物料与热量衡算模板
干燥过程物料与热量衡算
QV W 2490 1.88t2 4.1871W
忽略物料中水分带入的焓
QV W 2490 1.88t2
W 2490 1.88t2 100% Q
四、空气通过干燥器时的状态变化不向干燥器中补充热量QD=0；
2、空气消耗量L
G X 1 X 2 W L H 2 H1 H 2 H1
每蒸发1kg水分时，消耗的绝干空气数量l
L 1 l W H 2 H1
3、干燥产品流量G2
对干燥器作绝干物料的衡算
G2 1 2 G1 1 1
G1 1 1 G2 1 2
I1 I 2
I t1 t2 B
I1 I 2
C3
C2
C C1
H
2）操作线在过点B的等焓线上方 向干燥器补充的热量大于损失的热量和加热物料消耗的 热量之总和
I1 QL QD GI 2
LI1 I 0 LI 2 I 0
I1 I 2
3）操作线为过B点的等温线 向干燥器补充的热量足够多，恰使干燥过程在等温下进行
1.01t2 t0 2490 1.88t2 H 2 H 0
湿物料进出干燥器的焓分别为
I1 cm11
cm2 2 I2
I1 cm 2 1 I2
I1 QL Q Q p QD LI 2 I 0 GI 2
H1 H 0 0.005kg / kg干空气
t2 60 ℃
H2
1.01 1.88 0.005140 2490 0.005 1.01 60
1.88 60 2490 1.88 60 2490
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C11H16C11H14O2 M 148.24 178.23m 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 kg3/2O2C11H14O2 M 31.99 178.23m 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。
化工设计 第3章 物料衡算和热量衡算PPT课件
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3.1 物料衡算
• 例1 某化工厂要求设计一套从气体中回收丙酮的装置系统，流 程框图如下，要求由已知资料，计算各物流的流率 （kg/h），以便进行设备设计。
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3.1 物料衡算
• 解：
由于除空气进料后的其余组成均是以质量百分数表示的， 所以取基准：100 kmol 气体进料。因此，将空气—— 丙酮的摩尔分率转换成质量分率
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3.2 热量衡算
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3.3 化工计算基础数据及来源
• 在化工计算以及化工工艺和设备设计中，必不可 少地要用到有关化合物的物性数据。例如，进行 化工过程物料与能量衡算时，需要用到密度或比 容、沸点、蒸汽压、烩、热容及生成热等等的物 性数据；设计一个反应器时，则需要知道化学反 应热的数据；计算传热过程时，需要导热系数的 数据等等。这些数据习惯上称为“化工基础数 据”，它是由物料本身的物理化学性质所决定的。 因此，又被称作“物化数据”或“物性数据”。
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3.2 热量衡算
• 方法
– 计算依据 热力学第一定律（能量守恒定律） – 平衡方程
Q W H g h u 2/2
在进行设备设计时，位能变化、动能变化、 外功等项相对较小，可忽略。所以流动系统的 能量衡算式为
H Q
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3.2 热量衡算
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3.2 热量衡算
分解液组成
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化工中物料衡算和热量衡算公式
化工中物料衡算和热量衡算公式一、物料衡算公式1.物料总量计算公式物料总量计算公式可以根据物质的密度（ρ）和体积（V）来计算。
公式如下：物料总量=密度×体积2.物料质量计算公式物料质量计算公式可以根据物质的密度（ρ）、体积（V）和物质的质量（m）之间的关系得出。
公式如下：质量=密度×体积3.物料浓度计算公式物料浓度计算公式可以根据溶质的质量（m）和溶液的体积（V）来计算。
公式如下：浓度=质量/体积4.溶液的重量和体积之间的关系溶液的重量可以根据溶液的密度（ρ）和溶液的体积（V）相乘得到。
公式如下：重量=密度×体积1.热量传递计算公式热量传递计算公式可以用于计算传热功率（Q）和传热面积（A）之间的关系。
公式如下：Q=h×A×ΔT其中，h为传热系数，ΔT为温差。
2.物料的热量计算公式物料的热量计算公式可以根据物料的质量（m）、比热容（Cp）和温度变化（ΔT）来计算。
公式如下：热量=质量×比热容×温度变化3.水的蒸发热计算公式水的蒸发热计算公式可以根据水的质量（m）和蒸发热（ΔHvap）来计算。
热量=质量×蒸发热三、补充说明1. 密度（ρ）是物质单位体积的质量，常用的单位有千克/立方米（kg/m^3）或克/立方厘米（g/cm^3）。
2. 比热容（Cp）是物质单位质量的热容量，表示单位质量物质温度升高1℃所需的热量，常用的单位是千焦/千克·℃（kJ/kg·°C）或焦/克·℃（J/g·°C）。
3.传热系数（h）是衡量热传导性能的参数，表示单位面积上的热量流入或流出的速率，常用的单位是瓦特/平方米·℃（W/m^2·°C）。
4.温度变化（ΔT）是物质的温度差，常用的单位是摄氏度（℃）或开尔文（K）。
5. 蒸发热（ΔHvap）是物质从液态转变为气态所需的热量，常用的单位是焦耳/克（J/g）或千焦/千克（kJ/kg）。
物料衡算和热量衡算
3 物料衡算和热量衡算计算基准年产 4500 吨的二氯甲烷氯化吸取，年工作日 330 天，每天工作 24 小时，每 小时产二氯甲烷：物料衡算和热量衡算反响器的物料衡算和热量衡算本反响为强放热反响，如不把握反响热并移走，温度会急剧上升，产生猛烈的燃烧反响， 是氯化物发生裂解反响。
由此可以通过参与过量的甲烷得到循环气，以之作为稀释剂移走反 应热。
〔一〕 计算依据〔1〕 二氯甲烷产量为： kg/h ，即： kmol/h ； 〔2〕 原料组成含: Cl 2 96%，CH 495%；（3） 进反响器的原料配比〔摩尔比〕: Cl 2：CH 4：循环气=1： （4） 出反响器的比例: CH 2Cl 2：CHCl 3=1：〔质量比〕(CHCl 3+CCl 4)/CH 2Cl 2=〔摩尔比〕；（5） 操作压力: 〔表压〕；（6） 反响器进口气体温度 25o C ，出口温度 420o C 。
〔二〕 物料衡算反Cl 2应CH 3Cl CH 2Cl 2 CHCl 3CH 4CCl 4 HCl假设循环气不参与反响，只起到带走热量的作用。
则设进口甲烷为 X kmol/h ，=h出反响器的一氯甲烷Y kmol/h，氯化氢Z kmol/h。
由进反响器的原料配比〔摩尔比〕Cl2：CH4：循环气=1：原料组成含: Cl2 96%，CH495%。
由CH2Cl2：CHCl3=1：〔质量比〕可得CHCl3每小时产量为：×=h由(CHCl3+CCl4)/CH2Cl2=〔摩尔比〕可得CCl4的量为×－=h用元素守衡法则：Cl 元素守衡=Y+×2+×3+×4+Z ①H 元素守衡4X=3Y+×2++Z ②C 元素守衡X=Y+++ ③解方程①①③得X=hY=hZ=h （1）所以反响器进口原料中各组分的流量：Cl2: ×=h=h 〔纯〕=h=h 〔含杂质〕CH4: h=h 〔纯〕=h=h 〔含杂质〕循环气流量：3×= kmol/h= Nm3/h其中：CH3Cl：kmol/hN2：×4%＋×3%= kmol/hCO2：×2%= kmol/h可知：= 得进口Cl2为kmol/h3 CH 4：－－－= kmol/h进口气体总量： ＋＋= kmol/h（2） 反响器出口中各组分流量：CH 3Cl ： kmol/h CH 2Cl 2： kmol/h CHCl 3 ： kmol/h CCl 4： kmol/h HCl ： kmol/h 循环气： kmol/h出口气体总量：＋＋＋＋= kmol/h（3） 出口气体中各组分的含量：CH 3Cl ： ×100%=%CH 2Cl 2：×100%=%CHCl ： ×100%=% CCl 4： ×100%=% HCl ： ×100%=% N 2：×100%=%CO 2： ×100%=% CH 4： ×100%=%表 3—1 反响器物料平衡组分kmol/h反响器进口组成%〔mol 〕 kg/h反响器出口kmol/h组成%〔mol 〕 kg/hCH 4 Cl 2 CH 3Cl CH 2Cl 22 2CHCl 3 CCl 4 HClN 2 CO 2 总计100 100〔三〕 热量衡算以 25℃为基准温度由《氯碱工业理化常数手册》查得如下数据：420℃时，由《氯碱工业理化常数手册》查得如下数据：物质n(kmol)CH 3ClCH 2Cl 2CHCl 3CCl 4HClN COΔt = 420－25=395℃输入焓：∑输入H = 0表 3—2 反响物料标准摩尔生成焓Δf/〔kJ/mol 〕 物质输入 输出CH 4Cl 2CO 2CH 3Cl CH 2Cl 2 CHCl 3 CCl 4HCln(kmol) Δf0 -100Δ f =∑ 生成物 n Δ H θ－∑ f m 反响物n Δ H θ=－×106 kJ f m 表 3—3 生成物的标准摩尔定压热容/(J ﹒K -1﹒mol -1)输出焓：∑ 输出 H = ∑nΔt = ×106 kJ℃时，由《氯碱工业理化常数手册》查得如下数据：物质n(kmol) CH4CH3Cl N2CO2考虑4%热损失，则×106×〔1-4%〕=则Q = Q放出带出循环气能带走的热量恰好为反响气放出的热量，是反响温度保持在420℃左右可以维持反响顺当进展。
7.3干燥过程的物料衡算和热量衡算
预热器
G, t1 , H1
干 燥 器
废气
G, t2 , H2
产品 L2, w2 (X2), θ2
湿物料 L1, w1 (X1), θ1
连续干燥流程图
G ——干空气质量流量，kg干气/h L1、L2 ——物料进出干燥器总量，kg物料/h
2
一、绝干物料量LC
( kg干物料/h )
LC L1 (1 w 1 ) L2 (1 w 2 )
8
三、空气出口状态的确定方法 ——确定H2、I2 （1）计算法
W G ( H 2 H 1 ) LC ( X 1 X 2 )
( H 2 、 I2 )
QD G ( I 2 I1 ) LC ( I 2 ' I1 ' ) QL
I1 I2 B t1 D C =1
7.3 干燥过程的物料衡算和热量衡算
7.3.1 干燥过程的物料衡算 湿基含水量 w [kg水/kg湿物料]
湿物料中水分质量 w 湿物料总质量
干基含水量 X
[kg水/kg干物料]
湿物料中水分质量 X 湿物料中绝干物料质量
X 换算关系： w 1 X
w X 1 w
1
G, t0 , H0
预热(t0t1) ：AB 干燥(t1t2) ：
• 等焓过程：BD • 不等焓过程：BC
t2 t0
A
10
补充热量: QD G ( I 2 I1 ) LC ( I 2 ' I1 ' ) QL 外加热量: Q Q
P
Q
D
Q G ( I 2 I 0 ) LC ( I 2 ' I 1 ' ) Q L
物料衡算,热量衡算
化工学院盐湖系14工艺计算本设计工艺计算包括物料衡算、热量衡算两部分。
4.1 物料衡算一、计算所用基础数据 1.洗涤精钾母液返回量为：02.粗钾泡沫固相组成(I 点)：10:90:=NaCl KCl W W3.尾盐浆料固相组成(J 点)：1.97:2.9:=NaCl KCl W W4.粗钾泡沫经过滤母液后，滤饼N 含母液量为：%20，即8:2:)(=I N E W W5.洗涤料将经离心分离后精钾含水量为：%66.浮选中粗钾泡沫(K 点)： 1:3:=I K E W W ）（(湿基比)7.产品中含水量为2%8.气温：C o 159.产品规格%93≥氯化钾二、由绘制的相图，可知各物料组成如下表： 1.原矿组成表4－1 原矿)(0M M 组成表组成 KCl2MgCl NaCl2H 湿基(wt ，％) 干基(g/100g 干盐) 14.69 22.3725.58 38.9525.41 38.6834.32 52.252.分解母液组成表4－2 分解母液)(E E '组成组成 KCl2MgCl NaCl2H 湿基(wt ，％) 干基(g/100g 干盐)2.76 9.1425.60 84.801.83 6.0669.81 231.243.原矿恰好完全分解时分解浆料的组成表4－3 分解浆料)(2M M 的组成组成 KCl2MgCl NaCl2H 湿基(wt ，％) 干基(g/100g 干盐) 10.82 22.3718.84 38.8518.71 38.6851.63 106.752 化工学院盐湖系4.经浮选粗钾泡沫的组成表4－4 粗钾泡沫)(K K '的组成组成 KCl2MgCl NaCl2H 湿基(wt ，％) 干基（g/100g 干盐)24.75 51.5619.27 40.143.98 8.3052.00 108.325.粗钾泡沫经过滤后滤饼的组成表4－5 滤饼)(0N N 的组成组成 KCl2MgCl NaCl2H 湿基(wt ，％) 干基(g/100g 干盐) 72.15 84.065.256.128.43 9.8214.17 16.506.洗涤滤饼后的精钾母液组成表4－6 精钾母液)(O O '的组成组成 KCl2MgCl NaCl2H 湿基(wt ，％) 干基(g/100g 干盐) 7.21 25.248.12 28.4413.24 46.3271.43 250.047.洗涤浆料的组成表4－7 洗涤浆料)(1N N 的组成组成 KCl2MgCl NaCl2H 湿基(wt ，％) 干基(g/100g 干盐) 54.05 84.063.94 6.126.31 9.8235.70 55.528.经离心分离后精钾的组成表4－8 精钾)(P P '的组成组成 KCl2MgCl NaCl2H 湿基(wt ，％) 干基(g/100g 干盐)92.23 98.120.70 0.741.07 1.146.00 6.384.1.1 初开车时的物料衡算所谓初开车，即车间刚开车，没有母液循环的生产过程。
3-物料衡算和热量衡算
3 物料衡算和热量衡算 3.1计算基准年产4500吨的二氯甲烷氯化吸收，年工作日330天，每天工作24小时，每小时产二氯甲烷：4500×103330×24=568.18kg/h3.2物料衡算和热量衡算3.2.1反应器的物料衡算和热量衡算本反应为强放热反应，如不控制反应热并移走，温度会急剧升高，产生强烈的燃烧反应，是氯化物发生裂解反应。
由此可以通过加入过量的甲烷得到循环气，以之作为稀释剂移走反应热。
（一） 计算依据（1） 二氯甲烷产量为：568.18 kg/h ，即：6.69 kmol/h ； （2） 原料组成含: Cl 2 96%，CH 495%；（3） 进反应器的原料配比（摩尔比）: Cl 2：CH 4：循环气=1：0.68：3.0 （4）出反应器的比例: CH 2Cl 2：CHCl 3=1：0.5（质量比）(CHCl 3+CCl 4)/CH 2Cl 2=0.38（摩尔比）；（5） 操作压力: 0.08MPa （表压）；（6） 反应器进口气体温度 25o C ，出口温度420o C 。
3Cl 2Cl 2 3 4 假设循环气不参与反应，只起到带走热量的作用。
则设进口甲烷为X kmol/h ，出反应器的一氯甲烷 Y kmol/h ，氯化氢 Z kmol/h 。
由进反应器的原料配比（摩尔比） Cl 2：CH 4：循环气=1：0.68：3.0 原料组成含: Cl 2 96%，CH 495%。
可知：Cl296%⁄X 95%⁄=10.68得进口Cl 2为1.48X kmol/h由 CH 2Cl 2：CHCl 3=1：0.5（质量比）可得 CHCl 3每小时产量为：568.18×0.5/119.5=2.38kmol/h 由 (CHCl 3+CCl 4)/CH 2Cl 2=0.38（摩尔比）可得 CCl 4的量为 0.38×6.69－2.38=0.162kmol/h 用元素守衡法则： Cl 元素守衡 2.96X=Y+6.69×2+2.38×3+0.162×4+Z ① H 元素守衡 4X=3Y+6.69×2+2.38+Z ② C 元素守衡 X=Y+6.69+2.38+0.162 ③ 解方程①①③得X=24.87kmol/hY=15.64kmol/hZ=36.81kmol/h（1）所以反应器进口原料中各组分的流量：Cl2: 24.87×1.48=36.81kmol/h=824.49Nm3/h （纯）36.81/0.96=38.34kmol/h=865.82Nm3/h （含杂质）CH4: 24.87kmol/h=557.09Nm3/h （纯）24.87/0.95=26.18kmol/h=585.79Nm3/h （含杂质）循环气流量：3×38.34=115.02 kmol/h=2576.45 Nm3/h其中：CH3Cl：15.64 kmol/hN2：38.34×4%＋26.18×3%=2.319 kmol/hCO2：26.18×2%=0.524 kmol/hCH4：115.02－15.64－2.319－0.524=96.54 kmol/h 进口气体总量：38.34＋26.18＋96.54=161.06 kmol/h （2）反应器出口中各组分流量：CH3Cl：15.64 kmol/hCH2Cl2：6.69 kmol/hCHCl3：2.38 kmol/hCCl4： 0.162 kmol/hHCl： 36.81 kmol/h循环气：115.02 kmol/h出口气体总量：115.02＋36.81＋0.162＋2.38＋6.69=161.06 kmol/h （3）出口气体中各组分的含量：CH3Cl： 15.64/161.06×100%=9.65%CH2Cl2：6.69/161.06×100%=4.15%CHCl3： 2.38/161.06×100%=1.48%CCl4： 0.162/161.06×100%=0.10%HCl： 36.81/161.06×100%=22.85%N2： 2.319/161.06×100%=1.44%CO2： 0.524/161.06×100%=0.33%CH4： 96.54/161.06×100%=59.94%表3—1反应器物料平衡组分反应器进口反应器出口kmol/h组成%（mol）kg/h kmol/h组成%（mol）kg/h CH4121.4175.381942.5696.5459.941544.64 Cl236.8122.852513.51CH3Cl15.649.65789.82 CH2Cl2 6.69 4.15568.65 CHCl3 2.38 1.48284.41 CCl40.1620.1024.95 HCl36.8122.851343.57 N2 2.319 1.44106.67 2.319 1.44106.67 CO20.5240.3323.070.5240.3323.06总计161.061004685.80161.061004685.80（三）热量衡算以25℃为基准温度由《氯碱工业理化常数手册》查得如下数据：表3—2 反应物料标准摩尔生成焓Δf H m θ/（kJ/mol ）Δf H m θ=∑生成物n Δf H m θ－∑反应物n Δf H m θ=－3.455×106 kJ420℃时，由《氯碱工业理化常数手册》查得如下数据：表3—3生成物的标准摩尔定压热容C p,m θ/(J ﹒K -1﹒mol -1)物质 CH 3Cl CH 2Cl 2 CHCl 3 CCl 4 HCl N 2 CO 2n(kmol) 15.64 6.69 2.38 0.16236.81 2.319 0.524 C p,m θ66.07 45.975 88.287 98.88729.9630.65 52.27Δt = 420－25=395℃输出焓：∑输出H = ∑n C p,m θΔt = 1.093×106 kJ 输入焓：∑输入H = 0则放出的热量：Q 放出=Δf H m θ+∑输出H+∑输入H=－2.362×106 kJ222.5℃时，由《氯碱工业理化常数手册》查得如下数据：表3—4 循环气各物质的标准摩尔定压热容C p,m θ/(J ﹒K -1﹒mol -1) 物质 CH 4CH 3Cl N 2 CO 2n(kmol) 96.54 15.64 2.319 0.524 C p,m θ49.6254.8330.81 53.43循环气带出热量：Q 带出=∑n C p,m θΔt=2.27×106 kJ考虑4%热损失，则2.362×106×（1-4%）=2.27 则Q 放出= Q 带出循环气能带走的热量恰好为反应气放出的热量，是反应温度保持在420℃左右可以维持反应顺利进行。
物料衡算及热量衡算
第二章硫酸干吸系统设计的计算2.1 干燥塔物料计算[16]2.1.1 干燥塔入口炉气成分表2.1 转化气进口气体成分表2.2 电除雾器出口气体成分2419.052.1.2 干燥塔入口炉气含水量设补加空气全部在电除雾器之后加入，空气温度20摄氏度、相对湿度75%，由湿含图查得水含量为103干空气，则补加空气带水量为：g/m2419.05×0.01=24.19kg/h=1.34kmol/h=30.8m3/h2.1.3 干燥塔入口气体带水设出塔气体中含水量为30.1g/m，则干燥后气体带水量为：(0.1÷1000)×19372.98=1.94kg/h2.1.4 循环酸量决定循环酸量的方法一般有两种，一种是根据进出口酸浓度差决定，酸浓度差一般选在0.2%~0.4%范围内，第二个是根据塔的喷淋密度来决定，喷淋密度一般选在14~20m3/(m2·h)的范围内。
在这里采用浓度差计算循环酸量。
H SO比重 1.7993入塔酸：浓度93.00%24m/h温度50O C 酸量x3出塔酸：浓度92.7%干燥塔吸收水量=(1115.81＋24.19)－1.94=1138.06kg/h由物料平衡得：X×1.7993×1000×93%=(X×1.7993×1000＋1146)×92.7%X=195.44m3/h所以采用扬量为200m3/h酸泵,型号为IHIHF125-100-250酸泵。
2.2 干燥塔热量衡算2.2.1 炉气带入热量Q1t=40O C时SO2带入热量：q1=76.98×40×41.57=127997.80KJ/hO2带入热量：q2=69.28×40×29.37=81389.60KJ/hN 2带入热量： q 3=709.05×40×28.45=806894.52KJ/hH 2O 带入热量： q 4=（1.34+61.94）×40×32.716=82810.74KJ/h式中41.57，29.37，28.45，32.716分别为0~40O C 时SO 2、O 2、N 2、H 2O 的摩尔热熔KJ/(mol·K) 。
物料衡算和热量衡算
qn,V‘> qn,V
qn,L‘ ＝ qn,L＋ qn,F C：气液混合物进料
qn,V‘＝ qn,V
qn,L < qn,L‘ < qn,L＋ qn,F D：饱和蒸汽进料
qn,V‘ < qn,V
qn,L ＝ qn,L‘
qn,V ＝ qn,V’＋ qn,F
E：过热蒸汽进料
qn,L‘ < qn,L
qn,V > qn,V ‘ ＋ qn,F
进料热状况参数的定义式：
δ=
q′ n,L
−
q n,L
q
n,F
对进料板作物料衡算
（1）
对进料板作热量衡算：
（2）
(3)
代入(1), →
[qn.F – (qn.L’ – qn.L)]Hv = qnFHF – (qn,L‘ － qn,L)HL
即
δ
=
qn′ ,L − qn,L qn,F
一般精馏操作，xd由生产任务规定，R由设计者 确定
∴精馏段操作线为直线， 直线若不符合恒摩尔流假设，则不为直线 作图：过（xd，xd）点，截距为xd/R+1
1
(3)提馏段操作线Operating Line for the Stripping Section
以提馏段的任一块塔板与塔釜之间为物料衡算范围
6.4.2梯级图解法
3
1.0
dHale Waihona Puke xd R+10 xw
xf
xd 1.0
梯级图解法计算理论板数
4
6.3.2 物料衡算和热量衡算 （1）全塔物料衡算
塔顶回收率＝ qn,D xd qn ,F x f
物料与热量衡算模板
物料与热量衡算模板第一章亚苄基海因合成研究1.1引言海因与芳香醛、杂环醛缩合生成5位取代的不饱和海因衍生物〔21〕，在一定温度和碱性条件下，海因环能发生断裂，从而得到α－酮酸。
该路线制备α－酮酸，反应条件简单，所用反应试剂简单、副产物少，是极具优越性的α－酮酸制备路线〔22〕。
亚苄基海因作为制备苯丙酮酸的原料的合成工艺近年来研究较多，已经确定了合成所使用的主要原辅材料，探索了初步的合成条件。
本节主要在前人研究的基础上就亚苄基海因的合成方法做进一步优化，以适合产业化的需要。
1.2实验材料与方法1.2.1实验试剂海因：工业级自制苯甲醛：工业级含量99％南通天时化工公司一乙醇胺：工业级甲醇：工业级1.2.2实验方法在18L不锈钢反应釜中加入一定量的海因，然后加入一定量的水、一乙醇胺，在80－110?C下反应，反应结束后冷却至常温，用布氏漏斗抽滤，最后用甲醇洗涤后在60?C下烘干。
1.2.3分析方法HPLE法，详见文献〔23〕1.3结果与讨论1.3.1．苯甲醛滴加速度的影响实验表明，在缩合反应过程中，如果将苯甲醛一次性加入反应器中，由于大量的苯甲醛－水混合物一起蒸发，容易发生跑料和因大量的苯甲醛未来得及参加反应而自聚现象，导致缩合收率偏低、产物质量不好。
所以在海因与苯甲醛的缩合过程中，苯甲醛以滴加的方式加入，从表1不同的滴加速度试验可以看出，2.5ml/min的滴加速度，所得的亚苄基海因的产率与品质较为理想。
表1 苯甲醛滴加速度对亚苄基海因合成的影响注：“＋”表示产品质量一般；“－”表示产品质量较差；1.3.2. 反应时间对缩合反应的影响从缩合反应机理可以看出，缩合反应的中间过程较为复杂，苯甲醛的亲核加成只是整个反应的一部分，要得到比较高的缩合产物，一定的反应时间是必须的，从下面的曲线（图1）的走势可以看出，产物的得率随反应时间的增加而增加，当反应时间达到3.5小时后，产物的得率基本趋于平稳，所以反应时间取3.5小时。
化工中物料衡算和热量衡算公式
物料衡算和热量衡算物料衡算根据质量守恒定律，以生产过程或生产单元设备为研究对象，对其进出口处进行定量计算，称为物料衡算。
通过物料衡算可以计算原料与产品间的定量转变关系，以及计算各种原料的消耗量，各种中间产品、副产品的产量、损耗量及组成。
物料衡算的基础物料衡算的基础是物质的质量守恒定律，即进入一个系统的全部物料量必等于离开系统的全部物料量，再加上过程中的损失量和在系统中的积累量。
∑G1=∑G2+∑G3+∑G4∑G2：——输人物料量总和；∑G3：——输出物料量总和；∑G4：——物料损失量总和；∑G5：——物料积累量总和。
当系统内物料积累量为零时，上式可以写成：∑G1=∑G2+∑G3物料衡算是所有工艺计算的基础，通过物料衡算可确定设备容积、台数、主要尺寸，同时可进行热量衡算、管路尺寸计算等。
物料衡算的基准(1)对于间歇式操作的过程，常采用一批原料为基准进行计算。
(2)对于连续式操作的过程，可以采用单位时间产品数量或原料量为基准进行计算。
物料衡算的结果应列成原材料消耗定额及消耗量表。
消耗定额是指每吨产品或以一定量的产品(如每千克针剂、每万片药片等)所消耗的原材料量；而消耗量是指以每年或每日等时间所消耗的原材料量。
制剂车间的消耗定额及消耗量计算时应把原料、辅料及主要包装材料一起算入。
热量衡算制药生产过程中包含有化学过程和物理过程，往往伴随着能量变化，因此必须进行能量衡算。
又因生产中一般无轴功存在或轴功相对来讲影响较小，因此能量衡算实质上是热量衡算。
生产过程中产生的热量或冷量会使物料温度上升或下降，为了保证生产过程在一定温度下进行，则外界须对生产系统有热量的加入或排除。
通过热量衡算，对需加热或冷却设备进行热量计算，可以确定加热或冷却介质的用量，以及设备所需传递的热量。
热量衡算的基础热量衡算按能量守恒定律“在无轴功条件下，进入系统的热量与离开热量应该平衡”，在实际中对传热设备的衡算可由下式表示Q 1+Q 2+Q 3=Q 4+Q 5+Q 6 （1—1）式中： Q 1—所处理的物料带入设备总的热量，KJ;Q 2—加热剂或冷却剂与设备和物料传递的热量（符号规定加热剂加入热量为“+”，冷却剂吸收热量为“-”），KJ;Q 3—过程的热效率，（符号规定过程放热为“+”；过程吸热为“-”）Q 4—反应终了时物料的焓（输出反应器的物料的焓）Q 5—设备部件所消耗的热量，KJ;Q 6—设备向四周散失的热量，又称热损失,KJ;热量衡算的基准可与物料衡算相同，即对间歇生产可以以每日或每批处理物料基准。
物料衡算和热量衡算
3 物料衡算和热量衡算3.1计算基准年产4500吨的二氯甲烷氯化吸收，年工作日330天，每天工作24小时，每小时产二氯甲烷：4500×103=568.18kg/h330×243.2物料衡算和热量衡算3.2.1反应器的物料衡算和热量衡算本反应为强放热反应，如不控制反应热并移走，温度会急剧升高，产生强烈的燃烧反应，是氯化物发生裂解反应。
由此可以通过加入过量的甲烷得到循环气，以之作为稀释剂移走反应热。
（一）计算依据（1）二氯甲烷产量为：568.18 kg/h，即：6.69 kmol/h；（2）原料组成含: Cl2 96%，CH495%；（3）进反应器的原料配比（摩尔比）: Cl2：CH4：循环气=1：0.68：3.0 （4）出反应器的比例: CH2Cl2：CHCl3=1：0.5（质量比）(CHCl3+CCl4)/CH2Cl2=0.38（摩尔比）；（5）操作压力: 0.08MPa（表压）；（6）反应器进口气体温度25o C，出口温度420o C。
CH3ClCH2Cl2CHCl3CH4 CCl4HCl假设循环气不参与反应，只起到带走热量的作用。
则设进口甲烷为X kmol/h，出反应器的一氯甲烷Y kmol/h，氯化氢Z kmol/h。
由进反应器的原料配比（摩尔比）Cl2：CH4：循环气=1：0.68：3.0原料组成含: Cl2 96%，CH495%。
可知：Cl296%⁄X95%⁄=10.68得进口Cl2为1.48X kmol/h由CH2Cl2：CHCl3=1：0.5（质量比）可得CHCl3每小时产量为：568.18×0.5/119.5=2.38kmol/h由(CHCl3+CCl4)/CH2Cl2=0.38（摩尔比）可得CCl4的量为0.38×6.69－2.38=0.162kmol/h用元素守衡法则：Cl元素守衡 2.96X=Y+6.69×2+2.38×3+0.162×4+Z ①H 元素守衡4X=3Y+6.69×2+2.38+Z ②C 元素守衡X=Y+6.69+2.38+0.162 ③解方程①①③得X=24.87kmol/hY=15.64kmol/hZ=36.81kmol/h（1）所以反应器进口原料中各组分的流量：Cl2: 24.87×1.48=36.81kmol/h=824.49Nm3/h （纯）36.81/0.96=38.34kmol/h=865.82Nm3/h （含杂质）CH4: 24.87kmol/h=557.09Nm3/h （纯）24.87/0.95=26.18kmol/h=585.79Nm3/h （含杂质）循环气流量：3×38.34=115.02 kmol/h=2576.45 Nm3/h其中：CH3Cl：15.64 kmol/hN2：38.34×4%＋26.18×3%=2.319 kmol/hCO2：26.18×2%=0.524 kmol/hCH4：115.02－15.64－2.319－0.524=96.54 kmol/h 进口气体总量：38.34＋26.18＋96.54=161.06 kmol/h（2）反应器出口中各组分流量：CH3Cl：15.64 kmol/hCH2Cl2：6.69 kmol/hCHCl3：2.38 kmol/hCCl4：0.162 kmol/hHCl：36.81 kmol/h循环气：115.02 kmol/h出口气体总量：115.02＋36.81＋0.162＋2.38＋6.69=161.06 kmol/h （3）出口气体中各组分的含量：CH3Cl：15.64/161.06×100%=9.65%CH2Cl2：6.69/161.06×100%=4.15%CHCl3：2.38/161.06×100%=1.48%CCl4：0.162/161.06×100%=0.10%HCl：36.81/161.06×100%=22.85%N2： 2.319/161.06×100%=1.44%CO2：0.524/161.06×100%=0.33%CH4：96.54/161.06×100%=59.94%表3—1反应器物料平衡组分反应器进口反应器出口kmol/h 组成%（mol）kg/h kmol/h 组成%（mol）kg/hCH4121.41 75.38 1942.56 96.5459.941544.64 Cl236.8122.85 2513.51CH3Cl 15.649.65789.82 CH2Cl2 6.69 4.15568.65 CHCl3 2.38 1.48 284.41 CCl40.1620.10 24.95 HCl 36.8122.851343.57 N2 2.319 1.44 106.67 2.319 1.44106.67 CO20.5240.33 23.07 0.5240.3323.06 总计161.06 100 4685.80 161.06 100 4685.80 （三）热量衡算以25℃为基准温度由《氯碱工业理化常数手册》查得如下数据：表3—2 反应物料标准摩尔生成焓Δf Hθ/（kJ/mol ）Δf H m θ=∑生成物n Δf H m θ－∑反应物n Δf H m θ=－3.455×106 kJ420℃时，由《氯碱工业理化常数手册》查得如下数据：表3—3生成物的标准摩尔定压热容C p,m θ/(J ﹒K -1﹒mol -1) 物质CH 3Cl CH 2Cl2CHCl 3 CCl 4 HCl N 2 CO 2n(kmol) 15.64 6.69 2.38 0.162 36.81 2.319 0.524C p,m θ66.0745.97588.28798.88729.9630.6552.27Δt = 420－25=395℃输出焓：∑输出H = ∑n C p,m θΔt = 1.093×106 kJ输入焓：∑输入H = 0则放出的热量：Q 放出=Δf H m θ+∑输出H+∑输入H=－2.362×106 kJ222.5℃时，由《氯碱工业理化常数手册》查得如下数据：表3—4 循环气各物质的标准摩尔定压热容C p,m θ/(J ﹒K -1﹒mol -1) 物质 CH 4 CH 3Cl N 2 CO 2n(kmol)96.54 15.64 2.319 0.524 C p,m θ49.6254.8330.8153.43循环气带出热量：Q 带出=∑n C p,m θΔt=2.27×106 kJ 考虑4%热损失，则2.362×106×（1-4%）=2.27 则Q 放出= Q 带出循环气能带走的热量恰好为反应气放出的热量，是反应温度保持在420℃左右可以维持反应顺利进行。
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第一章亚苄基海因合成研究1.1引言海因与芳香醛、杂环醛缩合生成5位取代的不饱和海因衍生物〔21〕，在一定温度和碱性条件下，海因环能发生断裂，从而得到α－酮酸。
该路线制备α－酮酸，反应条件简单，所用反应试剂简单、副产物少，是极具优越性的α－酮酸制备路线〔22〕。
亚苄基海因作为制备苯丙酮酸的原料的合成工艺近年来研究较多，已经确定了合成所使用的主要原辅材料，探索了初步的合成条件。
本节主要在前人研究的基础上就亚苄基海因的合成方法做进一步优化，以适合产业化的需要。
1.2实验材料与方法1.2.1实验试剂海因：工业级自制苯甲醛：工业级含量99％南通天时化工公司一乙醇胺：工业级甲醇：工业级1.2.2实验方法在18L不锈钢反应釜中加入一定量的海因，然后加入一定量的水、一乙醇胺，在80－110︒C下反应，反应结束后冷却至常温，用布氏漏斗抽滤，最后用甲醇洗涤后在60︒C下烘干。
1.2.3分析方法HPLE法，详见文献〔23〕1.3结果与讨论1.3.1．苯甲醛滴加速度的影响实验表明，在缩合反应过程中，如果将苯甲醛一次性加入反应器中，由于大量的苯甲醛－水混合物一起蒸发，容易发生跑料和因大量的苯甲醛未来得及参加反应而自聚现象，导致缩合收率偏低、产物质量不好。
所以在海因与苯甲醛的缩合过程中，苯甲醛以滴加的方式加入，从表1不同的滴加速度试验可以看出，2.5ml/min的滴加速度，所得的亚苄基海因的产率与品质较为理想。
表1 苯甲醛滴加速度对亚苄基海因合成的影响注：“＋”表示产品质量一般；“－”表示产品质量较差；1.3.2. 反应时间对缩合反应的影响从缩合反应机理可以看出，缩合反应的中间过程较为复杂，苯甲醛的亲核加成只是整个反应的一部分，要得到比较高的缩合产物，一定的反应时间是必须的，从下面的曲线（图1）的走势可以看出，产物的得率随反应时间的增加而增加，当反应时间达到3.5小时后，产物的得率基本趋于平稳，所以反应时间取3.5小时。
1.002.003.004.00Time of reaction : hr80.0084.0088.0092.0096.00Y i e l d o f 5-b e n z a l h y d a n t o i n :%图1反应时间对产物得率的影响1.3.3.反应温度对缩合反应的影响苯甲醛作为反应物之一，在空气中能氧化成苯甲酸，在较低的温度下容易自身聚合成聚合体，在更高的反应温度下更易发生聚合，必将影响产品的收率，也影响产品的品质。
所以控制缩合的反应温度是获得高收率的合成条件之一。
表2反应温度对缩合反应的影响从上表可以看出，随着温度的提高，缩合收率逐步提高，当到达110︒C 时，缩合收率出现下降趋势。
因而采用103︒C （反应体系的共沸点）作为反应的温度控制点是比较合理的。
1.3.4.苯甲醛加量对缩合反应的影响在有机合成反应中通常采用反应物之一过量的方法来促成另一反应物反应完全。
在工业化生产中更是将成本和除杂的因素考虑在内。
在缩合反应体系中，海因的价格高于苯甲醛的价格，而且适量残余的苯甲醛比较容易去除，而海因过量的话在经济上不合算，且多余海因同亚苄基海因一同析出，比较难以去除。
故在缩合反应中，采取苯甲醛过量的方法比较可行。
但是如果苯甲醛过量太多，会造成苯甲醛自聚物增加，并与亚苄基海因粘连，影响亚苄基海因的质量，对苯丙酮酸制备及转化过程有比较大的影响。
因而必须通过实验确定最佳过量范围。
表3苯甲醛加量对缩合反应的影响从上表可以看出，随着苯甲醛加量的提高，缩合收率也在逐步上升，当苯甲醛加量超过1.05时虽然缩合收率还在提高，但是产品质量急剧下降，精制成本急剧上升。
故苯甲醛的加量以1.05为宜。
1.3.5.反应体系PH值对缩合反应的影响实验数据显示，缩合反应体系中PH值对缩合反应的收率和结晶形态影响较大，实验结果如下：表4反应体系PH值对缩合反应的影响以上数据显示，反应体系的PH 值控制在8.5－9.0之间，可以保证缩合的收率和质量维持在较高的水平，尤以PH9.0为最佳。
1.3.6小结与分析1）开发了独特的苯甲醛的流加工艺，海因和苯甲醛缩合反应得到得率为95.5％的亚苄基海因。
2）通过缩合实验过程的影响因素研究可知，反应温度、时间、反应体系的PH 、苯甲醛的加量对亚苄基海因的得率均有较大的影响。
3）经对实验数据的分析可知：缩合反应的最佳温度为103℃、时间为3h 、苯甲醛的加量为1.05、反应体系的PH 为9.0。
1.4工业化放大研究1.4.1工业化生产工艺流程方框图（图2）水1.4.2工业化生产带控制点工艺流程图 见附件一 1.4.3工业化放大计算 1.4.3.1物料衡算根据500吨/年L-苯丙氨酸总物料衡算的数据，亚苄基海因年需求量为1000吨。
按照年生产300天计算，亚苄基海因日需求量为3.334吨，需要水分为2%、含量为98.5％的干亚苄基海因为3453.16kg。
1)水量：海因：水＝1：2.4，1000kg海因需要水为2400kg2)苯甲醛量：苯甲醛：海因＝1.05：1，1000kg海因需要苯甲醛为1124.24kg3)一乙醇胺量：一乙醇胺：海因＝0.08528：1，1000kg海因需要一乙醇胺为85.28kg4)洗水量：按照折纯亚苄基海因的50％，1800*0.5＝900kg5)甲醇加量：按照折纯亚苄基海因质量的50％，1800*0.5＝900kg6)湿亚苄基海因产量：亚苄基海因对海因的质量收率为180％，亚苄基海因的水分为20％、含量为98.5％，1000*1.8/(0.8*0.985)＝2284.26kg7)滤液产量：2325.26kg8)水洗液产量：1800*0.5＝900kg9)甲醇洗液产量：洗涤后亚苄基海因的水分为14％，900+2284.26*0.2－1800*0.14/（0.86*0.985）＝1059.37kg10)通过回收后成品甲醇产量：甲醇的回收率为80％，900*0.8＝720kg 11）含甲醇废液产量：1059.37-720＝339.36kg12)亚苄基海因烘干水蒸气产量：干燥后亚苄基海因水分为2%，含量为98.5％，1800*0.14/（0.86*0.985）－1800*0.02/（0.98*0.985）＝260.19kg13)干亚苄基海因产量：1800/（0.98*0.985）＝1864.71kg考虑到夏季限电的情况，亚苄基海因的日产量设定在 3.6吨，水分2％，含量98.5％的亚苄基海因日产量为3729.4214)衡算结果：见表5缩合工序物料衡算汇总表缩合工序物料衡算汇总表（表5）15)根据以上计算，缩合工序物料衡算图如下：海因2000kg4800kg170.56kg2248.48kg缩合过滤滤液水洗液1800kg 洗涤水1800kg甲醇洗液甲醇 1800kg水蒸汽520.38kg 干燥水分2％，含量98.5％的亚苄基海因3729.42kg（年产1000吨亚苄基海因，以t/d为基准）图3缩合工序物料衡算图1.4.3.2热量衡算热量衡算是根据能量守恒定律建立起来的，热平衡方程表示如下：Q1+Q2+Q3=Q4+Q5+Q6式中 Q1物料带入的热量（kj）Q2蒸汽热量（kj）Q3各种热效应，如发酵热、稀释热、溶解热等（kj）Q4物料带走热量（kj）Q5消耗于设备上的热量（kj）Q6设备向外界散失热量（kj）1）缩合过程热量衡算⑴4800kg水由25℃升高到80℃需要的热量为Q水＝C水m水Δt＝4.18*4800*55＝1103520kj⑵海因溶解消耗的热量为因为海因的溶解热没有数据，本文按照相近似的物质的溶解热计算公式进行计算：ΔH溶解=4.57/M·T1T2/(T1-T2)·lg(C1/C2)式中M——溶质分子量C1——溶质在T1时的溶解度C2——溶质在T2时的溶解度ΔH溶解=4.57/100*298*353/（－55）*lg(0.2/41.67)＝202.8kJ/mol Q溶解=ΔH s*n=202.8*2000/0.1=4056000kJ⑶海因水溶液由80℃升高到103℃所需要的热量计算取海因水溶液的比热为4.18kj/（kg.℃），Q海因水溶液＝C*m*Δt＝4.18*6800*23＝653752kj⑷苯甲醛由25℃升高到103℃所需要的热量计算苯甲醛的比热为 1.84kj/（kg.℃），Q苯甲醛＝C苯甲醛mΔt＝1.84*2248.48*78＝322702kj⑸一乙醇胺由25℃升高到103℃所需要的热量计算一乙醇胺的比热为3.36kj/（kg.℃），Q一乙醇胺＝C一乙醇胺mΔt＝3.36*170.56*78＝44700kj⑹加热反应及保温耗热量加热反应过程中在保温情况下的散热量按照以下经验公式计算Q散失=CMΔtη/539式中C——液体比热，C＝C海因水溶液*η海因水溶液+ C一乙醇胺*η一乙醇胺+ C苯甲醛*η苯甲醛＝4.18*0.74+3.36*0.02+1.84*0.24＝3.602 kj/（kg.℃）M——被加热液体重量(kg)Δt——反应温度与室温之差η——根据反应性质及时间取1～1.3Q散失=3.602*9220*78*1.3/539=6247.8kj⑺缩合反应热C3H4N2O2+C7H7O=RC4H4N2O2+H2O根据化学键键能数据，计算反应焓：Δr H m＝-2D（Ｏ-Ｈ）-Ｄ（Ｃ=Ｃ）+Ｄ（Ｃ=Ｏ）＋2D（Ｃ-Ｈ）＝-459*2-598+803+413*2＝113 kJ/molQ反应=Δr H m*n=113*2000/0.1=2260000kJ⑻通过以上计算可知，Q总＝Q水+ Q苯甲醛+ Q一乙醇胺+Q海因水溶液+Q溶解+Q散失+Q反应＝1103520+4056000+653752+322702+44700+6247.8+2260000＝8446921.8kj生产上使用表压为0.3MPa的饱和蒸汽进行加热，蒸汽冷凝水的温度为80℃，则ΔH蒸汽＝（I蒸汽-i）+（i-I80℃水）＝（2728.1-558.52）+（558.52-334.94）＝2393.16 kJ/kgI蒸汽=2728.1kJ/kg，i——相应冷凝水的焓（558.52kJ/kg）,η——热效率，取95%I80℃水＝334.94 kJ/kg设热效率为95％，则蒸汽的需求量计算如下：D蒸汽*ΔH蒸汽*η＝Q总，D蒸汽＝Q总/（ΔH蒸汽*η）＝8446921.8/（2393.16*0.95）＝3715.4kg⑼亚苄基海因的结晶热设亚苄基海因的结晶过程放出的热量等于海因溶解吸收的热量，则Q结晶＝4056000kJ⑽夹套冷冻水带走的热量及冷冻水用量计算设进入夹套的水温为7℃，出水为20℃；反应后的物料由103℃降低到25℃,则物料中可供释放的热量为Q水+ Q苯甲醛+ Q一乙醇胺+Q海因水溶液＝1103520+322702+44700+653752＝2124674kj，则冷冻水用量W冷却水*C水*Δt水＝2124674W冷却水*4.18*13＝2124674W冷却水＝39100kg⑾回流冷凝器带走的热量及冷却水用量的计算根据第8条的计算，取热效率为95％，设另外5％的热量用于对缩合罐上部气相区域的混合气体进行加热，为了防止气相溢出造成物料损失，采用回流冷凝器对气相进行冷凝回流；另外缩合反应过程中亚苄基海因结晶放出的热量也需要回流冷凝器带走，则回流冷凝器带走的热量为Q回流冷凝器＝3715.4*2393.16*5％+Q结晶＝444577+4056000＝4500577kj。