《物料與熱量衡算》PPT課件

物料、熱量衡算,3.工藝計(jì)算（物料衡算、熱量衡算、設(shè)備選型計(jì)算）,3.1物料衡算1、物料衡算的作用1）操作型計(jì)算：裝置已建，分析生產(chǎn)能力，挖掘潛力，技改。2）設(shè)計(jì)型計(jì)算：根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)，設(shè)計(jì)計(jì)算，為熱量衡算、設(shè)備選型計(jì)算提供條件2、物料衡算的類型1）間歇操作物料衡衡算2）連續(xù)操作物料稱衡算3）循環(huán)過程物料衡算,3、物料衡算通式（質(zhì)量守恒定律）單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入系統(tǒng)的全部物料質(zhì)量單位時(shí)間內(nèi)離開系統(tǒng)的全部物料質(zhì)量單位時(shí)間內(nèi)過程中的損失量單位時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)內(nèi)的積累,一、物料衡算的方法和步驟1、畫出物料衡算示意圖標(biāo)明各股物料的進(jìn)出方向、數(shù)量、組成以及溫度、壓力等操作條件，待求的未知數(shù)據(jù)也應(yīng)以適當(dāng)?shù)姆柋硎尽?、寫出主、副反應(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、生產(chǎn)時(shí)間、原料、助劑、中間產(chǎn)物和產(chǎn)品的規(guī)格和組成及有關(guān)的理化常數(shù)5、選定計(jì)算基準(zhǔn)（為了簡化計(jì)算）6、展開計(jì)算7、整理計(jì)算結(jié)果，畫出物料衡算一覽表8、繪制物料流程圖，并編入設(shè)計(jì)文件,生產(chǎn)過程的常用指標(biāo),1、生產(chǎn)能力2、轉(zhuǎn)化率3、產(chǎn)率（選擇性）4、收率5、消耗定額,一、生產(chǎn)能力化工裝置在單位時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)的產(chǎn)品量或在單位時(shí)間內(nèi)處理的原料量，稱為生產(chǎn)能力。其單位為kgh，td，kta，Mta等?；ぱb置在最佳條件下可以達(dá)到的最大生產(chǎn)能力稱為設(shè)計(jì)能力。二、轉(zhuǎn)化率轉(zhuǎn)化率是原料中某一反應(yīng)物轉(zhuǎn)化掉的量（摩爾）與初始反應(yīng)物的量（摩爾）的比值，它是化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行程度的一種標(biāo)志工業(yè)生產(chǎn)中有單程轉(zhuǎn)化率和總轉(zhuǎn)化率，其表達(dá)式為：,單程轉(zhuǎn)化率100%100%例：以乙烷為裂解原料生產(chǎn)乙烯，在一定的生產(chǎn)條件下，通入裂解爐的乙烷量為7000kg/h，反應(yīng)后，尾氣中含乙烷2450kg/h，求乙烷的轉(zhuǎn)化率。解：單程轉(zhuǎn)化率100%100%65%,（1）單程轉(zhuǎn)化率,對于有循環(huán)和旁路的生產(chǎn)過程，常用總轉(zhuǎn)化率?？傓D(zhuǎn)化率100%例：用乙烷作原料裂解生產(chǎn)乙烯，通入裂解爐的新鮮原料乙烷為5000kg/h，裂解氣分離后，沒有反應(yīng)的乙烷2000kg/h又返回了裂解爐進(jìn)行反應(yīng)，最終分析裂解氣中含乙烷1500kg/h，求乙烷的總轉(zhuǎn)化率。解：總轉(zhuǎn)化率100%100%70%,（2）總轉(zhuǎn)化率,產(chǎn)率表示了參加主反應(yīng)的原料量與參加反應(yīng)的原料量之間的數(shù)量關(guān)系。即參加反應(yīng)的原料有一部分被副反應(yīng)消耗掉了，而沒有生成目的產(chǎn)物。產(chǎn)率越高，說明參加反應(yīng)的原料生成的目的產(chǎn)物越多。產(chǎn)率100%,3產(chǎn)率（或選擇性）,例：用乙烷作裂解原料生產(chǎn)乙烯，在一定的生產(chǎn)條件下，通入裂解爐的乙烷量為7000kg/h，反應(yīng)后，尾氣中含乙烷2450kg/h，得到乙烯量為3332kg/h，求乙烯的產(chǎn)率。解：C2H6C2H4+H23028X3332生成目的產(chǎn)物所消耗的原料量X33323570kg/h產(chǎn)率100%100%78.5%,表示進(jìn)入反應(yīng)器的原料與生成目的產(chǎn)物所消耗的原料之間的數(shù)量關(guān)系。收率越高，說明進(jìn)入反應(yīng)器的原料中，消耗在生產(chǎn)目的產(chǎn)物上的數(shù)量越多。收率也有單程收率和總收率之分。單程收率100%總收率100%例：條件同上例，求乙烯的收率。解：單程收率100%100%51%,4收率,消耗定額是指生產(chǎn)單位產(chǎn)品所消耗的原料量，即每生產(chǎn)一噸100%的產(chǎn)品所需要的原料數(shù)量。消耗定額例：以乙烷為原料裂解生產(chǎn)乙烯，通入反應(yīng)器的乙烷為7000kg/h，參加反應(yīng)的乙烷量為4550kg/h，沒有參加反應(yīng)的乙烷的5%損失掉，其余都循環(huán)回裂解爐。得到乙烯3332kg/h，求乙烯的原料消耗定額。解：消耗的原料量455024505%4550122.54672.5kg/h消耗定額1.4,5消耗定額,二、間歇過程的物料衡算按物料衡算的步驟進(jìn)行，同時(shí)要注意建立時(shí)間平衡關(guān)系。例：丙烷充分燃燒時(shí)，要供入的空氣量為理論量的125%，反應(yīng)式為：C3H85O23CO24H2O問每100摩爾燃燒產(chǎn)物需要多少摩爾空氣？解：（1）畫出物料流程圖（2）選定基準(zhǔn)，以1mol丙烷為基準(zhǔn)（3）展開計(jì)算由題意知氧氣供入量為51.256.25mol則：空氣供入量為6.25/0.2129.76mol氮?dú)饬繛?9.760.7923.51mol則：29.76mol空氣所生成的燃燒氣為:23.51+(3+4)+(6.25-5)=31.76mol所以，100mol燃燒氣所需空氣量為:100/31.76*29.76=93.7mol,例：在間歇釜式反應(yīng)器中用濃硫酸磺化甲苯生產(chǎn)對甲苯磺酸.試對該過程進(jìn)行物料衡算。已知每批操作的投料量為：甲苯1000kg，純度999(質(zhì)量百分比，下同)；濃硫酸1100kg，純度98；甲苯的轉(zhuǎn)化率為98，生成對甲苯磺酸的選擇性為82，生成鄰甲苯磺酸的選擇性為9.2，生成間甲苯磺酸的選擇性為8.8；物料中的水約90經(jīng)連續(xù)脫水器排出。此外，為簡化計(jì)算，假設(shè)原料中除純品外都是水，且在磺化過程中無物料損失。,解：以間歇釜式反應(yīng)器為衡算范圍，繪出物料衡箅示意圖物料衡算的目的就是確定各股物料的數(shù)量和組成。對于間歇操作過程，常以單位時(shí)間間隔(一個(gè)操作周期)內(nèi)的投料量為基準(zhǔn)進(jìn)行物料衡算。進(jìn)料：原料甲苯中的甲苯量為：1000kg0.999=999kg原料甲苯中的水量為：1000kg999kg=1kg濃硫酸中的硫酸量為：1100kg981078kg濃硫酸中的水量為：1100kg1078kg22kg進(jìn)料總量為：1000kg+1100kg=2100kg其中含甲苯999kg，硫酸1078kg，水23kg。出料：反應(yīng)消耗的甲苯量為：999kg98=979kg未反應(yīng)的甲苯量為：999kg979kg=20kg,磺化液總量為：1500.8+168.4+161.1+20+35.2+21.4=1906.9(kg)根據(jù)物料衡算結(jié)果，編制甲苯磺化過程的物料平衡表。,三、連續(xù)過程的物料衡算1.直接求算法適用于化學(xué)反應(yīng)過程較簡單的反應(yīng)，一般情況下，通過化學(xué)計(jì)量系數(shù)來直接求取。2.利用結(jié)點(diǎn)進(jìn)行衡算3.利用聯(lián)系組分進(jìn)行物料衡算不參加反應(yīng)的組分常被作為聯(lián)系組分，可以極大的簡化計(jì)算過程。,求算下圖所示的各流股的量及塔2的入料組成,解：屬復(fù)雜過程物料衡算。選取兩個(gè)衡算體：I為總體系衡算，II為精餾塔2衡算,衡算體I,衡算體II,結(jié)果：S2=520mol/h,S4=150mol/h,S5=330mol/h；S3=480mol/h,X3B=0.0125,X3T=0.5925,X3X=0.395,任務(wù)3：1000t/a硝基氯苯生產(chǎn)裝置，每年需要用1002噸、含46%硝酸的混酸作為硝化劑?，F(xiàn)請你為1000t/a硝基氯苯生產(chǎn)裝置混酸配制工段進(jìn)行物料衡算：原料：硝酸98%，硫酸92.5%,69%硫酸廢酸要求：混酸組成硫酸46%，硝酸46%，水8%,四、循環(huán)過程的物料衡算循環(huán)過程衡算方法通常有代數(shù)法、試差法、循環(huán)系數(shù)法當(dāng)原料、產(chǎn)品和循環(huán)流的組成已知時(shí)，采用代數(shù)法較為簡便。當(dāng)未知數(shù)多于所能列出的方程數(shù)時(shí)，可用試差法求解見教材P31例,在2MPa和240oC條件下，用純氧氧化乙烯生產(chǎn)環(huán)氧乙烷，已知原料混合氣含乙烯15%（mol分率），流量15000kmol/h，反應(yīng)器出口含環(huán)氧乙烷1.4%（mol分率），乙烯13%（mol分率），流量14500kmol/h，求（1）乙烯轉(zhuǎn)化率和環(huán)氧乙烷的收率;（2）若處理氣量不變，產(chǎn)品經(jīng)分離后60%未反應(yīng)的乙烯返回反應(yīng)器循環(huán)，則乙烯總轉(zhuǎn)化率和環(huán)氧乙烷的總收率分別是多少？,反應(yīng)器,分離,60%未反應(yīng)乙烯循環(huán)利用,新鮮氣,解化學(xué)反應(yīng)式C2H4+0.5O2=CH2OCH2（1）乙烯轉(zhuǎn)化率和環(huán)氧乙烷的收率（無循環(huán)）,反應(yīng)器,（2）60%未反應(yīng)乙烯循環(huán)時(shí)，乙烯總轉(zhuǎn)化率和環(huán)氧乙烷的總收率計(jì)算,合成氨工段計(jì)算,氨合成塔,冷凝,排放,產(chǎn)品V4,循環(huán),新鮮原料F1000Nm3,塔入口氣V2NH32.5mol%,塔出口氣V3NH311mol%,H273.729%N224.558%CH41.420%Ar0.293%,放空氣V1Ar+CH419.296%NH311%,V1信息？V2信息？V3信息？V4的信息？,化學(xué)反應(yīng)式0.5N2+1.5H2=NH3,1.V1信息：惰性氣體衡算：得到V1=88.775Nm3因?yàn)镠2與N2按照3：1的比例消耗，進(jìn)料比為3：1，根據(jù)出口氣體的組成可以計(jì)算出（H2N2）摩爾比為10.110.192960.69704，從而根據(jù)組分的兩兩比例分別計(jì)算出V1組成：,2.V4的信息（體積平衡）：氨的合成為變體積反應(yīng)過程，反應(yīng)前后的體積變化數(shù)為2即每生成1份氨，體積縮小1份，而反應(yīng)生成的氨量=(V4+0.11V1)。據(jù)此可以計(jì)算出氣體氨物流量PF-(V4+0.11V1)=V1+V4V4=450.73Nm33.V2與V3信息（體積平衡和氨平衡）：反應(yīng)減少體積V2-V3=(V4+0.11V1)-(1)氨平衡計(jì)算：0.11V3-0.025V2=V4+0.11V1-(2)計(jì)算（1）、（2）得出：V2=6013.6Nm3V3=5555.024Nm3,4.合成塔進(jìn)口物流信息（結(jié)點(diǎn)元素平衡）：按照以上思路，以合成塔為物料衡算體系，分別對H2、N2、CH4、Ar進(jìn)行物料衡算即可得出V2的組成信息。如：H2的元素平衡入塔(合成塔)H2量=新鮮氣帶入H2量+循環(huán)H2量=新鮮氣帶入H2量+(出塔H2量-放空氣H2量)=0.73729F+0.52278(V3-V4)-V1)=0.737291000+0.52278(5553.024-450.73-88.755)=3358.26Nm3,問題1配制混酸（硝酸+硫酸）過程中，為防止硝酸分解，溫度不宜超過40，需要冷卻。已知采用硝酸98%，硫酸92.5%，含69%硫酸的硝化廢酸為原料配制組成為硫酸46%，硝酸46%，水8%的混酸1kg，會放出熱量15kj熱量。冷卻介質(zhì)為水。設(shè)環(huán)境溫度為20。問：配制450kg這種混酸，需要多少冷卻水量。（時(shí)間20分鐘）問題2：芳香烴硝化生產(chǎn)中一般需要先加熱，達(dá)到反應(yīng)溫度（一般50-60），當(dāng)反應(yīng)啟動后，由于硝化反應(yīng)是強(qiáng)放熱反應(yīng)，必須通冷卻水進(jìn)行冷卻，否則可能產(chǎn)生爆炸事故。那么，反應(yīng)釜夾套的換熱面積是否能滿足？加熱是需要多少熱量？若用120水蒸汽加熱，又需要多少蒸汽？冷卻時(shí)，需要多少冷卻水量？,3.2熱量衡算一、目的和任務(wù)1、確定加熱劑或冷卻劑的消耗量2、計(jì)算換熱面積，選型換熱設(shè)備的工藝尺寸3、綜合利用能量二、形式1、單元設(shè)備的熱量衡算2、系統(tǒng)熱量平衡計(jì)算,三、單元設(shè)備的熱量衡算1、熱量衡算方程式Q1Q2Q3QQQQ1所處理的各股物料帶入設(shè)備的熱量Q2由加熱劑（或冷卻劑）傳給設(shè)備和物料的熱量Q3各種熱效應(yīng)（反應(yīng)熱、溶解熱、稀釋熱、相變熱等）Q離開設(shè)備各股物料帶走的熱量Q加熱設(shè)備消耗的量Q設(shè)備的熱損失,a.各種物料代入熱量Q1micpitib.傳熱劑向設(shè)備傳入或傳出的熱量Q2的計(jì)算（計(jì)算目標(biāo)）Q2為正-表示設(shè)備需要加熱Q2為負(fù)-表示需從設(shè)備內(nèi)部取出熱量c.過程熱效應(yīng)Q3的計(jì)算物性數(shù)據(jù)求取或查取或?qū)嶋H生產(chǎn)中獲取化學(xué)反應(yīng)熱計(jì)算？溶解熱計(jì)算？稀釋熱計(jì)算？,2、各種熱量計(jì)算,例：98%硫酸的稀釋熱經(jīng)驗(yàn)公式,d.離開物料帶走的熱量QQmicpitie.加熱設(shè)備消耗的熱量Q的計(jì)算Qmwcpwtwtw設(shè)備各部分加熱前后的平均溫差f.熱損失QAT（twt0）A散熱表面積T_散熱表面對周圍介質(zhì)的傳熱系數(shù)tw設(shè)備壁的表面溫度t0周圍介質(zhì)的溫度過程持續(xù)時(shí)間難以計(jì)算時(shí)：Q10%Q2,2、各種熱量計(jì)算,注意事項(xiàng)1、熱效應(yīng)有吸熱和放熱，Q損有熱損和冷損，所以有正負(fù)之分2、收集的數(shù)據(jù)要可靠3、間歇操作的Q2常用KJ/每臺為計(jì)算基準(zhǔn).連續(xù)過程為KJ/h,3、載熱劑用量的計(jì)算：1、間接加熱時(shí)，水蒸汽耗量的計(jì)算mp=Q2/(-cpt)=Q2/r2、燃料消耗量的計(jì)算mB=Q2/QT3、電能耗量的計(jì)算E=Q2/8604、冷卻劑消耗量的計(jì)算mW=Q2/cp(t2-t1)5、傳熱面積的計(jì)算Q2=KAtm注意：連續(xù)過程按上式計(jì)算間歇過程計(jì)算載熱劑總消耗量，用上式。計(jì)算載熱劑流量、設(shè)備傳熱面積時(shí)，上式的Q2需是最大階段傳熱速率。,最大階段的傳熱速率Q2：比較預(yù)熱階段的傳熱速率、反應(yīng)階段的傳熱速率間歇反應(yīng)：Q2=KAtm；Q2=Q2/T(Q2最大階段的傳熱量、T時(shí)間）水蒸汽流量的計(jì)算Vp=Q2/(-cpt),4、衡算方法與步驟（1）明確衡算目的（2）畫出單元設(shè)備的物料流向及變化意圖（3）根據(jù)物料流向及變化，列出熱量衡算方程式（4）搜集有關(guān)數(shù)據(jù)（物料數(shù)據(jù)，定壓比熱、相變熱、反應(yīng)熱等熱力學(xué)數(shù)據(jù)等）（5）確定計(jì)算基準(zhǔn)溫度（一般以273K和298K為基準(zhǔn)溫度)，基準(zhǔn)相態(tài)（6）實(shí)行衡算過程（7）編制熱量衡算表,四、系統(tǒng)熱量平衡計(jì)算1、系統(tǒng)熱量平衡的作用1）求算出能量比綜合利用率2）檢驗(yàn)?zāi)芰炕厥盏暮侠硇?）求算消耗定額2、系統(tǒng)熱量平衡計(jì)算步驟,例：已知加入甲苯和濃硫酸的溫度均為30，脫水器的排水溫度為65，磺化液的出料溫度為140，甲苯與硫酸的標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)反應(yīng)熱為117.2kJmol-1(放熱)，設(shè)備(包括磺化釜、回流冷凝器和脫水器，下同)升溫所需的熱量為1.3105kJ，設(shè)備表面向周圍環(huán)境的散熱量為6.2104kJ，回流冷凝器中冷卻水移走的熱量共9.8105kJ。上題物料數(shù)據(jù)。試對甲苯磺化過程進(jìn)行熱量衡算。,有關(guān)熱力學(xué)數(shù)據(jù)為：原料甲苯的定壓比熱為1.71kJ/(kg)；98硫酸的定壓比熱為1.47kJ/(kg)；磺化液的平均定壓比熱為1.59kJ/(kg)；水的定壓比熱為4.18kJ/(kg)。,解：對甲苯磺化過程進(jìn)行熱量衡算的目的是為了確定磺化過程中的補(bǔ)充加熱量。甲苯磺化裝置(包括磺化釜、回流冷凝器和脫水器等)作為衡算對象。此時(shí)，輸入及輸出磺化裝置的物料還應(yīng)包括進(jìn)、出回流冷凝器的冷卻水，其帶出和帶入熱量之差即為回流冷凝器移走的熱量。若將反應(yīng)熱效應(yīng)作為輸入熱量來考慮，則可繪出示意圖。,（反應(yīng)熱+稀釋熱）,根據(jù)熱量衡算結(jié)果，編制甲苯磺化過程的熱量平衡表：