产30万吨丙烯腈工厂初步设计(5)

(2) 物料衡算 a.进塔空气量

进塔干空气量=（3293.51+12428.29）=15721.80kmol/h=455932.20kg/h 查得30℃，相对湿度80%时空气湿含量为0.022kg水气/kg干空气，因此，进塔空气带入的水蒸汽量为

0.022×455932.20=10030.51kg/h b.进塔热水量

气液比为151.2，故进塔喷淋液量为

(3293.51+74316.03)×22.4×(273+170)/273×0.1013/0.263×1/152.4=1487.71m3/h 塔顶喷淋液（105℃）的密度为958kg/m3,因此进塔水的质量流量为 1487.71×958=1425226.18 kg/h c.出塔湿空气量

出塔气体中的O2、N2、H2O的量与反应器入口气体相同，因而 O2 3293.51kmol/h即105392.32kg/h N2 12428.29kmol/h即347992.12kg/h H2O 4295.88kmol/h即77325.84kg/h d.出塔液量

塔内水蒸发量=77325.84—10030.51=67295.33kg/h ∴ 塔液流量=1425226.18—67295.33=1357930.85kg/h e.饱和塔物料如下表3-6

表3-6 饱和塔物料平衡表

成分 入塔气

kmol/h

Kg /h 105392.32

%

%

出塔气 kmol /h 3293.51

Kg /h 105392.3

76.32 75.3

2

1242

347

62.01 65.5

0

0

0

0

0

%

%

入塔喷淋液 Kg /h 0

% (wt) 0

塔釜排出液 Kg /h 0

% (wt) 0

(mol) (wt) 20.24 22.8

8

(mol) (wt) 16.48 19.9

0

O2

3293.51

N2

12428.29

347992.12

8.29 992.

12

H2O554.

44

9979.92

3.44 1.8 4295.88

77325.84

21.51 14.6

0

1425026.65

99.986

1357727.16

99.985

16

AN

0

0

0

0

0

0

0

0

71.261

ACN

0

0

0

0

0

0

0

0

114.018

氰醇

0

0

0

0

0

0

0

0

7.126

ACL

0

0

0

0

0

0

0

0

2.851

合计

16276.24

463364.36

100

100 2001

7.68

463364.36

100

100

1425226.18

0.0005 0.0002 100 0.008 0.005

71.261 114.018 7.126 2.851 1357930.85

0.00525 0.0084 0.00053 0.00021 100

(3) 热衡算

a.空气饱和塔出口气体温度

从物料平衡表得知，空气饱和塔出口气体中，蒸汽的摩尔分数为0.215，根据分压定律，蒸汽的实际分压为

PH2O=yH2OP=0.215×0.243=0.05655MPa 因饱和度为0.81，所以饱和蒸汽分压应为 0.05655/0.81=0.0698MPa=69800Pa

查饱和蒸汽表得到对应的饱和温度为90℃，因此须控制出塔气体温度为 90℃，才能保证工艺要求的蒸汽量

b.入塔热水温度 入塔水来自精制工段乙腈解吸塔塔釜，105℃ c.由热衡算求出塔热水温度t 热衡算基准：0℃气态空气，0℃液态水 (a)170℃进塔空气带入热量Q1

170℃蒸汽焓值为2773.3kJ/kg，干空气在0～170℃的平均比热容为 1.004kJ/(kg·K)。

Q1=(105392.32+347992.32 )×1.004×(170-0)+9979.92×2773.3=1.051×108kJ/h (b)出塔湿空气带出热量Q2

90℃蒸汽焓2660kJ/kg，空气比热容取1.004kJ/(kg·K)。

Q2=(105392.32+347992.32)×1.004(90-0)+77325.84×2660=2.467×108kJ/h (c)105℃入塔喷淋液带入热量Q3 (d)求出塔热水温度t

出塔热水带出热量 Q4=1357930.85×4.184t=5681582.68t

热损失按5%计，则 Q5=0.05(1.051×108+5.948×108)=3.500×107kJ/h 热平衡方程 Q 1+ Q 3= Q 2+ Q4+Q5

17

Q3=1425226.18×4.184×(105-0) =6.261×108kJ/h

代入数据：

1.051×108+6.261×108=2.467×108+5681582.68t +3.5×107 解得 t=79.12℃

因此，出塔热水温度为79.12℃。 3.1.4 氨中和塔物料衡算和热量衡算

(1) 计算依据

a.入塔气体流量和组成与反应器出口气体相同。 b.在中和塔内全部氨被硫酸吸收，生成硫酸铵。 c.新鲜硫酸吸收剂的含量为93%（wt）。 d.塔底出口液体（即循环液）的组成如表3-7：

表3-7 塔底出口液体的组成

组分 %(wt)

H2O 68.53

AN 0.03

ACN 0.02

HCN 0.016

H2SO4 0.5

(NH4)SO4 合计 30.90

100

e. 进塔气温度180℃，出塔气温度76℃，新鲜硫酸吸收剂温度30℃。 f. 塔顶压力0.122 MPa，塔顶压力0.142 MPa。 (2) 物料衡算

排除的废液量及其组成

进塔气中含有3651.60kg/h的氨，在塔内被硫酸吸收生成硫酸铵，氨和硫酸反应的方程式如下：

2NH3 + H2SO4 (NH4)2SO4

(NH4)SO4的生成量，即需要连续排出的(NH4)SO4流量为： 3651.60 ×132/(2×17)=14176.80kg/h

塔底排出液中，(NH4)SO4的含量为30.9%（wt），因此，排放的废液量为： 14176.80/0.309=45879.61kg/h 排放的废液中，各组分的量：

H2O 45879.61×0.6853=31441.297kg/h AN 45879.61×0.0003=13.764kg/h ACN 45879.61×0.0002=9.176kg/h HCN 45879.61×0.00016=7.341kg/h H2SO4 45879.61×0.005=229.398kg/h (NH4)2SO4 45879.61×0.309=14176.779kg/h

a.需补充的新鲜硫酸吸收剂（93% H2SO4）的量为： (45879.61×0.005+3651.60×98/34)/0.93=11564.08kg/h

18

b.出塔气体中各组分的量 C3H6 8303.82kg/h C3H8 11118.80kg/h O2 25344.96kg/h N2 347992.12kg/h

AN 45535.83-13.764=45522.066kg/h ACN 6164.76-9.176=6155.584kg/h ACL 562.24kg/h

HCN 7539.21-7.341=7531.869kg/h CO2 22682.44kg/h

H2O 出塔气中的水=入塔气中带入的水+新鲜吸收剂带入水-废液排出的水 =148608.18+11564.93×0.07-31441.297=117976.428kg/h 出塔气中的水=入塔气中带入水+新鲜吸收剂带入水-废液排出的水 =297208.157+23121.03×0.07-6290=707759.913kg/h (3) 热衡算 a.出塔气体温度

塔顶气体中实际蒸汽分压为

PH2O=yH2OP=0.2980×0.122=0.0363MPa

设饱和度为0.98，则与塔气体温度平衡的饱和蒸汽分压为： P○H2O=0.03636/0.98=0.03710MPa

入塔喷淋液的硫酸铵含量为100×30.9/68.53=45g(NH4)2SO4/100g H2O，已知硫酸铵溶液上方的饱和蒸汽压如下表。

根据入塔喷淋液的硫酸铵含量和p○H2O的值，内插得到出塔气的温度为 76℃。

b.入塔喷淋液的温度

入塔喷淋液温度比气体出口温度低6℃,故为70℃。

c. 塔釜排出液温度

表3-8 硫酸铵溶液上方的饱和蒸汽压/MPa (NH4)2SO4含量/g[(NH4)2SO4/gH2O]

温度/℃

40

70 80 90

0.02796 0.04252 0.0629

45 0.02756 0.0419 0.06199

50 0.02716 0.04129 0.06109

d.热衡算求循环冷却器的热负荷和冷却水用量

19

Q1 +Q3+ Q4+ Q5+ Q6+ Q8=Q7+Q2+Q9 (a)入塔气体带出热Q1

入塔气体带入热量与废热锅炉出口气体带出热量相同。 Q1=1.5807×108kJ/h

(b)出塔气体带出热Q2，各组分在0～76℃的平均比热容的值

表3-9 各组分在0～76℃的平均比热容的值

物质 CP

C3H6 1.715

C3H8 1.966

O2

N2

H2O

AN

HCN ACN

ACL

CO2

0.9414 1.046 1.883 1.347 1.393 1.406 1.343 0.921

Q2=(1659×2.929+2223×3.347+7295×2.939+5066×1.046+69362×1.109+29720 ×2.092+9105.4×2.209+1233×2.10+1507×1.724+112.2×2.172+4530×1.213)×(76-0)= 5.677×107kJ/h

(c)蒸汽在塔内冷凝放热Q3

蒸汽在塔内的冷凝量=进塔气体带入蒸汽-出口气带出蒸汽 ==148608.18-117976.428=30631.752kg/h 蒸汽的冷凝热为2246.6 kJ/ kg

Q3=31441.297×2246.6=7.064×107kJ/h (d)有机物冷凝放热Q4

AN的冷凝量 13.764 kg/h，其冷凝热为615 kJ/ kg (e)氨气和放热Q5

每生成1mol硫酸铵放热273.8kJ

Q5=14176.80×1000/132×273.8=2.941×107kJ/h (f)硫酸稀释放热Q6

硫酸的稀释热为749 kJ/ kg

∴ Q6=10755.45×749=8.056×106kJ/h (g)塔釜排放的废液带出热量Q7

根据塔釜排放的废液中H2O 与(NH4)2SO4的摩尔比，查氮肥设计手册得此组分的硫酸铵水溶液比热容为3.347 kJ/（kg·K）

∴ Q7=45879.61×3.347×（81-0）=1.244×107kJ/h (h)新鲜吸收剂带入热Q8

30℃、93% H2SO4的比热容为1.603 kJ/（kg·K）。

∴ Q8=11565.21×1.603×（30-0）=556170.95kJ/h (i)求循环冷却器热负荷Q9

因操作温度不高，忽略热损失。把数据代入平衡方程：

8

解得 Q9=1.957×10kJ/h

20

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