物料衡算和能量衡算.ppt

化工設計,第四章物料衡算與能量衡算Chart4materielbalanceandenergybalance,4.1物料衡算4.2能量衡算4.3化工模擬軟件在化工設計中的應用,4.1物料衡算,物料衡算運用質(zhì)量守恒定律，對化工過程或設備進行定量計算。,通過物料衡算解決以下問題：計算原料消耗量、副產(chǎn)品量；輸出過程物料的損耗量及三廢的生成量；在物料衡算基礎上做能量衡算，計算蒸汽、水、電、煤或其他燃料的消耗定額。計算產(chǎn)品的技術經(jīng)濟指標。,為生產(chǎn)設備和輔助設備的選型及設計、管路設施與公用工程的設計等方面提供依據(jù)。,衡算計算范圍示意圖：,圖中方框表示一個體系，虛線表示體系邊界。共有三個流股，進料1、2及出料3。,1,2,3,一、物料衡算依據(jù),1.理論依據(jù)質(zhì)量守恒定律,物料衡算的一般表達式為：,輸入量輸出量生成量消耗量積累量,對穩(wěn)定操作過程，積累量=0輸入量-輸出量+生成量-消耗量=0,對無化學反應的過程：輸入量輸出量積累量,對無化學反應的穩(wěn)定操作過程：輸入量輸出量,對有化學反應的過程：總物料衡算+元素衡算式,2.數(shù)據(jù)基礎,(1)技術方案、操作方法、生產(chǎn)能力、年工作時。(2)建設單位或研究單位的要求、設計參數(shù)、小試及中試數(shù)據(jù)：化工單元過程的化學反應式、原料配比、轉化率、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；特殊化學品的物性：沸點、熔點、飽和蒸汽壓、閃點等。(3)工藝流程示意圖。,二、物料衡算基準,物料衡算時須選擇計算基準，并在計算過程中保持一致。一般計算過程的基準有以下幾種：,(1)時間基準對連續(xù)生產(chǎn)過程，常以單位時間(如d、h、s）的投料量或產(chǎn)品量為計算基準。(2)批量基準以每批操作或一釜料的生產(chǎn)周期為基準。/批(3)質(zhì)量基準當系統(tǒng)介質(zhì)為液、固相時，選擇一定質(zhì)量的原料或產(chǎn)品作為計算基準較適合。(4)物質(zhì)的量基準：對于有化學反應的過程因化學反應的按摩爾進行的，用物質(zhì)的量基準更方便。(5)標準體積基準：對氣體物料進行衡算，可采用標準體積基準，Nm3(STP)，既排除T、p的影響，又可直接換算為摩爾。(6)干濕基準：由于物料中均含有一定量的水分，選用基準時就有算不算水分的問題。濕基計算水分，干基不計算水分。,實際計算時，必須根據(jù)具體情況選擇合適的基準，過程的物料衡算及能量衡算應在同一基準上進行。,可建議：以1t產(chǎn)品為基準以1mol某反應物為基準在連續(xù)操作中，以單位時間，即/h或kmol/h作基準；在間歇操作中，以/批為基準有化學變化的過程，適宜采用質(zhì)量作基準；無化學變化的過程，以質(zhì)量或kmol/h為基準對于液固系統(tǒng)常用單位質(zhì)量作基準，而液相常用單位體積作基準,三、物料衡算的基本程序,(1)確定衡算對象和范圍，畫出計算對象的草圖。注意物料種類和走向，明確輸入和輸出。(2)確定計算任務，明確已知項、待求項，選擇數(shù)學公式，力求使計算方法簡化。(3)確定過程所涉及的組分，并對所有組分依次編號。(4)對物流的流股進行編號，并標注物流變量。(5)收集數(shù)據(jù)資料（設計任務所規(guī)定已知條件，與過程有關物理化學參數(shù)）：,生產(chǎn)規(guī)模（設計任務所規(guī)定，t/年）和生產(chǎn)時間（指全年有效生產(chǎn)天數(shù)300330天/年，計約8000h）。有關定額的技術指標，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；與過程有關有物理化學參數(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)或平衡關系等。,(6)列出過程全部獨立物料平衡方程式及其相關約束式，對有化學反應的還要寫出化學反應方程式，指出其轉化率和選擇性。,約束式,分數(shù)約束式,設備約束式,進料配比為一常數(shù)；分流器出口物流具有相同的組成；相平衡常數(shù)；化學反應平衡常數(shù)；化學反應的轉化率、選擇性或其他限度。,(7)選擇計算基準；(8)統(tǒng)計變量個數(shù)與方程個數(shù)，確定設計變量個數(shù)及全部設計變量。(9)整理并校核計算結果，并根據(jù)需要換算基準，最后列成表格即物流表。(10)繪制物料流程圖，編寫物流表作為設計文件成果編入正式設計文件。,衡算計算范圍示意圖：,邊界線（BoundaryLine）圍起來的區(qū)域構成衡算范圍。,例:某尿素廠的生產(chǎn)能力為6萬t尿素/a,年操作日300d，尿素的氨耗為0.6t氨/t尿素，生產(chǎn)過程的氨損失按5%考慮，已知以1t氨為基準的某股氣體的組成和量如下表所示。,組成CO2COH2N2CH4合計,(mol)28.561.252.6117.050.575100kmol54.302.29100.0432.431.093190.99,列出該股氣體的組成和流量表。,解:小時氨耗為,600000.61.0530024,=5.25t/h,以1t氨為基準的各組分的kmol量乘以5.25所得結果為流量。氣體的流量和組成如下表所示:,組成CO2COH2N2CH4合計,(mol)28.561.252.6117.050.575100kmol/h285.112.02525.2170.25.74998.3,無化學反應的物料衡算,1、簡單過程的物料衡算2、多單元系統(tǒng),在化工過程中，一些只有物理變化，不發(fā)生化學反應的單元操作，如混合、蒸餾、蒸發(fā)、干燥、吸收、結晶、萃取等。這些過程都可以根據(jù)物料衡算式，列出總物料和各組分的衡算式，再用代數(shù)法求解。,1、簡單過程的物料衡算,簡單過程是指僅有一個設備或一個單元操作或整個過程簡化成一個設備的過程。這種過程的物料衡算比較簡單，在物料流程簡圖中，設備邊界就是體系邊界。例：一種廢酸，組成為23(質(zhì)量)HNO3，57H2SO4和20H2O，加入93的H2SO4及90的濃HNO3，要求混合成27HNO3及60H2SO4的混合酸，計算所需廢酸及加入濃酸的數(shù)量。,解：設x為廢酸量，kg；y為濃H2SO4量，kg；z為濃HNO3量,；畫物料流程簡圖,選擇基準:可以選廢酸或濃酸的量為基準，也可以用混合酸的量為基準，因為四種酸的組成均已知，選任何一種作基準計算都很方便。列物料衡算式，該體系有3種組分，可以列出3個獨立方程，所以能求出3個未知量?；鶞剩?00kg混合酸總物料衡算式x+y+z=100(1)H2SO4的衡算式0.57x+0.93y=1000.6=60(2)HNO3的衡算式0.23x+0.90z=1000.27=27(3)解(1)，(2)，(3)方程，得x=41.8kg廢酸y=39kg濃H2SO4z=19.2kg濃HNO3即由41.8kg廢酸、39kg濃H2SO4和19.2kg濃HNO3可以混合成100kg混合酸。,2、多單元系統(tǒng),對有多個設備的過程，進行物料衡算時，可以劃分多個衡算體系。此時，必須選擇恰當?shù)暮馑泱w系，這是很重要的步驟。不然會使計算繁瑣，甚至無法求解。,例：造紙廠的堿回收工序有一個四效蒸發(fā)器,供料方式為,蒸發(fā)器的總處理量為80000/h造紙廢液(黑液)。計算總蒸發(fā)水量和每一效蒸發(fā)器的蒸發(fā)水量。,四效蒸發(fā)系統(tǒng)的物料平衡,四效蒸發(fā)系統(tǒng)的物料衡算過程,將整個系統(tǒng)簡化為一個單元，可計算出總蒸發(fā)量,則總蒸發(fā)水量為,FX進=（F進-W）X出,四效蒸發(fā)系統(tǒng)的物料衡算過程,第三效蒸發(fā)水量為,則第效的蒸發(fā)水量W為,進入第的料液量80000-12600=67400kg/h,類推得：15000kg/h18100kg/h,反應過程的物料衡算,1、直接計算法,在物料衡算中，根據(jù)化學反應式，運用化學計量系數(shù)進行計算的方法，稱為直接計算法。,例：甲醇氧化制甲醛，其反應過程為CH3OH+1/2O2HCHO+H2O反應物及生成物均為氣態(tài)。甲醇的轉化率為75，若使用50的過量空氣，試計算反應后氣體混合物的摩爾組成。,解：畫出流程示意圖，如下圖：,催化反應器,CH3OH,空氣（過量50%),CH3OHHCHOH2OO2N2,基準：1molCH3OHCH3OH+1/2O2HCHO+H2O根據(jù)反應式：需氧0.5氧入=0.51.5=0.75氮入氮出0.75(79/21)=2.82,反應的甲醇量0.751=0.75,甲醛的出量0.75甲醇的出量10.75=0.25氧的出量0.750.750.5=0.375水的出量0.75計算結果如下表：,組分CH3OHHCHOH2OO2N2總計,mol0.2500.7500.7500.3752.8204.945摩爾分數(shù)（）5.015.215.27.657.0100.0,、元素衡算法,元素衡算是物料衡算的一種重要形式。在作這類衡算時，并不需要考慮具體的化學反應，而是按照元素種類被轉化及重新組合的概念表示為：輸入(某種元素)輸出(同種元素)對反應過程中化學反應很復雜，無法用一、兩個反應式表示的物料衡算，可以列出元素衡算式，用代數(shù)法求解。,C3H8+5O23CO2+4H2O,基準：100mol煙道氣：設：N-煙道氣中N2的molQ-煙道氣中H2O,molM-煙道氣中O2的molA-輸入空氣molP-煙道氣中CO2的molB-輸入丙烷，mol列平衡式：C平衡：3P=BN2平衡:0.79A=NH2平衡：4Q=B過剩氧氣:0.21A0.25/1.25=MO2平衡：0.21A=M+P+2Q煙道氣總量:N+M+P+Q=100,丙烷充分燃燒時，要供給的空氣量為理論量的125%，問每100mol燃燒產(chǎn)物，需多少mol的空氣？反應：,燃燒,丙烷空氣（O2N2）,CO2H2OO2N2,、用聯(lián)系組分作衡算,“聯(lián)系組分”是指隨物料輸入體系，但完全不參加反應，又隨物料從體系輸出的組分，在整個反應過程中，它的數(shù)量不變。如果體系中存在聯(lián)系組分，那么輸入物料和輸出物料之間就可以根據(jù)聯(lián)系組分的含量進行關聯(lián)。例如，F(xiàn)、P分別為輸入、輸出物料，T為聯(lián)系組分。T在F中的質(zhì)量分數(shù)為XFT，在P中的質(zhì)量分數(shù)為XPT，則F與P之間的關系為：,FXFT=PXPT,某廠用空氣和鄰二甲苯生產(chǎn)苯酐。原料流量為：205kg/h鄰二甲苯，4500m3（STP）/h空氣，從反應的計量關系可知，生成1mol苯酐需要反應掉1mol的鄰二甲苯。經(jīng)化驗得到反應器出口氣體的組成為：,試計算：1）鄰二甲苯的轉化率，苯酐收率；2）苯酐的年產(chǎn)量（年工作日330天）,循環(huán)過程的物料衡算,例如在生產(chǎn)中一般將未反應的原料與產(chǎn)品先分離，后循環(huán)返回原料進口處，與新原料一起再進入反應器反應。,例如苯直接加氫轉化環(huán)己烷中的循環(huán)過程：,混合器,泠凝器,新鮮2,純C6H6,循環(huán)2,80%220%C6H6,產(chǎn)物,3%H2,反應器,苯直接加氫轉化環(huán)己烷中的循環(huán)過程的衡算,解：反應為：C6H6+3H2C6H12基準：100kmol/h環(huán)己烷查苯的總轉化率為99%則生產(chǎn)100kmol/h環(huán)己烷需苯1000.99=101.01kmol/h未反應的苯為101.01-100=1.01kmol/h產(chǎn)物中含H2,設含量為nH2,總產(chǎn)量100+1.01+3.12=104.13kmol/h其摩爾分數(shù)為,H2的進料率為10033.12=303.12kmol/h苯的進料率為101.01kmol/h設H2循環(huán)量為R,R=100.92kmol/h,在沒有循環(huán)時，一系列單元步驟的物料衡算可按順序依次進行，每次可取一個單元但是，如果有循環(huán)的話，由于循環(huán)量并不知道，所以逐次計算并不能計算出循環(huán)量。其解法有二：代數(shù)法：在循環(huán)存在時，列出物料平衡方程式，并求解。一般方程式中以循環(huán)量作為未知數(shù)，用聯(lián)立方程式的方法進行求解。迭代法：假定一個循環(huán)量估計值進行計算，將估計值與計算值比較，若不符，重新假定一個估計值，一直計算到估計值與計算值之差在一定的誤差范圍內(nèi)。聯(lián)立方程法：,迭代法求解循環(huán)問題序貫模塊法,今有一反應器/分離器系統(tǒng)，它將100kmol/h的組分A轉化為等物質(zhì)的量的B。每一單程有80%的A被轉化，在分離器內(nèi)沒有物質(zhì)的變化，分離后的98%的A和1%的B再循環(huán)。,例：丙烷在催化反應器中脫氫生成丙烯，其反應式為：,C3H8C3H6+H2丙烷的總轉化率為95%，反應生成物經(jīng)分離器分成產(chǎn)物P和循環(huán)物料R，產(chǎn)品中含有C3H8、C3H6及H2，其中C3H8的量為未反應C3H8的0.555%，循環(huán)物料中含有C3H8和C3H6，其中C3H6的量是產(chǎn)品中C3H6的5%，試計算產(chǎn)品組成、循環(huán)物料組成和單程轉化率。,物料衡算匯總表(1)產(chǎn)品消耗定額,產(chǎn)品消耗定額,主要原料、輔助材料的品種、規(guī)格及年需求量,(2)原輔材料需求一覽表,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：確定物料輸送機械和其他操作機械所需功率。確定各單元過程所需熱量或冷量及其傳遞速率?；瘜W反應所需的放熱速率和供熱速率。做好余熱綜合利用。,能量衡算的基本方程式,在物料衡算基礎上進行能量衡算，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為流動功，Ws為軸功；,1.封閉體系的能量衡算方程,封閉體系特點：與環(huán)境只有能量交換，而無物質(zhì)交換，如間歇操作過程，體系物質(zhì)的動能、位能、壓力能無變化，則：,U=Q+W,若體系與環(huán)境沒有功的交換，即W=0，則：Q=U,2.流動體系的能量衡算方程物料連續(xù)通過邊界進出,能量輸入速率-能量輸出速率=能量積累速率,連續(xù)穩(wěn)定流動過程的總能量衡算方程為：,3.熱量衡算式及說明,熱量衡算式在反應器、蒸餾塔、蒸發(fā)器、換熱器等化工設備中，W、Ek、Ez與Q、U和H的相比，可以忽略?？偰芰亢馑闶綖椋悍忾]體系Q=U敞開體系Q=H對這些設備做能量衡算的實質(zhì)就是進行熱量衡算。,連續(xù)穩(wěn)定流動體系的熱量衡算：,Q=H1H2或Q=U1U2,實際計算時，還常使用下式：Qin=QoutQ1+Q2+Q3=Q4+Q5+Q6,Q1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；,Q3過程的熱效應，吸正放負；Q4物料帶出熱量；Q5消耗在加熱設備各部件上的熱量；Q6設備向四周的散熱損失；,熱量衡算的步驟,建立單位時間為基準的物料流程圖或物料平衡表。選定計算基準溫度和計算相態(tài)：可選0(273K)、25(298K)或其他溫度作為基準溫度。在物料流程圖上標明已知溫度、壓力、相態(tài)等條件，查出或計算每個物料的焓值，標注在圖上。列出熱量衡算式，用數(shù)學方法求解。當生產(chǎn)過程及物料組成較復雜時，可列出熱量衡算表。,4.機械能衡算式,連續(xù)穩(wěn)定流動過程的總能量衡算方程為：,在一些單元操作中，Q、U與動能和位能變化及外功相比，相對較小，如流體流入流出貯罐、貯槽、工藝設備、輸送設備、廢料排放，管道流動等過程。,單位質(zhì)量不可壓縮流體流動時的機械能衡算式：,4.3化工模擬軟件在化工設計中的應用,計算機用于化工設計的主要環(huán)節(jié)：物性數(shù)據(jù)檢索(物理性質(zhì)、熱力學性質(zhì)數(shù)據(jù))；化工過程模擬設計(CAPD)；計算機輔助繪圖設計(CAD)；計算機輔助工程(CAE)等,目前用的較多的化工流程模擬計算軟件有PRO/II、HYSYS、ASPENPLUS等。,PRO/II流程模擬軟件PRO/II由美國模擬科學（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，已被廣泛地應用于化學過程的嚴格的質(zhì)量和能量平衡。,西安石油大學2006年也購買了該軟件，20個用戶終端。,PRO/II流程模擬軟件功能特點,適用行業(yè)：油/氣加工、煉油、化工、化學工程、建筑、聚合物、精細化工/制藥模擬應用：新工藝設計、評估改變的裝置配置、改進現(xiàn)有裝置、消除裝置工藝瓶頸、優(yōu)化和改進裝置產(chǎn)量和效益。組份數(shù)據(jù)庫：2000多純組分庫、1900多組分/種類電解質(zhì)庫等。混合物數(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。熱力學計算方法：60多個熱力學模型。熱力學數(shù)據(jù)：特殊包：胺，乙二醇，酒精；超過5000個二元交互參數(shù)；專用的水溶性數(shù)據(jù)；超過550個Henry系數(shù)；二元交互參數(shù)預測；熱力學數(shù)據(jù)回歸。,設計化工單元操作：閃蒸罐，間歇精餾器，蒸餾器，液液抽提精餾器，側線塔，壓縮機，結晶器，旋流器，減壓設備，溶解