化工计算与软件应用(包宗宏)2

1、化工计算与软件应用化工计算与软件应用第二章第二章 物料衡算与能量衡算物料衡算与能量衡算1南京工业大学南京工业大学 包宗宏包宗宏物料衡算是化工生产过程中，用以确定物料比例和物料转物料衡算是化工生产过程中，用以确定物料比例和物料转变定量关系的计算过程，这是化工工艺计算中最基本、最重变定量关系的计算过程，这是化工工艺计算中最基本、最重要的内容之一。要的内容之一。物料衡算的结果也是能量衡算的依据物料衡算的结果也是能量衡算的依据，掌握物料带入或带掌握物料带入或带出体系的能量多少，以计算化工过程需要提供或移除的热量，出体系的能量多少，以计算化工过程需要提供或移除的热量，控制能量的供给速率和放热速率，进控制

2、能量的供给速率和放热速率，进步算出物质之间交换步算出物质之间交换的热量以及整个过程的热量分布情况。的热量以及整个过程的热量分布情况。 因此，物料衡算与能量衡算是进行化工工艺设计、过因此，物料衡算与能量衡算是进行化工工艺设计、过程经济评价、节能分析以及过程最优化的基础。程经济评价、节能分析以及过程最优化的基础。 在用化工模拟软件进行流程的物料衡算与能量衡算时，在用化工模拟软件进行流程的物料衡算与能量衡算时，虽然可以大大提高计算的速率，但仍然需要遵守物料衡算与虽然可以大大提高计算的速率，但仍然需要遵守物料衡算与能量衡算的基本规则，把规则应用于软件的操作之中，软件能量衡算的基本规则，把规则应用于软件

3、的操作之中，软件计算结果才可能合理与可行。计算结果才可能合理与可行。2/40南京工业大学南京工业大学 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论依据是质量守恒定律，即在一个孤立体系中物料平衡的理论依据是质量守恒定律，即在一个孤立体系中不论物质发生任何变化不论物质发生任何变化(不包括核反应不包括核反应)它的质量始终保持不变。它的质量始终保持不变。在化工过程中，能量衡算是根据能量守恒定律，利用能量传在化工过程中，能量衡算是根据能量守恒定律，利用能量传递和转化的规则，以确定能量比例和能量转变定量关系的过程。递和转化的规则，以确定能量比例和能量转变定量关系的过程。能量

4、衡算的理论依据是热力学第一定律，即体系的能量总变化能量衡算的理论依据是热力学第一定律，即体系的能量总变化(E)等于体系所吸收的热减去环境对体系所做的功。等于体系所吸收的热减去环境对体系所做的功。 简单化工操作单元的能量衡算可以手工进行，复杂化工流程简单化工操作单元的能量衡算可以手工进行，复杂化工流程的能量衡算手工计算非常困难，而任何情况下使用模拟软件进的能量衡算手工计算非常困难，而任何情况下使用模拟软件进行化工过程的能量衡算都是很方便的。行化工过程的能量衡算都是很方便的。 3/40南京工业大学南京工业大学 包宗宏包宗宏2.1.2 衡算方程式衡算方程式 化工工艺计算中的物料平衡是指化工工艺计算中

5、的物料平衡是指“在单位时间内进入衡算系在单位时间内进入衡算系统的全部物料质量，必定等于离开该系统的全部物料质量、加统的全部物料质量，必定等于离开该系统的全部物料质量、加上损失掉与积累起来的物料质量。上损失掉与积累起来的物料质量。” 连续流动系统的总能量衡算式是柏努利方程式，即：连续流动系统的总能量衡算式是柏努利方程式，即： 在进行设备的能量衡算时，位能变化、动能变化、外功等项在进行设备的能量衡算时，位能变化、动能变化、外功等项相对较小，可忽略不计，因此稳流系统总能量衡算可简化为热相对较小，可忽略不计，因此稳流系统总能量衡算可简化为热量衡算量衡算。4/40南京工业大学南京工业大学 包宗宏包宗宏2

6、.1.3 衡算的基本步骤衡算的基本步骤 (1)收集数据资料。一般需要收集的数据和资料包括生产规模收集数据资料。一般需要收集的数据和资料包括生产规模和生产时间和生产时间(即年生产时数即年生产时数)、有关的定额、收率、转化率、原、有关的定额、收率、转化率、原料、辅助材料、产品、中间产品的规格、与过程计算有关的物料、辅助材料、产品、中间产品的规格、与过程计算有关的物理化学常数等。理化学常数等。 (2)选定计算基准。温度的因次可采用选定计算基准。温度的因次可采用“”或或“K”，压力，压力的因次可采用的因次可采用“kPa”、“atm” 或其它，压力基准可选用绝对压或其它，压力基准可选用绝对压力或表压。力

7、或表压。 物流量的计算基准可选质量基准、摩尔基准、体积基准。对物流量的计算基准可选质量基准、摩尔基准、体积基准。对于连续生产，以于连续生产，以“s、h、d”作为投料量或产品量的时间基准作为投料量或产品量的时间基准。 用模拟软件进行衡算时，以单位时间的投料量为起点进行计用模拟软件进行衡算时，以单位时间的投料量为起点进行计算比较方便。当系统介质为固体或液体时，一般以质量为计算算比较方便。当系统介质为固体或液体时，一般以质量为计算基准，对气体物料进行计算时，一般选体积作为计算基准。基准，对气体物料进行计算时，一般选体积作为计算基准。5/40南京工业大学南京工业大学 包宗宏包宗宏2.1.3 衡算的基本

8、步骤衡算的基本步骤 (3)确定化学反应方程式。列出各个过程的主、副化学反应确定化学反应方程式。列出各个过程的主、副化学反应方程式，明确反应和变化前后的物料组成及各个组分之间的定方程式，明确反应和变化前后的物料组成及各个组分之间的定量关系，若计算反应器大小，还需要掌握反应动力学数据。量关系，若计算反应器大小，还需要掌握反应动力学数据。 (4)确定计算任务。根据工艺流程示意图和化学反应方程式，确定计算任务。根据工艺流程示意图和化学反应方程式，分析物流热流经过每一过程、每一设备在数量、组成、及物流分析物流热流经过每一过程、每一设备在数量、组成、及物流热流走向所发生的变化热流走向所发生的变化。 (5)

9、画出工艺流程示意图。着重考虑物流热流的流向，对设画出工艺流程示意图。着重考虑物流热流的流向，对设备的外形、尺寸、比例等并不严格要求，与物料、能量衡算有备的外形、尺寸、比例等并不严格要求，与物料、能量衡算有关内容必须无一遗漏，所有物流热流管线均须画出。关内容必须无一遗漏，所有物流热流管线均须画出。6/40南京工业大学南京工业大学 包宗宏包宗宏2.1.3 衡算的基本步骤衡算的基本步骤 (6) 根据工艺流程图抽象出模拟流程。根据工艺流程图抽象出模拟流程。要要充分理解基本工艺充分理解基本工艺路线，明确本流程的主干与枝干，选择软件中合适的模块、或路线，明确本流程的主干与枝干，选择软件中合适的模块、或模块

10、组合构成软件模拟流程，以反映流程的模拟需求。模块组合构成软件模拟流程，以反映流程的模拟需求。 (7)校核计算结果。当计算全部完成后，对计算结果进行整校核计算结果。当计算全部完成后，对计算结果进行整理，编制物料热量平衡表或绘制物料流程图。通过物料热量平理，编制物料热量平衡表或绘制物料流程图。通过物料热量平衡表可以直接检查计算是否准确，分析结果组成是否合理，并衡表可以直接检查计算是否准确，分析结果组成是否合理，并易于发现存在问题，从而判断其合理性，提出改进方案。易于发现存在问题，从而判断其合理性，提出改进方案。7/40南京工业大学南京工业大学 包宗宏包宗宏2.1.4 用软件进行物料衡算与能量衡算的

11、要点用软件进行物料衡算与能量衡算的要点 (1) 选择合适的因次模板。因次模板是选择合适的因次模板。因次模板是ASPEN PLUS软件为软件为不同工艺过程编制的因次集，分为普通模拟过程与石油加工过不同工艺过程编制的因次集，分为普通模拟过程与石油加工过程两大类，每大类又含有若干套，每套都包含英制与公制两种程两大类，每大类又含有若干套，每套都包含英制与公制两种因次集，如表因次集，如表2-1。8/40南京工业大学南京工业大学 包宗宏包宗宏2.1.4 用软件进行物料衡算与能量衡算的要点用软件进行物料衡算与能量衡算的要点 (2) 选择合适的物性计算方法。选择合适的物性计算方法。ASPEN PLUS软件把模

12、拟计软件把模拟计算一个流程所需要的热力学性质与传递性质的计算方法与计算算一个流程所需要的热力学性质与传递性质的计算方法与计算模型都组合在一起，称之为性质方法，每种性质方法以其中主模型都组合在一起，称之为性质方法，每种性质方法以其中主要的热力学模型冠名，软件中共有要的热力学模型冠名，软件中共有80多种性质方法供操作者选多种性质方法供操作者选择使用。针对不同的模拟体系，选择合适的性质方法用于模拟择使用。针对不同的模拟体系，选择合适的性质方法用于模拟过程是获得正确计算结果的前提。过程是获得正确计算结果的前提。 几乎所有的单元操作模型都需要热力学性质与传递性质的计算几乎所有的单元操作模型都需要热力学性

13、质与传递性质的计算, 其中主要有逸度系数、相平衡常数、焓、熵、其中主要有逸度系数、相平衡常数、焓、熵、Gibbs自由能、自由能、密度、粘度、导热系数、扩散系数、表面张力等。密度、粘度、导热系数、扩散系数、表面张力等。 没有任何一个热力学模型与传递模型能适用于所有的物系和所没有任何一个热力学模型与传递模型能适用于所有的物系和所有的过程。因此，性质方法的恰当选择和正确使用决定着计算有的过程。因此，性质方法的恰当选择和正确使用决定着计算结果的准确性、可靠性和模拟成功与否。结果的准确性、可靠性和模拟成功与否。9/40南京工业大学南京工业大学 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常见有机化合物极性增加顺序：常见有机化合物极性增加顺序：南京工业大学南京工业大学 包宗宏包宗宏模拟模拟体系体系含极性物质含极性物质不含极性物质不含极性物质全是真实组分全是真实组分含虚拟组分含虚拟组分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南京工业大学南京工业大学 包宗宏包宗宏模拟模拟体系体系含极性物质含极性物质不含极性物质不含极性物质不含电解质不含电解质含电解质含电解质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南京工业大学南京工业大学 包宗宏包宗宏2.6 分离复杂组成混合物分离复杂组成混合物原油是烃类化合物和杂质组成的宽沸程的混合物，其组成原油是烃类化合物和杂质组成的宽沸程的混合物，其组成复杂难以定量分析，经过多级蒸馏可分离得到各种各样的石油复杂难以定量分析，经过多级蒸馏可分离得到各种各样的石油产品。产品。与普通物

17、料的蒸馏一样，原油蒸馏也是利用原油中各组分与普通物料的蒸馏一样，原油蒸馏也是利用原油中各组分相对挥发度的不同而实现各馏分的分离。但原油是复杂烃类混相对挥发度的不同而实现各馏分的分离。但原油是复杂烃类混合物，各种烃合物，各种烃(以及烃与烃形成的共沸物以及烃与烃形成的共沸物)的沸点由低到高几乎的沸点由低到高几乎是连续分布的，不能按常规方法定义确切的全组成分布，常用是连续分布的，不能按常规方法定义确切的全组成分布，常用表征油品性质的方法有三个特征值和三条蒸馏曲线。表征油品性质的方法有三个特征值和三条蒸馏曲线。三个特征值分别是油品的平均分子量、密度（或三个特征值分别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）；三条蒸馏曲线分别是实沸点蒸馏曲线（三条蒸馏曲线分别是实沸点蒸馏曲线（TBP）、恩氏蒸馏）、恩氏蒸馏曲线（曲线（ASTM D86）和平衡气化曲线（）和平衡气化曲线（ASTM D1160）。）。46/40南京工业大学南京工业大学 包宗宏包宗宏2.6 分离复杂组成混合物分离复杂组成混合物原油是复杂烃类混合物，各种烃原油是复杂烃类混合物，各种烃(以及共沸物以及共沸物)的沸点由低到高的沸点由低到高几乎是连续分布的，一般是根据产品要求按沸点范围分割成几乎是连续分布的，一般是根据产品要求按沸点范围分割成轻重不同的馏分，因此，原油蒸馏塔特点为：轻重不同的馏分，因此，原油蒸馏塔特点为：有多个侧线出料口，原油蒸馏各馏分的分离精确度不要求像有多个侧线出料口，原油蒸馏各馏分的分离精确度不要求像纯化合物蒸馏那样高，纯化合物蒸馏那样高，有有多个侧多个侧线线口口(一