第二章-工艺计算分解.ppt

第二章工艺计算第一节化工过程及过程参数 一 化工过程指由原料经化学处理和物理处理加工成化学产品或中间产品的生产过程 它包括许多工序 每个工序又由若干个或若干组设备 如反应器 蒸馏塔 吸收塔 干燥塔 分离器 换热器及输送设备等等 组合而成 物料通过各设备时 完成某种化学或物理处理 最终成为合格的产品 化工过程中的各种设备所进行的主要操作可归纳为下列几类 1 化学反应 2 分离或提纯 3 改变温度 4 改变压力 5 混合等 二 过程参数在化工生产过程中 能影响过程运行和状态的物理量 如温度 压力 流量及物料的百分组成或浓度等 在指定条件下它的数值恒定 条件改变其数值也随之变化 这些物理量称为过程参数 这些参数常作为控制生产过程的主要指标 进行化工计算时 上述参数是基本数据 可以直接测定 对一些不易直接测定的参数 可找出与容易测定的参数之间的关系 通过计算求得 有时也可以根据经验数据选定 三 化工基础数据 1 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 2 热力学物性数据 如内能 焓 熵 热容 相变热 自由能 自由焓等 3 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 4 传递参数 如粘度 扩散系数 导热系数等 通常这些数据可用下列方法得到 1 查手册或文献资料2 估算 可以应用物理和化学的一些基本定律计算各种物质的性质参数 3 用实验直接测定 一 物料衡算的基本方法 1 物料衡算进行的步骤 画出物料衡算示意图 如方框图 写出化学反应方程式 包括主反应和副反应 列出已知数据和由物料平衡所需要求解的问题 第二节物料衡算 决定系统的边界 即根据由物料平衡所需要求解的问题 确定计算范围 选定计算基准 收集计算所需要的数据 进行物料衡算 将物料衡算结果列成物料平衡表 画出物料平衡图 2 物料衡算式 物料衡算是研究某一个体系内进 出物料量及组成的变化所谓体系就是物料衡算的范围 它可以根据实际需要人为的选定 体系可以是一个设备或几个设备 也可以是一个单元操作或整个化工过程 进行物料衡算时 必须首先确定衡算的体系 根据质量守恒定律 对某一个体系 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 所以 物料衡算的基本关系式应该表示为 式中生成或消耗是因反应而生成或消耗的量 积累项可正可负 当积累项不为零时 称为非稳定过程 积累项为零时 称为稳定过程 对无反应的稳定过程 输入 输出 体系中积累 输入 输出 生成 消耗 稳定过程 输入 输出 生成 消耗 如图 共有三个流股 进料F及出料P和W 有两个组分 每个流股的流量及组成如图所示 图中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F xf1 P xp1 W xw1F xf2 P xp2 W xw2 3 物料衡算的基准 基准选得适当可是计算简化 究竟采用什么作基准视具体情况而定 不宜硬性规定 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 适宜采用重量作基准 无化学变化的过程 以重量或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 例 某尿素厂的生产能力为6万t尿素 a 年操作日300d 尿素的氨耗为0 6t氨 t尿素 生产过程的氨损失按5 考虑 已知以1t氨为基准的某股气体的组成和量如下表所示 组成CO2COH2N2CH4合计 mol 28 561 252 6117 050 575100kmol54 302 29100 0432 431 093190 99 求 列出该股气体的组成和流量表 以1t氨为基准的各组分的kmol量乘以5 25所得结果为流量 气体的流量和组成如下表所示 组成CO2COH2N2CH4合计 mol 28 561 252 6117 050 575100kmol h285 112 02525 2170 25 74998 3 解 小时产量为 60000 0 6 1 05300 24 5 25t h 二 无化学反应的物料衡算 1 简单过程的物料衡算2 多单元系统 在化工过程中 一些只有物理变化 不发生化学反应的单元操作 如混合 蒸馏 蒸发 干燥 吸收 结晶 萃取等 这些过程都可以根据物料衡算式 列出总物料和各组分的衡算式 再用代数法求解 1 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 下面举例说明计算步骤和计算方法 一种废酸 组成为23 质量 HNO3 57 H2SO4和20 H2O 加入93 的H2SO4及90 的浓HNO3 要求混合成27 HNO3及60 H2SO4的混合酸 计算所需废酸及加入浓酸的数量 解 设x为废酸量 kg y为浓H2SO4量 kg z为浓HNO3量 画物料流程简图 选择基准 可以选废酸或浓酸的量为基准 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 列物料衡算式 该体系有3种组分 可以列出3个独立方程 所以能求出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 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 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 不然会使计算繁琐 甚至无法求解 造纸厂的碱回收工序有一个四效蒸发器 供料方式为 蒸发器的总处理量为80000 h造纸废液 黑液 计算总蒸发水量和每一效蒸发器的蒸发水量 四效蒸发系统的物料平衡 四效蒸发系统的物料衡算过程 将整个系统简化为一个单元 可计算出总蒸发量FX进 F进 W X出 则总蒸发水量为 四效蒸发系统的物料衡算过程 第三效蒸发水量为 则第 效的蒸发水量W 为 进入第 的料液量80000 12600 67400kg h 类推得 15000kg h 18100kg h 三 反应过程的物料衡算 1 直接计算法 在物料衡算中 根据化学反应式 运用化学计量系数进行计算的方法 称为直接计算法 甲醇氧化制甲醛 其反应过程为CH3OH 1 2O2 HCHO H2O反应物及生成物均为气态 甲醇的转化率为75 若使用50 的过量空气 试计算反应后气体混合物的摩尔组成 解 画出流程示意图 如下图 催化反应器 CH3OH 空气 CH3OHHCHOH2OO2N2 过量50 基准 1molCH3OH根据反应式 需氧 0 5氧入 0 5 1 5 0 75氮入 氮出 0 75 79 21 2 82 反应的甲醇量 0 75 1 0 75 甲醛的出量 0 75甲醇的出量 1 0 75 0 25氧的出量 0 75 0 75 0 5 0 375水的出量 0 75计算结果如下表 组分CH3OHHCHOH2OO2N2总计 mol0 2500 7500 7500 3752 8204 945摩尔分数 5 015 215 27 657 0100 0 元素衡算法 元素衡算是物料衡算的一种重要形式 在作这类衡算时 并不需要考虑具体的化学反应 而是按照元素种类被转化及重新组合的概念表示为 输入 某种元素 输出 同种元素 对反应过程中化学反应很复杂 无法用一 两个反应式表示的物料衡算 可以列出元素衡算式 用代数法求解 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 P 3BN2平衡 0 79A NH2平衡 Q 4B过剩氧气 0 21A 0 25 1 25 MO2平衡 0 21A M P 1 2Q烟道气总量 N M P Q 100 丙烷充分燃烧时 要供给的空气量为理论量的125 问每10mol燃烧产物 需多少mol的空气 反应 丙烷空气 O2N2 CO2H2OO2N2 用联系组分作衡算 联系组分 是指随物料输入体系 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 如果体系中存在联系组分 那么输入物料和输出物料之间就可以根据联系组分的含量进行关联 例如 F P分别为输入 输出物料 T为联系组分 T在F中的质量分数为XFT 在P中的质量分数为XPT 则F与P之间的关系为 FXFT PXPT 以节点进行计算 以流程中某一点的汇聚或分支处的交点 即节点来进行计算可使计算简化 如原料加入到循环系统中 物料的混合 溶液的配制以及精流塔塔顶回流和产品取出等 均需采用节点来进行计算 节点 分流B 分流C 分流A 节点 A B C 节点示意图 复杂反应体系所有产物或副产物各自的收率作物料衡算 转化率对于一个系统 转化率是原料中某一反应物参加化学反应的量占其通入系统总量的百分数 它表示了化学反应进行的程度 对反应物A而言 其转化率XA的数学表达式为 式中 通入系统的反应物A的量 mol 反应后离开系统的反应物A的量 mol 工业生产中有单程转化率和总转化率 它们的区别在于系统划分的不同 单程转化率是以生产过程中的反应器为系统 其表达式为 单程转化率 总转化率是以整个生产过程为系统 其表达式为 对于可逆反应 当反应达到平衡时的转化率为平衡转化率 平衡转化率与温度 压力和反应物组成等平衡条件有关 它是可逆反应单程转化率的上限值 限制性反应物与过量反应物过量 过量反应物的转化率总是小于限制反应物的转化率 一般没有特别说明的情况下转化率是指限制反应物的转化率 它可以用作衡量反应完全程度标准 四 循环过程的物料衡算 例如在生产中一般将未反应的原料与产品先分离 后循环返回原料进口处 与新原料一起再进入反应器反应 例如苯直接加氢转化环己烷中的循环过程 混合器 泠凝器 新鲜 2 纯C6H6 循环 2 80 220 C6H6 产物 3 H2 反应器 在没有循环时 一系列单元步骤的物料衡算可按顺序依次进行 每次可取一个单元 但是 如果有循环的话 由于循环量并不知道 所以逐次计算并不能计算出循环量 其解法有二 试差法 假定一个循环量估计值进行计算 将估计值与计算值比较 若不符 重新假定一个估计值 一直计算到估计值与计算值之差在一定的误差范围内 代数解法 在循环存在时 列出物料平衡方程式 并求解 一般方程式中以循环量作为未知数 应用联立方程式的方法进行求解 苯直接加氢转化环己烷中的循环过程的衡算 解 反应为 C6H6 3H2 C6H12基准 100kmol h环己烷查苯的总转化率为99 则生产100kmol h环己烷需苯100 0 99 101 01kmol h未反应的苯为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其摩尔分数为 H2的进料率为100 3 3 12 303 12kmol h苯的进料率为101 01kmol h设H2循环量为R R 100 92kmol h 物料衡算汇总表 1 产品消耗定额 产品消耗定额 主要原料 辅助材料的品种 规格及年需求量 2 原辅材料需求一览表 在化工工艺计算中 根据能量守恒原理 有以下几种状态 当过程有化学反应时 热量进入率 热量流出率 反应热生成率 反应热消耗率 热量积累率 第二节热量衡算 当过程没有化学反应时 热量进入率 热量流出率 热量积累率当过程没有化学反应 且处于稳定状态时 热量进入率 热量流出率 1 能源的选择能源的选择在化工设计过程中能源的选择主要为热源与冷源的选择 常用的热源为 热水 蒸汽包括低压 中压 高压 过热蒸汽 导热油 道生 联苯与二苯醚的混合物 液体 道生蒸汽 烟道气 电 溶盐 NaNO2 40 KNO3 53 NaNO3 7 等 常用的冷源为 冷冻盐水 液氨 液体乙烯 常温水 地下水等 2 热量衡算的步骤2 1热量衡算需要收集的资料 1 要求控制的温度与时间参数 2 计算所用的物性数据 如比热 潜热 溶解热 结晶热 生成热及燃烧热等 3 计算加热 冷却 冷凝和冷冻用的热力学数据 4 计算流体流动过程中所需参数 如粘度 密度 压力 流量 时间等 5 计算传热用的导热系数 给热系数 传热系数及散热损失数据等 6 热量计算公式 2 2热量衡算的基准在热量衡算过程中经常采用设备1hr的进料量作为计算热量的基准 热量衡算过程中注意点 1 单位统一在收集的数据中 在计算时要注意各个数据的单位要统一 2 相态变化在计算时要注意物料的相态是否发生变化 3 适宜的K值在计算时要注意K值的选择要恰当 4 适当的 t t的确定要合适 2 3热量衡算的步骤 1 对单元设备进行热量衡算 求出设备的有效热负荷 2 由热负荷确定加热剂或冷却剂的用量 计算设备的传热面积 3 列出热量平衡表 检查热量是否平衡 4 列出加热剂与冷却的用量 5 列出用电所需功率 3 热量衡算的基本关系式热量衡算是能量守恒定律的应用 进 出化工过程中的热量衡算通式为 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6Q1 物料带入过程或设备中的热量 kJ Q2 加热剂 或冷却剂 带入过程或设备中的热量 kJ Q3 过程的热效应 kJ Q4 产物从过程或设备中带出的热量 kJ Q5 消耗在过程或设备中的热量 kJ Q6 设备的热损失 kJ 热量衡算按能量守恒定律 在无轴功的条件下 进入系统的热量与离开热量应该平衡 在实际中对传热设备的热量衡算可由下式表示 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 热量衡算计算方法 所处理的物料带入设备中的热量 KJ 加热剂或冷却剂与设备和物料传递的热量 过程的热效应 设备各部件所消耗的热量 KJ 离开设备物料带走的热量 KJ 设备向四周散失的热量 又称热损失 KJ 热量衡算的时间基准可与物料衡算相同 即对间歇生产可以每日或每批处理物料作基准 对连续生产以每小时作基准 但不管是间歇还是连续生产 计算传热面积的热负荷 必须以每小时作基准 而该时间必须是稳定传热时间 热量衡算温度基准 一般规定以25 或0 也可以进料温度作基准 从式中可得 Q2 Q4 Q5 Q6 Q1 Q3 热量衡算计算方法 加热剂或冷却剂与设备和物料传递的热量 1 Q1与Q4计算Q1 Q4 GiCPI t to 式中Gi 物料质量 kg CPI 物料平均等压比热容 KJ kg t 物料的温度 to 计算基准温度 Gi的数值可由物料衡算结果而定 t的数值由生产工艺确定 CPI则可从手册中查得 或用估算法得到 热量衡算计算方法 2 Q5计算消耗在加热或冷却设备上的热量可按下式计算 Q5 GiCPI t2 t1 式中Gi 设备各部件的质量 kg CPI 设备各部件的比热容kJ kg t1 设备各部件的初温度 t2 设备各部件的终温度 热量衡算计算方法 3 Q6计算设备向四周散失的热量Q6可按下式计算 Q6 A t twz t0 10 3式中A 设备散热表面积 m2 t 散热表面向周围介质的联合给热系数W m2 twz 器壁向四周散热的表面温度 to 周围介质温度 过程连续时间 s 热量衡算计算方法 4 过程热效应Q3计算过程热效应可分为两类 一类是化学过程热效应即化学反应热效应 另一类是物理过程热效应 即物理状态变化热 如溶解 结晶 蒸发 冷凝 熔融 升华及浓度变化等吸入或放出热量 纯物理过程无化学反应热效应 但物料经历化学变化过程 除化学反应热效应外 往往伴随着物料状态变化热效应 则两者应结合在一起考虑 可用下式计算 Q3 Qr Qp式中Qr 化学反应热效应 kJ Qp 物理过程热效应 kJ 热量衡算计算方法 4 加热剂与冷却剂用量的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用量 传热面积的大小等 输入到设备中或从设备中移走的热量 在不同的情况下是有差异的 1 直接蒸汽加热时的蒸汽消耗量G Q H Cptk 式中 G 蒸汽消耗量 kg Q 蒸汽传给物料的热量 kJ H 蒸汽热焓量 kJ kg Cp 被加热液体的比热容 kJ kg tk 被加热液体的最终温度 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 间接蒸汽加热室蒸汽的消耗量G Q H Cptn 式中 G 蒸汽消耗量 kg Q 蒸汽传给物料的热量 kJ H 蒸汽热焓量 kJ kg Cp 被加热液体的比热容 kJ kg tn 冷凝水的最终温度 3 燃料的消耗量M Q TQP 式中 M 燃料的消耗量 kg Q 由燃料提供给物料的热量 kJ T 炉子的热效率 从相关的手册中查取QP 燃料的热值 kJ kg 木料约为12000kJ kg 煤为16000 25000kJ kg 液体燃料约为40000kJ kg 煤气约为15000 20000kJ m3 天然气约为33000kJ m3 裂解气 4600kJ m3 4 冷却剂的消耗量包括水 冷冻盐水 空气气等W Q CP tK tH 式中W 冷却剂的消耗量 kg Q 物料冷却所需要的热量 kJ CP 冷却剂的比热容 kJ kg tK 冷却剂最终的温度 tH 冷却剂最初的温度 5 电能的消耗量E Q 860 式中 E 电能的消耗量 kwh Q 物料加热所需要的热量 kJ 860 换算系数 1kwh 3600kJ 860kw 电热装置的电工效率 一般取0 85 0 95 6 压缩空气的消耗量一般压缩空气的消耗量均折算成每单位时间耗用常压空气的体积 以m3 h 1 013x105Pa 表示 因此 在计算中只需求出压缩空气的体积与压力 压送液体物料时压缩空气的消耗量在生产过程中有两种情况 a 设备中的液体在一次操作中全部压送完一批操作 Va VAP 9 807x104 m3 一批操作式中 Va 一批操作所消耗的压缩空气量 已折算成1 013x105Pa VA 设备容积 m3 P 压缩空气在设备内建立的压力 Pa 9 807x104Pa kg cm2 每昼夜 Vc VAPa 9 807x104 m3 d式中 a 每昼夜压送批数每小时 Vh VAP 9 807x104x m3 h式中 每次压送时间 h b 设备中的液体进压出一部分 不完全压空时 一批操作 Va VA 2 VL P 2x9 807x104 m3 一批操作式中 设备装料系数VL 一次压出的液体体积 m3 每昼夜 VC VA 2 VL Pa 2x9 807x104 m3 d每小时 Vh VA 2 VL P 2x9 807x104x m3 h 某化工厂年产3000t31 的盐酸 其工艺流程如下图所示 一 能量衡算示例 1 已知条件 要求对冷却器和膜式吸收器作热量衡算 H2 Cl2 热量衡算 盐酸生产的物料平衡如图所示 31 盐酸 h为基准 热量衡算的基准 0 冷却部分热量计算 HCl冷却器 HCl冷却器热量衡算图 HCl熔解热Q2 盐酸带出热量Q 出口气体带出热量Q 合成炉气带入热量Q 冷却水带走热量Q 热损失Q 根据热量衡算式 输入 输出 对于HCl气体冷却器 可得Q1 Q Q3 Q4 Q5 Q6各项热量的计算Q1 450 时合成炉气中各气体带入的热量之和 QHCl QN2 QH2 QCO Q水蒸气 59 15 103KJ hQ2 0