物料衡算和能量衡算

1、第三章 物料衡算和能量衡算掌握: 物料衡算和能量衡算步骤、非反响过程和反了解: 物料衡算和能量衡算的重要意义了解: 平衡方程；衡算基准；应过程的物料衡算和能量衡算.义务： 1、找出主副产品的生成量、废物的排出量; 2、确定原资料耗费定额; 3、确定各物流的流量、组成和形状; 4、确定每一个设备内物质转换与能量传送速度。目的： 为确定操作方式，设备选型以及设备尺寸、管路设备与公用工程提供根据。本章义务与目的：.3-1 设计计算前的预备任务 (4)流体保送过程参数(、摩擦系数等)。1. 工艺性资料的搜集(1)物料衡算提纲消费步骤和化学反响包括主、付反响;各步骤所需的原料，中间体规格和物理化学性质;

2、废品的规格和物化性质;每批加料量或单位时间进料量;各消费步骤的产率；(2)工艺流程图及阐明；(3)热量计算参数和设备计算数据(H、Cp、K、等)；.5传质过程系数，相平衡数据;6冷冻过程的热力学参数;7详细的工艺操作条件温度T、压力P、流量G;8介质物性和材质性能，材质数据，腐蚀数据;9车间平立面布置的参考资料;10管道设计资料管道配置、管道材质、架设方 式、管件、阀件等;11环境维护、平安维护等规范和资料。3-1 设计计算前的预备任务 .2. 工程性资料的搜集1气候、地质资料;2公用工程的耗费量，辅助设备才干;3总图运输、原料保送方式、储存方式;4上、下水资料;5配电工程资料;6仪表自控资料

3、等。3. 资料的来源1科研单位研讨报告2设计单位设计图纸、设计阐明书3基建单位厂址方案、基建工程资料和安装工程资料3-1 设计计算前的预备任务 . 车间原始资料、各种消费报表 工艺操作规程 设备岗位操作法 设备维护检修规程及设备维修纪录卡 劳动维护及平安技术规程 车间化验室的分析研讨资料 车间实测数据 工厂科室掌握的技改资料 供销科的产品目录和样本 财务科的产品原料单耗及本钱分析资料 全厂职工劳动福利的生活资料(4)消费单位(现场操作数据和实践的经济技术目的)5可行性研讨报告、各国文摘和专利、各类工艺书籍、各类调查报告、各种化工过程与设备计算等书籍。3-1 设计计算前的预备任务 .1Indus

4、trial Chemicals2Encyclopedia of Chemical Technology3Science and Technology4Chemical Abstracts C.A5Handbook of Technology6I.C.T 物性手册7化工工艺设计手册8资料与零部件手册4. 几本常用的化工设计资料和手册3-1 设计计算前的预备任务 .3-2 物料衡算1物料衡算能为化工设计提供的根底数据(目的)1物料耗费定额。2工艺设备的大小尺寸。3管道的大小尺寸。4为能量衡算提供根底数据。设计义务书、消费量、工艺技术条件、反响转化率、相平衡数据等。2物料衡算的根据1 物料衡算的目的

5、、根据.稳定操作过程:系统内无化学反响:系统内无化学反响的稳态操作过程:(FiFo)DpDr0FiFoWFiFo03物料衡算式：FiFo Dr WDp进入过程单元的物料衡算流出过程单元的物料量在过程单元内生成的物料量在过程单元内耗费的物料量过程单元内累积的物料量 1 物料衡算的目的、根据3-2 物料衡算.2、物料衡算的步骤 8列出物料衡算式，及其他相关约束式，进展物料衡算；1化工过程分析；2画出方框图方框流程图；3分析化学反响过程，写出主、副反响化学反响方程式；4确定衡算体系；5根据设计要求确定写明年产量、年任务日或每昼夜的6选定计算规范，并在图上注明所选的基准值；7搜集计算需求的数据；9将物

6、料衡算结果列成物料平衡表，画出物料平衡图。消费才干、产率、产品的纯度要求等；3-2 物料衡算.例：乙苯反响器内的反响如下：乙烯+苯乙苯乙苯+乙烯二乙苯二乙苯+苯乙苯二乙苯+乙烯三乙苯三乙苯+苯乙苯，二乙苯乙苯、二乙苯甲苯、二甲苯、正丁苯、异丙苯、 杂环化合物2、物料衡算的步骤 3-2 物料衡算.(2)批量基准 3、物料衡算的基准运算中坚持一致。假设基准选得好，计算变得简单。进展物料衡算时，必需选择一计算基准，并在整个(1)时间基准 延续小时，天 间歇釜，批(3)或知进料/出料组成 (4)物质的量基准(5)规范体积基准3-2 物料衡算. C3H8 + 5O2 = 3CO2 + 4H2O每100k

7、mol熄灭产物需求多少摩尔空气？氧气过量25%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例3-1：.2.基准：1kmol空气实践供氧 0.21/1.25=0.168kmol；熄灭C3H8 0.21/51.25 =0.0336kmol；供应空气量 1kmol； 其中氮气量 0.79kmol；产生：CO2 0.101kmol；

8、 H2O 0.kmol； O2 0.042kmol； N2 0.79kmol；合计 1.068kmol；x = 93.7kmol.3基准：100kmol烟道气以元素平衡法：C3H8 + 5O2 = 3CO2 + 4H2OC平衡 B = 3P；H2平衡 B = 4Q；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 = 93.7kmol； C3H8 B = 3.148kmol； N2 N = 74.02kmol； O2 M = 3.935 kmol； C

9、O2 P = 9.445 kmol ； H2O Q = 12.59 kmol。.分数约束式 4、约束式 可分为两类：式中xij第j组分在第i股物流中的摩尔分数(或质量分数)；Ns物流的股数；Nc物流组分数。(i=1,2,，Ns) (3-2)当普通物流的组成用摩尔分数或质量分数表示时，有下式成立： 3-2 物料衡算. 常见的设备约束式有： 进料比 (或任何两股物流的量之比) 为一常数； 两股物流具有一样的组成 (如分流器)； 相平衡常数； 化学平衡常数； 化学反响过程中的转化率、选择性或其他限制。() 设备约束式3-2 物料衡算.有Ns股物流， Nc个组分数，Np个设备参数总变量数： Nv= N

10、sNc +1+ Np 设计变量：变量3-2 物料衡算. 转化率转化率 = xA = 选择性选择性 = = 3-2 物料衡算. 收率收率 = 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3-2 物料衡算.稳态过程以各物流的总流量Fi及组成xij表示,那么有： j=1,2,Nc (35)式中 Fi第i股物流物质的量流量； xij第j组分在第i股物流中的摩尔分数； vjm第j组分在第m个化学反响中的化学计量系数； rm第m个化学反响的反响速率； Nr过程中所包含的化学反响个数。.3车间物料衡算.物理吸收、结晶、提纯、脱水等3.3.1 无化学反响过程的物料衡算 1.简单过

11、程的物料衡算(无化学反响、单设备)常见操作有:混合、蒸馏、精馏、增湿、气体混合物的部分冷凝、液体混合物的部分气化、闪蒸、对于非反响的延续稳态过程，式(3-5)可简化为：(j=1,2,Nc. 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=F4例3-2：3.3.1 无化学反响过程的物料衡算 .有多个设备过程的物料衡算甚至无法求解。 算体系，这是很重要的步骤

12、。不然会使计算繁划分多个衡算体系。此时，必需选择恰当的衡对有多个设备的过程，进展物料衡算时，可以3.3.1 无化学反响过程的物料衡算 .有两个蒸馏塔的分别安装，将含50%苯、30%甲苯20% (mol%)二甲苯的混合物分成较纯的三个馏分，其流程图及各流股组成如图。计算蒸馏1000 mol/h原料所得各流股的量及进塔物料的组成。例3-3：.乙烯部分氧化制取环氧乙烷，乙烯在过量空气存在条件下经过银催化剂进展。主反响:2C2H4+O22C2H4O 副反响:C2H4+3O22CO2+2H2O 进料物质的流量为1000mol/h，进料中含 C2H4摩尔分数10，乙烯的转化率为25，生成产物的C2H4的选

13、择性为80，计算反响器出口物流的流量与组成。 3.3.2 有化学反响过程的物料衡算例3-4.利用化学反响速度求解。 (1)组分编号 组分C2H4O2N2C2H4OCO2H2O编号123456 (2)计算简图 (3)方程与约束式：物料平衡方程; 摩尔分数约束式; 设备约束式; (4)变量分析 (5)求解方程组F2F1X11, X12, X13X21, X22, X23, X24, X25, X26 1r1, r2 催化反响器2F1X11-F2X21-2r1-r2=0F1X12-F2X22-rl-3r2=0FlX13-F2X23=0 -F2X24+2r1=0 -F2X25+2r2=0 -F2X26

14、+2r2=OXll+X12+X13=1X21+X22+X23+X24+X25+X26=l 转化率表达式: 选择性表达式: 空气中氧与氮具有固定的比例: 2C2H4+O22C2H4O C2H4+3O22CO2+2H2O ()直接求解法.输入(某种元素)输出(同种元素)()元素衡算法 用甲烷和氢的混合气完全熄灭来加热锅炉，反响方程式如下：CH4+2O2CO2+2H2OH2+1/2O2H2O烟道气的组成mol ：N2，72.19%；CO2, 8.12%; O2, 2.44%; H2O, 17.25%;计算:(1)燃料中甲烷与氢气的摩尔比;(2)空气与(CH4+H2)的摩尔比.例3-5:.用联络组分作

15、衡算 “联络组分是指随物料输入体系，但完全不参与反应，又随物料从体系输出的组分，在整个反响过程中，它的数量不变。 假设体系中存在联络组分，那么输入物料和输出物料之间就可以根据联络组分的含量进展关联。 用联络组分作衡算，尤其是对含未知量较多的物料衡算，可以使计算简化。.例如，F、P分别为输入、输出物料，T为联络组分。T在F中的质量分数为xFT，在P中的质量分数为xPT，那么F与P之间的关系为 ：F xFTP xPT ，即 ：3.3.2 有化学反响过程的物料衡算.采用以减小误差。但是，应该留意，当某个联络组选择联络组分时，假设体系中存在数种联络组分，那么，此时就要选择一个适宜的联络组分，或结合分数

16、量很小，而且此组分的分析相对误差又较大时，那么不宜选用。 3.3.2 有化学反响过程的物料衡算.具有循环、排放即旁路过程的物料衡算先根据知的条件及所求的未知量选择适宜的衡算体系，列出物料衡算式再求解。假设存在联络组分，那么可以利用联络组分计算。 有循环的过程，转化率常分为单程转化率与总转化率：.总物料衡算： F= P+W反响器物料衡算：MF=RP分别器物料衡算：RP=S+P结点A物料衡算：F+R=MF结点B的物料衡算：S=R+W具有循环、排放即旁路过程的物料衡算.例3-7：有物流循环的计算：乙烯与氯气反响消费氯乙烯的过程如以下图：在各反响器中发生如下反响：(A)氯化反响C2H4+Cl2C2H4

17、Cl2 (DCE：二氯乙烷 DCE收率98%B)次氯化C2H4+2HCl + 0.5O2C2H4Cl2 +H2O DCE以乙烯为基准的收率为95% 以HCl为基准的收率为90%C)热裂解C2H4Cl2C2H3Cl (VCM) + HClVCM的收率为99%，HCl的收率为99.5%设VC产量为12500kg/h，试求Cl2, C2H4流量及HCl的循环量。.3.4.1能量衡算的概论 1 能量衡算的意义供主要根据。先进的主要目的之一。能量衡算可为降低能耗提能耗是衡量工艺过程、设备设计、操作制度能否.4能量衡算. 化工计算中能量衡算可以处理的问题 (4)充分利用能耗，使过程的总能耗降低到最低；(1

18、)确定液体保送机械(泵、紧缩机、通风机等)、其却等所需热量或冷量、及其传送速率; 一定的反响温度；它操作机械搅拌机、过滤机、粉碎机)所需的功率；(2)确定各单元过程蒸发、蒸馏、冷凝、冷(3)控制放热或供热速率，确保有热效应反响坚持3.4.1能量衡算的概论 .2. 与能量衡算有关的几个重要物理量 (1).热量Q(2).功W (3).焓(H)(4).热容Qm C T是能量传送的两种方式，不是物系的性质3.4.1能量衡算的概论 .a 理想气体焓表;计 算d 饱和蒸汽物性参数表.b 经过附录查取焓、热容、熵的多项式及多项式的焓温图(H-T图);温熵图(T-S图);压焓图(P-H图);e 普遍化焓差图

19、焓c 热力学图表; 焓浓图,蒸汽焓熵图;常数，利用Cp-T关系式进展计算;3.4.1能量衡算的概论 .(1) 阅历公式多项式热容的计算(2) 平均热容(3) 估算3.4.1能量衡算的概论 .(1)延续稳定流动过程1. 总能量衡算式 H +Ek + EP Q + W3.4.2 能量衡算的根本方法与步骤输入的能量一输出的能量积累的能量HQ+Wa、体系在设备进出口之间的动能变化，位能变化 与焓变相比较，其值很小，可忽略不计。如流体 经紧缩机、膨胀机所发生的变化，上式可简化为：. b、当流体流经管道，阀门、换热器、混合器等设 备时，体系与环境没有功的交换，而进出口的动 能与位能变化可略而不计，由上式得

20、：H=Qc、流体流经节流膨胀，绝热反响，绝热混合等过程 时，体系与环境既无热量交换，也不做轴功，进 出口的动能变化、位能变化可略而不计，那么有：H=0 d、机械能量平衡方程。 由稳态流动体系的能量平 衡方程可进一步导得机械能平衡方程。3.4.2 能量衡算的根本方法与步骤.(2)间歇过程U Q + WU Q 总能量衡算式：U +Ek + EP Q + W3.4.2 能量衡算的根本方法与步骤. 2.热量衡算的根本方法及步骤 (1)等压变化:Q = n T1T2CpmdT 或 Q = n T1T2 CpdT 常经过计算过程的焓变求过程放出或吸收的热。 热衡算的两种情况： (2)对于一些不能或很难直接

21、测定的热量或能量，3.4.2 能量衡算的根本方法与步骤.热量衡算的根本方法： 两种情况：1、在设计时，根据给定的进出物料量及知温度求另一殷物料的未知物料量或温度，常用于计算换热设备的蒸汽用量或冷却水用量。2、在原有的安装上，对某个设备，利用实践测定有时也要作一些相应的计算的数据，计算出另一些不能或很难直接测定的热量或能量，由此对设备作出能量上的分析。如根据各股物料进出口量及温度，找出该设备的热利用和热损失情况。3.4.2 能量衡算的根本方法与步骤.e 当消费过程及物料组成较复杂时，可列出热量衡算表 a 建立以单位时间为基准的物料流程图(或平衡表);b 在物料流程框图上标明己知温度、压力、相态等

22、条件，c 选定计算基准温度； d 列出热量衡算式，然后用数学方法求解未知值；也可以100mol或100kg原料为基准；计算时相态确实定也是很重要的；并查出或计算出每个物料组分的焓值，于图上注明； 热量衡算的根本步骤： 3.4.2 能量衡算的根本方法与步骤. 恒压时温度的变化；有以下5种阶段的类型： 焓差衡算途径 恒压恒温时相态的变化； 恒温时压力的变化； 两个或两个以上物质在恒温恒压时的混合和分别； 恒温恒压时的化学反响过程。3.4.2 能量衡算的根本方法与步骤.3.4.3 无化学反响过程的能量衡算用来确定过程的热量。如汽化、分流、溶液稀释、普通运用于计算指定条件下进出过程物料的焓差，增湿、物

23、理吸收和蒸馏等物理过程的热量衡算。.(流体流入流出贮罐、贮槽、工艺设备、保送设备、废料排放设备) 两类物理过程:(1) W、 Ek、 Ep Q、 U 和H ; (反响器、蒸馏塔、蒸发器、换热器等)Q = U (封锁体系)或Q = H (敞开体系 (2) Q、 U W、 Ek、 Ep 3.4.3 无化学反响过程的能量衡算.Cp恒压摩尔热容。 无相变的变温变压过程1. 利用热容计算U或H(1)恒容过程： n物质的摩尔数；Cv恒容摩尔热容；T1和T2始温暖终温。(2)恒压过程： 固体或液体：H=U+(pV)Vp；(3)恒温过程：理想气体：U和H只是温度的函数，与压力无关；真空气体：在低

24、压高温情况下接近理想气体，可忽 略压力对焓的影响，其他情况下，可根据气体的 焓校正图加以校正。.2.单相体系的能量衡算 1体系的进料和出料的每个组分的焓能直接从图表中查得，那么只需直接代人公式中计算H或U即可；2否那么，要为每个组分选一参考态温度、压力和相态，用知的或估算的热容计算过程温度下的焓，方可进展能量衡算。 无相变的变温变压过程.注:均指在一定的压力和温度下的相变热.汽化潜热(Hv熔化潜热(Hm)升华潜热(Ht相变热获得方法：a 纯物质正常沸点熔点相变热查手册;三种相变的相变热： c 用阅历方程计算相变热；b 设计途径求算； 相变过程能量衡算.数量基准是指选

25、那个量作基准来衡算热量。对于延续操作普通以单位时间进料量即进料速率为基准，而温度和相态基精确实定才干从有关手册中查得相关的热力学数据以便用于衡算。热量衡算的基准：数量基准、温度基准和相态基准。 相变过程能量衡算.例3-8 在一热交换器中用压强为kpa的饱和蒸汽加热298k的空气，空气流量为1kg/s，蒸汽的流量为0.01kg/s，冷凝水在饱和温度281K下排出。假设取空气的平均比热为1.005 kJ/kgk，试计算空气出口温度热损失忽略不计。 .解：过程如图示：数量基准 每秒钟蒸汽、空气的流量温度基准 取进口空气温度298KH冷空气 =0相态基准 压强为kpa的饱和蒸汽，查：H蒸

26、汽.281K =2690KJ/kg H 冷凝水281K =452.9KJ/kg衡算范围 封锁虚线所示范围对此延续稳定过程 Q入=Q出，其中：Q入=Q蒸汽 + Q冷空气=0.001H蒸汽 +1 H冷空气Q出=Q热空气 + Q冷凝水=11.005T-298 + 0.001 H冷空气 T：热空气温度，将数据代入解得T=320.3K.3.4.4 化学反响过程的能量衡算 为了使反响温度得到控制，必需自反响体系排走热量或向反响体系供应热量，即反响器必需有供热或冷却用的换热设备，这种措施不但成为反响能否进展的关键，也与能量的合理利用有亲密关系。化学反响过程通常都伴随较大的热效应吸收热量或放出热量。象邻二甲苯

27、氧化制苯二甲酐、乙烯氧化制氧化乙烯这些主要的工业过程，就是放热反响，乙苯脱氢制苯乙烯就是吸热反响。.1、反响热的计算热可用简单的热量加和法求取。的实验数据进展计算。反响热可以用实验方法测定，也可以用已有物质的初态和终态，与过程的途径无关，反响根据盖斯Hess)定律，化学反响热只决议于QvUr(T)恒容反响热:QpHr恒压反响热:3.4.4 化学反响过程的能量衡算 .1由规范生成热Hfo计算规范反响热Hro Hro反响物i(Hco)i产物i(Hco)i Hro生成热i(Hfo)i反响热i(Hfo)i 2由规范熄灭热Hco计算规范反响热Hro 3.4.4 化学反响过程的能量衡算 .的进口温度，或平

28、均热容表示的参考温度。 1第一种基准：知25反响热数据 假设知规范反响热，那么可选298K，latm为反响物及产物的计算基准。对非反响物质另选适当的温度为基准如反响器3.4.4 化学反响过程的能量衡算 1、反响热的计算.可假设如下热力学途径:进口温度,反响前物料出口温度,反响后物料25, 反响前物料25,反响后物料H1H2HH3.(2) 第二种基准以组成反响物及产物的元素，在25，1atm 时的焓为零，非反响分子以恣意适当的温度为基准，也要画一张填有一切流股组分 ni 和 Hi 的表，只是在这张表中反响物或产物的Hi，是各物质25 的生成热与物质由25变到它进口形状或出口形状所需显热和潜热之和

29、。知反响温度下的反响热数据，那么可按假设的热力学途径进展计算。1、反响热的计算3.4.4 化学反响过程的能量衡算 .P204 例5.22例 3-9甲醇氧化消费甲醛在列管式固定床催化反响器中进展，原料气：空气:甲醇=13.28:1(mol),预热至210后进入反响器内,发生的反响及反响热为：主反响：副反响：知：甲醇转化率100%;甲醛收率88.9%; CO:CO2=3：1(mol)；反响温度为300，混合气体分开时T= 300，反响热损失为反响器放出总热量的5%。CH3OHO2N2H2OHCHOCOCO225-21025-30052.5530.1330.5929.229.5434.1834.6440.9229.7142.17kJ/kmolK热载体道生的比热容:3.477 kJ/kmolK,进入反响器时T=180 ,于290 时气化,Qv290 =269.9 kJ/kmolK,试做反响器的热衡算,求道生循环量.进口温度,反响前物料知反响温度,反响后物料知反响温度,反响前物料HH1H2.P206 例5.23例 3-10乙烯氧化制成环氧乙烷的反响器中进展如下反响:主反响：副反响：反响温度根本上维持在250，该温度下主、副反响的反响热分别为：乙烯的单程转化率为32%，反响选择性为69%，反响器进口混合气的