1、“東華科技-陜鼓杯”大學生化工設計競賽物料平衡與能量平衡計算書隊長：隊員：指導老師：瑩紅目 錄第一章 物料平衡計算書11.1 概述11.2 物料的原理和準則11.3 總項目核算21.3.1 物料任務21.3.2 丙烯腈工段31.3.3 副產物預分離工段91.3.4 乙腈的精制工段181.3.5 丙烯腈精制工段231.3.5 廢水處理工段281.3.2 全流程物料. 301.4 總結33第二章 平衡計算書342.1 總述352.2 熱量的原理和準則352.3 熱量任務362.4 熱量. 362.4.1丙烯腈工段362.4.2 副產物預分離工段372.4.3乙腈精制工段392.4.4丙烯腈的精制工

2、段402.4.5廢水處理工段402.5 總結41第一章 物料平衡計算書1.1 概述本項目利用進口和國內丙烷以及氨氣為主要原料丙烯腈，最終可制得純度為 99.999%的聚合級丙烯腈，同時聯產純度為 99.9%的乙腈。在確定整個工藝流程后，經 Aspen Plus 的全流程模擬，獲得了更為準確的數據，由定型階段轉為定量階段。通過對整個生產系統、生產車間，以及部分重要的生產單元進行物料計算出主、副產品的產量，原材料的消耗，“三廢”排放量及組成，以及產品收率等各項經濟技術指標，從而定量地評述初步設計所選擇的工藝路線、生產方法及工藝流程在經濟上是否合理，技術上是否先進，為后階段的設計提供數據。1.2 物

3、料的原理和準則物料是以質量守恒定律為基礎，對物料平衡進行的計算。物料平衡是指“在時間內進入系統的全部物料質量必定等于離開該系統的全部物料質量再加上損失掉的和積累起來的物科質量”。進行物料時，先必須確定的體系。對于已經達到穩定的體系，通常滿足以下關系：（進料量之和）-（出料量之和）=（系統累積量）當系統中有化學反應時可表示為：（進料量之和）-（出料量之和）+（反應消耗量）-（反應生成量）=（系統累積量）利用以上兩個關系，可以對整個工藝系統或子系統進行物料。物料包括總質量、組分和元素。各種方法的適用情況如下表所示：表 1-1物料式適用范圍由于系統中存在化學反應，主要采用總質量的方法，同時列出每種物

4、料組分的質量流量便于查找和計算。1.3 總項目核算從原料入廠到產品輸出，其工藝路線可分為如下五個工段：丙烯腈工段，副產物預分離工段，乙腈精制工段，丙烯腈精制工段，廢水處理工段1.3.1 物料任務對于本廠，工藝采取年開工 333 天（8000 小時）的連續操作，其中一年內的四五周（約 30 天）用于固定的停車設備檢修及緊急情況處理。物料要任務在于：的主確定對丙烯腈以及副產品的實際產量以及質量指標；確定氨氣、丙烷、磷銨等主要物料的消耗量以及損失率等指標；確定工藝中的“三廢”排放量等公共經濟指標；各主要單元過程的物料，并指導工藝設備的尺寸確定；匯總全流程物料，數據用于完成物料流程圖等后續設計任務。類

5、別物料形式無化學反應有化學反應總式總質量式適用適用總物質的量式適用不適用組分式組分質量式適用不適用組分物質的量式適用不適用元素原子式元素原子質量式適用適用元素原子物質的量式適用適用1.3.2丙烯腈工段圖 1-1丙烯腈工段表 1-2丙烯腈工段總物料INOUT流股101102103105112104114115組分質量流量質量流量質量流量質量流量質量流量質量流量質量流量質量流量C3H8305737.05E-230007.05E-231234.4220.2627519C3H600000077.111630.0138188C2H40000004.8454110.00018894CH40000002.8

6、093842.94E-05NH30013146.300000N2000213924002156360.9478969H2O037006800037006852001.06581.5565CO0000003430.1310.0152785CO20000005570.3450.1066279AN01.03E-240001.03E-2428094.0572.36773ACN00.004792710000.004792711395.6234.701632HCN0000002167.9811.372274O200064955.890012247.620.0596061MAP00006711.75201.

7、17E-736199.048DAP0000001.11E-74588.6148總質量流（kg/hr)3057337006813146.32788806711.7523700683218627449.067溫度(）25111.425252560.58989壓力（bar）21.52211.511氣相分率10110010表 1-3R0101 物料INOUT流股109110組分質量流量質量流量C3H8305731234.684C3H6077.12544C2H404.8456CH402.809413NH313146.375.91034N2213924215637H2O052582.62CO03430.1

8、47CO205570.452AN028166.42ACN01400.325HCN02169.353O264955.8912247.68MAP00DAP00總質量流率（kg/hr)322599322599溫度(）103.7948419.85壓力（bar）22氣相分率11表 1-4T0101 物料INOUT流股111112113組分質量流量質量流量質量流量C3H81234.68401234.684C3H677.12544077.12544C2H44.845604.8456CH42.80941302.809413NH375.9103400N22156370215637H2O52582.6205258

9、2.62CO3430.14703430.147CO25570.45205570.452AN28166.42028166.42ACN1400.32501400.325HCN2169.35302169.353O212247.68012247.68MAP06711.7526199.048DAP00588.6148總質量流率（kg/hr)3293116711.752329311溫度(）1802589壓力（bar）211.5氣相分率100.9894356表 1-5T0102 物料INOUT流股113115114組分質量流量質量流量質量流量C3H81234.6840.26275191234.422C3H6

10、77.125440.013818877.11163C2H44.84560.0001889364.845411CH42.8094132.94E-052.809384NH3000N22156370.9478969215636H2O52582.62581.556552001.06CO3430.1470.01527853430.131CO25570.4520.10662795570.345AN28166.4272.3677328094.05ACN1400.3254.7016321395.623HCN2169.3531.3722742167.981O212247.680.059606112247.62M

11、AP6199.0486199.0481.17E-73DAP588.6148588.61481.11E-74總質量流率（kg/hr)3293117449.067321862溫度(）898989壓力（bar）1.511氣相分率0.9894356011.3.3 副產物預分離工段圖 1-2副產物預分離工段（一）圖 1-3副產物預分離工段（二）圖 1-4副產物預分離工段（三）圖 1-5副產物預分離工段（四）表 1-6副產物預分離工段總物料INOUT流股201202206209308407505506507502組分質量流量質量流量質量流量質量流量質量流量質量流量質量流量質量流量質量流量質量流量C3H81

12、.52E-2201196.1150.0006433111232.7041.7167541.52E-227.05E-232.33E-248.48E-08C3H60075.126490.011595777.099620.0004076950000C2H4004.8230154.0939480.751462900000CH4002.8067632.7360110.0733727000000000000000N2002155642137791857.12100000H2O8000001007852.919695.75755.02E-213214.02380000037006812237.1235954

13、.16CO003428.943399.05931.0722900000CO2005508.6122.24E-305570.34500000AN2.22E-24027179.412.65E-051.89E-1928094.052.22E-241.03E-243.40E-261.59E-06ACN0.010360701200.290.0006844744.50E-281.0753070.01036070.004792710.0001584821394.547HCN002121.1760.30557041.2293322166.4460000O20012242.7312116.92130.69420

14、0000MAP0000000000DAP0000000000總質量流率（kg/hr)8000001002763772299988901.0933477.3280000037006812237.1237348.71溫度(）225.04221392.005159254111.3867111.3867111.3867105.3971壓力（bar）1.511.51.51.50.07794891.51.51.51.5氣相分率0011100000表 1-7T0201 物料INOUT流股205206207組分質量流量質量流量質量流量C3H81234.42238.30651196.115C3H677.1116

15、31.98513275.12649C2H44.8454110.02239554.823015CH42.8093840.002620312.806763NH3000N221563672.H2O52001.0644148.157852.919CO3430.1311.1915493428.94CO25570.34561.733115508.612AN28094.05914.645627179.41ACN1395.623195.3331200.29HCN2167.98146.805212121.176O212247.624.88376112242.73MAP1.17E-7300DAP1.11E-740

16、0總質量流率（kg/hr)32186245485.19276377溫度(）893939壓力（bar）11.51.5氣相分率101表 1-8T0202 物料INOUT流股208204209210組分質量流量質量流量質量流量質量流量C3H838.30651.52E-220.0006433111234.421C3H61.98513200.011595777.10003C2H40.022395504.0939480.7514629CH40.0026203102.7360110.0733727NH30000N272.1341302137791857.121H2O44148.7575851405CO1.0

17、5931.07229CO261.7331102.24E-305570.345AN914.64562.22E-242.65E-0528094.05ACN195.3330.01036070.0006844741395.633HCN46.8052100.30557042167.675O24.883761012116.92130.6942MAP0000DAP0000總質量流（kg/hr)45485.19800100229998891964溫度(）32.0000242.00515918.15848壓力（bar）1.51.51.51.5氣相分率0010表 1-9T0203 物料INOUT流股3033043

18、05組分質量流量質量流量質量流量C3H81234.4211232.7041.716758C3H677.1000377.099620.000407696C2H40.75146290.75146291.54E-28CH40.07337270.07337278.80E-50NH3000N21857.1211857.1211.87E-58H2O8514055.02E-21851405CO31.0722931.072297.75E-60CO25570.3455570.3455.83E-27AN28094.051.89E-1928094.05ACN1395.6334.50E-281395.633HCN21

19、67.6751.2293322166.446O2130.6942130.69421.38E-57MAP000DAP000總質量流率（kg/hr)8919648901.09883063溫度(）18.15848-67.1621696.17145壓力（bar）1.51.51.5氣相分率010表 1-10T0204 物料INOUT流股402401404405組分質量流量質量流量質量流量質量流量C3H81.7167587.05E-238.48E-081.971808C3H60.00040769603.05E-130.000468266C2H41.54E-28000CH48.80E-50000NH3000

20、0N21.87E-58000H2O85140537006812182605946.602CO7.75E-60000CO25.83E-27000AN28094.051.03E-241.59E-0628196.65ACN1395.6330.004792711394.5621.091909HCN2166.44609.56E-122195.026O21.38E-57000MAP0000DAP0000總質量流（kg/hr)883063370068121965036341.34溫度(）96.1714560.5111.174483.25344壓力（bar）1.51.51.51.5氣相分率0001表 1-11

21、T0205 物料INOUT流股501502503組分質量流量質量流量質量流量C3H88.48E-088.48E-082.25E-22C3H63.05E-1300C2H4000CH4000NH3000N2000H2O121826035954.161182310CO000CO2000AN1.59E-061.59E-063.28E-24ACN1394.5621394.5470.0153119HCN9.56E-1200O2000MAP000DAP000總質量流率（kg/hr)121965037348.711182310溫度(）111.1744105.3971111.3867壓力（bar）1.51.51

22、.5氣相分率0001.3.4 乙腈的精制工段圖 1-6乙腈的精制工段（一）圖 1-7乙腈的精制工段（二）表 1-12乙腈精制工段總物料INOUT流股601602603609706709組分質量流量質量流量質量流量質量流量質量流量質量流量C3H88.48E-08004.39E-221.01E-081.01E-08C3H6000000C2H4000000CH4000000NH3000000N2000000H2O35954.1619672.1819672.1835648.71303.93248189.76CO000000CO2000000AN1.59E-061931971931971.17E-259

23、.80E-169.80E-16ACN1394.5471.5674411.5674417.34E-057.70E-050.000308909HCN0309.234309.234000O2000000MAP000000DAP000000總質量流率（kg/hr)37348.7121318021318035648.71303.93248189.76溫度(）105.397171.0536271.0536299.6289781.3141299.62897壓力（bar）1.51110.51氣相分率000000.00571221表 1-13T0301 物料INOUT流股601604605組分質量流量質量流量質

24、量流量C3H88.48E-088.48E-081.01E-08C3H6000C2H4000CH4000NH3000N2000H2O35954.16305.4513303.932CO000CO2000AN1.59E-061.59E-069.80E-16ACN1394.5471394.5517.70E-05HCN000O2000MAP000DAP000總質量流率（kg/hr)37348.711700.002303.932溫度(）105.397176.0949781.31412壓力（bar）1.510.5氣相分率000表 1-14T0302 物料INOUT流股701702704705組分質量流量質量

25、流量質量流量質量流量C3H88.48E-08500.8163500.81631.01E-08C3H60000C2H40000CH40000NH30000N20000H2O305.4513677.1943678.7137303.932CO0000CO20000AN1.59E-063.92E-054.07E-059.80E-16ACN1394.5512275.7753670.3267.70E-05HCN0000O20000MAP0000DAP0000總質量流率（kg/hr)1700.0023453.7864849.856303.932溫度(）57.5076876.2348417.0467181.3

26、1412壓力（bar）0.530.50.5氣相分率0.0548201000表 1-15T0303 物料INOUT流股704702708組分質量流量質量流量質量流量C3H8500.8163500.81639.83E-06C3H6000C2H4000CH4000NH3000N2000H2O678.7137677.19431.505228CO000CO2000AN4.07E-053.92E-053.27E-06ACN3670.3262275.7751394.58HCN000O2000MAP000DAP000總質量流率（kg/hr)4849.8563453.7861396.085溫度(）17.6707

27、876.23484142.1927壓力（bar）535氣相分率0001.3.5 丙烯腈精制工段圖 1-8 丙烯腈精制工段（一）圖 1-9 丙烯腈精制工段（二）表 1-16丙烯腈精制工段總物料INOUT流股801908909組分質量流量質量流量質量流量C3H81.71675400C3H60.00040769500C2H4000CH4000NH3000N2000H2O3214.0233214.2243214.224CO000CO2000AN28094.05120.2094120.2094ACN1.0753070.005170260.00517026HCN2166.4460.68967530.689

28、6753O2000MAP000DAP000總質量流率（kg/hr)33477.323335.1283335.128溫度(）433壓力（bar）0.077948911氣相分率000表 1-17T0401 物料INOUT流股803804805組分質量流量質量流量質量流量C3H81.7167541.7167381.26E-32C3H60.0004076950.000407697.82E-40C2H4000CH4000NH3000N2000H2O3214.0231.08E-053214.023CO000CO2000AN28094.053.03E-0728094.05ACN1.0753074.43E-1

29、61.075307HCN2166.4462165.7220.7214934O2000MAP000DAP000總質量流率（kg/hr)33477.322167.43931309.87溫度(）4025.3026291.93295壓力（bar）1.212氣相分率000表 1-18T0402 物料INOUT流股901902905904組分質量流量質量流量質量流量質量流量C3H81.26E-32000C3H67.82E-40000C2H40000CH40000NH30000N20000H2O3214.02316458.191.63E-0819672.18CO0000CO20000AN28094.05.9

30、5193197ACN1.0753071.5622761.0701421.567441HCN0.7214934308.51363.62E-13309.234O20000MAP0000DAP0000總質量流率（kg/hr)31309.8720984527975.02213180溫度(）91.912027085.3933571.05362壓力（bar）1.31.31.31氣相分率0000表 1-19V0403 物料INOUT流股906907908組分質量流量質量流量質量流量C3H8000C3H6000C2H4000CH4000NH3000N2000H2O19672.1816457.963214.22

31、4CO000CO2000AN193197193077120.2094ACN1.5674411.5622710.00517026HCN309.234308.54430.6896753O2000MAP000DAP000總質量流率（kg/hr)2131802098453335.128溫度(）333壓力（bar）111氣相分率0001.3.5 廢水處理工段圖 1-10 廢水處理工段表 1-20廢水處理工段總物料INOUT流股10011002100310071009組分質量流量質量流量質量流量質量流量質量流量C3H82.33E-244.39E-221.01E-081.01E-081.50E-27C3H6

32、00000C2H400000CH400000NH300000N200000H2O12237.1235648.71303.93242785.185404.584CO00000CO200000AN3.40E-261.17E-259.80E-1600ACN0.0001584827.34E-057.70E-050.000308881.95E-18HCN00000O200000MAP00000DAP00000總質量流率（kg/hr)12237.1235648.71303.93242785.185404.584溫度(）111.386799.6289781.3141299.6289799.62897壓力（b

33、ar）1.510.511氣相分率000101.3.6 全流程物料表 1-21丙烯腈工段總物料INOUT流股10110310511220311520930870910071009804909908C3H83057300000.2630.0011232.7040001.71700C3H6000000.0140.01277.1000000C2H40000004.0940.751000000CH40000002.7360.073000000NH3013146.3000000000000N200213924.107000.948213778.8621857.121000000H2O0000100581.

34、557695.75701.50542785.1795404.584003214.224CO000000.0153399.05931.072000000CO2000000.10705570.345000000AN0000072.36800000027973.952120.209ACN000004.7020.00101394.580001.070.005HCN000001.3720.3061.2290002165.72200.69O20064955.893000.0612116.922130.694000000MAP0006711.75206199.04800000000DAP00000588.6

35、1500000000總質量流率（kg/hr)3057313146.32788806711.7521007449.067229997.7498901.091396.08542785.185404.5842167.43927975.0223335.128溫度(）6868115252892525142.299.699.625.385.43壓力（bar）22211.511.51.551111.31氣相分率111000110100001.4 總結通過對工段以及單個單元操作的物料平衡計算，三廢處理量，具體數據如下所示：得到了原料、產品、表 1-22原料消耗量表 1-23乙二醇及副產品的產量和質量指標表 1

36、-24三廢處理量產品產量 t/年質量指標%丙烯腈（聚合級）20 萬99.9乙腈（優等品）1.1 萬99.9亞氨基乙二酸4.26 萬99.9序號名稱消耗量（t/a）1主要原料丙烷20.2 萬2氨氣10.2 萬3輔助原料磷銨5 萬4甲醇1.03 萬5托品1121.56c鉬礬系催化劑（MoV0.32Nb0.13Te0.2On ）15.1 t/a表 1-25物料消耗量及損失率第二章熱量平衡計算書物質消耗量 t/年損失量 t/年損失率丙烷20.2 萬98560.049氨氣3.5 萬6070.0173排放物處理量 t/年廢氣4.45 萬廢水4.32 萬廢渣25.42.1 總述本項目計劃建設一套以電石尾氣為

37、原料年產值 10 萬噸的乙二醇裝置。在生產過程中，伴隨著物料從一個單元進入另一個單元，發生質量傳遞的同時也進行能量傳遞。通過對整個流程中的能量進行，從而進一步定量的描述，便于根據設備的熱負荷選型， 確定在流程中的能量輸入位置、 整體的公用工程耗量、能量利用效率等。 通過能量，可以進一步發現過程中能量利用不合理的環節，從而有助于進行換熱網絡設計，在當前能源的背景下進行能量的最大化回收。2.2 熱量的原理和準則工程依據化工設計中關于熱量的基本和要求，遵循基與實際工藝相結合的原則，進行熱量書的編制。其中一個主要依據是能量平衡方程：的熱量平衡計算，進而用于指導節能降耗設計工作。2.3 熱量任務在進行乙

38、二醇裝置的熱量中，主要通過定量計算完成下述基本任務：確定精餾等單元操作中所需要的熱量或冷量以及傳遞速率，計算換熱設備的尺寸，確定加熱劑和冷卻劑的消耗量，為后續設計中比如供汽、供冷、供水等專業提供設備條件；確定為保持一定反應溫度所需移除或者加入的熱傳遞速率，指導反應器的設計和選型；提高熱量內部集成度，充分利用余熱，提高能量利用率，降低能耗；最終計算出總需求能量和能量的費用，并由此確定工藝過程在經濟上的可行性。2.4 熱量對于各個工段的主要能量設備進行能量（流股名為 PFD 上所標物流號）2.4.1 丙烯腈工段表 2-1R0101 熱量表物流焓變表 2-2T0101 熱量表熱負荷 Gcal/hr-

39、11.674流股名109110焓值 Gcal/hr-119.445-378.976Hin Gcal/hr-119.445Hout Gcal/hr-378.976熱負荷 Gcal/hr-100.7443368物流焓變表 2-3T0102 熱量表物流焓變2.4.2 副產物預分離工段表 2-4T0201 熱量表物流焓變表 2-5T0202 熱量表物流焓變流股名14151820焓值 Gcal/hr-167.68-14.167-3049.791-6.749流股名121315焓值 Gcal/hr-150.156-166.118-14.167Hin Gcal/hr-150.156Hout Gcal/hr-180.285熱負荷 Gcal/hr-30.129流股名101112焓值 Gcal/hr-137.48713.005-150.156Hin Gcal/hr-137.487Hout Gcal/hr-137.151熱負荷 Gcal/hr0.336流股名109110焓值 Gcal/hr-143.38-137.487Hin Gcal/hr-143.38Hout Gcal/hr-1