化工设计物料衡算与能量衡算

1,第三章物料衡算与能量衡算,2,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,3,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,4,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,5,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。,6,一、质量守恒（见书）,第一节物料衡算的基本方法,7,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。,8,（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,9,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。干湿基准：对含水分的物料，选干基（不计水分），即水分变化时选干基。,二、物料衡算的基准,10,1.确定衡算的对象和范围，并画出计算对象的草图。,包括求解系统、衡算范围、衡算边界,三、物料衡算的基本步骤,11,2.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。6.列出物料衡算方程及相关方程,12,7.整理计算结果（整理成原材料消耗表和物料衡算表）,13,8.绘制物料流程图,14,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。,四、无反应过程的物料衡算,15,例：有一湿纸浆含水71，干燥后原有水分的60除去，试计算：1、每公斤湿纸浆移去的水分质量？2、干纸浆的组成？解：以1kg湿纸浆为基准。示意图:1、每公斤湿纸浆移去的水分质量：10.7160%=0.426kg2、作物料平衡：干燥纸浆量10.426=0.574kg水：0.710.4=0.284kg,干纸浆含水量：0.284/0.574=0.495,纸浆：0.574-0.284=0.29kg,含纸浆0.505,16,例：每小时将20kmol含乙醇40的酒精水溶液进行精馏，要求馏出液中含乙醇89，残液中含乙醇不大于3(以上均为摩尔分数)，试求每小时馏出液量和残液量。解：由全塔物料衡算式可得20=D+W(1)200.4=0.89D+0.03W(2)联解方程式(1)、式(2)，得馏出液量D=86kmolh残液量W=114kmolh,17,例：一股加料速率为1000mol/h的物流，摩尔组成如下:c3为0.20,i-c4为0.30,i-c5为0.20,n-c5为0.30,精馏液包括进料中的全部丙烷和80的i-c5，精馏液中含异丁烷40%，底液包括进料中的全部n-c5，计算精馏液和底液量，列物料衡算表。解：分别以下标1、2、3、4表示c3、i-c4、i-c5、n-c51000D+WD=10000.2+D40%+10000.280%解得：D=600mol/h,W=400mol/h物料衡算表如下：,精馏塔,18,19,第二节有反应过程的物料衡算,20,一、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。,21,(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。,22,（3）转化率转化率=反应物的反应量/反应物的进料量,（4）选择性,23,（5）收率,=xA,24,“独立”的含义,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CO2,26,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）元素（原子）平衡法；（3）平衡常数法；（4）结点法（带有循环、放空及旁路的物料衡算）；（6）联系组分法。,27,（2）元素平衡法：,利用进出系统各元素的原子数目不变的性质进行计算。例：丙烷脱氢可以生产丙稀。可惜由于副反应使产物中含有轻烃，且在催化剂表面有炭沉积。若在一反应器内，纯丙烷被转化成以下气体混合物（以mol%计）：丙烷45、丙稀20、乙烷6、乙烯1、甲烷3、氢25以及少量沉积的炭。设反应器可以按比例扩大到处理58.2mol/d丙烷，计算所期望的积炭速率？,C3H8:0.45C3H6:0.20C2H6:0.06C2H4:0.01CH4:0.03H2:0.25,C3H8F2,F1,CF3（沉积炭）,28,解：以进料丙烷58.2mol/h为基准。H平衡：858.2F20.458+F20.26+F20.066+F20.014+F20.034+F20.252=5.82F2,C平衡：358.2=F3+F20.453+F20.23+F20.062+F20.012+F20.03解得：F280mol/d，F35mol/d,29,（3）联系组分法,联系组分指物料衡算过程中联系进出物流的特定组分。例：例：甲烷和氢的混合气与空气完全燃烧以加热锅炉。产生的烟道气经分析其组成为（体积）N2:72.28,CO2:8.12,O2:2.44,H2O:17.16。试求：1、燃料中H2与CH4之比；2、混合气与空气之比为多少？解：画出衡算简图：,锅炉,O2:2.44%,N2:72.28%CO2:8.12%,H2O:17.16%,O2:20.92%N2:79%其他：0.08,H2+CH4,空气：,烟道气,30,反应式为：CH4+2O2=2H2O+CO2H2+0.5O2=H2O以100烟道气为基准，则各组分的量为(mol)：O2:2.44,N2:72.28CO2:8.12,H2O:17.16.（注意：因不知道燃料气组成，不能选进气量为基准）。1.求燃料气组成以C作联系组分，燃烧前后碳原子数不变，所以CO2mol数等于CH4的mol数，即CH48.12mol，需要氧气量为28.1216.24mol。计算进料的空气量，以N2作联系组分，由烟道气中的N2可得进料中的总氧气量：72.2820.92/79=19.14mol,输入空气量：19.14+72.28=91.42mol.则用于氢气燃烧的氧为：19.14-16.24-2.44=0.46mol,故燃料中含氢0.462=0.92mol燃料气中H2/CH4=0.92/8.12=0.113,进料中（CH4+H2）/空气（0.92+8.12）/91.42=0.099,31,第三节反应过程的能量衡算,能量衡算的意义：原料及产品的输送需要消耗功机械能；物料需在一定的温度下才能反应热交换；物质发生化学变化变成新的物质焓变化；热、焓、功都是能量的表现形式。能量的消耗是化工生产中一项重要的技术经济指标，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。因此能量衡算也是化工设计中极其重要的组成部分。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衡算称为热量衡算。,32,热量衡算的目的：（1）确定传热设备的热负荷。为设计传热型设备如反应器、结晶器、塔式设备、输送设备、压缩系统、分离等设备的形式、尺寸、传热面积等，以及各种控制仪表等提供参数；（2）确定单位产品的能耗指标；（3）为非工艺专业（热工、电、给水、冷暖）的设计提供设计条件。,33,一、反应过程能量衡算方程,能量衡算的一般步骤与物料衡算相同，亦包括划分系统、画出流程简图、列写方程式与约束式，求解方程组及结果整理等若干步骤。,能量衡算方程式的一般形式为：E=QW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）,34,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，也可参照P.41,35,第四节运用计算软件进行化工过程的物料衡算和能量衡算,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Chemst