物料衡算過程

關(guān)于物料衡算過程第1頁(yè)，共63頁(yè)，2023年，2月20日，星期五高分子工程設(shè)計(jì)DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology

作用

物料衡算是整個(gè)工藝設(shè)計(jì)中非常重要的環(huán)節(jié),有很重要的作用。①為熱量衡算、設(shè)備工藝計(jì)算、管道計(jì)算、輔助工序及公用工程設(shè)計(jì)計(jì)算、生產(chǎn)成本核算等提供依據(jù)。②在確定生產(chǎn)裝置由幾條生產(chǎn)先組成以及工藝參數(shù)的確定中起著非常重要的作用。③是指導(dǎo)生產(chǎn)過程的重要依據(jù)。

類型

按計(jì)算范圍分為單元操作(或單個(gè)設(shè)備)的物料衡算和全流程(包括各個(gè)單元操作的全套裝置)的物料衡算;按操作方式分為連續(xù)操作的物料衡算和間歇操作的物料衡算;此外,還有帶循環(huán)過程的物料衡算。第2頁(yè)，共63頁(yè)，2023年，2月20日，星期五高分子工程設(shè)計(jì)DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology

對(duì)于沒有化學(xué)反應(yīng)的生產(chǎn)過程來說,質(zhì)量守恒定律:

物料進(jìn)入量=物料離開量+裝置內(nèi)積累量+過程損失量

對(duì)于有化學(xué)反應(yīng)的生產(chǎn)過程來說,質(zhì)量守恒定律:

物料進(jìn)入量=物料離開量+反應(yīng)消耗量+裝置內(nèi)積累量+過程損失量。注:對(duì)于沒有化學(xué)變化及物理化學(xué)變化的密封設(shè)備或工序如泵、換熱器等可不進(jìn)行物料衡算;

對(duì)于只有物料損失的設(shè)備或工序如切粒機(jī)、打包機(jī)等可只做總物料衡算;

對(duì)于有化學(xué)變化或物理化學(xué)變化的設(shè)備或工序如反應(yīng)器、精餾塔、蒸發(fā)器、結(jié)晶器、干燥裝置等不僅要進(jìn)行總物料衡算還要對(duì)各組分及組成分別進(jìn)行物料衡算。

理論依據(jù)

物料衡算的理論依據(jù)是質(zhì)量守恒定律。第3頁(yè)，共63頁(yè)，2023年，2月20日，星期五高分子工程設(shè)計(jì)DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology流量3.1.2物料衡算的基本概念單位時(shí)間內(nèi)物料流過設(shè)備的數(shù)量,如質(zhì)量流量、體積流量產(chǎn)量單位時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)裝置生產(chǎn)出產(chǎn)品的數(shù)量,如年產(chǎn)量、月產(chǎn)量、日產(chǎn)量等消耗量生產(chǎn)單位數(shù)量產(chǎn)品所需原材料的數(shù)量損失量生產(chǎn)單位數(shù)量產(chǎn)品損失掉原材料的數(shù)量純度物料中含主要成分的百分比配料比進(jìn)入生產(chǎn)裝置的各種原料之間的比例關(guān)系,如質(zhì)量比、摩爾比轉(zhuǎn)化率反應(yīng)物參加反應(yīng)的百分率單程

收率生產(chǎn)為目標(biāo)產(chǎn)物的反應(yīng)物數(shù)量占反應(yīng)物起始數(shù)量的百分比,等于轉(zhuǎn)化率乘以選擇性回收率副產(chǎn)物或未參加反應(yīng)的反應(yīng)物經(jīng)處理后可以重新利用的百分比選擇性生成目標(biāo)產(chǎn)物的反應(yīng)物數(shù)量占參加反應(yīng)的反應(yīng)物數(shù)量的百分比第4頁(yè)，共63頁(yè)，2023年，2月20日，星期五高分子工程設(shè)計(jì)DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology3.1.3計(jì)算基準(zhǔn)及單位

在進(jìn)行物料衡算時(shí),一般不同的操作方式、不同的計(jì)算目的,對(duì)應(yīng)選擇的計(jì)算基準(zhǔn)以及確定的計(jì)算單位不同。

連續(xù)生產(chǎn)過程

整套生產(chǎn)裝置的操作狀態(tài)不隨時(shí)間的變化而變化,屬于定態(tài)操作過程,一般選時(shí)間為計(jì)算基準(zhǔn),對(duì)應(yīng)計(jì)算單位為Kg/h、Kmol/h、m3/h等。第5頁(yè)，共63頁(yè)，2023年，2月20日，星期五高分子工程設(shè)計(jì)DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology

間歇生產(chǎn)過程

物料都是一批批加入生產(chǎn)裝置進(jìn)行加工處理的,屬于非定態(tài)操作過程,一般選批為計(jì)算基準(zhǔn),對(duì)應(yīng)計(jì)算單位為Kg/B、Kmol/B、m3/B。

原料消耗計(jì)算、成本核算

可以單位產(chǎn)品數(shù)量作為計(jì)算基準(zhǔn)。第6頁(yè)，共63頁(yè)，2023年，2月20日，星期五高分子工程設(shè)計(jì)DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology3.1.4計(jì)算步驟

畫出物料平衡關(guān)系示意圖

在了解工藝操作過程的基礎(chǔ)上,根據(jù)工藝流程草圖畫出物料平衡關(guān)系示意圖。其中,設(shè)備或工序可用方框表示、無物料變化的設(shè)備或工序可省去不畫、圖中應(yīng)表明物流號(hào)、名稱及流向。

注明變化過程

明確物料在個(gè)設(shè)備或工序中發(fā)生的化學(xué)變化及物理化學(xué)變化,寫出主、副反應(yīng)方程式。第7頁(yè)，共63頁(yè)，2023年，2月20日，星期五高分子工程設(shè)計(jì)DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology

收集數(shù)據(jù)資料

生產(chǎn)規(guī)模、生產(chǎn)時(shí)間、相關(guān)技術(shù)指標(biāo)(如原料消耗量、各設(shè)備損失量、配料比、循環(huán)比、回流比、轉(zhuǎn)化率、單程收率、回收率等)、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(原料、助劑、中間產(chǎn)物和產(chǎn)品規(guī)格、組成及相關(guān)物理化學(xué)常數(shù))、化學(xué)變化及物理化學(xué)變化的變化關(guān)系。

選擇計(jì)算基準(zhǔn)及計(jì)算單位

整個(gè)計(jì)算過程應(yīng)保持計(jì)算基準(zhǔn)與計(jì)算單位一致,避免出錯(cuò)。有時(shí)根據(jù)特殊需要局部工序或設(shè)備可另設(shè)計(jì)算基準(zhǔn)及單位,最后要求進(jìn)行單位換算建立各工序或各設(shè)備之間正確的物料時(shí)間平衡關(guān)系。第8頁(yè)，共63頁(yè)，2023年，2月20日，星期五高分子工程設(shè)計(jì)DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology

確定計(jì)算順序

對(duì)于已有生產(chǎn)裝置進(jìn)行的標(biāo)定或挖潛改造做的物料衡算,可直接采用順流程計(jì)算。

對(duì)于待建生產(chǎn)裝置的工藝設(shè)計(jì),先將產(chǎn)量換算成單位時(shí)間處理原料量,然后采用順流程計(jì)算。

對(duì)于復(fù)雜的生產(chǎn)過程,可先將生產(chǎn)過程分解到工序并對(duì)各工序進(jìn)行物料衡算,然后將各個(gè)工序分解到各個(gè)設(shè)備并進(jìn)行物料衡算。

對(duì)于簡(jiǎn)單的生產(chǎn)過程可直接對(duì)整套裝置中的各個(gè)設(shè)備進(jìn)行物料衡算。第9頁(yè)，共63頁(yè)，2023年，2月20日，星期五高分子工程設(shè)計(jì)DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology

展開計(jì)算

根據(jù)所收集的數(shù)據(jù)資料及選擇的計(jì)算基準(zhǔn)和單位,按照確定的計(jì)算順序運(yùn)用化學(xué)、化工及物化知識(shí)(如質(zhì)量守恒定律、化學(xué)計(jì)量、組分?jǐn)?shù)量分率約束式、設(shè)備約束式(包括進(jìn)料比、相平衡關(guān)系、化學(xué)平衡關(guān)系、轉(zhuǎn)化率和選擇性等)),逐個(gè)工序、逐臺(tái)設(shè)備建立物料平衡關(guān)系式,進(jìn)行物料平衡計(jì)算。

整理并校核計(jì)算結(jié)果

對(duì)每個(gè)工序或設(shè)備進(jìn)行物料衡算后必須立即根據(jù)約束條件對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行校核,確保計(jì)算結(jié)果正確無誤。當(dāng)計(jì)算全部結(jié)束后必須及時(shí)整理、編寫物料衡算說明書(包括數(shù)據(jù)資料、計(jì)算公式、全部計(jì)算過程及計(jì)算結(jié)果等)第10頁(yè)，共63頁(yè)，2023年，2月20日，星期五高分子工程設(shè)計(jì)DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology

繪制物料流程圖,編寫物料平衡表

物料流程圖及物料平衡表是說明物料衡算結(jié)果的一種簡(jiǎn)捷而清晰的表示方法,它們能夠清楚地表示出各種物料在流程中的位置、數(shù)量、組成、流動(dòng)方向、相互之間的關(guān)系等。

物料衡算結(jié)束后，必須利用計(jì)算結(jié)果對(duì)全流程進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析與評(píng)價(jià)、考查生產(chǎn)能力、生產(chǎn)效率、生產(chǎn)成本等是否符合預(yù)期的要求，物料消耗是否合理，工藝條件是否合適等，同時(shí)及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決流程設(shè)計(jì)中存在的問題。第11頁(yè)，共63頁(yè)，2023年，2月20日，星期五高分子工程設(shè)計(jì)DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology§3.2連續(xù)生產(chǎn)過程的物料衡算

對(duì)反應(yīng)比較簡(jiǎn)單或僅有一個(gè)反應(yīng)且只有一個(gè)未知數(shù)的情況可直接求算；對(duì)反應(yīng)比較復(fù)雜，物料衡算應(yīng)依物料流動(dòng)順序分步進(jìn)行。

直接求算法

利用結(jié)點(diǎn)進(jìn)行衡算

在化工生產(chǎn)中常有某些產(chǎn)品的組成需要用旁路調(diào)節(jié)才能送往下一個(gè)工序的情況，可采用結(jié)點(diǎn)進(jìn)行衡算如圖3-1所示。第12頁(yè)，共63頁(yè)，2023年，2月20日，星期五高分子工程設(shè)計(jì)DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology

生產(chǎn)過程中常有不參加反應(yīng)的物料，即惰性物料。由于這種惰性物料數(shù)量在反應(yīng)器的進(jìn)出物料中不變化，因此可利用它與其它物料在組分中的比例關(guān)系求取其它物料的數(shù)量，此惰性物料為衡算聯(lián)系物。

利用聯(lián)系組分進(jìn)行物料衡算圖3-1結(jié)點(diǎn)第13頁(yè)，共63頁(yè)，2023年，2月20日，星期五高分子工程設(shè)計(jì)DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology§3.3間歇生產(chǎn)過程的物料衡算

必須建立時(shí)間平衡關(guān)系，避免造成設(shè)備之間生產(chǎn)能力大小相差懸殊的不合理狀況。收集數(shù)據(jù)時(shí)要注意整個(gè)工作周期的操作順序和每項(xiàng)操作時(shí)間；把所有操作時(shí)間作為時(shí)間平衡的單獨(dú)一項(xiàng)記錄，進(jìn)行時(shí)間平衡時(shí)需考慮不均衡系數(shù)?？筛鶕?jù)生產(chǎn)周期的每項(xiàng)操作時(shí)間分析影響提高生產(chǎn)效率的關(guān)系問題。

在化工生產(chǎn)中，循環(huán)過程比較多見，如部分產(chǎn)品的循環(huán)（如回流）、未反應(yīng)原料分離后循環(huán)再利用等。目的是維持操作?？刂飘a(chǎn)品質(zhì)量。降低原料消耗。提高原料利用率等?！?.4循環(huán)過程的物料衡算第14頁(yè)，共63頁(yè)，2023年，2月20日，星期五高分子工程設(shè)計(jì)DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology3.4.1典型穩(wěn)定循環(huán)過程

圖3-2為典型的穩(wěn)定循環(huán)過程。Ⅰ表示將再循環(huán)流包括在內(nèi)的整個(gè)過程

Ⅱ表示新鮮原料F與循環(huán)物料R混合后的物料同進(jìn)入工藝過程的總物料流間的物料平衡

Ⅲ表示工藝過程的物料平衡（總進(jìn)料與總產(chǎn)物流間的平衡）

Ⅳ表示總產(chǎn)物流與它被分離后所形成的凈產(chǎn)品流P和循環(huán)流R間的平衡圖3-2典型的穩(wěn)定循環(huán)過程第15頁(yè)，共63頁(yè)，2023年，2月20日，星期五高分子工程設(shè)計(jì)DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology3.4.2其它類型循環(huán)過程

凈化循環(huán)過程、旁路流程過程、雙循環(huán)過程、多循環(huán)過程、循環(huán)圈相套過程以及復(fù)雜循環(huán)過程。圖3-3(a)和3-3(b)分別為凈化循環(huán)過程和旁路流程過程。圖3-3其它類型循環(huán)過程第16頁(yè)，共63頁(yè)，2023年，2月20日，星期五高分子工程設(shè)計(jì)DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology§3.5物料衡算示例例1、PET連續(xù)聚合反應(yīng)過程的物料衡算

本聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)連續(xù)操作工藝是采用高純度對(duì)苯二甲酸（PTA）與乙二醇（EG）為原料，直接酯化后經(jīng)縮聚反應(yīng)得到PET。單條生產(chǎn)線每年可生產(chǎn)10萬噸PET,這條生產(chǎn)線主要由漿料配制工序、聚合工序、切粒包裝工序、回收工序四個(gè)工序組成。其中,圖3-4為聚合工序的工藝流程草圖，圖中沒有全部畫出次要設(shè)備和次要物料管線。

第17頁(yè)，共63頁(yè)，2023年，2月20日，星期五高分子工程設(shè)計(jì)DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology圖3-4PTA直接酯化縮聚連續(xù)操作工藝流程草圖第18頁(yè)，共63頁(yè)，2023年，2月20日，星期五高分子工程設(shè)計(jì)DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology

一、畫出物料平衡關(guān)系示意圖

完整PET連續(xù)操作工序的物料衡算過程比較復(fù)雜，為了說明問題，只對(duì)流經(jīng)反應(yīng)器的物流進(jìn)行物料衡算，流經(jīng)反應(yīng)器物料平衡關(guān)系簡(jiǎn)圖,如圖3-5所示。

圖3-5PTA直接酯化縮聚連續(xù)操作主反應(yīng)器物料平衡關(guān)系示意圖第19頁(yè)，共63頁(yè)，2023年，2月20日，星期五高分子工程設(shè)計(jì)DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology

二、明確物料發(fā)生的化學(xué)變化與物理化學(xué)變化，寫出主、副反應(yīng)方程式

①化學(xué)變化。PET合成過程中,每個(gè)反應(yīng)器中都發(fā)生酯化反應(yīng)、酯化縮聚反應(yīng)和縮聚反應(yīng),其反應(yīng)方程式(用官能團(tuán)表示)如下:

酯化反應(yīng):

第20頁(yè)，共63頁(yè)，2023年，2月20日，星期五高分子工程設(shè)計(jì)DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology酯化縮聚反應(yīng):

縮聚反應(yīng):

第21頁(yè)，共63頁(yè)，2023年，2月20日，星期五高分子工程設(shè)計(jì)DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology

為了描述各反應(yīng)進(jìn)行的程度特做如下定義:酯化率:縮聚反應(yīng)程度:乙二醇與PTA摩爾比:平均聚合度:第22頁(yè)，共63頁(yè)，2023年，2月20日，星期五高分子工程設(shè)計(jì)DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology②

物理化學(xué)變化（相變化）。在各酯化釜中，由于反應(yīng)溫度高于水和EG的沸點(diǎn),酯化生成的水被蒸出反應(yīng)體系。根據(jù)氣液平衡關(guān)系，反應(yīng)液中仍含有少量的水,水蒸出時(shí)夾帶出一定比例的EG,蒸出的EG經(jīng)分離后全部返回到反應(yīng)器中，因此各酯化反應(yīng)器中原料配比不變,即Mr＝Mr0。

在縮聚反應(yīng)釜中，為了使縮聚反應(yīng)向生成聚合物的方向移動(dòng)，需盡量降低反應(yīng)液中EG的含量，因此,縮聚階段特別是反應(yīng)后期，需在高真空的條件下進(jìn)行,各縮聚釜中生成的EG大部分被蒸出，使Mr<Mr0。第23頁(yè)，共63頁(yè)，2023年，2月20日，星期五高分子工程設(shè)計(jì)DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology三、收集數(shù)據(jù)資料②生產(chǎn)時(shí)間。年工作日：336d/a（24h/d）①生產(chǎn)規(guī)模。設(shè)計(jì)任務(wù)書中規(guī)定的年產(chǎn)量為10萬噸③相關(guān)技術(shù)指標(biāo)

工藝配方：

催化劑用量：c=0.05Wt％PTA

消光劑用量：d＝0.5Wt％PTA（配制成20％EG混合漿液）

投料配比：Mr0＝NE0:NT0＝1.12

切粒、包裝工序物料損失率：e=0.5％

④質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（略）第24頁(yè)，共63頁(yè)，2023年，2月20日，星期五高分子工程設(shè)計(jì)DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology⑤化學(xué)變化及物理化學(xué)變化的變化關(guān)系

因各反應(yīng)器中發(fā)生的主要化學(xué)反應(yīng)相同,反應(yīng)的進(jìn)行程度(x、p)不同,因此,各反應(yīng)器中物料組成變化的計(jì)量關(guān)系是相同的。各反應(yīng)器反應(yīng)液中聚合物數(shù)量為:各反應(yīng)器反應(yīng)液中乙二醇數(shù)量為:酯化反應(yīng)生成水?dāng)?shù)量為:第25頁(yè)，共63頁(yè)，2023年，2月20日，星期五高分子工程設(shè)計(jì)DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology各酯化釜中水、EG的汽化量和反應(yīng)液中殘留量參考表3-1計(jì)算各縮聚釜蒸出EG數(shù)量為:四、選擇計(jì)算基準(zhǔn)與計(jì)算單位

連續(xù)操作過程，可選擇時(shí)間為計(jì)算基準(zhǔn)，計(jì)算單位為kg/h表3-1各酯化釜中水、EG的汽化量和反應(yīng)液中殘留量第26頁(yè)，共63頁(yè)，2023年，2月20日，星期五高分子工程設(shè)計(jì)DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology六、計(jì)算主要原料(PTA)投料流量五、確定計(jì)算順序

可得到產(chǎn)品產(chǎn)量與主要原料（PTA）投料量之間的比例關(guān)系，宜采用順流程的計(jì)算順序。PET熔體流量與PTA理論投料WT′的關(guān)系為:第27頁(yè)，共63頁(yè)，2023年，2月20日，星期五高分子工程設(shè)計(jì)DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology

該生產(chǎn)裝置年產(chǎn)量為10萬噸,年開工336d,連續(xù)生產(chǎn),切粒、包裝工序物料損失率為0.5%,因此PET熔體流量為:PTA實(shí)際投料質(zhì)量流量為:PTA實(shí)際投料摩爾流量為:第28頁(yè)，共63頁(yè)，2023年，2月20日，星期五高分子工程設(shè)計(jì)DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology七、順流程逐個(gè)設(shè)備展開計(jì)算①R101物料衡算

圖3-6為R101物料平衡示意圖。101.0第29頁(yè)，共63頁(yè)，2023年，2月20日，星期五高分子工程設(shè)計(jì)DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology101.2101.3101.1第30頁(yè)，共63頁(yè)，2023年，2月20日，星期五高分子工程設(shè)計(jì)DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology第31頁(yè)，共63頁(yè)，2023年，2月20日，星期五高分子工程設(shè)計(jì)DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology②R102物料衡算

圖3-7為R102物料平衡示意圖。102.2102.30.9第32頁(yè)，共63頁(yè)，2023年，2月20日，星期五高分子工程設(shè)計(jì)DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology102.1第33頁(yè)，共63頁(yè)，2023年，2月20日，星期五高分子工程設(shè)計(jì)DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology③R201物料衡算

圖3-8為R201物料平衡示意圖。

在R201中加入消光劑EG溶液(003.1)。由于抽真空會(huì)有少量聚合物被夾帶出使201.1中的NT0減少為NT0′,同時(shí)夾帶出極少量的消光劑和催化劑。003.1(20%消光劑-EG混合漿液)第34頁(yè)，共63頁(yè)，2023年，2月20日，星期五高分子工程設(shè)計(jì)DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology201.1第35頁(yè)，共63頁(yè)，2023年，2月20日，星期五高分子工程設(shè)計(jì)DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology201.2第36頁(yè)，共63頁(yè)，2023年，2月20日，星期五高分子工程設(shè)計(jì)DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology202.1④R202物料衡算

圖3-9為R202物料平衡示意圖。

在R202中由于抽真空會(huì)有少量聚合物被夾帶出使201.1中的NT0′減少為NT0″,同時(shí)夾帶出極少量的消光劑和催化劑。第37頁(yè)，共63頁(yè)，2023年，2月20日，星期五高分子工程設(shè)計(jì)DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology202.2第38頁(yè)，共63頁(yè)，2023年，2月20日，星期五高分子工程設(shè)計(jì)DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology⑤R203物料衡算

圖3-10為R203物料平衡示意圖。203.1203.2第39頁(yè)，共63頁(yè)，2023年，2月20日，星期五高分子工程設(shè)計(jì)DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology

計(jì)算出的203.1數(shù)量與開始時(shí)求出的PET熔體的流量相同,說明物料衡算的整個(gè)過程是正確的。

八、繪制物料流程圖,編寫物料平衡表(見圖3-11,表3-2)第40頁(yè)，共63頁(yè)，2023年，2月20日，星期五高分子工程設(shè)計(jì)DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology圖3-11物料流程圖第41頁(yè)，共63頁(yè)，2023年，2月20日，星期五高分子工程設(shè)計(jì)DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology表3-2物料平衡表第42頁(yè)，共63頁(yè)，2023年，2月20日，星期五高分子工程設(shè)計(jì)DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology例2、丙烯酸反相懸浮聚合間歇操作過程的物料衡算

丙烯酸反相懸浮聚合制備高吸水樹脂的生產(chǎn)過程主要由原料準(zhǔn)備工序、聚合工序、分離工序、聚合物后處理工序組成。本例中只對(duì)聚合工序做物料衡算，其工藝流程草圖見圖3-12。圖3-12丙烯酸反相懸浮聚合間歇操作工藝流程草圖第43頁(yè)，共63頁(yè)，2023年，2月20日，星期五高分子工程設(shè)計(jì)DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology

一、畫出物料平衡關(guān)系示意圖

對(duì)于物料數(shù)量和組成都沒有發(fā)生變化的設(shè)備可不做物料衡算,因此示意圖中可不畫出T101、T102、P101、P102、P103等設(shè)備,如圖3-13所示。

圖3-13丙烯酸反相懸浮聚合間歇操作物料平衡關(guān)系示意圖第44頁(yè)，共63頁(yè)，2023年，2月20日，星期五高分子工程設(shè)計(jì)DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology二、明確物料發(fā)生的化學(xué)變化與物理化學(xué)變化,寫出主、副反應(yīng)方程式①V101、V103、V104中是單純物料混合，無相變與化學(xué)變化。

②V102中75%的丙烯酸被中和,中和反應(yīng)方程式如下:③R101中引發(fā)劑引發(fā)單體進(jìn)行聚合反應(yīng),其反應(yīng)方程式如下:第45頁(yè)，共63頁(yè)，2023年，2月20日，星期五高分子工程設(shè)計(jì)DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology三、收集數(shù)據(jù)資料②生產(chǎn)時(shí)間。年工作日：330d/a（24h/d）;間歇操作,V101、V102、V103、R101每天8批,V104每天1批。①生產(chǎn)規(guī)模。設(shè)計(jì)任務(wù)書中規(guī)定的年產(chǎn)量為4000噸③

相關(guān)技術(shù)指標(biāo)(見表3-3)表3-3相關(guān)技術(shù)指標(biāo)第46頁(yè)，共63頁(yè)，2023年，2月20日，星期五高分子工程設(shè)計(jì)DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology⑤化學(xué)變化參數(shù)。加入NaOH能夠與丙烯酸完全反應(yīng)，生成丙烯酸鈉。各組分相對(duì)分子質(zhì)量如下：④質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。原料NaOH溶液濃度為50％，其他原料均視為純物質(zhì)。其中：75%中和的丙烯酸單體混合物平均相對(duì)分子質(zhì)量為：

72×0.25＋94×0.75=88.50

聚合反應(yīng)過程中單體完全參加反應(yīng)，轉(zhuǎn)化率可視為100%，單體混合物與聚合物之間無化學(xué)計(jì)量上的變化，但引發(fā)劑結(jié)合到聚合物分子鏈上，會(huì)使聚合物數(shù)量略有增加。第47頁(yè)，共63頁(yè)，2023年，2月20日，星期五高分子工程設(shè)計(jì)DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology四、選擇物料衡算基準(zhǔn)及計(jì)算單位

由于產(chǎn)物與原料之間化學(xué)計(jì)量關(guān)系比較簡(jiǎn)單，且整個(gè)工藝過程比較簡(jiǎn)單，容易得到產(chǎn)量與單體原料投料量之間的比例關(guān)系，所以采用順流程的計(jì)算順序。

間歇操作過程，基準(zhǔn)為“批”，單位為B/d。大部分設(shè)備的操作周期為8B/d，只有V104操作周期為1B/d。引發(fā)劑向R101進(jìn)料周期為8B/d，所以在做物料衡算時(shí)，物料M11的數(shù)量仍以8B/d計(jì)算。在做設(shè)備工藝計(jì)算時(shí)，V104的體積大小應(yīng)按1B/d處理量進(jìn)行計(jì)算。五、確定計(jì)算順序第48頁(yè)，共63頁(yè)，2023年，2月20日，星期五高分子工程設(shè)計(jì)DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology六、計(jì)算主要原料(丙烯酸)投料數(shù)量

該生產(chǎn)裝置年產(chǎn)量4000t，年開工330d，每天生產(chǎn)8批，后處理中聚合物損失率2%。①引發(fā)劑(0.2%單體質(zhì)量)全部結(jié)合到聚合物中②單體100%轉(zhuǎn)化成聚合物,且單體的相對(duì)分子質(zhì)量與聚合物結(jié)構(gòu)單元相對(duì)分子質(zhì)量相同③丙烯酸相對(duì)分子質(zhì)量:單體平均相對(duì)分子質(zhì)量=72:88.5第49頁(yè)，共63頁(yè)，2023年，2月20日，星期五高分子工程設(shè)計(jì)DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology七、順流程逐個(gè)設(shè)備展開計(jì)算①V102物料衡算

圖3-14為V102物料平衡示意圖。M1(原料丙烯酸)丙烯酸M4(30%NaOH溶液)第50頁(yè)，共63頁(yè)，2023年，2月20日，星期五高分子工程設(shè)計(jì)DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnologyM6(45%單體溶液)M5(無離子水B)第51頁(yè)，共63頁(yè)，2023年，2月20日，星期五高分子工程設(shè)計(jì)DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology②V101物料衡算

圖3-15為V101物料平衡示意圖。M4(30%NaOH溶液)=1743.49Kg﹒B%1M2(50%NaOH溶液)M3(無離子水A)=1220.44-523.05=697.39Kg﹒B-1第52頁(yè)，共63頁(yè)，2023年，2月20日，星期五高分子工程設(shè)計(jì)DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology③V103物料衡算

圖3-16為V103物料平衡示意圖。

已知正庚烷與單體配比為4:1,分散劑用量為2%單體質(zhì)量。M7M8M9第53頁(yè)，共63頁(yè)，2023年，2月20日，星期五高分子工程設(shè)計(jì)DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology④R101物料衡算

圖3-17為R101物料平衡示意圖。M10(待聚合液)=M4+M9M11(引發(fā)劑水溶液)第54頁(yè)，共63頁(yè)，2023年，2月20日，星期五高分子工程設(shè)計(jì)DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnologyM12(聚合物混合液)⑤V104(引發(fā)劑調(diào)配罐)物料衡算M13引發(fā)劑=M14H2O=第55頁(yè)，共63頁(yè)，2023年，2月20日，星期五高分子工程設(shè)計(jì)DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology八、整理并校核計(jì)算結(jié)果

對(duì)如圖3-18所示的聚合工序全面物料平衡計(jì)算,利用物料守恒定律進(jìn)行校核。九、繪制物料流程圖,編寫物料平衡表(見圖3-19,表3-4)第56頁(yè)，共63頁(yè)，2023年，2月20日，星期五高分子工程設(shè)計(jì)DesignofPolymerEngineering,ShaanxiUniversityofTechnology圖3-19物料流程圖第57頁(yè)，共63頁(yè)，2023年，2月20日，星期五高分子工程設(shè)計(jì)DesignofPolymer