化潜热为1892.4kJ/kg,所以需要中压蒸汽的质量为：
m=1.138×107/1892.4=6010.93kg

二、 对邻二甲苯蒸发器（E102）能量衡算
由物料衡算知，邻二甲苯的进料量为6052.8536kg/h，查工具书知，邻二甲苯在298.15K（25℃）→478.15K（205℃）的平均比热容为4.161kJ/kg/K，故有：
Q=Cm△T=4.161×6052.8536×（205-25）=4.533×106kJ
又因为在6000Kpa时，水蒸气的汽化潜热为1892.4kJ/kg,所以需要中压蒸汽的质量为：
m=4.533×106/1892.4=2395.61kg

三、 对反应器（R101）能量衡算
Q1→起始物料带入设备中的能量，kJ
Q2→冷却剂与设备间传递的能量，kJ
Q3→化学变化产生的能量，kJ
Q4→生成物本身的能量，kJ
Q5→反应系统的能量损失，kJ
物料进入设备时温度为478.15K（205℃），则以478.15K（205℃）为计算基准，即Q1=0，查工具书得到下列各物质在298.15K（25℃）→478.15K的平均比热容如下：

组分
比热容（kJ/kg/K）
N2
1.06
O2
1.15
CO2
1.45
H2O
4.18
惰性气体
1.06
邻二甲苯
6.96
苯酐
5.23
顺酐
4.52
苯甲酸
5.18
苯酞
4.91
柠槺酐
4.52
CO
1.11

所以：
Q4=（43952.22×1.06+5141.45×1.15+1634.60×1.45+4366.43×4.18+525.01×1.06+12.11×6.96+6658.16×5.23+455.17×4.52+326.78×5.18+156.55×4.91+92.73×4.52+234.89×1.11）×（205-25）=19414887.65
Q3=6052.8536×0.998×1000/106×(0.7894×1302.2+0.0815×3177.9+0.0472×1339.8+0.0205×834.7+0.0144×1674.8+0.013×2177.2+0.034×4576.4)= 89778000.37kJ
Q1=0
Q5=5%*(Q1+Q3)=5%*89780171.82=4489008.59kJ
Q2=Q1+Q3-Q4-Q5=8977800-20481382.42-4489008.59=65874212.7kJ

四、 对盐冷器（E103）冷盐溶液能量衡算
盐溶液的组成为质量分数为40%的NaNO2、53%的KNO3、7%的NaNO3，则盐溶液的相对分子质量为69×40%+101×53%+85×7%=87g/mol
查工具书得到：

基团
△a
△b
△c
△d
NO3-1
49.766
83.928
-0.478
-0.7040
Na+1
14.186
9.665
0.529
4.815
NO2-1
18.307
126.338
0.596
-4.044
K+1
25.309
-2.284
0.218
5.174

根据公式：
Cp=△a+△b×10-3T+△c×10-6T-2+△d×10-6T2
求得在643.15K（370℃）→658.15K（385℃）盐溶液的平均Cp值为125.35J/mol/K。
故有：
Q2=n×Cp×△T
即：
65874212.7=m/87×125.35×(385-370)
所以：
m=3048028.988kg/h

五、 对后冷器（E105）能量衡算
对于反应后气体→贫反应气：

组分
质量流量(kg/h)
摩尔流量(kmol/h)
Cv,m(J/mol/K)
Q(kJ)
N2
44411.25
1621.05
21.5800105
2413777.046
O2
5532.674
172.9025
22.50127118
268446.2968
CO2
1199.838
27.26298
34.36203979
64640.00065
CO
503.0335
17.95881
21.39953306
26517.40024
H2O
3191.09
177.1324
26.87410101
328458.9067
苯酐
6661.871
44.97679
176.8649538
548882.4339
顺酐
455.8951
4.649235
102.9872031
33038.00794
苯甲酸
329.1179
2.694961
160.3666449
29820.5479
苯酞
156.6699
1.168006
178.3696679
14375.24212
柠槺酐
91.96047
0.8204533
102.1680626
5783.864566
邻二甲苯
0
0
177.0464316
0
合计
62533.39987
2070.616135

3733739.747

对于反应后气体→液相苯酐：

组分
质量流量(kg/h)
摩尔流量(kmol/h)
Cv,m(J/mol/K)
Q(kJ)
苯酐
3202.05
21.63547297
176.8649538
264032.4279
顺酐
32.39
0.330510204
102.9872031
2348.644185
苯甲酸
48.43
0.396967213
160.3666449
4392.560706
苯酞
114.49
0.854402985
178.3696679
10515.57079
柠槺酐
39.77
0.351946903
102.1680626
2481.083591
邻二甲苯
4.35
0.041037736
177.0464316
501.3253439
合计
3441.48
23.61033801

284271.6126

已知Q=3733739.747+284271.6126=4018011.36kJ，锅炉供水的流量为40000kg/h，进口温度t1为298.15K(25℃)，求出口温度t2，根据Q=n×Cp,m×(t2-t1)，其中Cp,m为t1-t2的平均值，
即有：
4018011.36kJ =40000×(1/18) ×0.5×(33.3+Cp,m-t2) ×(t2-298.15)
整理得：
2.022×10^(-6) ×t2^3-0.01609×t2^2-58.33×t2+22233.76839=0
解得：
t2=349.15K=76℃

六、 对气体冷却器（E104）能量衡算
组分
质量流量(kg/h)
摩尔流量(kmol/h)
Cv,m(J/mol/K)
Q(kJ)
N2
45411.25
1621.830357
22.19146473
5938480.544
O2
5532.674
172.8960625
23.14575473
660298.6262
CO2
1199.838
27.26904545
37.55177862
168960.1911
CO
503.0335
17.96548214
22.15416018
65671.6779
H2O
3191.09
177.2827778
28.32048419
828421.1274
苯酐
6661.871
45.01264189
215.4413925
1600101.731
顺酐
455.8951
4.651990816
127.848152
98133.49078
苯甲酸
329.1179
2.697687705
191.597239
85283.47012
苯酞
156.6699
1.169178358
218.7168878
42193.64354
柠槺酐
91.9604
0.81380885
125.1333762
16802.71708
邻二甲苯
0
0
212.6603631
0
合计
63533.3998
2071.589033

9504347.219

已知Q=9504347.219kJ，锅炉供水的流量为40000kg/h，进口温度t1为348.15K(76℃)，求出口温度t2，根据Q=n×Cp,m×(t2-t1)，其中Cp,m为t1-t2的平均值，
即有：
9708548.627=40000×(1/18) ×0.5×(33.999+Cp,m-t2) ×(t2-351.25)
整理得：
2.022×10^(-6) ×t2^3-0.015864×t2^2-58.2243×t2+30726.48861=0
解得：
t2=47.15K=201℃

七、 对盐冷器（E103）锅炉供水能量衡算
已知Q2=65874212.7kJ，锅炉供水的流量为40000kg，进口温度t1为473.15K(200℃)，求出口温度t2, 根据Q=n×Cp,m,1×(t-t1)+n×Cp,m,2×(t2-t)+m×汽化潜热 , 其中t=548.55K(即275.4℃-6000kP的沸点)，Cp,m,1为t1-t的平均值 ,Cp,m,2为t-t2的平均值，
即有：
64809780.81=40000×(1/18) ×0.5×(35.5632+36.50) ×(275.4-201)+40000×(1/18) ×0.5×(36.50+Cp,m-t2)*(t2-548.552)+40000×1556.3
整理得：
2.022×10^(-6) ×t2^3-0.015599×t2^2-57.7115×t2+38247.73253=0
解得：
t2=580.15 K=307℃

八、 对切换冷凝器（E106&E107）能量衡算
对于贫反应气→冷气体：

组分
质量流量(kg/h)
摩尔流量(kmol/h)
Cv,m(J/mol/K)
Q(kJ)
苯酐
3853.427
26.03666892
153.0029649
262923.3776
顺酐
443.0526
4.520944898
88.28549283
26342.83399
苯甲酸
290.2355
2.378979508
138.7999277
21793.34413
苯酞
96.13707
0.717440821
153.5935813
7272.824136
柠槺酐
88.09562
0.662373083
88.60484691
3873.504729
邻二甲苯
0
0
153.3344993
0
N2
45411.22
1621.829286
21.21243245
2270594.315
O2
5532.666
172.8958125
22.11776873
252388.5933
CO2
1199.829
27.26884091
32.29961273
58131.01806
CO
503.0332
17.96547143
20.94589686
24835.99216
H2O
3189.595
177.1997222
26.00812114
304169.7016
合计
60607.29099
2051.47554

3232325.505

对于贫反应气→固体苯酐：

组分
质量流量(kg/h)
摩尔流量(kmol/h)
Cv,m(J/mol/K)
Q(kJ)
苯酐
3264.46
22.06
153.0029649
222737.26
顺酐
282.66
2.88
88.28549283
16806.35
苯甲酸
277.67
2.28
138.7999277
20850.11
苯酞
42.80
0.32
153.5935813
3237.97
柠槺酐
35.99
0.27
88.60484691
1582.51
合计
3903.58
27.81

265214.20

已知Q=3232325.505+265214.20=3497539.705kJ，冷却剂采用导热油，进口温度t1为318.15K(45℃)，出口温度t2为333.15K(60℃)，根据Q=m×Cp,m×(t2-t1)，其中Cp,m（kJ/kg/K）为t1-t2的平均值，查资料知，所选导热油的比热容为Cp,m=0.9511（kJ/kg/K）
即有：
3497539.705=m×0.9511×(60-45)
解得：
m=245157.5162kg/h

九、 对纯化预热器（E108）能量衡算

组分
液相苯酐（kg/h）
固体苯酐（kg/h）
总质量流量（kg/h）
总摩尔流量（mol/h）
Cv,m(J/mol/K)
Q(kJ)
苯酐
3200.05
3264.46
6550.678
43.68
190.3293823
665073.20
顺酐
31.39
282.66
314.05
3.20
111.4385412
28569.32
苯甲酸
47.43
277.67
325.1
2.66
171.9314582
36652.84
苯酞
113.49
42.80
156.29
1.17
192.4051649
17953.03
柠槺酐
38.77
35.99
74.76
0.61
109.9649851
5398.92
邻二甲苯
3.35
0
3.35
0.0316
189.9931264
480.36
合计
3434.48
3903.58
7338.06
51.36

754165.66

已知Q=754165.66kJ，水蒸气在6000kPa时的汽化潜热为1556.3kJ/kg，根据Q=m×汽化潜热，
即有：
754165.66=m×1556.3
解得：
m=484.59kg