物料衡算和能量衡算培训教材

1,第三章物料衡算和能量衡算,掌握:物料衡算和能量衡算步骤、非反应过程和反,了解:物料衡算和能量衡算的重要意义,理解:平衡方程；衡算基准；,应过程的物料衡算和能量衡算,2,任务：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。目的：为确定操作方式，设备选型以及设备尺寸、管路设施与公用工程提供依据。,本章任务与目的：,3,3-1设计计算前的准备工作,(4)流体输送过程参数(、摩擦系数等)。,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、付反应）;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,（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。,3-1设计计算前的准备工作,5,2.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。,3.资料的来源,（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）,3-1设计计算前的准备工作,6,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,(4)生产单位(现场操作数据和实际的经济技术指标),（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。,3-1设计计算前的准备工作,7,（1）IndustrialChemicals（2）EncyclopediaofChemicalTechnology（3）ScienceandTechnology（4）ChemicalAbstracts（C.A）（5）HandbookofTechnology（6）I.C.T（物性手册）（7）化工工艺设计手册（8）材料与零部件手册,4.几本常用的化工设计资料和手册,3-1设计计算前的准备工作,8,3-2物料衡算,（1）物料衡算能为化工设计提供的基础数据(目的),1）物料消耗定额。2）工艺设备的大小尺寸。3）管道的大小尺寸。4）为能量衡算提供基础数据。,设计任务书、生产量、工艺技术条件、反应转化率、相平衡数据等。,（2）物料衡算的依据,1物料衡算的目的、依据,9,稳定操作过程:,系统内无化学反应:,系统内无化学反应的稳态操作过程:,(FiFo)（DpDr）0,FiFoW,FiFo0,（3）物料衡算式：,1物料衡算的目的、依据,3-2物料衡算,10,2、物料衡算的步骤,8）列出物料衡算式，及其他相关约束式，进行物料衡算；,1）化工过程分析；,2）画出方框图（方框流程图）；,3）分析化学反应过程，写出主、副反应化学反应方程式；,4）确定衡算体系；,5）根据设计要求确定（写明年产量、年工作日或每昼夜的）,6）选定计算标准，并在图上注明所选的基准值；,7）收集计算需要的数据；,9）将物料衡算结果列成物料平衡表，画出物料平衡图。,生产能力、产率、产品的纯度要求等；,3-2物料衡算,11,例：乙苯反应器内的反应如下：,乙烯+苯乙苯乙苯+乙烯二乙苯二乙苯+苯乙苯二乙苯+乙烯三乙苯三乙苯+苯乙苯，二乙苯乙苯、二乙苯甲苯、二甲苯、正丁苯、异丙苯、杂环化合物,2、物料衡算的步骤,3-2物料衡算,12,(2)批量基准,3、物料衡算的基准,运算中保持一致。若基准选得好，计算变得简单。,进行物料衡算时，必须选择一计算基准，并在整个,(1)时间基准连续（小时，天）间歇（釜，批）,(3)或已知进料/出料组成,(4)物质的量基准,(5)标准体积基准,3-2物料衡算,13,C3H8+5O2=3CO2+4H2O每100kmol燃烧产物需要多少摩尔空气？氧气过量25%（1）.基准：1kmol原料气C3H8燃烧用氧5kmol；实际供氧51.25=6.25kmol；供给空气量29.76kmol；其中氮气量23.51kmol产生：CO23kmol；H2O4kmol；O21.25kmol；N223.51kmol；合计31.76kmol；,例3-1：,14,（2）.基准：1kmol空气实际供氧0.21/1.25=0.168kmol；燃烧C3H80.21/（51.25）=0.0336kmol；供给空气量1kmol；其中氮气量0.79kmol；产生：CO20.101kmol；H2O0.135kmol；O20.042kmol；N20.79kmol；合计1.068kmol；,15,（3）基准：100kmol烟道气以元素平衡法：C3H8+5O2=3CO2+4H2OC平衡B=3P；H2平衡B=4Q；O2平衡0.21A=M+Q/2+P；N2平衡0.79A=N；烟道气总量N+M+P+Q=100；过剩氧气0.21A（0.25/1.25）=M解出：空气量A=93.7kmol；C3H8B=3.148kmol；N2N=74.02kmol；O2M=3.935kmol；CO2P=9.445kmol；H2OQ=12.59kmol。,16,（）分数约束式,4、约束式可分为两类：,式中xij第j组分在第i股物流中的摩尔分数(或质量分数)；Ns物流的股数；Nc物流组分数。,(i=1,2,，Ns)(3-2),当一般物流的组成用摩尔分数或质量分数表示时，有下式成立：,3-2物料衡算,17,常见的设备约束式有：进料比(或任何两股物流的量之比)为一常数；两股物流具有相同的组成(如分流器)；相平衡常数；化学平衡常数；化学反应过程中的转化率、选择性或其他限度。,()设备约束式,3-2物料衡算,18,有Ns股物流，Nc个组分数，Np个设备参数总变量数：Nv=Ns（Nc+1）+Np,设计变量：,（）变量,3-2物料衡算,19,3-2物料衡算,20,限制反应物过量反应物,第三章物料衡算与能量衡算,3-2物料衡算,21,稳态过程以各物流的总流量Fi及组成xij表示,则有：,（j=1,2,Nc）(35),式中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。,.3车间物料衡算,22,物理吸收、结晶、提纯、脱水等,3.3.1无化学反应过程的物料衡算,1.简单过程的物料衡算(无化学反应、单设备),常见操作有:混合、蒸馏、精馏、增湿、气体混合,物的部分冷凝、液体混合物的部分气化、闪蒸、,对于非反应的连续稳态过程，式(3-5)可简化为：,(j=1,2,Nc）,23,三个未知数需三个方程：,总物料平衡式F1+F2=F3+F4组分物料平衡式苯平衡F2=0.75F3水平衡0.6F1=0.24F3醇平衡（10.6）F1=F4,例3-2：,3.3.1无化学反应过程的物料衡算,24,.有多个设备过程的物料衡算,甚至无法求解。,算体系，这是很重要的步骤。不然会使计算繁,划分多个衡算体系。此时，必须选择恰当的衡,对有多个设备的过程，进行物料衡算时，可以,3.3.1无化学反应过程的物料衡算,25,有两个蒸馏塔的分离装置，将含50%苯、30%甲苯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图。计算蒸馏1000mol/h原料所得各流股的量及进塔物料的组成。,例3-3：,26,乙烯部分氧化制取环氧乙烷，乙烯在过量空气存在条件下通过银催化剂进行。,主反应:,副反应:,进料物质的流量为1000mol/h，进料中含C2H4摩尔分数10，乙烯的转化率为25，生成产物的C2H4的选择性为80，计算反应器出口物流的流量与组成。,3.3.2有化学反应过程的物料衡算,例3-4,27,利用化学反应速度求解。,(1)组分编号,(2)计算简图,(3)方程与约束式：,物料平衡方程;,摩尔分数约束式;,设备约束式;,(4)变量分析,(5)求解方程组,F1X11-F2X21-2r1-r2=0F1X12-F2X22-rl-3r2=0FlX13-F2X23=0-F2X24+2r1=0-F2X25+2r2=0-F2X26+2r2=O,Xll+X12+X13=1X21+X22+X23+X24+X25+X26=l,转化率表达式:选择性表达式:空气中氧与氮具有固定的比例:,()直接求解法,28,输入(某种元素)输出(同种元素),()元素衡算法,用甲烷和氢的混合气完全燃烧来加热锅炉，反应方程式如下：,烟道气的组成mol：N2，72.19%；CO2,8.12%;,O2,2.44%;H2O,17.25%;,计算:(1)燃料中甲烷与氢气的摩尔比;,(2)空气与(CH4+H2)的摩尔比.,例3-5:,29,（）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。,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。,30,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：FxFTPxPT，即：,3.3.2有化学反应过程的物料衡算,31,采用以减小误差。但是，应该注意，当某个联系组,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,分数量很小，而且此组分的分析相对误差又较大,时，则不宜选用。,3.3.2有化学反应过程的物料衡算,32,（）具有循环、排放即旁路过程的物料衡算,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。,有循环的过程，转化率常分为单程转化率与总转化率：,33,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的物料衡算：S=R+W,（）具有循环、排放即旁路过程的物料衡算,34,例3-7：有物流循环的计算：,乙烯与氯气反应生产氯乙烯的过程如下图：,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(VCM)+HClVCM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。,35,36,3.4.1能量衡算的概论,1能量衡算的意义,供主要依据。,先进的主要指标之一。能量衡算可为降低能耗提,能耗是衡量工艺过程、设备设计、操作制度是否,.4能量衡算,37,化工计算中能量衡算可以解决的问题,(4)充分利用能耗，使过程的总能耗降低到最低；,(1)确定液体输送机械(泵、压缩机、通风机等)、其,却等）所需热量或冷量、及其传递速率;,一定的反应温度；,它操作机械（搅拌机、过滤机、粉碎机)所需的功率；,(2)确定各单元过程（蒸发、蒸馏、冷凝、冷,(3)控制放热或供热速率，确保有热效应反应保持,3.4.1能量衡算的概论,38,2.与能量衡算有关的几个重要物理量,(1).热量（Q）,(2).功（W）,(3).焓(H),(4).热容,QmCT,是能量传递的两种形式，不是物系的性质,3.4.1能量衡算的概论,39,a理想气体焓表;,计算,d饱和蒸汽物性参数表.,b通过附录查取焓、热容、熵的多项式及多项式的,焓温图(H-T图);温熵图(T-S图);压焓图(P-H图);,e普遍化焓差图,焓,c热力学图表;,焓浓图,蒸汽焓熵图;,常数，利用Cp-T关系式进行计算;,3.4.1能量衡算的概论,40,(1)经验公式（多项式）,热容的计算,(2)平均热容,(3)估算,3.4.1能量衡算的概论,41,(1)连续稳定流动过程,1.总能量衡算式,H+Ek+EPQ+W,3.4.2能量衡算的基本方法与步骤,输入的能量一输出的能量积累的能量,HQ+W,a、体系在设备进出口之间的动能变化，位能变化与焓变相比较，其值很小，可忽略不计。如流体经压缩机、膨胀机所发生的变化，上式可简化为：,42,b、当流体流经管道，阀门、换热器、混合器等设备时，体系与环境没有功的交换，而进出口的动能与位能变化可略而不计，由上式得：,H=Q,c、流体流经节流膨胀，绝热反应，绝热混合等过程时，体系与环境既无热量交换，也不做轴功，进出口的动能变化、位能变化可略而不计，则有：,H=0,d、机械能量平衡方程。由稳态流动体系的能量平衡方程可进一步导得机械能平衡方程。,3.4.2能量衡算的基本方法与步骤,43,(2)间歇过程,UQ+W,UQ,总能量衡算式：U+Ek+EPQ+W,3.4.2能量衡算的基本方法与步骤,44,2.热量衡算的基本方法及步骤,(1)等压变化:,常通过计算过程的焓变求过程放出或吸收的热。,热衡算的两种情况：,(2)对于一些不能或很难直接测定的热量或能量，,3.4.2能量衡算的基本方法与步骤,45,热量衡算的基本方法：,两种情况：1、在设计时，根据给定的进出物料量及已知温度求另一殷物料的未知物料量或温度，常用于计算换热设备的蒸汽用量或冷却水用量。2、在原有的装置上，对某个设备，利用实际测定（有时也要作一些相应的计算）的数据，计算出另一些不能或很难直接测定的热量或能量，由此对设备作出能量上的分析。如根据各股物料进出口量及温度，找出该设备的热利用和热损失情况。,3.4.2能量衡算的基本方法与步骤,46,e当生产过程及物料组成较复杂时，可列出热量衡算表,a建立以单位时间为基准的物料流程图(或平衡表);,b在物料流程框图上标明己知温度、压力、相态等条件，,c选定计算基准温度；,d列出热量衡算式，然后用数学方法求解未知值；,也可以100mol或100kg原料为基准；,计算时相态的确定也是很重要的；,并查出或计算出每个物料组分的焓值，于图上注明；,热量衡算的基本步骤：,3.4.2能量衡算的基本方法与步骤,47,恒压时温度的变化；,有以下5种阶段的类型：,焓差衡算途径,恒压恒温时相态的变化；,恒温时压力的变化；,两个或两个以上物质在恒温恒压时的混合和分离；,恒温恒压时的化学反应过程。,3.4.2能量衡算的基本方法与步骤,48,3.4.3无化学反应过程的能量衡算,用来确定过程的热量。如汽化、分流、溶液稀释、,一般应用于计算指定条件下进出过程物料的焓差，,增湿、物理吸收和蒸馏等物理过程的热量衡算。,49,(流体流入流出贮罐、贮槽、工艺设备、输送设备、废料排放设备),两类物理过程:,(1)W、Ek、EpQ、U和H;(反应器、蒸馏塔、蒸发器、换热器等),Q=U(封闭体系)或Q=H(敞开体系）,(2)Q、UW、Ek、Ep,3.4.3无化学反应过程的能量衡算,50,Cp恒压摩尔热容。,无相变的变温变压过程,1.利用热容计算U或H,(1)恒容过程：,n物质的摩尔数；Cv恒容摩尔热容；T1和T2始温和终温。,(2)恒压过程：,固体或液体：H=U+(pV)Vp；,(3)恒温过程：,理想气体：U和H只是温度的函数，与压力无关；,真空气体：在低压高温情况下接近理想气体，可忽略压力对焓的影响，其他情况下，可根据气体的焓校正图加以校正。,51,2.单相体系的能量衡算,（1）体系的进料和出料的每个组分的焓能直接从图表中查得，则只需直接代人公式中计算H或U即可；,（2）否则，要为每个组分选一参考态（温度、压力和相态），用已知的或估算的热容计算过程温度下的焓，方可进行能量衡算。,无相变的变温变压过程,52,注:均指在一定的压力和温度下的相变热.,汽化潜热(Hv）熔化潜热(Hm)升华潜热(Ht）,相变热获得方法：,a纯物质正常沸点（熔点）相变热查手册;,三种相变的相变热：,c用经验方程计算相变热；,b设计途径求算；,相变过程能量衡算,53,数量基准是指选那个量作基准来衡算热量。对于连续操作一般以单位时间进料量（即进料速率）为基准，而温度和相态基准的确定才能从有关手册中查得相关的热力学数据以便用于衡算。,热量衡算的基准：数量基准、温度基准和相态基准。,相变过程能量衡算,54,例3-8在一热交换器中用压强为136kpa的饱和蒸汽加热298k的空气，空气流量为1kg/s，蒸汽的流量为0.01kg/s，冷凝水在饱和温度281K下排出。若取空气的平均比热为1.005kJ/kgk，试计算空气出口温度（热损失忽略不计）。,55,解：过程如图示：数量基准每秒钟蒸汽、空气的流量温度基准取进口空气温度298K（H冷空气=0）相态基准压强为136kpa的饱和蒸汽，查：H蒸汽.281K=2690KJ/kgH冷凝水281K=452.9KJ/kg衡算范围封闭虚线所示范围对此连续稳定过程Q入=Q出，其中：Q入=Q蒸汽+Q冷空气=0.001H蒸汽+1H冷空气Q出=Q热空气+Q冷凝水=11.005（T-298）+0.001H冷空气T：热空气温度，将数据代入解得T=320.3K,56,3.4.4化学反应过程的能量衡算,为了使反应温度得到控制，必须自反应体系排走热量或向反应体系供给热量，即反应器必须有供热或冷却用的换热设备，这种措施不但成为反应能否进行的关键，也与能量的合理利用有密切关系。,化学反应过程通常都伴随较大的热效应吸收热量或放出热量。象邻二甲苯氧化制苯二甲酐、乙烯氧化制氧化乙烯这些主要的工业过程，就是放热反应，乙苯脱氢制苯乙烯就是吸热反应。,57,1、反应热的计算,热可用简单的热量加和法求取。,的实验数据进行计算。,反应热可以用实验方法测定，也可以用已有,物质的初态和终态，与过程的途径无关，反应,根据盖斯（Hess)定律，化学反应热只决定于,QvUr(T),恒容反应热:,QpHr,恒压反应热:,3.4.4化学反应过程的能量衡算,58,（1）由标准生成热Hfo计算标准反应热Hro,Hro反应物i(Hco)i产物i(Hco)i,Hro生成热i(Hfo)i反应热i(Hfo)i,（2）由标准燃烧热Hco计算标准反应热Hro,3.4.4化学反应过程的能量衡算,59,的进口温度，或平均热容表示的参考温度）。,（1）第一种基准：已知25反应热数据,如果已知标准反应热，则可选298K，latm为反应,物及产物的计算基准。,对非反应物质另选适当的温度为基准（如反应器,3.4.4化学反应过程的能量衡算,1、反应热的计算,60,可假设如下热力学途径:,进口温度,反应前物料,出口温度,反应后物料,25,反应前物料,25,反应后物料,H1,H2,H,H3,61,(2)第二种基准,以组成反应物及产物的元素，在25，1atm时的焓为零，非反应分子以任意适当的温度为基准，也要画一张填有所有流股组分ni和Hi的表，只是在这张表中反应物或产物的Hi，是各物质25的生成热与物质由25变到它进口状态或出口状态所需显热和潜热之和。,已知反应温度下的反应热数据，则可按假设的热力,学途径进行计算。,1、反应热的计算,3.4.4化学反应过程的能量衡算,62,P204例5.22,例3-9,甲醇氧化生产甲醛在列管式固定床催化反应器中进行，原料气：,空气:甲醇=13.28:1(mol),预热至210后进入反应器内,发生的反应及反应热为：,主反应：,副反应：,已知：甲醇转化率100%;甲醛收率88.9%;CO:CO2=3：1(mol)；反应温度为300，混合气体离开时T=300，反应热损失为反应器放出总热量的5%。,kJ/kmolK,热载体道生的比热容:3.477kJ/kmolK,进入反应器时T=180,于290时气化,Qv290=269.9kJ/kmolK,试做反应器的热衡算,求道生循环量.,63,进口温度,反应前物料,已知反应温度,反应后物料,已知反应温度,反应前物料,H,H1,H2,64,P206例5.23,例3-10,乙烯氧化制成环氧乙烷的反应器中进行如下反应:,主反应：,副反应：,反应温度基本上维持在250，该温度下主、副反应的反应热分别为：,乙烯的单程转化率为32%，反应选择性为69%，反应器进口混合气的温度为210，流量45000m3（STP）/h，其组成如下：,热损失按反应