第四章物料衡算和能量衡算

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。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。(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。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，并根据需要换算基准，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。三、物料衡算举例P33例3-1~3-4自学4.2能量衡算

化工生产中，需要通过能量衡算解决的问题：⑴确定物料输送机械和其他操作机械所需功率。⑵确定各单元过程所需热量或冷量及其传递速率。⑶化学反应所需的放热速率和供热速率。⑷做好余热综合利用。能量衡算的基本方程式

在物料衡算基础上进行能量衡算，能量衡算的步骤与物料衡算相同。

根据热力学第一定律，能量衡算方程可写为：Q+W=E=Ek+Ep+

UW=Wt+Ws，Wt为流动功，Ws为轴功；

1.封闭体系的能量衡算方程

封闭体系特点：与环境只有能量交换，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，则：

U=Q+W若体系与环境没有功的交换，即W=0，则：Q=

U

2.流动体系的能量衡算方程——物料连续通过边界进出能量输入速率-能量输出速率=能量积累速率连续稳定流动过程的总能量衡算方程为：3.热量衡算式及说明

⑴热量衡算式

在反应器、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：

封闭体系Q=∆U敞开体系Q=∆H对这些设备做能量衡算的实质就是进行热量衡算。连续稳定流动体系的热量衡算：

Q=

H1–

H2或

Q=

U1–

U2实际计算时，还常使用下式：

Qin=

QoutQ1+Q2+Q3=Q4+Q5+Q6Q1——物料带入热量；Q2——加热介质供给或输出的热量，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——消耗在加热设备各部件上的热量；Q6——设备向四周的散热损失；⑵热量衡算的步骤

①建立单位时间为基准的物料流程图或物料平衡表。②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。③在物料流程图上标明已知温度、压力、相态等条件，查出或计算每个物料的焓值，标注在图上。④列出热量衡算式，用数学方法求解。⑤当生产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

连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、输送设备、废料排放，管道流动等过程。单位质量不可压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应用计算机用于化工设计的主要环节：物性数据检索(物理性质、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、ASPENPLUS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，已被广泛地应用于化学过程的严格的质量和能量平衡。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/制药模拟应用：新工艺设计、评估改变的装置配置、改进现有装置、消除装置工艺瓶颈、优化和改进装置产量和效益。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、专用数据包等。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；超过5000个二元交互参数；专用的水溶性数据；超过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－液抽提精馏器，侧线塔，压缩机，结晶器，旋流器，减压设备，溶解器，膨胀机，闪蒸，带有固体的闪蒸，LNG多股流换热器，精确核算型换热器，简单换热器，严格空冷器模型，加热/冷却曲线，混合器，相包络，管道，聚合物反应器，泵，回流泵，阀，刮膜式蒸发器，平衡反应器，转换反应器，吉布斯反应器，塞流反应器，平推流反应器，全混流反应器，间歇式反应器，固态颗粒分离器，分裂器，单变量控制器，多变量的控制器，物流计算器，流程优化器，过程数据，用户自定义操作单元，(电解质模块，SIMSCI外接的模块)等。用户扩展功能：用户自定义物流属性包；增加用户组份数据；增加热力学计算方法；增加自定义操作单元模块120个；增加自定义计算模型7个；增加自定义电解质模型20个等。分析工具：工况研究、优化器、单相变量控制器、多相变量控制器、加热/冷却曲线等。二、三种化工模拟软件的对比一般认为，PROII在炼油工业应用更为准确些，因其数据库中有不少经验数据；而ASPEN在化工领域表现更好。HYSYS主要用于天然气的加工处理及炼油工业。Aspenplus计算较准确，数据库比较完善。不过由于它考虑的方面非常全面，所以学起来比较费劲。三、化工模拟软件存在问题还没有成熟的化工软化可用于石油化工过程部分主要装置的模拟（如催化