高分子工程设计-第3章_物料衡算

第3章物料衡算高分子工程设计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。第3章物料衡算高分子工程设计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。①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。②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。③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。第3章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。第3章物料衡算高分子工程设计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第3章物料衡算高分子工程设计DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology3.1.3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。第3章物料衡算高分子工程设计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。第3章物料衡算高分子工程设计DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology3.1.4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。第3章物料衡算高分子工程设计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。第3章物料衡算高分子工程设计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。第3章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)第3章物料衡算高分子工程设计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。第3章物料衡算高分子工程设计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。第3章物料衡算高分子工程设计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结点第3章物料衡算高分子工程设计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第3章物料衡算高分子工程设计DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology3.4.1典型稳定循环过程图3-2为典型的稳定循环过程。Ⅰ表示将再循环流包括在内的整个过程Ⅱ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Ⅲ表示工艺过程的物料平衡（总进料与总产物流间的平衡）Ⅳ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第3章物料衡算高分子工程设计DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology3.4.2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其它类型循环过程第3章物料衡算高分子工程设计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。第3章物料衡算高分子工程设计DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology图3-4PTA直接酯化缩聚连续操作工艺流程草图第3章物料衡算高分子工程设计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第3章物料衡算高分子工程设计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①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:第3章物料衡算高分子工程设计DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology酯化缩聚反应:缩聚反应:第3章物料衡算高分子工程设计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:第3章物料衡算高分子工程设计DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology②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