物料衡算和熱量衡算

1、3 物料衡算依據(jù)原理：輸入的物料量=輸出的物料量+損失的物料量衡算基準(zhǔn)年生產(chǎn)能力：2000 噸 /年年開工時間：7200 小時產(chǎn)品含量：99%物料衡算反應(yīng)過程涉及一個氧化反應(yīng)過程，每批生產(chǎn)的產(chǎn)品相同，雖然有原料對叔丁基甲苯和溶劑甲苯的循環(huán)，第一批以后循環(huán)的物料再次進(jìn)入反應(yīng)，但每批加料相同。在此基礎(chǔ)上，只要計算第一個批次的投料量，以后加料一樣。反應(yīng)釜內(nèi)加熱時間2h、正常的反應(yīng)時間18h、冷卻時間1h。加上進(jìn)料和出料各半個小時，這個生產(chǎn)周期一共2+18+1+1=22h。所以在正常的生產(chǎn)后，每22小時可以生產(chǎn)出一批產(chǎn)品。每年按300 天生產(chǎn)來計算，共開工7200小時，可以生產(chǎn) 327 個批次。要求每

2、年生產(chǎn)2000 噸對叔丁基苯甲酸，則每批生產(chǎn)2000 327 6.116噸。產(chǎn)品純度99 %( wt %)實際過程中為了達(dá)到高轉(zhuǎn)化率和高反應(yīng)速率，需要加入過量對叔丁基甲苯做溶劑，反應(yīng)剩余的原料經(jīng)分離后循環(huán)使用。各段物料原料對叔丁基甲苯的投料量設(shè)投料中純的對叔丁基甲苯為X kg，則由C11H16C11HC11H16178.23148.24178.236054.8得 x=6054.8148.24178.23=5036.0 kg折合成工業(yè)原料的對叔丁基甲苯質(zhì)量為5036.00.99=5086.9kg實際在第一批生產(chǎn)過程加入的對叔丁基甲苯為6950.3kg( 2)氧氣的通入量生產(chǎn)過程中連續(xù)通入氧氣,維

3、持釜內(nèi)壓力為表壓0.01MPa,進(jìn)行氧化反應(yīng)。實際生產(chǎn)過程中,現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)結(jié)果表明,通入的氧氣量為1556.8 kg， 設(shè)反應(yīng)消耗的氧氣量為x kg3/2O2C11H14O2M31.99178.23mx6054.8得x= 3/26054.831.99178.23=1630.1kg此 時 采 用 的 空 氣 分 離 氧 氣 純 度 可 達(dá) 99%， 因 此 折 合 成 通 入 的 氧 氣 為0.99=1646.6 kg即在反應(yīng)過程中，需再連續(xù)通入1646.6kg氧氣。3）催化劑催化劑采用乙酰丙酮鈷（ ），每批加入量10.4 kg4）水的移出量設(shè)反應(yīng)生產(chǎn)的水為x kgH2OC11H14O2M18.

4、016178.23mx6054.8得x=6054.818.016178.23=612 kg產(chǎn)生的水以蒸汽的形式從反應(yīng)釜上方經(jīng)過水分離器移出。3.2.2 設(shè)備物料計算（ 1） 計量槽對叔丁基甲苯計量槽：一個反應(yīng)釜每次需加入的對叔丁基甲苯質(zhì)量為3475.1 2=3475.15 kg對叔丁基甲苯回收計量槽：每批反應(yīng)結(jié)束后產(chǎn)生母液1834.8kg甲苯計量槽：每批需加入甲苯做溶劑，加入量為396.1 kg（ 2）反應(yīng)釜：反應(yīng)結(jié)束后，經(jīng)過冷卻、離心分離后，分離出水612kg，剩余的對叔丁基甲苯1834.8kg 循環(huán)進(jìn)入下一批產(chǎn)品的生產(chǎn)。分離出來的固體質(zhì)量為：6950.3+10.4+1646.6-612-1

5、834.8=6160.5 kg 。（ 3）進(jìn)入離心機(jī)的物料：6950.3 10.4 1646.6 1834.8 612=6160.5kg（ 4）脫色釜：分離機(jī)分離出來的粗產(chǎn)品移入脫色釜，加入甲苯做溶劑，加入量為 396.1 kg，攪拌升溫將產(chǎn)品溶解，再加入76.5 kg 活性碳進(jìn)行脫色。進(jìn)入脫色釜物料：6160.5+396.1+76.5=6633.1kg。（ 5）保溫過濾器：分離出廢碳104.3kg，濾液6633.1 104.3=6528.8kg（ 6）結(jié)晶槽：每次過濾產(chǎn)生的濾液6528.8 2=3264.4kg（ 7）產(chǎn)品離心機(jī)：結(jié)晶槽中的漿狀物料放入離心機(jī)中進(jìn)行過濾，每批過濾出濾液甲苯36

6、1.4 kg ，過濾過程中由于甲苯揮發(fā)造成的損失約34.9 kg。過濾后的濾餅用528 kg 水分批洗滌濾餅，產(chǎn)生廢水521 kg。從過濾器移出濕濾餅：528+6132.5-521=6139.5 kg（ 8）干燥器：除去產(chǎn)品中含有的水6.3 kg，最后得到產(chǎn)品.： 6139.5-6.3=6133.2kg圖 3.1 物料衡算匯總圖（以kg 為單位） ：4 熱量衡算原理：輸入的熱量=輸出的熱量+損耗的熱量反應(yīng)釜升溫階段 物料數(shù)據(jù)： TOC o 1-5 h z 進(jìn)料對叔丁基甲苯3475.1kg，氧氣一共2380 kg，進(jìn)料溫度都為常溫25，在反應(yīng)釜里利用夾套加熱至反應(yīng)溫度170。平均溫度都為：( 2

7、5+170) =67.5由液烴比熱算圖(物性數(shù)據(jù)計算中液烴比熱章節(jié))：已知對叔丁基甲苯的比重：0.853 查得 67.5 下的比熱為0.56千卡/公斤 =2.34 kJ/kg k)22氧氣的比熱容計算：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)對叔丁基甲苯的吸熱量：Q2 mcp t =3475.1 2.34 ( 170 25) =1.179 106 kJ/kg k

8、)加熱介質(zhì)：用熱導(dǎo)油進(jìn)行加熱，選用YD 300 系列熱導(dǎo)油，令其進(jìn)口溫度為230，出口溫度為200。中間加設(shè)加熱器使熱油循環(huán)進(jìn)行加熱?；緮?shù)據(jù)如下：表 4.1 YD 300 系列熱導(dǎo)油密度(/m3)比熱容(kJ/ k)導(dǎo)熱系數(shù)(W/m k)YD 300 系200250列熱導(dǎo)油8898552002502002502.432.600.110.107200230的平均密度為882.2kg/m3， 平均比熱容為2.481kJ/(kg k)， 平均導(dǎo)熱系數(shù)為0.11w/(m k)。 由公式 Q mcp t 加熱時間為2h， 可計算出每小時所需熱油循環(huán)量 : m Q /cp t =10053.1kg/h反

9、應(yīng)階段燃燒熱：查得燃燒熱：氧氣為:0水為： 0燃燒熱估算(參考文獻(xiàn)：化工數(shù)據(jù)導(dǎo)引，王福安主編)：Cardozo法估算 : HC(S) 206.21 606.56NHC(l) 196.98 610.13NN NC NiNc 化合物中C 原子總數(shù) Ni=各種結(jié)構(gòu)和物相修正系數(shù)對叔丁基甲苯：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對叔丁基苯甲酸：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過程如下：H1mcpt 2543.42.34 (25170)+823.3 0.918310-3 (25170)= 8.63 105 KJH 2 Q對叔丁基苯甲酸的燃燒熱Q水的燃燒熱- Q對叔丁基甲苯的燃燒熱- 3/2Q氧氣的燃燒熱=-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 反應(yīng)時 間 為 18h，可 計 算 出 每 小 時 所 需熱 油 循 環(huán)量 :m Q /cp =6406.8kg/h保溫階段表 4.2 常年運行工況允許的最大熱損失設(shè)備、管道及附件表面溫度（）50100150200250允許最大熱損失（W/m 2）5893116140163表 4.3 保溫層平均溫度Tm 值周圍空氣溫度（）介質(zhì)溫度（）100150200250257095125150加熱和反應(yīng)過程都需要保溫，保溫階段需要吸熱量：反應(yīng)釜內(nèi)反映溫度為170，內(nèi)插查得允許的最大熱損失為125.6W/m2,平面型單層絕熱層，在最

12、大熱損失下絕熱層厚度的計算(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 管道或設(shè)備的外表面溫度，無襯里時，取介質(zhì)正常運行溫度，；T 環(huán)境溫度，室外保溫，取歷年的年平均值的平均值； 絕熱材料在平均溫度下的熱導(dǎo)率，W/（m k）；絕熱層外表面周圍空氣的放熱系數(shù)，W/(m2k) 絕熱層厚度，m；Q 絕熱層外表面單位面積的最大允許熱損失量，W/m 2；Tm 保溫層的平均厚度；查表4.3得 Tm=107s 對保溫s取11； W/(m2k) 風(fēng)速，取5m/s；將數(shù)據(jù)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，圓整后取0.070。平面型單層絕熱結(jié)構(gòu)的熱損失量的計算Q Ts T式中符號意義和單位同前1s將已知數(shù)據(jù)代入上式得170 252Q102.02W / m0.0710.0505 28.4保溫階段：脫色釜的換熱面積A=9.74m2， 保溫時間t=20h， 所以保溫階段的熱損失量為Q QA102.02 9.74 203600=7.1541 104kj， 則保溫階段所需的加熱介質(zhì)量為m Q/ cp =1442.37kg/h4.1.4冷卻階段全部物料

14、：17060對叔丁基甲苯的放熱量：Q1 MCP t =917.4 2.34 ( 60 170) =-2.362 105 kJ對叔丁基苯甲酸的放熱量：Q2 MCP t =3085.3 2.193 （ 60-170） =-7.443 105kJ放熱總量：Q Q1 Q2=-9.805 105 kJ反應(yīng)結(jié)束后，切換冷油。選擇的冷卻油還是YD 300 系列熱導(dǎo)油，令其進(jìn)口溫度為20，出口溫度為50。中間加設(shè)冷凝器使熱油循環(huán)進(jìn)行冷卻?；緮?shù)據(jù)如表4.4所示：表 4.4YD300系列熱導(dǎo)油技術(shù)參數(shù)密度（/m3）比熱容（kJ/k）導(dǎo)熱系數(shù)（W/m k）YD 300205020502050系列熱導(dǎo)1005990

15、0.43210.45400.10550.1042油2050的平均密度為997.5kg/m3，平均比熱容為0.4430kJ/（kg k），平均導(dǎo)熱系數(shù)為0.1049w/（mk）。 由公式 Q mcp t 加熱時間為1h， 可計算出每小時所需熱油循環(huán)量:m Q/cp t =7.4104kg/h4.2 冷凝器冷卻水走殼程。冷卻時間為反應(yīng)時間18h，平均每小時冷卻的水生成量：冷卻水走殼程。冷卻時間為反應(yīng)時間306 18=17 kg/h冷介質(zhì)（冷水）：2540熱介質(zhì)（物料）： 17050平均溫度冷水：（ 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水的物性數(shù)據(jù)：Cp1=4.174 kJ kg-1K-11=0.690 1=0.690 mPa sL=0.6293 W/（m K ）冷凝過程放出的熱量及冷卻水用量放出的熱量：Q=m Cp(T1-100)+mr+m Cp(100-T2)4 =17 1.866 70+17225717+174.174 50=4.414 104 kJ/h冷卻水用量:由 Q=m Cp(t2-t1) 得 m=4.414 104 4

17、.17425=423.0 kg/h換熱器面積計算依據(jù)： Q=KA tm tm=( T1-t2 )-( T2- t1 )/ ( T1-t2 )/ ( T2- t1 ) =(170-50)-(40-25)/ (170-50)/(40-25)=48.62 當(dāng)熱流體為水蒸汽，冷流體為水時傳熱系數(shù)為11624250 W/(m2K)，這里取K=1500W/(m 2 K)2A=Q/( Ktm)=4.414 104 10001500 48.623600=0.1681 m2考慮反應(yīng)過程前后反應(yīng)速率不一致，剛反應(yīng)時速率較快，產(chǎn)生的水蒸汽較多，并且還夾帶一些原料蒸汽，因此面積應(yīng)加大，以達(dá)到冷卻效果。脫色釜粗產(chǎn)品對叔

18、丁基苯甲酸需要重結(jié)晶提純，因此加入甲苯溶解，活性碳脫色。脫色釜內(nèi)物質(zhì)需要的加熱量 TOC o 1-5 h z 由反應(yīng)釜出來的對叔丁基苯甲酸：60110加入的甲苯：25110活性碳：25110對叔丁基苯甲酸平均溫度：( 60+110) 2=85甲苯平均溫度：( 25+110) 2=67.5活性碳平均溫度：( 25+110) 2=67.5查得物性數(shù)據(jù)：對叔丁基苯甲酸：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 加熱介質(zhì)飽和蒸汽數(shù)據(jù)壓力 /kpa溫度 /蒸汽的比體積m3/kg汽化熱KJ/kg密度Kg/m3300kpa 飽和蒸汽133.30.6062168.11.65加熱階段需要吸收熱量：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