物料衡算和热量衡算.docx

1、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，

2、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C11H14O2178.236054.8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X kg，则由C11H16M 148.24m x得 x=6054.8 148.24 478.23=5036.0 kg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.

3、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1556.8 kg,设反应消耗的氧气量为x kg3/2O2C11H14O2M31.99178.23mx6054.8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=1646.6 kg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10.4 kg(4)水的移出量设反应生产的水为x kgH2O C1

4、1H14O2M 18.016 178.23m x 6054.8得 x=6054.8 18.016 #78.23=612 kg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=3475.15 kg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 396.1 kg(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

5、+10.4+1646.6-612-1834.8=6160.5 kg。(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396.1 kg,搅拌升温将产品溶解，再加入 76.5 kg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

6、中进行过滤，每批过滤出滤液甲苯361.4 kg，过滤过程中由于甲苯挥发造成的损失约 34.9 kg。过滤后的滤饼用528 kg水分批洗涤滤饼，产生废水 521 kg。从过滤器移出湿滤饼：528+6132.5-52 仁6139.5 kg(8)干燥器：除去产品中含有的水 6.3 kg,最后得到产品.：6139.5-6.3=6133.2kg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2380 kg,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

7、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67.5 C下的比热为0.56 千卡/公斤 C =2.34 kJ/kg k) 2 2氧气的比热容计算：CP = R(A BT CT DT)A =3.639 B7506 10 C =0.227 105 D=0_3 5 1cp =8.314 (3.639 0.506 13T -0.227 10 尹)cp =0.9183kJ/kg k)Q1 = mcp.t： = 3.169 X05kJ/kg k)对叔丁基甲苯的吸热量：Q2 =mcp ：t =3475.1 234 X( 1702

8、5) =1.179 X0 kJ/kg k)-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4.1 YD-300系列热导油密度(kg /m3)比热容(kJ/ kg k)导热系数(W/m- k)YD 300 系200 C250 C200 C250 C200 C250 C列热导油8898552.432.600.110.107200C230C的平均密度为882.2kg/m3,平均比热容为2.481kJ/(kg k)，平均导热系数为0.11w/(m k)。由公式Q = mcp ：r加热时间为2h

9、,可计算出每小时所需热 油循环量：m 一 Q/Cp t =10053.1kg/h4.1.2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)= -26.21 -66.56N :He=-196.98 -610.13NN 二 Nc NiNc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+0.0121 n1)=9.784：Hc(l)=196.98 610.13N =-6165.05kJ/mol=-4.159 10 XJ/kg 对叔丁基苯甲酸

10、：N=11+(-1.173-0.013+0.012l n4-1.038)=8.79：Hc(s)二 -206.21 -606.56N =-5537.87kJ/mol=-3.107 104kJ/kg过程如下：H1 = mcp：t =2543.4 X.34 X( 25170) +823.3 X9183 X0-3 X ( 25170)5=8.63 10 KJH 2 =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=-3.107 104 $027.4-(-4.159 10为 X2518.03=1.066 X03KJ：H3 八 molt =3027.4 &193 (

11、170 25) +306 4.174 ( 17025)=1.148 106 kJ5 3 6 5：H m H ：H2 H3 二8.63 X05 +1.066 103+1.148 106=2.86 105 kJ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/h4.1.3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）50100150200250允许最大热损失（W/m ）5893116140163表4.3保温层平均温度Tm值周围空气温度（C）介质温度（C）10015020025025709512515

12、0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_Tg 1、Z3花丿= 0.042 0.000123 - 70 (4.13-2)(4.13-3)汪二.:s 6 1.163Ts 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/（mk）；绝热层外表面周围空气的放热系数， w/(m2 k)一绝热层厚度，m；Q 1绝热层外表面单位面积的最大允许热损失量， W/m2

13、;Tm 保温层的平均厚度；查表 4.3得Tm=107；:s对保温 % 取 11； W/(m2 k)-风速，取5m/s；将数据代入公式得170-25125.6 =0.042 0.00023 (107 - 70)-11 6 .5 1.1632=28.4w/(m k)求得 & =0.0505 6=0.0 565 2 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17 0 25 2Q 102.02W/m0.07 + 10.0505 28.4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

14、Q二QA=102.02 0.74 20X3600=7.1541 W4kj，则保温阶段所需的加热介质量为 m =Q/cp =1442.37kg/h4.1.4冷却阶段全部物料：170 C 60 C对叔丁基甲苯的放热量：Q1 二 MCp ：t =917.4 2.34 ( 60170) =-2.362 105 kJ对叔丁基苯甲酸的放热量:5Q2 二 MCp. t =3085.3 送.193 （60-170） =-7.443 W kJ放热总量：Q =Qi +Q2 =-9.805 105 kJ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

15、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（kg /m3)比热容（kJ/ kg k）导热系数（W/m- k）YD 30020 r50 r20 r50 r20 r50 r系列热导10059900.43210.45400.10550.1042油20 T50 r的平均密度为997.5kg/m3，平均比热容为0.4430kJ/（kg k），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/h4.2冷凝器冷却水走壳程。冷却时间为反应时间306 勻8=17 kg/h冷介

16、质（冷水）：25 r 40 r热介质（物料）：170r 50r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=1.866 kJ kg-1 K-1gi=1.35 07mPa s水的物性数据：-1 -118h，平均每小时冷却的水生成量:3p=0.2416 kg/m3九=0.0275W/(m K)3p1=995.1 kg/mgi=0.690 mPa s九=0.6293 W/(m K)Cp1=4.174 kJ kg K4.2.1冷凝过程放出的热量及冷却水用量放出的热量：Q=m Cp(-100)+mr+m Cp(100-T2)4=

17、17X1.866 剂+17 &257X7+17 4.174 W=4.414 X04 kJ/h 冷却水用量：由 Q=m Cp(t2-t1)得 m=4.414X!04詔.174 25=423.0 kg/h 422换热器面积计算依据：Q=KA AtmAtm = ( T 1-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 11624250 W/(m2 K)，这里取2K=1500W/(m2 K)2A=Q/( K Atm)=4.414 04 0

18、005008.62 3600=0.1681 m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： 60C 1- 110C加入的甲苯： 25C * 110C活性碳： 25 E 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：2.193 kJ kg-

19、1 K-1 甲苯：1.757 kJ kg-1 K-1 活性碳：0.840 kJ kg-1 K-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/m3300kpa饱和蒸汽133.30.6062168.11.65加热阶段需要吸收热量:Q = Qi Q2 Q3=m1ct m2cp=t m3cp=t=3085.3 Z.193 ( 110 60) +396.1 X.757 X( 11025)+76.5 (X840 X( 110 25)=3.383 105+5.9 104+0.5462 104=40.2762 104k 就饱和蒸汽用量：m=Q/r=40276

20、22168.1=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_Ta 1 r ,-I Q s 丿Ts -T 二式中符号意义和单位同前=0. 042 0. 000123 - 70查表4.3得Tm =75二 K 6、二 1.16 3将数据代入公式得元110 25 1、;-( )93 &怎=0.042 0.00023 (75 - 70) “ 11 6 .5 1.1632二 28.4w/(m k)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

21、量的计算将已知数据代入上式得11025 2Q 70.95W/m20.05 1+0.043 28.4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=70.95 074送X3600=4975.581kJ,则保温阶段所需的加热介质量为m=Q/r=4975.58 2168.1=2.29kg4.4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 30 r冷却水：20 r 30 r滤液放热量：Q 八 ma t =3057.3 0.193 (30-110)+361.4 1057 x(30-170)5=-5.582 105KJ冷却水用量：m 二 Q/cp ：t. =5.582 为05詔.174 #0吃=6686.63kg