物料能量衡算書

1、參考的設(shè)計(jì)條件說明：原料可以依據(jù)需要選用，沒有給出的設(shè)計(jì)條件由自己查資料與文獻(xiàn)確定。1、產(chǎn)品規(guī)格按任務(wù)要求進(jìn)行計(jì)算。 2、設(shè)計(jì)規(guī)模為5000噸/年。3、年工作日300天。 4、每天操作日按24h。5、生產(chǎn)國際標(biāo)準(zhǔn)的緩釋肥脲甲醛產(chǎn)品，產(chǎn)品為粉狀，含水小于2%，現(xiàn)取1%。6、文獻(xiàn)表示干燥過程物料損失率（以成品量100%計(jì)）0.5-0.8%，現(xiàn)取0.6%。7、文獻(xiàn)表示篩分，裂開過程物料損失率（以成品前100%計(jì)）0.2-0.3%，現(xiàn)取0.3%。8、文獻(xiàn)表示試驗(yàn)室中加成縮合反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率為70%，現(xiàn)取60%。9、其他數(shù)據(jù)合理選取。3.5 設(shè)備選型及主要圖表3.5.1熱量衡算及設(shè)備計(jì)算產(chǎn)品脲甲醛：5000

2、噸/年，含水小于2%，含氮量37%。尿素（NH2CONH2）：農(nóng)用級，含氮46%。外購。甲醛：36%工業(yè)甲醛。硝酸：工業(yè)硝酸。工藝條件：水：尿素：甲醛=1：1.5：1（摩爾比）；反應(yīng)溫度：40度；反應(yīng)時(shí)間：1小時(shí)；設(shè)計(jì)過程按年工作日300天；作業(yè)制度：三班倒；實(shí)際過程中一天運(yùn)行24h/d，接受間歇操作,反應(yīng)時(shí)間1小時(shí)，幫助時(shí)間20min，每天實(shí)際生產(chǎn)時(shí)間為18小時(shí)。年產(chǎn)5000噸，故實(shí)際過程中一小時(shí)生產(chǎn)量：5000300180.9259噸/h=925.9kg/h實(shí)際篩分、裂開過程中成品損耗0.3%以及在干燥過程中損耗為0.6%，故實(shí)際的過程中每小時(shí)生產(chǎn)量為:925.90.9970.994=93

3、4.3kg/h。氫氧化鈉水水脲醛聚合物氫氧化鈉甲醛工業(yè)硝酸飽和蒸汽水脲甲醛反應(yīng)釜 圖2 主物料流程圖出口中品位產(chǎn)品的含水量為1%；則每小時(shí)生產(chǎn)干產(chǎn)品量為：B=934.399%=943.7kg/h各物料的摩爾質(zhì)量表物料尿素(CO(NH2)2)甲醛(HCHO)水(H2O)N摩爾質(zhì)量(g/mol)60301814留意：NaoH加入量忽視不計(jì)，只起到調(diào)整堿性環(huán)境作用。3.5.2 反應(yīng)過程的物料衡算計(jì)算過程：假定尿素到脲甲醛產(chǎn)品的過程中N的轉(zhuǎn)化率為60%。則生成的脲甲醛緩釋肥的含氮量為：943.7 37% =349.2 kg/h尿素中的含氮量為：349.260%=582 kg/h設(shè)生產(chǎn)所需的尿素為x：x

4、=58246%=1265.2kg/h尿素的物質(zhì)的量為：1265.260=21.09kmol/h由 水：尿素：甲醛=1：1.5：1（摩爾比）得：水的物質(zhì)的量為：21.091.5=14.06 kmol/h甲醛的物質(zhì)的量為：21.091.5=14.06 kmol/h水的量為：14.0618=253.1kg/h工業(yè)甲醛的量為: 14.06300.36=1171.7 kg/h工業(yè)甲醛出料的質(zhì)量流量為：1171.714.0630=749.9kg/h甲醛出料摩爾流率為：749.930=25.0kmol/h農(nóng)用尿素的出料量為：1265.221.090.6060=506.0kg/h尿素出料流率為：506.060

5、=8.43kmol/h依據(jù)物料守恒計(jì)算出水的質(zhì)量流量為：1265.2+251.3+1171.7749.9506.0943.7=488.6kg/h水的摩爾流率為：488.6/18=27.14kmol/h總物料衡算數(shù)據(jù)（以脲甲醛943.7kg/h計(jì)）表組分進(jìn)料出料質(zhì)量流量（kg/h）摩爾流量（kmol/h）質(zhì)量流量（kg/h）摩爾流量（kmol/h）農(nóng)用尿素1265.221.09506.08.43工業(yè)甲醛1171.714.06749.925.0水251.314.06488.627.14脲甲醛943.7合計(jì)2688.249.212688.260.573.5.3 反應(yīng)過程能量衡算反應(yīng)釜中有關(guān)的化學(xué)方程

6、式1）加成反應(yīng)過程2）縮合反應(yīng)過程 所用共價(jià)鍵的鍵能表共價(jià)鍵鍵能E/(kJ/mol)NH389CN305CO789CH414HO464CO326利用鍵能估算反應(yīng)的焓變1）加成反應(yīng)過程：加成反應(yīng)過程中，斷裂的鍵有1個(gè)鍵，1個(gè)鍵；形成的鍵有1個(gè)鍵，1個(gè)鍵，1個(gè)鍵。 由于反應(yīng)掉1mol甲醛就發(fā)生1mol的舊鍵斷裂和新鍵生成，假設(shè)該過程甲醛反應(yīng)完全，以甲醛的量為基準(zhǔn)計(jì)算，加成反應(yīng)過程的焓變?yōu)椋簉H=n甲醛*rHm=14.0610322=3.09105kJ/h2）縮合反應(yīng)過程：縮合反應(yīng)過程中，斷裂的鍵有1個(gè)C鍵，個(gè)鍵；形成的鍵有個(gè)鍵，個(gè)鍵。該過程生成的水量可以確定，故以水的量為基準(zhǔn)計(jì)算。（1）生成的水的

7、摩爾流率為: 縮合反應(yīng)過程的焓變?yōu)椋簉H=n水*rHm=13.08103（54）=7.06105kJ/h（2）原料預(yù)處理階段熱量衡算 25下進(jìn)料組成物性數(shù)據(jù)：Cp尿素=1.55Kj /(kg*)Cp水=4.2Kj /(kg*)Cp甲醛=3.0Kj /(kg*)加熱進(jìn)料組成所需的熱量： =（1.551265.2+4.2251.3+3.01171.7）（40-25） =9.80104Kj/h(3)干燥濾餅所需熱量衡算濾餅含水50%，而最終的產(chǎn)品含水量為1%，濾餅質(zhì)量：則每小時(shí)濾餅量為：10204300181.89t/hm蒸發(fā)量=1.890.9970.9940.49=0.93t/h若反應(yīng)為等溫間歇反

8、應(yīng)，濾餅的水分應(yīng)從反應(yīng)溫度40上升到100，水在100時(shí)的汽化熱為2256.8kj /kg，故而所需熱量為：Q2=m(cpt+r) =0.93103(4.2(100-40)+2256.8)kj/h =2.33106kj/h（4）干燥階段物料衡算由設(shè)計(jì)要求可知濕物料含水量X1為50%，干物料含水量X2為1%，絕干物料G=943.7kg/h。設(shè)計(jì)條件：t0=25, H0=0.007kg/kg干氣，熱空氣溫度t1=127，廢氣出口溫度t2=80，濕物料溫度T1=40.按抱負(fù)干燥過程計(jì)算。絕干物料的處理量G：G=G1(1X1)=G2(1X2)則，濕物料處理量：G1=G/(1-X1)=943.7/(10

9、.5)=1887.4kg/h干物料處理量：G2=G/(1-X2)=943.7/(10.01)=953.2kg/h水分蒸發(fā)量為：W=G1-G2=1887.4953.2=934.2kg/h氣體進(jìn)干燥器的狀態(tài)為：t1=100, H1=0.007kg/kg，則干燥器進(jìn)氣的焓為： =（1.01+1.880.007）100+25000.007 =119.82kj/kg干氣氣體出干燥器的狀態(tài)為：t2=80，I2=I1=119.82kj/kg干氣，,則出口氣體的濕度為：空氣用量：V=W（H2-H1）=934.2（0.015-0.007）=1.17105kg干氣/h（5）干燥器能量衡算預(yù)熱器進(jìn)氣的焓為：I0=（

10、1.01+1.88H0）t0+2500H0 =（1.01+1.880.007）25+25000.007 =43.08kj/kg干氣預(yù)熱器的熱負(fù)荷為：Q=V（I1I0）=1.17105（119.8243.08）=8.98106kJ/h所以干燥過程需要供熱量為8.98106kj/h3.5.4設(shè)備選型計(jì)算：間歇反應(yīng)器設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)條件：1、用間歇反應(yīng)器進(jìn)行生產(chǎn)脲甲醛反應(yīng)，年產(chǎn)量為5000噸2、反應(yīng)式為：A+BR3、原料反應(yīng)物組分的摩爾比為：水：尿素：甲醛=1：1.5：14、假設(shè)反應(yīng)液的密度不變，恒為1150kg/m35、每批裝料、卸料以及清洗時(shí)間總和為1小時(shí)6、反應(yīng)在40下進(jìn)行，反應(yīng)速率方程式為：7、初

11、步計(jì)算確定k1=4.76104L/(mol*min)，平衡常數(shù)K=2.928/反應(yīng)器的填充系數(shù)為：=0.75反應(yīng)釜設(shè)計(jì)選型反應(yīng)釜物料衡算：已知反應(yīng)時(shí)間：T = 1 小時(shí)= 60 minM=2688.2kg/hQ0=2688.21150=2.34m3/h則可求得反應(yīng)體積為：VR=Q0(T+T0)=2.34（1+13）=3.12m3則反應(yīng)器實(shí)際體積為：V=VR=3.120.75=4.16m3反應(yīng)釜公稱直徑的計(jì)算：將反應(yīng)釜視為筒體，反應(yīng)釜內(nèi)物料類型為液液相時(shí)，L/D=1.01.3，現(xiàn)取L/D=1.0，V=（4）D2L所以D=L=1.74m經(jīng)圓整有取1800mm查到反應(yīng)釜DN=1800mm反應(yīng)釜筒體壁

12、厚的確定設(shè)計(jì)參數(shù)的確定設(shè)計(jì)壓力P:取 P=0.5MPa液態(tài)靜壓忽視不計(jì)：設(shè)計(jì)溫度t：t=85焊縫系數(shù)：=1（雙面對接焊。100%無損探傷）許用應(yīng)力【】：依據(jù)材料Q-235B號鋼設(shè)計(jì)，【】=113MPa鋼板負(fù)偏差C1：C1=0.6mm腐蝕峪量：C2：C2=2mm（雙面腐蝕）計(jì)算壁厚用下式有：得到Sn值為6.59mm，圓整取8.0mm，剛度校核值知Smin10mm由于筒體加工厚度不小于10mm，故厚壁取10mm。經(jīng)校核可知本設(shè)計(jì)的反應(yīng)釜是滿足要求的。除塵器的選型由于在干燥器中物料與熱空氣直接接觸，冷卻器中物料與冷空氣也是直接接觸的。所以，從干燥器和冷卻器排解的廢氣中都含有肯定量的物料。為了達(dá)到國家

13、廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)，需要將廢氣中的絕大部分粉塵出去后，才能排放到大氣中。在此，我們選用MC84-型多管旋風(fēng)除塵器，該除塵器是一種高效除塵器，除塵效率可達(dá)9+9.5%以上，除塵器本體的阻力低于900 Pa，用現(xiàn)有的鍋爐引風(fēng)機(jī)就能保證鍋爐正常進(jìn)行。本除塵器的負(fù)荷適應(yīng)性好，內(nèi)部旋風(fēng)子接受鑄鐵或陶瓷制造，厚度大于6 mm，有良好的耐磨性能，它是粉塵治理的良好設(shè)備。由前面計(jì)算可知，輸入的空氣量為：輸入的空氣體積為1.17105kg/h查詢化工原理附錄知道40下的常壓空氣的密度為1.128kg/m3,黏度為1.9110-5Pas,假設(shè)dm=10-5m由此,假設(shè)其沉降區(qū)處于斯托克區(qū)，其沉降速度應(yīng)為：ut=dm2(

14、p-)g/18 =(10-5)2(1150-1.128)9.81/(181.9110-5) =0.00328m/s Rep=dput/=10-50.003281.128/(1.9110-5)=0.001942，假設(shè)合理知道空氣體積為1105 m3/h，由此可以選擇除塵器的規(guī)格型號，可以選用MC84-II, 其技術(shù)參數(shù)如下：流化床干燥器的設(shè)計(jì)對于低壓氣體，流速一般為815m/s,現(xiàn)取u1=10m/s,由前面計(jì)算可知V =1.17105kg干氣/h=11.87kg/s，設(shè)干燥器內(nèi)徑為D，100時(shí)空氣密度為0.946kg/m3則V=36000.946（4）D2u1所以D=2.1m，圓整取D=2.2m.假設(shè)顆粒在床層內(nèi)的平均停留時(shí)間為=0.3h，干燥器長度為L，則L=ut=0.310=3m干燥器效率為，故而所需熱量為：Q2 =2.33106kj/h干燥過程需要供熱量Q為8.98106kj/h，則=Q