物料衡算和能量衡算chap

1、第三章物料衡算与能量衡算1.第一节延续过程的物料衡算教学内容：结合详细实例，了解利用化学反响速率进展反响过程的物料衡算的方法。重点和难点：重点掌握利用化学反响速率进展反响过程的物料衡算的方法。难点是衡算基准的选择，包括基准物流的称号和单位选择，以及物料平衡方程、摩尔分数约束式及设备约束式的内容和方式。2.一、延续过程的物料衡算 普通表示式为： 系统中积累 = 输入 输出 + 生成 耗费稳态过程时 输入 = 输出 生成 + 耗费无化学反响的稳态过程 输入 = 输出 第三章 物料衡算与能量衡算3.物料平衡方式 总平衡式 *总质量平衡式 总摩尔平衡式 组分平衡式 组分质量平衡式 组分摩尔平衡式 元素

2、原子平衡式 *元素原子质量平衡式 *元素原子摩尔平衡式第三章 物料衡算与能量衡算4.物料衡算的根本步骤 画出流程表示图 列出知数据 列出由物料平衡所需求解的问题。 决议系统的边境 写出主、副产品的化学反响方程式。第三章 物料衡算与能量衡算5. 约束条件 选择计算基准 进展物料平衡计算 列出物料和能量平衡表，并进展校核 结论第三章 物料衡算与能量衡算6.关于基准 时间基准 延续小时，天 间歇釜，批 质量基准 kg，mol， kmol 体积基准 m3STP 干湿基准 干基不含水，湿基含水例：100kg湿物料，其中含水10kg， 按 湿基：含水率为10%； 假设按 干基：含水率为 10/100-10

3、100%=11.11%第三章 物料衡算与能量衡算7. C3H8 + 5O2 = 3CO2 + 4H2O每100kmol熄灭产物需求多少摩尔空气？1.基准：1kmol原料气C3H8熄灭用氧 5kmol；实践供氧 51.25 = 6.25kmol；供应空气量 29.76kmol； 其中氮气量 23.51kmol产生：CO2 3kmol； H2O 4kmol； O2 1.25kmol； N2 23.51kmol；合计 31.76kmol；x = 93.7kmol第三章 物料衡算与能量衡算8.2.基准：1kmol空气实践供氧 0.21/1.25=0.168kmol；熄灭C3H3 0.21/51.25

4、=0.0336kmol；供应空气量 1kmol； 其中氮气量 0.79kmol；产生：CO2 0.101kmol； H2O 0.kmol； O2 0.042kmol； N2 0.79kmol；合计 1.068kmol；x = 93.7kmol第三章 物料衡算与能量衡算9.3基准：100kmol烟道气以元素平衡法：C3H8 + 5O2 = 3CO2 + 4H2OC平衡 3B = P；H2平衡 4B = Q；O2平衡 0.21A = M + Q/2 + P；N2平衡 0.79A = N；烟道气总量 N + M + P + Q = 100；过剩氧气 0.21A0.25/1.25= M解出：空气量 A

5、 = 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 物料衡算与能量衡算10.物料平衡计算的条件.方程式 物料平衡方程式 物流约束式构成物流各组分的分率之和等于1=1第三章 物料衡算与能量衡算11.2.变量有Ns股物流， Nc个组分数，Np个设备参数总变量数： Nv= NsNc +1+ Np 设计变量第三章 物料衡算与能量衡算12. 转化率转化率 = 选择性选择性 = xA = = 第三章 物料衡算与能量衡算13. 收率收

6、率 = 转化率选择性 =xA = 限制反响物 过量反响物第三章 物料衡算与能量衡算14.无化学反响的物料衡算 料浆 滤饼 90%固体 F1=2000kg/h 过滤机 F3=？kg/h 10%液体 75%液体 25%固体 滤液 F2=？kg/h 1%固体 99%液体过滤过程第三章 物料衡算与能量衡算15.总平衡式 输入的料浆=输出的滤液+输出的滤饼 F1= F2+F3液体平衡式 F1x11= F2x21+F3x31第三章 物料衡算与能量衡算16.精馏过程 馏出液 F3 乙醇 水 24% F1 料液 苯 75% 乙醇 40% 水 60% F2 苯 乙醇产品 F4=1000kg/h三个未知数需三个方

7、程总物料平衡式 F1+ F2= F3+ F4 组分物料平衡式苯平衡 F2=0.75 F3 程度衡 0.6F1= 0.24F3 醇平衡 10.6F1第三章 物料衡算与能量衡算17.二、多单元系统 F2 F4 x2B x4B=0.08 x2C x4C=0.72F1=1000mol/hx1B=0.2 单x1C=0.3 元x1D 单 元 F5 x5C F3 x3B=0.025 x5D x3C=0.35 x3D 第三章 物料衡算与能量衡算18.每一个单元列出一组平衡方程式，再列出整个系统的平衡方程式。第三章 物料衡算与能量衡算19.化学反响过程的物料衡算1.直接计算法甲醇氧化制甲醛：CH3OH + 1/

8、2 O2 HCHO + H2O CH3OH CH3OH HCHO 催化反响器 H2O 空气 O2 过量50% N2第三章 物料衡算与能量衡算20.输入： O2需求= 0.5mol； O2输入= 1.50.5 = 0.75mol； N2输入= N2输出= 0.7579/21 = 2.82mol； 反响的CH3OH =0.751 = 0.75mol输出： HCHO输出= 0.75mol； CH3OH输出= 1 0.75 = 0.25mol； O2输出= 0.75 0.750.5=0.375mol； H2O输出= 0.75mol第三章 物料衡算与能量衡算21.2.利用反响速率进展物料衡算化学反响过程

9、的物料衡算式： FC，输出= FC，输入+ RC RC= cr c =1，2，n N2 78% CO 20% 1 反响器1 反响器2 CO2 2% 4 5 2H2 50% N2 N2CO 50% H2 H2 3 CO CO2 H2O CO2 H2O H2O 第三章 物料衡算与能量衡算22.3.元素平衡输入物流有I股，输出物流有J股;那么物质S的净输出速率为 Fs =S种物质的元素e的净原子流出速率为物质守恒那么元素守恒 = 0 e = 1，2，E Ae = 0 e = 1，2，E 为原子系数第三章 物料衡算与能量衡算23.4.以节点进展衡算 分流B B分流A 分流C A 节点 节点 CFa+F

10、b=FcFa=Fb+Fc第三章 物料衡算与能量衡算24.第二节 车 间装 置 的 物 料 衡 算教学内容：结合详细实例，了解一个完好的化工过程的物料衡算方法和步骤。重点和难点：重点掌握一个完好的化工过程的物料衡算的基准和思绪。难点是对一个完好的化工过程的物料衡算时应选择什么物流作衡算基准，如何列出平衡表达式。25.第二节 车 间装 置 的 物 料 衡 算 在一个车间安装中物料的添加和分别比较频繁，并且经常伴随着化学反响的发生，部分产品的循环如回流，物料衡算比较复杂。1.单元模块 计算步骤: 过程整体分析; 写出各单元的方程式和约束式; 列出一切的变量，并选好所需的设计变量; 运用单元模块法求解

11、联立方程组。 第三章 物料衡算与能量衡算26.1.循环过程(两种解法 1试差法 估计循环流量，并继续计算至循环回流的那一点。将估计值与计算值进展比较，并重新假定一个估计值，不断计算到估计值与计算值之差在一定的误差范围内。2代数法 列出物料平衡方程式，并求解。 普通方程式中以循环量作为未知数，运用联立方程的方法进展求解。第三章 物料衡算与能量衡算27.第三章 物料衡算与能量衡算第三节 化学反响过程的能量衡算教学内容：结合详细实例，了解以反响热效应为根底和以生成热为根底两种反响过程能量衡算方法的计算原理和计算方法。重点和难点：重点掌握两种衡算方法的衡算基准和计算方法。难点是热量衡算的基准，包括温度

12、、压力和相态，以及有相变时其热量的正负符号的取向。28.第三章 物料衡算与能量衡算能量衡算的根本概念 一、能量守恒定律 输入能量+生成能量= 耗费能量+积累能量+输出能量 二、能量衡算方程 1.封锁体系 E = Q + W 2.流动体系能量输入速率-能量输出速率 =能量积累速率29.第三章 物料衡算与能量衡算 q w T2 U p2 u2 T1 U2 p1 u1 Z Z2 U1 Z1 30.第三章 物料衡算与能量衡算2封锁体系= q + w3孤立体系= 0稳态过程的敞开体系= q + w31.第三章 物料衡算与能量衡算三、能量衡算的普通方法 正确绘制系统表示图，标明知条件和物料形状； 确定各组

13、分的热力学数据； 选择计算基准大部分在物料衡算的根底上进展； 同时，还要选取热力学函数的基准态。 列出能量衡算方程式，进展求解。32.第三章 物料衡算与能量衡算化学反响过程的能量衡算一、反响热 在化学反响中放出的热量取决于反响条件。在规范条件下，纯组分、压力为0.1MPa、温度为25并非一定需求，反响进展时放出的热量称为规范反响热。基准=-56.68 kJ/mol 33.第三章 物料衡算与能量衡算1规范生成热 在规范形状下，由构成组成的元素生成1mol组分时的焓差。任何反响的规范反响热可以由反响物和生成物的生成热计算得到。反之，组分的生成热也可以由反响热计算得到。34.第三章 物料衡算与能量衡

14、算由于物质本身的热函是无法测定的，普通所能测定的是物质热函的变化量，因此人为地规定在规范形状下，元素生成热取为零。规范反响热和生成热之间的关系35.第三章 物料衡算与能量衡算2规范熄灭热 组分和氧完全熄灭的规范反响热由熄灭热计算反响热的普通表达式:36.第三章 物料衡算与能量衡算二、化学反响过程的能量衡算 简单化学反响过程的能量平衡： Q1+ Qr+ Qt = Q2 + Q损 物料的热量用热容的计算式为：用热焓计算式为：37.第四节 计算机在物料衡算与能量 衡算中的运用教学内容：上机经过一个实例，了解流程模拟软件的种类和功能，以及用ChemCAD进展物料衡算和热量衡算的步骤和方法。重点和难点：重点掌握用ChemCAD进展物料衡算的步骤和方法。难点是设备、热力学方法的定义，模拟反响器的选择和参数的输入，以及换热过程和分别过程的模型选择和参数的输入。38.一、流程模拟软件(一)aspenONE 工程与创新处理方案(二)PRO/(三)VMGSim；VMGThermo(四)Chem CAD(五)ECSS工程化