环己烷一步氧化法制己二酸年产5万吨能量衡算Word文件下载.doc
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对于有传热要求的设备，必须通过对其工艺过程进行能量衡算，才可以了解工艺过程在加热、冷却和动力学方面的能量需求及其损耗情况（如热损失），从而确定设备尺寸、载热体用量及过程的能量利用率。
根据能量衡算还能够考察能量的传递及转化对过程操作条件的影响。
1.2能量衡算的依据及必备条件
能量衡算的主要依据是能量守恒定律。
能量衡算是以物料衡算的结果为基础而进行的。
为了计算方便，能量衡算取物料的流量为1s的流量为基准。
另外，能量衡算的有关物料的热力学数据可从相关的文献或由基团估算得到。
1.3能量守恒方程
尽管能量有各种不同的表现形式，但对于任一系统总存在如下的关系，即：
-----------------------------------------（1-1）
式中，——进、出系统的第i股能量，KJ，进入系统的取正值，离开系统负值；
——对全部能流求和；
——系统内积累的能量。
进出系统的能量包括进出物流所具有的能量及在系统与环境间传递的各股热量和功。
即：
------------------------------（1-2）
其中，-------------------------------------------------（1-3）
hi——物流的比焓；
KJ/kg·
K-1
vi——物流的平均流速；
m/s
Zi——物流的质心与基准面的高差；
m
g——重力加速度；
m/s2
在能量衡算过程中，由于物流的焓流量非常大，故常用物流的焓流量（Hi）代替物流所具有的能量,所以
--------------------------------（1-4）
物料i在同状态下的焓可以按下式计算：
--------------（1-5）
其中：
为物料i的物质的量，mol；
为物料i质量流量，kg；
为物料i的标准生成焓，kJ/mol；
是物料i的定压比热容,kJ/kg·
K-1。
物料i的、由物料衡算可以得到；
物料i的和可以从有关的文献中查到。
1.4能量衡算基准
每年8000小时连续生产。
物料流量取单位时间（1s）的流量,基准温度为25℃。
己二酸
戊二酸
丁二酸
酯化釜
精馏塔1
精馏塔2
水解釜
初蒸塔
分
馏
塔
结晶器
水
乙醇
8
反应系统
闪蒸
醇酮精馏
皂化系统
环己烷塔
静置
蒸馏釜
1
2
3
4
5
6
7
11
9
水蒸气
碱液
10
1.5流程简图及说明
环己烷绿色催化氧化法生产己二酸的生产流程简图见图1-1。
整个流程分为环己烷氧化、环己烷回收、三酸分离三个工段。
环己烷氧化工段包括环己烷氧化反应系统、闪蒸器系统、皂化系统三部分。
其中，环己烷反应系统包括5个氧化釜，该系统作为整体进行能量衡算。
氧化后，经闪蒸器和水蒸气提留装置分离出三酸进入三酸分离装置。
在这里对三蒸汽、提留装置进行整体能量衡算。
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、水洗分离器等设备该系统看作一个系统来进行衡算。
环己烷回收工段包括环己烷塔以及环己醇-环己酮精馏塔。
在能量衡算过程中，将每一个塔当作一个系统来衡算。
三酸分离工段包括对酯化系统、精馏系统、结晶系统，分别对其进行能量衡算。
2.能量衡算过程
2.1能量衡算总体思路
由于物料反应过程复杂，中间产物的组分及含量难以确定，但物料的焓变只与状态有关，对每个工段进行能量衡算时，通过对始末状态下的焓流的变化量的计算，可以估算出整个工段能量交换的情况。
另外在衡算过程中，一些物质的流量很小，可以将这些物料等同为一种与其性质相似的物料来计算，即计算过程中用与它们分子量相当的物质的物性数据代替它们的物性数据。
2.2环己烷氧化与回收系统的衡算
2.2.1环己烷氧化反应系统衡算
（1）环己烷氧化系统的分析
环己烷氧化反应系统包括1个空气预热器、1个原料预热器、5个氧化釜、1个尾气冷却器，该系统作为整体进行能量衡算。
进、出口物料和条件如图2－1所示：
进料：
环己烷、杂质、
空气
25℃，1atm
WQ
出口1：
贫氧空气
25℃
1atm
出口2：
环己烷、环己酮、环己醇、水、有机酸
180℃
图2-1
一塔回流：
环己烷、环己酮、
45℃
25℃新鲜原料和80.78℃环己烷塔塔顶回流液混合后温度为59.58℃。
混合液经原料加热器加热到180℃后进入氧化器，氧化分解为180℃的氧化液和尾气，氧化液由出口2流出系统外，进入下一工段
（2）进口物流焓流量的计算
进口物料的组分含量和相关的物性数据如表2-1所示。
（进料杂质和轻质油的组分很复杂，但量都很少，且进料杂质的性质与苯很相近，轻质油的性质与环己烷的也很相近，计算时用苯和环己烷的物性数据分别代替它们的物性数据，计算结果的误差仍在估算要求的范围内）。
表2-1进口焓流量表
环己烷塔塔回流液
新鲜进料
空气
组分
环己烷
环己酮
环己醇
杂质
Ｎ
Ｏ
T/℃
80.7
25
△fHθm（298K）/（kJ.mol-1）
-156.34
-285.12
-349.6
49
Cp/kJ.mol-1.K
2.146
2.042
2.548
1.843
1.726
261.243
69.444
n/mol
32.304
0.001
19.800
0.019
50.740
36.830
m/kg
2.719
0.00011
0.00005
1.666
0.017
1.421
1.179
Hi/kJ
-4725.410
-0.320
-0.177
-3095.476
0.923
∑Hi/kJ
-7820.460
依式（1-5），分别计算各物料的焓：
回流液中：
环己烷：
环己酮：
环己醇：
新鲜进料中：
杂质：
空气中：
N2：
O2：
所以，进口物料总的焓流量为:
计算结果列于上表。
（3）出口1的物料焓流量的计算
出口1各物料的含量及物性数据如表2-2。
表2－2出口1焓流量表
25
0
0.734
0.680
261.243
29.654
1.421
0.015
。
（4）出口2物料焓流量的计算
出口2各物料的含量及物性数据如表2-3。
表2－3出口2焓流量表
180
-156.3400
-349.6000
-285.1200
-836.3030
-857.7740
-986.0800
-285.9000
2.1460
2.5480
2.0420
0.2504
0.2815
0.3125
4.2080
32.3056
2.2028
4.7972
0.3389
0.5833
11.8806
18.8556
2.7188
0.2206
0.4708
0.0400
0.0771
1.7362
0.3394
-4146.2843
-682.9554
-1218.7713
-281.8603
-497.0056
-11631.0842
-5169.4331
-23627.3941
丁二酸：
戊二酸：
己二酸：
水：
出口2物料的总焓流量为：
（5）换热器的热量衡算
换热物料进出温度及物性数据如表2－4所示。
表2－4换热物料性质表
换热器
原料预热器
空气预热器
尾气冷却器
进口温度/℃
25.0
150.0
出口温度/℃
180.0
4.4019
9.5899
8.2637
2.0540
0.7100
2.1700
Q/kJ
897.8167
1055.3737
-2241.5369
∑Q/kJ
-288.3465
依公式，分别计算各换热器的换热量：
①原料预热器：
②空气预热器：
③尾气冷却器：
给系统增加的热量为：
（6）总功计算
5个氧化釜中的每个搅拌器的在1s时间内作功为：
88KW，所以，
（7）氧化系统与环境传递的热量
=－7820.460－（－23627.3941）－288.3465+616=16134.5876kJ
即每1s时间内由整个系统需外界提供的热量为16134.5876kJ。
2.2.2闪蒸器系统衡算
（1）闪蒸器系统的分析
闪蒸器进、出口物料的流量及条件如图2－2所示：
进口：
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