物料衡算和能量衡算

物料衡算和能量衡算2023/2/71物料衡算和能量衡算是工艺设计中最基本的设计内容,一切化工过程的开发、设计、操作都是以物料平衡与能量平衡为基础的。其中物料衡算是工艺设计的基础，一般，在物料衡算之后，才能进行能量衡算。物料衡算的目的：■找出原料与产品间的定量关系；■弄清物料的来龙去脉，对化工过程进行模拟，挖掘设备的生产能力及改造现有的设备；■对于设计型的衡算，则要确定原料的消耗量及三废的生成量，以利于合理组织生产与环境控制；■物料衡算是工艺设计计算的基础，用以确定设备的型式、规格、个数，管路设施及公用工程等。概述2023/2/72物料衡算有两种情况，一种是对已有的生产设备或装置，利用实际测定的数据，算出另一些不能直接测定的物料量。用此结果对生产情况进行分析、做出判断、提出改进措施。另一种是设计一种新的设备工装置，根据设计任务，先做物料衡算，求出进出各设备的物料量，然后再做能量衡算，求出设备或过程的热负荷，从而确定设备尺寸及整个工艺流程。概述2023/2/73物料衡算的理论依据是质量守恒定律，即在一个孤立的物系中，不论物质发生任何变化，它的质量始终不变。系统中的物料衡算一般表示式为对于稳态、无化学反应的过程，上式可写为：概述2023/2/74进行能量衡算的基础是能量守衡定律，即热力学第一定律在化工生产中，能量消耗是一项重要的技术经济指标，它是衡量工艺过程、设备设计等是否先进合理的主要指标之一。

E——系统由状态1到状态2能量的变化；

Q——加入系统中的热量；

W’——系统对环境所做的功，包括体积功和轴功。概述2023/2/75对于有物料输入输出的系统，其能量平衡方程式用文字表达如下：

流动输入系统的能量速率从环境输入热的速率环境对系统做功的功率流动输出系统的能量速率系统内能量累积的速率++-=概述2023/2/761、画出流程示意图将进行衡算的过程，用框图的形式画出流程示意图。2、列出已知数据，包括各种物料的状态，如流量、温度、压力、密度、焓等（注意：所有数据的单位制统一）3、画出衡算范围---即找出隔离体4、确定衡算基准衡算基准包括以下几个：■时间基准■质量基准■体积基准■干湿基准物料衡算、能量衡算的基本步骤对于连续的操作过程常以单位时间作为基准，对于间歇的操作过程，常以一批物料作为基准5、进行物料平衡计算或能量平衡计算2023/2/77物料衡算

隔离体中的质量守恒如图所示。取截面1-1至2-2之间的管段作为衡算范围。根据质量守恒定律，进料量－出料量＝隔离体中的累积量即：①定态流动时：②

对不可压缩流体：③

对于截面为圆管：流体流动过程的物料衡算及能量衡算连续性方程2023/2/78能量衡算理想流体（μ=0）的机械能衡算方程理想流体管流的机械能守恒又称为柏努利方程流体流动过程的物料衡算及能量衡算式中p——流体的压强，Paz——流体相对于某个基准面的高度，mu——流体的流速，m/s2023/2/79能量衡算流体流动过程的物料衡算及能量衡算实际流体管流的机械能守恒（以单位质量流体为衡算基准）----单位质量流体由截面1流至截面2的机械能损失（即阻力损失），J；----截面1至截面2间外界对单位质量流体加入的机械能，J；----某截面上单位质量流体动能的平均值。2023/2/710

■不同衡算基准下的柏努利方程：

以单位重量流体为衡算基准，单位为m：

以单位体积流体为衡算基准，单位为Pa：流体流动过程的物料衡算及能量衡算能量衡算泵的扬程泵的有效压头静压头位压头动压头2023/2/711流动阻力计算

流体流动阻力类型：

■

直管阻力：流体流经一定管径的直管时，由于流体内摩擦而产生的阻力。

■局部阻力：流体流经管路中的管件、阀门以及管截面的突然扩大或缩小等局部地方所引起的阻力。流体流动过程的物料衡算及能量衡算2023/2/712流动阻力计算

■

直管阻力损失计算式：统一表达方法：式中λ是摩擦系数。流体流动过程的物料衡算及能量衡算

Re——表示流体流动型态的一个无因次的准数2023/2/713流动阻力计算流体流动过程的物料衡算及能量衡算

Re<2000时，流体流动型态为层流

Re>4000时，流体流动型态为湍流在二者之间时，流体的流动型态可能是层流，也可能是湍流，依赖于环境，称为过渡区。层流时：湍流时：2023/2/714流动阻力计算①可以将Re数、相对粗糙度ε/d以及摩擦系数λ的关系，按照上式制成图线，得到图所示的摩擦系数图。②实际管的相对粗糙度流体流动过程的物料衡算及能量衡算2023/2/7152023/2/716流动阻力计算

■直管阻力计算步骤：

Step1：明确使用条件：流体种类、操作温度、压强（求μ、ρ）；管内径d、管长l、相对粗糙度ε/d、流量V或流速u。

Step2：查图（或公式）求λ。Step3：计算阻力流体流动过程的物料衡算及能量衡算2023/2/717流动阻力计算

局部阻力计算：

■方法一：

近似认为局部阻力损失服从平方定律：

ξ-----局部阻力系数，可由实验测得。流体流动过程的物料衡算及能量衡算2023/2/718流动阻力计算

■

方法二：

近似认为局部阻力损失可以相当于某个长度的直管：

le-----管件的当量长度，由实验测得。

■当量直径：流体在流道里的流通截面积与润湿周边长之比。例：试导出流道截面为圆形、矩形及环行的当量直径。已知：圆直径d，矩形长和宽为a和b，环形内径和外径为d1和d2。流体流动过程的物料衡算及能量衡算2023/2/719流动阻力计算解：1、圆截面：

2、矩形截面：

3、环形截面：流体流动过程的物料衡算及能量衡算2023/2/720泵的有效功率（扬程）的计算流体流动过程的物料衡算及能量衡算

泵的有效功率（扬程）是指单位质量（重量）液体通过泵（由进口至出口）所获得的能量的增值（W或米液柱）。2023/2/721流体流动过程的物料衡算及能量衡算离心泵的效率计算泵的总效率：泵的有效功率与轴功率的比值称为泵的（总）效率。He——泵的有效压头，即单位重量液体自泵处净获得的能量，m；qv——泵的实际流量，m3/s；

——液体的密度，kg/m3；Ne——泵的有效功率，即单位时间内液体从泵处获得的机械能，WN

——由电机输入离心泵的功率称为泵的轴功率，W2023/2/722管路计算分支与汇合管路计算：分支与汇合管路流体流动过程的物料衡算及能量衡算2023/2/723

流体输送管路计算管路计算

例：用长度l=50m,直径

d1=25mm的总管，从高度z=1Om的水塔向用户供水。在用水处水平安装

d2=1Omm的支管10个，设总管的摩擦系数λ=0.03，总管的局部阻力系数

。支管很短，除阀门阻力外其他阻力可以忽略，试求：

计算用图

（1）当所有阀门全开

(ξ=6.4)时，总流量为多少

m3/s?

（2）再增设同样支路10个，各支路阻力同前，总流量有何变化?2023/2/724

流体输送管路计算管路计算

解答：（1）忽略分流点阻力，在液面1与支管出口端面2间列机械能衡算式得：由质量守恒式得：代入上式得：2023/2/725

流体输送管路计算管路计算（2）如增设10个支路则2023/2/726

流体输送管路计算管路计算支路增加一倍，总流量只增加2023/2/727管路计算关于交接点0处的能量交换和损失，有两种解决方案：②若输送管路的其它部分阻力较大，例L/d>1000，长管之三通阻力可以忽略不计，则对于图示的情况，列下列方程：①单位质量流体跨越交接点的能量变化看作流过三通管的局部阻力损失，由实验测得ξ的值。流体流动过程的物料衡算及能量衡算2023/2/728管路计算并联管路计算：并联管路规律：（1）支管阻力相等：（2）支管流量关系：

并联管路（3）总流量与支管流量关系：流体流动过程的物料衡算及能量衡算2023/2/729

流体输送管路计算管路计算

计算用例：在上图所示的输水管路中，已知水的总流量为

3m3/s，水温为

20℃。各支管总长度分别为

l1=1200m，l2=1500m，l3=800m；管径

d1=600mm,d2=500mm，d3=800mm；求

AB间的阻力损失及各管的流量。已知输水管为铸铁管，ε=0.3mm。

解：假设各支管的流动进入平方阻力区：查图，得：则：2023/2/730

流体输送管路计算管路计算以下校核λ值：又：查表得知：故：2023/2/731

流体输送管路计算管路计算代入：可以看出：各支管已进入或接近阻力平方区，原假设成立，计算结果正确。求得：2023/2/732蒸馏及精馏是依靠物质之间相对挥发度的差异，在气液平衡状态下分离液体混合物的一种单元操作。蒸馏过程的物料衡算及能量衡算液体均具有挥发而成为蒸汽的能力，但各种液体的挥发性是不同的。因此，液体混合物部分气化所生成的气相组成与液相组成将有差别，将满足以下两个关系：和2023/2/733按照蒸馏的方式可将其分为：简单蒸馏、平衡蒸馏、精馏和特殊精馏。蒸馏过程的物料衡算及能量衡算平衡蒸馏又称为闪蒸，是一个连续定态的过程。混合液通过加热器升温（未沸腾），在流过节流阀后，压力突然下降。液体混合物在分离室中被部分汽化，并使气相与液相处于平衡状态。2023/2/734蒸馏过程的物料衡算及能量衡算简单蒸馏是一个间歇操作过程。将混合物加入蒸馏釜中，在恒压下加热至沸腾，使液体不断气化。陆续产生的蒸汽经冷凝后作为顶部产物其中易挥发组分相对地富集。在蒸馏过程中，釜内液体中的易挥发组分含量不断的下降，蒸汽中的易挥发组分的含量也相应地随之降低。在每一瞬间生成的气体都与残存液体成平衡，因此又称为微分汽化或渐次汽化。2023/2/735蒸馏过程的物料衡算及能量衡算精馏是多级分离过程，即同时进行多次部分汽化和部分冷凝过程，因此可使混合液得到几乎完全的分离。连续精馏过程精馏区别于蒸馏的就在于回流，包括塔顶的液相回流和塔釜部分汽化造成的气相回流。回流是构成气、液两相接触传质的必要条件。同时组分之间挥发度的差异造成了有利的相平衡条件。2023/2/736蒸馏过程的物料衡算及能量衡算物料平衡指的是单位时间内进塔的物料量应等于离开塔的诸物料量之和。汽液相平衡主要反映了蒸馏过程中汽相组成与液相组成间的关系。热量平衡是指进塔热量和出塔热量的平衡。在蒸馏进行的过程中，在蒸馏设备中存在着三个平衡，即物料平衡、热量平衡和汽液相平衡。2023/2/737理想物系应满足以下条件：1、液相为理想溶液，满足拉乌尔定律。

2、气相为理想气体，遵循道尔顿分压定律。一般当总压不高于104kPa时，气相可视为理想气体。蒸馏过程的物料衡算及能量衡算两组分理想溶液的精馏过程2023/2/738相平衡关系的表达形式1、用饱和蒸汽压表示的气液平衡关系

P0与温度的关系符合安托因（Antoine)方程：（A、B、C的值可查阅相关手册）蒸馏过程的物料衡算及能量衡算两组分理想溶液的精馏过程2023/2/7392、用相对挥发度α表示的气液平衡关系：设溶液中组分A、B的挥发度定义为：则两个组分之间的相对挥发度定义为：所以，相平衡方程写为：对于理想溶液：相平衡关系的表达形式蒸馏过程的物料衡算及能量衡算两组分理想溶液的精馏过程2023/2/740

3、气液平衡相图双组分溶液的温度－组成图相平衡曲线相平衡关系的表达形式蒸馏过程的物料衡算及能量衡算两组分理想溶液的精馏过程2023/2/741平衡蒸馏的物料衡算与热量衡算平衡蒸馏蒸馏过程的物料衡算及能量衡算平衡蒸馏物料衡算对于连续定态过程做物料衡算可得：■总物料衡算：■易挥发组分的物料衡算：2023/2/742两式联立可得：式中：F、xF---加料流率，kmol/s及料液组成摩尔分数；

D、y---气相产物流率，kmol/s及组成摩尔分数；

W、x---液相产物流率，kmol/s及组成摩尔分数。平衡蒸馏物料衡算设液相产物占总加料量F的分率为q，气化率为D/F＝(1-q)，代人上式整理可得：该方程称为q线方程。蒸馏过程的物料衡算及能量衡算平衡蒸馏2023/2/743加热器的热流量Q为：节流减压，释放显热---自身部分汽化，所以：所以料液加热温度为：平衡蒸馏热量衡算式中tF、T---分别为料液温度与加热后的液体温度，K；

te---闪蒸后气、液两相的平衡温度，K；

Cm,p---混合液的平均摩尔热容，kJ/(kmol·K)；

r---平均摩尔气化热，kJ/kmol。蒸馏过程的物料衡算及能量衡算平衡蒸馏2023/2/744应用上述三个关系，可以解决闪蒸的各种计算问题。如若已知原料液的流量、组成、温度及汽化率，就可求得平衡的气液相组成及温度。平衡蒸馏气液平衡关系蒸馏过程的物料衡算及能量衡算平衡蒸馏平衡温度te及组成x之间应满足泡点方程平衡蒸馏中可设气液两相处于平衡状态，即两相温度相同，组成互为平衡。因此，y与x之间应满足相平衡方程：若为理想溶液相平衡方程式为2023/2/745例题：将含苯摩尔分数为0.7、甲苯摩尔分数为0.3的溶液加热气化，气化率为1/3。已知物系的相对挥发度为2.47，试计算平衡蒸馏时的气相与液相组成。解：物料衡算式：相平衡方程：两式联立求得：蒸馏过程的物料衡算及能量衡算平衡蒸馏2023/2/746简单蒸馏的物料平衡蒸馏过程的物料衡算及能量衡算简单蒸馏平衡蒸馏是一个定态过程，而简单蒸馏则是个时变过程，因此，对它的衡算必须取一个时间微元dτ，对该时间微元的始末做物料衡算。若dτ时间内蒸出的物料量为dW，釜内液体组成相应的由x降为（x-dx），对该时间微元作易挥发组分的物料衡算可得：对上式进行整理，并略去二阶无穷小量，得到：2023/2/747简单蒸馏的物料平衡蒸馏过程的物料衡算及能量衡算简单蒸馏对上式进行积分，得到：如果将全过程的气相产物冷凝后汇集一起，得到平均组成，则可对全过程的始末做物料衡算。2023/2/748二组分理想物系的精馏连续精馏过程一个完整的精馏塔的分为精馏段和提馏段。精馏段完成上升蒸汽的精制，提馏段完成下降液体的增浓。蒸馏过程的物料衡算及能量衡算精馏塔的组成2023/2/749设系统为定态过程。■全塔的物料衡算由上述两式可得：全塔物料衡算■轻组分的物料衡算全塔的物料衡算二组分理想物系的精馏蒸馏过程的物料衡算及能量衡算2023/2/750

塔板的热量衡算和物料衡算第n块板Vn+1，yn+1，In+1Vn，yn，In,Ln-1，xn-1，in-1Ln，xn，in二组分理想物系的精馏蒸馏过程的物料衡算及能量衡算某一块塔板上的物料衡算和热量衡算2023/2/751■物料衡算：■热量衡算：

饱和蒸汽的焓I为泡点液体的焓i与气化潜热r之和，所以：对第n块塔板作热量衡算（不计热量损失）：对第n块塔板作物料衡算可得：总物料衡算式：轻组分衡算式：二组分理想物系的精馏蒸馏过程的物料衡算及能量衡算某一块塔板上的衡算某一块塔板上的物料衡算和热量衡算2023/2/752忽略组成与温度所引起的饱和液体焓i及气化潜热r的差别，则假设：将物料衡算式代入上式，得：则：结论：在精馏塔内没有加科和出料的任一块塔板中，各板上升的蒸汽量均相等，各板下降的液体量也均相等。二组分理想物系的精馏蒸馏过程的物料衡算及能量衡算某一块塔板上的物料衡算和热量衡算2023/2/753适用：被分离组分沸点相差较小，气化潜热相近。①不同液体的摩尔气化潜热相近，V和L取摩尔流量，上述简化称为恒摩尔流假定；②不同液体的质量气化潜热相近，V和L取质量流量，上述简化称为恒质量流假定。二组分理想物系的精馏蒸馏过程的物料衡算及能量衡算某一块塔板上的物料衡算和热量衡算2023/2/754引入理论板和恒摩尔流假定后：相平衡方程：适用范围：适用于精馏段、提馏段每一块塔板；不适用于有物料加入或引出的塔板。物料衡算式：二组分理想物系的精馏蒸馏过程的物料衡算及能量衡算二组分理想物系的精馏蒸馏过程的物料衡算及能量衡算某一块塔板上的物料衡算和热量衡算2023/2/755

精馏段的物料衡算整理后得到精馏段相邻两块板之间气液相组成间的关系—精馏段操作线方程：二组分理想物系的精馏蒸馏过程的物料衡算及能量衡算精馏段的汽液相负荷■汽相负荷■液相负荷对如图所示的隔离体做物料衡算2023/2/756■液相负荷为对如图所示的隔离体做物料衡算得到提馏段中相邻两板气液组成间的关系式---提馏段的操作线方程nNF，xFW，xWxn-1xnyn+1yn二组分理想物系的精馏蒸馏过程的物料衡算及能量衡算提馏段的汽液相负荷■气相负荷为根据前面的假定恒摩尔流假定，及物料衡算后，可以得到2023/2/757■全凝器的热量衡算■部分冷凝器的热量衡算■再沸器的热量衡算二组分理想物系的精馏蒸馏过程的物料衡算及能量衡算热量衡算■全塔热量衡算2023/2/758■两股加料将塔分为三段，通过物料衡算，可分别得到各自的操作线方程若精馏塔中共有i个侧线（包括加料口），则计算时应将全塔分成i+1段，通过对每段进行物料衡算，求出各自的操作线方程。第一段：二组分理想物系的精馏蒸馏过程的物料衡算及能量衡算多侧线塔2023/2/759其中、的值取决于第一股物料的进料热状态。第二段：对如图所示的隔离体做物料衡算:二组分理想物系的精馏蒸馏过程的物料衡算及能量衡算多侧线塔2023/2/760第三段：二组分理想物系的精馏蒸馏过程的物料衡算及能量衡算多侧线塔2023/2/761■侧线出料抽出产品可以为饱和液体或饱和蒸汽，同样精馏线和提馏线不发生变化，由物料衡算可得中段操作线：若侧线出料为饱合液体时，上式变为：二组分理想物系的精馏蒸馏过程的物料衡算及能量衡算多侧线塔2023/2/762与二元系或多元系蒸馏相比较石油精馏有它自己明显的特点。这些特点甚至会导致在实际设计中考虑不同的原则和采用不同的设计计算方法。■石油产品是一种沸程范围较宽的馏分，因此它的分馏精确度远较一般的蒸馏系统要求为低。■原油精馏塔是一个复合塔。■在复合塔内汽、煤、柴之间只有精馏段，而无提馏段。因此在常压塔外，为侧线产品设置了汽提塔。石油蒸馏塔蒸馏过程的物料衡算及能量衡算2023/2/763■全塔热平衡

塔底不设再沸器，整个塔热量由进料带入。①常压塔进料的汽化率至少应等于塔顶产品和各侧线产品的产率之和，否则不能保证要求的拨出率或轻质油收率。②在常压塔只靠进料供热，而进料的状态(温度、汽化率)又已被规定的情况下，塔内的回流比实际比就被全塔热平衡确定了。因此，常压塔的回流比是由全塔热平衡决定的，变化的余地不大。■恒分子回流的假定完全不适用石油蒸馏塔蒸馏过程的物料衡算及能量衡算2023/2/764石油蒸馏塔蒸馏过程的物料衡算及能量衡算石油蒸馏塔中的相平衡石油中组分极其复杂，同时炼油过程中所得到的产品要求也不是很高，因此石油及其馏分的汽——液相平衡关系不是以其详细的化学组成来表示的而是通过宏观的方法通过实验室蒸馏来测定的。石油和石油馏分的汽——液平衡关系可以通过三个实验室蒸馏方法来取得，所得到的结果可以馏分组成数据表达，也可以蒸馏曲线（馏出温度——馏出百分数）表示。2023/2/765

恩氏蒸馏是一种简单蒸馏。它是以规格化的器械及试验条件进行的，以便于不同来源的数据能作合理的比较，故而是一种条件性的试验方法。将馏出温度对馏出量(体积百分率)作图，就得到恩氏蒸馏曲线。

恩氏蒸馏是渐次汽化蒸馏，基本上没有精馏作用，显然不能显示出油品中各组分的沸点情况。但它能反映油品在一定条件下的汽化性能，而简便易行，所以主要用来作为油品的一种规格试验。由恩氏蒸馏数据可以计算油品的一部分性质参数，因此油料的恩氏蒸馏数据是最基本的物性数据之一。石油蒸馏塔蒸馏过程的物料衡算及能量衡算石油蒸馏塔中的相平衡2023/2/766石油蒸馏塔蒸馏过程的物料衡算及能量衡算石油蒸馏塔中的相平衡恩氏蒸馏曲线馏出（%）初馏1030507090干点馏出温度（℃）2012182372552762983142023/2/767实沸点蒸馏是在十几层到几十层理论塔板的精馏柱中以相当高的回流比进行的间歇式精馏。实沸点蒸馏主要用于原油评价。石油蒸馏塔蒸馏过程的物料衡算及能量衡算石油蒸馏塔中的相平衡平衡汽化是实验室平衡汽化设备中，将油品加热汽化，使汽、液两相在恒定的压力和温度下密切接触一段足够的时间后迅速分离，即可测得该油品在这种条件下的汽化率。通过一系列的试验，至少五次以上，就可以作出其平衡汽化曲线，也即恒压下平衡温度与汽化率的关系。根据平衡汽化曲线，可以确定油品在不同汽化率时的温度(如蒸馏塔进料段温度)，泡点温度(如石油精馏塔侧线温度和塔底温度)和露点温度(如精馏塔顶温度)等。2023/2/768石油蒸馏塔蒸馏过程的物料衡算及能量衡算石油蒸馏塔中的相平衡实沸点蒸馏曲线平衡汽化曲线2023/2/769进行石油蒸馏塔物料平衡、热量平衡计算的基础数据1、原料油类型2、处理量3、产品方案和规格7、原料油及产品的比重4、汽提蒸汽的温度和压力5、原油实沸点蒸馏数据6、产品实沸点或恩氏蒸馏数据蒸馏塔计算所需的基础数据9、塔顶压力及塔板压力降10、塔板数8、原料油的含水量石油蒸馏塔蒸馏过程的物料衡算及能量衡算2023/2/770计算参数这些参数包括：①体积平均沸点tv(℃)和恩氏蒸馏斜率：

tV是由恩氏蒸馏馏程测定的10％，30％，50％，70％，90％这五个馏出温度计算得到。恩氏蒸馏斜率是两体积百分数的沸点温差除以对应的体积百分数差值，如90%点和10%点的斜率表示为：石油蒸馏塔蒸馏过程的物料衡算及能量衡算2023/2/771②立方平均沸点Tcu(K)

它的计算比较烦琐，一般是由《工艺计算图表》中的表2-1查得。③中平均沸点tMe(℃)石油蒸馏塔蒸馏过程的物料衡算及能量衡算计算参数2023/2/7722023/2/773④油品的特性因数K

由《工艺计算图表集》中的图2-23、2-24查得⑤油品的分子量由《工艺计算图表集》中的图2-29、2-30查得石油蒸馏塔蒸馏过程的物料衡算及能量衡算计算参数2023/2/774石油馏分特性因数和相对分子质量图计算参数石油蒸馏塔蒸馏过程的物料衡算及能量衡算2023/2/775计算参数石油蒸馏塔蒸馏过程的物料衡算及能量衡算2023/2/776石油蒸馏塔蒸馏过程的物料衡算及能量衡算⑥临界温度、压力计算参数2023/2/777石油蒸馏塔蒸馏过程的物料衡算及能量衡算计算参数2023/2/778石油蒸馏塔蒸馏过程的物料衡算及能量衡算计算参数2023/2/779⑦石油馏分焦点温度石油蒸馏塔蒸馏过程的物料衡算及能量衡算计算参数⑦石油馏分焦点压力2023/2/780石油蒸馏塔蒸馏过程的物料衡算及能量衡算计算参数2023/2/781■将常压恩氏蒸馏数据转换为平衡汽化数据⑧平衡汽化数据石油蒸馏塔蒸馏过程的物料衡算及能量衡算计算参数首先用下面第一张图将常压恩氏蒸馏数据中的50%点转化平衡汽化中的50%点其次用下面第二张图将常压恩氏蒸馏数据中的每一段温差转化成平衡汽化中相应各段的温差最后得到常压下平衡汽化各点的温度2023/2/782平衡汽化50%点-恩氏蒸馏50%点恩氏蒸馏50%点石油蒸馏塔蒸馏过程的物料衡算及能量衡算计算参数2023/2/783石油蒸馏塔蒸馏过程的物料衡算及能量衡算计算参数2023/2/784石油蒸馏塔蒸馏过程的物料衡算及能量衡算计算参数恩氏蒸馏坐标纸2023/2/785■常压平衡汽化数据换算为压力下平衡汽化数据这个转换需要借助于石油馏分的P-T-e相图来完成。石油馏分的p-T-e相图石油蒸馏塔蒸馏过程的物料衡算及能量衡算计算参数0%2023/2/786■常压平衡汽化数据换算为减压下平衡汽化数据假设减压下平衡汽化曲线各段温度差不随压力的改变而变化石油蒸馏塔蒸馏过程的物料衡算及能量衡算计算参数减压下平衡蒸发30%或50%温度℃760mmHg下平衡蒸发30%或50%温度2023/2/787石油蒸馏塔蒸馏过程的物料衡算及能量衡算计算参数将以上计算结果汇总得到右表2023/2/788根据切割方案或实际生产过程，确定出塔的物料平衡，即进塔的原料及馏出的各个产品之间的量的关系，得到下面这张表。石油蒸馏塔蒸馏过程的物料衡算及能量衡算塔的物料平衡2023/2/789石油蒸馏塔蒸馏过程的物料衡算及能量衡算全塔物料平衡L0L0+D+S

常压塔

F，tF，e

S，tsWGMD+S2023/2/790石油蒸馏塔内汽液相负荷是设计塔径，对塔板进行水利学计算的依据。我们采用的方法是在塔内选取几个有代表性的截面，作适当的隔离体，然后分别做热平衡，求出它们的汽液负荷，从而了解沿塔高方向的气液相负荷分布规律。我们一般选取以下几个截面来进行分析计算：■塔顶汽液相负荷■气化段汽液相负荷■最低侧线抽出板下方的汽液相负荷■经过侧线抽出板时汽液相负荷的变化■塔顶第一、二块塔板之间的汽液相负荷石油蒸馏塔蒸馏过程的物料衡算及能量衡算全塔热平衡2023/2/791L0，t0,L0+D+S,t1

常压塔F，tF，eS，tsW，tW，G，tGM，tMD+S，tD石油蒸馏塔蒸馏过程的物料衡算及能量衡算全塔热平衡2023/2/792入塔热量（若不计塔顶回流）：出塔热量：全塔剩余热为：石油蒸馏塔蒸馏过程的物料衡算及能量衡算全塔热平衡2023/2/793

Q是为了达到全塔热平衡必须由塔顶回流取走的热量，即全塔回流热。温度为t0，流量为L0的塔顶回流入塔后，在塔顶第一层塔板上被加热至温度为t1的饱合蒸汽，自塔顶逸出从而将回流热带走。所以：塔顶气相负荷为：塔顶的汽液相负荷石油蒸馏塔蒸馏过程的物料衡算及能量衡算2023/2/794汽化段气、液负荷汽化段的气相负荷即从气化段进入精馏段的气相流量为

VF=D+M+G+S+Ln

液相负荷即从精馏段最低一层塔板n流下的液相回流量为（如果忽略进料中的过汽化率）为

Ln=0nDMGSLntnn-1F,t石油蒸馏塔蒸馏过程的物料衡算及能量衡算汽化段的汽液相负荷2023/2/795最低侧线抽出板下方的气、液负荷nDMGSLn-1tnFtn-1tn-1做右图所示隔离体，并对其做热量平衡（不考虑内回流）：精馏段最后一块塔板上的汽液相负荷石油蒸馏塔蒸馏过程的物料衡算及能量衡算2023/2/796因为tF>tn，所以

Qin，n>Qout，n令Qn=Qin，n-Qout，nQn就是n板上的回流热，也就是从第n-1块板上流下的液相回流汽化所取走的热量，因此n板上的液相负荷为第n块板上的气相负荷为：石油蒸馏塔蒸馏过程的物料衡算及能量衡算精馏段最后一块塔板上的汽液相负荷2023/2/797做右图所示的隔离体，并对其做热量平衡（不考虑内回流）：Ftn,tnm,tmm-1,tm-1DMGSLm-1最低侧线抽出板下方的气、液负荷最低侧线抽出板下方的气、液负荷石油蒸馏塔蒸馏过程的物料衡算及能量衡算2023/2/798令从第m-1块板流到m板的液相回流量为第m块板上的气相负荷为：最低侧线抽出板下方的气、液负荷石油蒸馏塔蒸馏过程的物料衡算及能量衡算2023/2/799因为tm<tn，故Qm>Qn

，因此

Lm>Ln，Vm>Vn

在油品精馏塔内，气相负荷、液相负荷沿塔高自下而上增加最低侧线抽出板下方的气、液负荷石油蒸馏塔蒸馏过程的物料衡算及能量衡算2023/2/7100经过侧线抽出板时气液相负荷的变化Ftm,tmDMGSLm-1n,tnm-1,tm-1做右图所示隔离体，并对其做热量平衡：石油蒸馏塔蒸馏过程的物料衡算及能量衡算2023/2/7101令对比出m-1板和m板出方的热量，得到：所以有其原因一方面是因为塔板间的温差，更多的是因为柴油馏分出隔离体时的状态不同，而造成的。经过侧线抽出板时气液相负荷的变化石油蒸馏塔蒸馏过程的物料衡算及能量衡算2023/2/7102由第m-2块板流到第m-1块板的液相回流量为由于回流热有一个突增，因此，液相回流量也有一个突增。这个结论对每一个侧线抽出板都适用。第m-1块板上的气相负荷为：虽然上面公式中少了G，但Lm-2中的增量却恰好等于G，因此在经过侧线抽出板时，虽然液相负荷有一突然的增加，但气相负荷仍然只是缓慢的增加。最低侧线抽出板下方的气、液负荷石油蒸馏塔蒸馏过程的物料衡算及能量衡算2023/2/7103L0，t0,

D+S，tDD+L0+S12t2t1DSL0L1第二块板上的回流热为Q2，第一块板上的回流热为Q1

，则进入第一块板的L0是冷液体，而进入第二块板的L1则是泡点液体，有所以L1>L0

塔顶第一、二块塔板之间的汽液相负荷石油蒸馏塔蒸馏过程的物料衡算及能量衡算2023/2/7104第二块板上的气相负荷，所以V2>V1

经过以上计算，可以绘出无中段回流时常压蒸馏塔的气、液相负荷分布图：塔顶第一、二块塔板之间的汽液相负荷石油蒸馏塔蒸馏过程的物料衡算及能量衡算2023/2/7105气相负荷与液相回流量，kmol/h塔板序号蒸馏塔汽液相负荷分布规律石油蒸馏塔蒸馏过程的物料衡算及能量衡算2023/2/7106做右图所示的隔离体，由于中段回流进出口间的塔板基本上起的是换热作用，可将其看做一块板，因此，回流取热量为：DMSLj-1i,tij,tjj-1,tj-1对其他板做热平衡的结果，当有中段循环回流时塔内汽液相负荷的变化石油蒸馏塔蒸馏过程的物料衡算及能量衡算2023/2/7107二者比较后，可以发现经中段回流后，其上方塔板上的回流取热量减少了一个较大的值，因此，从中段回流进口板的上一块板流入该板的液相量也相应有了一个较大的减小。同时由于因此，从第j块板上升的气体量也有了一个较大的减小。综上所得，当油品蒸馏塔有了中段循环回流后，每经过一个中段循环回流，塔内的气、液相负荷就会减小，分布情况如下图所示。石油蒸馏塔蒸馏过程的物料衡算及能量衡算当有中段循环回流时塔内汽液相负荷的变化2023/2/7108石油蒸馏塔蒸馏过程的物料衡算及能量衡算当有中段循环回流时塔内汽液相负荷的变化进料板2023/2/71091、确定塔板数、汽提蒸汽用量、过汽化量石油精馏塔的塔板数、汽提蒸汽用量、过汽量都由经验选用。2、确定塔内各部分的压力和加热炉出口压力塔内各部分的压力的确定从塔顶产品接受罐的压力开始。该处的压力应是塔顶接受罐的温度下的塔顶产品的泡点压力。该压力加上塔顶馏出物流经管线、管件和冷凝冷却设备的压降后即可得到塔顶的操作压力。通过板压降及塔板数，塔内各部位的操作压力也就可以计算出来了。设计型的计算包括以下一些内容：石油蒸馏塔蒸馏过程的物料衡算及能量衡算蒸馏塔的设计型计算2023/2/71103、计算汽化段温度，同时校核加热炉出口温度是否合理

S1：用汽化段压力、塔底蒸汽量、入塔油品的汽化率计算出汽化段的油气分压

S2：求出此分压下油品的平衡汽化数据，并将其描绘在体积—温度坐标系中，在该曲线上读出汽化段的温度

S3：用炉出口压力、炉出口温度、入炉油口的含水量求出炉出口油品的油汽分压，同时求出该分压下油品的平衡汽化数据，将它们也标绘在体积-温度坐标系。根据选定的炉出口温度求出炉出口油品的汽化率。

S4：根据上面的计算结果分别计算出炉出口油品及汽化段油品的焓。石油蒸馏塔蒸馏过程的物料衡算及能量衡算蒸馏塔的设计型计算2023/2/7111因为在汽化段内发生的是绝热闪蒸过程，如果忽略转油线的热损失，则加热炉出口处油口的焓应等于汽化段油品的焓，同时炉出口油品的汽化率要小于汽化段的汽化率。否则就要调整汽化段的油汽分压或过汽化率，从而保证炉出口温度不超过允许的最高温度。4、确定塔底温度5、根据经验假定塔顶及各侧线的温度6、确定回流方式，做全塔热平衡，并确定每段回流取热的取热量。7、将以上步骤中得到的数据标绘在蒸馏塔的草图中石油蒸馏塔蒸馏过程的物料衡算及能量衡算蒸馏塔的设计型计算2023/2/7112

某常压塔的计算草图8、自最后一个侧线开始，依次对前面假设的侧线温度及塔顶温度进行校核。9、选择塔内几个有代表性的部位，用热量平衡和物料平衡分别求出这些部位的汽、液相负荷，从而做出全塔的汽、液相负荷分布图石油蒸馏塔蒸馏过程的物料衡算及能量衡算10、选取汽、液相负荷最大的截面，进行精馏塔塔高、塔径、塔板的水利学计算蒸馏塔的设计型计算2023/2/7113操作型计算就是针对现有的生产过程及生产设备，用实际的操作数据对蒸馏塔过程中的某一特定对象进行计算。如：1、根据汽化段的操作参数计算汽化段的汽化率2、校核加热炉出口油品的温度3、计算加热炉的实际热效率4、校核塔顶中的水蒸汽在操作温度下是否会冷凝5、计算蒸馏塔的操作弹性石油蒸馏塔蒸馏过程的物料衡算及能量衡算操作型计算2023/2/7114加热炉热效率的定义加热炉的总热负荷，包括原料及水蒸汽通过加热炉所吸收的热量和其他热负荷如水蒸汽的产生等吸收的热量。根据各介质进出炉的热焓及气化率来计算加热炉的总热负荷，公式为：加热炉的热效率2023/2/7115Q’——加热炉计算的总热负荷，kCal/hWF——油料流量，kg/hWS——过热蒸汽量，kg/he——炉出口油品的气化率，%Q”——其他热负荷，kCal//hIOV，IOL——炉出口条件下油品的气相焓，液相焓，kCal/kgII——炉入口条件下油品的液相焓，kCal/kgISO，ISI——过热水蒸汽的出口、进口焓，kCal/kg加热炉的热效率2023/2/7116燃料燃烧释放的热量：

Q=BqLB——燃料的流量，kg/hqL——燃料的低发热值，kCal/kg

燃料油的发热值可以通过测定的方法得到，也可以根据燃料油的组成通过计算得到。

qL=81C+246H+26(S-O)-6WkCal/kg燃料上述公式中各组分均为重量百分数。加热炉的热效率2023/2/7117校核塔顶中的水蒸汽在操作温度下是否会冷凝首先计算出塔顶的气相负荷，及入塔的水蒸气量其次，根据塔顶压力，计算出塔顶的水蒸汽分压，P顶第三步，查相关资料，得到塔顶操作温度下水蒸汽的饱和蒸汽压，P饱第四步，比较两个压力，当P顶<P饱时，塔顶水蒸汽不会泠凝，否则会冷凝2023/2/7118塔板的负荷性能图