高分子工程设计物料衡算.ppt

高分子工程设计DesignofPolymerEngineering ShaanxiUniversityofTechnology 化工生产装置设计中所涉及的工艺计算包括物料衡算 热量衡算和设备工艺计算三个方面 3 1物料衡算的基本知识 3 1 1物料衡算的定义 类型 作用及理论依据 定义 指根据各种物料之间的定量转化关系对进出整个生产装置 生产工序或单台设备的各股物料的数量及组成进行平衡计算 它是在工艺流程确定后最先进行的工艺计算 高分子工程设计DesignofPolymerEngineering ShaanxiUniversityofTechnology 作用 物料衡算是整个工艺设计中非常重要的环节 有很重要的作用 为热量衡算 设备工艺计算 管道计算 辅助工序及公用工程设计计算 生产成本核算等提供依据 在确定生产装置由几条生产先组成以及工艺参数的确定中起着非常重要的作用 是指导生产过程的重要依据 类型 按计算范围分为单元操作 或单个设备 的物料衡算和全流程 包括各个单元操作的全套装置 的物料衡算 按操作方式分为连续操作的物料衡算和间歇操作的物料衡算 此外 还有带循环过程的物料衡算 高分子工程设计DesignofPolymerEngineering ShaanxiUniversityofTechnology 对于没有化学反应的生产过程来说 质量守恒定律 物料进入量 物料离开量 装置内积累量 过程损失量 对于有化学反应的生产过程来说 质量守恒定律 物料进入量 物料离开量 反应消耗量 装置内积累量 过程损失量 注 对于没有化学变化及物理化学变化的密封设备或工序如泵 换热器等可不进行物料衡算 对于只有物料损失的设备或工序如切粒机 打包机等可只做总物料衡算 对于有化学变化或物理化学变化的设备或工序如反应器 精馏塔 蒸发器 结晶器 干燥装置等不仅要进行总物料衡算还要对各组分及组成分别进行物料衡算 理论依据 物料衡算的理论依据是质量守恒定律 高分子工程设计DesignofPolymerEngineering ShaanxiUniversityofTechnology 流量 3 1 2物料衡算的基本概念 单位时间内物料流过设备的数量 如质量流量 体积流量 产量 单位时间内生产装置生产出产品的数量 如年产量 月产量 日产量等 消耗量 生产单位数量产品所需原材料的数量 损失量 生产单位数量产品损失掉原材料的数量 纯度 物料中含主要成分的百分比 配料比 进入生产装置的各种原料之间的比例关系 如质量比 摩尔比 转化率 反应物参加反应的百分率 单程收率 生产为目标产物的反应物数量占反应物起始数量的百分比 等于转化率乘以选择性 回收率 副产物或未参加反应的反应物经处理后可以重新利用的百分比 选择性 生成目标产物的反应物数量占参加反应的反应物数量的百分比 高分子工程设计DesignofPolymerEngineering ShaanxiUniversityofTechnology 3 1 3计算基准及单位 在进行物料衡算时 一般不同的操作方式 不同的计算目的 对应选择的计算基准以及确定的计算单位不同 连续生产过程 整套生产装置的操作状态不随时间的变化而变化 属于定态操作过程 一般选时间为计算基准 对应计算单位为Kg h Kmol h m3 h等 高分子工程设计DesignofPolymerEngineering ShaanxiUniversityofTechnology 间歇生产过程 物料都是一批批加入生产装置进行加工处理的 属于非定态操作过程 一般选批为计算基准 对应计算单位为Kg B Kmol B m3 B 原料消耗计算 成本核算 可以单位产品数量作为计算基准 高分子工程设计DesignofPolymerEngineering ShaanxiUniversityofTechnology 3 1 4计算步骤 画出物料平衡关系示意图 在了解工艺操作过程的基础上 根据工艺流程草图画出物料平衡关系示意图 其中 设备或工序可用方框表示 无物料变化的设备或工序可省去不画 图中应表明物流号 名称及流向 注明变化过程 明确物料在个设备或工序中发生的化学变化及物理化学变化 写出主 副反应方程式 高分子工程设计DesignofPolymerEngineering ShaanxiUniversityofTechnology 收集数据资料 生产规模 生产时间 相关技术指标 如原料消耗量 各设备损失量 配料比 循环比 回流比 转化率 单程收率 回收率等 质量标准 原料 助剂 中间产物和产品规格 组成及相关物理化学常数 化学变化及物理化学变化的变化关系 选择计算基准及计算单位 整个计算过程应保持计算基准与计算单位一致 避免出错 有时根据特殊需要局部工序或设备可另设计算基准及单位 最后要求进行单位换算建立各工序或各设备之间正确的物料时间平衡关系 高分子工程设计DesignofPolymerEngineering ShaanxiUniversityofTechnology 确定计算顺序 对于已有生产装置进行的标定或挖潜改造做的物料衡算 可直接采用顺流程计算 对于待建生产装置的工艺设计 先将产量换算成单位时间处理原料量 然后采用顺流程计算 对于复杂的生产过程 可先将生产过程分解到工序并对各工序进行物料衡算 然后将各个工序分解到各个设备并进行物料衡算 对于简单的生产过程可直接对整套装置中的各个设备进行物料衡算 高分子工程设计DesignofPolymerEngineering ShaanxiUniversityofTechnology 展开计算 根据所收集的数据资料及选择的计算基准和单位 按照确定的计算顺序运用化学 化工及物化知识 如质量守恒定律 化学计量 组分数量分率约束式 设备约束式 包括进料比 相平衡关系 化学平衡关系 转化率和选择性等 逐个工序 逐台设备建立物料平衡关系式 进行物料平衡计算 整理并校核计算结果 对每个工序或设备进行物料衡算后必须立即根据约束条件对计算结果进行校核 确保计算结果正确无误 当计算全部结束后必须及时整理 编写物料衡算说明书 包括数据资料 计算公式 全部计算过程及计算结果等 高分子工程设计DesignofPolymerEngineering ShaanxiUniversityofTechnology 绘制物料流程图 编写物料平衡表 物料流程图及物料平衡表是说明物料衡算结果的一种简捷而清晰的表示方法 它们能够清楚地表示出各种物料在流程中的位置 数量 组成 流动方向 相互之间的关系等 物料衡算结束后 必须利用计算结果对全流程进行经济分析与评价 考查生产能力 生产效率 生产成本等是否符合预期的要求 物料消耗是否合理 工艺条件是否合适等 同时及时发现和解决流程设计中存在的问题 高分子工程设计DesignofPolymerEngineering ShaanxiUniversityofTechnology 3 2连续生产过程的物料衡算 对反应比较简单或仅有一个反应且只有一个未知数的情况可直接求算 对反应比较复杂 物料衡算应依物料流动顺序分步进行 直接求算法 利用结点进行衡算 在化工生产中常有某些产品的组成需要用旁路调节才能送往下一个工序的情况 可采用结点进行衡算如图3 1所示 高分子工程设计DesignofPolymerEngineering ShaanxiUniversityofTechnology 生产过程中常有不参加反应的物料 即惰性物料 由于这种惰性物料数量在反应器的进出物料中不变化 因此可利用它与其它物料在组分中的比例关系求取其它物料的数量 此惰性物料为衡算联系物 利用联系组分进行物料衡算 图3 1结点 高分子工程设计DesignofPolymerEngineering ShaanxiUniversityofTechnology 3 3间歇生产过程的物料衡算 必须建立时间平衡关系 避免造成设备之间生产能力大小相差悬殊的不合理状况 收集数据时要注意整个工作周期的操作顺序和每项操作时间 把所有操作时间作为时间平衡的单独一项记录 进行时间平衡时需考虑不均衡系数 可根据生产周期的每项操作时间分析影响提高生产效率的关系问题 在化工生产中 循环过程比较多见 如部分产品的循环 如回流 未反应原料分离后循环再利用等 目的是维持操作 控制产品质量 降低原料消耗 提高原料利用率等 3 4循环过程的物料衡算 高分子工程设计DesignofPolymerEngineering ShaanxiUniversityofTechnology 3 4 1典型稳定循环过程 图3 2为典型的稳定循环过程 表示将再循环流包括在内的整个过程 表示新鲜原料F与循环物料R混合后的物料同进入工艺过程的总物料流间的物料平衡 表示工艺过程的物料平衡 总进料与总产物流间的平衡 表示总产物流与它被分离后所形成的净产品流P和循环流R间的平衡 图3 2典型的稳定循环过程 高分子工程设计DesignofPolymerEngineering ShaanxiUniversityofTechnology 3 4 2其它类型循环过程 净化循环过程 旁路流程过程 双循环过程 多循环过程 循环圈相套过程以及复杂循环过程 图3 3 a 和3 3 b 分别为净化循环过程和旁路流程过程 图3 3其它类型循环过程 高分子工程设计DesignofPolymerEngineering ShaanxiUniversityofTechnology 3 5物料衡算示例 例1 PET连续聚合反应过程的物料衡算 本聚对苯二甲酸乙二醇酯 PET 连续操作工艺是采用高纯度对苯二甲酸 PTA 与乙二醇 EG 为原料 直接酯化后经缩聚反应得到PET 单条生产线每年可生产10万吨PET 这条生产线主要由浆料配制工序 聚合工序 切粒包装工序 回收工序四个工序组成 其中 图3 4为聚合工序的工艺流程草图 图中没有全部画出次要设备和次要物料管线 高分子工程设计DesignofPolymerEngineering ShaanxiUniversityofTechnology 图3 4PTA直接酯化缩聚连续操作工艺流程草图 高分子工程设计DesignofPolymerEngineering ShaanxiUniversityofTechnology 一 画出物料平衡关系示意图 完整PET连续操作工序的物料衡算过程比较复杂 为了说明问题 只对流经反应器的物流进行物料衡算 流经反应器物料平衡关系简图 如图3 5所示 图3 5PTA直接酯化缩聚连续操作主反应器物料平衡关系示意图 高分子工程设计DesignofPolymerEngineering ShaanxiUniversityofTechnology 二 明确物料发生的化学变化与物理化学变化 写出主 副反应方程式 化学变化 PET合成过程中 每个反应器中都发生酯化反应 酯化缩聚反应和缩聚反应 其反应方程式 用官能团表示 如下 酯化反应 高分子工程设计DesignofPolymerEngineering ShaanxiUniversityofTechnology 酯化缩聚反应 缩聚反应 高分子工程设计DesignofPolymerEngineering ShaanxiUniversityofTechnology 为了描述各反应进行的程度特做如下定义 酯化率 缩聚反应程度 乙二醇与PTA摩尔比 平均聚合度 高分子工程设计DesignofPolymerEngineering ShaanxiUniversityofTechnology 物理化学变化 相变化 在各酯化釜中 由于反应温度高于水和EG的沸点 酯化生成的水被蒸出反应体系 根据气液平衡关系 反应液中仍含有少量的水 水蒸出时夹带出一定比例的EG 蒸出的EG经分离后全部返回到反应器中 因此各酯化反应器中原料配比不变 即Mr Mr0 在缩聚反应釜中 为了使缩聚反应向生成聚合物的方向移动 需尽量降低反应液中EG的含量 因此 缩聚阶段特别是反应后期 需在高真空的条件下进行 各缩聚釜中生成的EG大部分被蒸出 使Mr Mr0 高分子工程设计DesignofPolymerEngineering ShaanxiUniversityofTechnology 三 收集数据资料 生产时间 年工作日 336d a 24h d 生产规模 设计任务书中规定的年产量为10万吨 相关技术指标工艺配方 催化剂用量 c 0 05Wt PTA消光剂用量 d 0 5Wt PTA 配制成20 EG混合浆液 投料配比 Mr0 NE0 NT0 1 12切粒 包装工序物料损失率 e 0 5 质量标准 略 高分子工程设计DesignofPolymerEngineering ShaanxiUniversityofTechnology 化学变化及物理化学变化的变化关系 因各反应器中发生的主要化学反应相同 反应的进行程度 x p 不同 因此 各反应器中物料组成变化的计量关系是相同的 各反应器反应液中聚合物数量为 各反应器反应液中乙二醇数量为 酯化反应生成水数量为 高分子工程设计DesignofPolymerEngineering ShaanxiUniversityofTechnology 各酯化釜中水 EG的汽化量和反应液中残留量参考表3 1计算 各缩聚釜蒸出EG数量为 四 选择计算基准与计算单位 连续操作过程 可选择时间为计算基准 计算单位为kg h 表3 1各酯化釜中水 EG的汽化量和反应液中残留量 高分子工程设计DesignofPolymerEngineering ShaanxiUniversityofTechnology 六 计算主要原料 PTA 投料流量 五 确定计算顺序 可得到产品产量与主要原料 PTA 投料量之间的比例关系 宜采用顺流程的计算顺序 PET熔体流量与PTA理论投料WT 的关系为 高分子工程设计DesignofPolymerEngineering ShaanxiUniversityofTechnology 该生产装置年产量为10万吨 年开工336d 连续生产 切粒 包装工序物料损失率为0 5 因此PET熔体流量为 PTA实际投料质量流量为 PTA实际投料摩尔流量为 高分子工程设计DesignofPolymerEngineering ShaanxiUniversityofTechnology 七 顺流程逐个设备展开计算 R101物料衡算 图3 6为R101物料平衡示意图 101 0 高分子工程设计DesignofPolymerEngineering ShaanxiUniversityofTechnology 101 2 101 3 101 1 高分子工程设计DesignofPolymerEngineering ShaanxiUniversityofTechnology 高分子工程设计DesignofPolymerEngineering ShaanxiUniversityofTechnology R102物料衡算 图3 7为R102物料平衡示意图 102 2 102 3 0 9 高分子工程设计DesignofPolymerEngineering ShaanxiUniversityofTechnology 102 1 高分子工程设计DesignofPolymerEngineering ShaanxiUniversityofTechnology R201物料衡算 图3 8为R201物料平衡示意图 在R201中加入消光剂EG溶液 003 1 由于抽真空会有少量聚合物被夹带出使201 1中的NT0减少为NT0 同时夹带出极少量的消光剂和催化剂 003 1 20 消光剂 EG混合浆液 高分子工程设计DesignofPolymerEngineering ShaanxiUniversityofTechnology 201 1 高分子工程设计DesignofPolymerEngineering ShaanxiUniversityofTechnology 201 2 高分子工程设计DesignofPolymerEngineering ShaanxiUniversityofTechnology 202 1 R202物料衡算 图3 9为R202物料平衡示意图 在R202中由于抽真空会有少量聚合物被夹带出使201 1中的NT0 减少为NT0 同时夹带出极少量的消光剂和催化剂 高分子工程设计DesignofPolymerEngineering ShaanxiUniversityofTechnology 202 2 高分子工程设计DesignofPolymerEngineering ShaanxiUniversityofTechnology R203物料衡算 图3 10为R203物料平衡示意图 203 1 203 2 高分子工程设计DesignofPolymerEngineering ShaanxiUniversityofTechnology 计算出的203 1数量与开始时求出的PET熔体的流量相同 说明物料衡算的整个过程是正确的 八 绘制物料流程图 编写物料平衡表 见图3 11 表3 2 高分子工程设计DesignofPolymerEngineering ShaanxiUniversityofTechnology 图3 11物料流程图 高分子工程设计DesignofPolymerEngineering ShaanxiUniversityofTechnology 表3 2物料平衡表 高分子工程设计DesignofPolymerEngineering ShaanxiUniversityofTechnology 例2 丙烯酸反相悬浮聚合间歇操作过程的物料衡算 丙烯酸反相悬浮聚合制备高吸水树脂的生产过程主要由原料准备工序 聚合工序 分离工序 聚合物后处理工序组成 本例中只对聚合工序做物料衡算 其工艺流程草图见图3 12 图3 12丙烯酸反相悬浮聚合间歇操作工艺流程草图 高分子工程设计DesignofPolymerEngineering ShaanxiUniversityofTechnology 一 画出物料平衡关系示意图 对于物料数量和组成都没有发生变化的设备可不做物料衡算 因此示意图中可不画出T101 T102 P101 P102 P103等设备 如图3 13所示 图3 13丙烯酸反相悬浮聚合间歇操作物料平衡关系示意图 高分子工程设计DesignofPolymerEngineering ShaanxiUniversityofTechnology 二 明确物料发生的化学变化与物理化学变化 写出主 副反应方程式 V101 V103 V104中是单纯物料混合 无相变与化学变化 V102中75 的丙烯酸被中和 中和反应方程式如下 R101中引发剂引发单体进行聚合反应 其反应方程式如下 高分子工程设计DesignofPolymerEngineering ShaanxiUniversityofTechnology 三 收集数据资料 生产时间 年工作日 330d a 24h d 间歇操作 V101 V102 V103 R101每天8批 V104每天1批 生产规模 设计任务书中规定的年产量为4000吨 相关技术指标 见表3 3 表3 3相关技术指标 高分子工程设计DesignofPolymerEngineering ShaanxiUniversityofTechnology 化学变化参数 加入NaOH能够与丙烯酸完全反应 生成丙烯酸钠 各组分相对分子质量如下 质量标准 原料NaOH溶液浓度为50 其他原料均视为纯物质 其中 75 中和的丙烯酸单体混合物平均相对分子质量为 72 0 25 94 0 75 88 50聚合反应过程中单体完全参加反应 转化率可视为100 单体混合物与聚合物之间无化学计量上的变化 但引发剂结合到聚合物分子链上 会使聚合物数量略有增加 高分子工程设计DesignofPolymerEngineering ShaanxiUniversityofTechnology 四 选择物料衡算基准及计算单位 由于产物与原料之间化学计量关系比较简单 且整个工艺过程比较简单 容易得到产量与单体原料投料量之间的比例关系 所以采用顺流程的计算顺序 间歇操作过程 基准为 批 单位为B d 大部分设备的操作周期为8B d 只有V104操作周期为1B d 引发剂向R101进料周期为8B d 所以在做物料衡算时 物料M11的数量仍以8B d计算 在做设备工艺计算时 V104的体积大小应按1B d处理量进行计算 五 确定计算顺序 高分子工程设计DesignofPolymerEngineering ShaanxiUniversityofTechnology 六 计算主要原料 丙烯酸 投料数量 该生产装置年产量4000t 年开工330d 每天生产8批 后处理中聚合物损失率2 引发剂 0 2 单体质量 全部结合到聚合物中 单体100 转化成聚合物 且单体的相对分子质量与聚合物结构单元相对分子质量相同 丙烯酸相对分子质量 单体平均相对分子质量 72 88 5 高分子工程设计DesignofPolymerEngineering ShaanxiUniversityofTechnology 七 顺流程逐个设备展开计算 V102物料衡算 图3 14为V102物料平衡示意图 M1 原料丙烯酸 丙烯酸 M4 30 NaOH溶液 高分子工程设计DesignofPolymerEngineering ShaanxiUniversityofTechnology M6 45 单体溶液 M5 无离子水B 高分子工程设计DesignofPolymerEngineering ShaanxiUniversityofTechnology V101物料衡算 图3 15为V101物料平衡示意图 M4 30 NaOH溶液 1743 49Kg B 1 M2 50 NaOH溶液 M3 无离子水A 1220 44 523 05 697 39Kg B 1 高分子工程设计DesignofPolymerEngineering ShaanxiUniversityofTechnology V103物料衡算 图3 16为V103物料平衡示意图 已知正庚烷与单体配比为4 1 分散剂用量为2 单体质量 M7 M8 M9 高分子工程设计DesignofPolymerEngineering ShaanxiUniversityofTechnology R101物料衡算 图3 17为R101物料平衡示意图 M10 待聚合液 M4 M9 M11 引发剂水溶液 高分子工程设计DesignofPolymerEngineering ShaanxiUniversityofTechnology M12 聚合物混合液 V104 引发剂调配罐 物料衡算 M13 引发剂 M14 H2O 高分子工程设计DesignofPolymerEngineering ShaanxiUniversityofTechnology 八 整理并校核计算结果 对如图3 18所示的聚合工序全面物料平衡计算 利用物料守恒定律进行校核 九 绘制物料流程图 编写物料平衡表 见图3 19 表3 4 高分子工程设计DesignofPolymerEngineering ShaanxiUniversityofTechnology 图3 19物料流程图 高分子工程设计DesignofPolymerEngineering ShaanxiUniversityofTechnology 表3 4物料平衡表 高分子工程设计DesignofPolymerEngineering ShaanxiUniversityofTechnology 作业 试对年产量 万吨的聚丁二烯橡胶连续聚合生产过程进行物料衡算 图 为聚丁二烯的生产工艺流程草图 高分子工程设计DesignofPolymerEngineering ShaanxiUniversityofTechnology 生产工艺流程草图简述 纯度符合要求的丁二烯和溶剂混合后 经预热器H201从釜底进入聚合釜F201 同时将配制好的催化剂也从釜底加入 发生聚合反应生成高顺式聚丁二烯橡胶 胶液由第一聚合釜顶部出来依次通过串联的聚合釜再入终止釜F202 终止剂和防老剂按定量打入终止釜内 胶液经终止后进到混胶罐R201 再由胶液泵B201打入凝聚釜R202中进行凝聚 釜内通入大量蒸汽和循环热水 胶液喷入釜中后 绝大部分溶剂和丁二烯被蒸出 随水蒸汽进