2022年物料衡算和热量衡算.pdf

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3.1 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% 3.2 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3.2.1 各段物料(1) 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C11H16C11H14O2 M 148.24 178.23 m x 6054.8 得 x=6054.8× 148.24÷ 178.23=5036.0 kg 折合成工业原料的对叔丁基甲苯质量为5036.0÷ 0.99=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 ,维持釜内压力为表压0.01MPa,进行氧化反应。

实精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 11 页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 kg 3/2O2C11H14O2 M 31.99 178.23 m x 6054.8 得 x= 3/2× 6054.8× 31.99÷ 178.23=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1630.1 ÷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 (Ⅲ)，每批加入量 10.4 kg （4）水的移出量设反应生产的水为x kg H2O C11H14O2 M 18.016 178.23 m x 6054.8 得 x=6054.8× 18.016÷ 178.23=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+1646.6-612-1834.8=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精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 11 页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 361.4 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=6133.2 kg 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 +损耗的热量催化剂 10.4对叔丁基甲苯917.4对叔丁基甲苯3475.1氧气823.3反应釜水306冷凝器3058.3离心分离器活性碳 76.5脱色釜3557.9保温过滤器废碳104.3甲苯计量槽396.1361.4冷却结晶槽离心分离器滤饼干燥器产品对叔丁基苯甲酸 30583075.3洗涤水 528废水 5213064.33453.6对叔丁基甲苯6950.3氧气1646水 612 6160.5 对叔丁基甲苯1834.8 6633.1 产品对叔丁基苯甲酸6133.2 干燥器6139.5 滤饼6132.5 6528.8 氧气1646.6 水 612 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 11 页4.1 反应釜4.1.1 升温阶段物料数据：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：（25+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) 氧气的比热容计算：)(22DTCTBTARcp639.3A310506.0B510227.0C0D)110227.0310506.0639.3(314.825TTcp9183.0pckJ/kg ·k）tpmcQ13.169 × 105kJ/kg ·k）对叔丁基甲苯的吸热量：tmcQp2=3475.1 × 2.34 × （170—25）=1.179 × 106 kJ/kg ·k) 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 系列热导油200℃889 250℃855 200℃2.43 250℃2.60 200℃0.11 250℃0.107 200℃～230℃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tmcQp加热时间为 2h，可计算出每小时所需热油循环量 :tcQmp/=10053.1kg/h 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 11 页4.1.2反应阶段燃烧热：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 :NHSC56.60621.206)(NHlC13.61098.196)(iCNNNNc—化合物中 C 原子总数ΔNi= 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)=9.78 NHlC13.61098.196)(=-6165.05kJ/mol=-4.159×104kJ/kg 对叔丁基苯甲酸： N=11+(-1.173-0.013+0.012ln4-1.038)=8.79 NHSC56.60621.206)(=-5537.87kJ/mol=-3.107×104kJ/kg 过程如下：170 ℃原料25℃原料25 ℃产物170℃产物ΔΔ H1Δ H2Δ H3HtmcHp12543.4 ×2.34 × （ 25—170） +823.3 × 0.9183 ×10-3×（ 25—170）=—8.63 × 105 KJ 氧气的燃烧热对叔丁基甲苯的燃烧热水的燃烧热热对叔丁基苯甲酸的燃烧3/2Q-Q-H2=-3.107 ×104× 3027.4-(-4.159×104) × 2518.0 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 11 页=1.066 × 103KJ tmcHp33027.4 ×2.193 × （170—25）+306× 4.174 × （170—25）=1.148 × 106kJ 321HHHH—8.63 × 105 +1.066 ×103+1.148 × 106=2.86 × 105kJ 由 公 式tmcQp反 应 时 间 为18h ， 可 计 算 出 每 小 时 所 需 热 油 循 环量:pcQm/=6406.8kg/h 4.1.3保温阶段表 4.2 常年运行工况允许的最大热损失表 4.3 保温层平均温度mT值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，在最大热损失下绝热层厚度的计算1ssTTQ) 113.4(0. 0 4 20. 0 0 0 2 37 0mT)213.4('61.163ss)313.4(sT —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)；设备、管道及附件表面温度（℃）50 100 150 200 250 允许最大热损失（W/m2）58 93 116 140 163 周围空气温度（℃）介质温度（℃）100 150 200 250 25 70 95 125 150 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 11 页s—绝热层外表面周围空气的放热系数，W/(m2· k) —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/m2；mT —保温层的平均厚度；查表4.3得mT =107 's—对保温's取 11；W/(m2· k) —风速，取 5m/s；将数据代入公式得)16 .12525170(s）（7010700023.0042.0-211651.16328.4w/(mk)s求得0505.00 5 6 5 2.0，圆整后取070.0。

平面型单层绝热结构的热损失量的计算1ssTTQ式中符号意义和单位同前将已知数据代入上式得2/02.1024.2810505. 007.025170mWQ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QAQ'102.02 × 9.74 × 20× 3600=7.1541 ×104kj， 则保温阶段所需的加热介质量为pcQm/=1442.37kg/h 4.1.4冷却阶段全部物料： 170℃60℃对叔丁基甲苯的放热量：tMCQP1=917.4 × 2.34 × （60—170）=-2.362 ×105 kJ 对叔丁基苯甲酸的放热量：精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页，共 11 页tMCQP2=3085.3 × 2.193 × （60-170）=-7.443 ×105kJ 放热总量：21Q=-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 4.4YD― 300 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― 300系列热导油20℃1005 50℃990 20℃0.4321 50℃0.4540 20℃0.1055 50℃0.1042 20℃～50℃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/(m·k)。

由公式tmcQp加热时间为 1h，可计算出每小时所需热油循环量 :tcQmp/=7.4× 104kg/h 4.2 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：306÷ 18=17 kg/h 冷介质（冷水）： 25℃40℃热介质（物料）：170℃50℃平均温度冷水： （25+40）÷ 2=32.5 物料： （170+100）÷ 2=135 （100+50）÷ 2=75 水蒸汽物性数据： Cp1=1.866 kJ·kg-1· K-1ρ1=0.2416 kg/m3 μ1=1.35 × 107mPa ·s λL=0.0275W/(m· K) 水的物性数据：Cp1=4.174 kJ ·kg-1· K-1 ρ1=995.1 kg/m3μ1=0.690 mPa·s λL=0.6293 W/(m ·K) 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页，共 11 页4.2.1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) =17× 1.866 × 70+17× 2257× 17+17× 4.174 × 50=4.414 × 104 kJ/h 冷却水用量 :由 Q=m Cp(t2-t1) 得 m=4.414× 104÷ 4.174 ÷25=423.0 kg/h 4.2.2 换热器面积计算依据： Q=KA Δ tmΔ 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1162~4250 W/(m2· K)，这里取K=1500W/(m2· K) A=Q/( K Δ tm)=4.414 ×104 × 1000÷ 1500÷ 48.62 ÷3600=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。

4.3 脱色釜粗产品对叔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4.3.1脱色釜内物质需要的加热量由反应釜出来的对叔丁基苯甲酸：60℃110℃加入的甲苯：25℃110℃活性碳：25℃110℃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-1· K-1甲苯： 1.757 kJ ·kg-1· K-1 活性碳： 0.840 kJ ·kg-1· K-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/m3 300kpa 饱和蒸汽133.3 0.606 2168.1 1.65 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页，共 11 页加热阶段需要吸收热量：321tcmtcmtcmppp321=3085.3 ×2.193 × （110—60）+396.1 × 1.757 × （110—25)+76.5 ×0.840 × （110—25）=3.383 × 105+5.9 × 104+0.5462 ×104 =40.2762 ×104k 就饱和蒸汽用量： m=Q/r=402762 ÷2168.1=185.77kg 保温阶段需要吸热量：脱色釜内反映温度为110℃，查表 4.2 得允许的最大热损失为93W/m2,平面型单层绝热层，在最大热损失下绝热层厚度的计算1ssTTQ0. 0 4 20. 0 0 0 2 37 0mT查表 4.3 得75mT'61 . 1 6 3ss将数据代入公式得)19325110(s）（707500023.0042.0-211651.16328.4w/(mk)s求得043.0038.0，圆整后取05.0。

平面型单层绝热结构的热损失量的计算1ssTTQ式中符号意义和单位同前将已知数据代入上式得精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页，共 11 页2/95.704 .281043.005. 025110mWQ保温阶段：脱色釜的换热面积A=9.74m2，保温时间 t=2h，所以保温阶段的热损失量为QAQ'70.95 × 9.74 × 2× 3600=4975.581kJ ，则保温阶段所需的加热介质量为m=Q/r=4975.58 ÷2168.1=2.29kg 4.4 结晶槽将活性碳过滤除去后，在结晶槽中进行重结晶滤液： 110℃30℃冷却水： 20℃30℃滤液放热量：tmcQp3057.3 × 2.193 ×(30-110)+361.4×1.757 × （30-170）=-5.582 ×105KJ 冷却水用量：tcQmp/5.582× 105÷ 4.174÷ 10÷ 2=6686.63kg 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页，共 11 页。