物料衡算与热量衡算.doc

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1、3.物料衡算去回收精馏塔抽真空乙二醇冷却器乙二醇冷却器乙二醇喷淋冷凝器乙二醇喷淋冷凝器乙二醇喷淋冷凝器去回收抽真空去回收低聚物分离器浆料 乙二醇冷却器精馏塔去回收 酯化釜 低聚物分离器 缩聚釜 酯化釜 消光剂 缩聚釜缩聚釜 PET熔体 图1 PTA直接酯化锁具连续操作工艺流程图3.1收集数据资料生产规模。 年产20万吨PET合成车间工艺设计生产时间。 年工作日：300天，每天24小时相关技术指标本工艺的配方如下：催化剂用量：c=0.05%（质量）PTA消光剂用量：d=0.5%（质量）PTA(配成20%EG混合浆液)投料配比：（摩尔比）切粒、包装工序物料损失率：e=0.5% 参考文献-高聚物合成

2、采用顺流程的计算顺序进行物料衡算。一些物质的参数如下表3-1表3-1 物性参数名称PTAEG水甲醇BHETDMT相对分子质量166621832254194假设PET的聚合度为101，链节为162，相对分子质量为19454。由于各反应器中发生的主要化学反应相同，但反应进度（x、p）不同，所以各反应器中物质组成变化的计量关系是相同的，分别如下：各反应器反应液中聚合物数量=各反应器反应液中乙二醇数量= 酯化反应生成水数量=2x各酯化釜中水、EG的汽化量和反应液中残留表由表3-2中参数计算。各缩聚釜蒸出EG数量= 表3-2各反应器工艺控制参数及相关的汽液平衡数据反应器位号R101R102R201R20

3、2R203x0.890.970.9911p0.750.870.960.9840.99011.121.121.051.0261.00994.07.692325.062.5101.0抽出低聚物/%(质量）000.1(a)0.05(b)0水汽化/%(质量)9790汽相EG/%(摩尔)36.7539.373.2选择计算基准与计算单位因为是连续操作过程 ，所以计算基准选时间，计算单位定位kg/h3.3确定计算顺序 虽然整个工艺过程比较复杂，但可以得到产品产量与主要原料（PTA）投料量之间的比例关系，所以采用顺流程的计算顺序。3.4计算主要原料（PTA）的投料用量PET熔体流量与PTA理论投料流量（）的关

4、系：熔体流量=101658kg/hPTA实际投料流量=0.85905熔体流量kg/h该生产装置年产20万吨，年开工300天，连续生产，切粒、包装工序物料损失率0.5%。PET熔体流量=24926.22kg/hPTA投料质量流量: =24926.220.85905=21412.87kg/h 催化剂 水 EG 聚合物PTA投料摩尔流量: =21414.87166=129.0016 kmol/h3.5 顺流程逐个设备展开计算EG催 32水、EG3.5.1第一酯交换器R101物料衡算PTA、EG、催化剂第一酯交换器进料1411R101物料平衡示意图PTA: 21412.87kg/hEG: =1.126

5、2=8957.87kg/h催化剂用量：0.05% = 10.71kg/h合计： 21412.87 +8957.87+10.71=30381.45 kg/h出料2水：2x0.97=20.89180.97=4009.21kg/h (酯化反应生成的水有97%被汽化)EG: 4009.21=8023.70kg/h （气相中EG摩尔分率为0.3675）合计：4009.21+8023.70=12032.91kg/h进料3EG: 8023.70kg/h （蒸出的乙二醇经分离后全部返回到反应器R101中，且无其他组分）出料4催化剂：10.71kg/h水：4009.210.030.97=124.00kg/h （

6、反应液中的残留量是生成水量的3%）EG: =(1.1220.89+0.75)62=719.83kg/h 聚合物：=166(20.890.75)6220.8918=25519.10kg/h合计：10.71124.00719.8325519.10=26373.64kg/hR101物料平衡验算：总进料量=30381.458023.70=38405.15kg/h 总出料量=12032.9126373.64=38406.55kg/h3.5.2第二酯交换器R102物料衡算出料1水：（2x18124.00)0.9=(0.970.89)18+124.000.9=445.97kg/h (R102中生成水加上R1

7、01中残留水的90%被蒸出)EG: 445.97=997.48kg/h （气相中EG摩尔分率为0.3937）合计：445.97997.48=1443.45kg/h12EG水、EG进料23 4第二酯交换器EG: 997.48kg/h催化剂 水 EG聚合物催化剂 水 EG聚合物出料3R102物料平衡示意图催化剂：10.71kg/h水：445.970.10.9=49.55kg/hEG: =(1.1220.97+0.87)62 =399.90kg/h聚合物：=166(20.970.87)6220.9718= 25467.50kg/h合计：10.7149.55399.9025467.50=25927.6

8、6kg/hR102物料平衡验算：总进料量=26373.64997.48=27371.12kg/h 总出料量= 25927.661443.45=27371.11kg/h3.5.3第一聚合釜R201物料衡算 在R201中加入消光剂EG溶液（003.1）。由于抽真空会有少量聚合物被夹带出，使201.1中的减少为,同时夹带出极少量的消光剂及催化剂。消光剂催化剂 水 EG消光剂、EG进料（20%消光剂-EG混合浆液） 第一聚合釜3 消光剂：0.005=107.06kg/h消光剂催化剂 EG聚合物催化剂 水 EG聚合物 JVHEWUR201物料平衡示意图 EG：107.060.80.2=428.24kg/

9、h 合计：107.06+428.24=535.30 kg/h； 出料 =0.999=128.8726 kmol/h(由于抽真空带出低聚物引起) 消光剂：107.060.999=106.95kg/h 催化剂：10.710.999=10.70kg/h EG: =(1.0520.99+0.96)62 =239.7kg/h 聚合物：=166(20.990.96)6220.9918= 24949.74 kg/h 合计：106.95 10.70239.70 24949.74=25307.09kg/h出料消光剂：107.060.001=0.11kg/h催化剂：10.710.001=0.01kg/h水：2x1

10、849.55=2(0.990.97)1849.55=142.43kg/h (R201中生成的水加上R102中残留的水全部被蒸出)EG: 428.24=(1.121.05)62428.24=988.11kg/h (随消光剂带入的乙二醇全部被蒸出)聚合物：24949.740.0010.999=24.97kg/h（抽真空带出低聚物的数量） 合计：0.11 0.01 142.43 988.11 24.97=1155.63kg/h R201物料平衡验算：总进料量= 25927.66535.30 = 26462.96 kg/h 总出料量= 25307.091155.63= 26462.72 kg/h3.5

11、4第二聚合釜R202物料衡算在R202中由于抽真空会有少量聚合物被夹带出，使201.1中的减少为。同时夹带出极少量的消光剂及催化剂。出料 =0.9995=128.8082 kmol/h（由于抽真空带出低聚物引起）消光剂：106.950.9995=106.90 kg/h催化剂：10.700.9995=10.69 kg/h EG: =(1.02620.984)62 =79.86kg/h消光剂、催化剂、水、聚合物 聚合物：=166(20.984)62218= 24858.95 kg/h 合计：106.9010.69 79.8624858.95=25056.40 kg/h出料消光剂、催化剂、EG、聚

12、合物消光剂、催化剂EG、催化剂第二聚合釜消光剂：106.950.0005= 0.05kg/hR202物料平衡 示意图催化剂：10.700.0005=0.005 kg/h 水：2x18=2(10.99)18=46.39kg/h 聚合物：24858.950.00050.9995=12.44kg/h EG: =(1.051.026)62=191.76kg/h 合计： 0.05 0.005 46.3912.44191.76=250.65kg/hR202物料平衡验算：总进料量= 25307.09kg/h 总出料量= 25056.40 250.65 =25307.05kg/h3.5.5第三聚合釜R203物

13、料衡算2消光剂催化剂 EG聚合物EG出料11 消光剂：106.90kg/h 催化剂：10.69kg/h 第三聚合釜消光剂、催化剂EG、聚合物EG: =0 kg/hR203物料平衡示意图聚合物：=166(20.9901)62218=24810.24kg/h 合计：106.9010.6924810.24=24927.83kg/h出料2 EG: = 62=(1.0261.0099)62=128.58kg/hR203物料平衡验算：总进料量=25056.40kg/h 总出料量= 24927.83128.58=25056.41kg/h计算出的的出料1 的数量与开始计算出时秋初的PET熔体的流量相同，说明物

14、料衡算的整个过程是正确的，也可以对进出整个体系物料做平衡验算说明计算过程是正确的。3.6 编写物料平衡表，该表格省略了物料温度、压力、密度、比热容、粘度等物性数据。 表3-4 PTA直接酯化缩聚连续操作物料平衡表 单位：kg/h物流代号PTAEGW催化剂消光剂聚合物合计进料121412.878957.8710.7130381.45出料4719.83124.0010.7125519.1026373.64进料38023.704009.2112032.91出料28023.708023.70出料3399.9049.5510.7125467.5025927.66出料1997.48445.971443.4

15、5进料2997.48997.48出料239.7010.70106.9525949.7425307.09出料988.11142.430.010.1124.971155.63进料428.24107.60533.30出料79.8610.69106.9024858.9525056.40出料191.7646.390.0050.0512.44250.65出料110.69106.9024810.2424927.83出料2128.58128.584热量衡算4.1 热量衡算目的热量衡算的主要目的是为了确定设备的热负荷，根据设备热负荷的大小、所处理物料的性质及工艺要求在选择传热面积的型式、计算传热面积、确定设备的

16、主要工艺尺寸。4.2 热量衡算依据热量衡算的主要依据是能量守恒定律22，以车间物料衡算的结果为基础进行的，所以车间物料衡算表是进行车间热量衡算的首要条件。4.3 各物质热力学参数（标况下）参考文献化学工程手册委员会. 化学工程手册(1). 北京: 化学工业出版社, 1989. 145， 239240马沛生. 化工热力学. 北京: 化学工业出版社, 2005. 376386表4.1 物质的热力学参数物质温度K对苯二甲酸（PTA）298-816.13000乙二醇(EG)298-455.34-319.7153.39149.6甲醇298-239.1-166.88127.2481.4对苯二甲酸二甲酯（D

17、MT）298570.8-115.90-109.91218.7835.39对苯二甲酸双缩乙酯（BHET）2982176.9-920.5-613.96198.07190.41水298-285.83-237.17869.9175.2914.4各工段的热量衡算4.4.1 酯化一釜4.4.1.1 计算条件（1）流程示意图32（2）衡算数据 酯化一釜进料1411R101能量平衡示意图PTA: 21412.87kg/hEG: 8957.87kg/h催化剂用量：10.71kg/h出料2水： 4009.21kg/h (酯化反应生成的水有97%被汽化)EG: 8023.70kg/h （气相中EG摩尔分率为0.36

18、75）进料3EG: 8023.70kg/h （蒸出的乙二醇经分离后全部返回到反应器R101中，且无其他组分）出料4催化剂：10.71kg/h水：124.00kg/h （反应液中的残留量是生成水量的3%）EG: 719.83kg/h 聚合物：225519.10kg/h4.4.1.2计算过程对于有传热要求的设备，其热平衡方程式为：式中：物料带入设备的热量 kJ 过程热效应 kJ 物料离开设备所带走的热量 kJ 加热或冷却设备所消耗的热量 kJ 设备向环境散失的热量 kJ（1）的计算（物料带入设备的热量）（以0为基准） Cp计算Cp的计算可以通过热熔温度关联式来计算，则所得各物质的Cp值见下表 表5

19、2 物质的Cp值一览表 单位：J / (molK) 温度A（PTA） B （EG） C （催化剂）2559.54 35.39 55.32 各物质的： J J J J（2）的计算（过程热效应）为聚合釜中的过程反应热，作为反应器设计时常以0作为基准来进行热量衡算，在聚合反应中由副反应的发生，但发生的量少，反应热较小，故可以忽略不计，只以主反应来计算。一般来说0时的反应热与25时的反应热相差不大，在实际的热量衡算时常用25时的反应热。据化学工程手册得25时的各物质的生成热如下表所示：表4.3 25下各物质的生成焓 单位：kJ / mol温度A（PTA） B （EG） C （BHET） D （水）2

20、5-425.60 -115.90 -166.36 -920.5反应式：PTA 2 EG BHET 2 H2O计算式：2920.5（166.36）（2115.90）（425.60）=298.66kJ / mol其副反应忽略不计，聚合釜中总的反应热为：298.66 kJ / mol kJ （3）的计算（物料离开设备所带走的热量）酯合釜内反应生成聚合物，反应为放热反应但釜内温度保持在29作用。（以0为基准） Cp计算Cp的计算可以通过热熔温度关联式来计算则出料液中各物质的Cp值见下表：表4.4 出料液中各物质的Cp值 单位：J(molK) 温度A（催化剂） B （水） C （EG） D （聚合物）2

21、5190.41 75.291 35.01 190.41 各物质的J JJJ=J（4）的计算有热平衡方程式可得：所以由以上数据可得 J4.4.2酯化二釜4.4.2.1 计算条件（1）流程示意图（2）衡算数据出料1水：445.97kg/h (R102中生成水加上R101中残留水的90%被蒸出)EG: 997.48kg/h （气相中EG摩尔分率为0.3937）12进料23 4 酯化2釜EG: 997.48kg/h出料3R102能量平衡示意图催化剂：10.71kg/h水：49.55kg/hEG: 399.90kg/h聚合物： 25467.50kg/h4.4.2.2 计算过程（1）的计算（物料带入设备的

22、热量）酯化2釜中进料来自酯化1釜的出料，假设物料在管道中无热损耗，并控制温度在29。那么J即：JJJJ =J其中杂质的忽略不计（2）的计算（过程热效应）为酯化2釜的反应热，反应温度保持在29，29下反应物的生成热即生成焓如下表：表4.5 29下各物质生成焓 单位：kJ / mol 温度A（催化剂）B（EG）C（聚合物）D（水）29-424.72-425.60-424.72-285.83J（3）的计算 Cp计算假设29下Cp近似取25下的Cp值。（以0为基准）Cp的计算可以通过热熔温度关联式来计算，则出料液中各物质的Cp值见下表：表4.6 各物质Cp值 单位：J(molK) 温度A（催化剂） B

23、 （EG） C （聚合物） D （水）25190.41 35.01 190.41 75.291 各物质的JJJJ=J（4）的计算有热平衡方程式可得：即：由以上数据可得 J4.4.3第一缩聚釜4.4.3.1 计算条件（1） 流程示意图（2）衡算数据进料（20%消光剂-EG混合浆液） 第一缩聚釜3 消光剂：107.06kg/h EG：428.24kg/h R201能量平衡示意图 出料128.8726 kmol/h(由于抽真空带出低聚物引起) 消光剂：106.95kg/h 催化剂：10.70kg/h EG: 239.7kg/h 聚合物： 24949.74 kg/h 出料消光剂：0.11kg/h催化剂

24、0.01kg/h水：142.43kg/h (R201中生成的水加上R102中残留的水全部被蒸出)EG: 988.11kg/h (随消光剂带入的乙二醇全部被蒸出)聚合物：24.97kg/h（抽真空带出低聚物的数量）4.4.3.2 计算过程（1）的计算缩聚釜1中进料来自酯化釜2的出料，假设物料在管道中无热损耗那么JJJJJ（2）的计算 J（3）的计算 Cp计算（以0为基准） 各物质的JJJJJ（4）的计算有热平衡方程式可得：即：由以上数据可得J4.4.4 第二缩聚釜 第二缩聚釜4.4.4.1 计算条件（1） 流程示意图R202能量平衡示意图（2） 衡算数据出料：128.8082 kmol/h（由

25、于抽真空带出低聚物引起）消光剂：106.90 kg/h催化剂：10.69 kg/h EG: 79.86kg/h 聚合物： 24858.95 kg/h出料消光剂： 0.05kg/h 催化剂：0.005 kg/h 水：46.39kg/h 聚合物：12.44kg/h EG: 191.76kg/h 4.4.4.2 计算过程（1）的计算（物料带入设备的热量）JJJJJ（2）的计算 J（3）的计算JJJJJ（4）的计算有热平衡方程式可得：即：由以上数据可得J4.4.5 第三缩聚釜4.4.5.1 计算条件（1） 流程示意图如下（2）衡算数据2出料11 消光剂：106.90kg/h 催化剂：10.69kg/h第三缩聚釜EG: 0 kg/hR203能量平衡示意图聚合物：24810.24kg/h出料2 EG: 128.58kg/h4.4.5.2 计算过程（1）的计算JJJJJ（2）的计算此过程中无化学反应，也无相变化，故J（3）的计算（以0为基准）JJJJJ（4）的计算有热平衡方程式可得：即：由以上数据可得J