化工計算與軟件應(yīng)用(包宗宏)2

1、化工計算與軟件應(yīng)用化工計算與軟件應(yīng)用第二章第二章 物料衡算與能量衡算物料衡算與能量衡算1南京工業(yè)大學(xué)南京工業(yè)大學(xué) 包宗宏包宗宏物料衡算是化工生產(chǎn)過程中，用以確定物料比例和物料轉(zhuǎn)物料衡算是化工生產(chǎn)過程中，用以確定物料比例和物料轉(zhuǎn)變定量關(guān)系的計算過程，這是化工工藝計算中最基本、最重變定量關(guān)系的計算過程，這是化工工藝計算中最基本、最重要的內(nèi)容之一。要的內(nèi)容之一。物料衡算的結(jié)果也是能量衡算的依據(jù)物料衡算的結(jié)果也是能量衡算的依據(jù)，掌握物料帶入或帶掌握物料帶入或帶出體系的能量多少，以計算化工過程需要提供或移除的熱量，出體系的能量多少，以計算化工過程需要提供或移除的熱量，控制能量的供給速率和放熱速率，進(jìn)控制

2、能量的供給速率和放熱速率，進(jìn)步算出物質(zhì)之間交換步算出物質(zhì)之間交換的熱量以及整個過程的熱量分布情況。的熱量以及整個過程的熱量分布情況。 因此，物料衡算與能量衡算是進(jìn)行化工工藝設(shè)計、過因此，物料衡算與能量衡算是進(jìn)行化工工藝設(shè)計、過程經(jīng)濟(jì)評價、節(jié)能分析以及過程最優(yōu)化的基礎(chǔ)。程經(jīng)濟(jì)評價、節(jié)能分析以及過程最優(yōu)化的基礎(chǔ)。 在用化工模擬軟件進(jìn)行流程的物料衡算與能量衡算時，在用化工模擬軟件進(jìn)行流程的物料衡算與能量衡算時，雖然可以大大提高計算的速率，但仍然需要遵守物料衡算與雖然可以大大提高計算的速率，但仍然需要遵守物料衡算與能量衡算的基本規(guī)則，把規(guī)則應(yīng)用于軟件的操作之中，軟件能量衡算的基本規(guī)則，把規(guī)則應(yīng)用于軟件

3、的操作之中，軟件計算結(jié)果才可能合理與可行。計算結(jié)果才可能合理與可行。2/40南京工業(yè)大學(xué)南京工業(yè)大學(xué) 包宗宏包宗宏2.1 衡算方法衡算方法2.1.1基本概念基本概念物料平衡的理論依據(jù)是質(zhì)量守恒定律，即在一個孤立體系中物料平衡的理論依據(jù)是質(zhì)量守恒定律，即在一個孤立體系中不論物質(zhì)發(fā)生任何變化不論物質(zhì)發(fā)生任何變化(不包括核反應(yīng)不包括核反應(yīng))它的質(zhì)量始終保持不變。它的質(zhì)量始終保持不變。在化工過程中，能量衡算是根據(jù)能量守恒定律，利用能量傳在化工過程中，能量衡算是根據(jù)能量守恒定律，利用能量傳遞和轉(zhuǎn)化的規(guī)則，以確定能量比例和能量轉(zhuǎn)變定量關(guān)系的過程。遞和轉(zhuǎn)化的規(guī)則，以確定能量比例和能量轉(zhuǎn)變定量關(guān)系的過程。能量

4、衡算的理論依據(jù)是熱力學(xué)第一定律，即體系的能量總變化能量衡算的理論依據(jù)是熱力學(xué)第一定律，即體系的能量總變化(E)等于體系所吸收的熱減去環(huán)境對體系所做的功。等于體系所吸收的熱減去環(huán)境對體系所做的功。 簡單化工操作單元的能量衡算可以手工進(jìn)行，復(fù)雜化工流程簡單化工操作單元的能量衡算可以手工進(jìn)行，復(fù)雜化工流程的能量衡算手工計算非常困難，而任何情況下使用模擬軟件進(jìn)的能量衡算手工計算非常困難，而任何情況下使用模擬軟件進(jìn)行化工過程的能量衡算都是很方便的。行化工過程的能量衡算都是很方便的。 3/40南京工業(yè)大學(xué)南京工業(yè)大學(xué) 包宗宏包宗宏2.1.2 衡算方程式衡算方程式 化工工藝計算中的物料平衡是指化工工藝計算中

5、的物料平衡是指“在單位時間內(nèi)進(jìn)入衡算系在單位時間內(nèi)進(jìn)入衡算系統(tǒng)的全部物料質(zhì)量，必定等于離開該系統(tǒng)的全部物料質(zhì)量、加統(tǒng)的全部物料質(zhì)量，必定等于離開該系統(tǒng)的全部物料質(zhì)量、加上損失掉與積累起來的物料質(zhì)量。上損失掉與積累起來的物料質(zhì)量?！?連續(xù)流動系統(tǒng)的總能量衡算式是柏努利方程式，即：連續(xù)流動系統(tǒng)的總能量衡算式是柏努利方程式，即： 在進(jìn)行設(shè)備的能量衡算時，位能變化、動能變化、外功等項(xiàng)在進(jìn)行設(shè)備的能量衡算時，位能變化、動能變化、外功等項(xiàng)相對較小，可忽略不計，因此穩(wěn)流系統(tǒng)總能量衡算可簡化為熱相對較小，可忽略不計，因此穩(wěn)流系統(tǒng)總能量衡算可簡化為熱量衡算量衡算。4/40南京工業(yè)大學(xué)南京工業(yè)大學(xué) 包宗宏包宗宏2

6、.1.3 衡算的基本步驟衡算的基本步驟 (1)收集數(shù)據(jù)資料。一般需要收集的數(shù)據(jù)和資料包括生產(chǎn)規(guī)模收集數(shù)據(jù)資料。一般需要收集的數(shù)據(jù)和資料包括生產(chǎn)規(guī)模和生產(chǎn)時間和生產(chǎn)時間(即年生產(chǎn)時數(shù)即年生產(chǎn)時數(shù))、有關(guān)的定額、收率、轉(zhuǎn)化率、原、有關(guān)的定額、收率、轉(zhuǎn)化率、原料、輔助材料、產(chǎn)品、中間產(chǎn)品的規(guī)格、與過程計算有關(guān)的物料、輔助材料、產(chǎn)品、中間產(chǎn)品的規(guī)格、與過程計算有關(guān)的物理化學(xué)常數(shù)等。理化學(xué)常數(shù)等。 (2)選定計算基準(zhǔn)。溫度的因次可采用選定計算基準(zhǔn)。溫度的因次可采用“”或或“K”，壓力，壓力的因次可采用的因次可采用“kPa”、“atm” 或其它，壓力基準(zhǔn)可選用絕對壓或其它，壓力基準(zhǔn)可選用絕對壓力或表壓。力

7、或表壓。 物流量的計算基準(zhǔn)可選質(zhì)量基準(zhǔn)、摩爾基準(zhǔn)、體積基準(zhǔn)。對物流量的計算基準(zhǔn)可選質(zhì)量基準(zhǔn)、摩爾基準(zhǔn)、體積基準(zhǔn)。對于連續(xù)生產(chǎn)，以于連續(xù)生產(chǎn)，以“s、h、d”作為投料量或產(chǎn)品量的時間基準(zhǔn)作為投料量或產(chǎn)品量的時間基準(zhǔn)。 用模擬軟件進(jìn)行衡算時，以單位時間的投料量為起點(diǎn)進(jìn)行計用模擬軟件進(jìn)行衡算時，以單位時間的投料量為起點(diǎn)進(jìn)行計算比較方便。當(dāng)系統(tǒng)介質(zhì)為固體或液體時，一般以質(zhì)量為計算算比較方便。當(dāng)系統(tǒng)介質(zhì)為固體或液體時，一般以質(zhì)量為計算基準(zhǔn)，對氣體物料進(jìn)行計算時，一般選體積作為計算基準(zhǔn)?；鶞?zhǔn)，對氣體物料進(jìn)行計算時，一般選體積作為計算基準(zhǔn)。5/40南京工業(yè)大學(xué)南京工業(yè)大學(xué) 包宗宏包宗宏2.1.3 衡算的基本

8、步驟衡算的基本步驟 (3)確定化學(xué)反應(yīng)方程式。列出各個過程的主、副化學(xué)反應(yīng)確定化學(xué)反應(yīng)方程式。列出各個過程的主、副化學(xué)反應(yīng)方程式，明確反應(yīng)和變化前后的物料組成及各個組分之間的定方程式，明確反應(yīng)和變化前后的物料組成及各個組分之間的定量關(guān)系，若計算反應(yīng)器大小，還需要掌握反應(yīng)動力學(xué)數(shù)據(jù)。量關(guān)系，若計算反應(yīng)器大小，還需要掌握反應(yīng)動力學(xué)數(shù)據(jù)。 (4)確定計算任務(wù)。根據(jù)工藝流程示意圖和化學(xué)反應(yīng)方程式，確定計算任務(wù)。根據(jù)工藝流程示意圖和化學(xué)反應(yīng)方程式，分析物流熱流經(jīng)過每一過程、每一設(shè)備在數(shù)量、組成、及物流分析物流熱流經(jīng)過每一過程、每一設(shè)備在數(shù)量、組成、及物流熱流走向所發(fā)生的變化熱流走向所發(fā)生的變化。 (5)

9、畫出工藝流程示意圖。著重考慮物流熱流的流向，對設(shè)畫出工藝流程示意圖。著重考慮物流熱流的流向，對設(shè)備的外形、尺寸、比例等并不嚴(yán)格要求，與物料、能量衡算有備的外形、尺寸、比例等并不嚴(yán)格要求，與物料、能量衡算有關(guān)內(nèi)容必須無一遺漏，所有物流熱流管線均須畫出。關(guān)內(nèi)容必須無一遺漏，所有物流熱流管線均須畫出。6/40南京工業(yè)大學(xué)南京工業(yè)大學(xué) 包宗宏包宗宏2.1.3 衡算的基本步驟衡算的基本步驟 (6) 根據(jù)工藝流程圖抽象出模擬流程。根據(jù)工藝流程圖抽象出模擬流程。要要充分理解基本工藝充分理解基本工藝路線，明確本流程的主干與枝干，選擇軟件中合適的模塊、或路線，明確本流程的主干與枝干，選擇軟件中合適的模塊、或模塊

10、組合構(gòu)成軟件模擬流程，以反映流程的模擬需求。模塊組合構(gòu)成軟件模擬流程，以反映流程的模擬需求。 (7)校核計算結(jié)果。當(dāng)計算全部完成后，對計算結(jié)果進(jìn)行整校核計算結(jié)果。當(dāng)計算全部完成后，對計算結(jié)果進(jìn)行整理，編制物料熱量平衡表或繪制物料流程圖。通過物料熱量平理，編制物料熱量平衡表或繪制物料流程圖。通過物料熱量平衡表可以直接檢查計算是否準(zhǔn)確，分析結(jié)果組成是否合理，并衡表可以直接檢查計算是否準(zhǔn)確，分析結(jié)果組成是否合理，并易于發(fā)現(xiàn)存在問題，從而判斷其合理性，提出改進(jìn)方案。易于發(fā)現(xiàn)存在問題，從而判斷其合理性，提出改進(jìn)方案。7/40南京工業(yè)大學(xué)南京工業(yè)大學(xué) 包宗宏包宗宏2.1.4 用軟件進(jìn)行物料衡算與能量衡算的

11、要點(diǎn)用軟件進(jìn)行物料衡算與能量衡算的要點(diǎn) (1) 選擇合適的因次模板。因次模板是選擇合適的因次模板。因次模板是ASPEN PLUS軟件為軟件為不同工藝過程編制的因次集，分為普通模擬過程與石油加工過不同工藝過程編制的因次集，分為普通模擬過程與石油加工過程兩大類，每大類又含有若干套，每套都包含英制與公制兩種程兩大類，每大類又含有若干套，每套都包含英制與公制兩種因次集，如表因次集，如表2-1。8/40南京工業(yè)大學(xué)南京工業(yè)大學(xué) 包宗宏包宗宏2.1.4 用軟件進(jìn)行物料衡算與能量衡算的要點(diǎn)用軟件進(jìn)行物料衡算與能量衡算的要點(diǎn) (2) 選擇合適的物性計算方法。選擇合適的物性計算方法。ASPEN PLUS軟件把模

12、擬計軟件把模擬計算一個流程所需要的熱力學(xué)性質(zhì)與傳遞性質(zhì)的計算方法與計算算一個流程所需要的熱力學(xué)性質(zhì)與傳遞性質(zhì)的計算方法與計算模型都組合在一起，稱之為性質(zhì)方法，每種性質(zhì)方法以其中主模型都組合在一起，稱之為性質(zhì)方法，每種性質(zhì)方法以其中主要的熱力學(xué)模型冠名，軟件中共有要的熱力學(xué)模型冠名，軟件中共有80多種性質(zhì)方法供操作者選多種性質(zhì)方法供操作者選擇使用。針對不同的模擬體系，選擇合適的性質(zhì)方法用于模擬擇使用。針對不同的模擬體系，選擇合適的性質(zhì)方法用于模擬過程是獲得正確計算結(jié)果的前提。過程是獲得正確計算結(jié)果的前提。 幾乎所有的單元操作模型都需要熱力學(xué)性質(zhì)與傳遞性質(zhì)的計算幾乎所有的單元操作模型都需要熱力學(xué)性

13、質(zhì)與傳遞性質(zhì)的計算, 其中主要有逸度系數(shù)、相平衡常數(shù)、焓、熵、其中主要有逸度系數(shù)、相平衡常數(shù)、焓、熵、Gibbs自由能、自由能、密度、粘度、導(dǎo)熱系數(shù)、擴(kuò)散系數(shù)、表面張力等。密度、粘度、導(dǎo)熱系數(shù)、擴(kuò)散系數(shù)、表面張力等。 沒有任何一個熱力學(xué)模型與傳遞模型能適用于所有的物系和所沒有任何一個熱力學(xué)模型與傳遞模型能適用于所有的物系和所有的過程。因此，性質(zhì)方法的恰當(dāng)選擇和正確使用決定著計算有的過程。因此，性質(zhì)方法的恰當(dāng)選擇和正確使用決定著計算結(jié)果的準(zhǔn)確性、可靠性和模擬成功與否。結(jié)果的準(zhǔn)確性、可靠性和模擬成功與否。9/40南京工業(yè)大學(xué)南京工業(yè)大學(xué) 包宗宏包宗宏Case Study - Acetone Rec

14、overy Correct choice of physical property models and accurate physical property parameters are essential for obtaining accurate simulation results.IdealApproachEquation ofState ApproachActivity CoefficientModel ApproachPredicted number of stagesrequired11742Approximate cost in dollars520,000390,0008

15、80,000FEEDOVHDBTMSCOLUMN5000 lbmol/hr10 mole % acetone90 mole % waterSpecification: 99.5 mole % acetone recovery常見有機(jī)化合物極性增加順序：常見有機(jī)化合物極性增加順序：南京工業(yè)大學(xué)南京工業(yè)大學(xué) 包宗宏包宗宏模擬模擬體系體系含極性物質(zhì)含極性物質(zhì)不含極性物質(zhì)不含極性物質(zhì)全是真實(shí)組分全是真實(shí)組分含虛擬組分含虛擬組分PR, LK-PLOCK, PR-BM, PKS, RKS-BM及其衍生方程及其衍生方程CHAO-SEA, GRAYSON, BK10P0.1MPa真空真空 BK10, IDEA

16、L南京工業(yè)大學(xué)南京工業(yè)大學(xué) 包宗宏包宗宏模擬模擬體系體系含極性物質(zhì)含極性物質(zhì)不含極性物質(zhì)不含極性物質(zhì)不含電解質(zhì)不含電解質(zhì)含電解質(zhì)含電解質(zhì)PSRK, PR, RKS及其衍生方程及其衍生方程ELECNRTL, PITZER及其衍生方程及其衍生方程P1MPaP1MPaP0.996VCM0.990南京工業(yè)大學(xué)南京工業(yè)大學(xué) 包宗宏包宗宏2.6 分離復(fù)雜組成混合物分離復(fù)雜組成混合物原油是烴類化合物和雜質(zhì)組成的寬沸程的混合物，其組成原油是烴類化合物和雜質(zhì)組成的寬沸程的混合物，其組成復(fù)雜難以定量分析，經(jīng)過多級蒸餾可分離得到各種各樣的石油復(fù)雜難以定量分析，經(jīng)過多級蒸餾可分離得到各種各樣的石油產(chǎn)品。產(chǎn)品。與普通物

17、料的蒸餾一樣，原油蒸餾也是利用原油中各組分與普通物料的蒸餾一樣，原油蒸餾也是利用原油中各組分相對揮發(fā)度的不同而實(shí)現(xiàn)各餾分的分離。但原油是復(fù)雜烴類混相對揮發(fā)度的不同而實(shí)現(xiàn)各餾分的分離。但原油是復(fù)雜烴類混合物，各種烴合物，各種烴(以及烴與烴形成的共沸物以及烴與烴形成的共沸物)的沸點(diǎn)由低到高幾乎的沸點(diǎn)由低到高幾乎是連續(xù)分布的，不能按常規(guī)方法定義確切的全組成分布，常用是連續(xù)分布的，不能按常規(guī)方法定義確切的全組成分布，常用表征油品性質(zhì)的方法有三個特征值和三條蒸餾曲線。表征油品性質(zhì)的方法有三個特征值和三條蒸餾曲線。三個特征值分別是油品的平均分子量、密度（或三個特征值分別是油品的平均分子量、密度（或API密

18、度密度）和特性因素）和特性因素K值（值（UOP K值）；值）；三條蒸餾曲線分別是實(shí)沸點(diǎn)蒸餾曲線（三條蒸餾曲線分別是實(shí)沸點(diǎn)蒸餾曲線（TBP）、恩氏蒸餾）、恩氏蒸餾曲線（曲線（ASTM D86）和平衡氣化曲線（）和平衡氣化曲線（ASTM D1160）。）。46/40南京工業(yè)大學(xué)南京工業(yè)大學(xué) 包宗宏包宗宏2.6 分離復(fù)雜組成混合物分離復(fù)雜組成混合物原油是復(fù)雜烴類混合物，各種烴原油是復(fù)雜烴類混合物，各種烴(以及共沸物以及共沸物)的沸點(diǎn)由低到高的沸點(diǎn)由低到高幾乎是連續(xù)分布的，一般是根據(jù)產(chǎn)品要求按沸點(diǎn)范圍分割成幾乎是連續(xù)分布的，一般是根據(jù)產(chǎn)品要求按沸點(diǎn)范圍分割成輕重不同的餾分，因此，原油蒸餾塔特點(diǎn)為：輕重不同的餾分，因此，原油蒸餾塔特點(diǎn)為：有多個側(cè)線出料口，原油蒸餾各餾分的分離精確度不要求像有多個側(cè)線出料口，原油蒸餾各餾分的分離精確度不要求像純化合物蒸餾那樣高，純化合物蒸餾那樣高，有有多個側(cè)多個側(cè)線線口口(一