物料衡算和能量衡算

1、化工设计第四章 物料衡算与能量衡算 Chart4 materiel balance and energy balance4.1 物料衡算4.2 能量衡算4.3 化工模拟软件在化工设计中的运用 4.1 物料衡算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；在物料衡算根底上做能量衡算，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。衡算计算范围表示图： 图中方框表示一个体系，虚线表示体系边境。共有三个流股，进

2、料1、2及出料3。123一、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 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

3、、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。 /批(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

4、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。 可建议：以1t产品为基准以1mol某反响物为基准在延续操作中，以单位时间，即/h或kmol/h作基准；在间歇操作中，以/批为基准有化学变化的过程，适宜采用质量作基准；无化学变化的过程，以质量或kmol/h为基准对于液固系统常用单位质量作基准，而液相常用单位体积作基准三、物料衡算的根本程序 (1) 确定衡

5、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消费天数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、密度或比体积、形

6、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。约束式分数约束式设备约束式 进料配比为一常数； 分流器出口物流具有一样的组成； 相平衡常数； 化学反响平衡常数； 化学反响的转化率、选择性或其他限制。 (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。 衡算计算范围表示图：边境限Boundary Line围起来

7、的区域构成衡算范围。 例:某尿素厂的消费才干为6万t尿素/a,年操作日300d，尿素的氨耗为0.6t氨/t尿素，消费过程的氨损失按5%思索，知以1t氨为基准的某股气体的组成和量如下表所示。组成 CO2 CO H2 N2 CH4 合计(mol) 28.56 1.2 52.61 17.05 0.575 100 kmol 54.30 2.29 100.04 32.43 1.093 190.99列出该股气体的组成和流量表。解:小时氨耗为 600000.61.05 30024 =5.25t/h 以1t氨为基准的各组分的kmol量乘以5.25所得结果为流量。气体的流量和组成如下表所示:组成 CO2 CO

8、H2 N2 CH4 合计(mol) 28.56 1.2 52.61 17.05 0.575 100 kmol/h 285.1 12.02 525.2 170.2 5.74 998.3无化学反响的物料衡算1、简单过程的物料衡算2、多单元系统在化工过程中，一些只需物理变化，不发生化学反响的单元操作，如混合、蒸馏、蒸发、枯燥、吸收、结晶、萃取等。这些过程都可以根据物料衡算式，列出总物料和各组分的衡算式，再用代数法求解。 1、简单过程的物料衡算 简单过程是指仅有一个设备或一个单元操作或整个过程简化成一个设备的过程。这种过程的物料衡算比较简单，在物料流程简图中，设备边境就是体系边境。例： 一种废酸，组成

9、为23(质量)HNO3，57H2SO4和20H2O，参与93的H2SO4及90的浓HNO3，要求混合成27HNO3及60H2SO4的混合酸，计算所需废酸及参与浓酸的数量。 解：设x为废酸量，kg； y为浓H2SO4量，kg； z为浓HNO3量, ； 画物料流程简图 选择基准:可以选废酸或浓酸的量为基准，也可以用混合酸的量为基准，由于四种酸的组成均知，选任何一种作基准计算都很方便。 列物料衡算式，该体系有3种组分，可以列出3个独立方程，所以能求出3个未知量。 基准：100kg混合酸总物料衡算式 x + y + z=100 (1)H2SO4的衡算式 0.57x + 0.93y=1000.6=60

10、(2)HNO3的衡算式 0.23x + 0.90z=1000.27=27 (3) 解(1)，(2)，(3)方程，得x=41.8kg废酸 y = 39kg浓H2SO4 z = 19.2kg浓HNO3即由41.8kg废酸、39kg浓H2SO4和19.2kg浓HNO3可以混合成100kg混合酸。2、多单元系统对有多个设备的过程，进展物料衡算时，可以划分多个衡算体系。此时，必需选择恰当的衡算体系，这是很重要的步骤。不然会使计算繁琐，甚至无法求解。 例：造纸厂的碱回收工序有一个四效蒸发器,供料方式为,蒸发器的总处置量为80000/h造纸废液(黑液)。计算总蒸发水量和每一效蒸发器的蒸发水量。四效蒸发系统的

11、物料平衡四效蒸发系统的物料衡算过程将整个系统简化为一个单元，可计算出总蒸发量 那么总蒸发水量为FX进=F进-WX出四效蒸发系统的物料衡算过程第三效蒸发水量为那么第效的蒸发水量W为进入第的料液量80000-12600=67400kg/h类推得：15000kg/h 18100kg/h反响过程的物料衡算1、直接计算法在物料衡算中，根据化学反响式，运用化学计量系数进展计算的方法，称为直接计算法。例：甲醇氧化制甲醛，其反响过程为 CH3OH + 1/2O2 HCHO + H2O反响物及生成物均为气态。甲醇的转化率为75，假设运用50的过量空气，试计算反响后气体混合物的摩尔组成。 解：画出流程表示图，如以

12、下图：催化反响器CH3OH空气过量50%)CH3OHHCHOH2OO2 N2 基准：1mol CH3OH CH3OH + 1/2O2 HCHO + H2O根据反响式： 需氧0.5 氧入=0.51.5=0.75 氮入氮出0.75(79/21)=2.82反响的甲醇量0.751=0.75甲醛的出量0.75 甲醇的出量10.75=0.25氧的出量0.750.750.5=0.375水的出量0.75计算结果如下表：组分CH3OH HCHO H2O O2 N2 总计 mol 0.250 0.750 0.750 0.375 2.820 4.945摩尔分数 5.0 15.2 15.2 7.6 57.0 100.

13、0 、元素衡算法 元素衡算是物料衡算的一种重要方式。在作这类衡算时，并不需求思索详细的化学反响，而是按照元素种类被转化及重新组合的概念表示为： 输入(某种元素)输出(同种元素)对反响过程中化学反响很复杂，无法用一、两个反响式表示的物料衡算，可以列出元素衡算式，用代数法求解。 C3H8+5O2 3CO2+4H2O基准：100mol烟道气：设：N-烟道气中N2的mol Q-烟道气中H2O,mol M-烟道气中O2的mol A-输入空气 mol P-烟道气中CO2的mol B-输入丙烷，mol 列平衡式：C平衡：3P=B N2平衡: 0.79A=N H2平衡：4Q=B 过剩氧气:0.21A0.25/

14、1.25=M O2平衡：0.21A=M+P+2Q 烟道气总量:N+M+P+Q=100 丙烷充分熄灭时，要供应的空气量为实际量的125%，问每100mol熄灭产物，需多少mol的空气？反响： 燃烧丙烷空气O2 N2CO2 H2O O2 N2 、用联络组分作衡算 “联络组分是指随物料输入体系，但完全不参与反响，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。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：FXFT =PXPT 某

15、厂用空气和邻二甲苯消费苯酐。原料流量为：205kg/h邻二甲苯，4500m3STP/h空气，从反响的计量关系可知，生成1mol苯酐需求反响掉1mol的邻二甲苯。经化验得到反响器出口气体的组成为：组分苯酐顺 酐邻二甲苯O2N2其他合计%（mol）0.650.040.0316.58784.70100试计算：1邻二甲苯的转化率，苯酐收率；2苯酐的年产量年任务日330天循环过程的物料衡算例如在消费 中普通将未反响的原料与产品先分别，后循环前往原料进口处，与新原料一同再进入反响器反响。例如苯直接加氢转化环己烷中的循环过程：混合器泠凝器新颖2纯C6H6循环280%220%C6H6产物3%H2反响器苯直接加

16、氢转化环己烷中的循环过程的衡算解：反响为：C6H6+3H2C6H12 基准：100kmol/h环己烷 查苯的总转化率为99%那么消费100kmol/h环己烷需苯 1000.99=101.01kmol/h未反响的苯为 101.01-100=1.01kmol/h产物中含H2,设含量为nH2总产量100+1.01+3.12=104.13kmol/h其摩尔分数为H2的进料率为 10033.12=303.12kmol/h苯的进料率为101.01kmol/h设H2循环量为RR=100.92kmol/h 在没有循环时，一系列单元步骤的物料衡算可按顺序依次进展，每次可取一个单元但是，假设有循环的话，由于循环量

17、并不知道，所以逐次计算并不能计算出循环量。其解法有二：代数法：在循环存在时，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，用联立方程式的方法进展求解。迭代法：假定一个循环量估计值进展计算，将估计值与计算值比较，假设不符，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。联立方程法：迭代法求解循环问题序贯模块法 今有一反响器/分别器系统，它将100kmol/h的组分A转化为等物质的量的B。每一单程有80%的A被转化，在分别器内没有物质的变化，分别后的98%的A和1%的B再循环。例：丙烷在催化反响器中脱氢生成丙烯，其反响式为： C3H8 C3H6+H2丙烷的总转化率

18、为95%，反响生成物经分别器分成产物P和循环物料R，产品中含有C3H8、C3H6及H2，其中C3H8的量为未反响C3H8的0.555%，循环物料中含有C3H8和C3H6，其中C3H6的量是产品中C3H6的5%，试计算产品组成、循环物料组成和单程转化率。序号名称规格消耗定额（公斤/公斤产品） 备注物料衡算汇总表(1) 产品耗费定额产品耗费定额序号名称规格单位年需求量备注123主要原料、辅助资料的种类、规格及年需求量(2)原辅资料需求一览表4.2 能量衡算 化工消费中，需求经过能量衡算处理的问题： 确定物料保送机械和其他操作机械所需功率。 确定各单元过程所需热量或冷量及其传送速率。 化学反响所需的

19、放热速率和供热速率。 做好余热综合利用。能量衡算的根本方程式 在物料衡算根底上进展能量衡算，能量衡算的步骤与物料衡算一样。 根据热力学第一定律，能量衡算方程可写为：Q+W=E =Ek+Ep+U W = Wt +Ws，Wt为流动功，Ws为轴功； 1. 封锁体系的能量衡算方程 封锁体系特点：与环境只需能量交换，而无物质交换，如间歇操作过程，体系物质的动能、位能、压力能无变化，那么： U = Q + W假设体系与环境没有功的交换，即W = 0，那么：Q =U 2. 流动体系的能量衡算方程物料延续经过边境进出能量输入速率-能量输出速率=能量积累速率延续稳定流动过程的总能量衡算方程为：3. 热量衡算式及

20、阐明 热量衡算式 在反响器、蒸馏塔、蒸发器、换热器等化工设备中，W、Ek、 Ez与Q、 U和H的相比，可以忽略。总能量衡算式为： 封锁体系 Q = U 敞开体系 Q = H 对这些设备做能量衡算的本质就是进展热量衡算。 延续稳定流动体系的热量衡算： Q = H1H2 或 Q = U1 U2实践计算时，还常运用下式： Qin = QoutQ1+ Q2+ Q3= Q4+ Q5+ Q6Q1物料带入热量；Q2加热介质供应或输出的热量，输入为正，输出为负；Q3过程的热效应，吸正放负；Q4物料带出热量；Q5耗费在加热设备各部件上的热量；Q6设备向周围的散热损失； 热量衡算的步骤 建立单位时间为基准的物料流

21、程图或物料平衡表。选定计算基准温度和计算相态：可选0(273K)、25(298K)或其他温度作为基准温度。在物料流程图上标明知温度、压力、相态等条件，查出或计算每个物料的焓值，标注在图上。 列出热量衡算式，用数学方法求解。 当消费过程及物料组成较复杂时，可列出热量衡算表。 4. 机械能衡算式 延续稳定流动过程的总能量衡算方程为： 在一些单元操作中，Q、U与动能和位能变化及外功相比，相对较小，如流体流入流出贮罐、贮槽、工艺设备、保送设备、废料排放，管道流动等过程。 单位质量不可紧缩流体流动时的机械能衡算式：4.3 化工模拟软件在化工设计中的运用 计算机用于化工设计的主要环节：物性数据检索(物理性

22、质、热力学性质数据)；化工过程模拟设计(CAPD)；计算机辅助绘图设计(CAD)；计算机辅助工程(CAE)等 目前用的较多的化工流程模拟计算软件有PRO/II、HYSYS、ASPEN PLUS等。 PRO/II 流程模拟软件 PRO/II 由美国模拟科学SIMSCI公司研发提供的。是目前石油化工行业最全面的流程模拟软件，已被广泛地运用于化学过程的严厉的质量和能量平衡。 西安石油大学2006年也购买了该软件，20个用户终端。 PRO/II流程模拟软件功能特点 适用行业：油/气加工、炼油、化工、化学工程、建筑、聚合物、精细化工/制药模拟运用：新工艺设计、评价改动的安装配置、改良现有安装、消除安装工艺瓶颈、优化和改良安装产量和效益。组份数据库：2000多纯组分库、1900多组分/种类电解质库等。混合物数据：用于3000多VLE二元作用参数、2200在线共沸混合物用于参数估算、公用数据包等。热力学计算方法：60多个热力学模型。热力学数据：特殊包：胺，乙二醇，酒精；超越5000个二元交互参数；公用的水溶性数据；超越550个Henry系数；二元交互参数预测；热力学数据回归。设计化工单元操作：闪蒸罐，间歇精馏器，蒸馏器，液液抽提