物料衡算與能量衡算要點(diǎn)

1、第3章物料衡算與能量街算化工基礎(chǔ)數(shù)據(jù)）化工計算以及化工工藝和設(shè)備設(shè)計中， 要用到有關(guān)化合物的物性數(shù)據(jù)。例如，進(jìn)行 化工過程物料與能量衡算時，需要用到密度 或比容、沸點(diǎn)、蒸汽壓、恰、熱容及生成熱 等等的物性數(shù)據(jù)；設(shè)計一個反應(yīng)器時，則需 要知道化學(xué)反應(yīng)熱的數(shù)據(jù)；計算傳熱過程時, 需要導(dǎo)熱系數(shù)的數(shù)據(jù)等等?；せA(chǔ)數(shù)據(jù)：物化數(shù)據(jù)或物性數(shù)據(jù)分類基本物性數(shù)據(jù)一如臨界常數(shù)（臨界壓力、臨界溫度、臨界體積）、密度或比容、狀態(tài)方程參數(shù)、壓縮系數(shù)、蒸氣壓、氣一液平衡關(guān)系等。熱力學(xué)物性數(shù)據(jù)一如內(nèi)能、給、炳、熱容、相 變熱、自由能、自由焰等?；瘜W(xué)反應(yīng)和熱化學(xué)數(shù)據(jù)一如反應(yīng)熱、生成熱、 燃燒熱、反應(yīng)速度常數(shù)、活化能，化學(xué)平

2、衡常 數(shù)等。傳遞參數(shù)一如粘度、擴(kuò)散系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)等。物料衡算與能量衡算的概念物料衡算：運(yùn)用質(zhì)量守恒定律，對生產(chǎn)過程或 設(shè)備的物料平衡進(jìn)行定量的計算，計算出各股 物流輸入或輸出的量及組分等，稱之為物料衡 算?？谀芰亢馑悖阂詿崃W(xué)第一定律為依據(jù)，對生產(chǎn) 過程或設(shè)備的能量平衡進(jìn)行定量的計算，計算過程中要供給或移走的能量，稱之為能量衡算。 能量是熱能、電能、化學(xué)能、動能、輻射能的總稱?；どa(chǎn)中最常用的能量形式為熱能, 故化工設(shè)計中經(jīng)常把能量計算稱為熱量計算。3.1物料衡算基本方法物料衡算的質(zhì)量守恒進(jìn)入系統(tǒng)的質(zhì)量流量一排出系統(tǒng)的質(zhì)量流量=系統(tǒng)內(nèi)質(zhì)量的累積穩(wěn)態(tài)過程進(jìn)入系統(tǒng)的質(zhì)量流量=排出系統(tǒng)的質(zhì)量流量物

3、料街算的口的51 .確定原料的消耗量、副產(chǎn)品量以及輸出過程物料的損耗量及三廢生成量，判斷是否達(dá)到設(shè)計要求（產(chǎn)品的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)）。2 .作為熱量計算的依據(jù)。3 .根據(jù)計算結(jié)果繪出物流圖，可進(jìn)行管路設(shè)計及 材質(zhì)選擇，儀表及自控設(shè)計、對生產(chǎn)設(shè)備和輔 助設(shè)備進(jìn)行選型或設(shè)計。7物料街算的依據(jù)設(shè)計任務(wù)書建設(shè)單位或研究單位所提供的數(shù)據(jù) 工藝流程示意圖物料街算的基準(zhǔn)口時間基準(zhǔn)：對連續(xù)穩(wěn)定過程，用單位時間的物 料量作基準(zhǔn)。質(zhì)量基準(zhǔn)：固體或液體物料，選用單位質(zhì)量為 基準(zhǔn)口當(dāng)量不準(zhǔn)：對化學(xué)反應(yīng)過程，選用kmol,因為反應(yīng)為等當(dāng)量反應(yīng)。體積基準(zhǔn)：氣體物料，選用nP (STP),因它不隨T、P變化。干濕基準(zhǔn)：對含水分的

4、物料，選干基(不計水分),即水分變化時選干基。8物料街算程序1 .確定衡算的對象、體系與環(huán)境，并畫出計算對象的草圖。進(jìn)料9包括求解系統(tǒng)、衡算范圍、衡算邊界2 .確定計算任務(wù)；3 .確定過程所涉及的組分；4 .對物流流股進(jìn)行編號，并標(biāo)注物流變量;5 .收集數(shù)據(jù)資料：一類為設(shè)計任務(wù)所規(guī)定的已知條件； 一類為與過程有關(guān)的物理化學(xué)參數(shù)。116 .列出物料衡算方程進(jìn)入衡算單元的物料量死流出衡算單元的物料量與在衡算單元內(nèi)生成的物料量4在衡算單元內(nèi)消耗的物料量2衡算單元內(nèi)積累的物料量1（6-E）+（q-，）= w a）穩(wěn)定操作過程（即穩(wěn)流過程）：（FF0） + （Dp_D,）=6b）系統(tǒng)內(nèi)無化學(xué)反應(yīng)：（Fi

5、-F0） = W c）系統(tǒng)內(nèi)無化學(xué)反應(yīng)的穩(wěn)定操作過程:（E玲）=。3.1.2物料衡算舉例無反應(yīng)過程的物料街算無反應(yīng)過程指流體輸送、粉碎、換熱、混合、分離（吸收、精僭、萃取、結(jié)晶、過濾、蒸發(fā)、閃蒸、提濃、脫水、增濕、干燥）等化工單元操作。組成kniolkg質(zhì)量.(mol)%丙酮1.5872.95空氣98.52 86097.05總計1002 947100.00冷凝器塔吸 收 塔水昌1 200kg/h產(chǎn)品R內(nèi)用99%,水1%混合氣體尸2,1.5（BO15 %丙期廢料尸5,內(nèi)第5樂水9b%圖3-1 例3-1流程框圖14例31從氣體中回收丙酮的裝置料衡算程序進(jìn)入系統(tǒng)的物流為兩個，離開系統(tǒng)的物流為三個，其

6、中一個已知物流量，四個物流是未知的?？闪谐隹偽锪掀胶馐剑?200 +耳=工+尼+8各組分平衡式：丙酮：0.02957s = 0.99尼 +0.05 月水：1200 = 0.0 喝+0.95 8空氣：0.9705乙=乙但這4個方程式只有3個是獨(dú)立，因此需1個設(shè)計變量。有反應(yīng)過程的物料街算S+。2（空趨）f SO2CO + H2O （g）一出 + co2CH3OH + 1/2 O2 （變專）-HCHO + H2O3. 2反應(yīng)過程的物料衡算轉(zhuǎn)化率某一反應(yīng)物的反應(yīng)量X 100%該反應(yīng)物的榆入量(2)選擇性X 100%15(3)收率X 100%產(chǎn)物的實際產(chǎn)量按原料計算得理論產(chǎn)量主產(chǎn)物生成量折成原料量 反

7、應(yīng)消耗的原料量>/=轉(zhuǎn)化率、選擇性和收率之間的關(guān)系:收率=轉(zhuǎn)化率X選擇性IJ=X X Q>16(4)限制組分較昂貴的反應(yīng)物全部反應(yīng)， 較難得或要嚴(yán)格控制的反應(yīng)物應(yīng)充分利用(5)過量組分價格低廉、易得的反應(yīng)物過 量在反應(yīng)過程中，在數(shù)量上以最小化學(xué)計量系數(shù)存在的組分稱為限制組分。在數(shù)量上超過 完全反應(yīng)所需理論量的組分稱為過量組分。17例：原料氣中有COlmoL H2O(g) 2mol,進(jìn)行變換反應(yīng):CO+H2O(g) - H2 + CO2用反應(yīng)物的實際摩爾量除以各自對應(yīng)組分的反應(yīng)計量系數(shù)，此值最小者即為限制組分,其余為過量組分。"05)=答=2所以，co是限制組分，H2。&#

8、174;是過量組分。過量百分?jǐn)?shù)：過量組分超過理論量的那部分占 理論量的百分?jǐn)?shù)。設(shè)：M為過量組分的實際用量(質(zhì)量或mol量)M為過量組分的理論用量(質(zhì)量或mol量)貝！J：過量 =(Nf-M)/M X100%如上例：H2O(g)過量 =(21 )/1 X100%=100%18X幾種衡算方法進(jìn)出物料 的總質(zhì)量進(jìn)出物料 中反應(yīng)組分 的質(zhì)量進(jìn)出物料 中惰性組分 的質(zhì)量進(jìn)出物料 中番元素的 質(zhì)量無反應(yīng) 過程相等相等相等相等有反應(yīng) 過程相等不相等相等相等直接推算法原子衡算法平衡常數(shù)法聯(lián)系組分法帶有循環(huán)、放空及旁路的物料平衡例3-1年產(chǎn)10000t苯乙烯工段物料衡算(直接推算法)(1)畫出流程示意圖，確定計

9、算范圍。年工作時間 8000hC6H5c2H5C6H5cH3、HzO焦油選擇性2%乙苯原料與水蒸氣質(zhì)量比1:1.51/ 7 7。化(3(4(2)列出全部獨(dú)立物料平衡方程式及相關(guān)數(shù)據(jù)C6H5c2H5 -C6H5c2H3 + H2C6H5c2H5 + H2 6H5cH3 + CH4C6H5c2H5 C2H4 + C6H6C6H5c2H5 -7C + 3H2 + CH4表31各物料的摩爾質(zhì)量選lOOOkg/h乙苯原料為計算基準(zhǔn)21(3)計算各項物料流量純乙苯 lOOOkg/h X 98%=980kg/h, 9.245kmol/h； 甲苯 1 OOOkg/h X 2 % =20kg/h, BP0.21

10、7kmol/h； 蒸汽量 980kg/h X L5=1470kg/h, gp81.667kmol/h； 乙苯轉(zhuǎn)化率0.4/0.9=0.4444；參力口反應(yīng)的乙苯量 980kg/hX0.4444=435.11kg/h,BP4.109kmol/h；22產(chǎn)物中各組分情況如下：未反應(yīng)的乙苯(980-435.11) kg/h=544.89kg/h,EP5.140kg/h;生成苯乙烯 4.109kmol/h X 90% =3.698kmol/h,BP384.60kg/h;由各物質(zhì)的選擇性，有輸出的甲苯 4.109kmol/hX5%+0.217kmoI/h=0.423kmol/h,BP38.92kg/h;生

11、成的苯 4.109kmol/h X 3%=0.123kmol/h,BP9.60kg/h;生成的乙烯 4.109kmol/h X 3%=0.123kmol/h，即3.44kg/h;23生成的碳 4.109kmol/h X 2% X7=0.575kmol/h ,BP6.9kg/h;生成的甲烷I4.109kmol/h X (5 %+2 % )=0.288kmoVh , BP4.61kg/h;輸出的氫4.109kmol/h X (90 % -5 % +2 % X 3)=3.739kmol/h , BP7.48kg/h;輸出水=輸入水(不參與反應(yīng))1470kg/h;實際每小時要求苯乙烯產(chǎn)量10000 X

12、 1000kg/8000h=1250kg/h;比例系數(shù) 1250/384.60=3.25 o24表32乙苯脫氫反應(yīng)器物料衡算數(shù)據(jù)組分輸入輸出.摩爾流量 /(kmol/h)質(zhì)量流量/( kg/h)摩爾流量/(kmol/h)質(zhì)量流量/( kg/h)C6H5c2H530.046318516.7051770.89c6H5cH30.705651.375126.49h2o265.4184777.5265.4184777.5C6H5c2H3 一12.0191249.95C6H60.00431.20C2H4 0.00411.18ch4 0.93614.98c 1.869|22.43H2M12.15224.31

13、合計296.1698027.5310.4828028.9325例3-2碳酸鈉溶液苛化物料衡算(原子平衡法)問：每100kg苛化液需加石灰和碳酸鈉溶液的質(zhì)量以及石灰的組成解：設(shè)碳酸鈉溶液質(zhì)量為F(kg),石灰的質(zhì)量為W(kg)。設(shè)石灰中CaCO3、CaO> Ca(OH)2質(zhì)量分別為x、y、zCaCO3 CaO Ca(OH)2x/W y/W iZ CaCOaNaOH 0.59%Na2c()3 14.88%HzO 84.53%苛化反應(yīng)器Ca(OH)2NaOHNa2c0313.48%0.28%0.61%1036%H2O75.27%27基準(zhǔn)：100kg苛化液表33各種物料質(zhì)量和物質(zhì)的量計算結(jié)果Na

14、2c03溶液中苛化鈉溶液中物料摩爾 質(zhì)量 /(kmol/ h)質(zhì)量 /kg物質(zhì)的量 /kmol物料摩爾質(zhì)量 /(kmol/h)質(zhì)量 /kg物質(zhì)的量 /kmolNaOH400.59%F0.000148 FNaOH4010.360.2590Na2COs10614.88% F0.001404 FNa2c。31060.610.00575H2O1884.53% F0.04696FH2O1875.274.18Ca(OH)2740.280.00377CaCO310013.480.134727列出元素平衡式Na平衡:0.000148F+0.001404F X 2= (0.00575X2+0.2590) kmo

15、lC平衡： 0.001404F+ Ca平衡：x100g / mol=(0.1348+0.00575) kmolxy7777 + T7 + 77= (0.1348+0.00378) kmol100g / mol56g / mol 74g I mol已知：F+W=100kg/mol, W=x+y+z解得：F=91.51kg, W=8.49kgx=l.197kg, y=6.435kg, z=0.858kg28表3-4計算結(jié)果匯總組分輸入輸出物質(zhì)的量 /kmol質(zhì)量/kg物質(zhì)的量 /kmol質(zhì)量/kgNaOH0.01350.540.25901 10.35 |Na2CO30.128513.620.005

16、750.61H2O4.297377.354.18275.27CaCO30.0121.20.13713.48CaO0.0156.44 Ca(OH)20.01160.860.003770.28i合計296.1691004.5875100所以，每100kg苛化液需加入石灰8.49kg到9L51kg碳酸鈉 溶液中，石灰組成見表34；每100kg苛化液需原堿液91.51kg。例33合成甲醇的物料衡算（平衡常數(shù)法）當(dāng)正、負(fù)反應(yīng)速率相等時，反應(yīng)達(dá)到化學(xué)平衡，此時狀態(tài) 為恒溫、恒壓且反應(yīng)物濃度不變。對反應(yīng)aA+bB=cC+dD,平衡時平衡常數(shù)為已知：原料氣中H2與CO摩爾比為451,惰性組分I含量為13.8%

17、,壓力為30Mpa,溫度為365,平衡常數(shù)Kp=2.505 X 10-3MPa-2o 問：出口氣體組成。解：設(shè)進(jìn)料為1 mol化學(xué)反應(yīng)平衡方程式1=0.138molH2 =( 1 -0.138)4.5/5.5=0.7053mol ICO + 2H, CH.OHCO=(1-0.138)/5.5=0.1567mol基準(zhǔn)：1 mol原料氣設(shè)轉(zhuǎn)化率為x,則出口氣體組成為：CO:0.1567(l-x)1： 0.138H2：0.7053-2 X0.1567xl-0.3134xCH3OH: 0.1567x計算出口氣體各組分分壓:CO:H2:CH3OH:P（2）二0.1567(1 x)l-0.3134x0.7

18、053-2x0,1567fx301-0.3134%p(CH.OH)-x30代入平衡常數(shù)分壓表達(dá)式:0.1567x1-0.3 134a:31330567x3()Kp =|_1一°.31344 2 505 x 10-3(CO)p2 (%) ro,1567(l-x)0.7053-2x0.1567x丫*1-0,3134%JL l-0.3134xJ解得：X=0.4876o則出口氣體組成為：C0:0.0803mol；H2： 0.5525mol；CH3OH:0-0764mol； I： 0J38mo1。各組分摩爾分?jǐn)?shù)為:C0:0.0948；CH3OH:0e0902；H2： 0.6521；I： 0.1

19、629。帶循環(huán)和務(wù)路過程的物料街算典型的具有循環(huán)和旁路過程的物料流程圖:循環(huán)物料R精儲塔塔頂?shù)幕亓?4過濾結(jié)晶過程濾液的返回氨合成中未反應(yīng)的原料氣再循環(huán) 衡算特點(diǎn)：循環(huán)量未知，不能按順序單元依次計算衡算方法：（1）代數(shù)法；（2）試差法試差法又稱迭代法，就是先假設(shè)一估算值（稱老估算 值），然后按順序模塊逐個依次衡算出一個結(jié)果（稱 為新估算值），如果：相對誤差=|計算結(jié)果-老估算值|計算結(jié)果則計算結(jié)果符合要求，否則，需重新假設(shè)“老估算 值”進(jìn)行計算，直到滿足容許誤差為止。:迭代法存在誤差，即相對誤差，它表征“實際與估 算”的接近程度，它必須W容許誤差。3. 2熱量衡算能量衡算的意義:-原料及產(chǎn)品的

20、輸送需要消耗功機(jī)械能;“物料需在一定的溫度下才能反應(yīng)熱交換;-物質(zhì)發(fā)生化學(xué)變化變成新的物質(zhì)始變化;熱、焰、功都是能量的表現(xiàn)形式。能量的消耗是化工生產(chǎn)中一項重要的技術(shù)經(jīng)濟(jì) 指標(biāo)，是衡量工藝過程、設(shè)備設(shè)計、操作制度是 否先進(jìn)合理的主要指標(biāo)之一。因此能量衡算也是 化工設(shè)計中極其重要的組成部分。熱量衡算的目的:3537(1)確定傳熱設(shè)備的熱負(fù)荷。為設(shè)計傳熱型設(shè)備如反應(yīng)器、結(jié)晶器、塔式設(shè)備、輸送設(shè)備、壓縮系統(tǒng)、分離等設(shè)備的形式、尺寸、傳熱面積等，以及各種控制儀表 等提供參數(shù)；(2)確定單位產(chǎn)品的能耗指標(biāo)；(3)為非工藝專業(yè)(熱工、電、給水、冷暖) 的設(shè)計提供設(shè)計條件。熱量衡算的程序 A熱量衡算的一般步驟與物料衡算相同，亦包括劃 分系統(tǒng)、畫出流程簡圖、列寫方程式與約束式，求解 方程組及結(jié)果整理等若干步驟。能量衡算的基本方程式能量衡算方程式的一般形式為：E = Q+IT：如果無軸功條件下，進(jìn)入系統(tǒng)加熱量與離開系統(tǒng)的熱量應(yīng)平衡，即對傳熱設(shè)備的熱量衡算可表示為:一 Q + Q +。3 =。4 + 以 +物料帶進(jìn)體系的熱量”/kkX.設(shè)備向四周 散失的熱量 （熱損失）加熱劑（或閑,/jw J工消耗在加熱等