物料衡算和热量衡算

1、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%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+1=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

2、年生产2000 吨对叔丁基苯甲酸，则每批生产2000 327 6.116吨。产品纯度99 %( wt %)实际过程中为了达到高转化率和高反应速率，需要加入过量对叔丁基甲苯做溶剂，反应剩余的原料经分离后循环使用。各段物料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C11H16C11HC11H16178.23148.24178.236054.8得 x=6054.8148.24178.23=5036.0 kg折合成工业原料的对叔丁基甲苯质量为5036.00.99=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

3、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= 3/26054.831.99178.23=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0.99=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钴（ ），每批加入量10.4 kg4）水的移出量设反应生产的水为x kgH2OC11H14O2M18.

4、016178.23mx6054.8得x=6054.818.016178.23=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。3.2.2 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+10.4+1646.6-612-1

5、834.8=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中进行过滤，每批过滤出滤液甲苯36

6、1.4 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+6132.5-521=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+损耗的热量反应釜升温阶段 物料数据： TOC o 1-5 h z 进料对叔丁基甲苯3475.1kg，氧气一共2380 kg，进料温度都为常温25，在反应釜里利用夹套加热至反应温度170。平均温度都为：( 2

7、5+170) =67.5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 下的比热为0.56千卡/公斤 =2.34 kJ/kg k)22氧气的比热容计算：cp R(A BT CT DT )A 3.639 B 0.506 10 3 C 0.227 105 D 0351cp 8.314 (3.639 0.506 10 3T 0.227 105 2)cp 0.9183kJ/kg k)Q1 mcpt 3.169 105kJ/kg k)对叔丁基甲苯的吸热量：Q2 mcp t =3475.1 2.34 ( 170 25) =1.179 106 kJ/kg k

8、)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230，出口温度为200。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(/m3)比热容(kJ/ k)导热系数(W/m k)YD 300 系200250列热导油8898552002502002502.432.600.110.107200230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 t 加热时间为2h， 可计算出每小时所需热油循环量 : m Q /cp t =10053.1kg/h反

9、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) 206.21 606.56NHC(l) 196.98 610.13NN NC NiNc 化合物中C 原子总数 Ni=各种结构和物相修正系数对叔丁基甲苯：N=11+( -1.173-0.031+0.012ln4-0.031+0.012ln1)=9.784HC(l)196.98 610.13N =-6165.05kJ/mol=-4.159 10 kJ/kg对叔丁基苯甲酸：N=11+(-1.173-0.013+0.012ln4-1.038)=8.79HC(S)206.

10、21 606.56N =-5537.87kJ/mol=-3.107 104kJ/kg过程如下：H1mcpt 2543.42.34 (25170)+823.3 0.918310-3 (25170)= 8.63 105 KJH 2 Q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 3027.4-(-4.159 104) 2518.0=1.066 103KJH 3mcp t 3027.4 2.193 ( 170 25) +306 4.174 ( 170 25)=1.148 106 kJ5365H H1H 2 H 38.63 105 +1.0

11、661 03+1.148 106=2.86 105kJ由 公式 Qmcpt 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（）50100150200250允许最大热损失（W/m 2）5893116140163表 4.3 保温层平均温度Tm 值周围空气温度（）介质温度（）100150200250257095125150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170，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

12、大热损失下绝热层厚度的计算(4.13 1)Ts T 1(4.13 1)Qs0. 0 42 0. 00 0T2m 370(4.13 2)(4.13 3)s s 61.163(4.13 3)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，；T 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) 绝热层厚度，m；Q 绝热层外表面单位面积的最大允许热损失量，W/m 2；Tm 保温层的平均厚度；查表4.3得 Tm=107s 对保温s取11； W/(m2k) 风速，取5m/s；将数据代入公式得170 25

13、 1()125.6 s0.042 0.00023( 107-70)s 11 65 1.163228.4w/(m2 k)求得0.05050.0 5 6 5 2，圆整后取0.070。平面型单层绝热结构的热损失量的计算Q Ts T式中符号意义和单位同前1s将已知数据代入上式得170 252Q102.02W / m0.0710.0505 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Q QA102.02 9.74 203600=7.1541 104kj， 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

14、：17060对叔丁基甲苯的放热量：Q1 MCP t =917.4 2.34 ( 60 170) =-2.362 105 kJ对叔丁基苯甲酸的放热量：Q2 MCP t =3085.3 2.193 （ 60-170） =-7.443 105kJ放热总量：Q Q1 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20，出口温度为50。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 4.4YD300系列热导油技术参数密度（/m3）比热容（kJ/k）导热系数（W/m k）YD 300205020502050系列热导1005990

15、0.43210.45400.10550.1042油2050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 Q mcp t 加热时间为1h， 可计算出每小时所需热油循环量:m Q/cp t =7.4104kg/h4.2 冷凝器冷却水走壳程。冷却时间为反应时间18h，平均每小时冷却的水生成量：冷却水走壳程。冷却时间为反应时间306 18=17 kg/h冷介质（冷水）：2540热介质（物料）： 17050平均温度冷水：（ 25+40） 2=32.5物料：（ 170+100） 2=135（ 100+50） 2=753 1=

16、0.2416 kg/m3 L=0.0275W/（m K）31=995.1 3 1=0.2416 kg/m3 L=0.0275W/（m K）31=995.1 kg/m 1=1.35 107mPa s水的物性数据：Cp1=4.174 kJ kg-1K-11=0.690 1=0.690 mPa sL=0.6293 W/（m K ）冷凝过程放出的热量及冷却水用量放出的热量：Q=m Cp(T1-100)+mr+m Cp(100-T2)4 =17 1.866 70+17225717+174.174 50=4.414 104 kJ/h冷却水用量:由 Q=m Cp(t2-t1) 得 m=4.414 104 4

17、.17425=423.0 kg/h换热器面积计算依据： Q=KA tm tm=( T1-t2 )-( T2- t1 )/ ( T1-t2 )/ ( T2- t1 ) =(170-50)-(40-25)/ (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/(m2K)，这里取K=1500W/(m 2 K)2A=Q/( Ktm)=4.414 104 10001500 48.623600=0.1681 m2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。脱色釜粗产品对叔

18、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。脱色釜内物质需要的加热量 TOC o 1-5 h z 由反应釜出来的对叔丁基苯甲酸：60110加入的甲苯：25110活性碳：25110对叔丁基苯甲酸平均温度：( 60+110) 2=85甲苯平均温度：( 25+110) 2=67.5活性碳平均温度：( 25+110) 2=67.5查得物性数据：对叔丁基苯甲酸：2.193 kJ kg-1K-1甲苯：1.757 kJ kg-1K-1活性碳：0.840 kJ kg-1K-1表 4.5 加热介质饱和蒸汽数据压力 /kpa温度 /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 Q1 Q2 Q3m1cp t m2cp t m3cp t=3085.3 2.193 （ 110 60） +396.1 1.757 （ 110 25）+76.5 0.840 （ 110 25）=3.383 105+5.9