第四章物料衡算和能量衡算

化工設(shè)計(jì)第四章物料衡算與能量衡算Chart4materielbalanceandenergybalance4.1物料衡算4.2能量衡算4.3化工模擬軟件在化工設(shè)計(jì)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(duì)化工過程或設(shè)備進(jìn)行定量計(jì)算。通過物料衡算解決以下問題：計(jì)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)做能量衡算，計(jì)算蒸汽、水、電、煤或其他燃料的消耗定額。計(jì)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(jì)、管路設(shè)施與公用工程的設(shè)計(jì)等方面提供依據(jù)。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范圍單元操作的物料衡算——化工設(shè)備設(shè)計(jì)的前提化工過程的物料衡算——化工過程設(shè)計(jì)的前提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(duì)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(duì)無(wú)化學(xué)反應(yīng)的過程：輸入量－輸出量＝積累量

對(duì)無(wú)化學(xué)反應(yīng)的穩(wěn)定操作過程：輸入量＝輸出量

對(duì)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(shí)。(2)建設(shè)單位或研究單位的要求、設(shè)計(jì)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(shí)須選擇計(jì)算基準(zhǔn)，并在計(jì)算過程中保持一致。一般計(jì)算過程的基準(zhǔn)有以下幾種：(1)時(shí)間基準(zhǔn)——對(duì)連續(xù)生產(chǎn)過程，常以單位時(shí)間(如d、h、s）的投料量或產(chǎn)品量為計(jì)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)。(3)質(zhì)量基準(zhǔn)——當(dāng)系統(tǒng)介質(zhì)為液、固相時(shí)，選擇一定質(zhì)量的原料或產(chǎn)品作為計(jì)算基準(zhǔn)較適合。(4)物質(zhì)的量基準(zhǔn)：對(duì)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(duì)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(shí)就有算不算水分的問題。濕基計(jì)算水分，干基不計(jì)算水分。實(shí)際計(jì)算時(shí)，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。三、物料衡算的基本程序

(1)確定衡算對(duì)象和范圍，畫出計(jì)算對(duì)象的草圖。注意物料種類和走向，明確輸入和輸出。(2)確定計(jì)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(jì)算方法簡(jiǎn)化。(3)確定過程所涉及的組分，并對(duì)所有組分依次編號(hào)。(4)對(duì)物流的流股進(jìn)行編號(hào)，并標(biāo)注物流變量。(5)收集數(shù)據(jù)資料（設(shè)計(jì)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(jì)任務(wù)所規(guī)定，t/年）和生產(chǎn)時(shí)間（指全年有效生產(chǎn)天數(shù)300~330天/年，計(jì)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(duì)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①進(jìn)料配比為一常數(shù)；②分流器出口物流具有相同的組成；③相平衡常數(shù)；④化學(xué)反應(yīng)平衡常數(shù)；⑤化學(xué)反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率、選擇性或其他限度。(7)選擇計(jì)算基準(zhǔn)；(8)統(tǒng)計(jì)變量個(gè)數(shù)與方程個(gè)數(shù)，確定設(shè)計(jì)變量個(gè)數(shù)及全部設(shè)計(jì)變量。(9)整理并校核計(jì)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(jì)文件成果編入正式設(shè)計(jì)文件。三、物料衡算舉例P33例3-1~3-4自學(xué)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：⑴確定物料輸送機(jī)械和其他操作機(jī)械所需功率。⑵確定各單元過程所需熱量或冷量及其傳遞速率。⑶化學(xué)反應(yīng)所需的放熱速率和供熱速率。⑷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(dòng)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(wú)物質(zhì)交換，如間歇操作過程，體系物質(zhì)的動(dòng)能、位能、壓力能無(wú)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(dòng)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(dòng)過程的總能量衡算方程為：3.熱量衡算式及說(shuō)明

⑴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?/p>

封閉體系Q=?U敞開體系Q=?H對(duì)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(dòng)體系的熱量衡算：

Q=

H1–

H2或

Q=

U1–

U2實(shí)際計(jì)算時(shí)，還常使用下式：

Qin=

QoutQ1+Q2+Q3=Q4+Q5+Q6Q1——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；⑵熱量衡算的步驟

①建立單位時(shí)間為基準(zhǔn)的物料流程圖或物料平衡表。②選定計(jì)算基準(zhǔn)溫度和計(jì)算相態(tài)：可選0℃(273K)、25℃(298K)或其他溫度作為基準(zhǔn)溫度。③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(jì)算每個(gè)物料的焓值，標(biāo)注在圖上。④列出熱量衡算式，用數(shù)學(xué)方法求解。⑤當(dāng)生產(chǎn)過程及物料組成較復(fù)雜時(shí)，可列出熱量衡算表。4.機(jī)械能衡算式

連續(xù)穩(wěn)定流動(dòng)過程的總能量衡算方程為：在一些單元操作中，Q、

U與動(dòng)能和位能變化及外功相比，相對(duì)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(dòng)等過程。單位質(zhì)量不可壓縮流體流動(dòng)時(shí)的機(jī)械能衡算式：4.3化工模擬軟件在化工設(shè)計(jì)中的應(yīng)用計(jì)算機(jī)用于化工設(shè)計(jì)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(jì)(CAPD)；計(jì)算機(jī)輔助繪圖設(shè)計(jì)(CAD)；計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)等

目前用的較多的化工流程模擬計(jì)算軟件有PRO/II、HYSYS、ASPENPLUS等。

PRO/II流程模擬軟件

PRO/II由美國(guó)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(gòu)買了該軟件，20個(gè)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(jì)、評(píng)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(kù)：2000多純組分庫(kù)、1900多組分/種類電解質(zhì)庫(kù)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(jì)算方法：60多個(gè)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(gè)二元交互參數(shù)；專用的水溶性數(shù)據(jù)；超過550個(gè)Henry系數(shù)；二元交互參數(shù)預(yù)測(cè)；熱力學(xué)數(shù)據(jù)回歸。設(shè)計(jì)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，溶解器，膨脹機(jī)，閃蒸，帶有固體的閃蒸，LNG多股流換熱器，精確核算型換熱器，簡(jiǎn)單換熱器，嚴(yán)格空冷器模型，加熱/冷卻曲線，混合器，相包絡(luò)，管道，聚合物反應(yīng)器，泵，回流泵，閥，刮膜式蒸發(fā)器，平衡反應(yīng)器，轉(zhuǎn)換反應(yīng)器，吉布斯反應(yīng)器，塞流反應(yīng)器，平推流反應(yīng)器，全混流反應(yīng)器，間歇式反應(yīng)器，固態(tài)顆粒分離器，分裂器，單變量控制器，多變量的控制器，物流計(jì)算器，流程優(yōu)化器，過程數(shù)據(jù)，用戶自定義操作單元，(電解質(zhì)模塊，SIMSCI外接的模塊)等。用戶擴(kuò)展功能：用戶自定義物流屬性包；增加用戶組份數(shù)據(jù)；增加熱力學(xué)計(jì)算方法；增加自定義操作單元模塊120個(gè)；增加自定義計(jì)算模型7個(gè)；增加自定義電解質(zhì)模型20個(gè)等。分析工具：工況研究、優(yōu)化器、單相變量控制器、多相變量控制器、加熱/冷卻曲線等。二、三種化工模擬軟件的對(duì)比一般認(rèn)為，PROII在煉油工業(yè)應(yīng)用更為準(zhǔn)確些，因其數(shù)據(jù)庫(kù)中有不少經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)；而ASPEN在化工領(lǐng)域表現(xiàn)更好。HYSYS主要用于天然氣的加工處理及煉油工業(yè)。Aspenplus計(jì)算較準(zhǔn)確，數(shù)據(jù)庫(kù)比較完善。不過由于它考慮的方面非常全面，所以學(xué)起來(lái)比較費(fèi)勁。三、化工模擬軟件存在問題還沒有成熟的化工軟化可用于石油化工過程部分主要裝置的模擬（如催化