1、關于物料衡算過程第一張，PPT共六十三頁，創作于2022年6月高分子工程設計Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology 作用 物料衡算是整個工藝設計中非常重要的環節,有很重要的作用。 為熱量衡算、設備工藝計算、管道計算、輔助工序及公用工程設計計算、生產成本核算等提供依據。 在確定生產裝置由幾條生產先組成以及工藝參數的確定中起著非常重要的作用。 是指導生產過程的重要依據。 類型 按計算范圍分為單元操作(或單個設備)的物料衡算和全流程(包括各個單元操作的全套裝置)的物料衡算;按操作方式分為連續操作的物料衡算和間歇操

2、作的物料衡算;此外,還有帶循環過程的物料衡算。第二張，PPT共六十三頁，創作于2022年6月高分子工程設計Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology 對于沒有化學反應的生產過程來說,質量守恒定律:物料進入量=物料離開量+裝置內積累量+過程損失量 對于有化學反應的生產過程來說,質量守恒定律:物料進入量=物料離開量+反應消耗量+裝置內積累量+過程損失量。注: 對于沒有化學變化及物理化學變化的密封設備或工序如泵、換熱器等可不進行物料衡算; 對于只有物料損失的設備或工序如切粒機、打包機等可只做總物料衡算; 對于有化學變

3、化或物理化學變化的設備或工序如反應器、精餾塔、蒸發器、結晶器、干燥裝置等不僅要進行總物料衡算還要對各組分及組成分別進行物料衡算。 理論依據 物料衡算的理論依據是質量守恒定律。第三張，PPT共六十三頁，創作于2022年6月高分子工程設計Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology 流量3.1.2 物料衡算的基本概念單位時間內物料流過設備的數量,如質量流量、體積流量產量單位時間內生產裝置生產出產品的數量,如年產量、月產量、 日產量等消耗量生產單位數量產品所需原材料的數量損失量生產單位數量產品損失掉原材料的數量純度物料

4、中含主要成分的百分比配料比進入生產裝置的各種原料之間的比例關系,如質量比、 摩爾比轉化率反應物參加反應的百分率單程收率生產為目標產物的反應物數量占反應物起始數量的百分比,等于轉化率乘以選擇性回收率副產物或未參加反應的反應物經處理后可以重新利用的百分比選擇性生成目標產物的反應物數量占參加反應的反應物數量的百分比第四張，PPT共六十三頁，創作于2022年6月高分子工程設計Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology 3.1.3 計算基準及單位 在進行物料衡算時,一般不同的操作方式、不同的計算目的,對應選擇的計算基準以

5、及確定的計算單位不同。 連續生產過程 整套生產裝置的操作狀態不隨時間的變化而變化,屬于定態操作過程,一般選時間為計算基準,對應計算單位為Kg/h 、 Kmol/h 、 m3/h等。第五張，PPT共六十三頁，創作于2022年6月高分子工程設計Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology 間歇生產過程 物料都是一批批加入生產裝置進行加工處理的,屬于非定態操作過程,一般選批為計算基準,對應計算單位為Kg/B 、 Kmol/B 、 m3/B 。 原料消耗計算、成本核算 可以單位產品數量作為計算基準。第六張，PPT共六十三

6、頁，創作于2022年6月高分子工程設計Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology 3.1.4 計算步驟 畫出物料平衡關系示意圖 在了解工藝操作過程的基礎上,根據工藝流程草圖畫出物料平衡關系示意圖。其中,設備或工序可用方框表示、無物料變化的設備或工序可省去不畫、圖中應表明物流號、名稱及流向。 注明變化過程 明確物料在個設備或工序中發生的化學變化及物理化學變化,寫出主、副反應方程式 。第七張，PPT共六十三頁，創作于2022年6月高分子工程設計Design of Polymer Engineering, Shaan

7、xi University of Technology 收集數據資料 生產規模、 生產時間、 相關技術指標(如原料消耗量、各設備損失量、配料比、循環比、回流比、轉化率、單程收率、回收率等) 、質量標準(原料、助劑、中間產物和產品規格、組成及相關物理化學常數) 、化學變化及物理化學變化的變化關系。 選擇計算基準及計算單位 整個計算過程應保持計算基準與計算單位一致,避免出錯。有時根據特殊需要局部工序或設備可另設計算基準及單位,最后要求進行單位換算建立各工序或各設備之間正確的物料時間平衡關系。第八張，PPT共六十三頁，創作于2022年6月高分子工程設計Design of Polymer Engine

8、ering, Shaanxi University of Technology 確定計算順序 對于已有生產裝置進行的標定或挖潛改造做的物料衡算,可直接采用順流程計算。 對于待建生產裝置的工藝設計,先將產量換算成單位時間處理原料量,然后采用順流程計算。 對于復雜的生產過程,可先將生產過程分解到工序并對各工序進行物料衡算,然后將各個工序分解到各個設備并進行物料衡算。 對于簡單的生產過程可直接對整套裝置中的各個設備進行物料衡算。第九張，PPT共六十三頁，創作于2022年6月高分子工程設計Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Tech

9、nology 展開計算 根據所收集的數據資料及選擇的計算基準和單位,按照確定的計算順序運用化學、化工及物化知識(如質量守恒定律、化學計量、組分數量分率約束式、設備約束式(包括進料比、相平衡關系、化學平衡關系、轉化率和選擇性等),逐個工序、逐臺設備建立物料平衡關系式,進行物料平衡計算。 整理并校核計算結果 對每個工序或設備進行物料衡算后必須立即根據約束條件對計算結果進行校核,確保計算結果正確無誤。當計算全部結束后必須及時整理、 編寫物料衡算說明書(包括數據資料、計算公式、全部計算過程及計算結果等)第十張，PPT共六十三頁，創作于2022年6月高分子工程設計Design of Polymer En

10、gineering, Shaanxi University of Technology 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果的一種簡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、 數量、 組成、 流動方向、 相互之間的關系等。 物料衡算結束后，必須利用計算結果對全流程進行經濟分析與評價、考查生產能力、生產效率、生產成本等是否符合預期的要求，物料消耗是否合理，工藝條件是否合適等，同時及時發現和解決流程設計中存在的問題。第十一張，PPT共六十三頁，創作于2022年6月高分子工程設計Design of Polymer Engineering, S

11、haanxi University of Technology 3.2 連續生產過程的物料衡算 對反應比較簡單或僅有一個反應且只有一個未知數的情況可直接求算；對反應比較復雜，物料衡算應依物料流動順序分步進行。 直接求算法 利用結點進行衡算 在化工生產中常有某些產品的組成需要用旁路調節才能送往下一個工序的情況，可采用結點進行衡算如圖3-1所示。第十二張，PPT共六十三頁，創作于2022年6月高分子工程設計Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology 生產過程中常有不參加反應的物料，即惰性物料。由于這種惰性物料數量在

12、反應器的進出物料中不變化，因此可利用它與其它物料在組分中的比例關系求取其它物料的數量，此惰性物料為衡算聯系物。 利用聯系組分進行物料衡算圖3-1 結點第十三張，PPT共六十三頁，創作于2022年6月高分子工程設計Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology 3.3 間歇生產過程的物料衡算 必須建立時間平衡關系，避免造成設備之間生產能力大小相差懸殊的不合理狀況。收集數據時要注意整個工作周期的操作順序和每項操作時間；把所有操作時間作為時間平衡的單獨一項記錄，進行時間平衡時需考慮不均衡系數。可根據生產周期的每項操作時間

13、分析影響提高生產效率的關系問題。 在化工生產中，循環過程比較多見，如部分產品的循環（如回流） 、未反應原料分離后循環再利用等。目的是維持操作。控制產品質量。降低原料消耗。提高原料利用率等。3.4 循環過程的物料衡算第十四張，PPT共六十三頁，創作于2022年6月高分子工程設計Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology 3.4.1 典型穩定循環過程 圖3-2為典型的穩定循環過程。表示將再循環流包括在內的整個過程表示新鮮原料F與循環物料R混合后的物料同進入工藝過程的總物料流間的物料平衡表示工藝過程的物料平衡（總進料

14、與總產物流間的平衡）表示總產物流與它被分離后所形成的凈產品流P和循環流R間的平衡圖3-2 典型的穩定循環過程第十五張，PPT共六十三頁，創作于2022年6月高分子工程設計Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology 3.4.2其它類型循環過程 凈化循環過程、旁路流程過程、雙循環過程、多循環過程、循環圈相套過程以及復雜循環過程。圖3-3(a)和3-3(b)分別為凈化循環過程和旁路流程過程。圖3-3 其它類型循環過程第十六張，PPT共六十三頁，創作于2022年6月高分子工程設計Design of Polymer En

15、gineering, Shaanxi University of Technology 3.5 物料衡算示例例1、PET連續聚合反應過程的物料衡算 本聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)連續操作工藝是采用高純度對苯二甲酸（PTA）與乙二醇（EG）為原料，直接酯化后經縮聚反應得到PET 。單條生產線每年可生產10萬噸PET,這條生產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備和次要物料管線。第十七張，PPT共六十三頁，創作于2022年6月高分子工程設計Design of Polymer Engineering, S

16、haanxi University of Technology 圖3-4 PTA直接酯化縮聚連續操作工藝流程草圖第十八張，PPT共六十三頁，創作于2022年6月高分子工程設計Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology 一、畫出物料平衡關系示意圖 完整PET連續操作工序的物料衡算過程比較復雜，為了說明問題，只對流經反應器的物流進行物料衡算，流經反應器物料平衡關系簡圖,如圖3-5所示 。 圖3-5 PTA直接酯化縮聚連續操作主反應器物料平衡關系示意圖第十九張，PPT共六十三頁，創作于2022年6月高分子工程設計De

17、sign of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology 二 、明確物料發生的化學變化與物理化學變化，寫出主、副反應方程式化學變化。PET合成過程中,每個反應器中都發生酯化反應、酯化縮聚反應和縮聚反應,其反應方程式(用官能團表示)如下:酯化反應:第二十張，PPT共六十三頁，創作于2022年6月高分子工程設計Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology 酯化縮聚反應:縮聚反應:第二十一張，PPT共六十三頁，創作于2022年6月高分子工程設計Desig

18、n of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology 為了描述各反應進行的程度特做如下定義:酯化率:縮聚反應程度:乙二醇與PTA摩爾比:平均聚合度:第二十二張，PPT共六十三頁，創作于2022年6月高分子工程設計Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology 物理化學變化（相變化）。在各酯化釜中，由于反應溫度高于水和EG的沸點,酯化生成的水被蒸出反應體系。根據氣液平衡關系，反應液中仍含有少量的水,水蒸出時夾帶出一定比例的EG, 蒸出的EG經分離后全部返

19、回到反應器中，因此各酯化反應器中原料配比不變,即MrMr0 。 在縮聚反應釜中，為了使縮聚反應向生成聚合物的方向移動，需盡量降低反應液中EG的含量，因此,縮聚階段特別是反應后期，需在高真空的條件下進行, 各縮聚釜中生成的EG大部分被蒸出，使Mr Mr0 。第二十三張，PPT共六十三頁，創作于2022年6月高分子工程設計Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology 三、收集數據資料生產時間。年工作日：336d/a（24h/d）生產規模。設計任務書中規定的年產量為10萬噸相關技術指標工藝配方： 催化劑用量：c=0.0

20、5WtPTA 消光劑用量：d0.5WtPTA（配制成20EG混合漿液） 投料配比：M r0NE0:NT0 1.12 切粒、包裝工序物料損失率：e=0.5質量標準（略）第二十四張，PPT共六十三頁，創作于2022年6月高分子工程設計Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology 化學變化及物理化學變化的變化關系 因各反應器中發生的主要化學反應相同,反應的進行程度(x、p)不同,因此,各反應器中物料組成變化的計量關系是相同的。各反應器反應液中聚合物數量為:各反應器反應液中乙二醇數量為:酯化反應生成水數量為:第二十五張，

21、PPT共六十三頁，創作于2022年6月高分子工程設計Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology 各酯化釜中水、EG的汽化量和反應液中殘留量參考表3-1計算各縮聚釜蒸出EG數量為:四、選擇計算基準與計算單位 連續操作過程，可選擇時間為計算基準，計算單位為kg/h表3-1 各酯化釜中水、EG的汽化量和反應液中殘留量第二十六張，PPT共六十三頁，創作于2022年6月高分子工程設計Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology 六、計算主要

22、原料(PTA )投料流量五、確定計算順序 可得到產品產量與主要原料（PTA）投料量之間的比例關系，宜采用順流程的計算順序。PET熔體流量與PTA理論投料WT的關系為:第二十七張，PPT共六十三頁，創作于2022年6月高分子工程設計Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology 該生產裝置年產量為10萬噸,年開工336d,連續生產,切粒、包裝工序物料損失率為0.5%,因此PET熔體流量為:PTA實際投料質量流量為:PTA實際投料摩爾流量為:第二十八張，PPT共六十三頁，創作于2022年6月高分子工程設計Design

23、of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology 七、順流程逐個設備展開計算 R101物料衡算 圖3-6為 R101物料平衡示意圖。101.0第二十九張，PPT共六十三頁，創作于2022年6月高分子工程設計Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology 101.2101.3101.1第三十張，PPT共六十三頁，創作于2022年6月高分子工程設計Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Te

24、chnology 第三十一張，PPT共六十三頁，創作于2022年6月高分子工程設計Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology R102物料衡算 圖3-7為 R102物料平衡示意圖。102.2102.30.9第三十二張，PPT共六十三頁，創作于2022年6月高分子工程設計Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology 102.1第三十三張，PPT共六十三頁，創作于2022年6月高分子工程設計Design of Polymer Engi

25、neering, Shaanxi University of Technology R201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)。由于抽真空會有少量聚合物被夾帶出使201.1中的NT0減少為NT0,同時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)第三十四張，PPT共六十三頁，創作于2022年6月高分子工程設計Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology 201.1第三十五張，PPT共六十三頁，創作于2022年6月高分子工程設計Des

26、ign of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology 201.2第三十六張，PPT共六十三頁，創作于2022年6月高分子工程設計Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology 202.1 R202物料衡算 圖3-9為 R202物料平衡示意圖。 在R202中由于抽真空會有少量聚合物被夾帶出使201.1中的NT0減少為NT0,同時夾帶出極少量的消光劑和催化劑。第三十七張，PPT共六十三頁，創作于2022年6月高分子工程設計Design of Polym

27、er Engineering, Shaanxi University of Technology 202.2 第三十八張，PPT共六十三頁，創作于2022年6月高分子工程設計Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology R203物料衡算 圖3-10為 R203物料平衡示意圖。203.1203.2第三十九張，PPT共六十三頁，創作于2022年6月高分子工程設計Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology 計算出的203.1數量與開始時

28、求出的PET熔體的流量相同,說明物料衡算的整個過程是正確的。 八、繪制物料流程圖,編寫物料平衡表(見圖3-11,表3-2)第四十張，PPT共六十三頁，創作于2022年6月高分子工程設計Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology 圖3-11 物料流程圖第四十一張，PPT共六十三頁，創作于2022年6月高分子工程設計Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology 表3-2 物料平衡表第四十二張，PPT共六十三頁，創作于2022年6月高分

29、子工程設計Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology 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過程主要由原料準備工序、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四十三張，PPT共六十三頁，創作于2022年6月高分子工程設計Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology 一、畫出物

30、料平衡關系示意圖 對于物料數量和組成都沒有發生變化的設備可不做物料衡算,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系示意圖第四十四張，PPT共六十三頁，創作于2022年6月高分子工程設計Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology 二、明確物料發生的化學變化與物理化學變化,寫出主、 副反應方程式V101、V103、V104中是單純物料混合，無相變與化學變化。 V102中75%的丙烯酸被中和,中和反應方程

31、式如下: R101中引發劑引發單體進行聚合反應,其反應方程式如下:第四十五張，PPT共六十三頁，創作于2022年6月高分子工程設計Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology 三、收集數據資料生產時間。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。生產規模。設計任務書中規定的年產量為4000噸 相關技術指標(見表3-3)表3-3 相關技術指標第四十六張，PPT共六十三頁，創作于2022年6月高分子工程設計Design of Polymer

32、 Engineering, Shaanxi University of Technology 化學變化參數。加入NaOH能夠與丙烯酸完全反應，生成丙烯酸鈉。各組分相對分子質量如下：質量標準。原料NaOH溶液濃度為50，其他原料均視為純物質。其中：75%中和的丙烯酸單體混合物平均相對分子質量為： 72 0.2594 0.75=88.50 聚合反應過程中單體完全參加反應，轉化率可視為100%，單體混合物與聚合物之間無化學計量上的變化，但引發劑結合到聚合物分子鏈上，會使聚合物數量略有增加。第四十七張，PPT共六十三頁，創作于2022年6月高分子工程設計Design of Polymer Engine

33、ering, Shaanxi University of Technology 四、選擇物料衡算基準及計算單位 由于產物與原料之間化學計量關系比較簡單，且整個工藝過程比較簡單，容易得到產量與單體原料投料量之間的比例關系，所以采用順流程的計算順序。 間歇操作過程，基準為“批”，單位為B/d。大部分設備的操作周期為8B/d，只有V104操作周期為1B/d。引發劑向R101進料周期為8B/d ，所以在做物料衡算時，物料M11的數量仍以8B/d計算。在做設備工藝計算時，V104的體積大小應按1B/d處理量進行計算。五、確定計算順序第四十八張，PPT共六十三頁，創作于2022年6月高分子工程設計Desi

34、gn of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology 六、計算主要原料(丙烯酸)投料數量 該生產裝置年產量4000t，年開工330d，每天生產8批，后處理中聚合物損失率2%。 引發劑(0.2%單體質量)全部結合到聚合物中 單體100%轉化成聚合物,且單體的相對分子質量與聚合物結構單元相對分子質量相同 丙烯酸相對分子質量:單體平均相對分子質量=72:88.5第四十九張，PPT共六十三頁，創作于2022年6月高分子工程設計Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Tec

35、hnology 七、順流程逐個設備展開計算 V102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)第五十張，PPT共六十三頁，創作于2022年6月高分子工程設計Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology M6(45%單體溶液)M5(無離子水B)第五十一張，PPT共六十三頁，創作于2022年6月高分子工程設計Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology V101物料衡算 圖3-15

36、為 V101物料平衡示意圖。M4(30%NaOH溶液)=1743.49KgB%1M2(50%NaOH溶液)M3(無離子水A)=1220.44-523.05=697.39KgB-1第五十二張，PPT共六十三頁，創作于2022年6月高分子工程設計Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology V103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%單體質量。M7M8M9第五十三張，PPT共六十三頁，創作于2022年6月高分子工程設計Design of Polymer En

37、gineering, Shaanxi University of Technology R101物料衡算 圖3-17為 R101物料平衡示意圖。M10(待聚合液)=M4+M9M11(引發劑水溶液)第五十四張，PPT共六十三頁，創作于2022年6月高分子工程設計Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology M12(聚合物混合液) V104(引發劑調配罐)物料衡算M13引發劑=M14H2O=第五十五張，PPT共六十三頁，創作于2022年6月高分子工程設計Design of Polymer Engineering, S

38、haanxi University of Technology 八、整理并校核計算結果 對如圖3-18所示的聚合工序全面物料平衡計算,利用物料守恒定律進行校核。九、繪制物料流程圖,編寫物料平衡表(見圖3-19,表3-4)第五十六張，PPT共六十三頁，創作于2022年6月高分子工程設計Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology 圖3-19 物料流程圖第五十七張，PPT共六十三頁，創作于2022年6月高分子工程設計Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology 表3-4 物