第五章 物料衡算与能量衡算

第五章化工工艺计算,一.设计计算前的准备工作二.物料衡算三.能量衡算,2,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。,物料衡算与能量衡算是进行化工工艺过程设计及技术经济评价的基本依据。通过对全生产过程或单元过程的物料和能量的衡算，计算得到：1）主、副产品产量；2）原材料的消耗定额，过程的物料损耗；3）“三废”的生成量及组成；4）水、电、汽或其他燃料等消耗定额；5）设计物料流程图。,根据物料衡算和能量的衡算结果，可以：1）对生产设备进行设计和选型；2）确定产品成本等各项技术经济指标，从而可以定量地评述所选择的工艺路线、生产方法及工艺流程在经济上是否合理，技术上是否先进。,第一节.设计计算前的准备工作,1.工艺性资料的收集（1）物料衡算提纲。生产步骤和化学反应（包括主、副反应）各步骤所需的原料，中间体规格和物理化学性质成品的规格和物化性质每批加料量或单位时间进料量各生产步骤的产率（2）工艺流程图及说明。（3）热量计算参数和设备计算数据（H、Cp、K、等）。（4）流体输送过程参数（粘度、密度、摩擦系数等）。,（5）传质过程系数，相平衡数据。（6）冷冻过程的热力学参数。（7）具体的工艺操作条件（温度T、压力P、流量G）（8）介质物性和材质性能，材质数据，腐蚀数据。（9）车间平立面布置的参考资料。（10）管道设计资料（管道配置、管道材质、架设方式、管件、阀件等）（11）环境保护、安全保护等规范和资料。,7,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,8,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,9,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,2.工程性资料的收集：,（1）气象、地质资料。（2）公用工程的消耗量，辅助设施能力。（3）总图运输、原料输送方式、储存方式。（4）上、下水资料。（5）配电工程资料。（6）仪表自控资料等。,（1）科研单位（研究报告）（2）设计单位（设计图纸、设计说明书）（3）基建单位（厂址方案、基建工程资料和安装工程资料）,3.资料的来源,（4）生产单位（现场操作数据和实际的经济技术指标）车间原始资料、各种生产报表工艺操作规程设备岗位操作法设备维护检修规程及设备维修纪录卡劳动保护及安全技术规程车间化验室的分析研究资料车间实测数据工厂科室掌握的技改资料供销科的产品目录和样本财务科的产品原料单耗及成本分析资料全厂职工劳动福利的生活资料（5）可行性研究报告、各国文摘和专利、各类工艺书籍、各类调查报告、各种化工过程与设备计算等书籍。,（1）IndustricalChemicals（2）EncyclopediaofChemicalTechnology（3）ScienceandTechnology（4）HandbookofTechnology（5）I.C.T（物性手册）,4.几本常用的化工设计资料和手册,第二节物料衡算,物料衡算的概念：在化工过程中，物料平衡是指“在单位时间内进入系统（体系）的全部物料质量必定等于离开该系统（体系）的全部物料质量再加上损失掉的与积累起来的物料质量。”对物料平衡进行计算称为物料衡算。物料平衡的理论依据是质量守恒定律，即在一个孤立体系中不论物质发生任何变化(不包括核反应)它的质量始终保持不变。,物料平衡方程式,根据质量守恒定律，对某一个体系内质量流动及变化的情况用数学式描述物料平衡关系则为物料平衡方程式。其基本表达式为：F0=D+A+B式中，F0输人体系的物料质量；D离开体系的物料质量；A体系内积累的物料质量；B损失的物料质量(如跑、冒、滴、漏),16,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。,二、物料衡算,17,（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,工艺技术条件、反应、转化率、相平衡数据,物料衡算的分类,1、按操作方式分为间歇操作、连续操作及半连续操作等三类物料衡算；2、按状态将其分为稳定状态操作和不稳定状态操作两类衡算。3、按衡算范围分为单元操作过程(或单个设备)和全流程的两类物料衡算；,19,1.确定衡算的对象、体系与环境，并画出计算对象的草图。,包括求解系统、衡算范围、衡算边界,物料衡算程序,20,2.确定计算任务；3.确定过程所涉及的组分；4.对物流流股进行编号，并标注物流变量；5.收集数据资料：一类为设计任务所规定的已知条件；一类为与过程有关的物理化学参数。,21,6.列出物料衡算方程,（3-1）,a）稳定操作过程（即稳流过程）：,（3-2）,b）系统内无化学反应：,（3-3）,c）系统内无化学反应的稳定操作过程：,(3-4),许多化工生产是连续进行的,物质连续流经设备和管道,在流动方向的不同截面上系统的状态可以不同.当达到稳定状态时,各截面上物质的性质应有完全确定的值,它们不再随时间而改变。满足上述条件的流动过程称为稳流过程.系统处于稳流过程时不会有物质或能量的积累。,例：一个苯-甲苯混合器，苯的流量为3kmol/min，甲苯的流量为1kmol/min，求混合器的物料的出口流量及组成？,混和器,甲苯1kmol/min,苯3kmol/min,混和物料Qkmol/min甲苯含量X%,质量平衡式的建立总物料：Q=3kmol/min+1kmol/min组分物料平衡式：苯：Q(1-X%)=3Kmol/min甲苯：Q*X%=1kmol/min分别求出Q=4kmol/min，X%=25%,24,7.列出过程的全部独立物料平衡方程式及其他相关约束式,对有化学反应的过程，应写独立的反应方程式或独立反应数。例如碳与氧的燃烧过程：这4个反应是否是独立的呢？如何判断呢？,25,反应过程中，若有m种元素和n个组分参与反应时，独立反应数为：N反应=n-m上例中，m=2,n=4独立反应数：N反应=4-2=2究竟哪2个是独立反应呢？判断原则是：反应的组合过程中，不应少了某个组分。例如：选、或可以但不能选，+：C+1/2O2+CO+1/2O2=CO+CO2少了组分CO选也不行，+：C+O2+CO2+C=CO2+2CO少了组分CO2选也不行，+：CO+1/2O2+CO2+C=CO2+2CO少了组分CO2,7.列出过程的全部独立物料平衡方程式及其他相关约束式,8.选择计算基准。9.统计变量个数与方程个数，确定设计变量的个数及全部设计变量。,27,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。当量基准：对化学反应过程，选用kmol，因为反应为等当量反应。,物料衡算的基准,返回,28,完整描述一股物流的总变量数：,设物流含有Nc个组分，则描述该物流的总变量为Fi、Xijj=（1，2，Nc），共有Nc+1个。,设系统有Nc个组分，进料有I股物流，出料有K股，有：,Nc+1个物料衡算，Nc个独立方程。,29,有Ns股物流，Nc个组分数，Np个设备参数,变量,在进行物料衡算之前，由设计者赋值的变量，又称赋值变量,设计变量,返回,30,自由度=物流独立变量数-独立平衡方程数-附加关系方程数-赋值数,系统自由度,=0，刚好；0，条件过多，删除不合理；0，条件不足，不能解出全部未知数。,31,约束式,归一化方程，如：恒沸组成相平衡数据化学平衡方程回流比相比,返回,32,例从气体中回收丙酮的装置,变量和设计变量,33,进入系统的物流为两个，离开系统的物流为三个，其中一个已知物流量，四个物流是未知的。可列出总物料平衡式：各组分平衡式：丙酮：水：空气：但这4个方程式只有3个是独立，因此需1个设计变量。,34,10.整理计算结果（整理成原材料消耗表和物料衡算表）,35,11.绘制物料流程图,列物料平衡式时应注意的事项,(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。若体系内有化学反应，则衡算式中各项用摩尔时为单位时，必须考虑反应式中的化学计量系数。,列物料平衡式时应注意的事项,(2)对于无化学反应体系，能列出独立物料平衡式的最多数目等于输入和输出的物流里的组分数。(3)在写平衡方程式时，要尽量使方程式中所包含的未知数最少。,物料衡算举例,无反应过程的物料衡算,无反应过程指流体输送、粉碎、换热、混合、分离（吸收、精馏、萃取、结晶、过滤、蒸发、闪蒸、提浓、脱水、增湿、干燥）等化工单元操作。,物料衡算计算举例,1无反应例1采用蒸发方法将浓度为10NaOH及10NaCl的水溶液进行浓缩。蒸发时只有部分水分汽化成为水蒸气而逸出，部分NaCl结晶成晶粒而留在母液中。操作停止后，分析母液的成分为：50NaOH，2NaCl及48H2O。若每批处理1000kg原料液，试求每批操作中：1)获得的母液量，2)蒸发出的水分量，3)结晶出的NaCl量。,计算过程,解：本题为间歇过程，因此以每批处理量为基准进行物料衡算。流程示意图2-2组分物料衡算：NaOH平衡1000 x0.1=0.5F4NaCl平衡1000 x0.1=0.02F4+F3H2O平衡1000(1-0.1-0.1)=F2+0.48F4解方程得：F2=704kg，F3=96kg，F4=200kg,42,有反应过程的物料衡算,SO2(空气)SO2COH2O(g)H2CO2CH3OH1/2O2(空气)HCHOH2O工业上：较昂贵的反应物全部反应，较难得或要严格控制的反应物应充分利用限制组分价格低廉、易得的反应物过量过量组分,43,基本概念,(1)限制组分、过量组分在反应过程中，在数量上以最小化学计量系数存在的组分称为限制组分。在数量上超过完全反应所需理论量的组分称为过量组分。例：原料气中有CO1mol，H2O(g)2mol，进行变换反应：COH2O(g)H2CO2用反应物的实际摩尔量除以各自对应组分的反应计量系数，此值最小者即为限制组分，其余为过量组分。,所以，CO是限制组分，H2O(g)是过量组分。,44,(2)过量百分数,过量组分超过理论量的那部分占理论量的百分数。设：Nf为过量组分的实际用量（质量或mol量）Nt为过量组分的理论用量（质量或mol量）则：过量%=(NfNt)/Nt100%如上例：H2O(g)过量%=(2-1)/1100%=100%过量百分数表征了过量组分的过量程度。过量组分是相对于限制组分而言的，它以限制组分为基准，没有限制组分，也就没有过量组分。,45,几种衡算方法,总物料衡算法联系组分衡算法反应组分衡算法元素衡算法,46,化学反应过程物料衡算的方法：,（1）直接计算法(总物料衡算法和组分衡算法相结合)（2）利用反应速率进行物料衡算；（3）元素平衡；（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。其中直接计算法是根据化学反应方程式，运用化学计量系数进行计算的方法，也是常用的方法之一。,物料衡算计算举例,2.有反应甲醇制造甲醛的反应过程为：CH30H+1/2O2HCHO+H20反应物及生成物均为气态，若使用50的过量空气，且甲醇的转化率为75，试计算反应后气体混合物的摩尔组成。,物料衡算计算举例,解：画出流程图,空气(过量50%),CH3OHHCHOH2ON2,催化反应器,CH3OH,基准：1molCH3OH根据反应方程式O2(需要)=0.5mol；O2(输入)=1.50.5=0.75mol；N2(输入)=N2(输出)=0.75(79/21)=2.82molCH3OH为限制反应物反应的CH3OH=0.751=0.75mol因此HCHO(输出)=0.75molCH3OH(输出)=1-0.75=0.25molO2(输出)=0.75-0.75x0.5=0.375molH2O(输出)=0.75mol,计算过程,计算结果,例题：,丙烷充分燃烧时要使空气过量25，燃烧反应方程式为：试计算得到100摩尔燃烧产物（又称烟道气）需要加入的空气的摩尔量。,解：以1mol入口丙烷为计算基准根据反应方程式，1mol丙烷需要5mol的氧气与之反应，因氧气过量25%，故需要加入的空气量为其中O2气为：6.25mol，N2气：23.51mol烟道气中各组分的量：C3H8:0molN2:23.51molCO2:3molO2:1.25molH2O:4mol,因此，以1mol入口丙烷为基准的物料衡算结果如下：,从计算结果可以看出，当空气加入量为29.76mol时，可产生烟道气31.76mol，所以，每产生100mol烟道气需加入的空气量为：,54,带循环和旁路过程的物料衡算,典型的具有循环和旁路过程的物料流程图：,例：精馏塔塔顶的回流过滤结晶过程滤液的返回氨合成中未反应的原料气再循环,衡算特点：循环量未知，不能按顺序单元依次计算,衡算方法：（1）代数法；（2）试差法,55,（1）代数法,例：K2CrO4结晶过滤工艺,先进行总的过程衡算，再对循环系统，列出方程式求解。以循环流量作为未知数，应用联立方程的方法进行求解。,求:F2，F3，F4，Ps，Pc，F6,56,系统1总物料：F1=F6+F5K2CrO4：0.3333F1=0.95F5系统2总物料：F4=F2+F5K2CrO4：0.494F4=0.3636F2+0.95F5系统3总物料：F1+F2=F3联立可解出F2，F3，F4，F5，F6,57,（2）试差法,试差法又称迭代法，就是先假设一估算值（称老估算值），然后按顺序模块逐个依次衡算出一个结果（称为新估算值），如果：,则“新估算值”即为计算结果，否则，需重新假设“老估算值”进行计算，直到满足容许误差为止。,迭代法存在误差，即相对误差，它表征“新老估算值”的接近程度，它必须容许误差。,最初假设的“老估算值”称为初值。初值的设定范围直接影响到迭代的收敛速度。,58,补充例,比较“新老估算值”的接近程度：,但如何重新计算呢？即如何重新设定初值呢？有两种方法：(1)简单迭代法：重新计算时，用最新的计算结果来代替前一次的初值，这种方法称为简单迭代法。一般情况下，该法的迭代次数较多，即收敛速度很慢。(2)加速收敛法：对初值进行处理，使迭代的收敛速度加快，这种方法称为加速收敛法。,流程物料衡算的几个问题（1）计算基准设计过程中各种计算通常以小时或是以设备为单位进行，而设计任务却是指定年产量，此时应注意计算基准。例设计一个年产量为10000t（吨）的间歇本体法聚丙烯设备装置，由二个反应釜并联操作，反应釜的操作时间表如下置换0.5h进料0.5h聚合反应5.0h出料1.5h清理0.5h设年操作时为8000小时，消耗定额为1.1t丙烯/聚丙烯，试决定所需反应器的体积和管道的通过能力。,解：每个反应釜的生产能力为5000t/a（年），每批操作周期为8h，故每个反应釜每批的生产量为：50008/8000=5t/批在操作状态下丙烯的密度为470kg/m3，反应釜的装填系数为0.9，则所需反应釜的体积:1.15/0.47/0.9=13.0m3进口管道通过能力=每批投料量/进料时间=1.15/0.5=11t/h=23.4m3/h出口管道的通过能力=5.5/1.5=3.67t/h,（2）比率系数对于一个较复杂过程，开始进行物料衡算时通常不能确切知道每吨产品的原料消耗，可以任意选择一个进料数值，例如100kmol/h，待系统计算完成得到产品数值时，再将各股物料乘该比例系数。（3）物流的循环对于转化率较低或有一种反应物过量的反应系统，需将未反应的原料与产物分离后，返回到反应器入口，构成物料循环。如此，增加了物料衡算的复杂程度。例2：乙烯与氯气反应生产氯乙烯的过程如下图,Cl2,C2H4,HCl,A氯化,B次氯化,热裂解C,D分离,C2H3Cl,(VC),在各反应器中发生如下反应：(A)氯化反应C2H4+Cl2C2H4Cl2(DCE：二氯乙烷）DCE收率98%（B)次氯化C2H4+2HCl+0.5O2C2H4Cl2+H2ODCE以乙烯为基准的收率为95%以HCl为基准的收率为90%（C)热裂解C2H4Cl2C2H3Cl(VC)+HClVC的收率为99%，HCl的收率为99.5%设VC产量为12500kg/h，试求Cl2,C2H4流量及HCl的循环量。解（1）：联立代数方程法已知：VC,DCE,HCl分子量分别为62.5,99.0,36.5设C2H4进入（A）的流量为x1,进入（B）的流量为x2,HCl的循环量为x3VC=12500/62.5=200kmol/h,则：x3=0.995(0.98x1+0.95x2)（热裂解反应）(1)0.90 x3/2=0.95x2（次氯化反应）(2)0.99(0.98x1+0.95x2)=200（热裂解反应）(3)联立（1）（2）得x2=0.995(0.98x1+0.95x2)0.9/1.9x2=0.837x1（4）联立（3）（4）x1=113.8x2=95.3因此：Cl2流量=x1=113.8kmol/hC2H4=x1+x2=209.1kmol/hHCl循环量x3=0.995(0.98113.8+0.9595.3)=201.1kmol/h解（2）直接迭代法设以HCl的循环量x3作为迭代变量,迭代步骤为：1）假设x32）用式0.9x3/2=0.95x20.99(0.98x1+0.95x2)=200求出x1,x23）将x1,x2代入x3=0.995(0.98x1+0.95x2)方程求出x3，与初值比较，若误差已经达到收敛指标，则结束计算。现设x3=150kmol/h，迭代过程各变量值如下迭代次数x3x2x1x3115071.055137.2877201.0342201.03495.2298113.8623201.0433201.04395.234113.858201.0434201.043由此可知，迭代4次即可收敛。,（4）物料的排放物料的排放是为了防止循环过程中某些组分的积累。例如，合成氨工艺和氢气循环使用的加氢工艺。,（5）化学计量学反应物系中各组分的反应量必须服从一定的化学计量关系，这不仅是进行反应器物料衡算的基础，而且对确定反应器的进料配比、工艺流程的安排具有重要意义。,第三节能量衡算,能量衡算定义根据能量守恒定律，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。,能量平衡方程式,能量衡算平衡方程式E:表示体系能量总变化；Q:表示体系从环境吸收的热量；W:表示环境对体系所做的功。,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。,热量衡算,热量衡算有两种情况：1）对单元设备做热量衡算；2）整个过程的热量衡算。（当各个工序或单元操作之间有热量交换时，必须做全过程的热量衡算。）,能量衡算的基本方程式,Q入=Q出+Q损式中:Q入一输入设备热量总和；Q出输出设备热量总和；Q损损失热量总和。,如果无轴功条件下，进入系统加热量与离开系统的热量应平衡，即对传热设备的热量衡算可表示为：,物料带进体系的热量,加热剂（或冷却剂）与设备交换的热量,过程的热效应,物料从体系带走的热量,消耗在加热设备各个部件上的热量,设备向四周散失的热量（热损失）,能量衡算的基本方程式,热量计算的说明,（1）计算基准：指的是能量（或热量）基准。可取任何温度，对有反应的过程，一般取25为计算基准。（2）物料的显热可用焓值或比热容进行计算。,CP是温度的函数,（3）关于Q2热负荷的计算。“”需加热，“”需冷却。对于间歇操作，应分段衡算，求出最大需要量。（4）Q3为过程的热效应，包括过程的状态热（相变热）和化学反应热。（5）设备加热所需热量Q5,（6）设备热损失Q6按“化工原理”中的计算方法计算,热量衡算步骤P59,(1)绘制以单位时间为基准的物料流程图，确定热量平衡范围；(2)在物料流程图上标明已知温度、压力、相态等已知条件；(3)选定计算基准温度。由于手册，文献上查到的热力学数据大多数是273K或298K的数据，故选此温度为基准温度，计算比较方便。计算时相态的确定也是很重要的；(4)列出热量衡算式，然后用数学方法求解未知值；(5)整理并校核计算结果，列出热量平衡表。,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。(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。,进行热量衡算注意事项,(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。(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。,热量衡算举例,例1某化工厂计划利用废气的废热，进入废热锅炉的废气温度为450，出口废气的温度为260，进入锅炉的水温为25，产生的饱和水蒸气温度为233.7，3.0MPa，(绝压)，废气的平均热容为32.5kJ(kmol)，试计算每100kmol的废气可产生的水蒸汽量?解：过程如图，基准：100kmol的废气。锅炉的能量平衡为：,计算结果,锅炉的能量平衡为：废气的热量损失=将水加热以产生水蒸气所获得的热量,82,加热剂与冷却剂,热源：用于加热过程如热水、蒸汽（低压、高压、过热）、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、熔盐等。冷源：用于冷却或移走热量过程，如冷冻盐水、液氨等A加热剂的选择要求（1）在较低压力下可达到较高温度；（2）化学稳定性高；（3）没有腐蚀作用；（4）热容量大；（5）冷凝热大；（6）无火灾或爆炸危险性；（7）无毒性；（8）价廉；（9）温度易于调节。根据工艺要求、安全性、可靠性及价格费用等因素选用,83,B加热剂和冷却剂,84,C加热剂和冷却剂的用量计算,不同情况下加热剂和冷却剂用量的计算方法：（1）直接蒸汽加热（2）间接蒸汽加热（3）燃料消耗量（4）冷却剂消耗量（5）电能消耗量,85,例2,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,86,在对本体系作物料和能量衡算时，当选定工艺物流F7作计算基准后，通过对整个体系（总过程）进行能量衡算，可计算出F1=F2=F5，由于换热器2不产生蒸汽，只有换热器1产生蒸汽，因此，F5即为换热器1所产生的蒸汽量，再计算F5/F7，即为问题所求的第一步解。总物流F1=F2=F5和F7=F8=F9确定后：1首先，通过对换热器2作能量衡算，可求解T8；2接着，对换热器1进行能量衡算，可求解F4的焓值和F4中的蒸汽分率；3依次，对混合器或气液分离器进行物料、能量衡算，可求解F3的焓值和F3中的蒸汽分率。,例题:乙烯氧化为环氧乙烷的反应方程式如下：,乙烯（g）的标准生成热为环氧乙烷(g)的标准生成热为试计算0.1013MPa、25下的反应热,因此，0.1013Mpa，25下的反应热计算如下：,例3：甲烷气与20%过量空气混和，在25oC,0.1Mpa下进入燃烧炉燃烧，弱燃烧完全，其产物能达到的最高温度是多少？反应方程式为：CH4+2O2CO2(g)+2H2O,燃烧炉,CH4,空气（过量20%）,燃烧产物,25oC，0.1MPa,(1)、物料衡算取1molCH4为基准，则进料中O2的量为：1*2*（1+0.2）=2.4mol进料中N2量：2.4*0.79/0.21=9.03mol出料中CO2量：1mol,H2O量：2molO2量：2.4mol-2mol=0.4molN2量：9.03mol,(2)、能量衡算过程为绝热过程，基准温度为25oC。简化为：Q3=Q4,物料带进体系的热量,加热剂（或冷却剂）与设备交换的热量,过程的热效应,物料从体系带走的热量,消耗在加热设备各个部件上的热量,设备向四周散失的热量（热损失）,由物化手册查得生成热如下：CO2:-395.51kJ/mol;H2O:-241.83kJ/mol;CH4:-74.85kJ/molHr=(-395.51)+(-241.83)*2-(-74.85)=-802.32kJ/molQ3=-Hr=802.32kJ/mol;Q4=(njCpj)T=(Cp,CO2+2Cp,H2O+0.4Cp,o+9.03Cp,N2)(T-298)由化工手册查得CO2,H2O(g),O2,N2的比热容，带入上式：Q4=(343.04+0.13T-27.174*10-8T2)(T-298)由Q3=Q4联立式子，采用试差法解得：T=1927k。,93,3.3运用计算软件进行化工工艺计算,3.3.1计算机辅助过程计算软件简介A流程模拟软件ASPENPLUS模拟系统软件,美国AspenTech公司产品PRO/流程模拟软件,美国SimSci-Esscor公司开发HYSYS流程模拟软件,加拿大Hyprotech公司产品gPROMS通用工艺过程模拟系统,英国PSE公司开发ChemCAD化工流程模拟软件,美国Chemstations公司开发DesignII流程模拟软件,美国WinSimInc.公司开发ECSS模拟系统,青岛化工学院计算机与化工研究所开发,94,95,B化工过程模拟软件的应用,Chemcad在化工课程设计中的应用,ChemCAD可以模拟:蒸馏、汽提、吸收、萃取、共沸、三相共沸、共沸蒸馏、三相蒸馏、电解质蒸馏、反应蒸馏、反应器、热交换器、压缩机、泵、加热炉、控制器、透平、膨胀机等50多个单元操做,96,ChemCAD提供了大量的最新的热平衡和相平衡的计算方法，包含39种K值计算方法和13种焓计算方法。,K值方法主要分为活度系数法和状态方程法等四类,UNIFAC、UPLM.(UNIFAC.for.Polymers)、Wilson、T.K.Wilson、HRNMModified.Wilson、VanLaar、Non-RandomTwoLiquid(NRTL)、Margules、GMAC(ChienNull)、ScatchardHildebrand(Regular.Solution),活度系数法,97,RedlichKwong、SoaveRedlichKwong、PengRobinson、APISoaveRedlichKwong、LeeKesler、BenedictWebbRubinStarling、LatentHeat、Electrolyte、HeatofMixingbyGamma,焓计算方法,随堂作业,1.一种废酸，组成为22(质量)HNO3，57H2SO4和21H2O，加入93的浓H2SO4及90的浓HNO3，要求混合成27HNO3及60H2SO4的混合酸，计算所需废酸及加入浓酸的量，计算基准以混合酸1000kg/h计。,2.邻二甲苯空气氧化制苯酐，