化工设计物料衡算与能量衡算

第三章物料衡算与能量衡算1化工基础数据化工计算以及化工工艺和设备设计中，要用到有关化合物的物性数据。例如，进行化工过程物料与能量衡算时，需要用到密度或比容、沸点、蒸汽压、焓、热容及生成热等等的物性数据；设计一个反应器时，则需要知道化学反应热的数据；计算传热过程时，需要导热系数的数据等等。

化工基础数据：物化数据或物性数据

2基本物性数据—如临界常数（临界压力、临界温度、临界体积）、密度或比容、状态方程参数、压缩系数、蒸气压、气一液平衡关系等。热力学物性数据—如内能、焓、熵、热容、相变热、自由能、自由焓等。化学反应和热化学数据—如反应热、生成热、燃烧热、反应速度常数、活化能，化学平衡常数等。传递参数—如粘度、扩散系数、导热系数等。分类3化工基础数据获取方法查手册或文献资料估算用实验直接测定4物料衡算与能量衡算的概念物料衡算：运用质量守恒定律，对生产过程或设备的物料平衡进行定量的计算，计算出各股物流输入或输出的量及组分等，称之为物料衡算。能量衡算：以热力学第一定律为依据，对生产过程或设备的能量平衡进行定量的计算，计算过程中要供给或移走的能量，称之为能量衡算。能量是热能、电能、化学能、动能、辐射能的总称。化工生产中最常用的能量形式为热能，故化工设计中经常把能量计算称为热量计算。5一、质量守恒（见书）第一节物料衡算的基本方法6物料衡算的目的

1.确定原料的消耗量、副产品量以及输出过程物料的损耗量及三废生成量，判断是否达到设计要求（产品的技术经济指标）。2.作为热量计算的依据。3.根据计算结果绘出物流图，可进行管路设计及材质选择，仪表及自控设计、对生产设备和辅助设备进行选型或设计。7（1）设计任务书（2）建设单位或研究单位所提供的数据（3）工艺流程示意图物料衡算的依据8时间基准：对连续稳定过程，用单位时间的物料量作基准。质量基准：固体或液体物料，选用单位质量为基准；体积基准：气体物料，选用m3（STP），因它不随T、P变化。干湿基准：对含水分的物料，选干基（不计水分），即水分变化时选干基。二、物料衡算的基准91.确定衡算的对象和范围，并画出计算对象的草图。包括求解系统、衡算范围、衡算边界

三、物料衡算的基本步骤102.确定定计算任任务；3.确定定过程所所涉及的的组分；；4.对物物流流股股进行编编号，并并标注物物流变量量；5.收集集数据资资料：一类为设设计任务务所规定定的已知知条件；；一类为与与过程有有关的物物理化学学参数。。6.列出出物料衡衡算方程程及相关关方程117.整理理计算结结果（整整理成原材料消消耗表和物料衡算算表）128.绘制制物料流流程图13无反应过过程指流流体输送送、粉碎碎、换热热、混合合、分离离（吸收收、精馏馏、萃取取、结晶晶、过滤滤、蒸发发、闪蒸蒸、提浓浓、脱水水、增湿湿、干燥燥）等化化工单元元操作。。四、无反反应过程程的物料料衡算14例：有一一湿纸浆浆含水71％，，干燥后后原有水水分的60％除除去，试试计算：：1、每每公斤湿湿纸浆移移去的水水分质量量？2、干纸纸浆的组组成？解：以1kg湿湿纸浆为为基准。。示意图图:1、每公公斤湿纸纸浆移去去的水分分质量：：1×0.71×60%=0.426kg2、作物物料平衡衡：干燥燥纸浆量量＝1－－0.426=0.574kg水：0.71××0.4=0.284kg,干纸浆浆含水量量：0.284/0.574=0.495,纸浆：0.574-0.284=0.29kg,含纸纸浆0.505干燥器湿纸浆浆：0.29水：0.71干燥纸浆浆：？水：？水分15例：每小小时将20kmol含含乙醇40％的的酒精水水溶液进进行精馏馏，要求求馏出液液中含乙乙醇89％，残残液中含含乙醇不不大于3％(以以上均为为摩尔分分数)，，试求每每小时馏馏出液量量和残液液量。解：由全全塔物料料衡算式式可得20=D+W(1)20×0.4=0.89D+0.03W(2)联解方程程式(1)、式式(2)，得馏出液量量D=8．6kmol／h残液量W=11．4kmol／h16例：一股股加料速速率为1000mol/h的的物流，，摩尔组组成如下下:c3为0.20,i-c4为0.30,i-c5为0.20,n-c5为0.30,精精馏液包包括进料料中的全全部丙烷烷和80％的i-c5，精馏液液中含异异丁烷40%，，底液包包括进料料中的全全部n-c5，计算精精馏液和和底液量量，列物物料衡算算表。解：分别别以下标标1、2、3、、4表示示c3、i-c4、i-c5、n-c51000＝D+WD=1000××0.2+D××40%+1000××0.2×80%解得：D=600mol/h,W=400mol/h物料衡算算表如下下：精馏塔17组分进料精馏液底液mol/h摩尔分数mol/h摩尔分数mol/h摩尔分数c3200o.202000.333300i-c43000.302400.4600.1500i-c52000.201600.2667400.1000n-c53000.30003000.7500Σ10001.006001.0004001.00018第二节有有反应应过程的的物料衡衡算19一、基本本概念(1)限限制组组分、过过量组分分在反应过过程中，，在数量量上以最最小化学学计量系系数存在在的组分分称为限制组分分。在数量量上超过过完全反反应所需需理论量量的组分分称为过量组分分。例：原料气中中有CO1mol，，H2O(g)2mol，进行行变换换反应应：CO＋H2O(g)→→H2＋CO2用反应应物的的实际际摩尔尔量除除以各各自对对应组组分的的反应应计量量系数数，此此值最最小者者即为为限制制组分分，其其余为为过量量组分分。所以，，CO是是限制制组分分，H2O(g)是是过量量组分分。20(2)过过量百百分数数过量组组分超超过理理论量量的那那部分分占理理论量量的百百分数数。设设：Nf为过量量组分分的实实际用用量（（质量量或mol量））Nt为过量量组分分的理理论用用量（（质量量或mol量））则：过量%=(Nf－Nt)/Nt×100%如上例例：H2O(g)过过量%=(2-1)/1×100%=100%※过过量量百分分数表表征了了过量量组分分的过过量程程度。。※过过量量组分分是相相对于于限制制组分分而言言的，，它以以限制制组分分为基基准，，没有有限制制组分分，也也就没没有过过量组组分。。21（3））转转化率率转化率率=反应应物的的反应应量/反应应物的的进料料量某一反应物A的消耗量该反应物A的输入量×100%xA

=生成目的产物所消耗限制组分的量限制组分的消耗量×100%Φ=（4））选选择性性22生成目的产物所消耗限制组分的量限制组分的输入量×100%η=（5））收收率η=xA·ΦΦ23“独立立”的的含义义对有化化学反反应的的过程程，应应写独独立的的反应应方程程式或或独立立反应应数。。例如如碳与与氧的的燃烧烧过程程：：①②②③③④④这4个个反应应是否否是独独立的的呢？？如何何判断断呢？？24反应过过程中中，若若有m种元元素和和n个个组分分参与与反应应时，，独立反反应数数为：N反应=n-m上例中中，m=2,n=4∴∴独独立立反应应数：：N反应=4-2=2究竟哪哪2个个是独立反反应呢？判断原原则是是：反应的的组合合过程程中，，不应应少了了某个个组分分。例如：：选①②②、①①③或或②④④可以以但不能能选②②③，，∵②②+③③：C+1/2O2+CO+1/2O2=CO+CO2少了组组分CO选①④④也不不行，，∵①①+④④：C+O2+CO2+C=CO2+2CO少少了组组分CO2选③④④也不不行，，∵③③+④④：CO+1/2O2+CO2+C=CO2+2CO少少了了组分分CO225化学反反应过过程物物料衡衡算的的方法法：（1））直接接计算算法(总物物料衡衡算法法和组组分衡衡算法法相结结合)（2））元素素（原原子））平衡衡法；；（3））平衡衡常数数法；；（4））结点点法（（带有有循环环、放放空及及旁路路的物物料衡衡算））；（6））联系系组分分法。。26（2））元素素平衡衡法：：利用进进出系系统各各元素素的原原子数数目不不变的的性质质进行行计算算。例：丙丙烷脱脱氢可可以生生产丙丙稀。。可惜惜由于于副反反应使使产物物中含含有轻轻烃，，且在在催化化剂表表面有有炭沉沉积。。若在在一反反应器器内，，纯丙丙烷被被转化化成以以下气气体混混合物物（以以mol%计））：丙丙烷45、、丙稀稀20、乙乙烷6、乙乙烯1、甲甲烷3、氢氢25以及及少量量沉积积的炭炭。设设反应应器可可以按按比例例扩大大到处处理58.2mol/d丙烷烷，计计算所所期望望的积积炭速速率？？C3H8:0.45C3H6:0.20C2H6:0.06C2H4:0.01CH4:0.03H2:0.25C3H8F2F1CF3（沉沉积炭炭）27解：以以进料料丙烷烷58.2mol/h为为基准准。H平平衡：：8××58.2＝F2×0.45×8+F2×0.2××6+F2×0.06×6+F2×0.01×4+F2×0.03×4+F2×0.25×2=5.82F2,C平衡衡：3×58.2=F3+F2×0.45×3+F2×0.2××3+F2×0.06×2+F2×0.01×2+F2×0.03解得：：F2＝80mol/d，，F3＝5mol/d28（3））联系系组分分法联系组组分———指指物料料衡算算过程程中联联系进进出物物流的的特定定组分分。例例：例例：甲甲烷和和氢的的混合合气与与空气气完全全燃烧烧以加加热锅锅炉。。产生生的烟烟道气气经分分析其其组成成为（（体积积）N2:72.28,CO2:8.12,O2:2.44,H2O:17.16。试试求：：1、、燃料料中H2与CH4之比；；2、混混合气气与空空气之之比为为多少少？解：画画出衡衡算简简图：：锅炉炉O2:2.44%,N2:72.28%CO2:8.12%,H2O:17.16%O2:20.92%N2:79%其他：：0.08H2+CH4空气：：烟道气气29反应式式为：：CH4+2O2=2H2O+CO2H2+0.5O2=H2O以100烟烟道气气为基基准，，则各各组分分的量量为(mol)：O2:2.44,N2:72.28CO2:8.12,H2O:17.16.（注意意：因因不知知道燃燃料气气组成成，不不能选选进气气量为为基准准）。。1.求求燃料料气组组成以以C作作联系系组分分，燃燃烧前前后碳碳原子子数不不变，，所以以CO2mol数等等于CH4的mol数数，即即CH4＝8.12mol，，需要氧氧气量量为2×8.12＝＝16.24mol。计算进进料的的空气气量，，以N2作联系系组分分，由由烟道道气中中的N2可得进进料中中的总总氧气气量：：72.28××20.92/79=19.14mol,输入空空气量量：19.14+72.28=91.42mol.则用于于氢气气燃烧烧的氧氧为：：19.14-16.24-2.44=0.46mol,故燃料料中含含氢0.46××2=0.92mol燃料气气中H2/CH4=0.92/8.12=0.113,进料料中（（CH4+H2）/空空气＝（0.92+8.12）/91.42=0.09930第三节节反反应应过程程的能能量衡衡算能量衡衡算的的意义义：原料及及产品品的输输送需需要消消耗功──机械能能；物料需需在一一定的的温度度下才才能反反应───热交换；；物质发发生化化学变变化变变成新新的物物质───焓变化；；热、焓焓、功功都是是能量量的表表现形形式。能量的的消耗耗是化化工生生产中中一项项重要的的技术术经济济指标标，是衡衡量工工艺过过程、、设备备设计计、操操作制制度是是否先先进合合理的的主要指指标之一。。因此此能量量衡算算也是是化工工设计计中极极其重要的的组成成部分分。化工生生产中中最常常用的的能量量形式式为热热能，，故化化工设设计中中经常常把能量衡衡算称为热量衡衡算。31热量衡衡算的的目的的：（1））确定传传热设设备的的热负负荷。为设计计传热热型设设备如反应应器、、结晶晶器、、塔式式设备备、输输送设设备、、压缩缩系统统、分分离等等设备备的形形式、、尺寸寸、传传热面面积等等，以以及各各种控控制仪仪表等等提供参参数；（2））确定单单位产产品的的能耗耗指标标；（3））为非工工艺专专业（热工工、电电、给给水、、冷暖暖）的设计计提供供设计计条件件。32一、反反应过过程能能量衡衡算方方程能量衡衡算的的一般般步骤骤与物料衡衡算相同，亦包包括划划分系系统、、画出出流程程简图图、列列写方方程式式与约约束式式，求求解方方程组组及结结果整整理等等若干干步骤骤。能量衡算方方程式的一般形式为：△E=Q＋W如果无轴功功条件下，，进入系统统加热量与与离开系统统的热量应应平衡，即即对传热设备备的热量衡衡算可表示为：：物料带进体体系的热量量加热剂（或或冷却剂））与设备交交换的热量量过程的热效效应物料从体系系带走的热热量消耗在加热热设备各个个部件上的的热量设备向四周周散失的热热量（热损损失）33热量计算的的说明（1）计算基准：指的是能能量（或热量）基准。可取任何何温度，对对有反应的的过程，一一般取25℃为计算算基准。（2）物料的显热可用焓值或或比热容进进行计算。。CP是温度的函函数（3）关于Q2热负荷的计算。““＋”需加加热，““－”需冷冷却。对于于间歇操作，，应分段衡衡算，求出最大大需要量。。（4）Q3为过程的热效应，包括过程程的状态热（相相变热）和和化学反应应热。（5）设备备加热所需热量Q5（6）