化工设计物料衡算和热量衡算

第三章物料衡算和能量衡算 物料衡算指根据各种物料之间的定量转化关系对进出整个生产装置 生产工序或单台设备的各股物料的数量及组成进行平衡计算 它是在工艺流程确定后最先进行的工艺计算 能量衡算是根据能量守恒定律 利用能量传递和转化的规则 用以确定能量比例和能量转变的定量关系的过程称为能量衡算 利用物理与化学的基本定律 对化工过程单元系统的物料与能量平衡进行定量计算 1 找出主 副产品的生成量 废物的排出量 2 确定原材料消耗定额 3 确定各物流的流量 组成和状态 4 确定每一个设备内物质转换与能量传递速度 物料衡算和能量衡算 解决 确定操作方式 设备选型以及设备尺寸 管路设施与公用工程 提供依据 一 物料衡算的目的 1 确定原材料消耗定额 判断是否达到设计要求 2 确定各设备的输入及输出的物流量 摩尔分率组成及其他组成的表示方法 并列表 在此基础上进行设备的选型及设计 并确定三废排放位置 数量及组成 有利于进一步提出三废治理的方法 3 作为热量计算的依据 4 根据计算结果绘出物流图 可进行管路设计及材质选择 仪表及自控设计等 第一节物料衡算 二 物料衡算的类型 1 对已有的生产设备或装置的物料衡算 一般的作业 2 对新的设备或装置的物料衡算 设计 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 作出判断 提出改进措施 设计任务 物料衡算 各设备的物料量 能量衡算 设备或过程热负荷 确定设备尺寸及整个工艺流程 三 物料衡算的依据 1 设计任务书中确定的技术方案 产品生产能力 年工作时及操作方法 2 建设单位或研究单位所提供的要求 设计参数及实验室试验或中试等数据 主要有 a 化工单元过程的主要化学反应方程式 反应物配比 转化率 选择性 总收率 催化剂状态及加入配比量 催化剂是否回收使用 安全性能 爆炸上下限 等 b 原料及产品的分离方式 各步的回收率 采用物料分离剂时 加入分离剂的配比 c 特殊化学品的物性 如沸点 熔点 饱和蒸汽压 闪点等 3 工艺流程示意图 四 物料衡算的基本方法 一 化工过程的类型 化工过程操作状态不同 其物料或能量衡算的方程亦有差别 其操作方式 间歇操作 连续操作 半连续操作 二 物料平衡方程理论依据 质量守恒定律 即 上式 即可对总物料 也可以对其中任一组分或元素列出 在下列情况下上式可简化为 稳定操作过程 Fi Fo Dp Dr W 系统内无化学反应的间歇操作 Fi Fo W 系统内无化学反应的稳态操作过程 Fi Fo 0对于没有化学反应的过程 一般上列写各组分的衡算方程 只有涉及化学反应量 才列写出各元素的衡算方程 稳态过程 连续 体系内无物料积累 Fi 第i股物流物质的量流量 xij 第j组分在第i股物流中的摩尔分数 vjm 第j组分在第m个化学反应中的化学计量系数 rm 第m个化学反应的反应速率 Nr 过程中所包含的化学反应个数 三 物料衡算基准物料衡算过程 必须选择计算基准 并在整个运算中保持一致 若基准选的好 可使计算变得简单 时间基准 单位时间可取1d 1h或1s等等 批量基准 质量基准例如 可取某一基准物流的质量为100Kg为基准计算 物质的量基准 标准体积基准 四 物料衡算的基本程序 1 收集计算需要的数据 1 原料 辅料 中间产物及产品的规格 2 过程中单位时间内的物流量 3 有关消耗定额 4 有关转化率 选择性 单程收率 5 有关物理化学常数 消耗定额是反映生产技术水平的一项重要经济指标 是进行物料衡算的基础数据之一 消耗定额是招生产每吨合格产品需要的原料 辅料及试剂等的消耗量 2 画物料流程简图 先应该根据给定的条件画出流程简图 图中用简单的方框表示过程中的设备 用线条和箭头表示每个流股的途径和流向 表示每个流股的已知变量 如流量 组成 及单位 对一些未知的变量 可用符号表示 过滤过程 对某反应系统 可画出物料衡算方框图如下 3 确定衡算体系 衡算范围 物料衡算是研究某一个体系进 出物料量及组成的变化 进行物料衡算时 必须首先确定衡算的体系 体系 物料衡算的范围 它可以根据实际需要人为地选定 体系 一个设备或几个设备 一个单元操作一套装置或一个系统整个化工过程 衡算计算范围示意图 边界线 BoundaryLine 围起来的区域构成衡算范围 1 流程中某一个单元设备 2 流程中某几个单元设备组合的子流程 3 整个流程 4 写出化学反应方程式 包括主反应和副反应 5 选定合适的计算基准 并在流程图上注明所选的基准值 计算标准从原则上说选择任何一种计算基准 都能得到正确的解答 但是 计算基准选择得恰当 可以使计算简化 避免错误 根据不同过程的特点 选择计算基准时 应该注意以下几点 1 应选择已知变量数最多的流股作计算基准 2 对液体或固体体系 常选取单位质量作基准 3 对连续流动体系 用单位时间作计算基准有时较方便 4 对于气体物料 如果环境条件 如温度 压力 已定 则可选取体积作基准 6 列出物料衡算式 然后用数学方法求解 根据质量守恒定律 对某一体系 输入体系的物料量应该等于输出物料量与体系内积累量之和 体系内发生化学反应 列物料衡算式时应注意 1 物料平衡是指质量平衡 不是体积或物质的量 摩尔数 平衡 2 若体系内有化学反应 则平衡式中各项用摩尔 时为单位时 必须考虑反应式的化学反应系数 因为反应前后物料中的分子数不守恒 如图 表示无化学反应的连续过程物料流程 图中方框表示一个体系 虚线表示边界 体系 共有三个流股 进料F及出料P和W 有两个组分 x为质量分数 可列出物料衡算式 总物料衡算式 F P W 每种组分衡算式 对于连续不稳定过程 由于该过程内物料量及组成等随时间而变化 因此 物料衡算式须写成以时间为变量的微分方程 表示体系内在某一瞬时的平衡 7 将物料衡算结果列成输入 输出物料表 物料平衡表 画出物料平衡图 8 校核计算结果 结论 物料衡算表 五 无化学反应的物料衡算 在系统中 物料没有发生化学反应的过程 称为无反应过程 流体输送粉碎换热混合 分离 吸收 精馏 萃取 结晶 过滤 干燥 等 化工单元操作 一 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 设备边界就是体系边界 举例说明计算步骤和计算方法 例题3 1 一种废酸 组成为23 质量 HNO3 57 H2SO4和20 H2O 加入93 的浓H2SO4及90 的浓HNO3 要求混合成27 HNO3及60 H2SO4的混合酸 计算所需废酸及加入浓酸的数量 解 1 画物料流程简图 2 选择标准 可以选废酸或浓度的量为基准 也可以用混合酸的量为基准 因为四种酸的组成均已知 选任何一种作基准计算都很方便 设X 废酸量 kg Y 浓H2SO4量 kg Z 浓HNO3量 kg 3 列物料衡算式 该体系有3种组分 可以列出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 100 0 6 60 2 HNO3的衡算式0 23x 0 9z 100 0 27 27 3 解 1 2 3 方程 得x 41 8kg废酸 z 19 2kg浓HNO3 y 39kg浓H2SO4 即由41 8kg废酸 39kg浓H2SO4和19 21kg浓HNO3可以混合成100kg混合酸 根据水平衡 可以核对以上结果 加入的水量 41 8 0 2 39 0 07 19 2 0 10 13kg 混合后的酸 含13 H2O 所以计算结果正确 以上物料衡算式 亦可以选总物料衡算式及H2SO4与HNO3两个衡算式 或H2SO4 HNO3和H2O三个组分进行计算 均可以求得上述结果 代数法求解时 列衡算式应注意下列几点 1 无化学反应体系 能列出的独立物料衡算式数目 最多等于输入和输出物料中化学组分的数目 2 首先列出含有未知量数目最少的物料衡算方程 以便于解题 3 若体系内具有很多多组分的物料 则最好将每个流股编号 并列出表表示出已知的量和组分 检查能列出的衡算方程数目是否等于未知量的数目 二 有多个设备过程的物料衡算 对有多个设备的过程 进行物料衡算时 可以划分多个衡算体系 此时 必须选择恰当的衡算体系 这是很重要的步骤 否则计算繁琐 甚至无法求解 例题3 2 设计一套从气体中回收丙酮的装置系统 并计算回收丙酮的费用 系统的流程框图如图3 1所示 要求由已知的条件 列出各物流的流率 kg h 以便能确定设备的大小 并计算蒸馏塔的进料组分 流程图 图3 2 水 已知物料参数表 解 本本系统包括三个单元 即吸收塔 蒸馏塔和冷凝器 由于除空气进料外的其余组成均是以质量百分数表示的 所以将空气 丙酮混合气进料的摩尔百分数换算为质量百分数 基准 100kmol气体进进料 水 进入系统的物流为两个 离开系统的物流为三个 其中已知一个物流量 因此有四个物流是未知的 水 未知 F2 F3 F4 F5 可列出总物料平衡式 1200 F2 F3 F4 F5各组分平衡式 丙酮0 0295F2 0 99F4 0 05F5水1200 0 01F4 0 95F5空气0 9705F2 F3 补充数据 1 每小时进入系统的气体混合物 离开系统的产品或废液的物流量 2 进入蒸镏塔的组分 4个方程式 实际上独立方程式数为3 因此本方案求解尚缺少数据 这样才可能得出完整的解 否则只能部分解 此例体现了物料衡算式中未知变量数与独立方程式数目不相等时 无法进行衡算 例如3 3 有两个蒸馏塔的分离装置 将含50 苯 30 甲苯和20 mol 二甲苯的混合物分成纯的三个馏分 其流程图及各流股组成如图 计算蒸馏1000mol h原料所得各流股的量及进塔II物料的组成 解 设 S2 S3 S4 S5 表示各流股物料量 mol h X3B X3T 表示流股3中苯 甲苯的组成 该蒸馏过程中共可列出3组物料衡算方程 每组选三个独立方程 总物料 1000 S2 S3 1 苯 1000 0 5 0 95S2 X3BS3 2 甲苯 1000 0 3 0 03S2 X3TS3 3 即体系A 塔I 体系B 塔II 总物料 S3 S4 S5 4 苯 X3BS3 0 03S4 0 0045S5 5 甲苯 X3TS3 0 95S4 0 43S5 6 体系C 整个过程 总物料 1000 S2 S4 S5 7 苯 1000 0 5 0 95S2 0 03S4 0 0045S5 8 甲苯 1000 0 3 0 03S2 0 95S4 0 43S5 9 以上9个方程 只有6个是独立的 因为 1 4 7 式 同样 2 5 8 式及 3 6 9 式 因此 解题时可以任选二组方程 由题意 应选体系C 整个过程 因为三个流股2 4 5的组成均已知 只有S2 S4 S5三个未知量 可以从 7 8 9 三式直接求解 由 7 8 9 三式解得 S2 520mol hS4 150mol hS5 330mol h 再任选一组体系A或B的衡算方程 可解得 S3 480mol h X3B 0 0125 X3T 0 5925 X3X 0 395 用恒沸蒸馏法 将含有95 的乙醇水溶液制成浓度达99 9 的乙醇 以苯作溶剂 其流程及各物流的组成如图所示 1 试分析如图所示的虚框I II衡算范围哪个合适 2 计算每生产100吨99 9 的乙醇 应向塔A加入的 95 原料液量 苯量 例如3 4 解 1分析 若以塔A为衡算范围 如图的边界I所示 输入与输出系统的共有5股物料 其中只有塔底出料为已知 其他都为未知 但物料中只有三个组分 只能列出三个独立的物料衡算式 无法术解 所以这个衡算范围选得不合适 若取包括A B C D全部设备在内的整个系统作为衡算范围 如图的边界II所示 问题容易解决 2 计算 以II为衡算范围设 x 苯的输入量 y 95 乙醇输入量 z 5 乙醇输出量 共有三个未知数 列出衡算式 苯的衡算 x 0乙醇的衡算 0 95y 0 999 100 0 05z总的物料衡算 x y l00 z上三式联立求解得 x 0 y 105 44吨 z 54 4吨求出每生产100吨99 9 乙醇 应向塔A加入95 的乙酶原料量105 44吨 向塔A加入的苯量为零 表示只要在开工时在塔A加入足量的苯 以后苯便可在两个塔里循环 不需再加入苯 六 有化学反应过程的物料衡算 新物质生成 转化率产率 反应速率 化学计量过量 1 直接计算法 2 利用反应速率进行物料衡算 3 元素平衡 输入 某种元素 输出 同种元素 4 以化学平衡进行衡算 5 以结点进行衡算 6 利用联系组分进行衡算 联系物 组分 随物料输入体系 但完全不参加反应 又随物料从体系输出的组分 在整个反应过程中 它的数量不变 写出形式简单 只包括两个物料的物料平衡式 或 生产过程的常用指标 1 生产能力2 转化率3 产率 选择性 4 收率5 消耗定额 生产能力 化工装置在单位时间内生产的产品量或在单位时间内处理的原料量 称为生产能力 单位 kg h t d kt a等 化工装置在最佳条件下可以达到的最大生产能力称为设计能力 消耗定额是指生产单位产品所消耗的原料量 即每生产一吨100 的产品所需要的原料数量 消耗定额 原料量 产品量 一 反应转化率 选择性及收率等概念 工业化学反应过程中 当反应原料的配比不按化学计量比时 引入以下概念 1 限制反应物 化学反应原料不按化学计量比配料时 其中以最小化学计量数存在的反应物称为限制反应物 2 过量反应物 不按化学计量比配料的原料中 某种反应物的量超过限制反应物完全反应所需的理论量 该反应物称为过量反应物 3 过量百分数 过量反应物超过限制反应物所需理论量的部分占所需理论量的百分数 Ne 过量反应物的摩尔数 Nt 与限制反应物完全反应所需的摩尔数 4 转化率 以X表示 某一反应物反应掉的量占其输入量的百分数 NA1 NA2分别表示反应物A输入及输出体系的摩尔数 注意 一个化学反应 由不同反应物可计算得到不同的转化率 因此 应用时必须指明某个反应物的转化率 若没有指明时 则往往是限制反应物的转化率 反应物A的转化率 5 选择性 以S表示 反应物反应成目的产物所消耗的量占反应掉的量的百分数 式中 NA1 NA2为反应物A反应掉的摩尔数 转化率与选择性是反应物过程的两个主要技术指标 若反应物为A 生成的目的产物为D ND表示生成的目的产物D的摩尔数 a d分别为反应物A与目的产物D的化学计量系数 则选择性为 6 收率 以Y表示 目的产物的量除以反应物 通常指限制反应物 输入量 以百分数表示 转化率 选择性与收率三者之间的关系为 Y S X 用物质的量 摩尔数 或质量进行计算 若以摩尔数计算 考虑化学计量系数 a d分别为反应物A与目的产物D的化学计量系数 则目的产物D的收率为 例题3 5 年产300t对 硝基乙苯工段物料衡算 原料乙苯纯度95 硝化混酸组成为 HNO332 H2SO456 H2O12 粗乙苯与混酸质量比1 1 885 对硝基乙苯收率50 硝化产物为硝基乙苯的混合物 其比例对 邻 间 0 5 0 44 0 06 配置混酸所用的原料 H2SO493 HNO396 及H2O 年工作日300天 假设转化率为100 间歇生产 衡算 各个流股 原料 产物 废弃物 流量和组成 解 1 画出流程示意图 确定计算范围 图3 3 2 原料乙苯量 对硝基乙苯量 乙苯量 原料乙苯量 1404 6 0 95 1478 6kg杂质量 1478 6 1404 6 74kg 3 配酸酸量 混酸量 1478 6 1 855 2742 8kg纯HNO3量 2742 8 0 32 877 7kg96 HNO3量 877 7 0 96 914 3kg纯H2SO4量 2742 8 0 56 1536kg93 H2SO4量 1563 0 93 1651 6kg加水量 2742 8 914 3 1651 6 176 9kg 4 硝化 已知转化率为100 G3 G4 G5 0 5 0 44 0 06 其中硝基乙苯 对位 1999 9 0 5 1000kg邻位 1999 9 0 44 880kg间位 1999 9 1000 880 119 9kg 硝化物产量 5 废酸量 HNO3消耗量 废酸中HNO3量 877 7 833 5 44 2kgH2SO4量 1536kgH2O量 329 1 238 4 567 5kg废酸总量 44 2 1536 567 5 2147 7kg废酸组成 HNO32 06 H2SO471 52 H2O26 42 H2O生成量 表3 2硝化过程的物料衡算表 例3 6 合成氨原料气中的CO通过变换反应器而除去 如图3 3所示 在反应器1中大部分转化 反应器2中完全脱去 原料气是由发生炉煤气 78 N2 20 CO 2 CO2 和水煤气 50 H2 50 CO 混合而成的半水煤气 在反应器中与水蒸汽发生反应 得到物流中 与 之比为 假定水蒸汽流率是原料气总量 干基 的两倍 同时反应器1中CO的转化率为80 试计算中间物流 4 的组成 解 基准 物流1为100mol h 正反应的反应速率为r mol h 1 过程先由总单元过程摩尔衡算式进行计算 总衡算式为 N2衡算F5 N2 0 78 100 78mol hCO平衡0 0 2 100 0 5F2 rH2O平衡F5 H2O F3 rCO2平衡F5 CO2 0 02 100 rH2平衡F5 H2 0 5F2 r 已知H2与N2之比为3 1F5 H2 3F5 N2 3 78 234mol h原料气 干基 与水蒸汽之比为1 2F3 2 F1 F2 将H2和CO平衡式相加 消去r 得 F2 234 20 214mol h将F2值代入CO平衡式中 得 r 20 107 127mol hF3 2 100 214 628mol h最后 由CO2和H2O平衡得 F5 CO2 129mol h F5 H2O 628 127 501mol h 2 计算反应器1的反应速率 然后计算物流4的组成由反应速率的定义式得 r 式中为I物质的转化率 已知反应器1中CO的转化率为0 80 由此得反应器1的反应速率 r 0 8 0 2 100 0 5 214 101 6mol h 物流4中每一物流的流率 已知r后 物流4中每一物流的流率可以用物料衡算求得 即 N2平衡 F4 N2 0 78 100 78mol hCO平衡 F4 co 127 r 25 4mol hH2O平衡 F4 H2O 628 r 526 4mol hCO2平衡 F4 CO2 2 r 103 6mol hH2平衡 F4 H2 107 r 208 6mol h物流4的组成 摩尔分率 为 N2 0 083 CO 0 027 H2O 0 559 CO2 0 110 H2 0 221 在化工过程中 有一些具有循环 排放及旁路的过程 这类过程的物料衡算与以上介绍的方法类似 只是需要先根据已知的条件及所求的未知量选择合适的衡算体系 列出物料衡算式再求解 如果存在联系组分 则可以利用联系组分计算 七 具有循环 排放及旁路过程的物料衡算 有循环的过程 转化率常分为单程转化率与总转化率 所以 单程转化率是以反应器为体系 总转化率是以整个过程为体系 图中W为排放物料 即从分离器出来的分离产物S分成两部分 一部分为排放物料W 另一部分为循环物料R R W 或R F R MF 称为循环比 是循环过程的重要参数 图中每个衡算体系各物料之间的关系为 如下图为具有循环及排放过程的物料流程图 五个衡算体系 图中W为排放物料 总物料衡算F P W 反应器物料衡算MF RP 分离器物料衡算MP S P 结点A的物料衡算F R MF 结点B的物料衡算S R W 通常对有循环过程的物料衡算 若已知总转化率 可以先做总物料衡算 若已知单程转化率 则可以先从反应器衡算做起 例3 6 K2CrO4从水溶液重结晶处理工艺是将每小时4500mol含33 33 mol 的K2CrO4新鲜溶液和另一股含36 36 mol K2CrO4的循环液合并加入至一台蒸发器中 蒸发温度为120 用0 3MPa的蒸汽加热 从蒸发器放出的浓缩料液含49 4 mol K2CrO4进入结晶槽 在结晶槽被冷却 冷至40 用冷却水冷却 冷却水进出口温差5 然后过滤 获得含K2CrO4结晶的滤饼和含36 36 mol K2CrO4的滤液 这部分滤液即为循环液 滤饼中的K2CrO4占滤饼总物质的量的95 K2CrO4的分子量为195 试计算 1 蒸发器蒸发出水的量 2 K2CrO4结晶的产率 3 循环液 mol 新鲜液 mol 的比率 4 蒸发器和结晶器的投料比 mol 解 为了明确理解该重结晶处理工艺 先画出流程框图 如图示 将每一流股编号且分析系统 图3 4 基准 4500mol h新鲜原料 以K表示K2CrO4 W表示H2O 设 F1 进入蒸发器的新鲜物料量 mol h F2 进入蒸发器的循环物料量即滤液量 mol h F3 新鲜液和循环液混合后的物料量 mol h F4 出蒸发器的物料量 mol h F5 结晶过滤后的滤饼总量 mol h F6 蒸发器蒸出的水量 mol h Pc 结晶过滤后滤饼中K的物质量 mol h Ps 结晶过滤后滤饼中滤液的物质量 mol h x3 新鲜液和循环液混合后的K2CrO4组成 mol h 求 F2 F3 F4 Ps Pc F6 从已知条件可看出 滤饼里的溶液和结晶固体之间存在如下的关系 mol Ps 0 05 Pc Ps Ps 0 05263Pc对系统1物质K平衡 0 3333 F1 Pc 0 3636 Ps联立解得 Pc 1472molK2CrO4 h Ps 77 5mol溶液 hH2O物料平衡 F1 1 0 3333 F6 F5 0 05 1 0 3636 得 F6 2950 8mol h 对系统2 结晶过滤的总物料平衡 F4 Pc Ps F2F4 F2 1549 5结晶器水的平衡 F4 1 0 494 F2 1549 5 0 05 1 0 3636 联立求解得 F2 5634 6mol h F4 7184mol h则 循环液 新鲜料液 5634 6 4500 1 25最后 通过混合点系统3的物料平衡或蒸发器的物料平衡求出F3 系统3 混合点的物料平衡 F1 F2 F3得 F3 10134 6mol h由蒸发器的物料平衡可校核F3的计算是否正确 F3 F4 F6 因此 设计的蒸发器与结晶槽的投料比为 F3 F4 10134 6 7184 1 41 系统1总物料 F1 F6 Ps Pc K2CrO4 0 3333F1 0 3636Ps Pc 系统2总物料 F4 F2 Ps Pc K2CrO4 0 494F4 0 3636F2 0 3636Ps Pc 系统3总物料 F1 F2 F3 约束式 Pc 0 95 Ps Pc 联立可解出F2 F3 F4 Ps Pc F6 第二节能量衡算 能量衡算可以解决的问题 1 确定物料输送机械和其它操作机械所需要的功率 2 确定各单元操作过程所需热量或冷量 及其传递速率 计算换热设备的工艺尺寸 确定加热剂或冷却剂的消耗量 为其他专业如供汽 供冷 供水专业提供设条件 3 化学反应常伴有热效应 导致体系的温度上升或下降 为此需确定为保持一定反应温度所需的移出或加入的热传递速率 4 为充分利用余热 必须采取有效措施 使过程的总能耗降低到最低程度 为提高能量利用率 降低能耗提供重要依据 5 最终确定总需求能量和能量的费用 依据 能量衡算是以热力学第一定律为依据 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设计称为热量计算 在化工生产中 能量的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 操作制度是否先进合理的主要指标之一 能量衡算有两种类型的问题 1 对使用装置或设备的衡算 即由装置或设备进出口物料的量和温度 以及其它各项能量 求出装置或设备的能量利用情况 2 对设计新装置或设备的衡算 即根据已知的或可设定的物料量 求得未知的物料量或温度 和需要加入或移出的热量 能量衡算的基础是物料衡算 只有在进行完备的物料衡算后才能作出能量衡算 而物料衡算和能量衡算又是设备计算的基础 能量衡算的一般方法 1 正确绘制系统示意图 确定衡算范围 标明已知条件和物料状态 温度 压力 相态 2 确定各组分的热力学数据 3 选择计算基准 选定计算基准温度 大部分在物料衡算的基础上进行 同时 还要选取热力学函数的基准态 273K或298K 4 列出能量衡算方程式 进行求解 数学法 5 整理并校核计算结果 列出能量输入 输出平衡表 一 热量衡算 一 热量衡算的目的和任务 1 通过计算传入 或传出 的热量 确定加热剂 或冷却剂 的消耗量以及其它能量的消耗 2 计算传热面积 以决定换热设备的工艺尺寸 3 确定合理利用热量的方案以提高热量综合利用效果 1 对单元设备做热量衡算 当各个单元设备之间没有热量交换时 只须对个别设备做计算 2 整个过程的热量衡算 当各工序或单元操作之间有热量衡算时 必须做全过程的热量衡算 热量衡算的应用有两种情况 二 热量衡算式即热平衡方程式 1 由热力学第一定律 对于一个等压过程 在只做膨胀功的情况下 其焓变就等于反应所需吸收或放出的热量 也就是外界环境的反应系统提供或取出的热量 2 能量守恒定律 即在稳定操作条件下 进入体系的能量必然等于离开体系的能量和能量的损失之和 Q入 Q出 Q损 因此 对于流动系统 如连续过程 一般为恒压过程 不考虑其它能量 其热量衡算式 H出 离开设备或系统各股物料焓变 H入 进入设备或系统各股物料焓变 三个物理量 热量 功 焓 热量 Q 由于温差而引起的能量交换叫热量 功 W 力与位移的乘积 常见的有体积功 流动功 旋转轴的机械功环境向体系作的功为正 反之为负 热量和功是传递性质 与路径有关 焓 H H U PV H T P U和H都是状态函数 与过程的路径无关 只与所处的状态有关 热容 Q mC T dQ mC T dT 恒压过程 恒容过程 恒压过程 Q H mCp T 2 对非流动系统 如间歇过程 无势能 动能变化 仅有热量变化 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 所处理的各股物料带入设备的热量规定 输入 加热 为 输出 冷却 为 由加热剂或冷却剂传给设备或物料的热量规定 放热为 吸热为 应注意Q2 H 各种热效应 如化学反应热和溶解热 离开设备的各股物料带走的热量 消耗在加热设备上的热量 设备向外界散失的热量 3 在解决实际问题时 通常用的热平衡方程的形式 三 热量计算中各种热量的说明 1 计算基准 可取任何温度 对有反应的过程 一般取25 作为计算基准 2 物料的显热可用焓值或比热容进行计算 在化工计算中常用恒压热容cp 由于比热容是温度的函数 常用幂次方程式表示 因此其计算式可表示为 式中 n 物料量 mol Cp 物料比热容 kJ mol Cp a bT cT2 dT3 eT4T 温度 T2为物料温度 T1为基准温度 3 Q2热负荷的计算 Q2等于正值为需要加热 Q2等于负值为需要冷却 对于间歇操作 各段时间操作情况不一样 则应分段做热量平衡 求出各不同时间的Q2 然后得到最大需要量 4 Q3为过程的热效应 包括过程的状态热和反应热 5 设备加热所需热量Q5 主要适用间歇操作 6 设备向四周散失的热量Q6 可由下式算得 T是对流和辐射两种给热系数的综合 可由经验公式求取 一般绝热层外表温度取50 设备散热表面积 m2 散热表面向四周围介质的联合给热系数 KJ m2 h a 绝热层外空气自然对流 b 空气沿粗糙面强制对流 四 加热剂和冷却剂的用量计算 热量衡算的结果 可以确定输入或移走的热量 从而求出加热剂或冷却剂的消耗量 或求出传热面积 热量衡算可以确定传入设备或从设备中移走的热量Q2 1 直接蒸汽加热时的蒸汽用量 式中 G 蒸汽消耗量 kg Q2 由加热剂传给设备或物料加热所需的热量 kJ H 蒸汽热焓量 kJ kg tk 被加热液体的最终温度 CP 被加热液体的比热容 kJ kg 为简化起见 通常蒸汽加热时的蒸汽用量计算仅考虑蒸汽放出的冷凝热 2 间接蒸汽加热时蒸汽的用量 tn 冷凝水的最终温度 3 燃料消耗量 T 燃料炉的热效率 QT 燃料的发热值 一般7000kcal kg 29260kJ kg 标准煤 Q2 由加热剂传给设备或物料加热所需的热量 kJ 4 电能消耗量 式中 E 电能消耗量 kw h Q2 由加热剂传给设备或物料所需的热量 kJ 电热装置的电工效率 一般取0 85 0 95 5 冷却剂消耗量 W 的计算 五 热量衡算的方法和步骤 1 分析各股物料之间热平衡关系必须根据各股物料走向及变化具体分析热量间关系 然后借助热平衡建立各热量之间的数学关系 2 收集数据必须弄清过程中存在的热量形式 从而确定需要收集的物性数据 要注意数据的准确性 以保证计算结果的可靠性 3 标绘能量衡算示意图 4 确定衡算范围 5 选定计算基准 6 列出输入 输出热平衡表 热量衡算结果整理 通过热量衡算以及加热剂 冷却剂等的用量计算 结合设备计算与设备操作时间安排 在间歇操作中此项显得特别重要 等工作 即可求出生成某产品的整个装置的动力消耗及每吨产品的动力消耗定额 由此可得动力消耗的每小时最大用量 每昼夜用量和年消耗量 并列表将计算结果汇总 进行热量衡算注意事项 1 热量衡算时要先根据物料的变化和走向 认真分析热量间的关系 然后根据热量守衡定律列出热量关系式 3 计算结果是否正确适用 关键在于数据的正确性和可靠性 2 要弄清楚过程中出现的热量形式 以便搜集有关的物性数据 4 间歇操作设备 传热量Q随时间而变化 因此要用不均衡系数将设备的热负荷由千焦 台换算为千焦 小时 5 选定设备的换热面积要大于理论计算 二 热量衡算举例 例3 7 含苯50mol 的苯 甲苯混合液 温度为10 连续加入汽化室内 在汽化室内混合物被加热至50 压力为34 8mmHg 液相中含40mol 的苯 汽相中含68 4mol 苯 问每kmol进料要多少热量 流程图 解 1 物料衡算 基准 1kmol进料混合物 1 V L0 5 0 684V 0 4L求得 V 0 352kmol L 0 648kmol 2 能量衡算基准 苯 液 10 甲苯 液 10 忽略混合热 总焓等于各组分焓的和 查得 CP 苯 液 62 55十23 4 10 2TkJ kmol KCP 甲苯 液 157kJ kmol 0 50 165kJ kmol 0 100 CP 苯 汽 36 21 48 46 10 2T 31 56 10 5T2kJ kmol KCP 甲苯 汽 34 40 55 92 10 2T 34 45 10 5T2kJ kmol K Hv 苯 30760kJ kmol Hv 甲苯 33470kJ kmol a 苯 液 50 b 甲苯 液 50 c 苯 汽 50 d 甲苯 汽 50 总能量衡算Q H n出H出 n进H进 17630kJ mol 例3 8 在0 2MPa 500 下含苯蒸汽通过两个换热器 换热器1 换热器2 后被冷却至200 其中在换热器2中锅炉给水由75 5MPa被加热至饱和 由气液分离器出来的饱和水在换热器1中被加热至沸腾 该蒸汽混合物与换热器2出来的饱和水在混合器中混合 然后进入气液分离器分离出饱和蒸汽 图3 8流程框图 如果通过换热器1的水量为通过换热器2的水量的12倍 求换热器1所产生的蒸汽量和每摩尔工艺物流所产生的蒸汽量 例3 8 苯蒸汽0 2MPa 500 苯蒸汽0 2MPa 200 锅炉给水5MPa 75 饱和水蒸汽5MPa 求 F4中的蒸汽量 F5 F7 kg mol F6 12F1饱和液体 饱和液体 气液混合物 气液混合物 解 这是一个无化学反应的多单元系统 每股物流中仅含有一种物质 因为苯的沸点为80 所以含苯工艺物流是以气相通过 已知物流1 2和6是液相 5是气相 3和4是气液混合物 F2 F4 F3 根据对本过程分析 其计算顺序为 1 物料衡算方程 总平衡F1 F5分离器平衡F3 F5 F6混合器平衡F3 F4 F2 F6 F1实际上总平衡式为分离器和混合器平衡式的总和 基准 选物流F7为100mol h 2 热量衡算方程 a 总平衡F1 hv 饱和 5MPa hl 75 5MPa F7 hv 500 0 2MPa hv 200 0 2MPa CPV 苯 18 587 1 174 10 2T 1 275 10 3T2 2 080 10 6T3 1 053 10 9T4 F7 F9 F8F1 F2 F1 b 换热器2的平衡 F1 hv 饱和 5MPa hl 75 5MPa F7 hv 500 0 2MPa hv 200 0 2MPa F7 F9F1 F2 即 T 574 5K 先用值估计T 即 迭代计算结果 因此得到换热器1和换热器2间 即F8处 苯物流的温度为586 61K 313 46 然后以此作为初值 用下式作迭代计算 c 换热器1的平衡 F7 hv 500 0 2MPa hv 200 0 2MPa 12F1 h混 饱和 5MPa hL 饱和 5MPa H混 饱和 5MPa hL 饱和 5MPa F7 F8F6 F4 F3 F5 F3 F1 12F1 1154 5 100 31 96 12 1 95 12 91kJ kg 设水蒸气质量百分比为w 则 12911 5 2794 2w 1154 5 1 w 即 w 0 08334 d 气液分离器的物料平衡核算 F1 F2F6 F4 F3 F5 F3 F1 12F1 F3 F6 F5 12F1 F1 13 1 95 25 337kg hF5hV 饱和 5MPa F6hL 饱和 5MPa F3h混 3 饱和 5MPa 13 1 95h混 3 1 95hV 饱 5MPa 12 1 95hL 饱和 5MPa h混 3 1 13hV 12 13hL whV 1 w hLw 0 07692F5中的蒸汽量为 w F3 0 07692 25 337 1 95kg h 0 0195kg mol工艺气 三 运用计算软件进行化工工艺计算 3 3 1概述计算机技术的迅速发展使原来复杂 繁琐 费时的化工工艺计算变得简便快捷 许多原来无法直接进行 只能简化近似的计算变得可能和精确 通过对模拟计算中模块的正确选择 可同时完成物料衡算和能量衡算 计算机用于化工设计主要有 物性数据检索 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 A 流程模拟软件 目前 常用商业化化工模拟计算软件有 ASPENPLUS PRO LOWTRAN ESIGN和HYSYS 1 ASPENPLUS ASPENPLUS Advanced