物料衡算和热量衡算

3 物料衡算

依据原理：输入的物料量=输出的物料量+损失的物料量

3.1 衡算基准

年生产能力：2000吨/年 年开工时间：7200小时 产品含量：99%

3.2 物料衡算

反应过程涉及一个氧化反应过程，每批生产的产品相同，虽然有原料对叔丁基甲苯和溶剂甲苯的循环，第一批以后循环的物料再次进入反应，但每批加料相同。在此基础上，只要计算第一个批次的投料量，以后加料一样。

反应釜内加热时间2h、正常的反应时间18h、冷却时间1h。加上进料和出料各半个小时，这个生产周期一共2+18+1+1=22h。所以在正常的生产后，每22小时可以生产出一批产品。每年按300天生产来计算，共开工7200小时，可以生产327个批次。要求每年生产2000吨对叔丁基苯甲酸，则每批生产2000÷327＝6.116吨。产品纯度99 %( wt %)

实际过程中为了达到高转化率和高反应速率，需要加入过量对叔丁基甲苯做溶剂，反应剩余的原料经分离后循环使用。 3.2.1 各段物料

(1) 原料对叔丁基甲苯的投料量

设投料中纯的对叔丁基甲苯为X kg，则由

C11H16 C11H14O2 M 148.24 178.23 m x 6054.8 得x=6054.8×148.24÷178.23=5036.0 kg

折合成工业原料的对叔丁基甲苯质量为5036.0÷0.99=5086.9kg 实际在第一批生产过程加入的对叔丁基甲苯为6950.3kg （2）氧气的通入量

生产过程中连续通入氧气,维持釜内压力为表压0.01MPa,进行氧化反应。实

际生产过程中,现场采集数据结果表明,通入的氧气量为1556.8 kg，设反应消耗的氧气量为x kg

3/2O2 C11H14O2 M 31.99 178.23

m x 6054.8

得x= 3/2×6054.8×31.99÷178.23=1630.1kg

此时采用的空气分离氧气纯度可达99%，因此折合成通入的氧气为1630.1÷0.99=1646.6 kg即在反应过程中，需再连续通入1646.6kg氧气。

（3）催化剂

催化剂采用乙酰丙酮钴(Ⅲ)，每批加入量10.4 kg （4）水的移出量 设反应生产的水为x kg

H2O C11H14O2 M 18.016 178.23 m x 6054.8 得x=6054.8×18.016÷178.23=612 kg

产生的水以蒸汽的形式从反应釜上方经过水分离器移出。 3.2.2 设备物料计算

（1） 计量槽 对叔丁基甲苯计量槽：

一个反应釜每次需加入的对叔丁基甲苯质量为3475.1÷2=3475.15 kg 对叔丁基甲苯回收计量槽：每批反应结束后产生母液1834.8kg 甲苯计量槽：每批需加入甲苯做溶剂，加入量为396.1 kg

（2）反应釜： 反应结束后，经过冷却、离心分离后，分离出水612kg，剩余的对叔丁基甲苯1834.8kg循环进入下一批产品的生产。分离出来的固体质量为：6950.3+10.4+1646.6-612-1834.8=6160.5 kg 。

（3）进入离心机的物料：6950.3＋10.4＋1646.6－1834.8－612=6160.5kg （4）脱色釜：分离机分离出来的粗产品移入脱色釜，加入甲苯做溶剂，加入量为396.1 kg，搅拌升温将产品溶解，再加入76.5 kg活性碳进行脱色。进入

脱色釜物料：6160.5+396.1+76.5=6633.1kg。

（5）保温过滤器：分离出废碳104.3kg，滤液6633.1－104.3=6528.8kg （6）结晶槽：每次过滤产生的滤液6528.8÷2=3264.4kg

（7）产品离心机：结晶槽中的浆状物料放入离心机中进行过滤，每批过滤出滤液甲苯361.4 kg ，过滤过程中由于甲苯挥发造成的损失约34.9 kg。过滤后的滤饼用528 kg水分批洗涤滤饼，产生废水521 kg。从过滤器移出湿滤饼：528+6132.5-521=6139.5 kg

（8）干燥器：除去产品中含有的水6.3 kg，最后得到产品.：6139.5-6.3=6133.2

kg

图 3.1物料衡算汇总图（以kg为单位）：

4 热量衡算

原理：输入的热量=输出的热量+损耗的热量

4.1 反应釜

4.1.1 升温阶段 物料数据：

进料对叔丁基甲苯3475.1kg，氧气一共2380 kg，进料温度都为常温25℃，在反应釜里利用夹套加热至反应温度170℃。

平均温度都为：（25+170）=67.5℃

由液烃比热算图（物性数据计算中液烃比热章节）： 已知对叔丁基甲苯的比重：0.853 查得67.5 ℃ 下的比热为 0.56千卡/公斤·℃=2.34 kJ/kg·k)

22

cpR(ABTCTDT)氧气的比热容计算：

A3.639 B0.506103 C0.227105 D0

cp8.314(3.6390.506103T0.227105cp0.9183kJ/kg·k）

1

)T2

Q1mcpt3.169×105kJ/kg·k）

对叔丁基甲苯的吸热量：

Q2mcpt=3475.1×2.34×（170—25）=1.179×106 kJ/kg·k)

加热介质：

用热导油进行加热，选用YD―300系列热导油，令其进口温度为230℃，出口温度为200℃。中间加设加热器使热油循环进行加热。基本数据如下：

表4.1 YD―300系列热导油

YD―300系密度（㎏/m3） 200℃ 250℃ 比热容（kJ/㎏·k） 200℃ 250℃ 导热系数（W/m·k） 200℃ 250℃ 200℃～230℃的平均密度为882.2kg/m3，平均比热容为2.481kJ/(kg·k)，平均导热系数为0.11w/(m·k)。由公式Qmcpt 加热时间为2h，可计算出每小时所需热油循环量:

mQ/cpt

=10053.1kg/h

4.1.2反应阶段 燃烧热：

查得燃烧热：氧气为:0 水为：0

燃烧热估算（参考文献：化工数据导引，王福安主编）： Cardozo法估算:HC(S)206.21606.56N HC(l)196.98610.13N

NNCNi

Nc—化合物中C原子总数 ΔNi=各种结构和物相修正系数

对叔丁基甲苯：N=11+（-1.173-0.031+0.012ln4-0.031+0.012ln1)=9.78 HC(l)196.98610.13N=-6165.05kJ/mol=-4.159×104kJ/kg 对叔丁基苯甲酸：N=11+(-1.173-0.013+0.012ln4-1.038)=8.79

HC(S)206.21606.56N=-5537.87kJ/mol=-3.107×104kJ/kg 过程如下：

H1mcpt2543.4×2.34×（25—170）+823.3×0.9183×10-3×（25—170）

=—8.63×105 KJ

H2Q对叔丁基苯甲酸的燃烧热Q水的燃烧热-Q对叔丁基甲苯的燃烧热-3/2Q氧气的燃烧热

=-3.107×104×3027.4-(-4.159×104)×2518.0

4.1.2反应阶段 燃烧热：

查得燃烧热：氧气为:0 水为：0

燃烧热估算（参考文献：化工数据导引，王福安主编）： Cardozo法估算:HC(S)206.21606.56N HC(l)196.98610.13N

NNCNi

Nc—化合物中C原子总数 ΔNi=各种结构和物相修正系数

对叔丁基甲苯：N=11+（-1.173-0.031+0.012ln4-0.031+0.012ln1)=9.78 HC(l)196.98610.13N=-6165.05kJ/mol=-4.159×104kJ/kg 对叔丁基苯甲酸：N=11+(-1.173-0.013+0.012ln4-1.038)=8.79

HC(S)206.21606.56N=-5537.87kJ/mol=-3.107×104kJ/kg 过程如下：

H1mcpt2543.4×2.34×（25—170）+823.3×0.9183×10-3×（25—170）

=—8.63×105 KJ

H2Q对叔丁基苯甲酸的燃烧热Q水的燃烧热-Q对叔丁基甲苯的燃烧热-3/2Q氧气的燃烧热

=-3.107×104×3027.4-(-4.159×104)×2518.0

=1.066×103KJ

2.193×（170—25）+306×4.174×（170—25） H3mcpt3027.4× =1.148×106 kJ

HH1H2H3—8.63×105 +1.066×103+1.148×106=2.86×105 kJ

由公式Qmcpt 反应时间为18h，可计算出每小时所需热油循环量:mQ/cp=6406.8kg/h 4.1.3保温阶段

表4.2 常年运行工况允许的最大热损失

设备、管道及附件表面温度（℃）

允许最大热损失（W/m2）

50 58

100 93

150 116

200 140

250 163

表4.3 保温层平均温度Tm值

周围空气温度（℃）

100

25

70

介质温度（℃） 150 95

200 125

250 150

加热和反应过程都需要保温，保温阶段需要吸热量：

反应釜内反映温度为170℃，内插查得允许的最大热损失为125.6W/m2,平面型单层绝热层，在最大热损失下绝热层厚度的计算

TsT1  (4.131)

Qs 0.042

0 (4.132) 0.000T2m3 7

ss'1.163 (4.133)

Ts—管道或设备的外表面温度，无衬里时，取介质正常运行温度，℃；

T—环境温度，室外保温，取历年的年平均值的平均值；

 —绝热材料在平均温度下的热导率，W/(m·k)；

s—绝热层外表面周围空气的放热系数，W/(m2·k)

—绝热层厚度，m；

Q—绝热层外表面单位面积的最大允许热损失量，W/m2； Tm—保温层的平均厚度；查表4.3得Tm=107 s'—对保温 s'取11；W/(m2·k)

—风速，取5m/s； 将数据代入公式得

170251

)

125.6s



0.0420.00023（107-70）

(

s1161.16328.4w/(mk)

2



求得 0.0505 0.05652，圆整后取0.070。 平面型单层绝热结构的热损失量的计算

Q

TsT

式中符号意义和单位同前 1s

将已知数据代入上式得

Q

17025

102.02W/m2

0.071

0.050528.4

保温阶段：脱色釜的换热面积A=9.74m2，保温时间t=20h，所以保温阶段的热损失量为Q'QA102.02×9.74×20×3600=7.1541×104kj，则保温阶段所需的加热介质量为mQ/cp=1442.37kg/h 4.1.4冷却阶段 全部物料：170对叔丁基甲苯的放热量：

Q1MCPt=917.4×2.34×（60—170）=-2.362×105 kJ

60℃

对叔丁基苯甲酸的放热量：

Q2MCPt=3085.3×2.193×（60-170）=-7.443×105kJ

放热总量：QQ1Q2=-9.805×105 kJ

反应结束后，切换冷油。选择的冷却油还是YD―300系列热导油，令其进口温度为20℃，出口温度为50℃。中间加设冷凝器使热油循环进行冷却。基本数据如表4.4所示：

表4.4YD―300系列热导油技术参数

YD―300系列热导油

密度（㎏/m3） 20℃ 1005

50℃ 990

比热容（kJ/㎏·k） 20℃ 0.4321

50℃ 0.4540

导热系数（W/m·k） 20℃ 0.1055

50℃ 0.1042

20℃～50℃的平均密度为997.5kg/m3，平均比热容为0.4430kJ/(kg·k)，平均导热系数为0.1049w/(m·k)。由公式Qmcpt 加热时间为1h，可计算出每小时所需热油循环量:mQ/cpt=7.4×104kg/h

4.2 冷凝器

冷却水走壳程。冷却时间为反应时间18h，平均每小时冷却的水生成量： 306÷18=17 kg/h

冷介质（冷水）： 25 40℃ 热介质（物料）：170℃ 50℃ 平均温度

冷水：（25+40）÷2=32.5 物料：（170+100）÷2=135 （100+50）÷2=75

水蒸汽物性数据：Cp1=1.866 kJ·kg-1·K-1 ρ1=0.2416 kg/m3 μ1=1.35×107mPa·s λL=0.0275W/(m·K) 水的物性数据：

Cp1=4.174 kJ·kg-1·K-1 ρ1=995.1 kg/m3 μ1=0.690 mPa·s λL=0.6293 W/(m·K)

4.2.1冷凝过程放出的热量及冷却水用量 放出的热量：Q=m Cp(T1-100)+mr+m Cp(100-T2)

=17×1.866×70+17×2257×17+17×4.174×50=4.414×104 kJ/h 冷却水用量:由Q=m Cp(t2-t1) 得m=4.414×104÷4.174÷25=423.0 kg/h 4.2.2 换热器面积计算

依据：Q=KA Δtm

Δtm=[( T1-t2 )-( T2- t1 )]/㏑[( T1-t2 )/ ( T2- t1 )] =[(170-50)-(40-25)/㏑[(170-50)/(40-25)]=48.62

当热流体为水蒸汽，冷流体为水时传热系数为1162~4250 W/(m2·K)，这里取K=1500W/(m2·K)

A=Q/( KΔtm)=4.414×104 ×1000÷1500÷48.62÷3600=0.1681 m2

考虑反应过程前后反应速率不一致，刚反应时速率较快，产生的水蒸汽较多，并且还夹带一些原料蒸汽，因此面积应加大，以达到冷却效果。

4.3 脱色釜

粗产品对叔丁基苯甲酸需要重结晶提纯，因此加入甲苯溶解，活性碳脱色。 4.3.1脱色釜内物质需要的加热量

由反应釜出来的对叔丁基苯甲酸： 60℃ 110℃ 加入的甲苯 ： 25℃ 110℃ 活性碳： 25 110℃

对叔丁基苯甲酸平均温度：（60+110）÷2=85 甲苯平均温度：（25+110）÷2=67.5 活性碳平均温度：（25+110）÷2=67.5 查得物性数据：

对叔丁基苯甲酸：2.193 kJ·kg-1·K-1 甲苯：1.757 kJ·kg-1·K-1 活性碳：0.840 kJ·kg-1·K-1

表4.5加热介质饱和蒸汽数据

压力/kpa 300kpa饱和蒸汽

温度/℃ 133.3

蒸汽的比

体积m3/kg 0.606

汽化热 KJ/kg 2168.1

密度 Kg/m3 1.65

加热阶段需要吸收热量：

QQ1Q2Q3

m1cptm2cptm3cpt

=3085.3×2.193×（110—60）+396.1×1.757×（110—25)+76.5×0.840×（110—25） =3.383×105+5.9×104+0.5462×104

=40.2762×104k就

饱和蒸汽用量：m=Q/r=402762÷2168.1=185.77kg

保温阶段需要吸热量：

脱色釜内反映温度为110℃，查表4.2得允许的最大热损失为93W/m2,平面型单层绝热层，在最大热损失下绝热层厚度的计算

TsT1  Qs

0.042 0 0.000T2m3 7

查表4.3得Tm75

ss'1.16 3

将数据代入公式得 110251 () 93s



0.0420.00023（75-70）

s1161.163

28.4w/(mk)

求得 0.043 0.038，圆整后取0.05。

平面型单层绝热结构的热损失量的计算

QTsT 式中符号意义和单位同前 s2

将已知数据代入上式得

Q

1102570.95W/m2 0.04328.4

保温阶段：脱色釜的换热面积A=9.74m2，保温时间t=2h，所以保温阶段的

'Q热损失量为QA70.95×9.74×2×3600=4975.581kJ，则保温阶段所需的加热

介质量为

m=Q/r=4975.58÷2168.1=2.29kg

4.4结晶槽

将活性碳过滤除去后，在结晶槽中进行重结晶。

滤液：110℃ ℃

冷却水：20℃ 30℃

滤液放热量：

2.193×(30-110)+361.4×1.757×（30-170） Qmcpt3057.3×

=-5.582×105KJ

冷却水用量：mQ/cpt5.582×105÷4.174÷10÷2=6686.63kg