【文章內(nèi)容簡介】 共 39 頁 2 物料衡算 物料衡算的準則就是質(zhì)量守衡定律 ， 即“進入一個系統(tǒng)的 全部物料必等于離開這個系統(tǒng)的全部物料，再加上過程損失量和在系統(tǒng)中積累量”。依據(jù)質(zhì)量守衡定律，對研究系統(tǒng)作物料衡算，可由下式表示： 積損出進 ＝ ? ?? ? ?? GGGG 其中式中： ∑ G 進 ———— 輸入物料量總和； ∑ G 出 ———— 離開物料量總和； ∑ G 損 ———— 總的物料損失量； ∑ G 積 ———— 系統(tǒng)中的積累量。 根據(jù)設計任務， 鄰苯二甲酸二丁酯 生產(chǎn)能力為 5000 噸 /年（ 100％）： 全年為 365天，除去大修理，中修理等為 65天，則年工作日為： 365－ 65＝ 300 天； 每天生產(chǎn)能力：（ 5000 1000） /300＝ kg/d 酯 化反應的物料衡算 酯化過程的 衡算基準 由于本反應的時間較長 ,故采用間歇式操作 ,據(jù)實際反應時間和其它因素 ,每晝夜生產(chǎn)三班 ,每班生產(chǎn)兩批料。 每批生產(chǎn)的鄰苯二甲酸二丁酯的量為： 酯 化過程的物料衡算圖 畫出衡算方框圖，標出有關數(shù)據(jù)，然后進行計算 苯 酐 正丁醇 催化劑 共沸劑 活性炭 圖 酯 化過程的物料衡算圖 催化劑 共沸劑 活性炭 酯化 反應釜 正丁醇 鄰苯二甲酸二丁酯 第 xvii 頁 共 39 頁 酯化過程的 物料衡算 ： 苯酐和正丁醇的酯化反應式： ? ?8 4 3 4 9 6 4 4 9 2 22C H O C H O H C H CO O C H H O?????? ?? 148 78 278 18 ｘ 2y ｚ 原料規(guī)格：苯酐純度為 100%，正丁醇純度為 95%，濃硫酸純度為 93%（相對密度） ，轉(zhuǎn)化率為 95%。 (1) 100%苯酐量： 148 ? x= 公斤 100%正丁醇量： 74 2 ? ? y= 公斤 由于該酯化反應正丁醇的 轉(zhuǎn)化率為 95%， 苯酐的完全轉(zhuǎn)化， 所以 (2) 95%正丁醇需要量 =其中 49CHOH ＝ 2HO== 公斤 1 鄰苯二甲酸二丁酯生成量 = 公斤 3 正丁醇的 剩余量 = = 公斤 4 反應生成水的量 :18 278?z z= 公斤 總水分 =+= 硫酸 催化劑的用量為 %(質(zhì)量分數(shù) )的總物料 ，則： 硫酸的用量為： ? ?1 4 7 8 .8 1 6 3 8 .6 0 .3 % 9 .4? ? ?公斤 活性炭的用量為： ? ?1 4 7 8 .8 1 6 3 8 .6 0 .2 % 6 .2? ? ?公斤 共沸劑的用量為 : ? ?1 4 7 8 .8 1 6 3 8 .6 0 .2 % 6 .2? ? ?公斤 第 xviii 頁 共 39 頁 表 酯 化過程的物料衡算 輸入 序號 物料名稱 數(shù)量 (kg) 輸出 序號 物料名稱 數(shù)量 (kg) 1 苯 酐 1 DBP 2 正丁醇 2 水 其中正丁醇 水 3 正丁醇 3 4 5 硫 酸 活性炭 共沸劑 4 5 6 硫 酸 活性炭 共沸劑 總計 總計 由分析計算可知， 酯 化過程物料進出平衡 。 蒸餾過程的物料衡算 蒸餾過程的 的物料衡算方框圖 圖 蒸餾 過程的物料衡算圖 DBP 蒸 餾 塔 DBP % 丁醇 % 水 % 原料液 F 塔頂產(chǎn)品 D 水 丁 醇 塔底液 W DBP 98% 水 2% 第 xix 頁 共 39 頁 蒸餾過程 的物料衡算 原料液為 : DBP= kg 丁醇 = kg 水 = kg 所以 :F= kg DBP 平衡 :塔底液 W= 總物料平衡 :塔頂產(chǎn)品 D=FW== kg 水平衡 :出料的水 =*2%+= kg 丁醇平衡 :塔頂蒸出的丁醇為 : kg 圖 蒸餾 過程的物料 核算表 加入 支出 序號 物料名稱 組成 數(shù)量 (kg) 序號 物料名稱 組成 數(shù)量 (kg) 1 原料 DBP 水 丁醇 % % % 1 塔頂產(chǎn)品 水 丁醇 2 塔底液 DBP 水 98% 2% 合計 合計 分析計算可知 ,蒸餾過程物料進出平衡 . 3 能量衡算 熱量衡算方程式： ６５４３２１ ＋＋＝＋＋ 式中： 1Q － 初始物料帶入設備中的熱量， kJ； 2Q －加熱劑或冷卻劑與設備和物料傳遞的熱量， kJ； 3Q －物理變化及化學變化的熱效應， kJ； 4Q －離開設備物料帶走的熱量， kJ； 第 xx 頁 共 39 頁 5Q －設備各部件所消耗的熱量， kJ； 6Q －設備向四周散失的熱量，又稱熱損失， kJ。 酯 化過程的能量衡算 酯 化過程的能量方框圖 ： 圖 酯 化過程的能量方框圖 酯 化過程的能量衡算 由能量守恒可知： 2 4 5 6 1 3Q Q Q Q Q Q? ? ? ? ? (1) 4111 ?? 和 的計算 ? ?? ??? 21 ttCiMiQ （ 4111 ?? 和 的計算都適用） Mi ――反應物體系中組分的質(zhì)量， kg； Ci――組分 i 在 0T℃時的平均比熱容， kmolJ ?/ ； 溫度，反應物系在反應前后的??21 , tt ℃ 。 物料進入設備時的溫度為 25℃ ,則熱量衡算的基準為 25℃ , ＝０，T? 則 : 參考《精細化工反應器及車間工藝設計》，利用 Missenard 法計算液體定壓比熱容，可利用下表 查取結(jié)構數(shù)據(jù)。 所以 ? ?6 4 4 9 2C H COOC H的比熱容如下： /C J mol ?Ｐ ＝ 1203 ℃ (140℃ ) ? ?41 .7 2 28 .3 6 11 7. 2 43 3. 4 /C J m ol? ? ? ? ? ?Ｐ ＝ ℃ (25℃ ) ? ?1 2 0 3 4 3 3 .4 / 2 8 1 8 .2 /C J m o l? ? ?Ｐ ＝ ℃ 苯 酐 正丁醇 正丁醇 鄰苯二甲酸二丁酯 硫酸 140℃ 酯化 反應釜 硫酸 25℃ Q 第 xxi 頁 共 39 頁 表 基團結(jié)構摩爾熱容值 [J/（ mol℃） ] 基團 摩爾熱容值 [溫度 (25℃ )] 摩爾熱容值 [溫度 (70℃ )] CH3 CH2 O ? ? ，＝１ 0211 ? ???? ttCiMiQ ? ? ? ? ? ?31 4 1 2 4 .2 3 1 0 8 1 8 .2 1 4 0 2 5 / 2 2 7 8 7 1 5 8 5 1 .4Q M i Ci t t KJ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ＝(2) 由于是間歇過程，所以 51?Q 較小可以 忽略。 (3) 過程熱效率 31?Q 的計算 過程熱效率可以分為兩類：一類是化學過程的熱效率即化學反應速率；另一類是物理過程熱效率。物料化學變化過程，除化學反應外，往往伴隨著物料狀態(tài)變化熱效率，但本工藝流程中物理過程熱效率較低，可以忽略不計，則過程熱效率可由下式計算： pr Q ???31 rQ －化學反應熱效應， kJ； pQ －物理過 程熱效應， kJ。 rQ 化學反應熱效應，可通過標準化學反應熱 ?rq ，按下式計算： ???rA Ar qM GQ 1000 ?rq 標準化學反應熱， KJ/mol； ＡG 參與化學反應的Ａ物質(zhì)的量， kg； AM A物質(zhì)分子量。 ? ? ? ?RfPfr qqq ?? ??? ?? ? ?Pfq? 生成物的標準生成熱， KJ/mol； 第 xxii 頁 共 39 頁 ? ?Rfq?反應物的標準生成熱， KJ/mol。 化學反應式 ： ? ?8 4 3 4 9 6 4 4 9 2 22C H O C H O H C H CO O C H H O?????? ?? (l) (l) (l) (l) 由手冊查得： 8 4 3CHO (l): ?fq = ??? fH = KJ/mol 49CHOH (l): ?fq = ??? fH = ? ?6 4 4 9 2C H COOC H (l): ?fq = ??? fH = KJ/mol 2HO(l): ?fq = ??? fH = KJ/mol ?rq =(+ 2)(+)= KJ/mol ＡG =AM ＝ 148g/mol rQ = 1 8 4 . 7 5 ( 2 8 5 . 5 ) 3 5 6 . 3 9148 KJ? ? ? ? pr Q ???31 = (4) 61?Q 的計算 酯 化反應在穩(wěn)定的操作條件下，使用內(nèi)外套管中冷卻水來移除熱量，沒有加熱問題，設備溫度保持不變，所以 51?Q =0。 61?Q =10% 31?Q = kJ 則： ６５４３２１ ＋＋＝＋＋ ?????? 111111 311161514121 ?????? ????? = 41?Q 90% 31?Q = 90% ? ?3 5 6 .3 9 7 1 6 1 7 2 .2? ? ? kJ 則 : ? ?1 1 1 0 71 61 72 .2 35 6. 39 71 58 15 .8Q Q Q? ? ? ? ? ? ?１ ２ ３＋ ＋ ＝ kJ ? ?1 1 1 0 Q Q? ? ? ? ? ? ? ?４ ５ ６＋ ＋ kJ 表 酯 化能量衡算表 第 xxiii 頁 共 39 頁 （吸收熱量為“ +”，釋放熱量 為“ ”） 名稱 熱量 (kJ) 輸入物料焓（ 11Q? ） 0 熱交換量（ 12Q? ） 過程熱效率（ 31?Q ） 輸出物料焓（ 14Q? ） 設備消耗熱量（ 15Q? ） 0 熱損失（ 16Q? ） 則 : ６５４３２１ ＋＋＝＋＋ ?????? 111111 所以 酯 化反應釜中能量守恒。 蒸餾過程的能量衡算 蒸餾 過程的能量方框圖 圖 蒸餾 過程的 流程 圖 DBP 酯 化過程的能量衡算 (1) 過程中蒸汽的動能和勢能的變化較小，可忽略。 蒸 餾 塔 DBP % 丁醇 % 水 % 原料液 F 塔頂產(chǎn)品 D 水 丁 醇 塔底液 W DBP 98% 水 2% 第 xxiv 頁 共 39 頁 以整個蒸餾塔，包括冷凝器和再沸器作為系統(tǒng)邊界。 輸入：再沸器輸入 的熱量 BQ +料液顯熱 FH 輸出：冷凝器冷量 CQ +塔