化工设计 第3章物料衡算与能量衡算ppt课件

.,1,第三章物料衡算与能量衡算,3.1物料衡算3.2能量衡算,.,2,3.1物料衡算3.1.1物料衡算的作用3.1.2物料衡算的依据3.1.3物料衡算式3.1.4物料衡算的基本方法3.1.5无化学反应过程的物料衡算3.1.6有化学反应过程的物料衡算,.,3,3.1物料衡算,物料衡算是化工计算中最基本、最重要的内容之一，是能量衡算的基础。设计或研究一个化工过程，或对某生产过程进行分析，需要了解能量的分布情况，都必须在物料衡算的基础上，才能进一步算出物质之间交换的能量以及整个过程的能量分布情况。物料衡算和能量衡算是进行化工工艺设计、过程经济评价、节能分析以及过程最优化的基础。,.,4,3.1.1物料衡算的作用（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。用此计算结果，对生产情况进行分析、作出判断、提出改进措施。（一般的作业）另一种是设计一种新的设备或装置，根据设计任务，先作物料衡算，求出进出各设备的物料量，然后再作能量衡算，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。（设计）,3.1物料衡算,.,5,3.1.2物料衡算的依据,质量守恒定律在一个孤立物系中，不论物质发生任何变化，它的质量始终不变（不包括核反应，因为核反应能量变化非常大，此定律不适用）。质量守恒（不是摩尔守恒、体积守恒）,3.1物料衡算,.,6,3.1.3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，它可以根据需要选定。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。,3.1物料衡算,.,7,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。,连续过程的物料衡算式一般表示式为：系统中积累=输入输出+生成消耗稳态过程时：输入=输出生成+消耗无化学反应的稳态过程：输入=输出,3.1物料衡算,.,8,物料衡算方程的不同形式总平衡式总质量平衡式总摩尔平衡式组分平衡式组分质量平衡式组分摩尔平衡式元素原子平衡式元素原子质量平衡式元素原子摩尔平衡式,.,9,3.1.4物料衡算的基本方法,进行物料衡算时，为了能顺利地解题，避免错误，必须掌握解题技巧，按正确的解题方法和步骤进行。这样才能获得准确的计算结果。,.,10,I.衡算范围指定的任何空间范围。它可是一个设备、一个单元或整个过程。根据给定的条件画出流程简图（过程示意图或衡算范围）。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，并标出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。,.,11,II.衡算对象参加过程的全部物料。对无化学反应的对象：可选任一物料对有化学反应的对象：选未发生变化的物质,.,12,III.衡算基准及其选择原则上衡算基准是任意选择。但是，衡算基准选择得恰当，可以使计算简化，避免错误。对于不同化工过程，采用什么基准适宜，需视具体情况而定，不能作硬性规定。,.,13,1.应选择已知变量数最多的流股作为衡算基准。2.液体或固体的体系，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。,根据过程的特点，选择衡算基准时注意以下几点：,.,14,时间基准连续（小时，天）间歇（釜，批）质量基准kg，mol，kmol体积基准m3（STP），Nm3干湿基准干基（不含水），湿基（含水）,各种衡算基准,.,15,IV.物料衡算的程序（步骤）1.搜集计算数据（物性参数与操作参数等）2.画出物料流程简图3.确定衡算体系4.写出化学反应方程式，包括主反应和副反应，标出有用的分子量,.,16,5.选择计算基准，并在流程图上注明所选的基准值6.列出物料衡算式，然后用数学方法求解7.校核计算结果（数据归一）8.将计算结果列成输入-输出物料表（物料平衡表）（三线表、表头名称、基准）,.,17,关于物性参数（数据）,“物性参数”，又被称作“物化数据”或“物性数据”，是由物料本身的物理化学性质所决定的。化工基础数据包括很多，现将常用的一些化工基础数据大致归纳成以下几类:,.,18,（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。,.,19,数据的获取：1.查手册或文献资料,常用物质的物性数据可从化学化工类手册或专业性的化工手册中查到。（收集了许多物质的物性数据及图表）化学工程手册，化学工程手册编辑委员会，化学工业出版社，1980化工工艺设计手册，国家医药管理局上海医药设计院编，化学工业出版社，1986化工工艺算图，吉林化学工业公司设计院等编，化学工业出版社，1982,.,20,2.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。但是，往往由于缺乏计算所需的一些分子性质（偶极矩、极化率、原子间距离等）的数据而无法计算，或者即使知道这些数据，计算也很复杂。因此，许多研究人员做了不少工作，建立了理论与经验相结合的方法，来计算各种物质的物性数据。这些方法仅从一个化合物二、三种数据就能估算出该化合物的其他物性数据来。基团贡献法,.,21,3.用实验直接测定,实验直接测定。以上三种数据来源，从手册或文献中查得数据最方便，但往往有时数据不够完整，也会出现一些错误。用一些理论的、半经验的和经验的公式估算，也是一种简便的方法。当手册或文献中无法查得时，可以进行估算。直接用实验测定得到的数据最可靠，只是实验比较费时间又花钱。但是，如果查不到有关数据，而用公式估算得到的结果精度又不够时，则必须用实验进行测定。,.,22,4.计算机检索,近年来，随着电子计算机的迅速发展，应用计算机储存、检索和推算物性数据。一些大型化工企业、研究部门和高等院校都相应建立了物性数据库，以便于通过计算机自动检索或估算所要求的数据，而不必自行查找或计算，大大节省了时间和精力。化工物性数据库美国，CINDAS(14000)北京化工大学，大型化工物性数据库CEPPDS(3417),.,23,例：丙烷充分燃烧时，要供入的空气量为理论量的125%，反应式为：C3H8+5O23CO2+4H2O问每100摩尔燃烧产物需要多少摩尔空气？,解：物料流程简图如下：由图可知，该体系共有三个流股：丙烷、空气、燃烧产物。从原则上来说，其中任一个物料量均可作为基准。,.,24,（一）基准：1molC3H8,按照反应式，完全燃烧需氧量：5mol实际供氧量：1.25*5=6.25mol供空气量（空气中含氧21%（mol）：6.25/0.21=29.76mol其中氮气量：29.76*0.79=23.51mol物料衡算结果如下表：,所以，每100mol燃烧产物（烟道气）所需空气量为：100mol烟道气*（6.25+23.51）mol空气/31.76mol烟道气=93.7mol,1molC3H8需要的空气量：,.,25,（二）基准：1mol空气按题意供入的空气量为理论量的125%，1mol空气中氧量：0.21mol所以，供燃烧C3H8的氧量：0.21/1.25=0.168mol燃烧的C3H8的量：0.168*(1/5)=0.0336mol物料衡算结果如下表：,所以，每100mol燃烧产物（烟道气）所需空气量为：100mol烟道气*1mol空气/1.068mol烟道气=93.6mol,.,26,（三）基准：100mol烟道气,设：N-烟道气N2，mol；M-烟道气中O2，mol；P-烟道气中CO2，mol；Q-烟道气中H2O，mol；A-入口空气，mol；B-入口C3H8，mol。共有6个未知量，因此必须列6个独立方程。,按照反应式的化学计量关系，还可以列出另外几个线性方程，但是都与以上六个式子有关，独立方程只有以上六个公式。,列元素平衡：C平衡：3B=PH2平衡：4B=QO2平衡：0.21A=M+P+Q/2N2平衡：0.79A=N烟道气总量：M+N+P+Q=100过剩氧量：0.21A*0.25/1.25=M,烟道气：氮气，二氧化碳，水蒸气，氧气,.,27,3.1.5无化学反应过程的物料衡算,在化工过程中，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，直接列出总物料和各组分的衡算式，再用代数法求解。,.,28,I.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的过程。设备边界就是体系边界。1.画出物料流程简图。2.选择基准。3.列物料衡算式，求解。4.校核计算结果。5.将计算结果列成输入输出物料表（物料平衡表）。,.,29,例：一种废酸，组成为23%（质量分数）HNO3，57%H2SO4和20%H2O，加入93%的浓H2SO4及90%的浓HNO3，要求混合成含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：废酸量，kg；y：浓H2SO4量，kg；z：浓HNO3量，kg。,1.画出物料流程简图,.,30,2.选择基准：可以选择废酸或者浓酸的量为基准，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。,3.列物料衡算式：该体系有3种组分，可列出3个独立方程，所以能求出3个未知量。,总物料衡算式：x+y+z=100(1)H2SO4衡算式：0.57x+0.93y=1000.6=60(2)HNO3衡算式：0.23x+0.90z=1000.27=27(3),解(1)-(3)方程，得x=41.8kg废酸，y=39kg浓H2SO4，z=19.2kg浓HNO3,即由41.8kg废酸，39kg浓H2SO4，19.2kg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=41.80.2+390.07+19.20.10=13kg,混合后的酸，含有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H2O两个衡算式或者H2SO4，HNO3，H2O三个组分衡算式进行计算，均可以求得上述结果,.,31,II.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。,例：有两个设备的过程，如下图所示，可以划分成三个衡算体系：,每个衡算体系均可列出相应的衡算方程。若每个设备的输入和输出物料中均含有3个组分，则每个体系可写出3+1个衡算方程，其中有3个是独立方程。如，体系A,B,C各有3个独立方程，每个体系的3个独立方程成为一组，共三组。这样，具有两个设备的过程，共有2+1组衡算方程（即设备I，II的2组方程和整个过程的1组方程）。但是，只有2组方程是独立的。所以，独立方程，总数应该是23个，就是最多能求出6个未知量,.,32,例：有两个蒸馏塔的分离装置，将含有50%苯、30%甲苯和20%（mol%）二甲苯的混合物分成较纯的三个馏分，其流程图及各流股组成如右图，计算蒸馏1000mol/h原料所得各流股的量及进塔II物料组成的。,.,33,.,34,3.1.6有化学反应过程的物料衡算,有化学反应的过程，物料中的组分变化比较复杂。工业上的化学反应，各反应物的实际用量，并不等于化学反应式中的理论量。为了使所需的反应顺利进行，或使其中较昂贵的反应物全部转化，常常使价格较低廉的一些反应物用量过量。,.,35,I.反应转化率、选择性及收率等概念,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。,.,36,4.转化率（x）某一反应物反应掉的量占其输入量的百分数。5.选择性（S）反应物反应成目的产物所消耗的量占反应物反应掉的量的百分数。转化率与选择性是反应过程的两个主要技术指标。6.收率（Y）反应物反应成目的产物所消耗的量除以反应物（通常指限制反应物）输入量，以百分数表示。它可以用物质的量（摩尔数）或质量进行计算。,转化率、选择性与收率三者之间的关系:Y=Sx,.,37,转化率（x）某一反应物反应掉的量占其输入量的百分数。,某反应过程中，反应物A的转化率：,不管是参加正反应还是副反应。,Attention:分子分母需要统一，或都使用质量，或都使用物质的量。,.,38,收率（Y）反应物反应成目的产物所消耗的量除以反应物（通常指限制反应物）输入量，以百分数表示。,摩尔收率（Y）,以反应物A计的产物C的摩尔收率：,摩尔收率不可能大于100%，是反映物质真实的收率。,.,39,质量收率（Y）,以反应物A计的产物C的质量收率：,质量收率大于100%是有可能的，是直观的收率。,.,40,选择性（S）反应物反应成目的产物所消耗的量（质量或物质的量）占反应物反应掉的量（质量或物质的量）的百分数。,目的产物生成量（质量或物质的量）占反应物反应掉的量理论全部生成目的产物的量（质量或物质的量）的百分数。,以反应物A计的产物C的选择性：,.,41,例：用邻二甲苯气相催化氧化生产邻苯二甲酸酐（苯酐）。邻二甲苯投料量为210kg/h，空气4620Hm3/h。反应器出口物料组成（mol%）为：苯酐0.654%，顺丁烯二酸酐（顺酐）0.066%，邻二甲苯0.03%，氧16.53%，氮气77.75%，其它还有H2O，CO2，CO等。试计算邻二甲苯转化率及苯酐和顺酐的收率及选择性,解：物料流程示意图,.,42,.,43,摩尔量之比,3.49%,3.25%,6.45%,.,44,例：已知丙烯氧化法生产丙烯醛的一段反应器，原料丙烯投料量为600kg/h，出料中有丙烯醛640kg/h，另有未反应的丙烯25kg/h，试计算原料丙烯的转化率、选择性及丙烯醛的收率。,解：丙烯氧化生成丙烯醛的化学反应方程式：,.,45,丙烯的选择性：,丙烯的转化率：,丙烯醛的收率：,.,46,II.一般反应过程的物料衡算,对有化学反应过程的物料衡算，由于各组分在过程中发生了化学反应，因此就不能简单地列组分的衡算式，必须考虑化学反应中生成或消耗的量，应该根据化学反应式，列衡算方程。对一般的反应过程，可用下列几种方法求解。,.,47,1.直接求解法,有些化学反应过程的物料衡算，有时只含一个未知量或组成，这类问题比较简单，通常可根据化学反应式直接求解，不必列出衡算式。直接求解法也称化学计量法。,.,48,例：,丙烯、氨及氧反应制丙烯腈。反应式如下：,原料气组成为10%（mol%）C3H6，12%NH3，78%空气。丙烯转化率为30%，求输出物料组成。,解：,.,49,.,50,.,51,例：苯乙烯的反应器，年生产能力为10000t，年工作时间为8000h，苯乙烯收率为40%，以反应物乙苯计的苯乙烯选择性为90%，苯选择性为3%，甲苯选择性为5%，焦油选择性为2%。原料乙苯中含甲苯2%（质量分数），反应时通入水蒸气提供部分热量并降低乙苯分压，乙苯原料和水蒸气比为1:1.5（质量比），要求对该反应器进行物料衡算，即计算进出反应器各物料的流量。,.,52,解：反应器中发生了以下化学反应：C6H5C2H5C6H5C2H3+H2（1）C6H5C2H5+H2C6H5CH3+CH4（2）C6H5C2H5C2H4+C6H6（3）C6H5C2H57C+3H2+CH4（4）各物料的摩尔质量汇总列于表3-1。,.,53,表3-1各物料的摩尔质量（基准：1000kg/h乙苯原料）,.,54,进反应器纯乙苯量1000kg/h98%=980kg/h，即为9.245kmol/h原料中甲苯量1000kg/h2%=20kg/h，即为0.217kmol/h水蒸气量980kg/h1.5=1470kg/h，即为81.667kmol/h乙苯的转化率为0.4/0.9=0.4444参加反应的总乙苯量980kg/h0.4444=435.11kg/h，即为4.109kmol/h,.,55,产物中各组分情况如下：未反应的乙苯量（980-435.11）kg/h=544.89kg/h，即为5.140kmol/h由苯乙烯选择性，生成苯乙烯量4.109kmol/h90%=3.698kmol/h，即为384.60kg/h由各物质的选择性：输出的甲苯量4.109kmol/h5%+0.217kmol/h=0.423kmol/h，即为38.92kg/h生成的苯量4.109kmol/h3%=0.123kmol/h，即为9.60kg/h生成的乙烯量4.109kmol/h3%=0.123kmol/h，即为3.44kg/h生成的碳量4.109kmol/h2%7=0.575kmol/h，即为6.9kg/h生成的甲烷量4.109kmol/h（5%+2%）=0.288kmol/h，即为4.61kg/h输出的氢量4.109kmol/h（90%-5%+2%3）=3.739kmol/h，即为7.48kg/h输出水量=输入水量（不参与反应）1470kg/h，即为81.667kmol/h实际每小时要求苯乙烯的产量100001000kg/8000h=1250kg/h比例系数1250/384.60=3.25,.,56,乙苯脱氢反应器物料衡算表,.,57,2.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时，可以列出元素衡算式，用代数法求解。,.,58,例：甲烷、乙烷与水蒸气用镍催化剂进行转化反应，生产氢气，反应器出口气体组成（干基）为：,假定原料中只含有CH4和C2H6两种碳氢化合物，则求这两种气体的摩尔比为多少？每1000标米3原料气，需要多少千克蒸汽参加反应？,干基就是以单位质量的干空气或干气体为基准表示的湿空气或湿气体的性质。,.,59,解：,.,60,例：将碳酸钠溶液加入石灰进行苛化，已知碳酸钠溶液组成为NaOH0.59%（质量分数），Na2CO314.88%，H2O84.53%，反应后的苛化液含CaCO313.48%，Ca(OH)20.28%，Na2CO30.61%，NaOH10.36%，H2O75.27%。计算：1）每100kg苛化液需加石灰的质量及石灰的组成；2）每100kg苛化液需用碳酸钠溶液的质量。,解:设碳酸钠溶液的质量为F（kg）石灰的质量为W（kg）石灰中CaCO3、CaO及Ca(OH)2的质量分别设为x、y和z，则石灰中各物质的组成可表示为：x/W，y/W，z/W基准：100kg苛化液,.,61,画出物料流程示意图,.,62,各种物料质量和物质的量,以质量计转化为以物质的量计，来进行元素守恒计算,.,63,列元素平衡式Na平衡：0.000148F+0.001404F2=（0.005752+0.2590）kmolC平衡：Ca平衡：总物料平衡：F+W=100kg/mol石灰总量等于各物质质量之和：W=x+y+z,.,64,计算结果汇总,.,65,3.“联系组分”法,“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。用联系组分作衡算，尤其是对含未知量较多的物料衡算，可以使计算简化。选择联系组分时，如果体系中存在数种联系组分，那么，此时就要选择一个适宜的联系组分，或联合采用以减小误差。但是，应该注意，当某个联系组分数量很小，而且此组分的分析相对误差又较大时，则不宜采用。,.,66,解：,例：甲烷与氢混合气在炉子里用空气完全燃烧，烟道气分析为N272.22%，CO28.13%，O22.49%，H2O17.16%(mol%)，问（1）燃料中氢气与甲烷的比例多少？（2）燃料（H2+CH4）对空气的比例多少？,.,67,.,68,例：试计算年产16000吨福尔马林（甲醛溶液）所需的工业甲醇原料消耗量，并求甲醇转化率和甲醛收率。已知条件：氧化剂为空气，用银催化剂固定床气相氧化；过程损失为甲醛总量的2%（质量），年开工8000小时；有关数据：工业甲醇组成（质量）：CH3OH98%，H2O2%，反应尾气组成（体积）：CH40.8%，O20.5%，N273.7%，CO24.0%，H221%福尔马林组成（质量）：HCHO36.22%，CH3OH7.9%，H2O55.82%,.,69,主反应CH3OH+1/2O2HCHO+H2O（1）CH3OHHCHO+H2（2）副反应CH3OH+3/2O2CO2+2H2O（3）CH3OH+H2CH4+2H2O（4）,反应器,.,70,反应消耗氧量取尾气100Nm3为计算基准，氮作为联系物,其中氧量：,换算为摩尔数：,反应耗氧量：,Nm3：是指在0摄氏度1个标准大气压下的气体体积。,.,71,甲醇消耗量反应（3）消耗甲醇量为反应（4）消耗甲醇量为反应（2）生成的氢，部分消耗于反应（4），现尾气中H2=21%，氢摩尔数为则反应（2）消耗甲醇量为973.5+35.7=1009.2mol反应（1）消耗甲醇量为（852.7-178.6*3/2）*2=1169.6mol每生成100Nm3尾气时消耗甲醇量为178.6+35.7+1009.2+1169.6=2393.1mol2393.1mol32=76.6kg,.,72,计算甲醇总消耗量每消耗2393.1mol甲醇生成甲醛的量为1169.6+1009.2=2178.8mol2178.830=65.36kg机械损失为2%，实得：65.360.98=64.1kg得工业福尔马林：,其中含未反应的甲醇：1777.9%=13.98kg每生成177kg福尔马林共消耗工业甲醇：,由此得甲醇转化率,甲醛的质量收率,.,73,每小时福尔马林产量工业甲醇年消耗量：,所需空气量：,.,74,用水量计算工业福尔马林含水1770.558=98.8kg工业甲醇含水920.02=1.84kg由反应生成的水为按反应（1）生成1169.6mol按反应（3）生成178.62=357mol按反应（4）生成35.7mol共计生成水1169.6+357+35.7=1562.1mol,为制取177kg福尔马林须补充水：98.8-1.84-28.1=68.86kg按产量为2t/h须补充水量为：2000/17768.86=778kg/h,.,75,物料平衡流程图,.,76,4.平衡常数法对有平衡反应过程的物料衡算，除了需要建立物料或元素衡算以外，还需要利用反应的平衡关系计算产物的平衡组成。对反应aA+bB=cC+dD平衡时，其平衡常数为：,.,77,例：在接触法硫酸生产中，SO2被氧化成SO3，反应式为：,氧化过程的温度为570，压力为1.1大气压。输入气体的组成为：SO28%(mol%)，O29%，N283%。计算达到平衡时的转化率及平衡组成(已知570的平衡常数Kr为14.9),.,78,SO2,.,79,SO3,O2,.,80,3.1物料衡算,.,81,.,82,例：试计算合成甲醇过程中反应混合物的平衡组成。设原料气中H2与CO摩尔比为4.5，惰性组分(I)含量为13.8%，压力为30MPa，温度为365，平衡常数=2.50510-3MPa-2。,设进料为1mol，其组成为：I=0.138mol;H2=(1-0.138)4.5/5.5=0.7053mol;CO=(1-0.138)/5.5=0.1567mol;,基准：1mol原料气,写出化学反应平衡方程式：,设转化率为x，则出口气体组成为：CO：0.1567（1-x）；H2：0.7053-20.1567x；CH3OH：0.1567x；I：0.138；:1-0.3134x,CO+2H2CH3OH,.,83,计算出口气体各组分的分压：,将上式代入平衡平常表达式：,平衡时出口气体中各组成的摩尔分率为：CO：0.0948，H2：0.6521，CH3OH：0.0902，I：0.1629；,.,84,III.复杂过程的物料衡算,复杂过程不是指过程或设备多而是具有循环、排放及旁路的过程。在化工过程中具有循环、排放及旁路的过程的物料衡算与以上介绍的方法相类似，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，列出一般过程物料衡算式再加上结点关系求解。,.,85,复杂过程的物料衡算方法（1）试差法估计循环流量，并继续计算至循环回流的那一点。将估计值与计算值进行比较，并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。（2）代数法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，应用联立方程的方法进行求解。,.,86,循环过程的物料衡算,在化工生产中，有一些反应过程每次经反应器后的转化率不高，有的甚至很低。乙烯氧化制环氧乙烷的过程，乙烯的单程转化率（即原料一次通过反应器的转化率）约30%左右；由氢、氮合成氨的单程转化率一般只有20%左右；而乙烯直接水合制乙醇的过程，乙烯的单程转化率只有4-5%。因此，在反应器出口的产物中有大量原料未反应，为提高原料的利用率，把这部分未反应的原料从反应产物中分离出来，然后把它循环返回反应器，与新鲜原料一起再进行反应。此过程即为循环过程。,.,87,某些无化学反应过程，如蒸发结晶过程、精馏过程等，为了提高原料利用率或为保证产品质量、改善经济指标，也有采用循环过程的。,上图中，进反应器（或无化学反应的过程）的物料MF是由新鲜原料F与循环物料R混合而成，从反应器出来的产物RP经分离器分成产品P和循环物料R。有循环的过程，转化率常分为单程转化率与总转化率：,.,88,具有循环及排放过程的物料衡算,循环过程在稳定状态下操作时，物料的质量既不积累也不消失，各流股的组分恒定。但是，如果原料中含有不反应的杂质或惰性物质，经长时间的循环会使其浓度逐渐增加，因此就必须把一部分循环物料不断地排放掉，以维持进料中杂质的含量不再增大。,上图为具有循环及排放过程的物料流程图。图中W为排放物料，即从分离器出来的分离产物S分为两部分，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，是循环过程的一个重要参数。,.,89,上图包括以下几个衡算体系，用虚线表示。每个衡算体系各物料之间的关系为：总物料衡算：F=P+W反应器物料衡算：MF=RP分离器物料衡算：RP=S+P结点A物料衡算：F+R=MF结点B物料衡算：S=R+W,F和R的组成是不相同的，而S、R和W各物料的组成则是相同的。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。,.,90,具有旁路过程的物料衡算,具有旁路的过程，就是把一部分物料绕过一个或多个设备，直接与另一流股物料相混，流程如下图。这类过程的物料衡算与循环过程的物料衡算相类似，计算时应注意结点平衡。,.,91,例：丙烷在催化反应器中脱氢生成丙烯，其反应式为：,丙烷的总转化率为95%。反应生成物经分离器分成产物P和循环物料R。产物中含有C3H8、C3H6及H2，其中C3H8量为未反应C3H8的0.555%。循环物料中含有C3H8和C3H6，其中C3H6量是产物中C3H6量的5%。计算产品组成、循环物料组成和单程转化率。,解：,.,92,基准：新鲜原料100kmol/hC3H8,.,93,.,94,例：苯乙烯制取过程如下图所示，先由乙烯与苯反应生成乙苯，然后将乙苯脱氢制取苯乙烯：C2H4+C6H6C6H5C2H5C6H5C2H5C6H5C2H3+H2乙苯反应是在560K、600kPa，在催化剂作用下，乙烯与苯的摩尔比为1:5进行气相合成的。副反应生成的多乙基苯在乙苯精馏塔中分离出来。乙烯的转化率为100%。乙苯脱氢反应在850K，乙苯的单程转化率为60%，苯乙烯的选择性为90%。,.,95,反应中，副反应生成的物质与苯乙烯质量之比：苯与甲苯为7%，胶状物质为2%，废气为7%。乙苯脱氢反应为吸热反应，为提供反应过程中的反应热，同时抑制副反应，在反应中直接加入过热蒸汽。反应后未反应的乙苯分离后循环返回乙苯脱氢装置。假定进料的乙烯量为100kmol，试计算：从苯塔中回收循环至烷基化反应器的苯量（kmol）；从乙苯塔中回收循环至乙苯脱氢装置的乙苯（kmol）；乙苯塔塔顶和塔底的馏出量（kg）；年产50000t苯乙烯，乙苯脱氢装置的物料衡算。,.,96,苯乙烯制取过程,.,97,解基准:100kmol乙烯,烷基化反应设苯的循环量为R1100/(100+R1)=1/5；R1=400kmol设乙苯的循环量为R2(100+R2)0.4=R2R2=66.67kmol生成苯乙烯（S）S=(100+66.67)0.60.9=90kmol=9378kg苯，甲苯为93780.07=656.5kg废气为93780.07=656.5kg胶状物质为93780.02=187.6kg未反应的乙苯为(100+66.67)（1-0.6）=66.67kmol=7080.4kg馏出液（乙苯）为7080.4kg釜底液（苯乙烯+胶状物质）为9378.0+187.6=9565.6kg,.,98,进料乙苯为50000100106.2/9378.0=56621t未反应的乙苯=循环乙苯为50000（7080.4/9378.0）=37750t苯，甲苯为50000（656.5/9378.0）=3500t废气为3500t胶状物质为50000（187.6/9378.0）=1000t反应器应供给的过热水蒸气=50000+37750+3500+3500+1000-56621-37750=1379t,.,99,乙苯脱氢装置的物料衡算（苯乙烯50000t）,.,100,3.2能量衡算3.2.1能量衡算的依据3.2.2能量衡算方程式3.2.3能量衡算,.,101,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。,.,102,在化工生产中，需要通过能量衡算解决的问题：确定物料输送机械和其它操作机械所需功率；确定各单元过程所需热量或者冷量及其传递速率；化学反应所需的放热速率和供热速率；做好余热综合利用；最终确定总需求能量和能量的费用。,.,103,能量衡算的分类,一种是先对使用中的装置或设备，实际测定一些能量，通过衡算计算出另外一些难以直接测定的能量，由此作出能量方面的评价，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；另一种是在设计新装置或设备时，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。,.,104,3.2.1能量衡算的依据,能量守恒定律输入能量+生成能量=消耗能量+积累能量+输出能量,.,105,I.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，没有物质交换。E=Ek+Ep+U=Q+W如间歇过程，体系物质的动能、位能无变化，则：U=Q+W若体系与环境没有功的交换，则：U=Q,3.2.2能量衡算方程式,.,106,II.连续稳态流动过程的能量衡算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,Ek+Ep+H=Q+W,.,107,在实际中，上式视不同情况而有不同的形式：1）绝热过程Q=0，动、位能差可忽略H=W即用焓差计算环境向体系作功2）无作功过程（多数化工操作过程）W=0，动、位能差可忽略H=Q3）无功、热传递过程Q=0，W=0，动、位能差可忽略H=0（焓平衡）,.,108,3.2.3能量衡算,总能量衡算在化工计算时分热量衡算和机械能衡算。1.对有些化工过程如流体流动过程，此时传热量的变化较其他小，次要。故能量衡算变为机械能衡算。化工原理中的流体流动-柏努力方程。,.,109,2.更多化工过程中如反应器、蒸馏塔、蒸发器、换热器等中，功、动能、位能变化较之传热、内能和焓的变化，是可以忽略。此时（无外功W=0）能量衡算简化为热量衡算。Q=H=H2H1(敞开体系)或Q=U=U2U1(封闭体系)由于实际应用时，进出设备的物料不止一个，因此：Q=HiHk,.,110,I.热量衡算式（化工中的能量衡算）,一般化工过程的能量衡算指热量衡算（无外功W=0）：Q=H=H2H1（敞开体系）Q=HiHk,.,111,II.热量衡算的基本方法和步骤,建立以单位时间为基准的物料流程图（或平衡表）。也可以100mol或100kmol原料为基准，但前者更常用。在物料流程框图上标明已知温度、压力、相态等条件，并查出或计算出每个物料组分的焓值，在图上注明。,.,112,选定计算基准（温度和相态）。这是人为选定的计算基准，即输入体系的热量和由体系输出的热量应该有同一的比较基准，可选0（273K）、25（298K）或其它温度作为基准温度。由于手册、文献上查到的热力学数据大多是298K时的数据，故选298K为基准温度，计算比较方便。同时相态的确定也是很重要的.列出热量衡算式，然后用数学方法求解未知值。当生产过程及物料组成较复杂时，可以列出热量衡算表。,.,113,例：两股不同温度的水用锅炉进水，它们的流量及温度为：A：120kg/min，30B：175kg/min，65锅炉压力，17atm（绝压）出口蒸汽通过内径为6cm的管子离开锅炉。如产生的蒸汽是锅炉压力下的饱和蒸汽，计算每分钟要供应锅炉多少千焦的热量。忽略进口的动能。,解：,.,114,作水的物料衡算，可知产生的蒸汽流量应为295kg/min。确定各流股的比焓，由水蒸气表查得30、65液态水及17atm时的饱和水蒸汽的焓。查得的数据已填入流程图中。写出能量衡算方程并求解，对于这样一个敞开体系来说Q+W=H+Ek+Er由于没有运动的部件，W=0，由于没有高度上大的差别，Er=0，所以Q=H+Ek下面来分别计算H和Ek；计算H,.,115,水蒸气动能计算：17atm的质量体积V=0.1166m3/kgu=202m/sEk=1/2(295)(202)2=6.0210(3)kJ/minQ=7.6110(5)+6.0210(3)=7.6710(5)kJ/min动能占总能量的6.0210(3)/7.6110(5)=0.78%故本题可视为单纯的热量衡算。,.,116,III.无化学反应过程的热量衡算,无化学反应过程的能量衡算，一般指进出过程物料的焓差-热量衡算。由于焓是状态函数，所以一个过程H，可以用假想的，由始态到终态几个阶段代替原过程，每一阶段的Hi之和即为全过程的H。,.,117,途经各个阶段的类型有5种，即：恒T时P的变化恒P时T的变化恒T恒P时相态的变化两物质在恒T恒P时混合和分离恒T恒P时的反应过程前4种已学（无相变、有相变、混合热等的计算）下面重点讲反应过程的热量衡算。,.,118,IV.有化学反应过程的热量衡算,化学反应过程也常伴随有大量的热效应吸热或放热。为了使反应温度得到控制，必须自反应体系排走或向反应供给热量，即反应器也须有供给或冷却用的换热设备，这些都需进行反应过程的热量衡算。,.,119,一、反应热及其表示1.恒压反应热在恒压条件下，如果体系不做非体积功，反应物按化学计量式完全反应，物料在反应前后的焓差称为恒压反应热或反应热，以Hr表示。Qp=Hr注意：一定的Hr值是对一定的反应式而言的。如果uA是反应物或生成物A的化学计量系数，nA为发生反应消耗或生成的A的摩尔数，则化学反应的总焓差为：H=nAHr/uA,.,120,2.恒容反应热在恒T恒V下，反应物在温度T时按化学计量系数完全反应后内能的变化，即为恒容反应热或恒容热：Qv=UrQp与Qv的关系：如果n是气态反应物或生成物i的化学计量系数，且气体为理想气体，设液、固容积变化可忽略，则Ur=HrnRT,.,121,二、反应热数据的获得反应热（Hr）的来源：实验测定已有数据估算（盖斯定律）,.,122,1.由标准生成热Hf计算标准反应热Hr1）标准生成热Hf在1atm、25由稳定状态的单质生成1mol化合物的恒压反应热。规定在标准态下（1atm、25）处于稳定状态的单质的Hf=02）由标准生成热计算标准反应热Hr根据盖斯定律-化学反应热只决定于物质的初态和终态，与过程的途径无关，则：Hr=生成物ui（Hf）反应物ui（Hf）,.,123,Hr=(Hf)CH4(2(Hf)H2+(Hf)C(石墨)=(Hf)CH4,Hr=(Hf)CH4(2(Hf)H2+(Hf)C(金刚石)=(Hf)CH4(Hf)C(金刚石),.,124,2.由标准燃烧热Hc计算标准反应热Hr1）标准燃烧热Hc在1atm、25各种处于稳定状态的物质进行燃烧反应生成燃烧产物时的焓变。注意：燃烧热指的1mol化合物与正好足够的O2反应，生成指定的燃烧产物。2）由标准燃烧热计算标准反应热根据盖斯定律-化学反应热只决定于物质的初态和终态，与过程的途径无关，则：Hr=反应物ui（Hc）生成物ui（Hc）,.,125,三、化学反应过程的热量衡算把前述化工过程，加入有化学反应的焓差同前一起计算即可。一般有两种基准：1.已知Hr（使用标准反应热）选择1atm、25为反应物及产物为计算基准。对非反应物质另选适当的温度基准。2.未知Hr（使用标准生成热）只能用反应物及产物元素在1atm、25时的生成热为基准，非反应组分另选适当温度为基准。,.,126,式中,为进反应器物料在等压变温过程中的焓变和有相变时的焓变之和；为出反应器物料在等压变温过程中的焓变和有相变时的焓变之和。,（一）以标准反应热为基础进行衡算,对于简单反应过程，假定位能与动能忽略不计，则：,为标准状态下所有主、副反应的反应热的总和。,.,127,反应前反应物温度：T1,恒压反应：,反应后产物温度：T2,反应前反应物温度：298K,反应后产物温度：298K,.,128,例：氨氧化反应器的能量衡算氨氧化反应式为：4NH3(气)+5O2(气)=4NO(气)+6H2O(气)此反应在25、101.3kPa的反应热为=-904.6kJ/mol。现有25100molNH3/h和200molO2/h连续进入反应器，氨在反应器内全部反应，产物在300呈气态离开反应器。操作压力为101.3kPa，计算反应器应输入或输出的热量。,.,129,解：由物料衡算得到的各组分的摩尔流量示于图。计算焓时的基准态：25，101.3kPaNH3(气)，O2(气)，NO(气)，H2O(气)。因此进口两股物料的焓均为零。计算出口物料的焓：由手册查得300时O2与H2O的值：,.,130,.,131,氨氧化反应器的能量衡算,已知氨的消耗