聚合物生产工艺设计-课件chap3 mass cal cxn m 2007

1、第三章物料衡算第一节物料衡算的意义和作用什么是物料平衡?化工过程中的物料平衡是指:“进入一个装置(设备)的全部物料质量必定等于离开这个装置(设备)的全部物料质量，再加上损失掉的与累积起来的物料质量.”把损失的物料量并到出料量中，可得到如下关系式：FDWF为进料量D为出料量与损耗量W为累积量31对于稳态连续过程，W为零FD适用于总物料, 当没有化学反应时也可用于任一组分321第三章物料衡算第一节物料衡算的意义和作用物料衡算: 对物料平衡进行计算物料衡算的理论基础: 质量守恒定律物料衡算的内容与任务:对每股物料进行分析和定量计算(1) 确定它们的数量、组成和相互的比例关系(2) 确定它们在物理变化

2、或化学变化过程中相互转移或转化的定量关系量包括数量和质量(品质)：量：流量、产量、消耗量、排出量、循环量等度：纯度、浓度、分离度等比:配料比、循环比、回流比等率:转化率、单程收率、时空产率、回收率等2物料衡算的意义有二：在已知产品生产任务下算出所需原料量、以及副产品 和三废生成量；或者在已知原料量情况下算出产品、副产 品产量和三废生成量.算出原料消耗定额、做出能量平衡，算出动力消耗量和消耗定额，算出生产过程所需热量(或冷量)，为设备选 型、决定尺寸大小以及套数、台数(或台时)提供依据.3全流程(包括各个单元操作的全套装置)的物料衡算单元操作(或单个设备)的物料衡算间歇操作的物料衡算带再循环流的

3、过程的物料衡算连续操作的物料衡算物料衡算的类别按计算范围划分按操作方式划分物料衡算是工艺设计中最早开始的一项化工计算工作，当方案设计阶段确定了工艺路线，画出流程示意草图后即可进行，从此，设计工作从定性分析转入了定量计算.4第三章物料衡算第二节物料衡算的方法和步骤一、画出流程示意图物料的名称, 数量, 组成, 流向工艺条件(T, P, 流量, 配比) 已知量, 待求数据二、写出主, 副反应式三、确定计算任务四、收集数据资料1. 设计任务数据(1) 生产规模设计任务有直接规定时即按规定数字计算。如是中间车间(例如聚合物的单体车间)，应根据消耗定额来确定生产规模，同时要考虑物料在车间的回流，单体车间

4、合成部分的规模要考虑到聚合车间回收的单体量， 在精馏部分的规模中，也必须考虑处理回收单体的能力，否则计算出来的设备能力不能平衡。5四、收集数据资料1. 设计任务数据(cont.)(2) 生产时间 即年工作时数应根据全厂检修、车间检修、生产过程和设备特性来考虑每年有效的工作时数(确定物料衡算的时间基准)，算出每小时的生产任务，进而计算出设备大小。无特殊现象(如易堵、易波动、严重腐蚀)或者已设有备品, 且公用系统能保障供应者，年工作时数可采用80008400小时。停车检修时间较多的生产，年工作时数可采用8000小时(大型化工生产装 置所采用)。生产难以控制、易出不合格产品，或因堵、漏常常停修的生产

5、，或者试 验性车间，生产时数采用7200小时，甚至更少.各车间或装置(工序)之间的生产时数可以不同6第三章 物料衡算第二节物料衡算的方法和步骤四、收集数据资料1. 设计任务数据(cont.)(3) 有关的定额、收率、转化率消耗定额是指生产每吨合格产品需要的原料、辅助原料及试剂等的消耗量. 反映生产技术水平的重要经济指标，也是物料衡算的基础数据。转化率 = (反应掉的原料量) /(原料投料量) 100%= (原料投料量- 反应后原料剩余量) / (原料投料量) 100%转化率 收率实际生产中转化率的确定取决于聚合物产品质量、设备生产能力和经济效果对于存在副反应的化学反应过程:选择性= (生成目的

6、产物的原料量 ) /(反应掉的原料量) 100%单程收率=(生成目的产物的原料量) / (原料投料量) 100%=转化率 选择性提高转化率的时，必须考虑选择性变化趋势, 综合考虑转化率和选择性才有助于确定合理的工艺指标, 达到最高单程收率.7第三章物料衡算第二节物料衡算的方法和步骤工业生产中还经常遇到收率(或产率)这个专门名词，它有时是指选择性， 有时是指单程收率。要区分清楚它到底代表什么，以免产生错误。影响反应收率和转化率的因素一般有原料组成、催化剂、反应温度和 压力、反应物在反应区域中的停留时间、设备的材料和结构等，对于每一 个反应过程都有它的收率和转化率的最适宜指标。当反应原料不止一种时

7、，对不同的原料就有不同的转化率、选择性和 单程收率，一般要着重考虑最昂贵的原料。比如，进行丁烯氧化脱氢制取 丁二烯的反应中，是以昂贵的丁烯为计算基础，而不把空气考虑进去。另外，反应产物一般也不只一种，因此每种产物的选择性及单收也不 一样，其中最重要的是目的产物的选择性和单收，但有时也要相应地计算 副产物的选择性和单收，这要根据具体需要确定。收集这类数据应注意其可靠性和准确性，并且仔细了解其单位和基准， 以免引用时发生错误。82. 原料、助剂、中间产物和产品的规格3. 有关的物理化学常数物理化学常数，如密度、相平衡常数等，在查找数据时应当注意:(1) 资料的可靠性：注意辗转刊载中易发生讹误，应尽

8、可能找原始资料。 (2)准确性：应注意对不同数据的准确性(有效数字)要求。(3)数据的适用范围：许多常数往往只适用于一定的范围，应予以注意。五、选定计算基准选定计算基准是化工计算的出发点:年产量，原料年需要量, 中间产品, 三废的年生成量。(每小时的产量，每100kg或100mol原料为基准)必须把各个量的单位统一为同一单位制，并且在计算过程中保持前后 一致。9六、展开计算 已知原料量，欲求知可得多少产品时，则顺流程从前往后算。 已知生产任务(年产量或每小时的产量)，欲求所需原料量，则逆流程由 后向前推算。 对于复杂的化工过程以顺流程计算较简单。七、校核与整理计算结果在计算过程中，每算一步都要

9、对计算结果进行认真校核，看物料是否平衡，数据有无差误(首先要保证所用公式和假设的正确性)，以免错误延续造成大量返工。每进行到一个段落就把计算过程及结果整理出来，这样做对以后的校核和查对，了解计算者的思考过程都提供了方便。一般说来，物料衡算用简单的数学计算，但是步骤往往十分繁杂，如果不把计算过程整理出来， 当校阅者需要弄清某个数字来源时，就需要重复进行整个计算，这显然是不符合设计工作要求的。整理好的计算结果填入物料表内。10八、绘制物料流程图物料流程图是表示物料衡算计算结果的一种简单清楚的表示方法，它最大的优点是查阅方便，并能表示出各物料在流程中的位置和相互关系。因 此，除了在极简单的情况下用表

10、格形式说明外，大都采用物料平衡图来表示。此图作为设计成果编入设计文件。在计算工作完毕之后，应当充分运用计算结果对全流程和其中的每一生产步骤以至每个设备，从技术经济的角度进行分析评价、看它的生产能 力、效率是否符合预期的要求，物料损耗是否合理以及分析工艺条件确定得是否合适，等等。藉助物料衡算成果，可以发现流程设计中存在的问题，从而使工艺流程设计得更趋完善。为了获得最佳流程设计方案，物料衡算工作往往要进 行多次。11第三章 物料衡算第三节 连续过程的物料衡算现在结合年产30000吨聚丁二烯橡胶生产装置的设计来说明连续过程物料衡算的一般方法。【所举例题都是为说明衡算方法而编制的，工艺数据并不反映生产

11、实际。】12终止釜(F202)水蒸汽、溶剂和丁二烯蒸气油水分离槽混凝胶聚罐釜胶粒,热水振动筛挤压脱水机膨胀机预热器回流罐二烯回收塔含水的丁二烯, 溶剂脱水塔胶粒含水量0.5%油中间罐(含杂质、水分、溶剂和丁二烯)13脱除丁二烯及水的溶剂与重组分第三章物料衡算第三节 连续过程的物料衡算(年产30000吨聚丁二烯橡胶生产装置的设计/物料衡算)一、画物料流程示意图由于生产采用的流程结构很典型，可分解为配制、精制、聚合、凝聚、后处理和回收等工序，按这几个工序划分计算范围十分方便，所以将示意图分解成各个计算单元来画。二、写出化学反应方程式nC4H6-C4H6-n-17600 kcal/kmol三、确定计

12、算任务在生产任务已定的前提下，根据消耗定额和工艺指标可以求得聚合工序各项进料量，然后按流程顺序从前往后计算。分析各个工序特点可知：聚合工序应注重配比浓度的计算和聚合反应 转化率；凝聚工序涉及热量平衡；后处理工序是一些简单的算术四则运算； 回收工序则属于多组元精馏系统的计算。对此可以有针对性地去收集有关数据和准备计算方法。14四、收集数据1. 全装置工艺数据(1) 生产规模 年产30000吨聚丁二烯橡胶(2) 生产时间 年工作时数8000小时(3) 每吨橡胶消耗定额 1.06吨100丁二烯(4) 全装置总收率按93.5计，损耗(包括工艺损耗和机械损耗)为6.5. 其分配如下(以1.06吨100%

13、丁二烯为基准计算收率和损耗)：1 聚合挂胶等损失2%2 聚合、凝聚的丁二烯机械泄漏损失1%3 凝聚振动筛聚丁二烯渣沫损失0.5%4 油水分离器水相丁二烯溶解损失2%5 包装过程中不合格品和扫地料损失1%152. 聚合工序(1) 聚合反应转化率80，以81进行计算.(2) 聚合工段基本配方丁1016克/100毫升溶液 丁：丁二烯浓度Ni/丁=1.02.010 4(mol比)Al/丁0.81.75103 (mol比) B/丁1.01.3103(mol比) Al/Ni38(mol比)醇/Al6(mol比)，聚合釜出口处添加的终止剂防老剂/胶1(重量)，聚合釜出口处添加的防老剂(3) 丁二烯规格丁二烯

14、99%丁烯1%羰基化合物100ppm炔烃20ppm水20ppm乙腈检不出(4) 溶剂已烷的规格沸程6080I2值0.2毫克100克水值20ppm密度 066g/ml162. 聚合工序(cont.)(5) Ni催化剂规格(配制浓度1克/升)Ni.含量7%不皂化物含量.近于无水含量01%(6) A1催化剂规格(配制浓度2克升)活性铝含量.20克升无悬浮铝(7) B催化剂规格(BF3EtOEt, 配制时以300倍溶剂稀释)BF 含量46%折光率n 201.3453D醛酮： 微量沸点124.5126密度1.121.14g/ml(8) 乙醇规格(终止剂)工业品含乙醇95%(9) 防老剂2，6二叔丁基对甲

15、苯酚规格熔点.6971灰分0.05%游离甲酚.005%油溶性：合格防老剂、终止剂和溶剂配制在一起，防老剂浓度136克/升, 密度 0.8g/ml(10) 聚合温度3580；聚合时间34小时.173. 凝聚工序(1) 凝聚釜循环水量按水胶比78计。(2) 采用9Kgcm2(表)蒸汽，耗汽量为6吨蒸汽/吨胶。(3) 凝聚温度90；凝聚釜压力0.2Kgcm2 (表压)。(4) 胶粒内含油2。(5) 油水分离器内，水在烃类中饱和溶解度100ppm(重量)；C6烃类在水中饱和溶解度0.0014(mol)(以上数据均系20时之值)。(6) C6溶剂在90时的气化热76Kcal/Kg；3090平均热容0.5

16、8Kcal/Kg.184. 后处理工序(1) 经过振动筛后自由水全部脱除，胶粒内含水约60，含油约2.(2) 干燥脱水装置使胶粒内含水和油(即挥发分)1。(3) 包装入库的成品胶质量指标门尼粘度4050挥发分1灰分0.5凝胶合量1顺式1,4含量945. 回收工序(1) 脱水塔： 塔顶含丁二烯30，其余为溶剂、水。塔釜不含丁二烯, 水值15ppm。(2) 丁二烯回收塔：塔顶不含溶剂，塔底不含丁二烯。(3) 脱重塔：塔釜残留物含量超过1，或馏程超出90时应及时排放。19五、计算基准此过程属于连续操作过程，选Kgh作为基准。六、计算1. 聚合聚合衡算示意图B(B/油=1/300)Al(2g/L)Ni

17、(1g/L)防老剂、终止剂溶液含防老剂136g/L聚 合至凝聚损失溶剂丁二烯20第三章物料衡算第三节 连续过程的物料衡算(1) 丁二烯进料量每小时的生产量=30000 吨胶/8000小时=3.75吨需100丁二烯3.751.063.975吨=3975Kg以3975Kg为基准，扣除损耗的3(2, 4)丁二烯则应有:聚丁二烯= 3975(10.03)3856Kg按转化率81计，100丁二烯进料量为 3856Kg/0.81=4760Kg折合mol数为：4760Kg/54g/mol=88.15kmol原料中含丁二烯99，则原料量应为: 4760/0.99= 4808Kg其体积为: 4808Kg/(62

18、0Kg/m3)=7.75 m3(2) 溶剂进料量丁二烯浓度为1016g/100mL, 每小时溶剂和丁二烯的进料总体积约为: (4808Kg1000)/(1016g/100mL)=4830 m3若除去7.75 m3丁二烯，则溶剂的进料体积可在22.2540.25 m3范围内波动,考虑到催化剂进料时还会带进部分溶剂，故决定溶剂进料量为24m3/h 溶剂(密度0.66吨/ m3)进料量:240.6615.84吨/h溶剂和丁二烯进料总体积:247.7531.75 m3/h (假定聚合体系为理想21溶液)第三章物料衡算第三节 连续过程的物料衡算(3) 催化剂用量取Ni/丁1.5104; Al/丁1.01

19、03; B/丁1.0103(mol比)Ni用量:881501.510458.7(Ni)776g其溶液体积为:776/(1g/L) = 776LAl用量：88150 1.010327(Al)2380g其溶液体积为:2380g/(2g/L) = 1190LB用量：88150 1.010 3 142(BF3EtOEt)12517g 其体积为:12517g/(1130g/L) = 11.08L溶剂体积为:11.08升3003323L三项催化剂的总体积为5300.08L，其中含溶剂总量(约为)= 5300.08 660g/L = 3500Kg Ni、Al、B总用量为:77623801251715673克

20、(4) 聚丁二烯生成量为3856Kg/h, 其中挂胶损失为：39752=79.5Kg/h 送去凝聚的聚合物为385679.53776.5Kg/h22(5) 终止剂和防老剂用量乙醇用量=(丁二烯mol数Al/丁醇/Al乙醇分子量)/(乙醇纯度乙醇密度)=( 88150 mol/h 1.0103 6 46g/mol)/(95% 810g/L)= 31.6L/h乙醇总重量为810g/L31.6L25600g, 其中水占5, 重量为1280g; 乙醇量为24320g.防老剂用量= (3856kg/h 1%)/(136g/L)= 283.5L/h由于终止剂和防老剂是用溶剂配在一起的,所以, 283.5L

21、/h的溶液中含乙醇和水25.6Kg, 防老剂38.556Kg (283.5 L136g/L),溶剂约 163Kg (283.5L 0.8Kg/L-25.6-38.556= 162.644Kg ), 即约247L(6) 检验配方进料丁浓丁4760000g/(31.75106mL)=15g/100mL釜内实际丁浓丁=4760000g/(31.75+5.3)106mL=12.8g/100mL均符合丁1016g/100mL的要求Al/Ni= 1.0103/1.5104 6.7( 应 38) Al/B = 1.0103/1.0103 1.0 (应0.81.35)两项配比也符合配方要求.23第三章物料衡算

22、第三节 连续过程的物料衡算计算结果整理于下：不可四舍五入!(后处理物料衡算略)24作业:在本节课所举的PBd生产装置中(年产PBd 3万吨), 若采用21m3聚合釜, 单釜连续聚合3.5小时, 并按所给工艺条件实施生产, 需几个聚合釜? 若产能扩大到6万吨/年, 其余条件不变, 需几个聚合釜? 列出计算过程. (假定聚合体系为理想溶液. 提示: tR= VR/v ).25第三章物料衡算第四节间歇过程的物料衡算 间歇操作过程的物料衡算必须建立时间平衡 间歇操作设备的整个工作周期由一系列有固定程序的操作组成，必须把所有操作作为时间平衡的单独一项而加以记载。这样做不仅对物料衡算是 需要的，而且对以后

23、的热量衡算、热负荷计算以及某些设备尺寸的决定都有重要作用。 通过建立时间平衡关系，还可以使设备与设备之间处理物料的台时(台 数与操作时间)平衡，而不至于造成设备之间生产能力大小相差悬殊。 在化工生产中还有间歇过程与连续过程同时使用的情况如悬浮法聚氯乙烯的生产过程。此时若进行时间平衡，需考虑不均衡系 数。间歇过程有进出料高峰, 而连续过程是匀速进出料!不均衡系数的选取应根据生产中的实际情况和经验数据决定。26第三章物料衡算第四节 间歇过程的物料衡算/PVC2728一. 流程示意图第三章物料衡算第四节 间歇过程的物料衡算/PVC二. 反应式nCH2=CHCl-CH2-CHCl-n-22900 kc

24、al/kmol三. 确定计算任务 聚合与沉析均为间歇过程, 须建立时间平衡. 按间歇过程和连续过程分别确定基准依次顺流程展开计算.四. 收集数据1. 生产规模PVC树脂30000t/a2. 生产时间8000h3. 消耗定额1.064tVC/tPVC4. 损耗分配聚合车间总收率94%, 总损耗6%,以聚合釜内生成的PVC为准各步损耗分配为:聚合: 粘釜, 泄漏等, 1%沉析: 破坏低聚物, 1%离心: 0.5%干燥: 2%筛分包装: 1.5%29水:6800kg(6.8m3)VC:5000(5.5m3)AIBN:2.5kgAIVN:2.2kg明胶:Na2S:8kg 0.25kgNaHCO3:1k

25、g5. 聚合配方6. 操作周期时间平衡聚合釜水15分VC15分搅拌10分升温20分反应 510分出料 20分清釜等 50分合计 640分取操作周期为660分沉析槽排气/加料/回收 60分升温 60分保温 30分冷却 30分出料 360分合计 540分取操作周期为540分7. 生产统计数据平均每釜(13.5m3)产PVC 4243kg308. 操作条件与控制指标聚合温度 510.5C出料压力 6kg/cm2 (表压)转化率90%沉析温度 75C, 加42%液碱7升, 加碱量0.050.1%(液相NaOH含量)离心用2000kg 60-75C 热水洗涤, 离心后物料含水20%干燥气流干燥器出口物料

26、含水5%, 沸腾干燥器出口物料含水0.3%9. 原料, 助剂和产品规格(略)10. 物化常数42%碱液密度1.45g/ml钢制设备比热0.12kcal/kgCPVC比热0.42kcal/kgCVC 汽化热63 kcal/kg水蒸汽冷凝热576kcal/kg五. 确定计算基准间歇过程: kg/釜连续过程: kg/h3132六. 计算1. 聚合釜(进料按配方)出料生成PVC量 5000kg x 90% = 4500kg损失PVC量 4500kg x 1% = 45kg向沉析槽出料量 4500kg 45kg = 4455kg 未反应VC量5000kg 4500kg = 500kg 聚合釜二次出料用水

27、量 200kg六. 计算(cont.)2. 沉析槽 (19m3, 自重3290 kg, 钢质) 聚合釜来料, 液碱, 水蒸汽液碱: 7L x1.45 = 10.15kg其中纯NaOH:10.15 x 42% = 4.26 kg; 水: 10.15-4.26= 5.89 kg水相总重(将助剂合并计入: 水, 明胶, NaHCO3, Na2S, AIBN, AIVN, 液碱) : 7000+8+1+0.25 +2.5 +2.2+ 10.15 =7024.1kg取热损失为10%, 每个沉析槽在每次操作中需通入的水蒸汽量为280850 x 110%/576 = 536.3 kg33六. 计算(cont.)2. 沉析槽 (cont.)3435六. 计算(cont.)3. 离心脱水每小时PVC产量: 30000t/8000h = 3750kg/h (含水0.3%)相当于每小时干树脂产量: 3750 x (1-0.3%) = 3738.75 kg/h (取3