高分子材料工厂工艺设计 第3章 工艺计算

——质量守恒定律
输入量－输出量＋生成量－消耗量＝积累量 输入量-输出量+生成量-消耗量=0 对稳定操作过程 对无化学反应的过程： 输入量－输出量＝积累量 对无化学反应的稳定操作过程：输入量＝输出量 对有化学反应的过程：总物料衡算+元素衡算式 输入和输出的量可以将固相、液相、气相物料分别列出。
3.1.2 物料计算的一般步骤及结果处理
3.1 物料计算
它是在工艺流程确定后最先进行的工艺计算。 作用 物料衡算是整个工艺设计中非常重要的环节,有很重要的作用。 ① 为热量衡算、设备工艺计算、管道计算、辅助工序及公用工程设计计算、 生产成本核算等提供依据。 ② 在确定生产装置由几条生产先组成以及工艺参数的确定中起着非常重要的 作用。 ③ 是指导生产过程的重要依据。 类型 单元操作的物料衡算——设备设计的前提 • 按计算范围分： 全过程的物料衡算——生产过程设计的前提
（5）过程物料计算 进入本工序的物料量=出料量÷（1-本工序的损失率）。 通常是从得到的产品开始推算。 ① 进入包装工序的物料量 2000/（1-0.05%）≈2001t/年 包装工序的损失量 2001-2000=1t/年 ② 进入中间贮存工序的物料量 2001/（1-0.1%）≈2003t/年 中间贮存工序的损失量 2003-2001=2t/年 ③筛分的成品率为92%，设筛分出的大块和小块废料各占50%，则 进入筛分机的物料量 2003/[（1-0.1%）×92%]≈2179.4t/年 筛分机的损失量 2003×0.1%≈2t/年 筛分出的大块废料量 （2179.4-2003-2）×50%=87.2t/年 筛分出的小块废料量 （2179.4-2003-2）×50%=87.2t/年
（4）生产的基础数据
• 挤出造粒机启动等物料损失：
• 筛分机的产品率92%
筛分机的物料损耗率0.1% 破碎机的物料损耗率0.5% 废料利用率90% 包装损耗率0.05%
2000t/年÷1648h ×110h≈ 133.5 t/年 • • 筛选机物料损耗率 0.1% • • 螺旋输送机损耗率 0.1% • • 高速混、冷混总损耗率0.2% •
100mol天然气 CH4 0.90 C2H6 0.10
混合过程
A mol 空气
M mol 混合气 CH4 0.08 C2H6 x 空气=1-0.08-x
（2）计算基准：100mol天然气 （3）列物料衡算式
（3）列物料衡算式
总物料 100 ＋ A ＝ M ① CH4 100 × 0.9 ＝ M × 0.08 ② C2H6 100 × 0.1 ＝ M × x ③ 联立方程①、②、③，解得 A ＝ 1025mol，M ＝ 1125mol，x ＝ 0.009mol。 （4）核算 空气含量 1 － 0.08 － 0.009 ＝ 0.911 加入空气量 A ＝ 1025mol，占混合气含量为： 1025 ÷ 1125 ＝ 0.911 两者相等，所以计算正确。
④ 进入挤出造粒机的物料量
2179.4+挤出机启动等损失量 =2179.4+（2000t/年÷1648h ×110h） ≈2179.4+133.5 = 2312.9t/年
⑤ 进入螺旋输送机的物料量 2312.9/（1-0.1%）≈2315.3t/年
⑥ 因破碎机的损耗率为0.5%，废料的利用率为90%，则 回收料量 [（87.2+133.5）×（1-0.5%）]+87.2≈306.8t/年 进入混合工序的物料量 [2315.3/（1-0.2%）]-回收料量×90%=[2315.3/（1-0.2%）]-306.8×90% ≈2043.9t/年 混合工序的损失量 2315.3×0.2% ≈ 4.6t/年
组分 /%
质量 /t· 年-1 2000 45.7
总计
2045.7
总计
2045.7
（7）计算出实际每年原料消耗量，并填写原料消耗表
消耗量
序号 1 2 3 4 5 6
物料名称
PVC CaSt 硫醇甲基烯 马来酸二正辛基锡 CaCO3 石蜡
每吨产品消耗定额 /kg 890.0 26.6 17.4 8.9 71.1 8.9 1022.9
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【例3-3】年产2000吨硬聚氯乙烯管材专用树脂的物料衡算。
解： （1）计算基准的选取 ①年工作时间：8h/天 365天-104天（休息日）-11天（法定节假日）=250天=2000h ②设备大修时间：20天/年=160h/年 ③特殊情况停车：10天/年=80h/年 ④设备启动、更换品种清洗设备时间：1次/天，0.5h/次 （250天-20天-10天）×1/7次/天×0.5h/次=110h≈14天 ⑤实际开车时间：365-104-11-20-10-14=206天/年=1648h/年 ⑥设备利用系数：k=实际开车时间/年工作时间=1648/2000=0.824
（6）填写物料平衡表
输入 输出 组分 /% 87 2.6 1.7 0.87 6.96 0.87 质量 /t· 年-1 1780 53.1 34.7 17.8 142.3 17.8
序号
1 2 3 4 5 6
物料名称
PVC CaSt 硫醇甲基烯 马来酸二正辛基锡 CaCO3 石蜡
序号
1 2
物料名称
硬聚氯乙烯管材专用树脂 废料
⑦进入混合工序的各组分量分别为 PVC 2043.9×87%≈1778.2 t/年 CaSt 2043.9×2.6%≈53.1 t/年 硫醇甲基烯 2043.9×1.7%≈34.7 t/年 马来酸二正辛基锡 2043.9×0.87%≈17.8 t/年 CaCO3 2043.9×6.96%≈142.3 t/年 石蜡 2043.9×0.87%≈17.8 t/年 ⑧PVC投料量 1778.2/（1-0.1%）≈1780t/年 PVC损失量 1780-1778.2=1.8t/年 ⑨生产中废料产生总量 1+2+2+133.5+87.2+87.2+2.4+4.6+1.8=321.7t/年 回收利用量=306.8×90%=276.1t年 实际损耗=321.7-276.1=45.6t/年
反应物参加反应的百分率 生成目标产物的反应物数量占参加反应的 反应物数量的百分比
生产为目标产物的反应物数量占反应物起 始数量的百分比,等于转化率乘以选择性 副产物或未参加反应的反应物经处理后可 以重新利用的百分比
配料比 转化率 选择性 单程 收率
回收率
物料中含主要成分的百分比
2. 理论依据 一般表达式为：
解： （1）选择计算基准。本题为间歇过程，因此以每批处理量为基准进行物料衡算。 （2）画物料流程简图
水蒸气，F2 kg
原料液，F1 =1000kg 10%NaOH 10%NaCl 80%H2O
蒸发器
50%NaOH 2%NaCl 母液，F4 kg 48%H2O
NaCl晶体，F3 kg
【例3-2】
含CH4 90％和C2H6 10％（mol％）的天然气与空气在混合器中混合，得到的 混合气体含C H448％。试计算100mol天然气应加入的空气量及得到的混合气 量。 解：设A为所需空气量，M为混合气量，x为混合气中C2H6的含量。 （1）画物料流程简图
（2）工艺流程图 ①物料配比。为了计算方便，通常将配方中的各组分份数换算为百分含量。
序号 1 2 3 4 5 6
原料名称 PVC CaSt 硫醇甲基烯 马来酸二正辛基锡 CaCO3 石蜡
配方中份数 100 3 2 1 8 1
百分率/% 87 2.6 1.7 0.87 6.96 0.87
②绘制流程框图
（5）选择物理化学及工艺常数以及计算所必要的数据。如临界参数、密度或比 体积、状态方程参数、蒸汽压、气液平衡常数或平衡关系、粘度、扩散参数等。 （6）由已知数据，根据式（3-1）和式（3-2）进行物料衡算。 （7）将物料衡算结果列出物料衡算表，必要时画出物料衡算图。
表3-1 XX阶段物料衡算表
序号
3.1.3 物料计算举例
无化学反应过程的物料衡算。 【例3-1】采用蒸发方法将浓度为10％NaOH及10％NaCl的水溶液进行浓缩。蒸
发时只有部分水分汽化成为水蒸气而逸出，部分NaCl结晶成晶粒而留在母液中。
操作停止后，分析母液的成分为：50％NaOH，2％NaCl及48％H2O。若每批处 理1000 kg原料液，试求每批操作中： 1)获得的母液量， 2)蒸发出的水分量， 3)结晶出的NaCl量
（1）画出物料衡算示意图，注上与物料衡算有关的数据。最简单的物料衡算示 意图。
（2）写出化学反应方程式，包括主、副反应。只属于物理过程的，此步骤可免 去。 （3）确定计算任务。如年产量、年工作日、日生产能力、纯度、产率、制成率 或损耗等
（4）选定计算基准。可以使计算简化，缩小计算误差。常用的计算基准有： 连续生产 整套生产装置的操作状态不随时间的变化而变化，属于定态操作过程， 一般选时间为计算基准，对应计算单位为Kg/h 、 Kmol/h 、 m3/h等。 间歇生产 物料都是一批批加入生产装置进行加工处理的，属于非定态操作过程， 一般选批为计算基准，对应计算单位为Kg/B 、 Kmol/B 、 m3/B 。 原料消耗计算、成本核算 可以单位产品数量作为计算基准。单位重量、单位体积或单位摩尔量的原料 或产品。 对于不同工艺过程，采用什么基准适宜，需视具体情况而定，不能作硬性规定。
高分子材料工厂工艺设计
第三章 工艺计算
贺燕 教授
工厂基本建设过程
1. 设计前期（项目建议、可行性研究、任务书） 2. 初步设计 3. 施工图设计 4. 施工、试车、验收 1. 工艺流程设计 1. 厂址选择 2. 总平面设计 3. 工艺设计
我们所在的位置
2. 工艺计算（物料与热量计算）
3. 设备的选型与设计 4. 车间布置设计 5. 管道设计 6. 非工艺项目的设计 7. 车间劳动定员及组织管理制度 8. 工程概预算 9. 技术经济分析 10. 安全生产与环境保护
• 按操作方式分：连续操作，间歇操作，带循环过程。
3.1.1 物料计算的基本知识 1. 基本概念
进入生产装置的各种原料之间的比例关系, 如质量比、 摩尔比
流量
产量 消耗量 损失量 纯度
单位时间内物料流过设备的数量,如质量 流量、体积流量 单位时间内生产装置生产出产品的数量, 如年产量、月产量、 日产量等 生产单位数量产品所需原材料的数量 生产单位数量产品损失掉原材料的数量
物料名称
输入 组分/%
质量/kg· h-1
序号
物料名称
输出 组分/%
质量/kg· h-1
总计
总计
表3-2 原料消耗综合表
序号
物料名称
规格
单位
每单位产品消耗定额
消耗量/kg 每小时 每天 每年
备 注
Hale Waihona Puke Baidu
表3-3 排出物综合表
序号 物料名称 特性和成分 单位
每单位产品排出 每小时排出量 每年排出量 备注 量
每小时 /kg 1080.1 32.2 21.1 10.8 86.3 10.8 1241.3
每天 /kg 7120.0 212.6 139.0 71.1 569.0 71.1 8182.8
每年 /t 1780.0 53.1 34.7 17.8 142.3 17.8 2045.7
备注
PVC 粉料 1780t PVC 87% 1778.2t
PVC 粉料 筛选机 料罐 助剂 高混机 冷混机 挤出 造粒机 大块料
料罐 破碎
上料机 料槽 开机料
筛分机
料槽
小块料、粉料 料罐
2000t/年产品
包装 缝包
台秤
料罐
上料机
（3）确定计算任务： 挤出造粒机为连续操作，其它均属于间歇操作。由设计任务和生产现场可知 生产规模、生产时间、消耗定额、各装置损失以及配方等工艺操作条件。可 以物料流向展开计算，并按间歇过程与连续过程分别确定基准依次计算。 间歇过程基准：kg·B-1；连续过程基准：kg·h-1。
当生产方法已经确定后，就要开展生产工艺计算 设计中所涉及的工艺计算包括 » 物料衡算 » 热量衡算 » 设备工艺计算。 意义： 是工艺过程设计及技术经济评价的基本依据 可得到： • 主、副产品产量，原材料的消耗定额，过程的物料损耗，“三废”的 生成量及组成； • 水、电、汽或其他燃料等消耗定额； • 设计物料流程图 • 生产设备设计和选型的依据 • 定量地评述所选择的工艺路线、生产方法及工艺流程在经济上是否合 理，技术上是否先进。