物料衡算
物料衡算的准则就是质量守恒定律，即“进入一个系统的全部物料必等于离开这个系统的全部物料，再加上过程损失量和在系统中积累量”。依据质量守恒定律，对研究系统作物料衡算，可由下式表示[13]：
∑G进=∑G出+∑G损+∑G积
其中式中： ∑G进 ——输入物料量总和； ∑G出 ——输出物料量总和； ∑G损 ——总的物料损失量； ∑G积 ——系统中的积累量。
根据设计任务，苯酐生产能力为80000吨/年，产品纯度达到99.9wt%
按照8000小时开工计算，每小时的生产能力：80000×1000×99.9%/8000= 9990kg/h
3.1 反应器中氧化反应的物料衡算 3.1.1 氧化反应过程的衡算基准
本次设计以每小时生产9990kg为基准，进料量9400kg/h，转化率99.8%；生成苯酐的选择性约为0.8；空气与邻二甲苯进料比为9.5:1；主要副产品为苯酞、顺酐、苯甲酸、柠槺酐、二氧化碳、一氧化碳等。 3.1.2 氧化反应过程的物料衡算图
画出衡算方框图，标出有关计算目标，然后进行计算： ========邻二甲苯 空 气 苯酐 水 一氧化碳 固 定 床 反 应 器 二氧化碳 顺 酐 苯甲酸 苯 酞 柠糠酐 图3-1 反应过程物料衡算图
3.1.3 氧化反应过程的物料衡算：
邻二甲苯与空气催化氧化的主反应式：
COCH3O + 3H2O+ 3O2 → CH3ChemPasterCO 106 32 148 18
x 3y 9990 z
所以主反应中：
(1)邻二甲苯消耗量：
106148? x = 7155 kg/h x9990 氧气消耗量：
32?3148 y =6480 kg/h ?y9990 水的生成量： 18?3148? z = 3645 kg/h z9990（2） 邻二甲苯转化率为99.8%，且邻二甲苯的进气量为9400kg/h，所以： 邻二甲苯生产苯酐的选择性为：7155/9400/99.8%=77.27%。 （3）设计进料空邻比为9.5:1，所以空气进料量计算：
94001? w空 =89300 kg/h w9.5 空气中 O2所占的比例为21%，所以工艺空气中氧气的进料量：
w氧 = 89300×21%
= 18753kg/h。
进而得出空气中不参与反应的惰性气体（主要为氮气）总的进料量：
w惰 = 89300-18753
= 70547kg/h
通过对苯酐反应原理的了解，在反应器中，苯酐与空气接触还发生一系列的副反应，由上面计算可知，邻二甲苯氧化部分除了生成苯酐，还约有23.7%发生了副反应。本次设计对副反应只考虑占总比例较大部分反应。根据工厂实际经验在该温度段所得数据，具体给出邻二甲苯对各副产物的转化率如下表：
表3-1 副反应转化率 副产物 转化率% 顺酐 9.18 苯甲酸 5.32 苯酞 2.31 柠糠酐 1.62 二氧化碳 3.83 一氧化碳 1.47 根据上表给出数据，对各副反应进行计算： （1）CH3C6H4CH3+7.5O2→C4H2O3（顺酐）+4CO2+4H2O
98?9.18%?9400?99.8% w顺酐?
106 = 796.1912 kg/h
44?9.18%?9400?99.8% w1CO2?
106 = 1429.8944 kg/h
18?4?9.18%?9400?99.8% w1H2O?
106 =584.9568 kg/h
32?7.5?9.18%?9400?99.8% w1O2?
106 = 1949.8560 kg/h
（2）CH3C6H4CH3+3O2→C6H5COOH（苯甲酸）+CO2+2H2O
122?5.32%?9400?99.8% w苯甲酸?
106 = 574.4248 kg/h
44?5.32%?9400?99.8% w2CO2?
106 = 207.1562 kg/h
w2H2O?18?2?5.32%?9400?99.8%
106 =169.5024 kg/h
32?3?5.32%?9400?99.8% w2O2?
106 = 452.0064 kg/h
（3）CH3C6H4CH3+2O2→C8H6O2（苯酞）+2H2O
134?2.31%?9400?99.8% w苯酞?
106 = 273.9496 kg/h
18?2?2.31%?9400?99.8% w3H2O?
106 =73.5984 kg/h
32?2?2.31%?9400?99.8% w3O2?
106 = 130.8416 kg/h
（4）CH3C6H4CH3+4.5O2→C5H5O3（柠槺酐）+3CO+3H2O
113?1.62%?9400?99.8% w柠槺酐?
106 = 162.0164 kg/h
w1CO?28?3?1.62%?9400?99.8%
106 = 120.4392 kg/h
18?3?1.62%?9400?99.8% w4H2O?
106 =77.4252 kg/h
32?4.5?1.62%?9400?99.8% w4O2?
106 = 206.4572 kg/h
（5）CH3C6H4CH3+6.5O2→8CO+5H2O
28?8?1.47%?9400?99.8% w2CO?
106 = 290.8190 kg/h
w5H2O?18?5?1.5%?9400?99.8%
106 = 117.0880 kg/h
32?6.5?1.5%?9400?99.8%
106 = 270.6034 kg/h
（6）CH3C6H4CH3+10.5O2→8CO2+5H2O
44?8?3.83%?9400?99.8% w3CO2?
106 = 1193.1470 kg/h
18?5?3.83%?9400?99.8% w6H2O?
106 = 305.0660 kg/h
32?10.5?3.83%?9400?99.8% w6O2?
106 = 1138.9130 kg/h
综合以上计算数据，可以得出：
反应器中氧气总的消耗量：
wO2?6480?w1O2?w2O2?w3O2?w4O2?w5O2?w6O2
= 10628.6766 kg/h, 所以剩余气体中氧气含量： w剩O2=18753-10628.6766
= 8124.3234 kg/h。
反应器内所有反应产生的水的含量：
wH2O =3645+w1H2O+w2H2O+w3H2O+w4H2O+w5H2O+w6H2O = 4972.6368 kg/h 反应器内产生的CO： wCO = w1CO+w2CO = 411.8582 kg/h 反应器内产生的CO2： wCO2 = w1CO2+w2CO2+w3CO2 = 2830.2066 kg/h
w5O2?根据以上计算及总结，列出反应器内物料衡算表：
表3-2 反应过程物料衡算表 序号 1 组分 邻二甲苯 进kg/h 9400.0000 出kg/h 9.4000 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 合 计 氧气 惰性气体 CO CO2 苯酐 顺酐 苯甲酸 苯酞 柠糠酐 H2O — 18753.0000 70547.0000 0 0 0 0 0 0 0 0 98700.0000 8124.3234 70547.0000 411.8582 2830.2066 9990.0000 796.1912 574.4248 273.9496 162.0164 4972.6368 98692.007 3.2 冷凝工段物料衡算
画出物料方框图：
图3-2 冷凝工段物料衡算图
反应生成的气体 不凝有机气体 切 换 冷 凝 器 尾气洗涤排放工段 粗苯酐 预处理工段
反应生成气体经冷凝器冷却到165-175℃后，再经预冷凝来到切换冷凝器，水冷凝成液体排出，含有杂质的粗苯酐冷凝在冷凝器的翅片管内，准备进入精馏工段，不凝有机气体进入尾气洗涤装置，经过三级洗涤，尾气中顺酐大部分被吸收，剩余尾气直接排放出去，根据工厂实际生产经验及文献资料给出物料平衡表格如下图：
表3-3 冷凝工段物料衡算表