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年产吨月桂酸甘油酯车间初步设计

73
2020年5月29日
文档仅供参考
齐 齐 哈 尔 大 学

毕业设计(论文)

题 目 年产2 000吨月桂酸甘油酯车间的初步设计
学 院 化学与化学工程学院
专业班级 化工073班
学生姓名 于 佳
指导教师 邓启刚 宋伟明
成 绩

6 月 12 日

摘 要

此设计为年产2 000吨月桂酸甘油酯车间初步设计。本文阐述了月桂酸甘油酯的生产流程以及设备的布置情况。介绍了甘油、月桂酸、月桂酸甘油酯的物化性质,根据月桂酸甘油酯的性质确定生产流程路线。甘油和月桂酸在催化剂的作用下发生酯化反应得到月桂酸甘油酯。并指出原料和产品都具有一定的粘性,说明了储存方法和处理措施。而且对月桂酸甘油酯的市场现状及前景作了调查,从而确定了产品的市场定位。并对产品在乳制品业、畜牧业、工业生产等方面的应用作了简单介绍。根据以往生产的资料作为车间设计的经验数据,并进行了大量严谨的计算,其中包括物料衡算、热量衡算、设备计算以及设备选型,从而确定了设备具体型号。并用AutoCAD绘制车间平立面布置图、主要设备装配图及手绘带控制点的工艺流程图。最终完成20 000字的毕业设计说明书。

关键词:月桂酸甘油酯;工艺计算;设备选型;公用工程;初步设计

Absract

The workshop of glyceryl laurate of 2 000 tons per year was designed. The production process of the glyceryl laurate and the layout equipment were described in this paper. The physical and chemical properties of the glycerim, the dode canoic acid and the glyceryl laurate were introduced. According to the properties of the glyceryl laurate, the process route was identifified. The glycerim and the dode canoic acid were esterification with the glyceryl laurate. And the raw materials and products were viscous. The storage methods and measures were introduced. The market status and prospects of glyceryl laurate were invested in order to determined the definition of the market. The use in dairy industry, animal husbandry and industrial production were introduced simply. According to the previous information, a production workshop was designed by empirical data. And a lot of strict calculation including mass balance, heat balauce, equipment were calucuated, the size and type of key equipment were selected. The process the workshop layout and the key equipment plan were drawn by Auto CAD and flow chart with control point plan was drawn by hand. Finally, a instruction of 20 000 words was completed.

Key words: Glyceryl laurate; Process calculation; Equipment selection; Public works; Preliminary design

目　录
摘要 错误!未定义书签。
ABSTRACT 错误!未定义书签。

第1章　总论 错误!未定义书签。
1.1　概述 错误!未定义书签。
1.1.1 产品的意义与作用 错误!未定义书签。
1.1.2　国内外的现状及发展前景 错误!未定义书签。
1.1.3　产品的性质和特点 错误!未定义书签。
1.1.4　生产方法概述 3
1.2　设计依据 3
1.3　厂址选择 3
1.3.1　厂址选择原则 3
1.3.2　本次设计的厂址选择 4
1.4　设计规模与生产制度 5
1.4.1　设计规模 5
1.4.2　生产制度 6
1.5　原料与产品规格 6
1.5.1　主要原料规格及技术指标 6
1.6　综合经济技术指标 7
第2章　工艺设计与计算 8
2.1　工艺原理 8
2.2　工艺路线的选择 8
2.3　工艺流程简述 8
2.3.1　工艺流程示意图 8
2.3.2　工艺流程简述 9
2.4　工艺参数 9
2.5　物料衡算 10
2.5.1　物料衡算的意义与作用 10
2.5.2　物料衡算的方法与步骤 10
2.5.3　物料衡算 错误!未定义书签。
2.6　热量衡算 错误!未定义书签。
2.6.1　热量衡算的意义与作用 14
2.6.2　热量衡算及所需媒质的量 14
第3章　设备的选型 错误!未定义书签。
3.1　选型的原则 错误!未定义书签。
3.2　关键设备的选型 24
3.2.1　反应釜容积的计算 24
3.2.2　反应釜的高度与直径的计算 25
3.2.3　反应釜与釜封头壁厚的计算 26
3.2.4　反应釜夹套的计算 27
3.3　其它设备的选择 错误!未定义书签。
3.3.1　换热器的选型 错误!未定义书签。
3.3.2　搅拌轴、搅拌器及传动装置的选型 30
第4章　设备一览表 32
第5章　车间设备布置设计 33
5.1　车间布置设计的原则 33
5.1.1　车间设备布置的原则 33
5.1.2　车间设备平面布置原则 34
5.1.3　车间设备立面布置原则 34
5.2　车间设备布置 34
5.2.1　车间设备平面布置 34
5.2.2　车间设备立面布置 36
第6章　自动控制 37
6.1　主要的控制原理 37
6.2　自控水平与控制点 37
6.2.1　自控水平 错误!未定义书签。
6.2.2　控制点 38
第7章　安全和环境保护 39
7.1　基本原则 39
7.2　三废产生情况 错误!未定义书签。
7.2.1　废气 错误!未定义书签。
7.2.2　废水 错误!未定义书签。
7.2.3　废渣 40
7.3　三废处理情况 40
第 8 章　公用工程 41
8.1 公用工程原则 41
8.2　公用工程方案 41
8.2.1　供水 41
8.2.2　供电 43
8.2.3 供暖及通风 43
结束语 45
参考文献 46
致谢 错误!未定义书签。

第1章 总 论

1.1 概述

1.1.1 意义与作用
月桂酸甘油酯是一种亲酯性的非离子表面活性剂,天然存在于母乳和美洲蒲葵中,是以中优良的食品乳化剂,同时又是一种国际公认安全高效广谱的抑菌剂。月桂酸甘油酯一般具有优良的感官特性,它的最大优点是”不是防腐剂,胜似防腐剂”其抑菌效果不会因PH的改变而改变,一般在PH4～PH8范围内均有效。其抗菌广谱,对食品中常见的细菌、霉菌、酵母菌均有较强的作用,同时还具有抑制多种病毒和原生动物的功效。它在1971年已被FDA(美国食品与药物管理局)批准GRAS(一般公认安全)类食品添加剂。中国卫生部已于 4月比准月桂酸甘油酯用于各类食品,且规定食品中使用没有用量限制。根据实际需要添加即可(见 卫生部第7号文件)考虑到食品生产企业的需要,月桂酸甘油酯乳化剂添加到食品中,企业完全能够说这些食品内”绝不添加任何防腐剂”的口号。
作为防腐剂月桂酸甘油酯的含量必须在90%以上,作为乳化剂月桂酸甘油酯的含量必须在70%以上,而现在由于科技的进步,用分子蒸馏法生产的月桂酸甘油酯的纯度已达到90%以上,具有良好的防腐乳化性和优异的安全性。
月桂酸甘油酯对链球菌、金黄葡萄球菌、肉毒芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌等革兰氏阳性细菌和幽门杆菌、沙门氏菌大肠杆菌等革兰氏阳性细菌以及黒曲霉毒菌、假丝酵母菌、啤酒酵母等真菌和酵母都有较好的抑制效果,其中革兰氏阴性细菌的抑制作用最强。
月桂酸甘油酯应用范围非常广泛,主要用于肉制品、乳化品、调味品、乳化香精、果汁、植物蛋白、饮料、豆制品、烘烤食品、化妆品、医药保健品等行业中。
1.1.2 国内外现状及发展前景
月桂酸甘油酯作为食品添加剂,在食品行业中应用非常广泛。特别在防腐、保鲜、乳化作用、安全性及应用方面中国家应用之广。食品乳化剂和防腐剂作为多种食品添加剂的两个品种,在食品加工过程中起着举足轻重的作用。在食品加工过程中添加适量的组分将起到显著效果,月桂酸甘油酯天然存在于母乳中,在婴儿自身免疫系统未发育正常之前,对婴儿的健康起着保护作用[1]。
经研究发现,月桂酸甘油酯不但作为良好的食品乳化剂应用于乳制品、医药保健品、烘烤食品,而对面制品品质起着重要的改良作用。同时她是一种安全的、高效的、广谱的、抗菌制剂,抗菌效果不受PH的影响,其防腐性能优于山梨酸、苹果酸、羟基苯甲酸酯和脱氢醋酸等常规防腐剂。
经国内外研究,随着世界人口的不断增长,有限的食物资源已难堪负重,而另一方面,世界每年约有1/6至1/5的食品由于腐败变质不能食用。酸制品、乳品、肉制品、蔬菜制品,果制品及其它食物制品的霉变给人类带来了巨大的损失和危害,因此食品防腐也是食品加工过程中不可缺少的一环,因此人类常见的月桂酸甘油酯都是作为防腐剂对食品进行保鲜的。
国外用于食品防腐剂在美国有约50多种,日本约为40种,中国约为32种,当前月桂酸甘油酯作为防腐剂已经用于多种行业中,作为一种高效、安全的制剂,国内外对其的研究还在进一步加深,发展前景十分好,而且月桂酸甘油酯已经经过美国食品与药物管理局的公认。
近十年来,随着各国人对食品安全意识的提高,有机无农药的食品日益增多,可是这些食品在一段时间内是不能被人们及时购买的,为了防止其不会腐败、变质,往往要向食品中添加防腐剂、保鲜剂等等,月桂酸甘油酯是一种环保的食物制剂,它是一种”不是防腐剂,胜似防腐剂”一种绝对安全的制剂,被许多国家应用,并对其进行改良,提高它本身的性能,经过月桂酸甘油酯来研究更多,更安全的食品添加剂。
月桂酸甘油酯作为一种非离子表面活性剂,由于在抑菌、防腐等方面有很好的效果,因此在许多领域有广泛的用途,因而近年来得到了很快的发展。许多国家都对它进行研究,研究成果也非常明显,月桂酸甘油酯作为表面活性剂的应用前进有重要意义,特别在非水体系中的物化性能等方面总结了今年来国内外应用现代实验技术对非离子表面活性剂缔合结构物理化学性能的研究状况,得到了许多有益的规律和结论,并对各个研究领域进行了展望,非离子便面活性剂的研究为月桂酸甘油酯的研究提供了大量的信息。
1.1.3 产品的特性与特点
本装置产品为月桂酸、甘油、月桂酸甘油酯。
1. 月桂酸(Dode canoic acid)又叫十二烷酸,分子式CH3(CH2)10COOH或C12H24O2,分子量200.32,白色针状晶体,熔点44 ℃,沸点225 ℃(1.33×103 Pa),密度0.869 g/cm3 (50 ℃), 折射率1.4323(45 ℃),不溶于水,溶于乙醇、乙醚、苯等有机溶剂,低毒。
2. 甘油(glycerim)又叫丙三醇 ,分子式C3H8O3分子量 92.09,无色粘稠液体,无气味,有甜味,能吸潮,熔点17 ℃,沸点290 ℃,相对密度1.26 g/mol (20 ℃)、(水=1) 闪点160 ℃,引燃点320 ℃,饱和蒸汽压力 0.4 KPa(20 ℃)相对蒸汽密度(空气=1)3.1 g/mol, 可溶于醇,不溶于醚、氯仿、油类。
3. 月桂酸甘油酯(Glyceryl laurate)分子式C15H3004,分子量274.4,相对密度0.98 g/mol熔点23 ℃,沸点187 ℃(1.33×103 Pa),奶油色膏状物,微有气味,溶于甲醇、乙醇、甲苯、乙醚。
1.1.4 产品的生产方法概述
月桂酸甘油酯的生产工艺路线是以甘油、月桂酸为原料,硫酸作为催化剂,通入低压氮气作保护情况下进行酯化、中和、脱醇、精致,此方法生产月桂酸甘油酯的纯度可达到90%以上,月桂酸甘油酯是由月桂酸和甘油而生成是一种油包水型(W/O)乳化剂,抗菌剂、防腐剂、增粘剂,由于月桂酸甘油酯生产纯度受生产设备、工艺原料、温度、压力、反应物的物性等诸多因素的影响,为了更充分地发挥分子蒸馏的作用,我采用蒸发水加快反应,其产品的乳化效果更为理想。因此我采用酯化蒸馏法提升产品的纯度。
国外对这种方法技术加以发展、改进,形成有特色的专项技术,主要技术已经过国家认证,而且生产技术还更进一步突破,国外很多公司应用这项技术进行生产验证,效果显著,这种生产月桂酸甘油酯的生产方法是当今世界最先进,最广泛使用的合成技术,这种技术大大提升了月桂酸甘油酯作为防腐剂、乳化剂、所需的产量,这种合成工艺是当今生产月桂酸甘油酯的主要工艺路线。

1.2 设计依据

1. 首先依据是老师布置的”任务书” 年产2 000吨月桂酸甘油酯车间的初步设计。
2. 依据学院出版社出版的<化工工程设计>。
3. 齐齐哈尔大学实践教学与设备管理处颁发的<齐齐哈尔大学本科毕业生设计论文工作手册>。
4. 依据国防工业出版社出版的<过程设备机械基础>。
5. 依据天津大学出版社出版的<化工原理>上下册。
6. 依据华东理工大学出版社出版的<精细化工反应器及车间工艺设计>。
7. 依据化工工业出版社出版的<精细化工生产流程图解>。
8. 依据西北工业大学出版社出版的<化工过程设计>。

1.3 厂址选择

1.3.1 厂址选择原则
厂址选择对于整个设计工作来说,是十分重要的环节。它是基本建设前期工作的重要组成部分,是根据国民经济建设计划和工业布局的要求选择和确定工厂的建设位置。
厂址选择应该遵守以下基本原则:
1. 根据国家城市或区域要求,坚持工业布局要大分散,小集中的原则,又要考虑到邻近企业的协作关系。
2. 坚持调查研究,实事求是的原则对建厂基本条件进行科学分析。贯彻以农业为基础,以工业为指导方针,节约用地,尽量不占或少占农田。
3. 注意环境保护,工厂与居住区要满足卫生防护标准,重视对三废处理场地的合理选择,尽量少对生态、自然风景的破坏和影响。
4. 地形选择要适合工厂的总面积的布置,并有发展余地,厂址的自然地形坡度要与建筑物的相对布置,运输关系和地面安排等要求相近似。
1.3.2 本次设计的厂址选择
建厂地点:项目拟建厂址位于黑龙江省宝清县城东南约30 km八五二农场五分场,北距煤矿首采区5 km,南面紧邻依绕公路,行政区划隶属宝清县朝阳乡境内。
建设厂区厂址主要特点:宝清县位于黑龙江省东北部,三江平原腹地。地处东经131°12′至133°30′,北纬45°45′至46°55′。县域三面环山,东南西部为山区和半山区,北部为平原区,地貌特征概括为”四山一水四分田,半分芦苇半草原”。行政区面积10 001.27平方公里,人口42.4万。
地下水源充分,能有充分的水源供给工厂使用。而且宝清县地处北温带大陆性季风气候区,受蒙古内陆冷空气和海洋暖流季风的影响,总的特点是:冬季寒冷有雪;夏季温热多雨;春、秋季多风。全年无霜期较短,因此大气降水是形成浅层地下水的主要垂直补给源。
宝清县交通便利,四通八达。滨洲铁路贯穿全境,与东北、华北铁路网密切相联,沟通着东北和华北腹地,301国道斜穿我县,成为我县与哈尔滨等以南地区、齐齐哈尔等以北地区相互沟通的纽带和桥梁。哈大高速公路的终端就在该区境内,从宝清县出发至佳木斯市的行程仅需1个多小时,长途客车可直接通达省内外40多个地市县,区内乡村通车率100%。区内距佳木斯市内河码头仅150公里,距松花江港距1 000多里,那里有通往全国各大港口的客运班轮和通往香港、日本、韩国、波斯湾、南非等国家及地区的定期货运班轮,而宝清县距佳木斯机场佳木斯只有2个多小时的路程,从那里可飞往香港、东京、汉城等国家和地区,发达的交通已经使宝清县对外联络的门户。
宝清县具有优越的区域自然地理环境。区域地处松嫩平原,气候属于大陆性气候。黑土泛金,资源极为丰富。地下蕴藏着石油、天然气、土碱、土盐、土硝等自然资源,为发展煤化工、天然气,煤电一体化工业、石油化工提供了得天独厚的自然条件,现在宝清县地区已经成为全国最大的煤化工生产基地之一。
本工程地处宝清县,工程所需各种原材料的供应资源非常丰富,施工所需的各种技术力量也能够就近解决,交通运输亦非常便利,为工程的实施创造了有利条件。该厂建设不占用耕地,仅需要对废弃车间进行拆除,构筑所需的厂房和设备即可投入生产,可减少资源浪费,对环境的影响减少到最小。该地区极少发生地质灾害,且施工难度小,建设投资低。
建设地点的社会经济条件,陆海空交通便捷,商贸发达,市场潜力巨大,产品可远销国内及东南亚地区。劳动力资源丰富、高素质高学历人才济济,对化工产业的研发有很大的促进作用。
市场潜力大。这里经济发达,城乡人均可支配收入高于全国平均水平,较强的购买力,是投资者必须考虑的市场因素。能够说,投资者在宝清县投资,意味着在进入广阔的华北市场和东北市场上占了先机。
技术资源丰富。依托的东北腹地,是中国自然资源最丰富的地区,也是中国工业企业的主要积聚区之一,可为投资者提供多方面的合作机会和生产配套。特别是东北国有企业规模较大,国家在国有企业利用国外资金、技术进行嫁接改造上,有不少鼓励政策。
总体来说,所选厂址较为合理。周围存在大片空地可用,且由于离总厂位置比较近,能够直接利当地工厂生产的月桂酸,大大节省了原料的成本,由于酯交换工艺产品价格的制约因素是原料的距离生产产品地区远,在原料原产地建厂能够降低一部分投资和成本,具有潜在的经济效益。
我选用了酯交换工艺,明显提高了产品收率,减少了一些不必要的损失。生产工艺采用具有绿色环保、节能减耗的酯交换法,对环境污染小,是走持续发展路线、开发绿色环保技术的典型工艺。该项目尊重自然、保护自然的发展要求,能够符合国家相关规定,同时响应国务院发布的有关发展绿色化工的号召,必将得到政府优惠政策的支持和鼓励,相信未来月桂酸甘油酯厂的发展前景会很好。

1.4 设计规模与生产制度

1.4.1 设计规模
生产月桂酸甘油酯的装置是以月桂酸、甘油为生产原料,在低压氮气作为保护气,浓硫酸为催化剂的情况下,进行酯化、中和、脱醇、精制等,生产年产2 000吨的月桂酸甘油酯。
设计为年产2 000吨的月桂酸甘油酯车间工艺的初步设计,一年的工作日按330天,每天工作24小时,总反应时间3小时,辅助时间2小时。

1.4.2 生产制度
生产口号为”安全生产,质量第一”。实行”四班三倒制”,月桂酸甘油酯车间的人员组成如表1-1。
表1-1 月桂酸甘油酯车间人员组成
人员名称
人数
倒班制
车间主任
班长
酯化釜岗位工人
中和釜岗位工人
脱醇塔岗位工人
精制岗位工人
外线岗位工人
技术工人
临时工人
1
4
4
2
2
2
1
2
若干
八小时工作制
四班三倒制
四班三倒制
四班三倒制
四班三倒制
四班三倒制
八小时工作制
八小时工作制
八小时工作制
在职工人共计18人,临时工人若干。车间主任白天在车间主持工作,每班由一个班长带领倒班人员进行倒班。

1.5 原料及产品规格

1.5.1 主要原料规格及技术指标[2]
表1-2 月桂酸的原料规格及技术指标
项目
分析纯
化学纯
含量%
熔点范围
灼烧残渣
纯度
碘价g/100g
酸值mg KOHg
灰分%
水分
未皂化值
＞98%
42.5～44.2
≤0.03
≥98.0%
≤0.05
＜0.4%
＞97%
≤0.2%
≤0.5%
＞97%
40.0～46.0
0.01
99.0%
0.02
0.001
-
0.000 1
0.000 1
表1-3 甘油的原料规格及技术指标
含量
分析纯
化学纯
含量%
色度
酸度mol/100g
碱度mol/100g
灼烧残渣%
氯化物(cl)
硫酸盐
铵盐
砷(AS)
重金属%
脂肪酸酯
灰分%
其它杂质%
＞99%
≤10
≤0.05
≤0.03
≤0.001
≤0.000 1
≤0.000 5
≤0.000 5
≤0.000 05
≤0.000 1
≤0.05
≤0.01
≤0.06
97 %
30
0.1
0.06
0.005
0.001
0.001
0.001
0.000 02
0.000 5
0.1
-
-

1.6 综合经济技术指标

对建设年产2 000吨月桂酸甘油酯装置的建厂指标进行了估算,其原料、公用工程需用量如下:
表1-4 经济指标一览表
项目
指标
月桂酸 kg/批
甘油 kg/批
水 t／h
电 万 kW ·h
汽 t／h
总投资 亿元
年销售收入 万元
年利税 万元
年利润 万元
852.27
467.17
1072
1596
18.7
8.26
65 247
16 846
12 409

第2章 工艺设计及计算

2.1 工艺原理

月桂酸与甘油在浓硫酸作催化剂,低压氮气做保护气下发生酯化反应,生成月桂酸甘油酯,反应方程式如下[2]:
月桂酸和甘油化生成月桂酸甘油酯:
CH3(CH2)10COOH+CH2OHCHOHCH2CH3(CH2)10COOCH2CHOHCH2OH+H2O
上述反应在170 ℃、0.22 MPa条件下反应,月桂酸与甘油是1:1.2反应。

2.2 工艺路线的选择

本设计是年产2 000吨的月桂酸甘油酯车间的初步设计,本设计是以浓硫酸作为催化剂,低压氮气作为保护气,反应釜在温度170 ℃时,釜内操作压力0.22 MPa下进行酯化、中和、脱醇、精制等反应。

2.3 工艺流程简述

2.3.1 工艺流程示意图

图2-1 带控制点的工艺流程图
2.3.2 工艺流程简述
1. 原料预处理
月桂酸在常温下为固体,因此将月桂酸固体放入预熔釜E105中预熔,然后用泵P101将月桂酸送入反应釜,甘油在常温下为粘稠的液态不用预处理,直接储放在原料罐V102中。
2. 酯化反应段
首先要用氮气吹去反应釜R101中的空气,为了防止空气中的样对产品的质量产生影响;由PI101显示反应釜R101中的压力由PIC101控制压力。然后向反应釜中加入原料;月桂酸经过流量控制阀FIC101控制流量,由泵P101输送到反应釜R101中。甘油经过液位控制阀LIC101输送到反应釜R101中。同时向反应釜中加入少量催化剂加入到反应釜R101中。在反应釜R101中压力控制在0.22 MPa,温度控制在170 ℃,反应釜的热量由水蒸气经过反应釜夹套供热,经过控制水蒸气的流量来达到控制温度的目的。反应釜R101的温度由T101显示,液位由LIC102显示。反应釜中反应生成的水与少量的月桂酸从反应釜R101出去经过换热器E103换热,在进入分离器S101将月桂酸和水分离,少量的月桂酸回流到反应釜R101,水与储罐V103中的纯碱液中和,一同进入中和釜净化工段。
3. 净化工段
经过3小时的反应反应釜中的产品经过换热器E101冷凝。在由FIC102流量控制阀控制流量,由泵P102提供动力将产品输送到净化工段。由于此时产品中含有浓硫酸,因此用30%氢氧化钠在中和釜R102中进行中和。中和完后的产品经过换热器E102加热,在经过液位控制阀LIC103由泵P103输送到脱醇精馏塔T101中。对产品进行分离。
4. 分离工段
进入脱醇塔,由PI103显示脱醇塔T101中的压力由PIC103控制压力在5-7 Pa真空下,有TIC107控制温度在180 ℃,脱去未反应的甘油,从中脱醇精馏塔塔底出来的废醇作为废醇进入储罐V101,塔顶出来的产品经过换热器E104冷凝然后进入分离器S102,分离出来的废液直接进入储罐V105。而产品直接进入脱色釜进行脱色。
5. 精致工段
从R-203釜底出来的产品经过液位控制阀LIC105由泵P104输送到Y101振动过滤机中,进行精致,废渣直接进入V104储罐,得到产品月桂酸甘油酯。

2.4 工艺参数

月桂酸甘油酯生产的工艺参数如下表:
表2-1 工艺参数表
序号
工艺参数
位号
单位
指标
1
酯化反应釜压力
PIC101
MPa
0.2±0.1
2
脱醇精馏塔压力
PIC103
MPa
5.0±2.0
3
酯化反应釜温度
TIC101
℃
160-170
4
酯化反应釜液位
LIC102
%
＜80
5
中和反应釜压力
PIC102
MPa
＜0.1
6
脱醇精馏塔温度
TIC107
℃
180
7
中和反应釜液位
LIC103
%
＜80

2.5 物料衡算

2.5.1 物料衡算的意义与作用
物料衡算是化工计算中最基本,最重要的内容之一,是进行化工计算的基础。在化学工程中,为了导出某一过程的基本方程式和建立数学模型,设计或改造工艺流程和设备,核算生产过程的经济效益等都要惊醒物料衡算。物料衡算在生产和设计中都得到广泛的应用。
在工厂设计中,物料衡算是在工艺流程及工艺参数确定后即开始的一项化工计算工作。因此,设计工作从定性分析转入定量计算。
物料衡算是经过每一道工序的物料变化情况进行平衡计算,从而得到在正常生产情况下各股物料的量。经过物料平衡在已知产品生产任务情况下算出所需要的原材料,生成的副产物及废物等的生成量,或者在已知原料投放情况下,算出产品,副产物及废物量。另外,经过物料衡算,能够算出原材料消耗定额,并在此次基础上作出能量平衡,算出动量消耗和消耗定额。算出生产过程所需要热量或冷量,同时为设备选型和计算提供依据。
物料衡算的结果直接关系到生产成本和车间运输量,对工厂技术经济指标有举足轻重的影响。
2.5.2 物料衡算的方法与步骤
1. 收集计算数据
(1) 原料、辅料、中间产品及产品的规格;
(2) 过程中单位时间内的物流量;
(3) 有关消耗定额;
(4) 有关转化率;
(5) 有关物理化学常数。如相对密度,相平衡常数等。
2. 画物料流程图
3. 确定衡算范围
4. 确定计算基准
2.5.3 物料衡算
设计为年产2 000吨月桂酸甘油酯车间工艺的初步设计,以每次投料量作为计算基准,一年的工作日按330天计算,每天工作24小时,设计中采用以下数据:
月桂酸的摩尔质量200.31 kg/mol甘油的摩尔质量92.09 kg/mol月桂酸甘油酯的摩尔质量274.4 kg/mol水的摩尔质量18.01 kg/mol浓硫酸的摩尔质量98 kg/mol月桂酸甘油酯的质量浓度85%。
1.酯化反应器:
CH3(CH2)10COOH+CH2OHCHOHCH2CH3(CH2)10COOCH2CHOHCH2OH+H2O
200.31 92.09 274.4 18
月桂酸甘油酯的质量规格为85%
月桂酸甘油酯的实际产量为2××85%=1.7×kg
:::= 1:1.2:1:1
月桂酸甘油酯的物质的量为:1.7×106÷274.4=6 195.33 mol
月桂酸的转化率为:93.11%
月桂酸的物质的量为:=6 195.33 mol
月桂酸的质量为:6 195.33×200.31÷93.11%=1.33×106 mol
月桂酸实际的物质的量为:1.33×106÷200.31=6 653.775 mol
月桂酸的纯度为:99%
月桂酸实际质量为:1.33×106÷99%=1.35×106 mol
因为: =1.2:1 则:
甘油的物质的量为:6 653.775×1.2=7 984.53 mol
甘油的质量为:7 984.53×92.09=7.35×105 mol
甘油的纯度为:99.3%
投入甘油的总质量为:7.35×105÷99.3%=7.40×105 mol
产生水的质量为:6 195.33×18.01=1.12×105 mol
剩余甘油的质量:(7 984.53-6 195.33)×92.09=1.65×mol
剩余月桂酸的质量:1.35×106×(1-93.11%)=9.3×104 mol
酯化反应时间为3 h,辅助时间为2 h。则每次进出口量以一年工作按330天计算,每天工作24 h,总生产时间为5小时,则总共投料批数为:330×24÷5=1 584批
反应釜每次的进口物料量:
1. 月桂酸每次的投料量:kg/批
2. 甘油每次投料量:kg/批
表2-2 反应器进口物料平衡表
组分
Kg/批
分子量
月桂酸
852.27
200.31
甘油
467.17
92.09
合计
1 319.44
-
反应釜每次出口物料量:
1. 月桂酸甘油酯每次出口物料量:kg/批
2. 水的每次出口物料量:kg/批
3. 剩余月桂酸每次出口物料量:kg/批
4. 剩余甘油每次出口物料量:kg/批
5. 杂质每次出口物料量:kg/批
表2-3 反应器出口物料平衡表
组分
kg∕批
分子量
月桂酸甘油酯
1 073.23
274.4
水
70.71
18.01
剩余月桂酸
58.71
200.31
剩余甘油
104.17
92.09
杂质
12.62
-
合计
1 319.44
-
2. 脱醇精馏塔的物料衡算:
因为原料液为:月桂酸甘油酯=1 073.23 kg 甘油=104.17 kg杂质=12.62 kg
水=75.95 kg
因此F=1 265.97 kg
因为塔底液为W=104.17 kg
说以塔顶液为D=F-W=1 265.97-104.17≈1 161.8 kg

反

应

釜

月桂酸1073.2 kg
甘油467.17 kg

月桂酸58.71 kg
月桂酸甘油酯
1 073.23 kg
甘油104.17 kg批
水、杂质83.33 kg

图2-2 物料流程图

脱

醇

精

馏

塔

月桂酸甘油酯
1 073.23 kg

甘油104.17 kg
水75.95 kg
杂质12.62 kg
月桂酸甘油酯和水 1 149.18 kg/

甘油104.17 kg
杂质12.62 kg

图2-3 脱醇精馏塔物料衡算

2.6 热量衡算

2.6.1 热量衡算的意义与作用
在化工生产过程中,各工序都要在严格控制的工艺下(如温度、压力、流量、浓度等)进行。经历各种化学变化和物理变化进行生产。在这过程中,各类化工单元操作,或者有动量的传递,或者有热量的传递,或者有伴随热量的质量传递。若有化学反应,则不但兼有”三传”(动量传递,热量传递,质量传递),还具有”一反”(化学反应产生的热效应—吸收或放热)。物质在整个过程中发生质量的传递和能量的变化。这样的化工计算称为热量衡算[3]。 化工生产中,能量衡算概括起来应用于以下几个方面:
(1) 确定效率 如流体输运、搅拌、粉碎等单元操作中所需效率。
(2) 确定热量或冷量 如蒸发、蒸馏、冷凝、冷却、闪蒸等所需要的热量或冷量。
(3) 确定供热效率或放热效率 如化学反应中,由于热效应(使体系的温度上升或下降)需确定的热量或冷量。
(4) 确定节能措施 为充分利用余热,降低总能量消耗所采用的相应措施。
2.6.2 热量衡算及所需媒质的量
热平衡式: Q1+Q2+Q3=Q4+Q5+Q6; (2-1)
式中 Q1—处理物料时需要的热量 kJ;
Q2—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;
Q3—过程的热效应(符号规定放热为”＋”,过程吸热为”－”,注意:Q与热焓符号相反,即Q=－H。如过程放热则H 为”－”,则Q为”＋”)kJ;
Q4—离开设备物料带出的热量 kJ;
Q5—设备各部件所消耗的热量 kJ;
Q6—设备向四周散失的热量,又称热损失kJ。
物料平衡表:
酯化反应器:
表2-4 反应器进口物料平衡表
组分
kg/批
分子量
月桂酸
852.27
200.31
甲醇
467.17
92.09
合计
1 319.44
-
表2-5 反应器出口物料平衡表
组分
kg/批
分子量
月桂酸甘油酯
1 073.23
274.4
水