物料衡算和热量衡算.docx
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物料衡算和热量衡算
3物料衡算
依据原理：
输入的物料量=输出的物料量+损失的物料量
3.1衡算基准
年生产能力：
2000吨/年
年开工时间：
7200小时
产品含量：
99%
3.2物料衡算
反应过程涉及一个氧化反应过程，每批生产的产品相同，虽然有原料对叔丁基甲苯和溶剂甲苯的循环，第一批以后循环的物料再次进入反应，但每批加料相同。
在此基础上，只要计算第一个批次的投料量，以后加料一样。
反应釜内加热时间2h、正常的反应时间18h、冷却时间1h。
加上进料和出料各半个小时，这个生产周期一共2+18+1+仁22h。
所以在正常的生产后，每22小时可以生产出一批产品。
每年按300天生产来计算，共开工7200小时，可以生产327个批次。
要求每年生产2000吨对叔丁基苯甲酸，则每批生产2000七27
=6.116吨。
产品纯度99%（wt%）
需要加入过量对叔丁基甲苯做
C11H14O2
178.23
6054.8
实际过程中为了达到高转化率和高反应速率,溶剂，反应剩余的原料经分离后循环使用。
3.2.1各段物料
（1）原料对叔丁基甲苯的投料量
设投料中纯的对叔丁基甲苯为Xkg，则由
C11H16
M148.24
mx
得x=6054.8>148.24478.23=5036.0kg
折合成工业原料的对叔丁基甲苯质量为5036.0-0.99=5086.9kg
实际在第一批生产过程加入的对叔丁基甲苯为6950.3kg
（2）氧气的通入量
生产过程中连续通入氧气，维持釜内压力为表压0.01MPa进行氧化反应。
实
际生产过程中，现场采集数据结果表明，通入的氧气量为1556.8kg,设反应消耗的
氧气量为xkg
3/2O2
C11H14O2
M
31.99
178.23
m
x
6054.8
得x=3/2>6054.8>1.99-78.23=1630.1kg
此时采用的空气分离氧气纯度可达99%，因此折合成通入的氧气为
1630.1^.99=1646.6kg即在反应过程中，需再连续通入1646.6kg氧气。
（3）催化剂
催化剂采用乙酰丙酮钻（川），每批加入量10.4kg
（4）水的移出量
设反应生产的水为xkg
H2OC11H14O2
M18.016178.23
mx6054.8
得x=6054.8>18.016#78.23=612kg
产生的水以蒸汽的形式从反应釜上方经过水分离器移出。
322设备物料计算
（1）计量槽
对叔丁基甲苯计量槽：
一个反应釜每次需加入的对叔丁基甲苯质量为3475.1-2=3475.15kg
对叔丁基甲苯回收计量槽：
每批反应结束后产生母液1834.8kg
甲苯计量槽：
每批需加入甲苯做溶剂，加入量为396.1kg
（2）反应釜：
反应结束后，经过冷却、离心分离后，分离出水612kg，剩余的对叔丁基甲苯1834.8kg循环进入下一批产品的生产。
分离出来的固体质量为：
6950.3+10.4+1646.6-612-1834.8=6160.5kg。
（3）进入离心机的物料：
6950.3+10.4+1646.6-1834.8-612=6160.5kg
（4）脱色釜：
分离机分离出来的粗产品移入脱色釜，加入甲苯做溶剂，加
入量为396.1kg,搅拌升温将产品溶解，再加入76.5kg活性碳进行脱色。
进入
脱色釜物料：
6160.5+396.1+76.5=6633.1kg
（5）保温过滤器：
分离出废碳104.3kg,滤液6633.1—104.3=6528.8kg
（6）结晶槽：
每次过滤产生的滤液6528.8-2=3264.4kg
（7）产品离心机：
结晶槽中的浆状物料放入离心机中进行过滤，每批过滤
出滤液甲苯361.4kg，过滤过程中由于甲苯挥发造成的损失约34.9kg。
过滤后
的滤饼用528kg水分批洗涤滤饼，产生废水521kg。
从过滤器移出湿滤饼：
528+6132.5-52仁6139.5kg
（8）干燥器：
除去产品中含有的水6.3kg,最后得到产品.：
6139.5-6.3=6133.2
kg
图3.1物料衡算汇总图（以kg为单位）：
4热量衡算
原理：
输入的热量=输出的热量+损耗的热量
4.1反应釜
4.1.1升温阶段
物料数据：
进料对叔丁基甲苯3475.1kg,氧气一共2380kg,进料温度都为常温25C,在反应釜里利用夹套加热至反应温度170C。
平均温度都为：
（25+170）=675C
由液烃比热算图（物性数据计算中液烃比热章节）：
已知对叔丁基甲苯的比重：
0.853查得67.5C下的比热为
0.56千卡/公斤C=2.34kJ/kgk）•
22
氧气的比热容计算：
CP=R（ABTCTDT）
A=3.639B750610"C=0.227105D=0
_351
cp=8.314（3.6390.5061^3T-0.22710尹）
cp=0.9183kJ/kgk）
Q1=mcp.t：
=3.169X05kJ/kgk）
对叔丁基甲苯的吸热量：
Q2=mcp：
t=3475.1234X（170—25）=1.179X0kJ/kgk）-
加热介质：
用热导油进行加热，选用YD-300系列热导油，令其进口温度为230C,出口温度为200C。
中间加设加热器使热油循环进行加热。
基本数据如下：
表4.1YD-300系列热导油
密度（kg/m3）
比热容（kJ/kgk）
导热系数（W/m-k）
YD—300系
200C
250C
200C
250C
200C
250C
列热导油
889
855
2.43
2.60
0.11
0.107
200C〜230C的平均密度为882.2kg/m3,平均比热容为2.481kJ/（kgk）•，平均导热
系数为0.11w/（mk）。
由公式Q=mcp：
r加热时间为2h,可计算出每小时所需热油循环量：
m一Q/Cpt=10053.1kg/h
4.1.2反应阶段
燃烧热：
查得燃烧热：
氧气为:
0
水为：
0
燃烧热估算（参考文献：
化工数据导引，王福安主编）：
Cardozo法估算:
HC（S）=-2°6.21-6°6.56N
•:
He⑴=-196.98-610.13N
N二Nc'Ni
Nc—化合物中C原子总数
△Ni=&种结构和物相修正系数
对叔丁基甲苯：
N=11+（-1.173-0.031+0.0121n4-0.031+0.0121n1）=9.78
4
：
Hc（l）=「196.98—610.13N=-6165.05kJ/mol=-4.15910XJ/kg对叔丁基苯甲酸：
N=11+（-1.173-0.013+0.012ln4-1.038）=8.79
：
Hc（s）二-206.21-606.56N=-5537.87kJ/mol=-3.107104kJ/kg
过程如下：
：
H1=mcp：
t=2543.4X.34X（25—170）+823.3X9183X0-3X（25—170）
5
=—8.6310KJ
H2=0对叔丁基苯甲酸的燃烧热•Q水的燃烧热-Q对叔丁基甲苯的燃烧热-3/2Q氧气的燃烧热
=-3.107104$027.4-（-4.15910为X2518.0
3
=1.066X03KJ
：
H3八molt=3027.4&193（170—25）+306>4.174（170—25）
=1.148106kJ
5365
：
HmH：
H2H3二—8.63X05+1.066103+1.148106=2.86105kJ
由公式Q二mcp.vt.反应时间为18h,可计算出每小时所需热油循环量:
m=Q/cp.=6406.8kg/h
4.1.3保温阶段
表4.2常年运行工况允许的最大热损失
设备、管道及附件表面温度（C）
50
100
150
200
250
允许最大热损失（W/m）
58
93
116
140
163
表4.3保温层平均温度
Tm值
周围空气温度（C）
介质温度（C）
100
150
200
250
25
70
95
125
150
加热和反应过程都需要保温，保温阶段需要吸热量：
反应釜内反映温度为170C,内插查得允许的最大热损失为125.6W/m2,平面型单层绝热层，在最大热损失下绝热层厚度的计算
（4.13-1）
食.「Ts_Tg1、
Z3花丿
=0.0420.000123-70（4.13-2）
（4.13-3）
汪二.:
s'6~^1.163
Ts—管道或设备的外表面温度，无衬里时，取介质正常运行温度，C;
「•一环境温度，室外保温，取历年的年平均值的平均值;
'—绝热材料在平均温度下的热导率，W/（m・k）；
—绝热层外表面周围空气的放热系数，w/（m2k）
「•一绝热层厚度，m；
Q1—绝热层外表面单位面积的最大允许热损失量，W/m2;
Tm—保温层的平均厚度；查表4.3得Tm=107
；:
s—对保温%取11；W/（m2k）
--—风速，取5m/s；
将数据代入公式得
170-25
125.6
■=0.0420.00023（107-70）
^-■116.51.163
2
=28.4w/（mk）
求得&=0.05056=0.05652圆整后取6=0.070。
Ts—T:
■
T3
平面型单层绝热结构的热损失量的计算
式中符号意义和单位同前
将已知数据代入上式得
170〜252
Q102.02W/m
0.07+1
0.050528.4
保温阶段：
脱色釜的换热面积A=9.74m2,保温时间t=20h,所以保温阶段的
热损失量为Q'二QA・=102.020.7420X3600=7.1541W4kj，则保温阶段所需的加
热介质量为m=Q/cp=1442.37kg/h
4.1.4冷却阶段
全部物料：
170C►60C
对叔丁基甲苯的放热量：
Q1二MCp：
t=917.42.34（60—170）=-2.362105kJ
对叔丁基苯甲酸的放热量:
5
Q2二MCp.t=3085.3送.193（60-170）=-7.443WkJ
放热总量：
Q=Qi+Q2=-9.805105kJ
反应结束后，切换冷油。
选择的冷却油还是YD—300系列热导油，令其进口温
度为20E，出口温度为50C。
中间加设冷凝器使热油循环进行冷却。
基本数据
如表4.4所示：
表4.4YD—300系列热导油技术参数
密度（k
g/m3）
比热容（kJ/kgk）
导热系数（W/m-k）
YD—300
20r
50r
20r
50r
20r
50r
系列热导
1005
990
0.4321
0.4540
0.1055
0.1042
油
20T〜50r的平均密度为997.5kg/m3，平均比热容为0.4430kJ/（kgk）•，平均导热
系数为0.1049w/（mk）。
由公式加热时间为1h，可计算出每小时所需
热油循环量：
m=Q/cp.）t.=7.4>104kg/h
4.2冷凝器
冷却水走壳程。
冷却时间为反应时间
306勻8=17kg/h
冷介质（冷水）：
25r40r
热介质（物料）：
170r50r
平均温度
冷水：
（25+40）吃=32.5
物料：
（170+100）吃=135
（100+50）吃=75
水蒸汽物性数据：
Cp1=1.866kJkg-1K-1
gi=1.35>07mPa・s
水的物性数据：
-1-1
18h，平均每小时冷却的水生成量:
3
p=0.2416kg/m3
九=0.0275W/（mK）
3
p1=995.1kg/m
gi=0.690mPa•s
九=0.6293W/（mK）
Cp1=4.174kJkgK
4.2.1冷凝过程放出的热量及冷却水用量
放出的热量：
Q=mCp（「-100）+mr+mCp（100-T2）
4
=17X1.866剂+17&257X7+17>4.174W=4.414X04kJ/h冷却水用量：
由Q=mCp（t2-t1）得m=4.414X!
04詔.17425=423.0kg/h422换热器面积计算
依据：
Q=KAAtm
Atm=[（T1-t2）-（T2-t1）]/In[（T1-t2）/（T2-t1）]
=[（170-50）-（40-25）/In[（170-50）/（40-25）]=48.62
当热流体为水蒸汽，冷流体为水时传热系数为1162~4250W/（m2K），这里取
2
K=1500W/（m2K）
2
A=Q/（KAtm）=4.414>04>000^500^8.623600=0.1681m
考虑反应过程前后反应速率不一致，刚反应时速率较快，产生的水蒸汽较多，并
且还夹带一些原料蒸汽，因此面积应加大，以达到冷却效果。
4.3脱色釜
粗产品对叔丁基苯甲酸需要重结晶提纯，因此加入甲苯溶解，活性碳脱色。
4.3.1脱色釜内物质需要的加热量
由反应釜出来的对叔丁基苯甲酸：
60C1-110C
加入的甲苯：
25C*110C
活性碳：
25E>110C
对叔丁基苯甲酸平均温度：
（60+110）32=85
甲苯平均温度：
（25+110）32=67.5
活性碳平均温度：
（25+110）32=67.5
查得物性数据：
对叔丁基苯甲酸：
2.193kJkg-1K-1甲苯：
1.757kJkg-1K-1活性碳：
0.840kJkg-1K-1
表4.5加热介质饱和蒸汽数据
压力/kpa
温度/C
蒸汽的比
体积m3/kg
汽化热
KJ/kg
密度
Kg/m3
300kpa饱和蒸汽
133.3
0.606
2168.1
1.65
加热阶段需要吸收热量:
Q=QiQ2Q3
=m1c^tm2cp=tm3cp=t
=3085.3Z.193（110—60）+396.1X.757X（110—25）+76.5（X840X（110—25）
=3.383105+5.9104+0.5462104
=40.2762104k就
饱和蒸汽用量：
m=Q/r=402762^2168.1=185.77kg
保温阶段需要吸热量：
脱色釜内反映温度为110C，查表4.2得允许的最大热损失为93W/m2,平面型单层绝热层，在最大热损失下绝热层厚度的计算
E口「Ts_Ta1'
r,-
IQ]£s丿
Ts-T二
式中符号意义和单位同前
=0.0420.000123-70
查表4.3得Tm=75
二K6、、二1.163
将数据代入公式得
元「110—251、
;-■（）
93&
怎=0.0420.00023（75-70）“116.51.163
2
二28.4w/（mk）
求得
■=0.043、=0.038，圆整后取'=0.05。
平面型单层绝热结构的热损失量的计算
将已知数据代入上式得
110—252
Q70.95W/m2
0.051
+
0.04328.4
保温阶段：
脱色釜的换热面积A=9.74m2，保温时间t=2h，所以保温阶段的
I
热损失量为Q二QA・=70.95074送X3600=4975.581kJ,则保温阶段所需的加热
介质量为
m=Q/r=4975.582168.1=2.29kg
4.4结晶槽
将活性碳过滤除去后，在结晶槽中进行重结晶。
滤液：
iioc>30r
冷却水：
20r30r
滤液放热量：
Q八mat=3057.30.193（30-110）+361.41057x（30-170）
5
=-5.582105KJ
冷却水用量：
m二Q/cp：
t.=5.582为05詔.174#0吃=6686.63kg
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