1、第3章物料衡算 化工生產裝置設計中所涉及的工藝計算包括物料衡算、熱量衡算和設備工藝計算三個方面。高分子工程設計Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology 3.1 物料衡算的基本知識物料衡算的基本知識3.1.1 物料衡算的定義、物料衡算的定義、 類型、作用及理論依據類型、作用及理論依據 定義定義 指根據各種物料之間的定量轉化關系對進出整個生產裝置、指根據各種物料之間的定量轉化關系對進出整個生產裝置、 生產生產工序或單臺設備的各股物料的數量及組成進行平衡計算工序或單臺設備的各股物料的數量及組成進行平衡計算,它是在工

2、藝它是在工藝流程確定后最先進行的工藝計算。流程確定后最先進行的工藝計算。第3章物料衡算 物料衡算是整個工藝設計中非常重要的環節,有很重要的作用。高分子工程設計Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology 為熱量衡算、設備工藝計算、管道計算、輔助工序及公用工程設為熱量衡算、設備工藝計算、管道計算、輔助工序及公用工程設計計算、生產成本核算等提供依據。計計算、生產成本核算等提供依據。 在確定生產裝置由幾條生產先組成以及工藝參數的確定中起著非在確定生產裝置由幾條生產先組成以及工藝參數的確定中起著非常重要的作用。常重要的作

3、用。 是指導生產過程的重要依據。是指導生產過程的重要依據。 類型類型 按計算范圍分為單元操作按計算范圍分為單元操作(或單個設備或單個設備)的物料衡算和全流程的物料衡算和全流程(包括包括各個單元操作的全套裝置各個單元操作的全套裝置)的物料衡算的物料衡算;按操作方式分為連續操作的物按操作方式分為連續操作的物料衡算和間歇操作的物料衡算料衡算和間歇操作的物料衡算;此外此外,還有帶循環過程的物料衡算。還有帶循環過程的物料衡算。第3章物料衡算高分子工程設計Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology 對于有化學反應的生產過程

4、來說對于有化學反應的生產過程來說,質量守恒定律質量守恒定律:物料進入量物料進入量=物料離開量物料離開量+反應消耗量反應消耗量+裝置內積累量裝置內積累量+過程損失量。過程損失量。注注: 對于沒有化學變化及物理化學變化的密封設備或工序如泵、換熱器等可對于沒有化學變化及物理化學變化的密封設備或工序如泵、換熱器等可不進行物料衡算不進行物料衡算; 對于只有物料損失的設備或工序如切粒機、打包機等可只做總物料衡算對于只有物料損失的設備或工序如切粒機、打包機等可只做總物料衡算; 對于有化學變化或物理化學變化的設備或工序如反應器、精餾塔、蒸發對于有化學變化或物理化學變化的設備或工序如反應器、精餾塔、蒸發器、結晶

5、器、干燥裝置等不僅要進行總物料衡算還要對各組分及組成分別器、結晶器、干燥裝置等不僅要進行總物料衡算還要對各組分及組成分別進行物料衡算進行物料衡算。 理論依據理論依據 物料衡算的理論依據是質量守恒定律。物料衡算的理論依據是質量守恒定律。第3章物料衡算高分子工程設計Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology 流量流量3.1.2 物料衡算的基本概念物料衡算的基本概念單位時間內物料流過設備單位時間內物料流過設備的數量的數量,如質量流量、體積如質量流量、體積流量流量產量產量單位時間內生產裝置生產單位時間內生產裝置生產出產

6、品的數量出產品的數量,如年產量、如年產量、月產量、月產量、 日產量等日產量等消耗量消耗量生產單位數量產品所需原生產單位數量產品所需原材料的數量材料的數量損失量損失量生產單位數量產品損失掉生產單位數量產品損失掉原材料的數量原材料的數量純度純度物料中含主要成分的百分物料中含主要成分的百分比比配料比配料比進入生產裝置的各種原料進入生產裝置的各種原料之間的比例關系之間的比例關系,如質量比、如質量比、 摩爾比摩爾比轉化率轉化率反應物參加反應的百分率反應物參加反應的百分率單程單程收率收率生產為目標產物的反應物生產為目標產物的反應物數量占反應物起始數量的數量占反應物起始數量的百分比百分比,等于轉化率乘以選等

7、于轉化率乘以選擇性擇性回收率回收率副產物或未參加反應的反副產物或未參加反應的反應物經處理后可以重新利應物經處理后可以重新利用的百分比用的百分比選擇性選擇性生成目標產物的反應物數生成目標產物的反應物數量占參加反應的反應物數量占參加反應的反應物數量的百分比量的百分比第3章物料衡算高分子工程設計Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology 3.1.3 計算基準及單位計算基準及單位 在進行物料衡算時在進行物料衡算時,一般不同的操作方式、不同的計算目的一般不同的操作方式、不同的計算目的,對應選擇的計算基準以及確定的計算單位

8、不同。對應選擇的計算基準以及確定的計算單位不同。 連續生產過程連續生產過程 整套生產裝置的操作狀態不隨時間的變化而變化整套生產裝置的操作狀態不隨時間的變化而變化,屬于定態操作屬于定態操作過程過程,一般選時間為計算基準一般選時間為計算基準,對應計算單位為對應計算單位為Kg/h 、 Kmol/h 、 m3/h等。等。第3章物料衡算高分子工程設計Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology 間歇生產過程間歇生產過程 物料都是一批批加入生產裝置進行加工處理的物料都是一批批加入生產裝置進行加工處理的,屬于非定態操屬于非定態

9、操作過程作過程,一般選批為計算基準一般選批為計算基準,對應計算單位為對應計算單位為Kg/B 、 Kmol/B 、 m3/B 。 原料消耗計算、成本核算原料消耗計算、成本核算 可以單位產品數量作為計算基準?？梢詥挝划a品數量作為計算基準。第3章物料衡算高分子工程設計Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology 3.1.4 計算步驟計算步驟 畫出物料平衡關系示意圖畫出物料平衡關系示意圖 在了解工藝操作過程的基礎上在了解工藝操作過程的基礎上,根據工藝流程草圖畫出物料平根據工藝流程草圖畫出物料平衡關系示意圖。其中衡關系示意

10、圖。其中,設備或工序可用方框表示、無物料變化的設設備或工序可用方框表示、無物料變化的設備或工序可省去不畫、圖中應表明物流號、名稱及流向。備或工序可省去不畫、圖中應表明物流號、名稱及流向。 注明變化過程注明變化過程 明確物料在個設備或工序中發生的化學變化及物理化學變化明確物料在個設備或工序中發生的化學變化及物理化學變化,寫寫出主、副反應方程式出主、副反應方程式 。第3章物料衡算高分子工程設計Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology 收集數據資料收集數據資料 生產規模、生產規模、 生產時間、生產時間、 相關技術指

11、標相關技術指標(如原料消耗量、各設如原料消耗量、各設備損失量、配料比、循環比、回流比、轉化率、單程收率、回收備損失量、配料比、循環比、回流比、轉化率、單程收率、回收率等率等) 、質量標準、質量標準(原料、助劑、中間產物和產品規格、組成及相原料、助劑、中間產物和產品規格、組成及相關物理化學常數關物理化學常數) 、化學變化及物理化學變化的變化關系。、化學變化及物理化學變化的變化關系。 選擇計算基準及計算單位選擇計算基準及計算單位 整個計算過程應保持計算基準與計算單位一致整個計算過程應保持計算基準與計算單位一致,避免出錯。有避免出錯。有時根據特殊需要局部工序或設備可另設計算基準及單位時根據特殊需要局

12、部工序或設備可另設計算基準及單位,最后要求最后要求進行單位換算建立各工序或各設備之間正確的物料時間平衡關系。進行單位換算建立各工序或各設備之間正確的物料時間平衡關系。第3章物料衡算高分子工程設計Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology 確定計算順序確定計算順序 對于已有生產裝置進行的標定或挖潛改造做的物料衡算對于已有生產裝置進行的標定或挖潛改造做的物料衡算,可直可直接采用順流程計算。接采用順流程計算。 對于待建生產裝置的工藝設計對于待建生產裝置的工藝設計,先將產量換算成單位時間處理先將產量換算成單位時間處理原

13、料量原料量,然后采用順流程計算。然后采用順流程計算。 對于復雜的生產過程對于復雜的生產過程,可先將生產過程分解到工序并對各工序可先將生產過程分解到工序并對各工序進行物料衡算進行物料衡算,然后將各個工序分解到各個設備并進行物料衡算。然后將各個工序分解到各個設備并進行物料衡算。 對于簡單的生產過程可直接對整套裝置中的各個設備進行物料對于簡單的生產過程可直接對整套裝置中的各個設備進行物料衡算。衡算。第3章物料衡算高分子工程設計Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology 展開計算展開計算 根據所收集的數據資料及選擇的計

14、算基準和單位根據所收集的數據資料及選擇的計算基準和單位,按照確定的按照確定的計算順序運用化學、化工及物化知識計算順序運用化學、化工及物化知識(如質量守恒定律、化學計量、如質量守恒定律、化學計量、組分數量分率約束式、設備約束式組分數量分率約束式、設備約束式(包括進料比、相平衡關系、化包括進料比、相平衡關系、化學平衡關系、轉化率和選擇性等學平衡關系、轉化率和選擇性等),逐個工序、逐臺設備建立物料逐個工序、逐臺設備建立物料平衡關系式平衡關系式,進行物料平衡計算。進行物料平衡計算。 整理并校核計算結果整理并校核計算結果 對每個工序或設備進行物料衡算后必須立即根據約束條件對對每個工序或設備進行物料衡算后

15、必須立即根據約束條件對計算結果進行校核計算結果進行校核,確保計算結果正確無誤。當計算全部結束后必確保計算結果正確無誤。當計算全部結束后必須及時整理、須及時整理、 編寫物料衡算說明書編寫物料衡算說明書(包括數據資料、計算公式、全包括數據資料、計算公式、全部計算過程及計算結果等部計算過程及計算結果等)第3章物料衡算高分子工程設計Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology 繪制物料流程圖繪制物料流程圖,編寫物料平衡表編寫物料平衡表 物料流程圖及物料平衡表是說明物料衡算結果的一種簡捷物料流程圖及物料平衡表是說明物料衡算

16、結果的一種簡捷而清晰的表示方法而清晰的表示方法,它們能夠清楚地表示出各種物料在流程中的它們能夠清楚地表示出各種物料在流程中的位置、位置、 數量、數量、 組成、組成、 流動方向、流動方向、 相互之間的關系等。相互之間的關系等。 物料衡算結束后，必須利用計算結果對全流程進行經濟分析物料衡算結束后，必須利用計算結果對全流程進行經濟分析與評價、考查生產能力、生產效率、生產成本等是否符合預期與評價、考查生產能力、生產效率、生產成本等是否符合預期的要求，物料消耗是否合理，工藝條件是否合適等，同時及時的要求，物料消耗是否合理，工藝條件是否合適等，同時及時發現和解決流程設計中存在的問題。發現和解決流程設計中存

17、在的問題。第3章物料衡算高分子工程設計Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology 3.2 連續生產過程的物料衡算連續生產過程的物料衡算 對反應比較簡單或僅有一個反應且只有一個未知數的情況可對反應比較簡單或僅有一個反應且只有一個未知數的情況可直接求算；對反應比較復雜，物料衡算應依物料流動順序分步進行。直接求算；對反應比較復雜，物料衡算應依物料流動順序分步進行。 直接求算法直接求算法 利用結點進行衡算利用結點進行衡算 在化工生產中常有某些產品的組成需要用旁路調節才能送往下在化工生產中常有某些產品的組成需要用旁路調節

18、才能送往下一個工序的情況，可采用結點進行衡算如圖一個工序的情況，可采用結點進行衡算如圖3-1所示。所示。第3章物料衡算高分子工程設計Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology 生產過程中常有不參加反應的物料，即惰性物料。由于這種惰生產過程中常有不參加反應的物料，即惰性物料。由于這種惰性物料數量在反應器的進出物料中不變化，因此可利用它與其它物性物料數量在反應器的進出物料中不變化，因此可利用它與其它物料在組分中的比例關系求取其它物料的數量，此惰性物料為衡算聯料在組分中的比例關系求取其它物料的數量，此惰性物料為衡算聯

19、系物。系物。 利用聯系組分進行物料衡算利用聯系組分進行物料衡算圖3-1 結點第3章物料衡算高分子工程設計Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology 3.3 間歇生產過程的物料衡算間歇生產過程的物料衡算 必須建立時間平衡關系，避免造成設備之間生產能力大小相必須建立時間平衡關系，避免造成設備之間生產能力大小相差懸殊的不合理狀況。收集數據時要注意整個工作周期的操作順差懸殊的不合理狀況。收集數據時要注意整個工作周期的操作順序和每項操作時間；把所有操作時間作為時間平衡的單獨一項記序和每項操作時間；把所有操作時間作為時間平

20、衡的單獨一項記錄，進行時間平衡時需考慮不均衡系數?？筛鶕a周期的每項錄，進行時間平衡時需考慮不均衡系數。可根據生產周期的每項操作時間分析影響提高生產效率的關系問題。操作時間分析影響提高生產效率的關系問題。 在化工生產中，循環過程比較多見，如部分產品的循環（如在化工生產中，循環過程比較多見，如部分產品的循環（如回流）回流） 、未反應原料分離后循環再利用等。目的是維持操作。控、未反應原料分離后循環再利用等。目的是維持操作?？刂飘a品質量。降低原料消耗。提高原料利用率等。制產品質量。降低原料消耗。提高原料利用率等。3.4 循環過程的物料衡算循環過程的物料衡算第3章物料衡算高分子工程設計Design

21、of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology 3.4.1 典型穩定循環過程典型穩定循環過程 圖圖3-2為典型的穩定循環過程。為典型的穩定循環過程。表示將再循環流包括在內的表示將再循環流包括在內的整個過程整個過程表示新鮮原料表示新鮮原料F與循環物料與循環物料R混合后的物料同進入工藝過混合后的物料同進入工藝過程的總物料流間的物料平衡程的總物料流間的物料平衡表示工藝過程的物料平衡表示工藝過程的物料平衡（總進料與總產物流間的平衡）（總進料與總產物流間的平衡）表示總產物流與它被分離后表示總產物流與它被分離后所形成的凈產品流所形成的凈產品

22、流P和循環流和循環流R間的平衡間的平衡圖3-2 典型的穩定循環過程第3章物料衡算高分子工程設計Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology 3.4.2其它類型循環過程其它類型循環過程 凈化循環過程、旁路流程過程、雙循環過程、多循環過程、凈化循環過程、旁路流程過程、雙循環過程、多循環過程、循環圈相套過程以及復雜循環過程。圖循環圈相套過程以及復雜循環過程。圖3-3(a)和和3-3(b)分別為凈化分別為凈化循環過程和旁路流程過程。循環過程和旁路流程過程。圖3-3 其它類型循環過程第3章物料衡算高分子工程設計Design

23、 of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology 3.5 物料衡算示例物料衡算示例例例1、PET連續聚合反應過程的物料衡算連續聚合反應過程的物料衡算 本聚對苯二甲酸乙二醇酯本聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)連續操作工藝是采用高純度連續操作工藝是采用高純度對苯二甲酸（對苯二甲酸（PTA）與乙二醇（）與乙二醇（EG）為原料，直接酯化后經縮）為原料，直接酯化后經縮聚反應得到聚反應得到PET 。單條生產線每年可生產。單條生產線每年可生產10萬噸萬噸PET,這條生產線這條生產線主要由漿料配制工序、聚合工序、切粒包裝工序、回收工序四個主要由漿

24、料配制工序、聚合工序、切粒包裝工序、回收工序四個工序組成。其中工序組成。其中,圖圖3-4為聚合工序的工藝流程草圖，圖中沒有全為聚合工序的工藝流程草圖，圖中沒有全部畫出次要設備和次要物料管線。部畫出次要設備和次要物料管線。第3章物料衡算高分子工程設計Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology 圖3-4 PTA直接酯化縮聚連續操作工藝流程草圖第3章物料衡算高分子工程設計Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology 一、畫出物料平衡關系

25、示意圖一、畫出物料平衡關系示意圖 完整完整PET連續操作工序的物料衡算過程比較復雜，為了說連續操作工序的物料衡算過程比較復雜，為了說明問題，只對流經反應器的物流進行物料衡算，流經反應器物明問題，只對流經反應器的物流進行物料衡算，流經反應器物料平衡關系簡圖料平衡關系簡圖,如圖如圖3-5所示所示 。 圖3-5 PTA直接酯化縮聚連續操作主反應器物料平衡關系示意圖第3章物料衡算高分子工程設計Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology 二二 、明確物料發生的化學變化與物理化學變化，寫出主、副反、明確物料發生的化學變化與

26、物理化學變化，寫出主、副反應方程式應方程式化學變化?；瘜W變化。PET合成過程中合成過程中,每個反應器中都發生酯化反應、酯每個反應器中都發生酯化反應、酯化縮聚反應和縮聚反應化縮聚反應和縮聚反應,其反應方程式其反應方程式(用官能團表示用官能團表示)如下如下:酯化反應酯化反應:第3章物料衡算高分子工程設計Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology 酯化縮聚反應酯化縮聚反應:縮聚反應縮聚反應:第3章物料衡算高分子工程設計Design of Polymer Engineering, Shaanxi University

27、of Technology 為了描述各反應進行的程度特做如下定義為了描述各反應進行的程度特做如下定義:酯化率酯化率:縮聚反應程度縮聚反應程度:乙二醇與乙二醇與PTA摩爾比摩爾比:平均聚合度平均聚合度:第3章物料衡算高分子工程設計Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology 物理化學變化（相變化）。在各物理化學變化（相變化）。在各酯酯化釜中，由于反應溫度高化釜中，由于反應溫度高于水和于水和EG的沸的沸點點,酯酯化生成的水被蒸出反應體系?；傻乃徽舫龇磻w系。根據根據氣液平衡氣液平衡關系，反應液中仍含有少量的水關

28、系，反應液中仍含有少量的水,水蒸出時夾帶出一定比例的水蒸出時夾帶出一定比例的EG, 蒸出蒸出的的EG經分離后全部返回到反應器中，經分離后全部返回到反應器中，因此各酯化反應器中因此各酯化反應器中原料配比不變原料配比不變,即即MrMr0 。 在縮聚反應釜中，為了使縮聚反應向生成聚合物的方向移動，在縮聚反應釜中，為了使縮聚反應向生成聚合物的方向移動，需盡量降低反應液中需盡量降低反應液中EG的含量，的含量，因此因此,縮聚階段特別是反應后期，縮聚階段特別是反應后期，需在高真空的條件下進行需在高真空的條件下進行, 各縮聚釜中生成各縮聚釜中生成的的EG大部分被蒸出，大部分被蒸出，使使Mr Mr0 。第3章物

29、料衡算高分子工程設計Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology 三、三、收集數據資料收集數據資料生產時間。年工作日：生產時間。年工作日：336d/a（24h/d）生產規模。設計任務書中規定的年產量生產規模。設計任務書中規定的年產量為為10萬噸萬噸相關技術指標相關技術指標工藝配方：工藝配方： 催化劑用量：催化劑用量：c=0.05WtPTA 消光劑用量：消光劑用量：d0.5WtPTA（配制成（配制成20EG混合漿液）混合漿液） 投料配比：投料配比：M r0NE0:NT0 1.12 切粒、包裝工序物料損失率：切粒、包

30、裝工序物料損失率：e=0.5質量標準（略）質量標準（略）第3章物料衡算高分子工程設計Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology 化學變化及物理化學變化的變化關系化學變化及物理化學變化的變化關系 因各反應器中發生的主要化學反應相同因各反應器中發生的主要化學反應相同,反應的進行程度反應的進行程度(x、p)不同不同,因此因此,各反應器中物料組成變化的計量關系是相同的各反應器中物料組成變化的計量關系是相同的。各反應器反應液中聚合物數量為各反應器反應液中聚合物數量為:各反應器反應液中乙二醇數量為各反應器反應液中乙二醇數量

31、為:酯化反應生成水數量為酯化反應生成水數量為:第3章物料衡算高分子工程設計Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology 各酯化釜中水各酯化釜中水、EG的汽化量和反應液中殘留量參考表的汽化量和反應液中殘留量參考表3-1計算計算各縮聚釜蒸出各縮聚釜蒸出EG數量為數量為:四、四、選擇計算基準與計算單位選擇計算基準與計算單位 連續操作過程，連續操作過程，可選擇時間為可選擇時間為計算基準，計算單位為計算基準，計算單位為kg/h表3-1 各酯化釜中水、EG的汽化量和反應液中殘留量第3章物料衡算高分子工程設計Design of

32、 Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology 六、六、計算主要原料計算主要原料(PTA )投料流量投料流量五、五、確定計算順序確定計算順序 可得到產品產量與主要原料（可得到產品產量與主要原料（PTA）投料量之間的比例關系，）投料量之間的比例關系，宜宜采用順流程的計算順序。采用順流程的計算順序。PET熔體流量與熔體流量與PTA理論投料理論投料WT的關系為的關系為:第3章物料衡算高分子工程設計Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology 該生產裝置年產量

33、為該生產裝置年產量為10萬噸萬噸,年開工年開工336d,連續生產連續生產,切粒、包切粒、包裝工序物料損失率為裝工序物料損失率為0.5%,因此因此PET熔體流量為熔體流量為:PTA實際投料質量流量為實際投料質量流量為:PTA實際投料摩爾流量為實際投料摩爾流量為:第3章物料衡算高分子工程設計Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology 七、順流程逐個設備展開計算七、順流程逐個設備展開計算 R101物料衡算物料衡算 圖圖3-6為為 R101物料平衡示意圖。物料平衡示意圖。101.0第3章物料衡算高分子工程設計Desig

34、n of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology 101.2101.3101.1第3章物料衡算高分子工程設計Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology 第3章物料衡算高分子工程設計Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology R102物料衡算物料衡算 圖圖3-7為為 R102物料平衡示意圖。物料平衡示意圖。102.2102.30.9第3章物料衡算高分子工程設計De

35、sign of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology 102.1第3章物料衡算高分子工程設計Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology R201物料衡算物料衡算 圖圖3-8為為 R201物料平衡示意圖。物料平衡示意圖。 在在R201中加入消光劑中加入消光劑EG溶液溶液(003.1)。由于抽真空會有少量聚合物被夾帶出使由于抽真空會有少量聚合物被夾帶出使201.1中的中的NT0NT0,同時夾帶出極少量同時夾帶出極少量的消光劑和催化劑。的消光劑和催

36、化劑。003.1(20%消光劑消光劑-EG混合漿液混合漿液)第3章物料衡算高分子工程設計Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology 201.1第3章物料衡算高分子工程設計Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology 201.2第3章物料衡算高分子工程設計Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology 202.1 R202物料衡算物料衡算 圖圖3-9為為

37、 R202物料平衡示意圖。物料平衡示意圖。 在在R202中由于抽真空會有少量聚合物被夾帶中由于抽真空會有少量聚合物被夾帶出使出使201.1中的中的NT0NT0,同時夾帶出極少量同時夾帶出極少量的消光劑和催化劑。的消光劑和催化劑。第3章物料衡算高分子工程設計Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology 202.2 第3章物料衡算高分子工程設計Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology R203物料衡算物料衡算 圖圖3-10為為 R2

38、03物料平衡示意圖。物料平衡示意圖。203.1203.2第3章物料衡算高分子工程設計Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology 計算出的計算出的203.1數量與開始時求出的數量與開始時求出的PET熔體的流量相同熔體的流量相同,說明物料說明物料衡算的整個過程是正確的。衡算的整個過程是正確的。 八、繪制物料流程圖八、繪制物料流程圖,編寫物料平衡表編寫物料平衡表(見圖見圖3-11,表表3-2)第3章物料衡算高分子工程設計Design of Polymer Engineering, Shaanxi University

39、 of Technology 圖3-11 物料流程圖第3章物料衡算高分子工程設計Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology 表3-2 物料平衡表第3章物料衡算高分子工程設計Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology 例例2、丙烯酸反相懸浮聚合間歇操作過程的物料衡算、丙烯酸反相懸浮聚合間歇操作過程的物料衡算 丙烯酸反相懸浮聚合制備高吸水樹脂的生產過程主要由原料準丙烯酸反相懸浮聚合制備高吸水樹脂的生產過程主要由原料準備工序、聚合工序

40、、分離工序、聚合物后處理工序組成。本例中只備工序、聚合工序、分離工序、聚合物后處理工序組成。本例中只對聚合工序做物料衡算，其工藝流程草圖見圖對聚合工序做物料衡算，其工藝流程草圖見圖3-12。圖3-12 丙烯酸反相懸浮聚合間歇操作工藝流程草圖第3章物料衡算高分子工程設計Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology 一、畫出物料平衡關系示意圖一、畫出物料平衡關系示意圖 對于物料數量和組成都沒有發生變化的設備可不做物料衡算對于物料數量和組成都沒有發生變化的設備可不做物料衡算,因此示意圖中可不畫出因此示意圖中可不畫出T1

41、01 、T102 、P101 、P102 、P103等設備等設備,如圖如圖3-13所示所示 。 圖3-13 丙烯酸反相懸浮聚合間歇操作物料平衡關系示意圖第3章物料衡算高分子工程設計Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology 二、明確物料發生的化學變化與物理化學變化二、明確物料發生的化學變化與物理化學變化,寫出主、寫出主、 副反應方程式副反應方程式V101、V103、V104中是單純物料混合，無相變與化學變化中是單純物料混合，無相變與化學變化。 V102中中75%的丙烯酸被中和的丙烯酸被中和,中和反應方程式如下中

42、和反應方程式如下: R101中引發劑引發單體進行聚合反應中引發劑引發單體進行聚合反應,其反應方程式如下其反應方程式如下:第3章物料衡算高分子工程設計Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology 三、收集數據資料三、收集數據資料生產時間。年工作日：生產時間。年工作日：330d/a（24h/d）;間歇操作間歇操作,V101 、V102 、 V103 、R101每天每天8批批,V104每天每天1批。批。生產規模。設計任務書中規定的年產量生產規模。設計任務書中規定的年產量為為4000噸噸 相關技術指標相關技術指標(見表見

43、表3-3)表3-3 相關技術指標第3章物料衡算高分子工程設計Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology 化學變化參數。加入化學變化參數。加入NaOH能夠與丙烯酸完全反應，生成丙烯酸能夠與丙烯酸完全反應，生成丙烯酸鈉。各組分相對分子質量如下：鈉。各組分相對分子質量如下：質量標準。原料質量標準。原料NaOH溶液濃度為溶液濃度為50，其他原料均視為純物質。，其他原料均視為純物質。其中：其中：75%中和的丙烯酸單體混合物平均相對分子質量中和的丙烯酸單體混合物平均相對分子質量為為： 72 0.2594 0.75=88.5

44、0 聚合反應過程中單體完全參加反應，轉化率可視為聚合反應過程中單體完全參加反應，轉化率可視為100%，單體混，單體混合物與聚合物之間無化學計量上的變化，但引發劑結合到聚合物分子合物與聚合物之間無化學計量上的變化，但引發劑結合到聚合物分子鏈上，會使聚合物數量略有增加。鏈上，會使聚合物數量略有增加。第3章物料衡算高分子工程設計Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology 四、選擇物料衡算基準及計算單位四、選擇物料衡算基準及計算單位 由于產物與原料之間化學計量關系比較簡單，且整個工藝過程由于產物與原料之間化學計量關系比

45、較簡單，且整個工藝過程比較簡單，容易得到產量與單體原料投料量之間的比例關系，所以比較簡單，容易得到產量與單體原料投料量之間的比例關系，所以采用順流程的計算順序。采用順流程的計算順序。 間歇操作過程，基準為間歇操作過程，基準為“批批”，單位為，單位為B/d。大部分設備的操。大部分設備的操作周期為作周期為8B/d，只有，只有V104操作周期為操作周期為1B/d。引發劑向。引發劑向R101進料周進料周期為期為8B/d ，所以在做物料衡算時，物料，所以在做物料衡算時，物料M11的數量仍以的數量仍以8B/d計算。計算。在做設備工藝計算時，在做設備工藝計算時，V104的體積大小應按的體積大小應按1B/d處

46、理量進行計算。處理量進行計算。五、確定計算順序五、確定計算順序第3章物料衡算高分子工程設計Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology 六、計算主要原料六、計算主要原料(丙烯酸丙烯酸)投料數量投料數量 該生產裝置年產量該生產裝置年產量4000t，年開工，年開工330d，每天生產，每天生產8批，后處理中批，后處理中聚合物損失率聚合物損失率2%。 引發劑引發劑(0.2%單體質量單體質量)全部結合到聚合物中全部結合到聚合物中 單體單體100%轉化成聚合物轉化成聚合物,且單體的相對分子質量與聚合物結構單元且單體的相對分子

47、質量與聚合物結構單元相對分子質量相同相對分子質量相同 丙烯酸相對分子質量丙烯酸相對分子質量:單體平均相對分子質量單體平均相對分子質量=72:88.5第3章物料衡算高分子工程設計Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology 七、順流程逐個設備展開計算七、順流程逐個設備展開計算 V102物料衡算物料衡算 圖圖3-14為為 V102物料平衡示意圖。物料平衡示意圖。M1(原料丙烯酸原料丙烯酸)丙烯酸丙烯酸M4(30%NaOH溶液溶液)第3章物料衡算高分子工程設計Design of Polymer Engineering,

48、 Shaanxi University of Technology M6(45%單體溶液單體溶液)M5(無離子水無離子水B)第3章物料衡算高分子工程設計Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology V101物料衡算物料衡算 圖圖3-15為為 V101物料平衡示意圖。物料平衡示意圖。M4(30%NaOH溶液溶液)=1743.49KgB%1M2(50%NaOH溶液溶液)M3(無離子水無離子水A)=1220.44-523.05=697.39KgB-1第3章物料衡算高分子工程設計Design of Polymer Eng

49、ineering, Shaanxi University of Technology V103物料衡算物料衡算 圖圖3-16為為 V103物料平衡示意圖。物料平衡示意圖。 已知正庚烷與單體配比為已知正庚烷與單體配比為4:1,分散劑用量為分散劑用量為2%單體質量。單體質量。M7M8M9第3章物料衡算高分子工程設計Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology R101物料衡算物料衡算 圖圖3-17為為 R101物料平衡示意圖。物料平衡示意圖。M10(待聚合液待聚合液)=M4+M9M11(引發劑水溶液引發劑水溶液)第3

50、章物料衡算高分子工程設計Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology M12(聚合物混合液聚合物混合液) V104(引發劑調配罐引發劑調配罐)物料衡算物料衡算M13引發劑引發劑= =M14H2O=第3章物料衡算高分子工程設計Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology 八、整理并校核計算結果八、整理并校核計算結果 對如圖對如圖3-18所示的聚合工序全面物料平衡計算所示的聚合工序全面物料平衡計算,利用物料守恒定利用物料守恒定律進行校核

51、。律進行校核。九、繪制物料流程圖九、繪制物料流程圖,編寫物料平衡表編寫物料平衡表(見圖見圖3-19,表表3-4)第3章物料衡算高分子工程設計Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology 圖3-19 物料流程圖第3章物料衡算高分子工程設計Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology 表3-4 物料平衡表第3章物料衡算高分子工程設計Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of

52、Technology 作業：作業：. 試對年產量萬噸的聚丁二烯橡膠連續聚合生產試對年產量萬噸的聚丁二烯橡膠連續聚合生產過程進行物料衡算過程進行物料衡算,圖為聚丁二烯的生產工藝流程草圖。圖為聚丁二烯的生產工藝流程草圖。第3章物料衡算高分子工程設計Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology 生產工藝流程草圖簡述：純度符合要求的丁二烯和溶劑混合后，經生產工藝流程草圖簡述：純度符合要求的丁二烯和溶劑混合后，經預熱器預熱器H201從釜底進入聚合釜從釜底進入聚合釜F201，同時將配制好的催化劑也從釜，同時將配制好的催化劑也

53、從釜底加入，發生聚合反應生成高順式聚丁二烯橡膠，膠液由第一聚合底加入，發生聚合反應生成高順式聚丁二烯橡膠，膠液由第一聚合釜頂部出來依次通過串聯的聚合釜再入終止釜釜頂部出來依次通過串聯的聚合釜再入終止釜F 202，終止劑和防老，終止劑和防老劑按定量打入終止釜內。膠液經終止后進到混膠罐劑按定量打入終止釜內。膠液經終止后進到混膠罐R201，再由膠液，再由膠液泵泵B201打入凝聚釜打入凝聚釜R202中進行凝聚。釜內通入大量蒸汽和循環熱水，中進行凝聚。釜內通入大量蒸汽和循環熱水，膠液噴入釜中后，絕大部分溶劑和丁二烯被蒸出，隨水蒸汽進入全膠液噴入釜中后，絕大部分溶劑和丁二烯被蒸出，隨水蒸汽進入全凝器凝器H202。水蒸汽、溶劑和丁二烯蒸氣被全部冷凝由全凝器流入油。水蒸汽、溶劑和丁二烯蒸氣被全部冷凝由全凝器流入油水分離槽水分離槽R203，分層后的水相流入水中間槽，分層后的水相流入水中間槽R204，油相流入油中間，油相流入油中間罐罐R205而后送至回收工序處理。而后送至回收工序處理。第3章物