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聚酯物料平衡和热量计算
聚酯物料平衡和热量计算
一物料平衡
1基础数据和计算依据
日产负荷:
960T/D,时产负荷40000Kg/h;
基片特性粘度:
η=0.6050dl/g;端羧基Av=27.5mol/t;
终缩聚117-R01温度:
284℃;
预聚物115-R01出口:
η=0.275dl/g;端羧基Av=72.5mol/t;
115-R01温度:
275℃;
113-R01出口齐聚物:
酸值AN=21.5mg(KOH)/g;温度:
267.5℃;
012-R01出口齐聚物:
酸值AN=57mg(KOH)/g;温度:
267.3℃;
酸值与端羧基换算公式:
AN=0.056107XAv;
聚合度计算公式Pn=187.96Xη1.46-0.32;
PTA相对分子质量:
166;
EG相对分子质量62;
PET大分子内单链相对分子质量:
192;
投料比例:
EG:
PTA=1.2(摩尔比);
012-RO1酯化率为es=90%;1/213-R01酯化率为97%;
酯化率计算公式:
es=100-(OH%)n/Pn
末端为羧基的齐聚物的相对分子质量:
M(WCOOH)n=192.17X(Pn-1)+166.14
末端为羟基的齐聚物的相对分子质量:
M(WOH)n=192.17X(Pn-1)+254.24
末端为羟基的齐聚物占总量的百分比:
(OH%)n=
末端为羧基的齐聚物占总量的百分比:
(COOH%)n=100-(OH%)n
计算忽略内容:
不考虑副反应;不考虑添加剂反应和质量;缩聚阶段不考虑雾沫夹带;全程物料无损失;反应中生成的水全部蒸发。
2化学反应方程式
酯化反应:
HOOCC6H6COOH+2HOCH2CH2OH2H2O+HOCH2CH2OOC6H6COOCH2CH2OH
缩聚反应:
nHOCH2CH2OOC6H6COOCH2CH2OH
HO-[CH2CH2OOC6H6COO]n-CH2CH2OH+(n-1)HOCH2CH2OH
酯化和缩聚合并反应方程式:
nHOOCC6H6COOH+(n+1)HOCH2CH2OH
HO-[CH2CH2OOC6H6COO]n-CH2CH2OH+2nH2O
3计算过程
计算基础切片聚合度为90,根据PET分子式单链相对分子质量为192,计算出PET大分子的分子量约为Mn=17280。
目前日产960T/D,计算终缩聚反应釜的出料负荷F=40000Kg/h,则进料PTA质量流量MPTA=
≈34528Kg/h;进料PTA摩尔流量MQPTA=208Kmol/h。
根据EG:
PTA=1.2(摩尔比)计算EG进料质量流量为:
MEG=1.2
15475.2Kg/h。
3.1012-R01酯化反应釜物料平衡计算
按照012-RO1酯化率es1达到90%计算得:
参加反应的PTA量为:
MPTA反1=MPTAX0.9=31075.2Kg/h;
MPTA出1=MPTAX0.1=3452.8Kg/h;
则反应生成水的质量:
M水1=MPTA反1
166X18X2=6739.2Kg/h;
参照现有几个酯化生成工艺,发现上升蒸汽中EG含量在50-63%(重量百分比),取50%计算得:
MEG蒸1=M水1=6739.2Kg/h;
为平衡反应釜液位,蒸出的EG全部回流至反应釜中,即MEG回1=MEG蒸1=6739.2Kg/h;
根据经验值一酯出口齐聚物的聚合度一般为3-4,取4计算,根据酯化反应和缩聚反应合并的化学方程式得参加反应的EG:
PTA=5:
4(摩尔比),则:
MEG反1=
14508Kg/h;
MEG出1=MEG-MEG反1=967.2Kg/h;
M齐1=MEG反1+MPTA反1-M水1=38844Kg/h;
012-R01的进料为:
MEG+MPTA+MEG回1=56742.4Kg/h;
012-R01的出料为:
MEG出1+MPTA出1+M齐1+MEG蒸1+M水1=56742.4Kg/h;
3.2113-R01和213-R01的物料平衡计算
按照113/213-RO1酯化率es2达到97%,以及二酯出料平均聚合度为5计算:
参加反应的PTA质量:
MPTA反2=MPTAX(es2–es1)=2416.96Kg/h;
反应生成水的质量:
M水2=MPTA反2
166X18X2=524.16Kg/h;
因二酯压力较低,取混合蒸汽中EG质量比为55%计算:
MEG蒸2=M水2
0.45
0.55=640.64Kg/h;
为平衡反应釜液位,蒸出的EG全部回流至反应釜中,即MEG回2=MEG蒸2=640.64Kg/h;
MPTA出2=MPTA-MPTA反1-MPTA反2=1035.84Kg/h;
根据二酯反应釜出料聚合度为5,以及反应方程式计算全部参与反应的EG与PTA的摩尔比为6:
5,则:
MEG反2=
15010.944Kg/h;
MEG出2=MEG-MEG反2=464.256Kg/h;
M齐2=MEG反2+MPTA反2+MPTA反1-M水2-M水1=41239.744Kg/h;
113/213-RO1的进料:
MEG出1+MPTA出1+M齐1+MEG回2=43904.64Kg/h;
113/213-RO1的出料:
MEG出2+MPTA出2+M齐2+MEG蒸2+M水2=43904.64Kg/h;
3.3115-R01和215-R01的物料平衡计算
根据齐聚物的分析数据以及计算公式计算得出:
115/215-R01的出料平均聚合度:
Pn=28;
由酯化率es计算公式计算得:
齐聚物的酯化率es3=99.3%;
则在预缩聚反应釜中参加反应的PTA质量:
MPTA反3=MPTAX(es3–es2)=794.144Kg/h;
MPTA出3=MPTA出2-MPTA反3=241.696Kg/h;
则生成的水量为:
M水3=MPTA反3
166X18X2=172.224Kg/h;
根据预缩聚反应釜出料聚合度为28,以及反应方程式计算全部参与反应的EG与PTA的摩尔比为29:
28,则:
MEG反3=
13263.07Kg/h;
则在预缩聚反应釜中生成的EG量为:
MEG生3=MEG反2-MEG反3=1747.874Kg/h;
由于预缩聚反应釜中为负压,生成的水和EG全部蒸发:
MEG蒸3=MEG生3+MEG出2=2212.13Kg/h;
在预缩聚反应釜中生成的齐聚物的量为:
M齐3=MEG反3+MPTA反3+MPTA反2+MPTA反1-M水3-M水2-M水1=40113.79Kg/h;
115/215-R01的进料:
MEG出2+MPTA出2+M齐2=42739.84Kg/h;
115/215-R01的出料:
MPTA出3+M齐3+MEG蒸3+M水3=42739.84Kg/h;
3.4117-R01和217-R01的物料平衡计算
根据基础切片的分析数据以及计算公式计算得出:
117/217-R01的出料平均聚合度:
Pn=90;
终缩聚出料酯化率按照100%计算,PTA全部反应,则在终缩聚反应的PTA质量为:
MPTA反4=MPTA出3=241.696Kg/h;
依据化学反应方程式计算得:
MEG反4=208X
Kg/h;
终缩聚反应釜中蒸发的EG量:
MEG蒸4=MEG生4=MEG反3-MEG反4=223.78Kg/h;
则生成的水量为:
M水4=MPTA反4
166X18X2=52.416Kg/h;
终缩聚出齐聚物的量为:
M齐4=MEG反4+MPTA反3+MPTA反3+MPTA反2+MPTA反1-M水4-M水3-M水2-M水1=40079.29Kg/h;
115/215-R01的进料:
MPTA出3+M齐3=40355.486Kg/h;
115/215-R01的出料:
M齐4+MEG蒸4+M水4=40355.486Kg/h;
3.5SSP物料衡算
根据成品切片粘度0.8200计算,成品切片聚合度Pn=140;
在固相增粘阶段只发生缩聚反应,则依据反应方程式计算:
MEG反5=208X
Kg/h;
则在反应中生成的EG为:
MEG生5=MEG反4-MEG反5=51.18Kg/h
SSP进料为MSSP进=M齐4=40079.29Kg/h;
SSP出料为MSSP出=M齐4-MEG生5=40028.11Kg/h。
3.6013-C01系统物料衡算
按照热媒站汽提塔废水COD为30000mmg/l计算,且废水中有机物均为乙二醇:
废水中乙二醇含量为30Kg/T。
进料:
012-R01工艺蒸汽量:
M1=MEG蒸1+M水1=13478.4Kg/h
113、213-R01工艺蒸汽量:
M2=MEG蒸2+M水2=1164.8Kg/h
013-T02低点槽进液:
M3=MEG蒸3+M水3+MEG蒸4+M水4=2660.55Kg/h
013-T01凝液回流喷淋量(流量计读数):
M4=6450Kg/h
出料:
012-R01乙二醇回流:
M1=MEG蒸1=6739.2Kg/h
113、213-R01乙二醇回流:
M2=MEG蒸2=640.64Kg/h
塔顶蒸汽外送量(流量计读数):
M3=13450Kg/h,其中外排M排=7000Kg/h;
则随蒸汽外排的EG量为:
M5=7X30=210Kg/h
工艺塔进回用乙二醇槽:
M4=MEG蒸3+MEG蒸4-M5=2225.91Kg/h
3.7017-E05乙二醇蒸发器物料衡算
进料:
MEG=5000Kg/h
出料:
MEG蒸=5000Kg/h
二热量计算
1基础数据和计算依据
酯化反应热:
H酯=62.97-0.1148Xt(℃)Kj/mol;
缩聚反应热:
H缩=-8.36Kj/mol;
热容表:
物料名称
齐聚物
EG(L)
水(L)
EG(G)
水(G)
CPX4.18J/g℃
0.47--0.49
0.65
1.0
0.49
0.46
PTA在267.5℃时的焓,H267.5≈450KJ/Kg;H20≈0.174KJ/Kg;
PTA的溶解热qs≤43Kj/mol;
在012-R01、113/213-R01中水的汽化热:
H水气=40.8Kj/mol;
HEG气=711Kj/Kg;
在115/215-R01、117/217-R01中水的汽化热:
H水气=386X4.18j/g;
HEG气=159X4.18j/g;
计算忽略内容:
反应釜中生成的水全部蒸发;齐聚物中不存在水分、游离态的EG等;酯化反应釜的搅拌热忽略。
2计算过程
2.1012-R01酯化反应釜热量计算
酯化反应热:
H酯=62.97-0.1148Xt(℃)Kj/mol=32.28Kj/mol
则酯化反应热Q酯=187.2Kmol/hX
H酯=6.043X106Kj/h;
酯化生成的BHET全部缩聚为聚合度为4的齐聚物,则缩聚反应热
Q缩=187.2Kmol/hX
H缩=-1.565X106Kj/h;
反应热Q1=Q酯+Q缩=4.478X106Kj/h;
假设只有反应部分的PTA溶解,qs取43Kj/mol,则PTA溶解热
Q2=187.2Kmol/hXqs=8.05X106Kj/h;
蒸发热:
Q3=Q水+QEG=MEG蒸1X
HEG气/62+M水1X
H水气/18=2.007X107Kj/h;
设定PTA和浆料中的EG由常温升到267.3摄氏度,温升按245摄氏度计算;EG的沸点197度计算,回用EG进料温度160摄氏度,则回用EG液态温升37摄氏度,气态温升为70摄氏度,则温升需要的热量:
Q4=QPTA+QEG=MPTAX
HPTA+MEGX
CLX
TL+MEG回X
CLX
TL+MEG回X
CQX
TQ=2.747X107Kj/h;
则012-R01总的需热量Q一=Q1+Q2+Q3+Q4=6.0068X107Kj/h;
2.2113-R01和213-R01的热量计算
酯化反应热:
H酯=62.97-0.1148Xt(℃)Kj/mol=32.26Kj/mol
则酯化反应热Q酯=14.56Kmol/hX
H酯=2.775X105Kj/h;
缩聚反应热忽略;
反应热Q1=Q酯=2.775X105Kj/h;
蒸发热:
Q2=Q水+QEG=MEG蒸2X
HEG气/62+M水2X
H水气/18=1.643X106Kj/h;
齐聚物(含未反应的PTA)由267.3摄氏度升温到267.5摄氏度,温升按0.2摄氏度计算;EG的沸点197度计算,回用EG进料温度160摄氏度,则回用EG液态温升37摄氏度,气态温升为70摄氏度,则温升需要的热量:
Q3=Q齐+QEG=M齐X
C齐+MEG出2X
CLX
TL+MEG回X
CLX
TL+MEG回X
CQX
TQ=1.727X105Kj/h;
则113-R01和213-R01总的需热量Q二=Q1+Q2+Q3=2.093X106Kj/h;
2.3115-R01和215-R01的热量计算
酯化反应热:
H酯=62.97-0.1148Xt(℃)Kj/mol=31.4Kj/mol
则酯化反应热Q酯=4.784Kmol/hX
H酯=1.502X105Kj/h;
由聚合度5缩聚为聚合度28的缩聚反应热:
Q缩=208Kmol/hX(
)X
H缩=-2.857X105Kj/h;
反应热Q1=Q酯+Q缩=-1.355X105Kj/h;
蒸发热:
Q2=Q水+QEG=MEG蒸3X
HEG气/62+M水3X
H水气/18=1.748X106Kj/h;
齐聚物由267.5摄氏度升温到275摄氏度,齐聚物中的PTA等忽略,则温升需要的热量:
Q3=Q齐=M进X
C齐X
T=6.297X105Kj/h;
115-R01和215-R01总的需热量为:
Q预=Q1+Q2+Q3=2.242X106Kj/h;
2.4117-R01和217-R01的热量计算
酯化反应热:
H酯=62.97-0.1148Xt(℃)Kj/mol=30.37Kj/mol
则酯化反应热Q酯=1.456Kmol/hX
H酯=4.42X104Kj/h;
由聚合度28缩聚为聚合度90的缩聚反应热:
Q缩=208Kmol/hX(
)X
H缩=-4.28X104Kj/h;
反应热Q1=Q酯+Q缩=1.4X103Kj/h;
蒸发热:
Q2=Q水+QEG=MEG蒸4X
HEG气/62+M水4X
H水气/18=2.333X105Kj/h;
齐聚物由275摄氏度升温到284摄氏度,齐聚物中的PTA等忽略,则温升需要的热量:
Q3=Q齐=M进X
C齐X
T=7.135X105Kj/h;
反应釜搅拌电机实测电流平均80A,功率因数取0.9,则单台实际输出功率为:
P=
UI
=47KW,搅拌器共计四台,传动效率取0.8计算则实际作用到预聚物的功率为P=47X4X0.8=150KW,根据搅拌热计算公式:
Q=-PX860kcal/kwhX4.18计算得搅拌热Q4=-5.39X105Kj/h;
117-R01和217-R01总的需热量为:
Q终=Q1+Q2+Q3+Q4=4.092X105Kj/h;
2.5SSP热量计算
SSP整个流程主要用热是将切片温度由常温升到可以固相增粘的温度,即由20℃升至210℃,齐聚物热容即为切片热容,计算温升所需热量为:
Q固=MPETX
CX
T=40000X0.47X4.18X190=1.493X107Kj/h;
2.6013-C01热量计算
工艺塔塔顶100℃,塔底178℃,凝液喷淋温度60℃,酯化反应釜工艺蒸汽进塔温度按照265℃计算,低点槽温度按照常温计算,取30℃。
进塔EG蒸汽需要的热量:
Q1=QQ+Q相+QL=-(MEG蒸1+MEG蒸2)X0.49X4.18X68+-(MEG蒸1+MEG蒸2)X711+-(MEG蒸1+MEG蒸2)X0.65X4.18X19=-6.656X106Kj/h;
进塔水蒸气需要的热量:
Q2=QQ=-(M水1+M水2)X0.46X4.18X165=-2.304X106Kj/h;
进塔喷淋水需要的热量:
Q3=Q相+QL=M4X2267+M4X4.18X40=1.57X107Kj/h;
低点槽进塔EG需要的热量:
Q4=QL=M3X
CX
T=(MEG蒸3+MEG蒸4)X0.65X4.18X148+(M水3+M水4)X4.18X70+(M水3+M水4)X2267=5.75X105Kj/h;
工艺塔需要热量为:
Q塔=Q1+Q2+Q3+Q4=7.315X106Kj/h;
2.7017-E05乙二醇蒸发器热量计算
进蒸发器前新加装的换热器节能计算:
进蒸发器的EG流量为5000Kg/h
目前加装换热器后,进蒸发器的EG温度提高了100℃,即换热器通过蒸汽加热EG的
T=100℃;计算新加装换热器节省热量
Q节=5000X0.65X4.18X100=1.359X106Kj/h
根据目前进蒸发器的实际温度140℃和出口蒸汽温度210℃以及EG的沸点温度197℃计算蒸发器热量需求:
该热量由液态EG温升Q1,EG汽化热Q2,气态温升Q3组成;
Q蒸=Q1+Q2+Q3=5000X0.65X4.18X57+5000X711+5000X0.49X4.18X13=4.46X106Kj/h
根据以上计算,聚酯总用热Q总=Q一+Q二+Q预+Q终+Q固+Q塔+Q蒸=9.152X107Kj/h≈2189万大卡/小时。
因热媒系统很多没有流量显示和温度显示无法完成热量平衡验证。
参考文章:
钟纺聚酯缩聚反应工程解析、钟纺聚酯酯化反应工程解析、合成聚酯直接酯化过程的研究。
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