物料衡算过程

关于物料衡算过程高分子工程设计DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology

作用

物料衡算是整个工艺设计中非常重要的环节,有很重要的作用。①为热量衡算、设备工艺计算、管道计算、辅助工序及公用工程设计计算、生产成本核算等提供依据。②在确定生产装置由几条生产先组成以及工艺参数的确定中起着非常重要的作用。③是指导生产过程的重要依据。

类型

按计算范围分为单元操作(或单个设备)的物料衡算和全流程(包括各个单元操作的全套装置)的物料衡算;按操作方式分为连续操作的物料衡算和间歇操作的物料衡算;此外,还有带循环过程的物料衡算。第2页,共63页，2024年2月25日，星期天高分子工程设计DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology

对于没有化学反应的生产过程来说,质量守恒定律:

物料进入量=物料离开量+装置内积累量+过程损失量

对于有化学反应的生产过程来说,质量守恒定律:

物料进入量=物料离开量+反应消耗量+装置内积累量+过程损失量。注:对于没有化学变化及物理化学变化的密封设备或工序如泵、换热器等可不进行物料衡算;

对于只有物料损失的设备或工序如切粒机、打包机等可只做总物料衡算;

对于有化学变化或物理化学变化的设备或工序如反应器、精馏塔、蒸发器、结晶器、干燥装置等不仅要进行总物料衡算还要对各组分及组成分别进行物料衡算。

理论依据

物料衡算的理论依据是质量守恒定律。第3页,共63页，2024年2月25日，星期天高分子工程设计DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology流量3.1.2物料衡算的基本概念单位时间内物料流过设备的数量,如质量流量、体积流量产量单位时间内生产装置生产出产品的数量,如年产量、月产量、日产量等消耗量生产单位数量产品所需原材料的数量损失量生产单位数量产品损失掉原材料的数量纯度物料中含主要成分的百分比配料比进入生产装置的各种原料之间的比例关系,如质量比、摩尔比转化率反应物参加反应的百分率单程

收率生产为目标产物的反应物数量占反应物起始数量的百分比,等于转化率乘以选择性回收率副产物或未参加反应的反应物经处理后可以重新利用的百分比选择性生成目标产物的反应物数量占参加反应的反应物数量的百分比第4页,共63页，2024年2月25日，星期天高分子工程设计DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology3.1.3计算基准及单位

在进行物料衡算时,一般不同的操作方式、不同的计算目的,对应选择的计算基准以及确定的计算单位不同。

连续生产过程

整套生产装置的操作状态不随时间的变化而变化,属于定态操作过程,一般选时间为计算基准,对应计算单位为Kg/h、Kmol/h、m3/h等。第5页,共63页，2024年2月25日，星期天高分子工程设计DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology

间歇生产过程

物料都是一批批加入生产装置进行加工处理的,属于非定态操作过程,一般选批为计算基准,对应计算单位为Kg/B、Kmol/B、m3/B。

原料消耗计算、成本核算

可以单位产品数量作为计算基准。第6页,共63页，2024年2月25日，星期天高分子工程设计DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology3.1.4计算步骤

画出物料平衡关系示意图

在了解工艺操作过程的基础上,根据工艺流程草图画出物料平衡关系示意图。其中,设备或工序可用方框表示、无物料变化的设备或工序可省去不画、图中应表明物流号、名称及流向。

注明变化过程

明确物料在个设备或工序中发生的化学变化及物理化学变化,写出主、副反应方程式。第7页,共63页，2024年2月25日，星期天高分子工程设计DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology

收集数据资料

生产规模、生产时间、相关技术指标(如原料消耗量、各设备损失量、配料比、循环比、回流比、转化率、单程收率、回收率等)、质量标准(原料、助剂、中间产物和产品规格、组成及相关物理化学常数)、化学变化及物理化学变化的变化关系。

选择计算基准及计算单位

整个计算过程应保持计算基准与计算单位一致,避免出错。有时根据特殊需要局部工序或设备可另设计算基准及单位,最后要求进行单位换算建立各工序或各设备之间正确的物料时间平衡关系。第8页,共63页，2024年2月25日，星期天高分子工程设计DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology

确定计算顺序

对于已有生产装置进行的标定或挖潜改造做的物料衡算,可直接采用顺流程计算。

对于待建生产装置的工艺设计,先将产量换算成单位时间处理原料量,然后采用顺流程计算。

对于复杂的生产过程,可先将生产过程分解到工序并对各工序进行物料衡算,然后将各个工序分解到各个设备并进行物料衡算。

对于简单的生产过程可直接对整套装置中的各个设备进行物料衡算。第9页,共63页，2024年2月25日，星期天高分子工程设计DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology

展开计算

根据所收集的数据资料及选择的计算基准和单位,按照确定的计算顺序运用化学、化工及物化知识(如质量守恒定律、化学计量、组分数量分率约束式、设备约束式(包括进料比、相平衡关系、化学平衡关系、转化率和选择性等)),逐个工序、逐台设备建立物料平衡关系式,进行物料平衡计算。

整理并校核计算结果

对每个工序或设备进行物料衡算后必须立即根据约束条件对计算结果进行校核,确保计算结果正确无误。当计算全部结束后必须及时整理、编写物料衡算说明书(包括数据资料、计算公式、全部计算过程及计算结果等)第10页,共63页，2024年2月25日，星期天高分子工程设计DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology

绘制物料流程图,编写物料平衡表

物料流程图及物料平衡表是说明物料衡算结果的一种简捷而清晰的表示方法,它们能够清楚地表示出各种物料在流程中的位置、数量、组成、流动方向、相互之间的关系等。

物料衡算结束后，必须利用计算结果对全流程进行经济分析与评价、考查生产能力、生产效率、生产成本等是否符合预期的要求，物料消耗是否合理，工艺条件是否合适等，同时及时发现和解决流程设计中存在的问题。第11页,共63页，2024年2月25日，星期天高分子工程设计DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology§3.2连续生产过程的物料衡算

对反应比较简单或仅有一个反应且只有一个未知数的情况可直接求算；对反应比较复杂，物料衡算应依物料流动顺序分步进行。

直接求算法

利用结点进行衡算

在化工生产中常有某些产品的组成需要用旁路调节才能送往下一个工序的情况，可采用结点进行衡算如图3-1所示。第12页,共63页，2024年2月25日，星期天高分子工程设计DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology

生产过程中常有不参加反应的物料，即惰性物料。由于这种惰性物料数量在反应器的进出物料中不变化，因此可利用它与其它物料在组分中的比例关系求取其它物料的数量，此惰性物料为衡算联系物。

利用联系组分进行物料衡算图3-1结点第13页,共63页，2024年2月25日，星期天高分子工程设计DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology§3.3间歇生产过程的物料衡算

必须建立时间平衡关系，避免造成设备之间生产能力大小相差悬殊的不合理状况。收集数据时要注意整个工作周期的操作顺序和每项操作时间；把所有操作时间作为时间平衡的单独一项记录，进行时间平衡时需考虑不均衡系数。可根据生产周期的每项操作时间分析影响提高生产效率的关系问题。

在化工生产中，循环过程比较多见，如部分产品的循环（如回流）、未反应原料分离后循环再利用等。目的是维持操作。控制产品质量。降低原料消耗。提高原料利用率等。§3.4循环过程的物料衡算第14页,共63页，2024年2月25日，星期天高分子工程设计DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology3.4.1典型稳定循环过程

图3-2为典型的稳定循环过程。Ⅰ表示将再循环流包括在内的整个过程

Ⅱ表示新鲜原料F与循环物料R混合后的物料同进入工艺过程的总物料流间的物料平衡

Ⅲ表示工艺过程的物料平衡（总进料与总产物流间的平衡）

Ⅳ表示总产物流与它被分离后所形成的净产品流P和循环流R间的平衡图3-2典型的稳定循环过程第15页,共63页，2024年2月25日，星期天高分子工程设计DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology3.4.2其它类型循环过程

净化循环过程、旁路流程过程、双循环过程、多循环过程、循环圈相套过程以及复杂循环过程。图3-3(a)和3-3(b)分别为净化循环过程和旁路流程过程。图3-3其它类型循环过程第16页,共63页，2024年2月25日，星期天高分子工程设计DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology§3.5物料衡算示例例1、PET连续聚合反应过程的物料衡算

本聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)连续操作工艺是采用高纯度对苯二甲酸（PTA）与乙二醇（EG）为原料，直接酯化后经缩聚反应得到PET。单条生产线每年可生产10万吨PET,这条生产线主要由浆料配制工序、聚合工序、切粒包装工序、回收工序四个工序组成。其中,图3-4为聚合工序的工艺流程草图，图中没有全部画出次要设备和次要物料管线。

第17页,共63页，2024年2月25日，星期天高分子工程设计DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology图3-4PTA直接酯化缩聚连续操作工艺流程草图第18页,共63页，2024年2月25日，星期天高分子工程设计DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology

一、画出物料平衡关系示意图

完整PET连续操作工序的物料衡算过程比较复杂，为了说明问题，只对流经反应器的物流进行物料衡算，流经反应器物料平衡关系简图,如图3-5所示。

图3-5PTA直接酯化缩聚连续操作主反应器物料平衡关系示意图第19页,共63页，2024年2月25日，星期天高分子工程设计DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology

二、明确物料发生的化学变化与物理化学变化，写出主、副反应方程式

①化学变化。PET合成过程中,每个反应器中都发生酯化反应、酯化缩聚反应和缩聚反应,其反应方程式(用官能团表示)如下:

酯化反应:

第20页,共63页，2024年2月25日，星期天高分子工程设计DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology酯化缩聚反应:

缩聚反应:

第21页,共63页，2024年2月25日，星期天高分子工程设计DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology

为了描述各反应进行的程度特做如下定义:酯化率:缩聚反应程度:乙二醇与PTA摩尔比:平均聚合度:第22页,共63页，2024年2月25日，星期天高分子工程设计DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology②

物理化学变化（相变化）。在各酯化釜中，由于反应温度高于水和EG的沸点,酯化生成的水被蒸出反应体系。根据气液平衡关系，反应液中仍含有少量的水,水蒸出时夹带出一定比例的EG,蒸出的EG经分离后全部返回到反应器中，因此各酯化反应器中原料配比不变,即Mr＝Mr0。

在缩聚反应釜中，为了使缩聚反应向生成聚合物的方向移动，需尽量降低反应液中EG的含量，因此,缩聚阶段特别是反应后期，需在高真空的条件下进行,各缩聚釜中生成的EG大部分被蒸出，使Mr<Mr0。第23页,共63页，2024年2月25日，星期天高分子工程设计DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology三、收集数据资料②生产时间。年工作日：336d/a（24h/d）①生产规模。设计任务书中规定的年产量为10万吨③相关技术指标

工艺配方：

催化剂用量：c=0.05Wt％PTA

消光剂用量：d＝0.5Wt％PTA（配制成20％EG混合浆液）

投料配比：Mr0＝NE0:NT0＝1.12

切粒、包装工序物料损失率：e=0.5％

④质量标准（略）第24页,共63页，2024年2月25日，星期天高分子工程设计DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology⑤化学变化及物理化学变化的变化关系

因各反应器中发生的主要化学反应相同,反应的进行程度(x、p)不同,因此,各反应器中物料组成变化的计量关系是相同的。各反应器反应液中聚合物数量为:各反应器反应液中乙二醇数量为:酯化反应生成水数量为:第25页,共63页，2024年2月25日，星期天高分子工程设计DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology各酯化釜中水、EG的汽化量和反应液中残留量参考表3-1计算各缩聚釜蒸出EG数量为:四、选择计算基准与计算单位

连续操作过程，可选择时间为计算基准，计算单位为kg/h表3-1各酯化釜中水、EG的汽化量和反应液中残留量第26页,共63页，2024年2月25日，星期天高分子工程设计DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology六、计算主要原料(PTA)投料流量五、确定计算顺序

可得到产品产量与主要原料（PTA）投料量之间的比例关系，宜采用顺流程的计算顺序。PET熔体流量与PTA理论投料WT′的关系为:第27页,共63页，2024年2月25日，星期天高分子工程设计DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology

该生产装置年产量为10万吨,年开工336d,连续生产,切粒、包装工序物料损失率为0.5%,因此PET熔体流量为:PTA实际投料质量流量为:PTA实际投料摩尔流量为:第28页,共63页，2024年2月25日，星期天高分子工程设计DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology七、顺流程逐个设备展开计算①R101物料衡算

图3-6为R101物料平衡示意图。101.0第29页,共63页，2024年2月25日，星期天高分子工程设计DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology101.2101.3101.1第30页,共63页，2024年2月25日，星期天高分子工程设计DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology第31页,共63页，2024年2月25日，星期天高分子工程设计DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology②R102物料衡算

图3-7为R102物料平衡示意图。102.2102.30.9第32页,共63页，2024年2月25日，星期天高分子工程设计DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology102.1第33页,共63页，2024年2月25日，星期天高分子工程设计DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology③R201物料衡算

图3-8为R201物料平衡示意图。

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NT0减少为NT0′,同时夹带出极少量的消光剂和催化剂。003.1(20%消光剂-EG混合浆液)第34页,共63页，2024年2月25日，星期天高分子工程设计DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology201.1第35页,共63页，2024年2月25日，星期天高分子工程设计DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology201.2第36页,共63页，2024年2月25日，星期天高分子工程设计DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology202.1④R202物料衡算

图3-9为R202物料平衡示意图。

在R202中由于抽真空会有少量聚合物被夹带出使201.1中的NT0′减少为NT0″,同时夹带出极少量的消光剂和催化剂。第37页,共63页，2024年2月25日，星期天高分子工程设计DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology202.2第38页,共63页，2024年2月25日，星期天高分子工程设计DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology⑤R203物料衡算

图3-10为R203物料平衡示意图。203.1203.2第39页,共63页，2024年2月25日，星期天高分子工程设计DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology

计算出的203.1数量与开始时求出的PET熔体的流量相同,说明物料衡算的整个过程是正确的。

八、绘制物料流程图,编写物料平衡表(见图3-11,表3-2)第40页,共63页，2024年2月25日，星期天高分子工程设计DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology图3-11物料流程图第41页,共63页，2024年2月25日，星期天高分子工程设计DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology表3-2物料平衡表第42页,共63页，2024年2月25日，星期天高分子工程设计DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology例2、丙烯酸反相悬浮聚合间歇操作过程的物料衡算

丙烯酸反相悬浮聚合制备高吸水树脂的生产过程主要由原料准备工序、聚合工序、分离工序、聚合物后处理工序组成。本例中只对聚合工序做物料衡算，其工艺流程草图见图3-12。图3-12丙烯酸反相悬浮聚合间歇操作工艺流程草图第43页,共63页，2024年2月25日，星期天高分子工程设计DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology

一、画出物料平衡关系示意图

对于物料数量和组成都没有发生变化的设备可不做物料衡算,因此示意图中可不画出T101、T102、P101、P102、P103等设备,如图3-13所示。

图3-13丙烯酸反相悬浮聚合间歇操作物料平衡关系示意图第44页,共63页，2024年2月25日，星期天高分子工程设计DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology二、明确物料发生的化学变化与物理化学变化,写出主、副反应方程式①V101、V103、V104中是单纯物料混合，无相变与化学变化。

②V102中75%的丙烯酸被中和,中和反应方程式如下:③R101中引发剂引发单体进行聚合反应,其反应方程式如下:第45页,共63页，2024年2月25日，星期天高分子工程设计DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology三、收集数据资料②生产时间。年工作日：330d/a（24h/d）;间歇操作,V101、V102、V103、R101每天8批,V104每天1批。①生产规模。设计任务书中规定的年产量为4000吨③

相关技术指标(见表3-3)表3-3相关技术指标第46页,共63页，2024年2月25日，星期天高分子工程设计DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology⑤化学变化参数。加入NaOH能够与丙烯酸完全反应，生成丙烯酸钠。各组分相对分子质量如下：④质量标准。原料NaOH溶液浓度为50％，其他原料均视为纯物质。其中：75%中和的丙烯酸单体混合物平均相对分子质量为：

72×0.25＋94×0.75=88.50

聚合反应过程中单体完全参加反应，转化率可视为100%，单体混合物与聚合物之间无化学计量上的变化，但引发剂结合到聚合物分子链上，会使聚合物数量略有增加。第47页,共63页，2024年2月25日，星期天高分子工程设计DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology四、选择物料衡算基准及计算单位

由于产物与原料之间化学计量关系比较简单，且整个工艺过程比较简单，容易得到产量与单体原料投料量之间的比例关系，所以采用顺流程的计算顺序。

间歇操作过程，基准为“批”，单位为B/d。大部分设备的操作周期为8B/d，只有V104操作周期为1B/d。引发剂向R101进料周期为8B/d，所以在做物料衡算时，物料M11的数量仍以8B/d计算。在做设备工艺计算时，V104的体积大小应按1B/d处理量进行计算。五、确定计算顺序第48页,共63页，2024年2月25日，星期天高分子工程设计DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology六、计算主要原料(丙烯酸)投料数量

该生产装置年产量4000t，年开工330d，每天生产8批，后处理中聚合物损失率2%。①引发剂(0.2%单体质量)全部结合到聚合物中②单体100%转化成聚合物,且单体的相对分子质量与聚合物结构单元相对分子质量相同③丙烯酸相对分子质量:单体平均相对分子质量=72:88.5第49页,共63页，2024年2月25日，星期天高分子工程设计DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology七、顺流程逐个设备展开计算①V102物料衡算

图3-14为V102物料平衡示意图。M1(原料丙烯酸)丙烯酸M4(30%NaOH溶液)第50页,共63页，2024年2月25日，星期天高分子工程设计DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnologyM6(45%单体溶液)M5(无离子水B)第51页,共63页，2024年2月25日，星期天高分子工程设计DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology②V101物料衡算

图3-15为V101物料平衡示意图。M4(30%NaOH溶液)=1743.49Kg﹒B%1M2(50%NaOH溶液)M3(无离子水A)=1220.44-523.05=697.39Kg﹒B-1第52页,共63页，2024年2月25日，星期天高分子工程设计DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology③V103物料衡算

图3-16为V103物料平衡示意图。

已知正庚烷与单体配比为4:1,分散剂用量为2%单体质量。M7M8M9第53页,共63页，2024年2月25日，星期天高分子工程设计DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology④R101物料衡算

图3-17为R101物料平衡示意图。M10(待聚合液)=M4+M9M11(引发剂水溶液)第54页,共63页，2024年2月25日，星期天高分子工程设计DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnologyM12(聚合物混合液)⑤V104(引发剂调配罐)物料衡算M13引发剂=M14H2O=第55页,共63页，2024年2月25日，星期天高分子工程设计DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology八、整理并校核计算结果

对如图3-18所示的聚合工序全面物料平衡计算,利用物料守恒定律进行校核。九、绘制物料流程图,编写物料平衡表(见图3-19,表3-4)第56页,共63页，2024年2月25日，星期天高分子工程设计DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology图3-19物料流程图第57页,共63页，2024年2月25日，星期天高分子工程设计DesignofPolymer