2.3 循环系统的物料衡算
2.3.1 计算依据
(1)原料氧气组成（mol%）：
N2: 0.0100 Ar: 0.1900 O2: 99.8000
(2)原料乙烯组成（mol%）：
CH4: 0.0500
C2H4: 99.8500
C2H6: 0.1000
(3)原料甲烷组成(mol%)：
N2:2.0000 CH4: 96.9000
C2H4: 0.5000 CO2:0.6000
(4)环氧乙烷吸收塔吸收液气比：2.00 (5)二氧化碳吸收率：18.0% (6)主反应：
C2H4?1Ag催化剂O2?????220?C2CH2CH2?24.7Kcal/molO
（2-1）
副反应：
C2H4?3O2?2CO2?2H2O?320Kcal/mol （2-2） (7)物料衡算图
C2H4C2H6CH4O2F1N2ArPN2CH4C2H4CO2F3粗产品RF混合MF反应RF吸收CO2F2CO2吸收R’W排放SH水
图2.2物料衡算
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(8)符号说明：
进料： F2—乙烯进料；F1—氧气进料； F3—甲烷进料； F—混合器物料；
MFi—反应器物料；RFi—排放物料；W—排放物产；R—循环物料；
2.3.2混合器
（1）循环气体的温度：79.00℃ 压力1.76MPa混合气出料温度：76.00℃压力1.76MPa进料气体被EO反应产品气体从78℃加热到152℃,而产品气体从202℃被冷却到138℃。
（2）环氧乙烷吸收塔各组分吸收率（%）见表2-3。
表2-3 各组分吸收率
序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
组分 氮气 氩气 氧气 甲烷 乙烯 乙烷 二氧化碳 环氧乙烷 水 乙二醇
吸收率%
0.0050 0.0010 0.0100 0.0100 0.0500 0.0020 1.3000 99.6000 65.2940 100.0000
（3）计算过程
1）计算新鲜乙烯原料中乙烯量
=
设计任务?10000?10003?10000?1000??315.2811Kmol/h （2-3）
开工率?44.0524?合成收率7200?44.0524?30%新鲜乙烯原料中甲烷的量
=
315.2811?0.05%?0.1579Kmol/h （2-4）
99.85%新鲜乙烯原料中乙烷的量
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315.2811?0.1%?0.3158Kmol/h (2-5) =
99.85%新鲜乙烯原料的量=新鲜乙烯原料中乙烯量+新鲜乙烯原料中甲烷的量+新鲜乙烯原料中乙烷的量，即：
F2=315.2811+0.1579+0.3158=315.7548Kmol/h (2-6)
设：反应器的进料量为MF(Kmol/h)；新鲜甲烷 原料量为F3；针对混合器列乙烯和甲烷的物料衡算方程，得
反应器进料中的乙烯量=循环气中乙烯量+新鲜乙烯原料中乙烯量+新鲜甲烷中乙烯量
MF×30％=MF×30％×(1－10％)×(1－0.0005)×(1－0.0018)+315.2811+F3×0.5％ (2-7) 反应器进料中的甲烷量=循环气中甲烷量+新鲜乙烯原料中甲烷量+新鲜甲烷中甲烷量
MF×50％=MF×50％×(1-0.0001)×(1-0.0018)+0.1579+F3×96.9％ (2-8)
由以上两式联立可得MF=10928.1960 F3=9.9324
2）设:循环气中环氧乙烷的量为REO；反应器中的环氧乙烷的量为MFEO；环氧乙烷的摩尔分率为yEO；针对混合器列环氧乙烷的物料衡算方程，得： 循环气中得环氧乙烷的量=反应器中的环氧乙烷的量；
REO=MFEO=MF?yEO
反应器中环氧乙烷的量
(2-9)
MFEO=[MF?yEO+MF?yC2H4?0.1?80%]?(1-0.996) ?(1-0.0018)
由以上两式得：
(2-10)
MF?yEO0.1?0.8?(1?0.996)?(1?0.0018)? (2-11)
MF?yC2H41?(1?0.996)?(1?0.0018)解得：yEO=0.0001
3)设：新鲜氧气原料的量为F1（kmol/h）； 针对混合器列氧气的物料衡算方程，得：反应器进料中的氧气量=新鲜氧气原料中的氧气量+循环气中的氧气量
MF×yO2=F1×y?O2+R×y?O2 (2-12)
循环气中的氧气量=反应器中的氧气量-反应消耗的氧气量-氧气的吸收量-氧气的排放量 R×y?O2=[MF×yO2－MF×yC2H4×0.1×0.8×0.5-MF×yC2H4×0.1×0.2×3]×(1-0.0001)×
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(1-0.0018) (2-13) 由以上式子得：
MF×8.32％=F1×99.8％+[MF×8.32％－MF×30％×0.1×0.8×0.5-MF×30％×0.1×0.2×3]×(1-0.0001)×(1-0.0018) (2-14)
解得：F1 =329.6096kmol/h
4）设：环氧乙烷吸收塔吸收的二氧化碳的吸收率为?CO2；二氧化碳吸收解析塔二氧化碳的吸收率为?'CO2
针对混合器列二氧化碳的物料衡算方程，得：
反应器进料中的二氧化碳的量=新鲜甲烷进料中的二氧化碳的量+循环气中的二氧化碳的
'''量：MF?yCO2?F3?yCO?R?yCO2
循环气中二氧化碳的量=反应器中二氧化碳的量+反应生成的二氧化碳的量-环氧乙烷吸收塔吸收的二氧化碳量-排放量-二氧化碳吸收解析塔二氧化碳的量，即：
R?y'CO2?[MF?yCO2?MF?yC2H4?0.1?0.2?2]?(1??CO2)?(1?0.0018)?(1??'CO2) (2-15)由以上式子得：
MF?yCO2?F3?0.6%?[MF?yCO2?MF?30%?0.1?0.2?2]?(1?0.013)?(1?0.0018)?(1?0.18)
(2-16)
解得：yCO2=0.0505
5）设：新鲜乙烯原料量为F2；乙烷的吸收率为?C2H6，针对混合器列乙烷的物料衡算方程，得：反应器中的乙烷的量=新鲜乙烯原料中的乙烷的量+循环气中的乙烷的量
MF?yC2H6?F2?y''C2H6?R?y'C2H6 (2-17)
') (2-18) 循环气中的乙烷的量 R?yC2H6=MF?yC2H6?(1??C2H6)?(1?0.0018即：MF?yC2H6?315.7548?0.1%?MF?yC2H6?(1?0.00002)?(1?0.0018) (2-19) 解得：
yC2H6=0.0159
6）设：氮气的吸收率为?N2；针对混合器列氮气的物料衡算方程，得：
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反应器进口的氮气的量=新鲜氧气原料中的氮气的量+新鲜甲烷原料中的氮气的量+循环气中的氮气的量
MF?yN26?F1?y''N2?F3?y'''N2?R?y'N26 （2-20）
') （2-21） 循环气中氮气的量R?yN26=MF?yN?(1??N)?(1?0.001822 即：MF?y?329.6096?0.01%?9.9324?2%?MF?y?(1?0.00005)?(1?0.0018) （2-22）N2N2解得：yN2=0.0115
7）设：氩气的吸收率为?N2；针对混合器列氩气的物料衡算方程，得： 反应器进口的氩气的量=新鲜氧气原料中的氩气的量+循环气中的氩气的量
MF?yAr?F1?y''Ar?R?y'Ar （2-23）
) 循环气中的氩气的量R?yAr=MF?yAr?(1??Ar)?(1?0.0018'即：MF?yAr?329.6096?0.19%?MF?yAr?(1?0.00001)?(1?0.0018) （2-24） 解得：yAr=0.0317
8）设：水的吸收率为?H2O；循环气中水的摩尔分率为y224'H2O，针对混合器列水的物料衡算方程，
（2-25）
R?y'H2O=[MF?yHO?MF?yCH?0.1?0.2?2]?(1??HO)?(1?0.0018)2反应器中水的摩尔分率：
yH2O=1-yCH4-yC2H4-yO2-yCO2-yC2H6-yN2-yAr-yEO
=1-0.5-0.3-0.0832-0.0505-0.0159-0.0115-0.0317-0.0001=0.0071 （2-26）
又有：F1+F2+F3+R=MF, （2-27） 即R=MF- F1-F2-F3 （2-28）
得：R=10928.1960-329.6096-315.7548-9.9324=10272.8992Kmol/h 即：
R?y'H2O?[MF?0.0071?MF?0.3?0.1?0.2?2]?(1?0.65294)?(1?0.0018)（2-29）
得：y'H2O=0.0070 2.3.3 反应器
反应温度为243℃，压力为1.60MPa，反应物料由塔顶加入。
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