物料衡算與能量衡算

物料衡算與能量衡算第1頁/共104頁2物料衡算與能量衡算的概念物料衡算：運用質(zhì)量守恒定律，對生產(chǎn)過程或設(shè)備的物料平衡進行定量的計算，計算出各股物流輸入或輸出的量及組分等，稱之為物料衡算。能量衡算：以熱力學(xué)第一定律為依據(jù)，對生產(chǎn)過程或設(shè)備的能量平衡進行定量的計算，計算過程中要供給或移走的能量，稱之為能量衡算。能量是熱能、電能、化學(xué)能、動能、輻射能的總稱。化工生產(chǎn)中最常用的能量形式為熱能，故化工設(shè)計中經(jīng)常把能量計算稱為熱量計算。第2頁/共104頁

物料衡算與能量衡算是進行化工工藝過程設(shè)計及技術(shù)經(jīng)濟評價的基本依據(jù)。通過對全生產(chǎn)過程或單元過程的物料和能量的衡算，計算得到：

1）主、副產(chǎn)品產(chǎn)量；

2）原材料的消耗定額，過程的物料損耗；

3）“三廢”的生成量及組成；

4）水、電、汽或其他燃料等消耗定額；

5）設(shè)計物料流程圖。

第3頁/共104頁

根據(jù)物料衡算和能量的衡算結(jié)果，可以：

1）對生產(chǎn)設(shè)備進行設(shè)計和選型；

2）確定產(chǎn)品成本等各項技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)，從而可以定量地評述所選擇的工藝路線、生產(chǎn)方法及工藝流程在經(jīng)濟上是否合理，技術(shù)上是否先進。第4頁/共104頁

第一節(jié).設(shè)計計算前的準(zhǔn)備工作

1.

工藝性資料的收集

（1）物料衡算提綱。生產(chǎn)步驟和化學(xué)反應(yīng)（包括主、副反應(yīng)）各步驟所需的原料，中間體規(guī)格和物理化學(xué)性質(zhì)成品的規(guī)格和物化性質(zhì)每批加料量或單位時間進料量各生產(chǎn)步驟的產(chǎn)率

（2）工藝流程圖及說明。（3）熱量計算參數(shù)和設(shè)備計算數(shù)據(jù)（ΔH、Cp、K、λ、

α等）。（4）流體輸送過程參數(shù)（粘度μ、密度ρ、摩擦系數(shù)等）。第5頁/共104頁

（5）傳質(zhì)過程系數(shù)，相平衡數(shù)據(jù)。（6）冷凍過程的熱力學(xué)參數(shù)。（7）具體的工藝操作條件（溫度T、壓力P、流量G）（8）介質(zhì)物性和材質(zhì)性能，材質(zhì)數(shù)據(jù)，腐蝕數(shù)據(jù)。（9）車間平立面布置的參考資料。（10）管道設(shè)計資料（管道配置、管道材質(zhì)、架設(shè)方式、管件、閥件等）（11）環(huán)境保護、安全保護等規(guī)范和資料。第6頁/共104頁7化工基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

化工計算以及化工工藝和設(shè)備設(shè)計中，要用到有關(guān)化合物的物性數(shù)據(jù)。例如，進行化工過程物料與能量衡算時，需要用到密度或比容、沸點、蒸汽壓、焓、熱容及生成熱等等的物性數(shù)據(jù)；設(shè)計一個反應(yīng)器時，則需要知道化學(xué)反應(yīng)熱的數(shù)據(jù)；計算傳熱過程時，需要導(dǎo)熱系數(shù)的數(shù)據(jù)等等。

化工基礎(chǔ)數(shù)據(jù)：物化數(shù)據(jù)或物性數(shù)據(jù)

第7頁/共104頁8基本物性數(shù)據(jù)—如臨界常數(shù)（臨界壓力、臨界溫度、臨界體積）、密度或比容、狀態(tài)方程參數(shù)、壓縮系數(shù)、蒸氣壓、氣一液平衡關(guān)系等。熱力學(xué)物性數(shù)據(jù)—如內(nèi)能、焓、熵、熱容、相變熱、自由能、自由焓等?；瘜W(xué)反應(yīng)和熱化學(xué)數(shù)據(jù)—如反應(yīng)熱、生成熱、燃燒熱、反應(yīng)速度常數(shù)、活化能，化學(xué)平衡常數(shù)等。傳遞參數(shù)—如粘度、擴散系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)等。分類第8頁/共104頁9化工基礎(chǔ)數(shù)據(jù)獲取方法查手冊或文獻資料估算用實驗直接測定第9頁/共104頁2.工程性資料的收集：（1）

氣象、地質(zhì)資料。（2）

公用工程的消耗量，輔助設(shè)施能力。（3）

總圖運輸、原料輸送方式、儲存方式。（4）

上、下水資料。（5）

配電工程資料。（6）

儀表自控資料等。第10頁/共104頁（1）科研單位（研究報告）（2）設(shè)計單位（設(shè)計圖紙、設(shè)計說明書）（3）基建單位（廠址方案、基建工程資料和安裝工程資料）

3.資料的來源第11頁/共104頁（4）生產(chǎn)單位（現(xiàn)場操作數(shù)據(jù)和實際的經(jīng)濟技術(shù)指標(biāo)）

車間原始資料、各種生產(chǎn)報表工藝操作規(guī)程設(shè)備崗位操作法設(shè)備維護檢修規(guī)程及設(shè)備維修紀(jì)錄卡勞動保護及安全技術(shù)規(guī)程車間化驗室的分析研究資料車間實測數(shù)據(jù)工廠科室掌握的技改資料供銷科的產(chǎn)品目錄和樣本財務(wù)科的產(chǎn)品原料單耗及成本分析資料全廠職工勞動福利的生活資料（5）可行性研究報告、各國文摘和專利、各類工藝書籍、各類調(diào)查報告、各種化工過程與設(shè)備計算等書籍。第12頁/共104頁（1）

IndustricalChemicals（2）

EncyclopediaofChemicalTechnology

（3）

ScienceandTechnology（4）

HandbookofTechnology（5）

I.C.T（物性手冊）

4.幾本常用的化工設(shè)計資料和手冊第13頁/共104頁第二節(jié)物料衡算物料衡算的概念：

在化工過程中，物料平衡是指“在單位時間內(nèi)進入系統(tǒng)（體系）的全部物料質(zhì)量必定等于離開該系統(tǒng)（體系）的全部物料質(zhì)量再加上損失掉的與積累起來的物料質(zhì)量。”對物料平衡進行計算稱為物料衡算。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(不包括核反應(yīng))它的質(zhì)量始終保持不變。

第14頁/共104頁物料平衡方程式

根據(jù)質(zhì)量守恒定律，對某一個體系內(nèi)質(zhì)量流動及變化的情況用數(shù)學(xué)式描述物料平衡關(guān)系則為物料平衡方程式。其基本表達(dá)式為：

∑F0=∑D+A+∑B

式中，F(xiàn)0—輸人體系的物料質(zhì)量；

D—

離開體系的物料質(zhì)量；

A—

體系內(nèi)積累的物料質(zhì)量；

B—

損失的物料質(zhì)量(如跑、冒、滴、漏)

第15頁/共104頁16物料衡算的目的

1.確定原料的消耗量、副產(chǎn)品量以及輸出過程物料的損耗量及三廢生成量，判斷是否達(dá)到設(shè)計要求（產(chǎn)品的技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)）。2.作為熱量計算的依據(jù)。3.根據(jù)計算結(jié)果繪出物流圖，可進行管路設(shè)計及材質(zhì)選擇，儀表及自控設(shè)計、對生產(chǎn)設(shè)備和輔助設(shè)備進行選型或設(shè)計。二、

物料衡算第16頁/共104頁17

（1）設(shè)計任務(wù)書（2）建設(shè)單位或研究單位所提供的數(shù)據(jù)（3）工藝流程示意圖物料衡算的依據(jù)工藝技術(shù)條件、反應(yīng)、轉(zhuǎn)化率、相平衡數(shù)據(jù)第17頁/共104頁物料衡算的分類1、按操作方式

分為間歇操作、連續(xù)操作及半連續(xù)操作等三類物料衡算；

2、按狀態(tài)

將其分為穩(wěn)定狀態(tài)操作和不穩(wěn)定狀態(tài)操作兩類衡算。

3、按衡算范圍

分為單元操作過程(或單個設(shè)備)和全流程的兩類物料衡算；第18頁/共104頁191.確定衡算的對象、體系與環(huán)境，并畫出計算對象的草圖。包括求解系統(tǒng)、衡算范圍、衡算邊界

物料衡算程序第19頁/共104頁202.確定計算任務(wù)；3.確定過程所涉及的組分；4.對物流流股進行編號，并標(biāo)注物流變量；5.收集數(shù)據(jù)資料： 一類為設(shè)計任務(wù)所規(guī)定的已知條件； 一類為與過程有關(guān)的物理化學(xué)參數(shù)。第20頁/共104頁216.列出物料衡算方程

（3-1）a）穩(wěn)定操作過程（即穩(wěn)流過程）：

（3-2）b）系統(tǒng)內(nèi)無化學(xué)反應(yīng)：

（3-3）c）系統(tǒng)內(nèi)無化學(xué)反應(yīng)的穩(wěn)定操作過程：

(3-4)許多化工生產(chǎn)是連續(xù)進行的,物質(zhì)連續(xù)流經(jīng)設(shè)備和管道,在流動方向的不同截面上系統(tǒng)的狀態(tài)可以不同.當(dāng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時,各截面上物質(zhì)的性質(zhì)應(yīng)有完全確定的值,它們不再隨時間而改變。滿足上述條件的流動過程稱為穩(wěn)流過程.系統(tǒng)處于穩(wěn)流過程時不會有物質(zhì)或能量的積累。第21頁/共104頁

例：一個苯--甲苯混合器，苯的流量為3kmol/min，甲苯的流量為1kmol/min，求混合器的物料的出口流量及組成？

混和器甲苯1kmol/min苯3kmol/min混和物料Qkmol/min甲苯含量X%第22頁/共104頁質(zhì)量平衡式的建立

總物料：Q=3kmol/min+1kmol/min

組分物料平衡式：

苯：Q(1-X%)=3Kmol/min

甲苯：Q*X%=1kmol/min

分別求出Q=4kmol/min，X%=25%第23頁/共104頁247.列出過程的全部獨立物料平衡方程式及其他相關(guān)約束式對有化學(xué)反應(yīng)的過程，應(yīng)寫?yīng)毩⒌姆磻?yīng)方程式或獨立反應(yīng)數(shù)。例如碳與氧的燃燒過程：

①②③④這4個反應(yīng)是否是獨立的呢？如何判斷呢？第24頁/共104頁25反應(yīng)過程中，若有m種元素和n個組分參與反應(yīng)時，獨立反應(yīng)數(shù)為：N反應(yīng)=n-m

上例中，m=2,n=4∴獨立反應(yīng)數(shù)：N反應(yīng)=4-2=2究竟哪2個是獨立反應(yīng)呢？判斷原則是：

反應(yīng)的組合過程中，不應(yīng)少了某個組分。例如：選①②、①③或②④可以但不能選②③，∵②+③：C+1/2O2+CO+1/2O2=CO+CO2少了組分CO選①④也不行，∵①+④：C+O2+CO2+C=CO2+2CO少了組分CO2選③④也不行，∵③+④：CO+1/2O2+CO2+C=CO2+2CO少了組分CO2第25頁/共104頁7.列出過程的全部獨立物料平衡方程式及其他相關(guān)約束式8.選擇計算基準(zhǔn)。

9.統(tǒng)計變量個數(shù)與方程個數(shù)，確定設(shè)計變量的個數(shù)及全部設(shè)計變量。

第26頁/共104頁27時間基準(zhǔn)：對連續(xù)穩(wěn)定過程，用單位時間的物料量作基準(zhǔn)。質(zhì)量基準(zhǔn)：固體或液體物料，選用單位質(zhì)量為基準(zhǔn)；體積基準(zhǔn)：氣體物料，選用m3（STP），因它不隨T、P變化。當(dāng)量基準(zhǔn)：對化學(xué)反應(yīng)過程，選用kmol，因為反應(yīng)為等當(dāng)量反應(yīng)。物料衡算的基準(zhǔn)返回第27頁/共104頁28完整描述一股物流的總變量數(shù)：設(shè)物流含有Nc個組分，則描述該物流的總變量為Fi、Xijj=（1，2，…，Nc），共有Nc+1個。設(shè)系統(tǒng)有Nc個組分，進料有I股物流，出料有K股，有：Nc+1個物料衡算，Nc個獨立方程。第28頁/共104頁29有Ns股物流，Nc個組分?jǐn)?shù)，Np個設(shè)備參數(shù)變量在進行物料衡算之前，由設(shè)計者賦值的變量，又稱賦值變量設(shè)計變量返回第29頁/共104頁30自由度=物流獨立變量數(shù)-獨立平衡方程數(shù)-附加關(guān)系方程數(shù)-賦值數(shù)系統(tǒng)自由度=0，剛好；﹤0，條件過多，刪除不合理；﹥0，條件不足，不能解出全部未知數(shù)。第30頁/共104頁31約束式歸一化方程，如：恒沸組成相平衡數(shù)據(jù)化學(xué)平衡方程回流比相比…………返回第31頁/共104頁32例

從氣體中回收丙酮的裝置變量和設(shè)計變量第32頁/共104頁33進入系統(tǒng)的物流為兩個，離開系統(tǒng)的物流為三個，其中一個已知物流量，四個物流是未知的?？闪谐隹偽锪掀胶馐剑?/p>

各組分平衡式： 丙酮： 水： 空氣：但這4個方程式只有3個是獨立，因此需1個設(shè)計變量。第33頁/共104頁3410.整理計算結(jié)果（整理成原材料消耗表和物料衡算表）第34頁/共104頁3511.繪制物料流程圖第35頁/共104頁列物料平衡式時應(yīng)注意的事項(1)物料平衡是指質(zhì)量平衡，不是體積或物質(zhì)的量(摩爾數(shù))平衡。若體系內(nèi)有化學(xué)反應(yīng)，則衡算式中各項用摩爾／時為單位時，必須考慮反應(yīng)式中的化學(xué)計量系數(shù)。

第36頁/共104頁列物料平衡式時應(yīng)注意的事項(2)對于無化學(xué)反應(yīng)體系，能列出獨立物料平衡式的最多數(shù)目等于輸入和輸出的物流里的組分?jǐn)?shù)。(3)在寫平衡方程式時，要盡量使方程式中所包含的未知數(shù)最少。第37頁/共104頁物料衡算舉例無反應(yīng)過程的物料衡算

無反應(yīng)過程指流體輸送、粉碎、換熱、混合、分離（吸收、精餾、萃取、結(jié)晶、過濾、蒸發(fā)、閃蒸、提濃、脫水、增濕、干燥）等化工單元操作。第38頁/共104頁物料衡算計算舉例1．無反應(yīng)例1采用蒸發(fā)方法將濃度為10％NaOH及10％NaCl的水溶液進行濃縮。蒸發(fā)時只有部分水分汽化成為水蒸氣而逸出，部分NaCl結(jié)晶成晶粒而留在母液中。操作停止后，分析母液的成分為：50％NaOH，2％NaCl及48％H2O。若每批處理1000kg原料液，試求每批操作中：1)獲得的母液量，2)蒸發(fā)出的水分量，3)結(jié)晶出的NaCl量。第39頁/共104頁第40頁/共104頁計算過程解：本題為間歇過程，因此以每批處理量為基準(zhǔn)進行物料衡算。流程示意圖2-2組分物料衡算：NaOH平衡1000x0.1=0.5F4NaCl平衡1000x0.1=0.02F4+F3H2O平衡

1000(1-0.1-0.1)=F2+0.48F4解方程得：F2=704kg，F(xiàn)3=96kg，

F4=200kg第41頁/共104頁42有反應(yīng)過程的物料衡算

S＋O2(空氣)→SO2CO＋H2O(g)→H2＋CO2CH3OH＋1/2O2(空氣)→HCHO＋H2O

工業(yè)上：較昂貴的反應(yīng)物全部反應(yīng)，較難得或要嚴(yán)格控制的反應(yīng)物應(yīng)充分利用——限制組分價格低廉、易得的反應(yīng)物過量——過量組分第42頁/共104頁43基本概念(1)限制組分、過量組分在反應(yīng)過程中，在數(shù)量上以最小化學(xué)計量系數(shù)存在的組分稱為限制組分。在數(shù)量上超過完全反應(yīng)所需理論量的組分稱為過量組分。例：原料氣中有CO1mol，H2O(g)2mol，進行變換反應(yīng)：CO＋H2O(g)→H2＋CO2用反應(yīng)物的實際摩爾量除以各自對應(yīng)組分的反應(yīng)計量系數(shù)，此值最小者即為限制組分，其余為過量組分。所以，CO是限制組分，H2O(g)是過量組分。第43頁/共104頁44(2)過量百分?jǐn)?shù)過量組分超過理論量的那部分占理論量的百分?jǐn)?shù)。設(shè)：Nf為過量組分的實際用量（質(zhì)量或mol量）

Nt為過量組分的理論用量（質(zhì)量或mol量）則：

過量%=(Nf－Nt)/Nt×100%

如上例：H2O(g)過量%=(2-1)/1×100%=100%

※過量百分?jǐn)?shù)表征了過量組分的過量程度?！^量組分是相對于限制組分而言的，它以限制組分為基準(zhǔn)，沒有限制組分，也就沒有過量組分。

第44頁/共104頁45※幾種衡算方法

總物料衡算法聯(lián)系組分衡算法

反應(yīng)組分衡算法元素衡算法

進出物料的總質(zhì)量進出物料中反應(yīng)組分的質(zhì)量進出物料中惰性組分的質(zhì)量進出物料中各元素的質(zhì)量無反應(yīng)過程相等相等相等相等有反應(yīng)過程相等不相等相等相等第45頁/共104頁46化學(xué)反應(yīng)過程物料衡算的方法：（1）直接計算法(總物料衡算法和組分衡算法相結(jié)合)（2）利用反應(yīng)速率進行物料衡算；（3）元素平衡；（4）以化學(xué)平衡進行衡算；（5）以結(jié)點進行衡算；（6）利用聯(lián)系組分進行衡算。其中直接計算法是根據(jù)化學(xué)反應(yīng)方程式，運用化學(xué)計量系數(shù)進行計算的方法，也是常用的方法之一。第46頁/共104頁物料衡算計算舉例2.有反應(yīng)甲醇制造甲醛的反應(yīng)過程為：

CH30H+1/2O2HCHO+H20

反應(yīng)物及生成物均為氣態(tài)，若使用50％的過量空氣，且甲醇的轉(zhuǎn)化率為75％，試計算反應(yīng)后氣體混合物的摩爾組成。第47頁/共104頁物料衡算計算舉例解：畫出流程圖

空氣(過量50%)CH3OHHCHOH2ON2催化反應(yīng)器CH3OH第48頁/共104頁基準(zhǔn)：1molCH3OH根據(jù)反應(yīng)方程式O2(需要)=0.5mol；O2(輸入)=1.5×0.5=0.75mol；N2(輸入)=N2(輸出)=0.75(79/21)=2.82molCH3OH為限制反應(yīng)物反應(yīng)的CH3OH=0.75×1=0.75mol因此HCHO(輸出)=0.75molCH3OH(輸出)=1-0.75=0.25molO2(輸出)=0.75-0.75x0.5=0.375molH2O(輸出)=0.75mol計算過程第49頁/共104頁計算結(jié)果組分molmol%CH3OH0.2505.0HCHO0.75015.2H2O0.75015.2O20.3757.6N22.82057.0總計4.945100.0第50頁/共104頁例題：

丙烷充分燃燒時要使空氣過量25％，燃燒反應(yīng)方程式為：試計算得到100摩爾燃燒產(chǎn)物（又稱煙道氣）需要加入的空氣的摩爾量。第51頁/共104頁解：以1mol入口丙烷為計算基準(zhǔn)根據(jù)反應(yīng)方程式，1mol丙烷需要5mol的氧氣與之反應(yīng)，因氧氣過量25%，故需要加入的空氣量為

其中O2氣為：6.25mol，N2氣：23.51mol煙道氣中各組分的量：

C3H8:

0molN2:23.51molCO2:3molO2:1.25molH2O:4mol

第52頁/共104頁因此，以1mol入口丙烷為基準(zhǔn)的物料衡算結(jié)果如下：從計算結(jié)果可以看出，當(dāng)空氣加入量為29.76mol時，可產(chǎn)生煙道氣31.76mol，所以，每產(chǎn)生100mol煙道氣需加入的空氣量為：第53頁/共104頁54帶循環(huán)和旁路過程的物料衡算

典型的具有循環(huán)和旁路過程的物料流程圖：

例：

精餾塔塔頂?shù)幕亓?/p>

過濾結(jié)晶過程濾液的返回

氨合成中未反應(yīng)的原料氣再循環(huán)衡算特點：循環(huán)量未知，不能按順序單元依次計算

衡算方法：（1）代數(shù)法；（2）試差法第54頁/共104頁55（1）代數(shù)法[例]：K2CrO4結(jié)晶過濾工藝

先進行總的過程衡算，再對循環(huán)系統(tǒng)，列出方程式求解。

以循環(huán)流量作為未知數(shù)，應(yīng)用聯(lián)立方程的方法進行求解。

4500mol/h,33.33%95%36.36%49.4%F5

求:F2，F(xiàn)3，F(xiàn)4，Ps，Pc，F(xiàn)6第55頁/共104頁564500mol/h,33.33%95%36.36%49.4%F5

系統(tǒng)1總物料：F1=F6+F5①

K2CrO4：0.3333F1=0.95F5②

系統(tǒng)2總物料：F4=F2+F5③K2CrO4：0.494F4=0.3636F2+0.95F5④

系統(tǒng)3總物料：F1+F2

=F3⑤①～⑤聯(lián)立可解出F2，F(xiàn)3，F(xiàn)4，

F5

，F(xiàn)6第56頁/共104頁57（2）試差法

試差法又稱迭代法，就是先假設(shè)一估算值（稱老估算值），然后按順序模塊逐個依次衡算出一個結(jié)果（稱為新估算值），如果：

則“新估算值”即為計算結(jié)果，否則，需重新假設(shè)“老估算值”進行計算，直到滿足容許誤差為止。相對誤差

=│新估算值－老估算值│新估算值≤容許誤差迭代法存在誤差，即相對誤差，它表征“新老估算值”的接近程度，它必須≤容許誤差。最初假設(shè)的“老估算值”稱為初值。初值的設(shè)定范圍直接影響到迭代的收斂速度。第57頁/共104頁58[補充例]比較“新老估算值”的接近程度：│－F1A│A的相對誤差

=│－F1A│B的相對誤差

=但如何重新計算呢？即如何重新設(shè)定初值呢？有兩種方法：

(1)簡單迭代法：重新計算時，用最新的計算結(jié)果來代替前一次的初值，這種方法稱為簡單迭代法。

一般情況下，該法的迭代次數(shù)較多，即收斂速度很慢。

(2)加速收斂法：對初值進行處理，使迭代的收斂速度加快，這種方法稱為加速收斂法。

如果這兩個相對誤差≤容許誤差，則即為所求，然后根據(jù)可求出其它位置的物料量和組成；如果相對誤差＞容許誤差，則說明應(yīng)重新計算，直到滿足容許誤差的要求為止。

不是計算結(jié)果，第58頁/共104頁流程物料衡算的幾個問題（1）計算基準(zhǔn)設(shè)計過程中各種計算通常以小時或是以設(shè)備為單位進行，而設(shè)計任務(wù)卻是指定年產(chǎn)量，此時應(yīng)注意計算基準(zhǔn)。

例

設(shè)計一個年產(chǎn)量為10000t（噸）的間歇本體法聚丙烯設(shè)備裝置，由二個反應(yīng)釜并聯(lián)操作，反應(yīng)釜的操作時間表如下置換0.5h進料0.5h聚合反應(yīng)5.0h出料1.5h清理0.5h設(shè)年操作時為8000小時，消耗定額為1.1t丙烯/聚丙烯，試決定所需反應(yīng)器的體積和管道的通過能力。第59頁/共104頁

解：每個反應(yīng)釜的生產(chǎn)能力為5000t/a（年），每批操作周期為8h，故每個反應(yīng)釜每批的生產(chǎn)量為：5000×8/8000=5t/批在操作狀態(tài)下丙烯的密度為470kg/m3，反應(yīng)釜的裝填系數(shù)為0.9，則所需反應(yīng)釜的體積:1.1×5/0.47/0.9=13.0m3進口管道通過能力=每批投料量/進料時間

=1.1×5/0.5=11t/h=23.4m3/h

出口管道的通過能力=5.5/1.5=3.67t/h第60頁/共104頁（2）比率系數(shù)對于一個較復(fù)雜過程，開始進行物料衡算時通常不能確切知道每噸產(chǎn)品的原料消耗，可以任意選擇一個進料數(shù)值，例如100kmol/h，待系統(tǒng)計算完成得到產(chǎn)品數(shù)值時，再將各股物料乘該比例系數(shù)。（3）物流的循環(huán)對于轉(zhuǎn)化率較低或有一種反應(yīng)物過量的反應(yīng)系統(tǒng)，需將未反應(yīng)的原料與產(chǎn)物分離后，返回到反應(yīng)器入口，構(gòu)成物料循環(huán)。如此，增加了物料衡算的復(fù)雜程度。例2：乙烯與氯氣反應(yīng)生產(chǎn)氯乙烯的過程如下圖Cl2C2H4HClA氯化B次氯化熱裂解CD分離C2H3Cl(VC)第61頁/共104頁在各反應(yīng)器中發(fā)生如下反應(yīng)：(A)氯化反應(yīng)C2H4+Cl2→C2H4Cl2(DCE：二氯乙烷）

DCE收率98%（B)次氯化C2H4+2HCl+0.5O2→C2H4Cl2+H2ODCE以乙烯為基準(zhǔn)的收率為95%

以HCl為基準(zhǔn)的收率為90%（C)熱裂解C2H4Cl2→C2H3Cl(VC)+HClVC的收率為99%，HCl的收率為99.5%

設(shè)VC產(chǎn)量為12500kg/h，試求Cl2,C2H4流量及HCl的循環(huán)量。解（1）：聯(lián)立代數(shù)方程法已知：VC,DCE,HCl分子量分別為62.5,99.0,36.5

設(shè)C2H4進入（A）的流量為x1,進入（B）的流量為x2,HCl的循環(huán)量為x3VC=12500/62.5=200kmol/h第62頁/共104頁則：x3=0.995(0.98x1+0.95x2)（熱裂解反應(yīng)）

(1)0.90x3/2=0.95x2（次氯化反應(yīng)）

(2)0.99(0.98x1+0.95x2)=200（熱裂解反應(yīng)）(3)聯(lián)立（1）（2）得x2=0.995(0.98x1+0.95x2)×0.9/1.9x2=0.837x1

（4）聯(lián)立（3）（4）x1=113.8x2=95.3因此：Cl2流量=x1=113.8kmol/hC2H4=x1+x2=209.1kmol/hHCl循環(huán)量x3=0.995×(0.98×113.8+0.95×95.3)=201.1kmol/h解（2）直接迭代法設(shè)以HCl的循環(huán)量x3作為迭代變量第63頁/共104頁迭代步驟為：

1）假設(shè)x32）用式0.9x3/2=0.95x20.99(0.98x1+0.95x2)=200

求出x1,x23）將x1,x2代入x3=0.995(0.98x1+0.95x2)方程求出x3’，與初值比較，若誤差已經(jīng)達(dá)到收斂指標(biāo)，則結(jié)束計算?，F(xiàn)設(shè)x3=150kmol/h，迭代過程各變量值如下迭代次數(shù)x3x2x1x3’115071.055137.2877201.0342201.03495.2298113.8623201.0433201.04395.234113.858201.0434201.043由此可知，迭代4次即可收斂。第64頁/共104頁（4）物料的排放物料的排放是為了防止循環(huán)過程中某些組分的積累。例如，合成氨工藝和氫氣循環(huán)使用的加氫工藝。（5）化學(xué)計量學(xué)反應(yīng)物系中各組分的反應(yīng)量必須服從一定的化學(xué)計量關(guān)系，這不僅是進行反應(yīng)器物料衡算的基礎(chǔ)，而且對確定反應(yīng)器的進料配比、工藝流程的安排具有重要意義。第65頁/共104頁第三節(jié)能量衡算能量衡算定義

根據(jù)能量守恒定律，利用能量傳遞和轉(zhuǎn)化的規(guī)則，用以確定能量比例和能量轉(zhuǎn)變的定量關(guān)系的過程稱為能量衡算。第66頁/共104頁能量平衡方程式

能量衡算平衡方程式

△E:表示體系能量總變化；

Q:

表示體系從環(huán)境吸收的熱量；

W:表示環(huán)境對體系所做的功。第67頁/共104頁能量衡算可以解決的問題(1)確定物料輸送機械和其它操作機械所需要的功率；

(2)確定各單元操作過程所需熱量或冷量，及其傳遞速率；計算換熱設(shè)備的工藝尺寸；確定加熱劑或冷卻劑的消耗量，為其他專業(yè)如供汽、供冷、供水專業(yè)提供設(shè)條件；

(3)化學(xué)反應(yīng)常伴有熱效應(yīng)，導(dǎo)致體系的溫度上升或下降，為此需確定為保持一定反應(yīng)溫度所需的移出或加入的熱傳遞速率；

(4)為充分利用余熱，必須采取有效措施，使過程的總能耗降低到最低程度。為提高能量利用率，降低能耗提供重要依據(jù)。

(5)最終確定總需求能量和能量的費用。第68頁/共104頁熱量衡算熱量衡算有兩種情況：

1）對單元設(shè)備做熱量衡算；

2）整個過程的熱量衡算。

（當(dāng)各個工序或單元操作之間有熱量交換時，必須做全過程的熱量衡算。）第69頁/共104頁能量衡算的基本方程式

∑Q入=∑Q出

+∑Q損

式中:∑Q入一輸入設(shè)備熱量總和；∑Q出

—輸出設(shè)備熱量總和；∑Q損—損失熱量總和。

第70頁/共104頁如果無軸功條件下，進入系統(tǒng)加熱量與離開系統(tǒng)的熱量應(yīng)平衡，即對傳熱設(shè)備的熱量衡算可表示為：物料帶進體系的熱量

加熱劑（或冷卻劑）與設(shè)備交換的熱量過程的熱效應(yīng)

物料從體系帶走的熱量

消耗在加熱設(shè)備各個部件上的熱量

設(shè)備向四周散失的熱量（熱損失）能量衡算的基本方程式

第71頁/共104頁熱量計算的說明（1）計算基準(zhǔn)：指的是能量（或熱量）基準(zhǔn)。可取任何溫度，對有反應(yīng)的過程，一般取25℃為計算基準(zhǔn)。（2）物料的顯熱可用焓值或比熱容進行計算。CP是溫度的函數(shù)（3）關(guān)于Q2熱負(fù)荷的計算?！埃毙杓訜幔埃毙枥鋮s。對于間歇操作，應(yīng)分段衡算，求出最大需要量。（4）Q3為過程的熱效應(yīng)，包括過程的狀態(tài)熱（相變熱）和化學(xué)反應(yīng)熱。

（5）設(shè)備加熱所需熱量Q5

（6）設(shè)備熱損失Q6

按“化工原理”中的計算方法計算第72頁/共104頁熱量衡算步驟P59(1)繪制以單位時間為基準(zhǔn)的物料流程圖，確定熱量平衡范圍；(2)在物料流程圖上標(biāo)明已知溫度、壓力、相態(tài)等已知條件；(3)選定計算基準(zhǔn)溫度。由于手冊，文獻上查到的熱力學(xué)數(shù)據(jù)大多數(shù)是273K或298K的數(shù)據(jù)，故選此溫度為基準(zhǔn)溫度，計算比較方便。計算時相態(tài)的確定也是很重要的；(4)列出熱量衡算式，然后用數(shù)學(xué)方法求解未知值；(5)整理并校核計算結(jié)果，列出熱量平衡表。第73頁/共104頁進行熱量衡算注意事項(1)熱量衡算時要先根據(jù)物料的變化和走向，認(rèn)真分析熱量間的關(guān)系，然后根據(jù)熱量守衡定律列出熱量關(guān)系式。(2)要弄清楚過程中出現(xiàn)的熱量形式，以便搜集有關(guān)的物性數(shù)據(jù)。第74頁/共104頁進行熱量衡算注意事項

(3)計算結(jié)果是否正確適用，關(guān)鍵在于數(shù)據(jù)的正確性和可靠性。

(4)間歇操作設(shè)備，傳熱量Q隨時間而變化，因此要用不均衡系數(shù)將設(shè)備的熱負(fù)荷由千焦／臺換算為千焦／小時。

(5)選定設(shè)備的換熱面積要大于理論計算。

第75頁/共104頁第76頁/共104頁第77頁/共104頁第78頁/共104頁第79頁/共104頁熱量衡算舉例例1某化工廠計劃利用廢氣的廢熱，進入廢熱鍋爐的廢氣溫度為450℃，出口廢氣的溫度為260℃，進入鍋爐的水溫為25℃，產(chǎn)生的飽和水蒸氣溫度為233.7℃，3.0MPa，(絕壓)，廢氣的平均熱容為32.5kJ／(kmol·℃)，試計算每100kmol的廢氣可產(chǎn)生的水蒸汽量?解：過程如圖，基準(zhǔn)：100kmol的廢氣。鍋爐的能量平衡為：第80頁/共104頁計算結(jié)果鍋爐的能量平衡為：廢氣的熱量損失=將水加熱以產(chǎn)生水蒸氣所獲得的熱量第81頁/共104頁82

加熱劑與冷卻劑熱源：用于加熱過程如熱水、蒸汽（低壓、高壓、過熱）、導(dǎo)熱油、道生（聯(lián)苯與二苯醚的混合物）液體、道生蒸汽、煙道氣、電、熔鹽等。冷源：用于冷卻或移走熱量過程，如冷凍鹽水、液氨等A加熱劑的選擇要求

（1）在較低壓力下可達(dá)到較高溫度；（2）化學(xué)穩(wěn)定性高；（3）沒有腐蝕作用；（4）熱容量大；（5）冷凝熱大；（6）無火災(zāi)或爆炸危險性；（7）無毒性；（8）價廉；（9）溫度易于調(diào)節(jié)。根據(jù)工藝要求、安全性、可靠性及價格費用等因素選用第82頁/共104頁83B．加熱劑和冷卻劑

第83頁/共104頁84C．加熱劑和冷卻劑的用量計算

不同情況下加熱劑和冷卻劑用量的計算方法：（1）直接蒸汽加熱（2）間接蒸汽加熱（3）燃料消耗量（4）冷卻劑消耗量（5）電能消耗量

第84頁/共104頁85［例2］苯蒸汽0.2MPa,500℃苯蒸汽0.2MPa,200℃鍋爐給水5MPa,75℃飽和水蒸汽5MPa求：F4中的蒸汽量？

F5/F7=?kg/molF6=12F1飽和液體飽和液體氣液混合物氣液混合物第85頁/共104頁86在對本體系作物料和能量衡算時，當(dāng)選定工藝物流F7作計算基準(zhǔn)后，通過對整個體系（總過程）進行能量衡算，可計算出F1=F2=F5，由于換熱器2不產(chǎn)生蒸汽，只有換熱器1產(chǎn)生蒸汽，因此，F(xiàn)5即為換熱器1所產(chǎn)生的蒸汽量，再計算F5/

F7，即為問題所求的第一步解?？偽锪鱂1=F2=F5和F7=F8=F9確定后：1．首先，通過對換熱器2作能量衡算，可求解T8；2．接著，對換熱器1進行能量衡算，可求解F4的焓值和F4中的蒸汽分率；3．依次，對混合器或氣液分離器進行物料、能量衡算，可求解F3的焓值和F3中的蒸汽分率。第86頁/共104頁例題:

乙烯氧化為環(huán)氧乙烷的反應(yīng)方程式如下：乙烯（g）的標(biāo)準(zhǔn)生成熱為環(huán)氧乙烷(g)的標(biāo)準(zhǔn)生成熱為試計算0.1013MPa、25℃下的反應(yīng)熱

第87頁/共104頁因此，0.1013Mpa，25℃下的反應(yīng)熱計算如下：第88頁/共104頁

例3：甲烷氣與20%過量空氣混和，在25oC,0.1Mpa下進入燃燒爐燃燒，弱燃燒完全，其產(chǎn)物能達(dá)到的最高溫度是多少？

反應(yīng)方程式為：CH4+2O2→CO2(g)+2H2O燃燒爐CH4空氣（過量20%）燃燒產(chǎn)物25oC，0.1MPa第89頁/共104頁(1)、物料衡算

取1molCH4為基準(zhǔn)，則進料中O2的量為：1*2*（1+0.2）=2.4mol進料中N2量：2.4*0.79/0.21=9.03mol出料中CO2量：1mol,H2O量：2molO2量：2.4mol-2mol=0.4molN2量：9.03mol第90頁/共104頁(2)、能量衡算

過程為絕熱過程，基準(zhǔn)溫度為25oC。

簡化為：Q3=Q4物料帶進體系的熱量

加熱劑（或冷卻劑）與設(shè)備交換的熱量過程的熱效應(yīng)

物料從體系帶走的熱量

消耗在加熱設(shè)備各個部件上的熱量

設(shè)備向四周散失的熱量（熱損失）第91頁/共104頁由物化手冊查得生成熱如下：CO2:-395.51kJ/mol;H2O:-241.83kJ/mol;CH4:-74.85kJ/mol△Hr=(-395.51)+(-241.83)*2-(-74.85)=-802.32kJ/molQ3=-△Hr=802.32kJ/mol;Q4=∑(njCpj)△T=(Cp,CO2+2Cp,H2O+0.4Cp,o+9.03Cp,N2)(T-298)

由化工手冊查得CO2,H2O(g),O2,N2的比熱容，帶入上式：Q4=(343.04+0.13T-27.174*10-8T2)(T-298)

由Q3=Q4聯(lián)立式子，采用試差法解得：T=1927k。第92頁/共104頁933.3運用計算軟件進行化工工藝計算

3.3.1計算機輔助過程計算軟件簡介

A流程模擬軟件ASPENPLUS

模擬系統(tǒng)軟件,美國AspenTech公司產(chǎn)品PRO/Ⅱ流程模擬軟件,美國SimSci-Esscor公司

開發(fā)HYSYS流程模擬軟件,加拿大Hyprotech公司產(chǎn)品gPROMS通用工藝過程模擬系統(tǒng),英國PSE公司開發(fā)ChemCAD化工流程模擬軟件,美國Chemstations公司開發(fā)DesignII流程模擬軟件,美國WinSimInc.公司開發(fā)

ECSS模擬系統(tǒng),青島化工學(xué)院計算機與化工研究所開發(fā)第93頁/共104頁94軟件名稱gPROMSAspenPlusHysysPRO/II歷史背景1997由英國帝國理工學(xué)院開發(fā)成功1981年在美國麻省理工學(xué)院MIT開發(fā)成功加拿大HyproTech從80年代開發(fā)70年代由SimulationScience公司開發(fā)單元操作模型庫三相閃蒸多級分離塔模型反應(yīng)器模型固體處理操作

有8種8種可以

有8種7種可以

有可以自由組合5種/

/7種6種有物性計算系統(tǒng)純化合物數(shù)目VLE雙元交互系數(shù)電解質(zhì)系統(tǒng)可用gPROMS、PC-SAFT、OLI、DIPPR、AspenPropertiesPlus等CAPE-OPEN物性數(shù)據(jù)庫、用戶自己的物性數(shù)據(jù)

5941個40,000組有

2000多種18,000/

2000多種3000多組有特種工藝系統(tǒng)模型GLC氣液接觸模型、固定床反應(yīng)器模型、溶液結(jié)晶模型、聚合過程模型、燃料電池模型多種PEP工藝模型（SRI的工藝包），與SPYRO軟件接口煉油專用模塊RefSYS，包括催化裂化、催化重整反應(yīng)、異構(gòu)化反應(yīng)、烷基化反應(yīng)、加氫裂化反應(yīng)，加氫精制/處理反應(yīng)器模型煉油廠各種典型裝置模型優(yōu)化計算有有有有經(jīng)濟核算有有/有部分動態(tài)模擬計算均為動態(tài)，穩(wěn)態(tài)為含時間變量方程個數(shù)為零的特例需AspenDynamics連接可直接轉(zhuǎn)入動態(tài)模擬與Dynsim連接進入中國市場的時間2002年進入中國80年代初進入中國90年代進入中國80年代末進入中國第94頁/共104頁95B化工過程模擬軟件的應(yīng)用Chemcad在化工課程設(shè)計中的應(yīng)用ChemCAD可以模擬:蒸餾、汽提、吸收、萃取、共沸、三相共沸、共沸蒸餾、三相蒸餾、電解質(zhì)蒸餾、反應(yīng)蒸餾、反應(yīng)器、熱交換器、壓縮機、泵、加熱爐、控制器、透平、膨脹機等50多個單元操做第95頁/共104頁96ChemCAD提供了大量的最新的熱平衡和相平衡的計算方法，包含39種K值計算方法和13種焓計算方法。K值方法主要分為活度系數(shù)法和狀態(tài)方程法等四類UNIFAC、UPLM.(UNIFAC.for.Polymers)、Wilson、T.K.Wilson、HRNMModified.Wilson、VanLaar、Non-RandomTwoLiquid(NRTL)、Margules、GMAC(ChienNull)、ScatchardHildebrand(Regular.Solution)活度系數(shù)法第96頁/共104頁97RedlichKwong、SoaveRedlichKwong、PengRobinson、APISoaveRedlichKwong、LeeKesler、BenedictWebbRubinStarlin