聚合物生产工艺设计chap

1、1第三章 物料衡算 第一节 物料衡算的意义和作用 化工过程中的物料平衡是指:什么是物料平衡?“进入一个装置(设备)的全部物料质量必定等于离开这个装置(设备)的全部物料质量，再加上损失掉的与累积起来的物料质量.”F为进料量D为出料量与损耗量W为累积量对于稳态连续过程，W为零 31把损失的物料量并到出料量中，可得到如下关系式： 32适用于总物料, 当没有化学反应时也可用于任一组分2物料衡算的理论基础: 质量守恒定律物料衡算: 对物料平衡进行计算对每股物料进行分析和定量计算(1)确定它们的数量、组成和相互的比例关系(2)确定它们在物理变化或化学变化过程中相互转移或转化的定量关系 物料衡算的内容与任务

2、:第三章 物料衡算 第一节 物料衡算的意义和作用量包括数量和质量(品质)：量：流量、产量、消耗量、排出量、循环量等度：纯度、浓度、分离度等比: 配料比、循环比、回流比等率: 转化率、单程收率、时空产率、回收率等3物料衡算的意义有二： 在已知产品生产任务下算出所需原料量、以及副产品和三废生成量；或者在已知原料量情况下算出产品、副产品产量和三废生成量. 算出原料消耗定额、做出能量平衡，算出动力消耗量和消耗定额，算出生产过程所需热量(或冷量)，为设备选型、决定尺寸大小以及套数、台数(或台时)提供依据. 第三章 物料衡算 第一节 物料衡算的意义和作用4物料衡算的类别 全流程(包括各个单元操作的全套装置

3、)的物料衡算按计算范围划分按操作方式划分物料衡算是工艺设计中最早开始的一项化工计算工作，当方案设计阶段确定了工艺路线，画出流程示意草图后即可进行，从此，设计工作从定性分析转入了定量计算. 第三章 物料衡算 第一节 物料衡算的意义和作用单元操作(或单个设备)的物料衡算间歇操作的物料衡算连续操作的物料衡算带再循环流的过程的物料衡算5第三章 物料衡算 第二节 物料衡算的方法和步骤 一、画出流程示意图 物料的名称, 数量, 组成, 流向 工艺条件(T, P, 流量, 配比) 已知量, 待求数据二、写出主, 副反应式 三、确定计算任务 四、收集数据资料 1. 设计任务数据 (1) 生产规模 设计任务有直

4、接规定时即按规定数字计算。如是中间车间(例如聚合物的单体车间)，应根据消耗定额来确定生产规模，同时要考虑物料在车间的回流，单体车间合成部分的规模要考虑到聚合车间回收的单体量，在精馏部分的规模中，也必须考虑处理回收单体的能力，否则计算出来的设备能力不能平衡。6第三章 物料衡算 第二节 物料衡算的方法和步骤 四、收集数据资料 1. 设计任务数据(cont.) (2) 生产时间 即年工作时数 应根据全厂检修、车间检修、生产过程和设备特性来考虑每年有效的工作时数(确定物料衡算的时间基准)，算出每小时的生产任务，进而计算出设备大小。 无特殊现象(如易堵、易波动、严重腐蚀)或者已设有备品, 且公用系统能保

5、障供应者，年工作时数可采用80008400小时。 停车检修时间较多的生产，年工作时数可采用8000小时(大型化工生产装置所采用)。 生产难以控制、易出不合格产品，或因堵、漏常常停修的生产，或者试验性车间，生产时数采用7200小时，甚至更少. 各车间或装置(工序)之间的生产时数可以不同7第三章 物料衡算 第二节 物料衡算的方法和步骤 四、收集数据资料 1. 设计任务数据(cont.) (3)有关的定额、收率、转化率 消耗定额是指生产每吨合格产品需要的原料、辅助原料及试剂等的消耗量. 反映生产技术水平的重要经济指标，也是物料衡算的基础数据。 转化率 = (反应掉的原料量) /(原料投料量) 100

6、% = (原料投料量- 反应后原料剩余量) / (原料投料量) 100% 转化率 收率 实际生产中转化率的确定取决于聚合物产品质量、设备生产能力和经济效果 对于存在副反应的化学反应过程: 选择性= (生成目的产物的原料量 ) /(反应掉的原料量) 100% 单程收率=(生成目的产物的原料量) / (原料投料量) 100% =转化率 选择性 提高转化率的时，必须考虑选择性变化趋势, 综合考虑转化率和选择性才有助于确定合理的工艺指标, 达到最高单程收率.8 工业生产中还经常遇到收率(或产率)这个专门名词，它有时是指选择性，有时是指单程收率。要区分清楚它到底代表什么，以免产生错误。 影响反应收率和转

7、化率的因素一般有原料组成、催化剂、反应温度和压力、反应物在反应区域中的停留时间、设备的材料和结构等，对于每一个反应过程都有它的收率和转化率的最适宜指标。 当反应原料不止一种时，对不同的原料就有不同的转化率、选择性和单程收率，一般要着重考虑最昂贵的原料。比如，进行丁烯氧化脱氢制取丁二烯的反应中，是以昂贵的丁烯为计算基础，而不把空气考虑进去。 另外，反应产物一般也不只一种，因此每种产物的选择性及单收也不一样，其中最重要的是目的产物的选择性和单收，但有时也要相应地计算副产物的选择性和单收，这要根据具体需要确定。 收集这类数据应注意其可靠性和准确性，并且仔细了解其单位和基准，以免引用时发生错误。第三章

8、 物料衡算 第二节 物料衡算的方法和步骤 92. 原料、助剂、中间产物和产品的规格3. 有关的物理化学常数 物理化学常数，如密度、相平衡常数等，在查找数据时应当注意: (1)资料的可靠性：注意辗转刊载中易发生讹误，应尽可能找原始资料。 (2)准确性：应注意对不同数据的准确性(有效数字)要求。 (3)数据的适用范围：许多常数往往只适用于一定的范围，应予以注意。五、选定计算基准 选定计算基准是化工计算的出发点: 年产量，原料年需要量, 中间产品, 三废的年生成量。 (每小时的产量，每100kg或100mol原料为基准) 必须把各个量的单位统一为同一单位制，并且在计算过程中保持前后一致。 第三章 物

9、料衡算 第二节 物料衡算的方法和步骤 10六、展开计算 已知原料量，欲求知可得多少产品时，则顺流程从前往后算。 已知生产任务(年产量或每小时的产量)，欲求所需原料量，则逆流程由后向前推算。 对于复杂的化工过程以顺流程计算较简单。第三章 物料衡算 第二节 物料衡算的方法和步骤 七、校核与整理计算结果 在计算过程中，每算一步都要对计算结果进行认真校核，看物料是否平衡，数据有无差误(首先要保证所用公式和假设的正确性)，以免错误延续造成大量返工。 每进行到一个段落就把计算过程及结果整理出来，这样做对以后的校核和查对，了解计算者的思考过程都提供了方便。一般说来，物料衡算用简单的数学计算，但是步骤往往十分

10、繁杂，如果不把计算过程整理出来，当校阅者需要弄清某个数字来源时，就需要重复进行整个计算，这显然是不符合设计工作要求的。整理好的计算结果填入物料表内。11八、绘制物料流程图 物料流程图是表示物料衡算计算结果的一种简单清楚的表示方法，它最大的优点是查阅方便，并能表示出各物料在流程中的位置和相互关系。因此，除了在极简单的情况下用表格形式说明外，大都采用物料平衡图来表示。此图作为设计成果编入设计文件。 在计算工作完毕之后，应当充分运用计算结果对全流程和其中的每一生产步骤以至每个设备，从技术经济的角度进行分析评价、看它的生产能力、效率是否符合预期的要求，物料损耗是否合理以及分析工艺条件确定得是否合适，等

11、等。 藉助物料衡算成果，可以发现流程设计中存在的问题，从而使工艺流程设计得更趋完善。为了获得最佳流程设计方案，物料衡算工作往往要进行多次。 第三章 物料衡算 第二节 物料衡算的方法和步骤 12 现在结合年产30000吨聚丁二烯橡胶生产装置的设计来说明连续过程物料衡算的一般方法。 【所举例题都是为说明衡算方法而编制的，工艺数据并不反映生产实际。】第三章 物料衡算 第三节 连续过程的物料衡算 13预热器 挤压脱水机 振动筛 胶粒,热水 油水分离槽 油中间罐(含杂质、水分、溶剂和丁二烯) 水蒸汽、溶剂和丁二烯蒸气 凝聚釜 混胶罐 终止釜(F202) 膨胀机 回流罐 含水的丁二烯,溶剂 脱水塔 胶粒含

12、水量0.5% 二烯回收塔 脱除丁二烯及水的溶剂与重组分 14(年产30000吨聚丁二烯橡胶生产装置的设计/物料衡算)一、画物料流程示意图 由于生产采用的流程结构很典型，可分解为配制、精制、聚合、凝聚、后处理和回收等工序，按这几个工序划分计算范围十分方便，所以将示意图分解成各个计算单元来画。 二、写出化学反应方程式 nC4H6 -C4H6-n- -17600 kcal/kmol三、确定计算任务 在生产任务已定的前提下，根据消耗定额和工艺指标可以求得聚合工序各项进料量，然后按流程顺序从前往后计算。 分析各个工序特点可知：聚合工序应注重配比浓度的计算和聚合反应转化率；凝聚工序涉及热量平衡；后处理工序

13、是一些简单的算术四则运算；回收工序则属于多组元精馏系统的计算。对此可以有针对性地去收集有关数据和准备计算方法。第三章 物料衡算 第三节 连续过程的物料衡算 15四、收集数据 1. 全装置工艺数据 (1) 生产规模 年产30000吨聚丁二烯橡胶 (2) 生产时间 年工作时数8000小时 (3) 每吨橡胶消耗定额 1.06吨100丁二烯 (4) 全装置总收率按93.5计，损耗(包括工艺损耗和机械损耗)为6.5. 其分配如下(以1.06吨100%丁二烯为基准计算收率和损耗)：1 聚合挂胶等损失2%2 聚合、凝聚的丁二烯机械泄漏损失1%3 凝聚振动筛聚丁二烯渣沫损失.0.5%4 油水分离器水相丁二烯溶

14、解损失2%5 包装过程中不合格品和扫地料损失1%第三章 物料衡算 第三节 连续过程的物料衡算 162. 聚合工序(1) 聚合反应转化率80，以81进行计算.(2) 聚合工段基本配方 丁1016克/100毫升溶液 丁：丁二烯浓度 Ni/丁=1.02.010 4 (mol比) Al/丁0.81.75103 (mol比) B/丁1.01.3103 (mol比) Al/Ni38 (mol比) 醇/Al6 (mol比)，聚合釜出口处添加的终止剂 防老剂/胶1 (重量)，聚合釜出口处添加的防老剂(3) 丁二烯规格 丁二烯99% 丁烯1% 羰基化合物100ppm 炔烃.20ppm 水20ppm 乙腈.检不出

15、(4) 溶剂已烷的规格 沸程6080 I2值0.2毫克100克 水值20ppm 密度 066g/ml第三章 物料衡算 第三节 连续过程的物料衡算 172. 聚合工序(cont.)(5) Ni催化剂规格(配制浓度1克/升) Ni.含量7% 不皂化物含量.近于无 水.含量01%(6) A1催化剂规格(配制浓度2克升) 活性铝含量.20克升 无悬浮铝(7) B催化剂规格(BF3EtOEt, 配制时以300倍溶剂稀释) BF3含量46% 折光率n 20D1.345 醛酮： 微量 沸点124.5126 密度1.121.14g/ml(8) 乙醇规格(终止剂) 工业品含乙醇95%(9) 防老剂2，6二叔丁基

16、对甲苯酚规格 熔点.6971 灰分0.05% 游离甲酚.005% 油溶性：合格 防老剂、终止剂和溶剂配制在一起，防老剂浓度136克/升, 密度 0.8g/ml(10) 聚合温度3580；聚合时间34小时.第三章 物料衡算 第三节 连续过程的物料衡算 183. 凝聚工序 (1) 凝聚釜循环水量按水胶比78计。 (2) 采用9Kgcm2(表)蒸汽，耗汽量为6吨蒸汽/吨胶。 (3) 凝聚温度90；凝聚釜压力0.2Kgcm2 (表压)。 (4) 胶粒内含油2。 (5) 油水分离器内，水在烃类中饱和溶解度100ppm(重量)； C6烃类在水中饱和溶解度0.0014(mol)(以上数据均系20时之值)。

17、(6) C6溶剂在90时的气化热76Kcal/Kg； 3090平均热容0.58Kcal/Kg.第三章 物料衡算 第三节 连续过程的物料衡算 194. 后处理工序 (1) 经过振动筛后自由水全部脱除，胶粒内含水约60，含油约2. (2) 干燥脱水装置使胶粒内含水和油(即挥发分)1。 (3) 包装入库的成品胶质量指标 门尼粘度 4050 挥发分1 灰分0.5 凝胶合量1 顺式1,4含量945回收工序(1) 脱水塔： 塔顶含丁二烯30，其余为溶剂、水。塔釜不含丁二烯, 水值15ppm。(2) 丁二烯回收塔：塔顶不含溶剂，塔底不含丁二烯。(3) 脱重塔：塔釜残留物含量超过1，或馏程超出90时应及时排放

18、。第三章 物料衡算 第三节 连续过程的物料衡算 20五、计算基准 此过程属于连续操作过程，选Kgh作为基准。六、计算 1. 聚合 聚合衡算示意图 第三章 物料衡算 第三节 连续过程的物料衡算 聚 合 B(B/油=1/300) Al(2g/L) Ni(1g/L) 溶剂 丁二烯 损失 至凝聚 防老剂、终止剂溶液 含防老剂136g/L21(1) 丁二烯进料量每小时的生产量=30000 吨胶/8000小时=3.75吨需100丁二烯3.751.063.975吨=3975Kg以3975Kg为基准，扣除损耗的3(2, 4)丁二烯则应有: 聚丁二烯= 3975(10.03)3856Kg按转化率81计，100丁

19、二烯进料量为 3856Kg/0.81=4760Kg 折合mol数为：4760Kg/54g/mol=88.15kmol原料中含丁二烯99，则原料量应为: 4760/0.99= 4808Kg其体积为: 4808Kg/(620Kg/m3)=7.75 m3(2) 溶剂进料量丁二烯浓度为1016g/100mL, 每小时溶剂和丁二烯的进料总体积约为: (4808Kg1000)/(1016g/100mL)=4830 m3 若除去7.75 m3丁二烯，则溶剂的进料体积可在22.2540.25 m3范围内波动,考虑到催化剂进料时还会带进部分溶剂，故决定溶剂进料量为24m3/h溶剂(密度0.66吨/ m3)进料量

20、: 240.6615.84吨/h溶剂和丁二烯进料总体积: 247.7531.75 m3/h (假定聚合体系为理想溶液)第三章 物料衡算 第三节 连续过程的物料衡算 22(3) 催化剂用量 取Ni/丁1.5104; Al/丁1.0103; B/丁1.0103 (mol比) Ni用量: 881501.510458.7(Ni)776g 其溶液体积为: 776/(1g/L) = 776L Al用量： 88150 1.010327(Al)2380g 其溶液体积为: 2380g/(2g/L) = 1190L B用量： 88150 1.010 3 142(BF3EtOEt)12517g 其体积为: 1251

21、7g/(1130g/L) = 11.08L 溶剂体积为: 11.08升3003323L 三项催化剂的总体积为5300.08L， 其中含溶剂总量(约为)= 5300.08 660g/L = 3500Kg Ni、Al、B总用量为: 77623801251715673克(4) 聚丁二烯生成量为3856Kg/h, 其中挂胶损失为：39752=79.5Kg/h 送去凝聚的聚合物为385679.53776.5Kg/h 第三章 物料衡算 第三节 连续过程的物料衡算 23(5) 终止剂和防老剂用量 乙醇用量=(丁二烯mol数Al/丁醇/Al乙醇分子量)/(乙醇纯度乙醇密度) =( 88150 mol/h 1.

22、0103 6 46g/mol)/(95% 810g/L)= 31.6L/h 乙醇总重量为810g/L31.6L25600g, 其中水占5, 重量为1280g; 乙醇量为24320g. 防老剂用量= (3856kg/h 1%)/(136g/L)= 283.5L/h由于终止剂和防老剂是用溶剂配在一起的, 所以, 283.5L/h的溶液中含乙醇和水25.6Kg, 防老剂38.556Kg (283.5 L136g/L), 溶剂约 163Kg (283.5L 0.8Kg/L-25.6-38.556= 162.644Kg ), 即约247L(6) 检验配方 进料丁浓丁4760000g/(31.75106m

23、L)=15g/100mL 釜内实际丁浓丁=4760000g/(31.75+5.3)106mL=12.8g/100mL 均符合丁1016g/100mL的要求 Al/Ni= 1.0103/1.5104 6.7(应38) Al/B = 1.0103/1.0103 1.0 (应0.81.35) 两项配比也符合配方要求. 第三章 物料衡算 第三节 连续过程的物料衡算 24(后处理物料衡算略)第三章 物料衡算 第三节 连续过程的物料衡算 计算结果整理于下： 不可四舍五入! 25第三章 物料衡算 第三节 连续过程的物料衡算 作业: 在本节课所举的PBd生产装置中(年产PBd 3万吨), 若采用21m3聚合釜

24、, 单釜连续聚合3.5小时, 并按所给工艺条件实施生产, 需几个聚合釜? 若产能扩大到6万吨/年, 其余条件不变, 需几个聚合釜? 列出计算过程. (假定聚合体系为理想溶液. 提示: tR= VR/v ).26 间歇操作过程的物料衡算必须建立时间平衡 间歇操作设备的整个工作周期由一系列有固定程序的操作组成，必须把所有操作作为时间平衡的单独一项而加以记载。这样做不仅对物料衡算是需要的，而且对以后的热量衡算、热负荷计算以及某些设备尺寸的决定都有重要作用。 通过建立时间平衡关系，还可以使设备与设备之间处理物料的台时(台数与操作时间)平衡，而不至于造成设备之间生产能力大小相差悬殊。 在化工生产中还有间

25、歇过程与连续过程同时使用的情况 如悬浮法聚氯乙烯的生产过程。此时若进行时间平衡，需考虑不均衡系数。 不均衡系数的选取应根据生产中的实际情况和经验数据决定。第三章 物料衡算 第四节 间歇过程的物料衡算 间歇过程有进出料高峰, 而连续过程是匀速进出料!27第三章 物料衡算 第四节 间歇过程的物料衡算/PVC 28第三章 物料衡算 第四节 间歇过程的物料衡算/PVC 一. 流程示意图 29第三章 物料衡算 第四节 间歇过程的物料衡算/PVC 二. 反应式 nCH2=CHCl -CH2-CHCl-n- -22900 kcal/kmol三. 确定计算任务 聚合与沉析均为间歇过程, 须建立时间平衡. 按间

26、歇过程和连续过程分别确定基准依次顺流程展开计算.四. 收集数据1. 生产规模 PVC树脂30000t/a2. 生产时间 8000h3. 消耗定额 1.064tVC/tPVC4. 损耗分配 聚合车间总收率94%, 总损耗6%, 以聚合釜内生成的PVC为准各步损耗分配为: 聚合: 粘釜, 泄漏等, 1% 沉析: 破坏低聚物, 1% 离心: 0.5% 干燥: 2% 筛分包装: 1.5% 30第三章 物料衡算 第四节 间歇过程的物料衡算/PVC 5. 聚合配方水: 6800kg(6.8m3) VC: 5000(5.5m3)AIBN: 2.5kg AIVN: 2.2kg明胶: 8kg NaHCO3: 1

27、kgNa2S: 0.25kg6. 操作周期-时间平衡 聚合釜水 15分 VC 15分 搅拌 10分 升温 20分反应 510分 出料 20分 清釜等 50分合计 640分 取操作周期为660分 沉析槽排气/加料/回收 60分 升温 60分 保温 30分 冷却 30分 出料 360分合计 540分 取操作周期为540分7. 生产统计数据平均每釜(13.5m3)产PVC 4243kg31第三章 物料衡算 第四节 间歇过程的物料衡算/PVC 8. 操作条件与控制指标聚合 温度 510.5C 出料压力 6kg/cm2 (表压) 转化率 90%沉析 温度 75C, 加42%液碱7升, 加碱量0.050.

28、1%(液相NaOH含量)离心 用2000kg 60-75C热水洗涤, 离心后物料含水20%干燥 气流干燥器出口物料含水5%, 沸腾干燥器出口物料含水0.3%9. 原料, 助剂和产品规格(略)10. 物化常数42%碱液密度 1.45g/ml 钢制设备比热 0.12kcal/kgCPVC比热 0.42kcal/kgC VC汽化热 63 kcal/kg水蒸汽冷凝热 576kcal/kg五. 确定计算基准间歇过程: kg/釜 连续过程: kg/h32第三章 物料衡算 第四节 间歇过程的物料衡算/PVC 六. 计算1. 聚合釜 (进料按配方)出料生成PVC量 5000kg x 90% = 4500kg损

29、失PVC量 4500kg x 1% = 45kg向沉析槽出料量 4500kg 45kg = 4455kg未反应VC量 5000kg 4500kg = 500kg聚合釜二次出料用水量 200kg33第三章 物料衡算 第四节 间歇过程的物料衡算/PVC 六. 计算(cont.) 2. 沉析槽 (19m3, 自重3290 kg, 钢质)聚合釜来料, 液碱, 水蒸汽液碱: 7L x1.45 = 10.15kg其中纯NaOH: 10.15 x 42% = 4.26 kg; 水: 10.15-4.26= 5.89 kg水相总重(将助剂合并计入: 水, 明胶, NaHCO3, Na2S, AIBN, AIV

30、N, 液碱) : 7000+8+1+0.25 +2.5 +2.2+ 10.15 =7024.1kg 取热损失为10%, 每个沉析槽在每次操作中需通入的水蒸汽量为280850 x 110%/576 = 536.3 kg34第三章 物料衡算 第四节 间歇过程的物料衡算/PVC 六. 计算(cont.) 2. 沉析槽 (cont.)35第三章 物料衡算 第四节 间歇过程的物料衡算/PVC 六. 计算(cont.) 3. 离心脱水每小时PVC产量: 30000t/8000h = 3750kg/h (含水0.3%)相当于每小时干树脂产量: 3750 x (1-0.3%) = 3738.75 kg/h (

31、取3739 kg/h)考虑损失后, 每小时离心机进料干树脂量= 3739/(1-6%) x (1-1%-1%) = 3898.11kg/h(取3898 kg/h)按沉析槽出料成分, 离心进料水量: 7542.19/4410 x 3898= 6667 kg/h 助剂: (4.26+13.95) x 3898/4410=16.1 kg/h离心操作中PVC损失量 = 3739/(1-6%) x 0.5%=19.89 kg/h (取20 kg/h )离心后物料含水20%, 含水量= (3898-20)/80% x 20% = 970 kg/h36第三章 物料衡算 第四节 间歇过程的物料衡算/PVC 六

32、. 计算(cont.) 4. 气流干燥PVC损失量= 3739/(1-6%) x 1% =39.78 kg/h (取40 kg/h)PVC进料 3878 kg/hPVC出料 3878-40 = 3838 kg/h水进料 970 kg/h水出料 (3838/95%)x5% = 202 kg/h 5. 沸腾干燥PVC损失量= 3739/(1-6%) x 1% =39.78 kg/h (取40 kg/h)PVC进料3838 kg/hPVC出料 3838-40= 3798 kg/h水进料202 kg/h水出料 (3798/99.7%)x0.3%=11.4 kg/h 气流干燥和沸腾干燥空气量结合设备计算

33、求得 37第三章 物料衡算 第四节 间歇过程的物料衡算/PVC 六. 计算(cont.) 6. 筛分包装PVC损失量= 3739/(1-6%) x 1.5% =59.66 kg/h (取60 kg/h)PVC进料3798 kg/hPVC出料 3798-60= 3738 kg/h水进料11.4 kg/h水损失量= 60 x 0.3%=0.18 kg/h水出料 11.4-0.18=11.22 kg/h 7. 校验产量成品PVC产量=(3738+11.22)kg/h x 8000h/年= 29993760kg = 3万吨/年作业:在本节课所举的PVC生产装置中(年产PVC 3万吨), 若采用13.5

34、m3聚合釜和 19m3沉析槽, 并按所给工艺条件和操作周期实施生产, 需几个聚合釜和沉析槽? 列出计算过程.38第三章 物料衡算 第五节 再循环过程的物料衡算 化工生产过程中，常有返回进料或部分产品再循环的工艺过程，许多单元操作都使用再循环流.例如: 蒸馏操作的部分馏出液回流吸收 解吸操作的吸收剂循环未反应的原料经分离(精制)再返回去重新参加反应，以达 到降低原料消耗，避免污染等目的. - 高压法生产聚乙烯，仅有1622左右的乙烯转化，余下绝大部分乙烯与聚合物分离后重新返回反应器.在多组分精馏过程中，出于工艺上的考虑或是为了改善经济指标也有在塔系统中使用再循环流的.39第三章 物料衡算 第五节

35、 再循环过程的物料衡算 一、再循环进程的分析与衡算方法 1. 单循环过程 再循环过程具有许多共同的特征，可以通过图310所示的具有单循环圈的工艺过程加以说明. 40第三章 物料衡算 第五节 再循环过程的物料衡算 稳态时，各物流组分恒定，质量不增不减。新鲜原料F、净产品P和再循环流R都是常数。工艺过程的进料由两股组成：新鲜原料和再循环物料。总产物也分为两股：净产品和送去再循环的物料。再循环流与总产物流的组成可以相同也可完全不同。分离时只是简单的分流则两者组成相同，分离过程有相变化(例如部分冷凝分离)或者其它形式的质量传递(蒸馏、吸收、萃取等)则两者组成可能完全不同。 对图所示的稳态单循环过程进行

36、物料衡算，可针对总物料或其中某一组分。虚线指明物料平衡有四种:标号1 表示将再循环流包含在内部的整体过程，即进入系统的新鲜原料量F与自系统排出的净产品量P互相平衡。由于计算中不涉及再循环流R的值，所以不能利用这个平衡去直接计算R值.标号2 表示新鲜原料F与再循环物料R混合以后的物料，同进入工艺过程的总进料流之间的物料平衡.标号3 表示对工艺过程的物料平衡，即总进料流与总产物流之间的平衡.标号4 表示总产物流与它被分离后所形成的净产品流P和再循环流R之间的平衡.平衡2与4包含了再循环流R，可以利用2-3或3-4的物料平衡进行物料衡算. 41第三章 物料衡算 第五节 再循环过程的物料衡算 有化学反

37、应的再循环过程 总转化率= 进入系统的新鲜原料量F 系统出料中未反应的原料量/ F 单程转化率= 进入反应器的总原料量FR 反应器出料中未反应的原料量/ FR 总转化率是以新鲜原料量为基准，而单程转化率是以包括新鲜原料和再循环原料在内的总原料量为基准。 如果在100mol的总原料量中，新鲜原料量与再循环原料量均为50mol，通过反应器后，排出的物料中有40mol转化成产物，其余60mol仍为未反应的原料，则这一过程的总转化率为80，而单程转化率仅为40。 当新鲜原料中含有一种以上物料时，必须分别针对每个单独组分计算它的总转化率。42第三章 物料衡算 第五节 再循环过程的物料衡算 2.再循环过程

38、的物料衡算 物料衡算方法: 代数法(即解联立方程组) 试差法(未知数的数目多于所能列出的方程式数目) 循环系数法 如果再循环物料先经过提纯处理，使其组成与新鲜原料基本相同，这时进行再循环过程的物料衡算就简单多了，可以按无循环的连续过程计算。从总进料量中扣除再循环量即求得所需的新鲜原料量。 试差法计算程序:列出联立 方 程 式假设未知数 初 值方程组求 解 解判定初值是 否 合 理 结束 调整未知数初值YN43 2. 再循环过程的物料衡算(cont.)联系物: 当惰性物质随物流输入体系后, 不发生化学反应, 无泄漏时, 它将如数地随着其它物料输出体系. 这样的物质, 在输入物流和输出物流之间构成

39、一种物量的关联, 使它与它存在的物流的总质量发生联系. 例: 在乙烯氧化过程中, 新鲜原料中乙烯:空气=1:10, 乙烯生成乙烯氧化物的单程转化率为55%, 离开吸收器的气体有65%返回反应器. 试计算乙烯的总转化率和出口气体W的组成. 第三章 物料衡算 第五节 再循环过程的物料衡算 反应器 吸收器 RCW乙烯,空气1:10 FF MF RP SP 乙烯氧化物溶液P 44第三章 物料衡算 第五节 再循环过程的物料衡算 2. 再循环过程的物料衡算(例)未知: FF, RC 难以直接建立物料平衡方程式. 已知: 单程转化率, 循环比.以10mol乙烯为计算基准, 设MF中乙烯量为X, 则: 原料混

40、合点的乙烯物料平衡: FF + RC = MF 10 + 0.293X = X X=14.15 mol乙烯氧化物的生成量= 0.55X= 0.55 14.15 = 7.78 mol 总转化率 = 7.78/10 = 77.8%45第三章 物料衡算 第五节 再循环过程的物料衡算 2. 再循环过程的物料衡算(例, cont.)未知: MF 中氧的量Y 已知: 乙烯和N2的量计算反应器中氧的消耗量= 55% x 14.15/2 = 3.89 molN2为过程联系物原料混合点的氧物料平衡:Y = 21 + 0.65(Y-3.89) Y= 52.78 mol W= 79 + 0.35(Y 3.89) +

41、 2.23 = 98.34 mol W 中的组成(mol%): N2=79/98.34= 80.3% O2=0.35 (52.78- 3.89)/98.34= 17.4% 乙烯=2.23/98.34= 2.3%46第三章 物料衡算 第五节 再循环过程的物料衡算 3. 其它类型的再循环过程 再循环物流中可能含有某些有害杂质或在循环过程中某些惰性物质逐渐积累起来，越积越多以至达到妨害正常生产的程度，这时就需要用带净化的再循环方式，通过引出一股净化流(流内包含着有害杂质或惰性物质)使再循环流内的有害杂质或惰性物质含量降至工艺所要求的比率(R/F)。净化流可排空或送到其它装置去处理。 工艺过程 分离再

42、循环流R产品 PF 净化流D混合47第三章 物料衡算 第五节 再循环过程的物料衡算 3. 其它类型的再循环过程(cont.)有时也采用旁路流程来达到目的，方法是从总物流中分出一股物流进行工艺处理以清除某些有害杂质或是惰性物质(随中间产物排除)经过清净的物流同从总物流中分出的另一股旁路流B混合在一起，得到新的总物料流，其中有害杂质或惰性物质含量在规定比率之内。这种流程型式在溶剂、吸收剂和萃取剂等的除污再生中经常采用。这两种过程的物料衡算均可通过前面提到的几种方法来解决。工艺过程混合旁路流 B产品 PF 中间产物分流 48第三章 物料衡算 第五节 再循环过程的物料衡算 3. 其它类型再循环过程的物

43、料衡算(例)已知条件(1)乙酸乙烯30000吨/年, 年开工8000小时. 工艺条件: 49第三章 物料衡算 第五节 再循环过程的物料衡算 3. 其它类型再循环过程的物料衡算(例)(2)(3) 新鲜乙炔和循环乙炔混合后, 其中惰性气体含量不大于3%, 总进料中乙酸/乙炔=1:9(mol).(4)以乙酸计单程转化率为60%, 以乙炔计单程转化率为6.5%, 每生成100 mol乙酸乙烯可生成3mol主要副产物CH3CHO和以乙酸酐为代表的高沸物.(5)设冷凝分离出来的乙炔气中除乙炔和N2外无其它物质, 凝液中乙炔和N2的量分别占其总量的0.5%.(6)分离及精制过程中乙酸乙烯损失3%(主要在低沸

44、点馏分中), 乙酸大部分送去循环, 余下的4%主要留在产品及残液中. 50第三章 物料衡算 第五节 再循环过程的物料衡算 3. 其它类型再循环过程的物料衡算(例/解)4个工序中, 催化反应是关键, 故确定以总出料流(6)中的经过化学反应生成的纯乙酸乙烯100 kmol为计算基准. 1 反应器的物料衡算生成纯乙酸乙烯: 100 kmol 副产物CH3CHO生成量: 3 kmol乙酸酐为代表的高沸物: 3 kmol 共耗乙酸: 106 kmol总进料(5)中100%乙酸量= 106/60% = 176.67 kmol 未反应乙酸量= 176.67 - 106 = 70.67 kmol总进料(5)中

45、乙炔量= 176.67 x 9 = 1590.03 kmol 已反应乙炔量= 1590.03 x 6.5% = 103.35 kmol 未反应乙炔量= 1590.03 103.35 = 1486.68 kmol新鲜乙炔和循环乙炔混合后, 其中N2含量不大于3%(NG), 则N2在总进 料(5)中的最大含量的近似量 = 1590.03 (0.03/0.97) = 49.18 kmol循环流(3)中携带的乙酸乙烯为N, 总出料(6)中的乙酸乙烯为 100 + N kmol由反应式可知生成乙酸乙烯和副产物而消耗的乙炔为103 kmol, 较已反应乙炔量103.35 kmol少 0.35 kmol,

46、此0.35 kmol是同水(来自新鲜乙酸物流)反应生成高沸物X的乙炔量. 设新鲜乙酸物流带进的水量为M kmol, 高沸物总量= 3 + X 51第三章 物料衡算 第五节 再循环过程的物料衡算 3. 其它类型再循环过程的物料衡算(例/解 cont.)2 冷凝分离工序物料衡算凝液(7)中乙炔量 =未反应乙炔量x0.5% =1486.68 x 0.5% = 7.43 kmol 凝液(7)中N2量 = 49.18 x 0.5% = 0.25 kmol物流(8)中的乙炔量 = 1486.68 7.43 = 1479.25 kmol 物流(8)中的N2量 = 49.18 0.25 = 48.93 kmol 物流(8), (3) 和(9)的组成: 乙炔 = 1479.25/(1479.25 + 48.93) = 96.8%(mol) N2 3.2%(mol,NR)52第三章 物料衡算 第五节 再循环过程的物料衡算 3. 其它类型再循环过程的物料衡算(例/解con