化工设计之物料衡算与能量衡算培训讲义

化工设计第四章物料衡算与能量衡算Chart4materielbalanceandenergybalance4.1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应用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行定量计算。通过物料衡算解决以下问题：计算原料消耗量、副产品量；输出过程物料的损耗量及三废的生成量；在物料衡算基础上做能量衡算，计算蒸汽、水、电、煤或其他燃料的消耗定额。计算产品的技术经济指标。

为生产设备和辅助设备的选型及设计、管路设施与公用工程的设计等方面提供依据。衡算计算范围示意图：

图中方框表示一个体系，虚线表示体系边界。共有三个流股，进料1、2及出料3。123一、物料衡算依据

1.理论依据——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一般表达式为：

输入量－输出量＋生成量－消耗量＝积累量

对稳定操作过程，积累量=0输入量-输出量+生成量-消耗量=0对无化学反应的过程：输入量－输出量＝积累量

对无化学反应的稳定操作过程：输入量＝输出量

对有化学反应的过程：总物料衡算+元素衡算式2.数据基础

(1)技术方案、操作方法、生产能力、年工作时。(2)建设单位或研究单位的要求、设计参数、小试及中试数据：化工单元过程的化学反应式、原料配比、转化率、选择率、总收率，催化剂状态、用量、回收方法、安全性能等；原料及产品的分离方式，分离剂的用量，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)工艺流程示意图。二、物料衡算基准

物料衡算时须选择计算基准，并在计算过程中保持一致。一般计算过程的基准有以下几种：(1)时间基准——对连续生产过程，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生产周期为基准。㎏/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合。(4)物质的量基准：对于有化学反应的过程因化学反应的按摩尔进行的，用物质的量基准更方便。(5)标准体积基准：对气体物料进行衡算，可采用标准体积基准，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。

实际计算时，必须根据具体情况选择合适的基准，过程的物料衡算及能量衡算应在同一基准上进行。可建议：以1t产品为基准以1mol某反应物为基准在连续操作中，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、物料衡算的基本程序

(1)确定衡算对象和范围，画出计算对象的草图。注意物料种类和走向，明确输入和输出。(2)确定计算任务，明确已知项、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，并对所有组分依次编号。(4)对物流的流股进行编号，并标注物流变量。(5)收集数据资料（设计任务所规定已知条件，与过程有关物理化学参数）：

生产规模（设计任务所规定，t/年）和生产时间（指全年有效生产天数300~330天/年，计约8000h）。有关定额的技术指标，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。原辅材料、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、状态方程参数、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，对有化学反应的还要写出化学反应方程式，指出其转化率和选择性。约束式分数约束式设备约束式①进料配比为一常数；②分流器出口物流具有相同的组成；③相平衡常数；④化学反应平衡常数；⑤化学反应的转化率、选择性或其他限度。(7)选择择计计算算基基准准；；(8)统计计变变量量个个数数与与方方程程个个数数，，确确定定设设计计变变量量个个数数及及全全部部设设计计变变量量。。(9)整理并并校核核计算算结果果，并并根据据需要要换算算基准准，最最后列列成表表格即即物流流表。。(10)绘制物物料流流程图图，编编写物物流表表作为为设计计文件件成果果编入入正式式设计计文件件。衡算计计算范范围示示意图图：边界线线（BoundaryLine）围起起来的的区域域构成成衡算算范围围。例:某尿素素厂的的生产产能力力为6万t尿素/a,年操作作日300d，尿素素的氨氨耗为为0.6t氨/t尿素，，生产产过程程的氨氨损失失按5%考虑，，已知知以1t氨为基基准的的某股股气体体的组组成和和量如如下表表所示示。组成CO2COH2N2CH4合计％(mol)28.561.252.6117.050.575100kmol54.302.29100.0432.431.093190.99列出该该股气气体的的组成成和流流量表表。解:小时氨氨耗为为60000×0.6×1.05300×24=5.25t/h以1t氨为基基准的的各组组分的的kmol量乘以以5.25所得结结果为为流量量。气体的的流量量和组组成如如下表表所示示:组成CO2COH2N2CH4合计％(mol)28.561.252.6117.050.575100kmol/h285.112.02525.2170.25.74998.3无化学学反应应的物物料衡衡算1、简单单过程程的物物料衡衡算2、多单元元系统统在化工工过程程中，，一些些只有有物理理变化化，不不发生生化学学反应应的单单元操操作，，如混混合、、蒸馏馏、蒸蒸发、、干燥燥、吸吸收、、结晶晶、萃萃取等等。这些过程都可可以根据物料料衡算式，列列出总物料和和各组分的衡衡算式，再用用代数法求解解。1、简单过程的的物料衡算简单过程是指指仅有一个设设备或一个单单元操作或整整个过程简化化成一个设备备的过程。这这种过程的物物料衡算比较较简单，在物物料流程简图图中，设备边边界就是体系系边界。例：一种废废酸，组成为为23％(质量％)HNO3，57％H2SO4和20％H2O，加入93％的H2SO4及90％的浓HNO3，要求混合成成27％HNO3及60％H2SO4的混合酸，计计算所需废酸酸及加入浓酸酸的数量。解：设x为废酸量，kg；y为浓H2SO4量，kg；z为浓HNO3量,㎏；⑴画物料流程简简图⑵选择基准:可以选废酸或或浓酸的量为为基准，也可可以用混合酸酸的量为基准准，因为四种种酸的组成均均已知，选任任何一种作基基准计算都很很方便。⑶列物料衡算式式，该体系有有3种组分，可以以列出3个独立方程，，所以能求出出3个未知量。基准：100kg混合酸总物料衡算式式x+y+z=100(1)H2SO4的衡算式0.57x+0.93y=100×0.6=60(2)HNO3的衡算式0.23x+0.90z=100×0.27=27(3)解(1)，(2)，(3)方程，得x=41.8kg废酸y=39kg浓H2SO4z=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、多单元系统统对有多个设备备的过程，进进行物料衡算算时，可以划划分多个衡算算体系。此时时，必须选择择恰当的衡算算体系，这是是很重要的步步骤。不然会会使计算繁琐琐，甚至无法法求解。例：造纸厂的的碱回收工序序有一个四效效蒸发器,供料方式为Ⅲ→Ⅳ→Ⅱ→→Ⅰ,蒸发器的总处处理量为80000㎏㎏/h造纸废液(黑液)。计算总蒸发发水量和每一一效蒸发器的的蒸发水量。。四效蒸发系统统的物料平衡衡四效蒸发系统统的物料衡算算过程将整个系统简简化为一个单单元，可计算算出总蒸发量量则总蒸发水量量为FX进=（F进-W）X出四效蒸发系统统的物料衡算算过程第三效蒸发水水量为则第Ⅳ效的蒸发水量量WⅣ为进入第Ⅳ的料液量80000-12600=67400kg/h类推得：ＷⅡ＝15000kg/hＷⅠ＝18100kg/h反应过程的物物料衡算1、直接计算法法在物料衡算中中，根据化学学反应式，运运用化学计量量系数进行计计算的方法，，称为直接计计算法。例：甲醇氧化化制甲醛，其其反应过程为为CH3OH+1/2O2→HCHO+H2O反应物及生成成物均为气态态。甲醇的转转化率为75％，若使用50％的过量空气气，试计算反反应后气体混混合物的摩尔尔组成。解：画出流程程示意图，如如下图：催化反应器器CH3OH空气（过量50%)CH3OHHCHOH2OO2N2基准：1molCH3OHCH3OH+1/2O2→HCHO+H2O根据反应式式：需氧＝0.5氧入=0.5××1.5=0.75氮入＝氮出出＝0.75××(79/21)=2.82反应的甲醇醇量＝0.75××1=0.75甲醛的出量量＝0.75甲醇的出量量＝1－0.75=0.25氧的出量＝＝0.75－0.75××0.5=0.375水的出量＝＝0.75计算结果如如下表：组分CH3OHHCHOH2OO2N2总计mol0.2500.7500.7500.3752.8204.945摩尔分数（（％）5.015.215.27.657.0100.0２、元素衡衡算法元素衡算是是物料衡算算的一种重重要形式。。在作这类类衡算时，，并不需要要考虑具体体的化学反反应，而是是按照元素素种类被转转化及重新新组合的概概念表示为为：输入(某种元素)＝输出(同种元素)对反应过程程中化学反反应很复杂杂，无法用用一、两个个反应式表表示的物料料衡算，可可以列出元元素衡算式式，用代数数法求解。。C3H8+5O23CO2+4H2O基准：100mol烟道气：设：N-烟道气中N2的molQ-烟道气中H2O,molM-烟道气中O2的molA-输入空气molP-烟道气中CO2的molB-输入丙烷，，mol列平衡式：：C平衡：3P=BN2平衡:0.79A=NH2平衡：4Q=B过剩氧气:0.21A×0.25/1.25=MO2平衡：0.21A=M+P+2Q烟道气总量量:N+M+P+Q=100丙烷充分燃燃烧时，要要供给的空空气量为理理论量的125%，问每100mol燃烧产物，，需多少mol的空气？反反应：燃烧丙烷空气（O2N2）CO2H2OO2N2３、用联系系组分作衡衡算“联系组分”是指随物料料输入体系系，但完全全不参加反反应，又随随物料从体体系输出的的组分，在在整个反应应过程中，，它的数量量不变。如果体系中中存在联系系组分，那那么输入物物料和输出出物料之间间就可以根根据联系组组分的含量量进行关联联。例如，，F、P分别为输入入、输出物物料，T为联系组分分。T在F中的质量分分数为XFT，在P中的质量分分数为XPT，则F与P之间的关系系为：FXFT=PXPT某厂用空气气和邻二甲甲苯生产苯苯酐。原料料流量为：：205kg/h邻二甲苯，，4500m3（STP）/h空气，从反反应的计量量关系可知知，生成1mol苯酐需要反反应掉1mol的邻二甲苯苯。经化验验得到反应应器出口气气体的组成成为：试计算：1）邻二甲苯苯的转化率率，苯酐收收率；2）苯酐的年年产量（年年工作日330天）循环过程的的物料衡算算例如在生产产中一般般将未反应应的原料与与产品先分分离，后循循环返回原原料进口处处，与新原原料一起再再进入反应应器反应。。例如苯直接接加氢转化化环己烷中中的循环过过程：混合器泠凝器新鲜Ｈ2纯C6H6循环Ｈ280%Ｈ220%C6H6产物3%H2反应器苯直接加氢氢转化环己己烷中的循循环过程的的衡算解：反应为为：C6H6+3H2→C6H12基准：100kmol/h环己烷查苯的总转转化率为99%则生产100kmol/h环己烷需苯苯100／0.99=101.01kmol/h未反应的苯苯为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其摩尔分数数为H2的进料率为为100×3＋3.12=303.12kmol/h苯的进料率率为101.01kmol/h设H2循环量为RR=100.92kmol/h在没有循环环时，一系系列单元步步骤的物料料衡算可按按顺序依次次进行，每每次可取一一个单元．．但是，如如果有循环环的话，由由于循环量量并不知道道，所以逐逐次计算并并不能计算算出循环量量。其解法法有二：代数法：在循环存在在时，列出出物料平衡衡方程式，，并求解。。一般方程程式中以循循环量作为为未知数，，用联立方方程式的方方法进行求求解。迭代代法：：假定定一一个个循循环环量量估估计计值值进进行行计计算算，，将将估估计计值值与与计计算算值值比比较较，，若若不不符符，，重重新新假假定定一一个个估估计计值值，，一一直直计计算算到到估估计计值值与与计计算算值值之之差差在在一一定定的的误误差差范范围围内内。。联立立方方程程法法：：迭代代法法求求解解循循环环问问题题———序贯贯模模块块法法今有有一一反反应应器器/分离离器器系系统统，，它它将将100kmol/h的组组分分A转化化为为等等物物质质的的量量的的B。每每一一单单程程有有80%的A被转转化化，，在在分分离离器器内内没没有有物物质质的的变变化化，，分分离离后后的的98%的A和1%的B再循循环环。。例：：丙丙烷烷在在催催化化反反应应器器中中脱脱氢氢生生成成丙丙烯烯，，其其反反应应式式为为：：C3H8C3H6+H2丙烷烷的的总总转转化化率率为为95%，反反应应生生成成物物经经分分离离器器分分成成产产物物P和循循环环物物料料R，产产品品中中含含有有C3H8、C3H6及H2，其其中中C3H8的量量为为未未反反应应C3H8的0.555%，循循环环物物料料中中含含有有C3H8和C3H6，其其中中C3H6的量量是是产产品品中中C3H6的5%，试试计计算算产产品品组组成成、、循循环环物物料料组组成成和和单单程程转转化化率率。。物料料衡衡算算汇汇总总表表(1)产品品消消耗耗定定额额产品品消消耗耗定定额额主要要原原料料、、辅辅助助材材料料的的品品种种、、规规格格及及年年需需求求量量(2)原辅辅材材料料需需求求一一览览表表4.2能量衡算算化工生产产中，需需要通过过能量衡衡算解决决的问题题：⑴确定定物料输输送机械械和其他他操作机机械所需需功率。⑵确定定各单元元过程所所需热量或冷冷量及其传递速率率。⑶化学学反应所所需的放热速率率和供热速率率。⑷做好好余热综合合利用。能量衡算算的基本本方程式式在物料衡衡算基础础上进行行能量衡衡算，能能量衡算算的步骤骤与物料料衡算相相同。根据热力力学第一一定律，，能量衡衡算方程程可写为为：Q+W=E=Ek+Ep+UW=Wt+Ws，Wt为流动功功，Ws为轴功；1.封闭体系系的能量量衡算方方程封闭体系系特点：：与环境只只有能量量交换，，而无物物质交换换，如间歇操作作过程，体体系物质质的动能、位位能、压压力能无无变化，则：U=Q+W若体系与与环境没没有功的的交换，，即W=0，则：Q=U2.流动体系系的能量量衡算方方程——物料连续续通过边边界进出出能量输入入速率-能量输出出速率=能量积累累速率连续稳定定流动过过程的总总能量衡衡算方程程为：3.热量衡算算式及说说明⑴热量衡算算式在反应器器、蒸馏馏塔、蒸蒸发器、、换热器器等化工工设备中中，W、Ek、Ez与Q、U和H的相比，，可以忽忽略。总能量衡衡算式为为：封闭体系系Q=∆∆U敞开体系系Q=∆∆H对这些设设备做能能量衡算算的实质质就是进进行热量量衡算。。连续稳定定流动体体系的热热量衡算算：Q=H1–H2或Q=U1–U2实际计算算时，还还常使用用下式：：Qin=QoutQ1+Q2+Q3=Q4+Q5+Q6Q1——物料带入入热量；；Q2——加热介质质供给或或输出的的热量，，输入为为正，输输出为负负；Q3——过程的热热效应，，吸正放放负；Q4——物料带出出热量；；Q5——消耗在加加热设备备各部件件上的热热量；Q6——设备向四四周的散散热损失失；⑵热量衡算算的步骤骤①建立单位位时间为为基准的的物料流程程图或物物料平衡衡表。②选定计算基准准温度和和计算相相态：可选0℃(273K)、25℃(298K)或其他温温度作为为基准温温度。③在物料料流程图图上标明明已知温温度、压压力、相相态等条条件，查查出或计计算每个物料料的焓值值，标注注在图上上。④列出出热量衡算算式，用数学学方法求求解。⑤当生生产过程程及物料料组成较较复杂时时，可列列出热量衡算算表。4.机械能衡衡算式连续稳定定流动过过程的总总能量衡衡算方程程为：在一些单单元操作作中，Q、U与动能和和位能变变化及外外功相比比，相对对较小，，如流体体流入流流出贮罐罐、贮槽槽、工艺艺设备、、输送设设备、废废料排放放，管道道流动等等过程。。单位质量量不可压压缩流体体流动时时的机械械能衡算算式：4.3化工模拟拟软件在在化工设设计中的的应用计算机用用于化工工设计的的主要环环节：物性数据据检索(物理性质质、热力力学性质质数据)；化工过程程模拟设设计(CAPD)；计算机辅辅助绘图图设计(CAD)；计算机辅辅助工程程(CAE)等目前用的的较多的的化工流程程模拟计计算软件件有PRO/II、HYSYS、ASPENPLUS等。PRO/II流程模拟拟软件PRO/II由美国模模拟科学学（SIMSCI）公司研研发提供供的。是是目前石石油化工工行业最全面的的流程模模拟软件件，已被广广泛地应应用于化化学过程程的严格格的质量量和能量量平衡。。西安石油油大学2006年也购买买了该软软件，20个用户终终端。PRO/II流程模拟拟软件功功能特点点适用行业业：油/气加工、、炼油、、化工、、化学工工程、建建筑、聚聚合物、、精细化化工/制药模拟应用用：新工艺设设计、评评估改变变的装置置配置、、改进现现有装置置、消除除装置工工艺瓶颈颈、优化化和改进进装置产产量和效效益。组份数据据库：2000多纯组分分库、1900多组分/种类电解解质库等等。混合物数数据：用于3000多VLE二元作用用参数、、2200在线共沸沸混合物物用于参参数估算算、专用用数据包包等。热力学计计算方法法：60多个热力力学模型型。热力学数数据：特殊包：：胺，乙乙二醇，，酒精；；超过5000个二元交交互参数数；专用用的水溶溶性数据据；超过过550个Henry系数；二二元交互互参数预预测；热热力学数数据回归归。设计化工工单元操操作：闪蒸罐，，间歇精精馏器，，蒸馏器器，液－－液抽提提精馏器器，侧线线塔，压压缩机，，结晶器器，旋流流器，减减压设备备，溶解解器，膨膨胀机，，闪蒸，，带有固固体的闪闪蒸，LNG多股流换换热器，，精确核核算型换换热器，，简单换换热器，，严格空空冷器模模型，加加热/冷却曲线线，混合合器，相相包络，，管道，，聚合物物反应器器，泵，，回流泵泵，阀，，刮膜式式蒸发器器，平衡衡反应器器，转换换反应器器，吉布布斯反应应器，塞塞流反应应器，平平推流反反应器，，全混流流反应器器，间间歇式反反应器，，固态颗颗粒分离离器，分分裂器，，单变量量控制器器，多变变量的控控制器，，物流计计算器，，流程优优化器，，过程数数据，用用户自定定义操作作单元，，(电解质模模块，SIMSCI外接的模模块)等。用户扩展展功能：：用户自定定义物流流属性包包；增