年产9000t的2-甲基呋喃工艺计算..docx
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第三章工艺计算
3.1工艺条件表
生产能力:
9000t2-MF/a即1.25t/h
年工作日:
300天
糠醛单耗:
1.44t/t2-MF
氢醛比:
10:
1(mol比)
表3-1物料组成
物料
组分号
分子量
原料糠醛A
新鲜H2B
粗品2-MFP
高沸物J
废水O
放空气Q
糠醛
1
96.08
99.50
H2
2
2.00
99.50
84.00
2-甲基呋喃
3
82.10
85.50
5.80
0.80
1.00
2-甲基四氢呋喃
4
86.13
3.60
1.20
0.20
正戊醇
5
88.15
2.80
18.00
糠醇
6
98.10
2.50
25.00
1.00
γ-戊内酯
7
100.11
35.00
H2O
8
18.00
0.50
5.60
15.00
98.00
N2
9
28.00
0.50
15.00
∑
100.00
100.00
100.00
100.00
100.00
100.00
3.2物料衡算
3.2.1消耗定额计算
图3-1工艺流程图
由于该工艺过程中涉及到的组分比较多,为了便于计算,本文对各个组分进行一个简化代号的命名,具体名称见表3-2所示。
表3-2组分的代号
物质
糠醛
氢气
2-甲基呋喃
2-甲基四氢呋喃
正戊醇
糠醇
γ-戊内酯
水
氮气
代号
1
2
3
4
5
6
7
8
9
在接下来的计算中V代表摩尔流量,单位为kmol/h,x代表液体的摩尔分率,w代表液体的质量分率,y代表其他的摩尔分率,下标i代表物料点,j代表组分。
在本设计中,假设糠醛能够全部转化,会生成主产物2-甲基呋喃和副产物2-甲基四氢呋喃、正戊醇、糠醇、γ-戊内酯等,其对应的主反应和副反应方程式如下:
(主反应)
(副反应)
(副反应)
(副反应)
(副反应)
物料衡算的是依据质量守恒定律进行计算的,本设计对应的物料衡算模型如下:
1)C5的平衡
VA·xA1=VP·[xP,3+xP,4+xP,6]+V0·[x0,3+x0,4+x0,6]+VJ·[xJ,3+xJ,4+xJ,5+xJ,6+xJ,7]+VQ·[yQ3]
2)H2的平衡
VA·[2xA,1+xA,3]+VB+yB,2=VP·[3xP,3+5xP,4+6xP,5+3xP,6]+V0·[3x0,3+5x0,4+3x0,6+x0,8]+VJ·[3xJ,3+5xJ,4+6xJ,5+7xJ,6+8xJ,7+xJ,8]+VQ·[2yQ,2+3yQ,3]
3)O的平衡
VA·[2xA,1+xA,3]=VP·[xP,3+5xP,4+xP,5+2xP,6+xP,8]+V0·[3x0,3+x0,4+2x0,6+x0,8]+VJ·[xJ,3+xJ,4+xJ,5+2xJ,6+2xJ,7+xJ,8]+VQ·yQ,2
4)N2的平衡
VB·yB,9=VQ·VQ,9
5)糠醛单耗
其中a为糠醛单耗,是A物料点的平均分子量
6)粗品的单耗
其中p为粗品单耗,是P物料点的平均分子量。
mol%含量及平均分子量的计算
以100kg物料为计算基准,由质量百分含量wt%计算摩尔百分含量mol%。
平均分子量
单位时间2-MF产量:
7)消耗定额计算
本文按照以吨为计量单位来进行计算,则液体混合物mol%及平均分子量见表3-3。
表3-3液体混合物mol%及平均分子量
物质
糠醛
氢气
2-甲基呋喃
2-甲基四氢呋喃
正戊醇
糠醇
γ-戊内酯
水
氮气
合计
代号
1
2
3
4
5
6
7
8
9
分子量
96.08
2.00
82.10
86.13
88.15
98.10
100.11
18.0
28.0
原料糠醛
99.50
0.50
100
ni
1.04
0.03
1.07
xA,i%
97.39
2.61
100
93.57
0.47
94.04
粗品2-MF
85.50
3.6
2.80
2.50
5.60
100
ni
1.04
0.04
0.03
0.03
0.31
1.45
xP,i%
71.74
2.88
2.19
1.76
21.43
100
58.90
2.48
1.93
1.72
3.86
68.89
高沸物
5.8
1.2
18.0
25.0
35.0
15.0
100
ni
0.07
0.01
0.20
0.25
0.35
0.83
1.73
xJ,i%
4.09
0.81
11.83
14.76
20.25
48.27
100
3.36
0.07
10.43
14.48
20.27
8.69
57.92
排水
0.80
0.20
1.00
98.0
100
ni
0.01
0
0.01
5.44
5.47
XO,i%
0.18
0.04
0.19
99.59
100
0.15
0.04
0.18
17.93
18.29
8)糠醛量及粗品量的计算
由糠醛单耗计算原料糠醛A的量VA由计算模型5)可以计算到:
9)新氢B、放空气Q、高沸物J和排水O的计算
根据上面所述的公式可以的西湖下列公式:
有方程4)通过化简可以得到0.5VB=15VQ,即VB=30VQ
将上述数据代入到方程1)中可以得到:
15.31×97.39=(71.74+2.88+2.19+1.76)×17.42+(0.18+0.04+0.19)VO+(4.09+0.81+11.83+14.76+20.25)×VJ+1.00VQ
即1491.04=1368.55+0.41Vo+51.73VJ+1.00VQ由方程2),得
(2×97.39+2.61)×15.31+99.50VB=17.42×(3×71.74+5×2.88+6×2.19+3×1.76)+(3×0.01+5×0.04+(3×0.19+99.59)Vo+(3×4.09+5×0.81+6×11.83+3×14.76+4×20.25+48.27)VJ+(84.00+3×1.00)VQ
即3022.04+99.50VB=4320.31+100.90Vo+260.81VJ+87.00VQ
由方程3),得
15.31×(2×97.39+2.61)=17.42×(71.74+2.88+2.19+2×1.76+21.43)+(0.18+0.04+2×0.19+99.59)Vo+(4.09+0.81+11.83+2×14.76+2×20.25+48.27)VJ+1.00VQ
即3022.04=1772.46+100.19Vo+135.01VJ+1.00VQ
VB用Vo代入,整理得0.41Vo+51.73V,+1.00VQ=122.49
(1)
100.90Vo+260.81VJ-2898.00VQ=-1298.28
(2)
100.19Vo+135.01VJ+1.00VQ=1249.06(3)
(3)-
(1),得99.78VO+83.27VJ=1126.57(4)
由⑴⑵消Vo,得
1280.94VO+150187.80VJ=353677.74(5)
由(4)和(5)可得149118.8.59VJ=339215.24
联立上式的方程可得:
VJ=2.27kmol/t2-MF
Vo=9.95kmol/t2-MF
VQ=0.98kmol/t2-MF
VB=29.50kmol/t2-MF
表3.4消耗定额表
组分
kg/t-2MF
kmol/t
Nm3/t2-MF
kg/h
kmol/h
Nm3/h
原理糠醛A
1440
15.31
-
1800
19.14
-
氢气B
-
29.50
660.8
-
36.88
8.26
粗品P
1200
17.42
-
1500
21.75
-
高沸物J
131.43
2.27
-
164.28
2.84
-
排水O
181.99
9.95
-
227.49
12.43
-
放空气Q
-
0.98
21.95
-
1.22
27.33
3.2.2汽提塔物料衡算
(1)计算模型
以1h为计算基准
①计算M物料氢醛比:
,因此
由图3-2可知,yM,i=yQ,i
图3-2汽提塔物料衡算范围
①解Vc和yc.i
VC·yC,2=VB·yB,2+(VM-VQ)·yQ,2
(1)
VB+VM-VQ=VC
(2)
VC·yC,i=VB·yB,i+(VM-VQ)·yQ,I(3)
②VD和yD,i
VA+VC=VD(4)
VA·yA,i+Vc·yc,i=VD·yD,i(5)
计算过程如下:
由①可得,VC·yC,2=2423.58kmol/h
由方程
(1)得,2423.58=3669.56+84.00(VM-1.22)
由方程
(2)得,36.88+VM-1.22=VC
由方程(3)得,19.14+VC=VD
联立上式可以得到
VM=255.08kmol/h
VC=290.74kmol/h
VD=309.88kmol/h
i=2由(3),得3669.56+84.00×(255.08-1.22)=290.74yc,2
解得yc,2=85.97%
i=3由(3),得0+1.00×(255.08-1.22)=290.74yc,3
解得yc,3=0.87%
i=9由(3),得36.88×0.5+15.00×(310.52-1.13)=(255.08-1.22)=290.74yc,9
解得yc,9=13.16%
i=1由(5),得19.14×97.39+0=309.89yD,1
解得yD,1=6.02%
i=2由(5)得0+290.74×85.97=309.89yD,2
解得yD,2=80.66%
i=3由(5)得0+290.74×0.87=309.89yD,3
解得yD,3=0.82%
i=8由(5)得19.14×2.61+0=309.89yD,8
解得309.89yD,8=0.16%
i=9由(5)得0+290.74×13.16=309.89yD,9
解得yD,9=18.23%
表3.5A物料点处的流量组成
kmol/h
xA,i%
糠醛
18.64
97.39
H2O
0.5
2.61
∑
19.14
100
表3.6B物料点处的流量组成
kmol/h
Nm3/h
yB,i%
H2
36.70
822.08
99.5
N2
0.18
4.03
0.5
∑
36.88
826.11
100
表3.7Q物料点处的流量组成
kmol/h
Nm3/h
yQ,i%
H2
1.024
22.96
84
2-甲基呋喃
0.0122
0.27
1
N2
0.183
4.10
15
∑
1.22
27.33
100
表3.8M物料点处的流量组成
kmol/h
Nm3/h
yM,i%
H2
189.07
4235.1
84
2-甲基呋喃
2.25
50.4
1
N2
33.76
756.27
15
∑
225.08
5041.77
100
表3.9C物料点处的流量组成
kmol/h
Nm3/h
yC,i%
H2
249.95
5598.86
85.97
2-甲基呋喃
2.53
56.66
0.87
N2
38.26
857.05
13.16
∑
290.74
6512.58
100
表3.8D物料点处的流量组成
kmol/h
Nm3/h
yM,i%
糠醛
18.65
417.87
6.02
H2
249.95
5598.86
80.66
2-甲基呋喃
2.54
56.92
0.82
H2O
0.5
11.10
0.16
N2
56.49
1265.40
18.23
∑
309.88
7350.15
100
3.2.3反应器的物料衡算
(1)反应式
①糠醛全部转化
②含碳产物选择性SW,i(wt%)见表3.11
3.11含碳产物选择性SW,i(wt%)
组分
C5H6O
C5H10O
C5H12O
C5H6O2
C5H8O2
wt%
86
3.1
3.8
4.2
2.9
(2)计算模型
以每小时为基准。
根据质量守恒,可得
①C5平衡:
VD·[yD,1+yD,3]=VE·(yE,3+yE,4+yE,5+yE,6+yE,7)=EC5
②H2平衡:
VD·[2yD,1+yD,2+3yD,3+yD,8]=VE·(yE,2+3yE,3+5yE,4+6yE,5+3yE,6+4yE,7+yE,8)
③O平衡:
VD·[2yD,1+yD,3+yD,8]=VE·(yE,3+yE,4+yE,5+2yE,6+2yE,7+yE,8)
糠醛全部转化,所以yE,1=0
惰性气体VE·yE,9=VD·yD,9
根据化学反应及mol选择性SM,i,C5物质VE·yE,i=SM,i·EC5i=3,4,5,6,7
(3)模型求解
由C5平衡计算C5总量
EC5=VD·(yD,1+yD,3)
若E[i]=VE·yE,ii=2,3,4,5,6,7,8,9
由mol选择性计算C5各组分的量E[i]=SM,i·EC5i=3,4,5,6,7
其中
SM,i.mol百分数表示的选分数表SW,i一以质以质量百分数表选择性
则H2平衡VD·[2yD,1+yD,2+3yD,3+yD,8]=E
(2)+3E(3)+5E(4)+6E(5)+3E(6)+4E(7)+E(8)
O平衡:
VD·[2yD,1+yD,3+yD,8]=E(3)+E(4)+E(5)+2E(6)+2E(7)+E(8)
以上只有E
(2),E(8)未知,联立求解
然后在根据
计算过程
图3-3反应器物料衡算范围
由C5平衡可得:
EC5=309.88×(6.02+0.82)÷100=21.20kmol/h
由质量选择性和摩尔选择性之间的关系,i=3,4,5,6,7
可以计算各产物mol选择性。
表3.12各产物mol选择性
组分
分子量
wt%
mol
mol%
C5H6O
82.10
86
1.05
87.41
C5H10O
86.13
3.1
0.04
3.00
C5H12O
88.15
3.8
0.04
3.60
C5H6O2
98.10
4.2
0.04
3.57
C5H8O2
100.11
2.9
0.03
2.42
∑
100
100
由mol选择性计算C5各组分的量E[i]=SM,i·EC5i=3,4,5,6,7
E[3]=21.2×87.41/100=18.53kmol/h
E[4]=21.2×3.08/100=0.64kmol/h
E[5]=21.2×3.60/100=0.76kmol/h
E[6]=21.2×3.57/100=0.76kmol/h
E[7]=21.2×2.42/100=0.51kmol/h
由方程⑴可得,3295.38=E[2]+3×18.53+5×0.64+6×0.76+3×0.76+4×0.51+E[8]
由方程⑵可得,40.34=18.53+0.64+0.76+0.76×2+2×0.51+E[8]
联立方程⑴和⑵解得,E[2]=209.84kmol/hE[8]=17.87kmol/h
惰性气体VE·yE,9=VD·yD,9
E[i]=VE·yE,ii=2,3,4,5,6,7,8,9
E(9)=VD·yD,9
E(9)=309.88×18.23÷100=56.49kmol/h
由以上计算结果可以得出反应器出口的物料量为:
VE=209.84+18.53+0.64+0.76+0.76+0.51+17.87+56.49=305.4kmol/h
由可以得出反应器出口物料的组成为:
yE,2=100×209.81÷305.4=68.71%
yE,3=100×18.53÷305.4=6.07%
yE,4=100×0.64÷305.4=0.21%
yE,5=100×0.76÷305.4=0.25%
yE,6=100×0.76÷305.4=0.25%
yE,7=100×0.51÷305.4=0.17%
yE,8=100×17.87÷305.4=5.85%
yE,9=100×56.49÷305.4=18.5%
表3.13计算结果
物质
kmo/h
Nm3/h
yE,i%
Mi
ME
H2
209.84
4700.42
68.71
2.00
1.37
2-甲基呋喃
18.53
415.07
6.07
82.10
4.98
2-甲基四氢呋喃
0.64
14.34
0.21
86.13
0.18
正戊醇
0.76
17.02
0.25
88.15
0.22
糠醇
0.76
17.02
0.25
98.10
0.24
γ-戊内酯
0.51
11.42
0.17
100.11
0.17
H2O
17.87
400.29
5.85
18.00
1.05
N2
56.49
1265.38
18.50
28.00
5.18
∑
305.40
6840.96
100
12
3.24冷凝器系统检验
对于冷凝分离系统
图3-4冷凝分离系统
进入物料
VE
E(i)
离开物料
VM+VP+VJ+VO
M(i)+P(i)+J(i)+O(i)
(VE-(VM+VP+VJ+VO))/VE<2%
(E(i)-M(i)+P(i)+J(i)+O(i))/E(i)<2%
检验过程见表3.14
进入物料VE=305.4kmol=305.4×12=3664.8kg/h
离开物料VM+VP+VJ+VO=255.08+21.75+2.84+12.43=292.1kmol
VM+VP+VJ+VO=255.08×6.7+1500+164.28+227.49=3600.86kg/h
相对误差为
表3.14各组分的相对误差
物质
分子量
E[i]kg/h
M[i]kg/h
P[i]kg/h
J[i]kg/h
O[i]kg/h
O[i]+M[i]+P[i]J[i]
相对误差%
H2
2.00
419.68
378.14
0.00
0.00
0.00
378.14
-0.10
2-甲基呋喃
82.10
1521.31
184.73
61.35
0.30
0.34
246.71
-0.84
2-甲基四氢呋喃
86.13
55.12
0.00
12.15
0.07
0.09
12.31
-0.78
正戊醇
88.15
66.99
0.00
177.45
0.00
0.00
177.45
1.65
糠醇
98.10
74.56
0.00
221.40
0.02
0.41
221.83
1.98
γ-戊内酯
100.11
51.06
0.00
303.75
0.00
0.00
303.75
4.95
H2O
18.00
321.66
0.00
724.05
8.94
40.79
773.78
1.41
N2
28.00
1581.72
945.34
0.00
0.00
0.00
945.34
-0.40
∑
4092.10
1508.20
1500.15
9.31
41.63
3059.30
-0.25
3.2.5蒸馏塔物料衡算
(1)计算模型
按照每小时的流量为标准
入口物料的质量分数(wt%):
2-甲基呋喃99.5%2-甲基四氢呋喃0.5%
(2)计算内容
①计算回流和塔顶蒸汽量回流比2.5
VR=2.5VT,
Vs=VR+VT,
②计算残液量和组成Vw和ww,i
VP=Vw+VT
VP·wP,i=VW·wW,i+VT·wT,i
图3-5蒸馏塔物料衡算范围
VT=1250kg/h
VR=2.5×1250=3125kg/h
VS=1250+3125=4375kg/h
VW=1500-1250=250kg/h
表3.15产品T物料点的流量和组成
组分
kg/h
WT,i%
2-甲基呋喃
1243.75
99.5
2-甲基四氢呋喃
6.25
0.5
∑
1250
100
表3.16回流液R物料点的流量和组成
组分
kg/h
WT,i%
2-甲基呋喃
3109.375
99.5
2-甲基四氢呋喃
15.625
0.5
∑
3125
100
表3.17塔顶蒸汽S物料点的流量和组成
组分
kg/h
WT,i%
2-甲基呋喃
4353.125
99.5
2-甲基四氢呋喃
21.875
0.5
∑
4375
100
表3.19粗产品P物料点的流量和组成
组分
kg/h
WT,i%
2-甲基呋喃
1282.5
85.5
2-甲基四氢呋喃
54
3.6
正戊醇
42
2.8
糠醇
37.5
2.5
H2O
84
5.6
∑
1500
100
表3.20塔釜残液W物料点的流量和组成
组分
kg/h
WT,i%
2-甲基呋喃
38.75
15.5
2-甲基四氢呋喃
47.75
19.
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