化工工藝物料衡算和能量衡算PPT課件

1、.,1,第三章 物料衡算與能量衡算,.,2,第一節(jié)連續(xù)過程的物料衡算,教學(xué)內(nèi)容： 結(jié)合具體實例，理解利用化學(xué)反應(yīng)速率進行反應(yīng)過程的物料衡算的方法。 重點和難點： 重點掌握利用化學(xué)反應(yīng)速率進行反應(yīng)過程的物料衡算的方法。 難點是衡算基準(zhǔn)的選擇，包括基準(zhǔn)物流的名稱和單位選擇，以及物料平衡方程、摩爾分數(shù)約束式及設(shè)備約束式的內(nèi)容和形式。,.,3,一、連續(xù)過程的物料衡算 一般表示式為： 系統(tǒng)中積累 = 輸入 輸出 + 生成 消耗 穩(wěn)態(tài)過程時 輸入 = 輸出 生成 + 消耗 無化學(xué)反應(yīng)的穩(wěn)態(tài)過程 輸入 = 輸出,第三章 物料衡算與能量衡算,.,4,物料平衡形式 總平衡式 *總質(zhì)量平衡式 總摩爾平衡式 組分平

2、衡式 組分質(zhì)量平衡式 組分摩爾平衡式 元素原子平衡式 *元素原子質(zhì)量平衡式 *元素原子摩爾平衡式,第三章 物料衡算與能量衡算,.,5,物料衡算的基本步驟, 畫出流程示意圖 列出已知數(shù)據(jù) 列出由物料平衡所需求解的問題。 決定系統(tǒng)的邊界 寫出主、副產(chǎn)品的化學(xué)反應(yīng)方程式。,第三章 物料衡算與能量衡算,.,6, 約束條件 選擇計算基準(zhǔn) 進行物料平衡計算 列出物料和能量平衡表，并進行校核 結(jié)論,第三章 物料衡算與能量衡算,.,7,關(guān)于基準(zhǔn), 時間基準(zhǔn) 連續(xù)（小時，天） 間歇（釜，批） 質(zhì)量基準(zhǔn) kg，mol， kmol 體積基準(zhǔn) m3（STP） 干濕基準(zhǔn) 干基（不含水），濕基（含水） 例：100kg濕物

3、料，其中含水10kg， 按 濕基：含水率為10%； 若按 干基：含水率為 10/（100-10）100%=11.11%,第三章 物料衡算與能量衡算,.,8,C3H8 + 5O2 = 3CO2 + 4H2O 每100kmol燃燒產(chǎn)物需要多少摩爾空氣？ 1.基準(zhǔn)：1kmol原料氣C3H8 燃燒用氧 5kmol； 實際供氧 51.25 = 6.25kmol； 供給空氣量 29.76kmol； 其中氮氣量 23.51kmol 產(chǎn)生：CO2 3kmol； H2O 4kmol； O2 1.25kmol； N2 23.51kmol； 合計 31.76kmol；,x =,= 93.7kmol,第三章 物料衡算

4、與能量衡算,.,9,2.基準(zhǔn)：1kmol空氣 實際供氧 0.21/1.25=0.168kmol； 燃燒C3H3 0.21/（51.25） =0.0336kmol； 供給空氣量 1kmol； 其中氮氣量 0.79kmol； 產(chǎn)生：CO2 0.101kmol； H2O 0.135kmol； O2 0.042kmol； N2 0.79kmol； 合計 1.068kmol；,x =,= 93.7kmol,第三章 物料衡算與能量衡算,.,10,（3）基準(zhǔn)：100kmol煙道氣 以元素平衡法：C3H8 + 5O2 = 3CO2 + 4H2O C平衡 3B = P； H2平衡 4B = Q； O2平衡 0.

5、21A = M + Q/2 + P； N2平衡 0.79A = N； 煙道氣總量 N + M + P + Q = 100； 過剩氧氣 0.21A（0.25/1.25）= M 解出：空氣量 A = 93.7kmol； C3H8 B = 3.148kmol； N2 N = 74.02kmol； O2 M = 3.935 kmol； CO2 P = 9.445 kmol ； H2O Q = 12.59 kmol。,第三章 物料衡算與能量衡算,.,11,物料平衡計算的條件,.方程式 物料平衡方程式 物流約束式 構(gòu)成物流各組分的分率之和等于1,=1,第三章 物料衡算與能量衡算,.,12,2.變量 有Ns

6、股物流， Nc個組分數(shù)，Np個設(shè)備參數(shù) 總變量數(shù)： Nv= Ns（Nc +1）+ Np,設(shè)計變量,第三章 物料衡算與能量衡算,.,13, 轉(zhuǎn)化率 轉(zhuǎn)化率 =, 選擇性 選擇性 =,xA =, =,第三章 物料衡算與能量衡算,.,14, 收率 收率 = 轉(zhuǎn)化率選擇性 =,=xA =, 限制反應(yīng)物 過量反應(yīng)物,第三章 物料衡算與能量衡算,.,15,無化學(xué)反應(yīng)的物料衡算,過濾過程,第三章 物料衡算與能量衡算,.,16,總平衡式 輸入的料漿=輸出的濾液+輸出的濾餅 F1= F2+F3 液體平衡式 F1x11= F2x21+F3x31,第三章 物料衡算與能量衡算,.,17,精餾過程,三個未知數(shù)需三個方程

7、,總物料平衡式 F1+ F2= F3+ F4 組分物料平衡式 苯平衡 F2=0.75 F3 水平衡 0.6F1= 0.24F3 醇平衡 （10.6）F1,第三章 物料衡算與能量衡算,.,18,二、多單元系統(tǒng),第三章 物料衡算與能量衡算,.,19,每一個單元列出一組平衡方程式，再列出整個系統(tǒng)的平衡方程式。,第三章 物料衡算與能量衡算,.,20,化學(xué)反應(yīng)過程的物料衡算,1.直接計算法 甲醇氧化制甲醛： CH3OH + 1/2 O2 HCHO + H2O,第三章 物料衡算與能量衡算,.,21,輸入： O2（需要）= 0.5mol； O2（輸入）= 1.50.5 = 0.75mol； N2（輸入）=

8、N2（輸出）= 0.75（79/21） = 2.82mol； 反應(yīng)的CH3OH =0.751 = 0.75mol 輸出： HCHO（輸出）= 0.75mol； CH3OH（輸出）= 1 0.75 = 0.25mol； O2（輸出）= 0.75 0.750.5=0.375mol； H2O（輸出）= 0.75mol,第三章 物料衡算與能量衡算,.,22,2.利用反應(yīng)速率進行物料衡算 化學(xué)反應(yīng)過程的物料衡算式： FC，輸出= FC，輸入+ RC RC= cr c =1，2，n,第三章 物料衡算與能量衡算,.,23,3.元素平衡 輸入物流有I股，輸出物流有J股; 則物質(zhì)S的凈輸出速率為 Fs =,S種

9、物質(zhì)的元素e的凈原子流出速率為,物質(zhì)守恒則元素守恒,= 0 e = 1，2，E,Ae = 0 e = 1，2，E,為原子系數(shù),第三章 物料衡算與能量衡算,.,24,4.以節(jié)點進行衡算,Fa+Fb=Fc,Fa=Fb+Fc,第三章 物料衡算與能量衡算,.,25,第二節(jié) 車 間（裝 置） 的 物 料 衡 算,教學(xué)內(nèi)容： 結(jié)合具體實例，理解一個完整的化工過程的物料衡算方法和步驟。 重點和難點： 重點掌握一個完整的化工過程的物料衡算的基準(zhǔn)和思路。 難點是對一個完整的化工過程的物料衡算時應(yīng)選擇什么物流作衡算基準(zhǔn)，如何列出平衡表達式。,.,26,第二節(jié) 車 間（裝 置） 的 物 料 衡 算,在一個車間（裝置

10、）中物料的添加和分離比較頻繁，并且經(jīng)常伴隨著化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生，部分產(chǎn)品的循環(huán)（如回流），物料衡算比較復(fù)雜。 1.單元模塊 計算步驟: 過程整體分析; 寫出各單元的方程式和約束式; 列出所有的變量，并選好所需的設(shè)計變量; 應(yīng)用單元模塊法求解聯(lián)立方程組。,第三章 物料衡算與能量衡算,.,27,1.循環(huán)過程(兩種解法） （1）試差法 估計循環(huán)流量，并繼續(xù)計算至循環(huán)回流的那一點。將估計值與計算值進行比較，并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)。 （2）代數(shù)法 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)，應(yīng)用聯(lián)立方程的方法進行求解。,第三章 物料衡算與能量衡

11、算,.,28,第三章 物料衡算與能量衡算,第三節(jié) 化學(xué)反應(yīng)過程的能量衡算 教學(xué)內(nèi)容： 結(jié)合具體實例，理解以反應(yīng)熱效應(yīng)為基礎(chǔ)和以生成熱為基礎(chǔ)兩種反應(yīng)過程能量衡算方法 的計算原理和計算方法。 重點和難點： 重點掌握兩種衡算方法的衡算基準(zhǔn)和計算方法。 難點是熱量衡算的基準(zhǔn)，包括溫度、壓力和相態(tài)，以及有相變時其熱量的正負符號的取 向。,.,29,第三章 物料衡算與能量衡算,能量衡算的基本概念 一、能量守恒定律 輸入能量+生成能量= 消耗能量+積累能量+輸出能量 二、能量衡算方程 1.封閉體系 E = Q + W 2.流動體系 能量輸入速率-能量輸出速率 =能量積累速率,.,30,第三章 物料衡算與能量

12、衡算,.,31,第三章 物料衡算與能量衡算,.,32,第三章 物料衡算與能量衡算,三、能量衡算的一般方法 正確繪制系統(tǒng)示意圖，標(biāo)明已知條件和物料狀態(tài)； 確定各組分的熱力學(xué)數(shù)據(jù)； 選擇計算基準(zhǔn)（大部分在物料衡算的基礎(chǔ)上進行）； 同時，還要選取熱力學(xué)函數(shù)的基準(zhǔn)態(tài)。 列出能量衡算方程式，進行求解。,.,33,第三章 物料衡算與能量衡算,化學(xué)反應(yīng)過程的能量衡算 一、反應(yīng)熱 在化學(xué)反應(yīng)中放出的熱量取決于反應(yīng)條件。在標(biāo)準(zhǔn)條件下，純組分、壓力為0.1MPa、溫度為25（并非一定需要），反應(yīng)進行時放出的熱量稱為標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)熱。,基準(zhǔn),=-56.68 kJ/mol,.,34,第三章 物料衡算與能量衡算,（1）標(biāo)準(zhǔn)生

13、成熱,在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，由構(gòu)成組成的元素生成1mol組分時的焓差。任何反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)熱可以由反應(yīng)物和生成物的生成熱計算得到。反之，組分的生成熱也可以由反應(yīng)熱計算得到。,.,35,第三章 物料衡算與能量衡算,由于物質(zhì)本身的熱函是無法測定的，一般所能測定的是物質(zhì)熱函的變化量，因此人為地規(guī)定在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，元素生成熱取為零。,標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)熱和生成熱之間的關(guān)系,.,36,第三章 物料衡算與能量衡算,（2）標(biāo)準(zhǔn)燃燒熱,組分和氧完全燃燒的標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)熱,由燃燒熱計算反應(yīng)熱的一般表達式:,.,37,第三章 物料衡算與能量衡算,二、化學(xué)反應(yīng)過程的能量衡算 簡單化學(xué)反應(yīng)過程的能量平衡： Q1+ Qr+ Qt = Q2 + Q

14、損,物料的熱量用熱容的計算式為：,用熱焓計算式為：,.,38,第四節(jié) 計算機在物料衡算與能量 衡算中的應(yīng)用 教學(xué)內(nèi)容： 上機通過一個實例，了解流程模擬軟件的種類和功能，以及用ChemCAD進行物料衡算 和熱量衡算的步驟和方法。 重點和難點： 重點掌握用ChemCAD進行物料衡算的步驟和方法。 難點是設(shè)備、熱力學(xué)方法的定義，模擬反應(yīng)器的選擇和參數(shù)的輸入，以及換熱過程和分離過程的模型選擇和參數(shù)的輸入。,.,39,一、流程模擬軟件 (一)aspenONE 工程與創(chuàng)新解決方案 (二)PRO/ (三)VMGSim；VMGThermo (四)Chem CAD (五)ECSS工程化學(xué)模擬系統(tǒng)-化工之星,.,40,二、用Chem CAD進行物料衡算與能量衡算,(一)