物料衡算和能量衡算-1(物料)

1、化工设计第三章 物料衡算与能量衡算Chart3 Materiel Balance and Energy Balance一、 化工过程所谓化工过程，是指由原料经化学处置和物理处置加工成化学产品或中间产品的消费过程。它包括许多工序，每个工序又由假设干个或假设干组设备如反响器、蒸馏塔、吸收塔、枯燥塔，分别器、换热器及保送设备等等组合而成。物料经过各设备时，完成某种化学或物理处置，最终成为合格的产品。运用守恒定律来研讨化工过程的物料衡算和能量衡算问题。在不同的消费过程中，有一些具有共性的物理操作，它们不改动物料的化学性质，只改动物料的物理性质，这类操作被称为单元操作，如流体保送、传热、蒸馏、枯燥、蒸发

2、、结晶、萃取、吸收、吸附、过滤及破碎等操作。化工过程中还包括一些改动物料的化学性质的反响过程，如氢与氮合成氨反响、乙烯氧化成环氧乙烷反响等等。化工过程就是由反响过程和假设干个单元操作组合而成的一个系统。 化工过程的类型 根据其操作方式分间歇操作 原料一次参与过程产品一次排出延续操作 原料延续参与过程产品延续排出半延续操作 原料一次参与过程产品延续排出 或原料延续参与过程产品一次排出根据操作形状分稳定形状操作定态操作过程参数=f(x、y、z)不稳定形状操作非定态操作过程参数=f(x、y、z、t)化工过程根本参数过程参数：消费过程中影响过程运转和形状的物理量。一温度 表示物体冷热程度的物理量。温标

3、。 1、摄氏温标， 水的正常冰点：0 水的正常沸点：100 其间均分100等份 其单位为 2、开尔文温标，K又叫热力学温度，热力学温标 单位是“开尔文，英文是“Kelvin简称“开，国际代号“K。开尔文是为了留念英国物理学家Lord Kelvin而命名的。 以绝对零度0K为最低温度，规定水的三相点的温度为 273.16K，开定义为水三相点热力学温度的1/273.15。3 华氏温标, 水盐混合物的温度：0 ；安康人的血液温度：96 水的正常冰点：32；水的正常沸点：212 其间均分180等份 其单位为4、兰金温标，R 与开氏温标类似，也是以最低实际温度为0度的一种绝对温标。 其0度为-459.6

4、7-460。四种温度的关系：二压力(压强三流量四组成3.1 物料衡算3.2 能量衡算3.3 化工模拟软件在化工设计中的运用本 章要求掌握非反响过程的物料衡算及反响过程的物料衡算；掌握安装的物料衡算；掌握以反响热效应为根底的计算方法，以及以生成热为根底的计算方法。本章重、难点：物料衡算及热量衡算。 物料、能量衡算在化工技术中的作用物料、能量衡算是一切设计计算的根底，是反响器和设备设计的根据，也是过程、设备各系统经济核算和最优化的根据。普通来说，在设计一个消费系统，或者计算某个单元操作及设备时，首先必需作物料、能量衡算。物料、能量衡算的目的和内容在于定量研讨消费过程，为过程设计和操作最正确化提供根

5、据。对过程中的各个设备和工序，逐个计算各物料的流量、组成及热流量和温度，定量地表示所研讨的对象。物料、能量衡算的意义计算消费过程的原资料耗费目的、能耗定额和产品产率等 。 根据物料衡算和能量衡算数据和设备恰当的消费强度，可以设计或选择设备的类型、台数及尺寸。物料衡算和能量衡算是设备计算的根据。作物料衡算可以检查各物料的计量、分析测定数据能否正确；检查消费运转能否正常。作系统各设备及管路的物料衡算时，可以检查出消费上的薄弱环节或限制部位。从而找出相应的强化措施。 物料衡算和能量衡算是传统最优化和经济核算的根底。物料衡算和能量衡算的方程往往用于求取消费过程中的某些未知量或操作条件。3.1 物料衡算

6、物料衡算运用质量守恒定律，对化工过程或设备进展定量计算。经过物料衡算处理以下问题： 计算原料耗费量、副产品量； 输出过程物料的损耗量及三废的生成量； 在物料衡算根底做能量衡算，计算蒸汽、水、电、煤或其他燃料的耗费定额。 计算产品的技术经济目的。为消费设备和辅助设备的选型及设计、管路设备与公用工程的设计等方面提供根据。.一、物料衡算根据1. 实际根据质量守恒定律物料衡算范围单元操作的物料衡算化工设备设计的前提化工过程的物料衡算化工过程设计的前提物料衡算的普通表达式为：输入量输出量生成量耗费量积累量对稳定操作过程，积累量=0输入量-输出量+生成量-耗费量=0对无化学反响的过程： 输入量输出量积累量

7、对无化学反响的稳定操作过程：输入量输出量.对有化学反响的过程：总物料衡算+元素衡算式2. 数据根底(1) 技术方案、操作方法、消费才干、年任务时。(2) 建立单位或研讨单位的要求、设计参数、小试及中试数据： 化工单元过程的化学反响式、原料配比、转化率、选择率、总收率，催化剂形状、用量、回收方法、平安性能等； 原料及产品的分别方式，分别剂的用量，各步的回收率； 特殊化学品的物性：沸点、熔点、饱和蒸汽压、闪点等。(3) 工艺流程表示图。二、物料衡算基准 物料衡算时须选择计算基准，并在计算过程中坚持一致。 普通计算过程的基准有以下几种：.(1) 时间基准对延续消费过程，常以单位时间(如d、h、s的投

8、料量或产品量为计算基准。(2) 批量基准以每批操作或一釜料的消费周期为基准。(3) 质量基准当系统介质为液、固相时，选择一定质量的原料或产品作为计算基准较适宜。(4) 物质的量基准：对于有化学反响的过程因化学反响的按摩尔进展的，用物质的量基准更方便。(5) 规范体积基准：对气体物料进展衡算，可采用规范体积基准，Nm3(STP)，既排除T、p的影响，又可直接换算为摩尔。(6) 干湿基准：由于物料中均含有一定量的水分，选用基准时就有算不算水分的问题。湿基计算水分，干基不计算水分。实践计算时，必需根据详细情况选择适宜的基准，过程的物料衡算及能量衡算应在同一基准上进展。.三、物料衡算的根本程序(1)

9、确定衡算对象和范围，画出计算对象的草图。留意物料种类和走向，明确输入和输出。(2) 确定计算义务，明确知项、待求项，选择数学公式，力求使计算方法简化。(3) 确定过程所涉及的组分，并对一切组分依次编号。(4) 对物流的流股进展编号，并标注物流变量。(5) 搜集数据资料设计义务所规定知条件，与过程有关物理化学参数： 消费规模设计义务所规定，t/年和消费时间指全年有效生产天数300330天/年，计约8000h。 有关定额的技术目的，通常指产品单耗、配料比、循环比、固液比、气液比、回流比、利用率、单程收率、回收率等等。.原辅资料、产品、中间产品的规格；与过程有关有物理化学参数，如临界参数、密度或比体

10、积、形状方程参数、蒸汽压、气液平衡常数或平衡关系等。(6) 列出过程全部独立物料平衡方程式及其相关约束式，对有化学反响的还要写出化学反响方程式，指出其转化率和选择性。(7) 选择计算基准；(8) 统计变量个数与方程个数，确定设计变量个数及全部设计变量。(9) 整理并校核计算结果，并根据需求换算基准，最后列成表格即物流表。(10) 绘制物料流程图，编写物流表作为设计文件成果编入正式设计文件。.识别问题的类型绘制工艺过程表示图选择计算基准建立物料衡算方程式并进展未知量的求解列出物料衡算表。化工过程的主要效率目的消费才干和消费强度消费才干指一个设备、一套安装或一个工厂在 单位时间内消费的产品量，或在

11、单位时间内处置 的原料量。 设计才干设备或安装在最正确条件下可以到达的最大消费才干。.即设备的单位体积的消费才干，或单位面积的消费才干。 消费强度为设备的单位特征几何量的消费才干。此目的主要用于比较那些一样反响过程或物理加工过程的设备或安装的优劣。.有效消费周期： 开工因子通常在0.9左右，开工因子大意味着停工检修带来的损失小，即设备先进可靠，催化剂寿命长。 .1转化率 2-13 关键反响物反响物中价值最高的组分，为使其尽能够转化，常使其他反响组分过量。不可逆反响，关键组分的转化率最大为100%。可逆反响，关键组分的转化率其平衡转化率。 转化率、选择性和收率.对循环过程而言，有单程转化率和全程

12、转化率。新颖原料反响系统分别系统产品循环物流循环机械图 带有物料循环的流程表示图排放. 2选择性 是指体系中转化成目的产物的某反响物的量与参与一切反响而转化的该反响物总量之比。 在复杂反响体系中，选择性表达了主、副反响进展程度的相对大小，能确切反映原料的利用能否合理。 选择性 . 或 留意： 式中的分母是按主反响式的化学计量关系来计算的，并假设转化了的一切反响物全部转变成目的产物。 .3收率产率 对同一反响物，Y=SX。无副反响的体系，S=1，Y=X，收率=转化率；有副反响的体系，S100%，那么过量空气的含义是包括实际需求空气量和超越部分的量的总和。 . 例 丙烷充分熄灭时，要供入空气量12

13、5%，反响式为：C3H8+5O2 3CO2+4H2O，问每产生100摩尔烟道气需空气量多少摩尔？ 解：采用不同的计算基准计算。 解法基准 ：100 mol丙烷关键组分。反响式： C3H8+5O2 3CO2 + 4H2O 转化量： 100 X Y Z X = 500mol Y = 300mol Z = 400mol由于空气中氧气和氮气的摩尔比为：O2N2 = 2179实际空气量=500/0.21=2380.9mol .那么实践空气量=过量空气%实际空气量=125%2380=2976 mol反响前： 反响后： 氮气不参与反响，仍为2351 mol。.物料衡算结果一览表1从上表中可看出，反响前后，各

14、组分的摩尔数和质量数都不相等。总摩尔数也不相等，物质的总质量数未变。物料分子量输入输出molmol%Kgwt%molmol%Kgwt%C3H8441003.254.44.88O23262520.3220.022.171253.944.04.43N226235176.4365.8372.96235174.0265.8372.96CO2443009.4513.214.63H2O1840012.597.27.98总计307610090.23100.01317610090.23100.从计算结果可以看出，当空气参与量为2976mol时，可产生烟道气3176mol，所以，每产生100mol烟道气需参与的

15、空气量为： 1002976317693.7mol. 解法 基准：100 mol空气反响前：所含 =过量氧气量 由 过量氧气量=过量空气%需求氧气量也称为实际需氧量实际氧气量=过量氧气量/过量空气% =21/125%=16.8 mol 那么根据化学反响式C3H8+5O23CO2 +4H2O可以求得参与反响的丙烷用量： 15 = M16.8 M=3.36 mol.反响后： 氮气不参与反响，仍为79mol。 .物料衡算结果一览表2从上表中可看出，依然可以得出与表1一样的结论；比较表1和表2，可以看出，虽然计算基准不同，但进出物料的组成是一致的。物料分子量输入输出molmol%Kgwt%molmol%

16、Kgwt%C3H8443.263.250.1484.88O2322120.320.67222.174.23.940.1344.43N2267976.432.21272.967.974.022.21272.96CO24410.089.450.44414.63H2O1813.4412.590.2427.98总计103.361003.032100.01106.721003.032100.从计算结果知，每产生106.72mol的烟道气需参与100mol空气，所以产生100mol烟道气需求参与的空气量是： 100100106.7293.7mol.例： 在鼓泡反响器中进展苯的氯化反响消费氯苯，主反响为：

17、C6H6Cl2C6H5ClHCl 同时有副反响发生，生成二氯苯和三氯苯，反响如下： C6H62Cl2C6H4Cl22HCl C6H63Cl2C6H3Cl33HCl 知鼓泡反响器的产品中，主、副反响产物和未反响的苯的分量比为: 氯苯：二氯苯：三氯苯：苯l:0.08:0.016:2，求(1)苯的转化率；(2)氯苯的收率；(3)反响的选择性；(4)反响生成的氯化氢总量；(5)反响耗费的氯气总量。解：以100kg产物氯苯为计算基准。苯、氯苯、二氯苯、三氯苯的分子量分别为78，112.5，147和181.5。按照所取的计算基准，出口产品混合物中有苯200kg，氯苯100kg，二氯苯8kg，三氯苯1.6k

18、g，需求参与反响器的苯(100)的量计算如下：生成氯苯耗费苯： 生成二氯苯耗费苯：生成三氯苯耗费苯：未反响的苯200kg，因此需求参与的苯的总量为：69.334.2450.688200274.3kg1苯的转化率苯的转化量69.33十4.245十0.68874.3kg,苯的参与量274.3kg所以 苯的转化率X74.3274.30.27092氯苯的收率Y 3反响的选择性S 4反响生成的氯化氢总量 生成氯苯时同时生成的氯化氢： 生成二氯苯时同时生成的氯化氢： 生成三氯苯时同时生成的氯化氢： 因此，生成的氯化氢总量为： 32.43.970.96637.35kg(5)反响耗费的氯气总量生成氯苯耗费氯气

19、：生成二氯苯耗费氯气：生成三氯苯耗费氯气：因此，反响耗费的氯气总量为： 63.117.7281.87872.72kg2元素平衡法原子衡算法方法：由于反响前后的物质虽然分子构造不同，但都是由一样元素组成的。所以反响前后各元素原子的量是守衡的，然后依每个分子构造经过相应元素的量原子数的比值计算出各个未知的详细量。适用范围： 反响过于复杂，即反响式明确但较多，包含有平行、连串等反响时； 反响式不太明确，无法写出时。.例 合成气组成为0.4%CH4、52.8%H2、38.3%CO、5.5%CO2、0.1%O2和2.9%N2体积百分数。假设用10%过量空气熄灭，设熄灭气中不含CO，试计算熄灭气组成。解法

20、 用原子衡算法求解。画出表示图。 . H：0.4%10004+52.8%10002 = 1072 mol2CC：0.4%1000+38.3%1000+5.5%1000 = 442 molBO：38.3%1000+5.5%10002+0.1% 100020.21A2= 2BC2D N：2.9%100020.79A2= 2E 对O2作物料衡算，输入量+产生量=输出量+耗费量0.21A+0.1%1000D+0.1%1000+0.21A/1.1解之得：A2422.4mol， B442 mol， C=536 mol， D46.3 mol， E1943 mol 基准：1000 mol合成气。其中各原子的量

21、为：0.4%CH4、52.8%H2、38.3%CO、5.5%CO2、0.1%O2、2.9%N2.物料分子量输入输出molmol%Kgwt%molmol%Kgwt%H2252815.421.0561.24CH41640.120.0640.08CO2838311.1910.72412.62CO244551.612.4202.8544214.919.44822.88O232508.8+114.8916.31419.2046.21.561.4821.74N22829+191456.7754.40464.02194365.4854.40464.02H2O1853618.069.64811.35总计342

22、2.810084.982100.012967.310084.98299.99.例： 丙烷充分熄灭时要使空气过量25,熄灭反响方程式为： C3H85O2CO24H2O求每100mol熄灭产物(烟道气)需求参与多少丙烷和空气。解：以l00mol烟道气作基准进展物料衡算作C原子平衡得：3BP作H原子平衡得：8B2Q作O原子平衡得：0.21 A22PQ2M作N平衡得：0.79A2N2由以l00mol烟道气作基准得： P+Q+M+N100作O2平衡得：0.21 A0.251.25M 解上述方程组得： A93.76mol，B3.148 mol， 因此，100mol烟道气需求参与空气93.76mol，参与丙

23、烷3.148mol。3以化学平衡进展衡算 化学反响中，当正反响与逆反响的反响速率相等时，即到达化学平衡，在定T、定P，且反响物的浓度不变时，平衡将坚持稳定，此时需借助化学反响平衡常数与浓度之间的关系式计算。.例 试计算合成甲醇过程中反响混合物的平衡组成。设原料气中H2与CO摩尔比为4.5，惰性组分含量为13.8%，压力为30MPa，温度为365，平衡常数Kp=2.50510-3 MPa-2。解：分析：由Kp可看出，此题是当作理想气体混合物进展简化计算的。依题意求yi，需求出反响后的ni和n，因发生化学反响，应对每个组分进展物料衡算，方可确定。.化学反响式：CO+2H2 CH3OH 首先计算出原

24、料气的摩尔组成：含惰性组分13.8%，(H2+CO)为113.8%=86.2%，需分别求出H2和CO的组成含量。 原料气中H2与CO摩尔比为4.5H2 4.5/(1+4.5)86.2%=70.53% ；CO (1/5.5)86.2%=15.67% 惰性气体 13.8% ； 基准：1 mol原料气，平衡转化率为XCO。.CO + 2H2 CH3OH平衡时n/mol ： 0.1567 (1-xCO) 0.7053-20.1567xCO 0.1567xCO开场n/mol ： 0.1567 0.7053转化量n/mol ： 0.1567xCO 20.1567xCO惰性气体：0. 试差得 XCO =0.

25、4876 .平衡时组成：CO： 0.1567(1-0.4876)=0.0803 molH2： 0.705320.15670.4876=0.5525 molCH3OH： 0.15670.4876 =0.0764 mol惰性气体0. mol =10.31340.4876=0.8472 mol摩尔组成： . 假设某产物P的收率知，根据收率的定义式，便可求出一定产量下的加料量。 例如有一连串反响，其计量关系为APQ，知P的摩尔收率Yp0.8，P的产量为100kmolh，根据收率的定义式有：因此，A的加料量100/0.8125(kmol/h)(4) 根据收率数据作物料衡算.例：乙烯氧化制环氧乙烷的反响器

26、中进展如下反响： 反响器进口混合气体的流量为45000m3(STP)/h，组成如下： 乙烯的转化率为32，反响选择性为69，求反响器出口气体的组成和流量。.转化率 收率 选择性 YSX.解：环氧乙烷的收率0.320.690.2208 CO2的收率0.32(10.69)0.0992 因此，反响器出口气体各组分的流量为：乙烯 环氧乙烷 CO2 .H2ON2 O2反响器的物料平衡表如下： .5具有循环和旁路过程的物料衡算 在化工消费中，由于遭到化学平衡、相平衡以及反响速度等多种要素的限制，原料往往不能完全转比为产品，为了提高原料利用率，添加产品的经济效益，可采取循环操作。 循环操作就是把反响后得到的

27、产品，经全部分离或部分分别后，将其剩余的物料重新前往系统，与新颖原料混合继续进展加工。.循环流程的优点：可以显著地提高原料利用率，减少系统排放量，降低了原料耗费，也减少了对环境的污染。循环流程的缺陷：循环体系中惰性物质和其他杂质会逐渐积累，对反响速率和产品产率有影响，必需定期排出这些物质以防止积累。另外，大量循环物料的保送会耗费较多动力，所以对于那些反响后绝大部分原料均转化为目的产物的过程，不用采用循环流程。.通常可采用以下两种算法：试差法需多次计算 估计循环流量，计算至循环回流的那一点。将估计值与计算值比较，重新假定估计值，不断计算到估计值与计算值之差在一定的误差范围内。代数解法 列出物料平

28、衡方程式，并求解。普通方程式中以循环量为未知数，用联立方程式的方法求解。 详细做法：普通在衡算时，先进展总的过程衡算，再对循环系统列出方程式求解。 在没有循环时，一系列单元步骤的物料平衡可按顺序依次进展。 但是假设有循环物料时，由于循环流量尚未计算，采用逐次计算并不能计算出循环量。 .例题：在银催化剂作用下，乙烯可被空气氧化成环氧乙烷C2H4O，副反响是乙烯完全氧化生成CO2和H2O。知分开氧化反响器的气体干基组成为： C2H4 3.22%，N2 79.64%，O2 10.81%， C2H4O 0.83%，CO2 5.5%均为体积分数。 该气体进入水吸收塔，其中的环氧乙烷和水蒸气全部溶解于水中

29、，而其他气体不溶于水，由吸收塔顶逸出后排放少量至系统外，其他循环回氧化反响器。计算1乙烯的单程转化率；2生成环氧乙烷的选择性；3循环比；4新颖原料中乙烯和空气量之比。 . 解：对标题进展初步分析，分析与计算同步进展： 此题因有循环，采用代数解法。 由转化率和选择性的概念可知，需计算反响过程中的变化量，即需求进展物料衡算才干得知。 由题给条件分开反响器的气体干基组成，可选定计算基准为反响器出口气中100 mol干气。 由题意画出流程方框图，选定各物料未知量符号，并根据题意标明各组分量。 由于有两个反响式，组分也较多，所以采用原子衡算法计算。.该过程的流程方框图如下：计算基准：反响器出口气中100

30、 mol干气。令新颖原料气FF中C2H4量为Xmol，空气为Ymol含79% N2和21%O2；排放气为Wmol；乙烯完全氧化生成的水量为Zmol。Fresh fluidMix fluidproductRecycle feedReaction product Separate productwaste.C2H4 XmolO2N2空气 YmolWmolC2H4 3.22%N2 79.64%O2 10.81%C2H4O 0.83%CO2 5.5%H2O ZmolH2O ZmolC2H4O 0.83molC2H4N2O2CO2C2H4 N2O2 CO2C2H4N2O2CO2C2H4 N2O2 CO2

31、C2H4+0.5O2C2H4OC2H4+3O22CO2+2H2O基准：100 mol干气. 1确定反响产物经分别后的各部分的量。分析：由流程方框图可知，物流RP分别成P和SP，SP分流为RC和W，该两过程均无化学反响，且SP、RC和W三者的组成一样。 那么各部分的量：SP=RPP；RC=SPW又环氧乙烷和水蒸气全部溶解于水中， 那么 P=1000.83%+Z 。 2确定进入反响器的混合物料量。分析：进反响器的气体MF由新颖原料气FF和循环气RC组成，混合过程无化学反响，那么MF=FF+RC。.RP、P、SP、W中各组分物质的量和组成表 物料RP（出反应器气）P（产物）SP（出吸收塔气）W（排放

32、气）mol干基mol%molmolmol%molmol%C2H43.223.223.223.250.0325 W3.25O210.8110.8110.8110.900.109 W10.90N279.6479.6479.6480.300.803 W80.30C2H4O0.830.830.83CO25.55.55.55.550.0555 W5.55H2OZZ总计100+Z1000.83+Z99.17100W100.RC、FF和MF中各组分物质的量和组成表 物料RC（循环气=SP-W）FF（新鲜原料气）MF（混合原料气）molmol%molmol%mol%C2H43.22-0.0325W3.25X3.22-0.0325W+XO210.81-0.109W10.900.21Y2110.81-0.109W+0.21YN279.64-0.803W80.300.79Y7979.64-0.803W+0.79YC2H4OCO25.5-0.0555W5.555.5-0.0555WH2O总计99.17-W100X+Y100X+Y +99.17-W.3作总系统物料衡算，求出详细的量。 重新颖原料气开场，到以产物和排放气的方式分开系统为止，因吸收剂水的输入和输出的量不变，可不思索，那么总系统衡算图为：.用原子衡算法计算： FF中某元素的原