化工設(shè)計(jì)概論第三章物料衡算與能量衡算

1、整理課件1第三章第三章 物料衡算與能量衡算物料衡算與能量衡算 物料衡算與能量衡算是進(jìn)行化工工藝過程設(shè)計(jì)物料衡算與能量衡算是進(jìn)行化工工藝過程設(shè)計(jì)及技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)的基本依據(jù)。通過對(duì)全生產(chǎn)過程或及技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)的基本依據(jù)。通過對(duì)全生產(chǎn)過程或單元過程的物料和能量的衡算，計(jì)算得到：?jiǎn)卧^程的物料和能量的衡算，計(jì)算得到： 1 1）主、副產(chǎn)品產(chǎn)量；）主、副產(chǎn)品產(chǎn)量； 2 2）原材料的消耗定額，過程的物料損耗；）原材料的消耗定額，過程的物料損耗； 3 3）“三廢三廢”的生成量及組成；的生成量及組成； 4 4）水、電、汽或其他燃料等消耗定額；）水、電、汽或其他燃料等消耗定額； 5 5）設(shè)計(jì)物料流程圖。）設(shè)計(jì)物料流程

2、圖。 整理課件2 根據(jù)物料衡算和能量的衡算結(jié)果，可以：根據(jù)物料衡算和能量的衡算結(jié)果，可以： 1 1）對(duì)生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)和選型；）對(duì)生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)和選型； 2 2）確定產(chǎn)品成本等各項(xiàng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，從而）確定產(chǎn)品成本等各項(xiàng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，從而可以定量地評(píng)述所選擇的工藝路線、生產(chǎn)方法及工可以定量地評(píng)述所選擇的工藝路線、生產(chǎn)方法及工藝流程在經(jīng)濟(jì)上是否合理，技術(shù)上是否先進(jìn)。藝流程在經(jīng)濟(jì)上是否合理，技術(shù)上是否先進(jìn)。整理課件3物料衡算物料衡算 一、物料衡算的概念：一、物料衡算的概念： 在化工過程中，物料平衡是指在化工過程中，物料平衡是指“在單位時(shí)間在單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入系統(tǒng)（體系）的全部物料質(zhì)量必定等于離內(nèi)進(jìn)入系

3、統(tǒng)（體系）的全部物料質(zhì)量必定等于離開該系統(tǒng)（體系）的全部物料質(zhì)量再加上損失掉開該系統(tǒng)（體系）的全部物料質(zhì)量再加上損失掉的與積累起來的物料質(zhì)量。的與積累起來的物料質(zhì)量。” 對(duì)物料平衡進(jìn)行計(jì)對(duì)物料平衡進(jìn)行計(jì)算稱為物料衡算。算稱為物料衡算。 物料平衡的理論依據(jù)是物料平衡的理論依據(jù)是質(zhì)量守恒定律質(zhì)量守恒定律，即在，即在一個(gè)孤立體系中不論物質(zhì)發(fā)生任何變化一個(gè)孤立體系中不論物質(zhì)發(fā)生任何變化( (不包括核不包括核反應(yīng)反應(yīng)) )它的質(zhì)量始終保持不變。它的質(zhì)量始終保持不變。整理課件4二、物料衡算的分類二、物料衡算的分類1 1、按操作方式、按操作方式 分為間歇操作、連續(xù)操作及半連續(xù)操作等三分為間歇操作、連續(xù)操作及

4、半連續(xù)操作等三 類物料衡算。類物料衡算。2 2、按狀態(tài)、按狀態(tài) 將其分為穩(wěn)定狀態(tài)操作和不穩(wěn)定狀態(tài)操作兩類將其分為穩(wěn)定狀態(tài)操作和不穩(wěn)定狀態(tài)操作兩類 衡算。衡算。3 3、按衡算范圍、按衡算范圍 分為單元操作過程分為單元操作過程( (或單個(gè)設(shè)備或單個(gè)設(shè)備) )和和全流程全流程的兩的兩 類物料衡算。類物料衡算。整理課件5三、物料平衡方程式三、物料平衡方程式 1 1、概念：、概念：根據(jù)質(zhì)量守恒定律，對(duì)某一個(gè)體系內(nèi)質(zhì)根據(jù)質(zhì)量守恒定律，對(duì)某一個(gè)體系內(nèi)質(zhì)量流動(dòng)及變化的情況用數(shù)學(xué)式描述物料平衡關(guān)系則量流動(dòng)及變化的情況用數(shù)學(xué)式描述物料平衡關(guān)系則為物料平衡方程式。其基本表達(dá)式為：為物料平衡方程式。其基本表達(dá)式為：

5、F0=D+A+B 式中，式中，F(xiàn)0 輸入體系的物料質(zhì)量；輸入體系的物料質(zhì)量； D 離開體系的物料質(zhì)量；離開體系的物料質(zhì)量； A 體系內(nèi)積累的物料質(zhì)量；體系內(nèi)積累的物料質(zhì)量； B 損失的物料質(zhì)量損失的物料質(zhì)量( (如跑、冒、滴、漏如跑、冒、滴、漏) ) 整理課件62 2、注意的事項(xiàng)、注意的事項(xiàng)(1)(1)物料平衡是指質(zhì)量平衡，不是體積或物質(zhì)的物料平衡是指質(zhì)量平衡，不是體積或物質(zhì)的量量( (摩爾數(shù)摩爾數(shù)) )平衡。若體系內(nèi)有化學(xué)反應(yīng)，則平衡。若體系內(nèi)有化學(xué)反應(yīng)，則衡算式中各項(xiàng)用摩爾時(shí)為單位時(shí)，必須考衡算式中各項(xiàng)用摩爾時(shí)為單位時(shí)，必須考慮反應(yīng)式中的化學(xué)計(jì)量系數(shù)慮反應(yīng)式中的化學(xué)計(jì)量系數(shù) 。 (2)(2

6、)對(duì)于無化學(xué)反應(yīng)體系，能列出獨(dú)立物料平衡對(duì)于無化學(xué)反應(yīng)體系，能列出獨(dú)立物料平衡式的最多數(shù)目等于輸入和輸出的物流里的組式的最多數(shù)目等于輸入和輸出的物流里的組分?jǐn)?shù)。分?jǐn)?shù)。(3)(3)在寫平衡方程式時(shí)，要盡量使方程式中所包在寫平衡方程式時(shí)，要盡量使方程式中所包含的未知數(shù)最少。含的未知數(shù)最少。 三、物料平衡方程式三、物料平衡方程式整理課件7 1 1、畫出流程示意圖、畫出流程示意圖 稀溶液稀溶液二次蒸汽二次蒸汽F, wFW加熱蒸汽加熱蒸汽冷凝水冷凝水提濃液提濃液B，wB四、物料衡算的步驟四、物料衡算的步驟整理課件82 2、列出主、副化學(xué)反應(yīng)式、列出主、副化學(xué)反應(yīng)式3 3、確定計(jì)算任務(wù)、確定計(jì)算任務(wù)4 4

7、、收集數(shù)據(jù)資料、收集數(shù)據(jù)資料（生產(chǎn)規(guī)模、時(shí)間，收率、轉(zhuǎn)化生產(chǎn)規(guī)模、時(shí)間，收率、轉(zhuǎn)化率，原材料及產(chǎn)品規(guī)格，有關(guān)物理化學(xué)常數(shù)）率，原材料及產(chǎn)品規(guī)格，有關(guān)物理化學(xué)常數(shù)）5 5、選定計(jì)算基準(zhǔn)、選定計(jì)算基準(zhǔn)（時(shí)間，質(zhì)量，體積）（時(shí)間，質(zhì)量，體積）6 6、建立物料平衡方程，展開計(jì)算、建立物料平衡方程，展開計(jì)算7 7、整理并校核計(jì)算結(jié)果、整理并校核計(jì)算結(jié)果8 8、繪制物料流程圖、填寫物流表、繪制物料流程圖、填寫物流表四、物料衡算的步驟四、物料衡算的步驟整理課件91無反應(yīng)無反應(yīng)例例1 采用蒸發(fā)方法將濃度為采用蒸發(fā)方法將濃度為10NaOH及及10NaCl的水溶液進(jìn)行濃縮。蒸發(fā)時(shí)只有部分水分汽化成的水溶液進(jìn)行濃縮

8、。蒸發(fā)時(shí)只有部分水分汽化成為水蒸氣而逸出，部分為水蒸氣而逸出，部分NaCl結(jié)晶成晶粒而留在結(jié)晶成晶粒而留在母液中。操作停止后，分析母液的成分為：母液中。操作停止后，分析母液的成分為：50NaOH，2NaCl及及48H2O。若每批處理。若每批處理1000 kg原料液，試求每批操作中：原料液，試求每批操作中：1)獲得的母液量，獲得的母液量，2)蒸發(fā)出的水分量，蒸發(fā)出的水分量，3)結(jié)晶出的結(jié)晶出的NaCl量。量。五、物料衡算計(jì)算舉例五、物料衡算計(jì)算舉例整理課件10整理課件11計(jì)算過程計(jì)算過程解：解：本題為間歇過程，因此以每批處理量為基準(zhǔn)進(jìn)本題為間歇過程，因此以每批處理量為基準(zhǔn)進(jìn)行物料衡算。流程示意圖

9、行物料衡算。流程示意圖2-2組分物料衡算：組分物料衡算：NaOH平衡平衡 1000 x 0.1 = 0.5F4NaCl平衡平衡 1000 x 0.1 = 0.02F4 + F3H2O平衡平衡 1000(1-0.1-0.1)= F2 + 0.48F4解方程得：解方程得： F2 = 704kg，F(xiàn)3 = 96kg，F(xiàn)4 = 200kg整理課件122.有反應(yīng)有反應(yīng)例例2 甲醇制造甲醛的反應(yīng)過程為：甲醇制造甲醛的反應(yīng)過程為： CH30H + 1/2 O2 HCHO + H20 反應(yīng)物及生成物均為氣態(tài)，若使用反應(yīng)物及生成物均為氣態(tài)，若使用50的過的過量空氣，且甲醇的轉(zhuǎn)化率為量空氣，且甲醇的轉(zhuǎn)化率為75，

10、試計(jì)算反，試計(jì)算反應(yīng)后氣體混合物的摩爾組成。應(yīng)后氣體混合物的摩爾組成。五、物料衡算計(jì)算舉例五、物料衡算計(jì)算舉例整理課件13解：解： 畫出流程圖畫出流程圖 空氣空氣(過量過量50%)CH3OHHCHOH2ON2催化催化反應(yīng)器反應(yīng)器CH3OH計(jì)算過程計(jì)算過程整理課件14基準(zhǔn)：基準(zhǔn)：1 mol CH3OH根據(jù)反應(yīng)方程式根據(jù)反應(yīng)方程式 O2(需要需要)= 0.5 mol； O2(輸入輸入)= 1.5 0.5 = 0.75 mol； N2(輸入輸入)= N2(輸出輸出)= 0.75(79/21)= 2.82 molCH3OH為限制反應(yīng)物為限制反應(yīng)物反應(yīng)的反應(yīng)的CH3OH = 0.75 1 = 0.75

11、mol因此，因此，HCHO(輸出輸出)= 0.75mol CH3OH(輸出輸出)= 1-0.75=0.25mol O2(輸出輸出)= 0.75-0.75x0.5=0.375mol H2O(輸出輸出)= 0.75mol整理課件15計(jì)算結(jié)果計(jì)算結(jié)果組分組分molmol%CH3OH0.2505.0HCHO0.75015.2H2O0.75015.2O20.3757.6N22.82057.0總計(jì)總計(jì)4.945100.0整理課件16一、能量衡算定義一、能量衡算定義 根據(jù)能量守恒定律，利用能量傳遞和轉(zhuǎn)化根據(jù)能量守恒定律，利用能量傳遞和轉(zhuǎn)化的規(guī)則，用以確定能量比例和能量轉(zhuǎn)變的定量的規(guī)則，用以確定能量比例和能量

12、轉(zhuǎn)變的定量關(guān)系的過程稱為能量衡算。關(guān)系的過程稱為能量衡算。能量衡算能量衡算整理課件17二、能量衡算可以解決的問題二、能量衡算可以解決的問題(1)(1)確定物料輸送機(jī)械和其它操作機(jī)械所需要的確定物料輸送機(jī)械和其它操作機(jī)械所需要的功率功率；(2)(2)確定各單元操作過程所需確定各單元操作過程所需熱量或冷量熱量或冷量，及其，及其傳遞傳遞速率速率；計(jì)算換熱設(shè)備的；計(jì)算換熱設(shè)備的工藝尺寸工藝尺寸；確定加熱劑或；確定加熱劑或冷卻劑的冷卻劑的消耗量消耗量，為其他專業(yè)如供汽、供冷、供，為其他專業(yè)如供汽、供冷、供水專業(yè)提供設(shè)條件；水專業(yè)提供設(shè)條件； (3)(3)化學(xué)反應(yīng)常伴有熱效應(yīng)，導(dǎo)致體系的溫度上升或化學(xué)反應(yīng)

13、常伴有熱效應(yīng)，導(dǎo)致體系的溫度上升或下降，為此需確定為保持一定反應(yīng)溫度所需的下降，為此需確定為保持一定反應(yīng)溫度所需的移移出或加入的熱傳遞速率出或加入的熱傳遞速率； 整理課件18二、能量衡算可以解決的問題二、能量衡算可以解決的問題(4)(4)為充分利用余熱，必須采取有效措施，使過程的為充分利用余熱，必須采取有效措施，使過程的總能耗降低到最低程度。為提高能量利用率，降總能耗降低到最低程度。為提高能量利用率，降低能耗提供低能耗提供重要依據(jù)重要依據(jù)。(5)(5)最終確定最終確定總需求能量和能量的費(fèi)用總需求能量和能量的費(fèi)用。整理課件19 能量衡算平衡方程式能量衡算平衡方程式 E = Q - W E:表示體

14、系能量總變化；表示體系能量總變化； Q: 表示體系從環(huán)境吸收的熱量；表示體系從環(huán)境吸收的熱量； W: 表示環(huán)境對(duì)體系所做的功。表示環(huán)境對(duì)體系所做的功。三、能量平衡方程式三、能量平衡方程式整理課件201 1、熱量衡算有兩種情況：、熱量衡算有兩種情況： 1 1）對(duì)單元設(shè)備做熱量衡算；）對(duì)單元設(shè)備做熱量衡算； 2 2）整個(gè)過程的熱量衡算。）整個(gè)過程的熱量衡算。 （當(dāng)各個(gè)工序或單元操作之間有熱量交換時(shí)，（當(dāng)各個(gè)工序或單元操作之間有熱量交換時(shí)，必須做全過程的熱量衡算。）必須做全過程的熱量衡算。）四、熱量衡算四、熱量衡算整理課件212 2、熱量衡算方程式、熱量衡算方程式 Q入入= Q出出 + Q損損 式中

15、式中:Q入入 一輸入設(shè)備熱量總和；一輸入設(shè)備熱量總和； Q出出 輸出設(shè)備熱量總和；輸出設(shè)備熱量總和； Q損損 損失熱量總和。損失熱量總和。四、熱量衡算四、熱量衡算整理課件223 3、熱量衡算步驟、熱量衡算步驟(1)(1)繪制以單位時(shí)間為基準(zhǔn)的物料流程圖，確定繪制以單位時(shí)間為基準(zhǔn)的物料流程圖，確定熱量平熱量平衡范圍衡范圍；(2)(2)在物料流程圖上標(biāo)明已知在物料流程圖上標(biāo)明已知T、P、相態(tài)相態(tài)等已知條件；等已知條件；(3)(3)選定計(jì)算選定計(jì)算基準(zhǔn)溫度基準(zhǔn)溫度。由于手冊(cè)、文獻(xiàn)上查到的熱力。由于手冊(cè)、文獻(xiàn)上查到的熱力學(xué)數(shù)據(jù)大多數(shù)是學(xué)數(shù)據(jù)大多數(shù)是273K或或298K的數(shù)據(jù)，故選此溫度為的數(shù)據(jù)，故選此

16、溫度為基準(zhǔn)計(jì)算比較方便。相態(tài)的確定也很重要；基準(zhǔn)計(jì)算比較方便。相態(tài)的確定也很重要；(4)(4)列出列出熱量衡算式熱量衡算式，然后用數(shù)學(xué)方法求解未知值；，然后用數(shù)學(xué)方法求解未知值；(5)(5)整理并校核計(jì)算結(jié)果，列出整理并校核計(jì)算結(jié)果，列出熱量平衡表熱量平衡表。四、熱量衡算四、熱量衡算整理課件234 4、進(jìn)行熱量衡算注意事項(xiàng)、進(jìn)行熱量衡算注意事項(xiàng)(1)(1)熱量衡算時(shí)要先根據(jù)物料的變化和走向，認(rèn)真熱量衡算時(shí)要先根據(jù)物料的變化和走向，認(rèn)真分析熱量間的關(guān)系，然后根據(jù)熱量守衡定律列分析熱量間的關(guān)系，然后根據(jù)熱量守衡定律列出熱量關(guān)系式。出熱量關(guān)系式。(2)(2)要弄清楚過程中出現(xiàn)的熱量形式，以便搜集有要

17、弄清楚過程中出現(xiàn)的熱量形式，以便搜集有關(guān)的物性數(shù)據(jù)。關(guān)的物性數(shù)據(jù)。四、熱量衡算四、熱量衡算整理課件24(3)(3)計(jì)算結(jié)果是否正確適用，關(guān)鍵在于數(shù)據(jù)的正確計(jì)算結(jié)果是否正確適用，關(guān)鍵在于數(shù)據(jù)的正確性和可靠性。性和可靠性。(4)(4)間歇操作設(shè)備，傳熱量間歇操作設(shè)備，傳熱量Q隨時(shí)間而變化，因此隨時(shí)間而變化，因此要用不均衡系數(shù)將設(shè)備的熱負(fù)荷由要用不均衡系數(shù)將設(shè)備的熱負(fù)荷由kJ/臺(tái)換算為臺(tái)換算為kJ/h。(5)(5)選定設(shè)備的換熱面積要大于理論計(jì)算。選定設(shè)備的換熱面積要大于理論計(jì)算。 4 4、進(jìn)行熱量衡算注意事項(xiàng)、進(jìn)行熱量衡算注意事項(xiàng)四、熱量衡算四、熱量衡算整理課件25例例1 某化工廠計(jì)劃利用廢氣的廢熱，進(jìn)入廢熱鍋爐某化工廠計(jì)劃利用廢氣的廢熱，進(jìn)入廢熱鍋爐的廢氣溫度為的廢氣溫度為450，出口廢氣的溫度為，出口廢氣的溫度為260，進(jìn)入鍋爐的水溫為進(jìn)入鍋爐的水溫為25，產(chǎn)生的飽和水蒸氣溫，產(chǎn)生的飽和水蒸氣溫度為度為233.7，3.0MPa，(絕壓絕壓)，廢氣的平均熱，廢氣的平均熱容為容為32.5 kJ(kmol)，試計(jì)算每，試計(jì)算每100 kmol的的廢氣可產(chǎn)生