化工設(shè)計(jì)概論-第三章-物料衡算與能量衡算

化工設(shè)計(jì)概論--第三章-物料衡算與能量衡算第一頁(yè)，共27頁(yè)。

根據(jù)物料衡算和能量的衡算結(jié)果，可以：

1）對(duì)生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)和選型；

2）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)方法及工藝流程在經(jīng)濟(jì)上是否合理，技術(shù)上是否先進(jìn)。2第二頁(yè)，共27頁(yè)。§3.1物料衡算

一、物料衡算的概念：在化工過程中，物料平衡是指“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?！睂?duì)物料平衡進(jìn)行計(jì)算稱為物料衡算。物料平衡的理論依據(jù)是質(zhì)量守恒定律，即在一個(gè)孤立體系中不論物質(zhì)發(fā)生任何變化(不包括核反應(yīng))它的質(zhì)量始終保持不變。3第三頁(yè)，共27頁(yè)。二、物料衡算的分類1、按操作方式分為間歇操作、連續(xù)操作及半連續(xù)操作等三類物料衡算。2、按狀態(tài)將其分為穩(wěn)定狀態(tài)操作和不穩(wěn)定狀態(tài)操作兩類衡算。3、按衡算范圍分為單元操作過程(或單個(gè)設(shè)備)和全流程的兩類物料衡算。4第四頁(yè)，共27頁(yè)。三、物料平衡方程式

1、概念：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)系則為物料平衡方程式。其基本表達(dá)式為：

∑F0=∑D+A+∑B

式中，F(xiàn)0—輸入體系的物料質(zhì)量；

D—離開體系的物料質(zhì)量；

A—體系內(nèi)積累的物料質(zhì)量；

B—

損失的物料質(zhì)量(如跑、冒、滴、漏)5第五頁(yè)，共27頁(yè)。2、注意的事項(xiàng)(1)物料平衡是指質(zhì)量平衡，不是體積或物質(zhì)的量(摩爾數(shù))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)，必須考慮反應(yīng)式中的化學(xué)計(jì)量系數(shù)。(2)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分?jǐn)?shù)。(3)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。

三、物料平衡方程式6第六頁(yè)，共27頁(yè)。1、畫出流程示意圖

稀溶液二次蒸汽F,

wFW加熱蒸汽冷凝水提濃液B，wB四、物料衡算的步驟7第七頁(yè)，共27頁(yè)。2、列出主、副化學(xué)反應(yīng)式3、確定計(jì)算任務(wù)4、收集數(shù)據(jù)資料（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)）5、選定計(jì)算基準(zhǔn)（時(shí)間，質(zhì)量，體積）6、建立物料平衡方程，展開計(jì)算7、整理并校核計(jì)算結(jié)果8、繪制物料流程圖、填寫物流表四、物料衡算的步驟8第八頁(yè)，共27頁(yè)。1．無反應(yīng)例1采用蒸發(fā)方法將濃度為10％NaOH及10％NaCl的水溶液進(jìn)行濃縮。蒸發(fā)時(shí)只有部分水分汽化成為水蒸氣而逸出，部分NaCl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：50％NaOH，2％NaCl及48％H2O。若每批處理1000kg原料液，試求每批操作中：1)獲得的母液量，2)蒸發(fā)出的水分量，3)結(jié)晶出的NaCl量。五、物料衡算計(jì)算舉例9第九頁(yè)，共27頁(yè)。10第十頁(yè)，共27頁(yè)。計(jì)算過程解：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2-2組分物料衡算：NaOH平衡1000x0.1=0.5F4NaCl平衡1000x0.1=0.02F4+F3H2O平衡

1000(1-0.1-0.1)=F2+0.48F4解方程得：F2=704kg，F(xiàn)3=96kg，F(xiàn)4=200kg11第十一頁(yè)，共27頁(yè)。2.有反應(yīng)例2甲醇制造甲醛的反應(yīng)過程為：

CH30H+1/2O2HCHO+H20

反應(yīng)物及生成物均為氣態(tài)，若使用50％的過量空氣，且甲醇的轉(zhuǎn)化率為75％，試計(jì)算反應(yīng)后氣體混合物的摩爾組成。五、物料衡算計(jì)算舉例12第十二頁(yè)，共27頁(yè)。解：畫出流程圖

空氣(過量50%)CH3OHHCHOH2ON2催化反應(yīng)器CH3OH計(jì)算過程13第十三頁(yè)，共27頁(yè)?；鶞?zhǔn)：1molCH3OH根據(jù)反應(yīng)方程式O2(需要)=0.5mol；

O2(輸入)=1.5×0.5=0.75mol；

N2(輸入)=N2(輸出)=0.75(79/21)=2.82molCH3OH為限制反應(yīng)物反應(yīng)的CH3OH=0.75×1=0.75mol因此，HCHO(輸出)=0.75molCH3OH(輸出)=1-0.75=0.25molO2(輸出)=0.75-0.75x0.5=0.375molH2O(輸出)=0.75mol14第十四頁(yè)，共27頁(yè)。計(jì)算結(jié)果組分molmol%CH3OH0.2505.0HCHO0.75015.2H2O0.75015.2O20.3757.6N22.82057.0總計(jì)4.945100.015第十五頁(yè)，共27頁(yè)。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)化的規(guī)則，用以確定能量比例和能量轉(zhuǎn)變的定量關(guān)系的過程稱為能量衡算?！?.2能量衡算16第十六頁(yè)，共27頁(yè)。二、能量衡算可以解決的問題(1)確定物料輸送機(jī)械和其它操作機(jī)械所需要的功率；(2)確定各單元操作過程所需熱量或冷量，及其傳遞速率；計(jì)算換熱設(shè)備的工藝尺寸；確定加熱劑或冷卻劑的消耗量，為其他專業(yè)如供汽、供冷、供水專業(yè)提供設(shè)條件；(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下降，為此需確定為保持一定反應(yīng)溫度所需的移出或加入的熱傳遞速率；17第十七頁(yè)，共27頁(yè)。二、能量衡算可以解決的問題(4)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，降低能耗提供重要依據(jù)。(5)最終確定總需求能量和能量的費(fèi)用。18第十八頁(yè)，共27頁(yè)。

能量衡算平衡方程式△E=Q-W△E:表示體系能量總變化；

Q: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。三、能量平衡方程式19第十九頁(yè)，共27頁(yè)。1、熱量衡算有兩種情況：

1）對(duì)單元設(shè)備做熱量衡算；

2）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)，必須做全過程的熱量衡算。）四、熱量衡算20第二十頁(yè)，共27頁(yè)。2、熱量衡算方程式

∑Q入=∑Q出

+∑Q損

式中:∑Q入一輸入設(shè)備熱量總和；∑Q出

—輸出設(shè)備熱量總和；∑Q損—損失熱量總和。四、熱量衡算21第二十一頁(yè)，共27頁(yè)。3、熱量衡算步驟(1)繪制以單位時(shí)間為基準(zhǔn)的物料流程圖，確定熱量平衡范圍；(2)在物料流程圖上標(biāo)明已知T、P、相態(tài)等已知條件；(3)選定計(jì)算基準(zhǔn)溫度。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273K或298K的數(shù)據(jù)，故選此溫度為基準(zhǔn)計(jì)算比較方便。相態(tài)的確定也很重要；(4)列出熱量衡算式，然后用數(shù)學(xué)方法求解未知值；(5)整理并校核計(jì)算結(jié)果，列出熱量平衡表。四、熱量衡算22第二十二頁(yè)，共27頁(yè)。4、進(jìn)行熱量衡算注意事項(xiàng)(1)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)熱量守衡定律列出熱量關(guān)系式。(2)要弄清楚過程中出現(xiàn)的熱量形式，以便搜集有關(guān)的物性數(shù)據(jù)。四、熱量衡算23第二十三頁(yè)，共27頁(yè)。(3)計(jì)算結(jié)果是否正確適用，關(guān)鍵在于數(shù)據(jù)的正確性和可靠性。(4)間歇操作設(shè)備，傳熱量Q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kJ/臺(tái)換算為kJ/h。(5)選定設(shè)備的換熱面積要大于理論計(jì)算。4、進(jìn)行熱量衡算注意事項(xiàng)四、熱量衡算24第二十四頁(yè)，共27頁(yè)。例1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450℃，出口廢氣的溫度為260℃，進(jìn)入鍋爐的水溫