物料衡算和能量衡算.ppt

化工設(shè)計,第四章物料衡算與能量衡算Chart4materielbalanceandenergybalance,4.1物料衡算4.2能量衡算4.3化工模擬軟件在化工設(shè)計中的應(yīng)用,4.1物料衡算,物料衡算運(yùn)用質(zhì)量守恒定律，對化工過程或設(shè)備進(jìn)行定量計算。,通過物料衡算解決以下問題：計算原料消耗量、副產(chǎn)品量；輸出過程物料的損耗量及三廢的生成量；在物料衡算基礎(chǔ)上做能量衡算，計算蒸汽、水、電、煤或其他燃料的消耗定額。計算產(chǎn)品的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。,為生產(chǎn)設(shè)備和輔助設(shè)備的選型及設(shè)計、管路設(shè)施與公用工程的設(shè)計等方面提供依據(jù)。,衡算計算范圍示意圖：,圖中方框表示一個體系，虛線表示體系邊界。共有三個流股，進(jìn)料1、2及出料3。,1,2,3,一、物料衡算依據(jù),1.理論依據(jù)質(zhì)量守恒定律,物料衡算的一般表達(dá)式為：,輸入量輸出量生成量消耗量積累量,對穩(wěn)定操作過程，積累量=0輸入量-輸出量+生成量-消耗量=0,對無化學(xué)反應(yīng)的過程：輸入量輸出量積累量,對無化學(xué)反應(yīng)的穩(wěn)定操作過程：輸入量輸出量,對有化學(xué)反應(yīng)的過程：總物料衡算+元素衡算式,2.數(shù)據(jù)基礎(chǔ),(1)技術(shù)方案、操作方法、生產(chǎn)能力、年工作時。(2)建設(shè)單位或研究單位的要求、設(shè)計參數(shù)、小試及中試數(shù)據(jù)：化工單元過程的化學(xué)反應(yīng)式、原料配比、轉(zhuǎn)化率、選擇率、總收率，催化劑狀態(tài)、用量、回收方法、安全性能等；原料及產(chǎn)品的分離方式，分離劑的用量，各步的回收率；特殊化學(xué)品的物性：沸點(diǎn)、熔點(diǎn)、飽和蒸汽壓、閃點(diǎn)等。(3)工藝流程示意圖。,二、物料衡算基準(zhǔn),物料衡算時須選擇計算基準(zhǔn)，并在計算過程中保持一致。一般計算過程的基準(zhǔn)有以下幾種：,(1)時間基準(zhǔn)對連續(xù)生產(chǎn)過程，常以單位時間(如d、h、s）的投料量或產(chǎn)品量為計算基準(zhǔn)。(2)批量基準(zhǔn)以每批操作或一釜料的生產(chǎn)周期為基準(zhǔn)。/批(3)質(zhì)量基準(zhǔn)當(dāng)系統(tǒng)介質(zhì)為液、固相時，選擇一定質(zhì)量的原料或產(chǎn)品作為計算基準(zhǔn)較適合。(4)物質(zhì)的量基準(zhǔn)：對于有化學(xué)反應(yīng)的過程因化學(xué)反應(yīng)的按摩爾進(jìn)行的，用物質(zhì)的量基準(zhǔn)更方便。(5)標(biāo)準(zhǔn)體積基準(zhǔn)：對氣體物料進(jìn)行衡算，可采用標(biāo)準(zhǔn)體積基準(zhǔn)，Nm3(STP)，既排除T、p的影響，又可直接換算為摩爾。(6)干濕基準(zhǔn)：由于物料中均含有一定量的水分，選用基準(zhǔn)時就有算不算水分的問題。濕基計算水分，干基不計算水分。,實(shí)際計算時，必須根據(jù)具體情況選擇合適的基準(zhǔn)，過程的物料衡算及能量衡算應(yīng)在同一基準(zhǔn)上進(jìn)行。,可建議：以1t產(chǎn)品為基準(zhǔn)以1mol某反應(yīng)物為基準(zhǔn)在連續(xù)操作中，以單位時間，即/h或kmol/h作基準(zhǔn)；在間歇操作中，以/批為基準(zhǔn)有化學(xué)變化的過程，適宜采用質(zhì)量作基準(zhǔn)；無化學(xué)變化的過程，以質(zhì)量或kmol/h為基準(zhǔn)對于液固系統(tǒng)常用單位質(zhì)量作基準(zhǔn)，而液相常用單位體積作基準(zhǔn),三、物料衡算的基本程序,(1)確定衡算對象和范圍，畫出計算對象的草圖。注意物料種類和走向，明確輸入和輸出。(2)確定計算任務(wù)，明確已知項(xiàng)、待求項(xiàng)，選擇數(shù)學(xué)公式，力求使計算方法簡化。(3)確定過程所涉及的組分，并對所有組分依次編號。(4)對物流的流股進(jìn)行編號，并標(biāo)注物流變量。(5)收集數(shù)據(jù)資料（設(shè)計任務(wù)所規(guī)定已知條件，與過程有關(guān)物理化學(xué)參數(shù)）：,生產(chǎn)規(guī)模（設(shè)計任務(wù)所規(guī)定，t/年）和生產(chǎn)時間（指全年有效生產(chǎn)天數(shù)300330天/年，計約8000h）。有關(guān)定額的技術(shù)指標(biāo)，通常指產(chǎn)品單耗、配料比、循環(huán)比、固液比、氣液比、回流比、利用率、單程收率、回收率等等。,原輔材料、產(chǎn)品、中間產(chǎn)品的規(guī)格；與過程有關(guān)有物理化學(xué)參數(shù)，如臨界參數(shù)、密度或比體積、狀態(tài)方程參數(shù)、蒸汽壓、氣液平衡常數(shù)或平衡關(guān)系等。,(6)列出過程全部獨(dú)立物料平衡方程式及其相關(guān)約束式，對有化學(xué)反應(yīng)的還要寫出化學(xué)反應(yīng)方程式，指出其轉(zhuǎn)化率和選擇性。,約束式,分?jǐn)?shù)約束式,設(shè)備約束式,進(jìn)料配比為一常數(shù)；分流器出口物流具有相同的組成；相平衡常數(shù)；化學(xué)反應(yīng)平衡常數(shù)；化學(xué)反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率、選擇性或其他限度。,(7)選擇計算基準(zhǔn)；(8)統(tǒng)計變量個數(shù)與方程個數(shù)，確定設(shè)計變量個數(shù)及全部設(shè)計變量。(9)整理并校核計算結(jié)果，并根據(jù)需要換算基準(zhǔn)，最后列成表格即物流表。(10)繪制物料流程圖，編寫物流表作為設(shè)計文件成果編入正式設(shè)計文件。,衡算計算范圍示意圖：,邊界線（BoundaryLine）圍起來的區(qū)域構(gòu)成衡算范圍。,例:某尿素廠的生產(chǎn)能力為6萬t尿素/a,年操作日300d，尿素的氨耗為0.6t氨/t尿素，生產(chǎn)過程的氨損失按5%考慮，已知以1t氨為基準(zhǔn)的某股氣體的組成和量如下表所示。,組成CO2COH2N2CH4合計,(mol)28.561.252.6117.050.575100kmol54.302.29100.0432.431.093190.99,列出該股氣體的組成和流量表。,解:小時氨耗為,600000.61.0530024,=5.25t/h,以1t氨為基準(zhǔn)的各組分的kmol量乘以5.25所得結(jié)果為流量。氣體的流量和組成如下表所示:,組成CO2COH2N2CH4合計,(mol)28.561.252.6117.050.575100kmol/h285.112.02525.2170.25.74998.3,無化學(xué)反應(yīng)的物料衡算,1、簡單過程的物料衡算2、多單元系統(tǒng),在化工過程中，一些只有物理變化，不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的單元操作，如混合、蒸餾、蒸發(fā)、干燥、吸收、結(jié)晶、萃取等。這些過程都可以根據(jù)物料衡算式，列出總物料和各組分的衡算式，再用代數(shù)法求解。,1、簡單過程的物料衡算,簡單過程是指僅有一個設(shè)備或一個單元操作或整個過程簡化成一個設(shè)備的過程。這種過程的物料衡算比較簡單，在物料流程簡圖中，設(shè)備邊界就是體系邊界。例：一種廢酸，組成為23(質(zhì)量)HNO3，57H2SO4和20H2O，加入93的H2SO4及90的濃HNO3，要求混合成27HNO3及60H2SO4的混合酸，計算所需廢酸及加入濃酸的數(shù)量。,解：設(shè)x為廢酸量，kg；y為濃H2SO4量，kg；z為濃HNO3量,；畫物料流程簡圖,選擇基準(zhǔn):可以選廢酸或濃酸的量為基準(zhǔn)，也可以用混合酸的量為基準(zhǔn)，因?yàn)樗姆N酸的組成均已知，選任何一種作基準(zhǔn)計算都很方便。列物料衡算式，該體系有3種組分，可以列出3個獨(dú)立方程，所以能求出3個未知量?；鶞?zhǔn)：100kg混合酸總物料衡算式x+y+z=100(1)H2SO4的衡算式0.57x+0.93y=1000.6=60(2)HNO3的衡算式0.23x+0.90z=1000.27=27(3)解(1)，(2)，(3)方程，得x=41.8kg廢酸y=39kg濃H2SO4z=19.2kg濃HNO3即由41.8kg廢酸、39kg濃H2SO4和19.2kg濃HNO3可以混合成100kg混合酸。,2、多單元系統(tǒng),對有多個設(shè)備的過程，進(jìn)行物料衡算時，可以劃分多個衡算體系。此時，必須選擇恰當(dāng)?shù)暮馑泱w系，這是很重要的步驟。不然會使計算繁瑣，甚至無法求解。,例：造紙廠的堿回收工序有一個四效蒸發(fā)器,供料方式為,蒸發(fā)器的總處理量為80000/h造紙廢液(黑液)。計算總蒸發(fā)水量和每一效蒸發(fā)器的蒸發(fā)水量。,四效蒸發(fā)系統(tǒng)的物料平衡,四效蒸發(fā)系統(tǒng)的物料衡算過程,將整個系統(tǒng)簡化為一個單元，可計算出總蒸發(fā)量,則總蒸發(fā)水量為,FX進(jìn)=（F進(jìn)-W）X出,四效蒸發(fā)系統(tǒng)的物料衡算過程,第三效蒸發(fā)水量為,則第效的蒸發(fā)水量W為,進(jìn)入第的料液量80000-12600=67400kg/h,類推得：15000kg/h18100kg/h,反應(yīng)過程的物料衡算,1、直接計算法,在物料衡算中，根據(jù)化學(xué)反應(yīng)式，運(yùn)用化學(xué)計量系數(shù)進(jìn)行計算的方法，稱為直接計算法。,例：甲醇氧化制甲醛，其反應(yīng)過程為CH3OH+1/2O2HCHO+H2O反應(yīng)物及生成物均為氣態(tài)。甲醇的轉(zhuǎn)化率為75，若使用50的過量空氣，試計算反應(yīng)后氣體混合物的摩爾組成。,解：畫出流程示意圖，如下圖：,催化反應(yīng)器,CH3OH,空氣（過量50%),CH3OHHCHOH2OO2N2,基準(zhǔn)：1molCH3OHCH3OH+1/2O2HCHO+H2O根據(jù)反應(yīng)式：需氧0.5氧入=0.51.5=0.75氮入氮出0.75(79/21)=2.82,反應(yīng)的甲醇量0.751=0.75,甲醛的出量0.75甲醇的出量10.75=0.25氧的出量0.750.750.5=0.375水的出量0.75計算結(jié)果如下表：,組分CH3OHHCHOH2OO2N2總計,mol0.2500.7500.7500.3752.8204.945摩爾分?jǐn)?shù)（）5.015.215.27.657.0100.0,、元素衡算法,元素衡算是物料衡算的一種重要形式。在作這類衡算時，并不需要考慮具體的化學(xué)反應(yīng)，而是按照元素種類被轉(zhuǎn)化及重新組合的概念表示為：輸入(某種元素)輸出(同種元素)對反應(yīng)過程中化學(xué)反應(yīng)很復(fù)雜，無法用一、兩個反應(yīng)式表示的物料衡算，可以列出元素衡算式，用代數(shù)法求解。,C3H8+5O23CO2+4H2O,基準(zhǔn)：100mol煙道氣：設(shè)：N-煙道氣中N2的molQ-煙道氣中H2O,molM-煙道氣中O2的molA-輸入空氣molP-煙道氣中CO2的molB-輸入丙烷，mol列平衡式：C平衡：3P=BN2平衡:0.79A=NH2平衡：4Q=B過剩氧氣:0.21A0.25/1.25=MO2平衡：0.21A=M+P+2Q煙道氣總量:N+M+P+Q=100,丙烷充分燃燒時，要供給的空氣量為理論量的125%，問每100mol燃燒產(chǎn)物，需多少mol的空氣？反應(yīng)：,燃燒,丙烷空氣（O2N2）,CO2H2OO2N2,、用聯(lián)系組分作衡算,“聯(lián)系組分”是指隨物料輸入體系，但完全不參加反應(yīng)，又隨物料從體系輸出的組分，在整個反應(yīng)過程中，它的數(shù)量不變。如果體系中存在聯(lián)系組分，那么輸入物料和輸出物料之間就可以根據(jù)聯(lián)系組分的含量進(jìn)行關(guān)聯(lián)。例如，F(xiàn)、P分別為輸入、輸出物料，T為聯(lián)系組分。T在F中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為XFT，在P中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為XPT，則F與P之間的關(guān)系為：,FXFT=PXPT,某廠用空氣和鄰二甲苯生產(chǎn)苯酐。原料流量為：205kg/h鄰二甲苯，4500m3（STP）/h空氣，從反應(yīng)的計量關(guān)系可知，生成1mol苯酐需要反應(yīng)掉1mol的鄰二甲苯。經(jīng)化驗(yàn)得到反應(yīng)器出口氣體的組成為：,試計算：1）鄰二甲苯的轉(zhuǎn)化率，苯酐收率；2）苯酐的年產(chǎn)量（年工作日330天）,循環(huán)過程的物料衡算,例如在生產(chǎn)中一般將未反應(yīng)的原料與產(chǎn)品先分離，后循環(huán)返回原料進(jìn)口處，與新原料一起再進(jìn)入反應(yīng)器反應(yīng)。,例如苯直接加氫轉(zhuǎn)化環(huán)己烷中的循環(huán)過程：,混合器,泠凝器,新鮮2,純C6H6,循環(huán)2,80%220%C6H6,產(chǎn)物,3%H2,反應(yīng)器,苯直接加氫轉(zhuǎn)化環(huán)己烷中的循環(huán)過程的衡算,解：反應(yīng)為：C6H6+3H2C6H12基準(zhǔn)：100kmol/h環(huán)己烷查苯的總轉(zhuǎn)化率為99%則生產(chǎn)100kmol/h環(huán)己烷需苯1000.99=101.01kmol/h未反應(yīng)的苯為101.01-100=1.01kmol/h產(chǎn)物中含H2,設(shè)含量為nH2,總產(chǎn)量100+1.01+3.12=104.13kmol/h其摩爾分?jǐn)?shù)為,H2的進(jìn)料率為10033.12=303.12kmol/h苯的進(jìn)料率為101.01kmol/h設(shè)H2循環(huán)量為R,R=100.92kmol/h,在沒有循環(huán)時，一系列單元步驟的物料衡算可按順序依次進(jìn)行，每次可取一個單元但是，如果有循環(huán)的話，由于循環(huán)量并不知道，所以逐次計算并不能計算出循環(huán)量。其解法有二：代數(shù)法：在循環(huán)存在時，列出物料平衡方程式，并求解。一般方程式中以循環(huán)量作為未知數(shù)，用聯(lián)立方程式的方法進(jìn)行求解。迭代法：假定一個循環(huán)量估計值進(jìn)行計算，將估計值與計算值比較，若不符，重新假定一個估計值，一直計算到估計值與計算值之差在一定的誤差范圍內(nèi)。聯(lián)立方程法：,迭代法求解循環(huán)問題序貫?zāi)K法,今有一反應(yīng)器/分離器系統(tǒng)，它將100kmol/h的組分A轉(zhuǎn)化為等物質(zhì)的量的B。每一單程有80%的A被轉(zhuǎn)化，在分離器內(nèi)沒有物質(zhì)的變化，分離后的98%的A和1%的B再循環(huán)。,例：丙烷在催化反應(yīng)器中脫氫生成丙烯，其反應(yīng)式為：,C3H8C3H6+H2丙烷的總轉(zhuǎn)化率為95%，反應(yīng)生成物經(jīng)分離器分成產(chǎn)物P和循環(huán)物料R，產(chǎn)品中含有C3H8、C3H6及H2，其中C3H8的量為未反應(yīng)C3H8的0.555%，循環(huán)物料中含有C3H8和C3H6，其中C3H6的量是產(chǎn)品中C3H6的5%，試計算產(chǎn)品組成、循環(huán)物料組成和單程轉(zhuǎn)化率。,物料衡算匯總表(1)產(chǎn)品消耗定額,產(chǎn)品消耗定額,主要原料、輔助材料的品種、規(guī)格及年需求量,(2)原輔材料需求一覽表,4.2能量衡算,化工生產(chǎn)中，需要通過能量衡算解決的問題：確定物料輸送機(jī)械和其他操作機(jī)械所需功率。確定各單元過程所需熱量或冷量及其傳遞速率?；瘜W(xué)反應(yīng)所需的放熱速率和供熱速率。做好余熱綜合利用。,能量衡算的基本方程式,在物料衡算基礎(chǔ)上進(jìn)行能量衡算，能量衡算的步驟與物料衡算相同。,根據(jù)熱力學(xué)第一定律，能量衡算方程可寫為：Q+W=E=Ek+Ep+UW=Wt+Ws，Wt為流動功，Ws為軸功；,1.封閉體系的能量衡算方程,封閉體系特點(diǎn)：與環(huán)境只有能量交換，而無物質(zhì)交換，如間歇操作過程，體系物質(zhì)的動能、位能、壓力能無變化，則：,U=Q+W,若體系與環(huán)境沒有功的交換，即W=0，則：Q=U,2.流動體系的能量衡算方程物料連續(xù)通過邊界進(jìn)出,能量輸入速率-能量輸出速率=能量積累速率,連續(xù)穩(wěn)定流動過程的總能量衡算方程為：,3.熱量衡算式及說明,熱量衡算式在反應(yīng)器、蒸餾塔、蒸發(fā)器、換熱器等化工設(shè)備中，W、Ek、Ez與Q、U和H的相比，可以忽略?？偰芰亢馑闶綖椋悍忾]體系Q=U敞開體系Q=H對這些設(shè)備做能量衡算的實(shí)質(zhì)就是進(jìn)行熱量衡算。,連續(xù)穩(wěn)定流動體系的熱量衡算：,Q=H1H2或Q=U1U2,實(shí)際計算時，還常使用下式：Qin=QoutQ1+Q2+Q3=Q4+Q5+Q6,Q1物料帶入熱量；Q2加熱介質(zhì)供給或輸出的熱量，輸入為正，輸出為負(fù)；,Q3過程的熱效應(yīng)，吸正放負(fù)；Q4物料帶出熱量；Q5消耗在加熱設(shè)備各部件上的熱量；Q6設(shè)備向四周的散熱損失；,熱量衡算的步驟,建立單位時間為基準(zhǔn)的物料流程圖或物料平衡表。選定計算基準(zhǔn)溫度和計算相態(tài)：可選0(273K)、25(298K)或其他溫度作為基準(zhǔn)溫度。在物料流程圖上標(biāo)明已知溫度、壓力、相態(tài)等條件，查出或計算每個物料的焓值，標(biāo)注在圖上。列出熱量衡算式，用數(shù)學(xué)方法求解。當(dāng)生產(chǎn)過程及物料組成較復(fù)雜時，可列出熱量衡算表。,4.機(jī)械能衡算式,連續(xù)穩(wěn)定流動過程的總能量衡算方程為：,在一些單元操作中，Q、U與動能和位能變化及外功相比，相對較小，如流體流入流出貯罐、貯槽、工藝設(shè)備、輸送設(shè)備、廢料排放，管道流動等過程。,單位質(zhì)量不可壓縮流體流動時的機(jī)械能衡算式：,4.3化工模擬軟件在化工設(shè)計中的應(yīng)用,計算機(jī)用于化工設(shè)計的主要環(huán)節(jié)：物性數(shù)據(jù)檢索(物理性質(zhì)、熱力學(xué)性質(zhì)數(shù)據(jù))；化工過程模擬設(shè)計(CAPD)；計算機(jī)輔助繪圖設(shè)計(CAD)；計算機(jī)輔助工程(CAE)等,目前用的較多的化工流程模擬計算軟件有PRO/II、HYSYS、ASPENPLUS等。,PRO/II流程模擬軟件PRO/II由美國模擬科學(xué)（SIMSCI）公司研發(fā)提供的。是目前石油化工行業(yè)最全面的流程模擬軟件，已被廣泛地應(yīng)用于化學(xué)過程的嚴(yán)格的質(zhì)量和能量平衡。,西安石油大學(xué)2006年也購買了該軟件，20個用戶終端。,PRO/II流程模擬軟件功能特點(diǎn),適用行業(yè)：油/氣加工、煉油、化工、化學(xué)工程、建筑、聚合物、精細(xì)化工/制藥模擬應(yīng)用：新工藝設(shè)計、評估改變的裝置配置、改進(jìn)現(xiàn)有裝置、消除裝置工藝瓶頸、優(yōu)化和改進(jìn)裝置產(chǎn)量和效益。組份數(shù)據(jù)庫：2000多純組分庫、1900多組分/種類電解質(zhì)庫等?；旌衔飻?shù)據(jù)：用于3000多VLE二元作用參數(shù)、2200在線共沸混合物用于參數(shù)估算、專用數(shù)據(jù)包等。熱力學(xué)計算方法：60多個熱力學(xué)模型。熱力學(xué)數(shù)據(jù)：特殊包：胺，乙二醇，酒精；超過5000個二元交互參數(shù)；專用的水溶性數(shù)據(jù)；超過550個Henry系數(shù)；二元交互參數(shù)預(yù)測；熱力學(xué)數(shù)據(jù)回歸。,設(shè)計化工單元操作：閃蒸罐，間歇精餾器，蒸餾器，液液抽提精餾器，側(cè)線塔，壓縮機(jī)，結(jié)晶器，旋流器，減壓設(shè)備，溶解