化工设计概论第三章物料衡算与能量衡算

1、整理课件1第三章第三章 物料衡算与能量衡算物料衡算与能量衡算 物料衡算与能量衡算是进行化工工艺过程设计物料衡算与能量衡算是进行化工工艺过程设计及技术经济评价的基本依据。通过对全生产过程或及技术经济评价的基本依据。通过对全生产过程或单元过程的物料和能量的衡算，计算得到：单元过程的物料和能量的衡算，计算得到： 1 1）主、副产品产量；）主、副产品产量； 2 2）原材料的消耗定额，过程的物料损耗；）原材料的消耗定额，过程的物料损耗； 3 3）“三废三废”的生成量及组成；的生成量及组成； 4 4）水、电、汽或其他燃料等消耗定额；）水、电、汽或其他燃料等消耗定额； 5 5）设计物料流程图。）设计物料流程

2、图。 整理课件2 根据物料衡算和能量的衡算结果，可以：根据物料衡算和能量的衡算结果，可以： 1 1）对生产设备进行设计和选型；）对生产设备进行设计和选型； 2 2）确定产品成本等各项技术经济指标，从而）确定产品成本等各项技术经济指标，从而可以定量地评述所选择的工艺路线、生产方法及工可以定量地评述所选择的工艺路线、生产方法及工艺流程在经济上是否合理，技术上是否先进。艺流程在经济上是否合理，技术上是否先进。整理课件3物料衡算物料衡算 一、物料衡算的概念：一、物料衡算的概念： 在化工过程中，物料平衡是指在化工过程中，物料平衡是指“在单位时间在单位时间内进入系统（体系）的全部物料质量必定等于离内进入系

3、统（体系）的全部物料质量必定等于离开该系统（体系）的全部物料质量再加上损失掉开该系统（体系）的全部物料质量再加上损失掉的与积累起来的物料质量。的与积累起来的物料质量。” 对物料平衡进行计对物料平衡进行计算称为物料衡算。算称为物料衡算。 物料平衡的理论依据是物料平衡的理论依据是质量守恒定律质量守恒定律，即在，即在一个孤立体系中不论物质发生任何变化一个孤立体系中不论物质发生任何变化( (不包括核不包括核反应反应) )它的质量始终保持不变。它的质量始终保持不变。整理课件4二、物料衡算的分类二、物料衡算的分类1 1、按操作方式、按操作方式 分为间歇操作、连续操作及半连续操作等三分为间歇操作、连续操作及

4、半连续操作等三 类物料衡算。类物料衡算。2 2、按状态、按状态 将其分为稳定状态操作和不稳定状态操作两类将其分为稳定状态操作和不稳定状态操作两类 衡算。衡算。3 3、按衡算范围、按衡算范围 分为单元操作过程分为单元操作过程( (或单个设备或单个设备) )和和全流程全流程的两的两 类物料衡算。类物料衡算。整理课件5三、物料平衡方程式三、物料平衡方程式 1 1、概念：、概念：根据质量守恒定律，对某一个体系内质根据质量守恒定律，对某一个体系内质量流动及变化的情况用数学式描述物料平衡关系则量流动及变化的情况用数学式描述物料平衡关系则为物料平衡方程式。其基本表达式为：为物料平衡方程式。其基本表达式为：

5、F0=D+A+B 式中，式中，F0 输入体系的物料质量；输入体系的物料质量； D 离开体系的物料质量；离开体系的物料质量； A 体系内积累的物料质量；体系内积累的物料质量； B 损失的物料质量损失的物料质量( (如跑、冒、滴、漏如跑、冒、滴、漏) ) 整理课件62 2、注意的事项、注意的事项(1)(1)物料平衡是指质量平衡，不是体积或物质的物料平衡是指质量平衡，不是体积或物质的量量( (摩尔数摩尔数) )平衡。若体系内有化学反应，则平衡。若体系内有化学反应，则衡算式中各项用摩尔时为单位时，必须考衡算式中各项用摩尔时为单位时，必须考虑反应式中的化学计量系数虑反应式中的化学计量系数 。 (2)(2

6、)对于无化学反应体系，能列出独立物料平衡对于无化学反应体系，能列出独立物料平衡式的最多数目等于输入和输出的物流里的组式的最多数目等于输入和输出的物流里的组分数。分数。(3)(3)在写平衡方程式时，要尽量使方程式中所包在写平衡方程式时，要尽量使方程式中所包含的未知数最少。含的未知数最少。 三、物料平衡方程式三、物料平衡方程式整理课件7 1 1、画出流程示意图、画出流程示意图 稀溶液稀溶液二次蒸汽二次蒸汽F, wFW加热蒸汽加热蒸汽冷凝水冷凝水提浓液提浓液B，wB四、物料衡算的步骤四、物料衡算的步骤整理课件82 2、列出主、副化学反应式、列出主、副化学反应式3 3、确定计算任务、确定计算任务4 4

7、、收集数据资料、收集数据资料（生产规模、时间，收率、转化生产规模、时间，收率、转化率，原材料及产品规格，有关物理化学常数）率，原材料及产品规格，有关物理化学常数）5 5、选定计算基准、选定计算基准（时间，质量，体积）（时间，质量，体积）6 6、建立物料平衡方程，展开计算、建立物料平衡方程，展开计算7 7、整理并校核计算结果、整理并校核计算结果8 8、绘制物料流程图、填写物流表、绘制物料流程图、填写物流表四、物料衡算的步骤四、物料衡算的步骤整理课件91无反应无反应例例1 采用蒸发方法将浓度为采用蒸发方法将浓度为10NaOH及及10NaCl的水溶液进行浓缩。蒸发时只有部分水分汽化成的水溶液进行浓缩

8、。蒸发时只有部分水分汽化成为水蒸气而逸出，部分为水蒸气而逸出，部分NaCl结晶成晶粒而留在结晶成晶粒而留在母液中。操作停止后，分析母液的成分为：母液中。操作停止后，分析母液的成分为：50NaOH，2NaCl及及48H2O。若每批处理。若每批处理1000 kg原料液，试求每批操作中：原料液，试求每批操作中：1)获得的母液量，获得的母液量，2)蒸发出的水分量，蒸发出的水分量，3)结晶出的结晶出的NaCl量。量。五、物料衡算计算举例五、物料衡算计算举例整理课件10整理课件11计算过程计算过程解：解：本题为间歇过程，因此以每批处理量为基准进本题为间歇过程，因此以每批处理量为基准进行物料衡算。流程示意图

9、行物料衡算。流程示意图2-2组分物料衡算：组分物料衡算：NaOH平衡平衡 1000 x 0.1 = 0.5F4NaCl平衡平衡 1000 x 0.1 = 0.02F4 + F3H2O平衡平衡 1000(1-0.1-0.1)= F2 + 0.48F4解方程得：解方程得： F2 = 704kg，F3 = 96kg，F4 = 200kg整理课件122.有反应有反应例例2 甲醇制造甲醛的反应过程为：甲醇制造甲醛的反应过程为： CH30H + 1/2 O2 HCHO + H20 反应物及生成物均为气态，若使用反应物及生成物均为气态，若使用50的过的过量空气，且甲醇的转化率为量空气，且甲醇的转化率为75，

10、试计算反，试计算反应后气体混合物的摩尔组成。应后气体混合物的摩尔组成。五、物料衡算计算举例五、物料衡算计算举例整理课件13解：解： 画出流程图画出流程图 空气空气(过量过量50%)CH3OHHCHOH2ON2催化催化反应器反应器CH3OH计算过程计算过程整理课件14基准：基准：1 mol CH3OH根据反应方程式根据反应方程式 O2(需要需要)= 0.5 mol； O2(输入输入)= 1.5 0.5 = 0.75 mol； N2(输入输入)= N2(输出输出)= 0.75(79/21)= 2.82 molCH3OH为限制反应物为限制反应物反应的反应的CH3OH = 0.75 1 = 0.75

11、mol因此，因此，HCHO(输出输出)= 0.75mol CH3OH(输出输出)= 1-0.75=0.25mol O2(输出输出)= 0.75-0.75x0.5=0.375mol H2O(输出输出)= 0.75mol整理课件15计算结果计算结果组分组分molmol%CH3OH0.2505.0HCHO0.75015.2H2O0.75015.2O20.3757.6N22.82057.0总计总计4.945100.0整理课件16一、能量衡算定义一、能量衡算定义 根据能量守恒定律，利用能量传递和转化根据能量守恒定律，利用能量传递和转化的规则，用以确定能量比例和能量转变的定量的规则，用以确定能量比例和能量

12、转变的定量关系的过程称为能量衡算。关系的过程称为能量衡算。能量衡算能量衡算整理课件17二、能量衡算可以解决的问题二、能量衡算可以解决的问题(1)(1)确定物料输送机械和其它操作机械所需要的确定物料输送机械和其它操作机械所需要的功率功率；(2)(2)确定各单元操作过程所需确定各单元操作过程所需热量或冷量热量或冷量，及其，及其传递传递速率速率；计算换热设备的；计算换热设备的工艺尺寸工艺尺寸；确定加热剂或；确定加热剂或冷却剂的冷却剂的消耗量消耗量，为其他专业如供汽、供冷、供，为其他专业如供汽、供冷、供水专业提供设条件；水专业提供设条件； (3)(3)化学反应常伴有热效应，导致体系的温度上升或化学反应

13、常伴有热效应，导致体系的温度上升或下降，为此需确定为保持一定反应温度所需的下降，为此需确定为保持一定反应温度所需的移移出或加入的热传递速率出或加入的热传递速率； 整理课件18二、能量衡算可以解决的问题二、能量衡算可以解决的问题(4)(4)为充分利用余热，必须采取有效措施，使过程的为充分利用余热，必须采取有效措施，使过程的总能耗降低到最低程度。为提高能量利用率，降总能耗降低到最低程度。为提高能量利用率，降低能耗提供低能耗提供重要依据重要依据。(5)(5)最终确定最终确定总需求能量和能量的费用总需求能量和能量的费用。整理课件19 能量衡算平衡方程式能量衡算平衡方程式 E = Q - W E:表示体

14、系能量总变化；表示体系能量总变化； Q: 表示体系从环境吸收的热量；表示体系从环境吸收的热量； W: 表示环境对体系所做的功。表示环境对体系所做的功。三、能量平衡方程式三、能量平衡方程式整理课件201 1、热量衡算有两种情况：、热量衡算有两种情况： 1 1）对单元设备做热量衡算；）对单元设备做热量衡算； 2 2）整个过程的热量衡算。）整个过程的热量衡算。 （当各个工序或单元操作之间有热量交换时，（当各个工序或单元操作之间有热量交换时，必须做全过程的热量衡算。）必须做全过程的热量衡算。）四、热量衡算四、热量衡算整理课件212 2、热量衡算方程式、热量衡算方程式 Q入入= Q出出 + Q损损 式中

15、式中:Q入入 一输入设备热量总和；一输入设备热量总和； Q出出 输出设备热量总和；输出设备热量总和； Q损损 损失热量总和。损失热量总和。四、热量衡算四、热量衡算整理课件223 3、热量衡算步骤、热量衡算步骤(1)(1)绘制以单位时间为基准的物料流程图，确定绘制以单位时间为基准的物料流程图，确定热量平热量平衡范围衡范围；(2)(2)在物料流程图上标明已知在物料流程图上标明已知T、P、相态相态等已知条件；等已知条件；(3)(3)选定计算选定计算基准温度基准温度。由于手册、文献上查到的热力。由于手册、文献上查到的热力学数据大多数是学数据大多数是273K或或298K的数据，故选此温度为的数据，故选此

16、温度为基准计算比较方便。相态的确定也很重要；基准计算比较方便。相态的确定也很重要；(4)(4)列出列出热量衡算式热量衡算式，然后用数学方法求解未知值；，然后用数学方法求解未知值；(5)(5)整理并校核计算结果，列出整理并校核计算结果，列出热量平衡表热量平衡表。四、热量衡算四、热量衡算整理课件234 4、进行热量衡算注意事项、进行热量衡算注意事项(1)(1)热量衡算时要先根据物料的变化和走向，认真热量衡算时要先根据物料的变化和走向，认真分析热量间的关系，然后根据热量守衡定律列分析热量间的关系，然后根据热量守衡定律列出热量关系式。出热量关系式。(2)(2)要弄清楚过程中出现的热量形式，以便搜集有要

17、弄清楚过程中出现的热量形式，以便搜集有关的物性数据。关的物性数据。四、热量衡算四、热量衡算整理课件24(3)(3)计算结果是否正确适用，关键在于数据的正确计算结果是否正确适用，关键在于数据的正确性和可靠性。性和可靠性。(4)(4)间歇操作设备，传热量间歇操作设备，传热量Q随时间而变化，因此随时间而变化，因此要用不均衡系数将设备的热负荷由要用不均衡系数将设备的热负荷由kJ/台换算为台换算为kJ/h。(5)(5)选定设备的换热面积要大于理论计算。选定设备的换热面积要大于理论计算。 4 4、进行热量衡算注意事项、进行热量衡算注意事项四、热量衡算四、热量衡算整理课件25例例1 某化工厂计划利用废气的废热，进入废热锅炉某化工厂计划利用废气的废热，进入废热锅炉的废气温度为的废气温度为450，出口废气的温度为，出口废气的温度为260，进入锅炉的水温为进入锅炉的水温为25，产生的饱和水蒸气温，产生的饱和水蒸气温度为度为233.7，3.0MPa，(绝压绝压)，废气的平均热，废气的平均热容为容为32.5 kJ(kmol)，试计算每，试计算每100 kmol的的废气可产生