物料衡算与能量衡算要点

1、第3章物料衡算与能量街算化工基础数据）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、恰、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分类基本物性数据一如临界常数（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。热力学物性数据一如内能、给、炳、热容、相变热、自由能、自由焰等。化学反应和热化学数据一如反应热、生成热、燃烧热、反应速度常数、活化能，化学平衡常

2、数等。传递参数一如粘度、扩散系数、导热系数等。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。口能量衡算：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。3.1物料衡算基本方法物料衡算的质量守恒进入系统的质量流量一排出系统的质量流量=系统内质量的累积稳态过程进入系统的质量流量=排出系统的质量流量物料街算的口的51

3、.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。7物料街算的依据设计任务书建设单位或研究单位所提供的数据工艺流程示意图物料街算的基准口时间基准：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口当量不准：对化学反应过程，选用kmol,因为反应为等当量反应。体积基准：气体物料，选用nP(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

4、分变化时选干基。8物料街算程序1 .确定衡算的对象、体系与环境，并画出计算对象的草图。进料9包括求解系统、衡算范围、衡算边界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。116 .列出物料衡算方程进入衡算单元的物料量死流出衡算单元的物料量与在衡算单元内生成的物料量4在衡算单元内消耗的物料量2衡算单元内积累的物料量1（6-E）+（q-，）=wa）稳定操作过程（即稳流过程）：（FF0）+（Dp_D,）=6b）系统内无化学反应：（Fi-F0）=Wc）系统内无化学反应的稳定操

5、作过程:（E玲）=。3.1.2物料衡算举例无反应过程的物料街算无反应过程指流体输送、粉碎、换热、混合、分离（吸收、精僭、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。组成kniolkg质量.(mol)%丙酮1.5872.95空气98.52 86097.05总计1002 947100.00冷凝器塔吸 收 塔水昌1 200kg/h产品R内用99%,水1%混合气体尸2,1.5（BO15 %丙期废料尸5,内第5乐水9b%图3-1例3-1流程框图14例31从气体中回收丙酮的装置料衡算程序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

6、平衡式：1200+耳=工+尼+8各组分平衡式：丙酮：0.02957s=0.99尼+0.05月水：1200=0.0喝+0.958空气：0.9705乙=乙但这4个方程式只有3个是独立，因此需1个设计变量。有反应过程的物料街算S+。2（空趋）fSO2CO+H2O（g）一出+co2CH3OH+1/2O2（变专）-HCHO+H2O3.2反应过程的物料衡算转化率某一反应物的反应量X 100%该反应物的榆入量(2)选择性X 100%15(3)收率X 100%产物的实际产量按原料计算得理论产量主产物生成量折成原料量 反应消耗的原料量>/=转化率、选择性和收率之间的关系:收率=转化率X选择性IJ=XXQ&

7、gt;16(4)限制组分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(5)过量组分价格低廉、易得的反应物过量在反应过程中，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。17例：原料气中有COlmoLH2O(g)2mol,进行变换反应:CO+H2O(g) - H2 + CO2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。"05)=答=2所以，co是限制组分，H2。®是过量组分。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：M为过量组分的实际用量(质

8、量或mol量)M为过量组分的理论用量(质量或mol量)贝！J：过量=(Nf-M)/MX100%如上例：H2O(g)过量=(21)/1X100%=100%18X几种衡算方法进出物料的总质量进出物料中反应组分的质量进出物料中惰性组分的质量进出物料中番元素的质量无反应过程相等相等相等相等有反应过程相等不相等相等相等直接推算法原子衡算法平衡常数法联系组分法带有循环、放空及旁路的物料平衡例3-1年产10000t苯乙烯工段物料衡算(直接推算法)(1)画出流程示意图，确定计算范围。年工作时间 8000hC6H5c2H5C6H5cH3、HzO焦油选择性2%乙苯原料与水蒸气质量比1:1.51/ 7 7。化(3(

9、4(2)列出全部独立物料平衡方程式及相关数据C6H5c2H5 -C6H5c2H3 + H2C6H5c2H5 + H2 6H5cH3 + CH4C6H5c2H5 C2H4 + C6H6C6H5c2H5 -7C + 3H2 + CH4表31各物料的摩尔质量选lOOOkg/h乙苯原料为计算基准21(3)计算各项物料流量纯乙苯lOOOkg/hX98%=980kg/h,9.245kmol/h；甲苯1OOOkg/hX2%=20kg/h,BP0.217kmol/h；蒸汽量980kg/hXL5=1470kg/h,gp81.667kmol/h；乙苯转化率0.4/0.9=0.4444；参力口反应的乙苯量980kg

10、/hX0.4444=435.11kg/h,BP4.109kmol/h；22产物中各组分情况如下：未反应的乙苯(980-435.11)kg/h=544.89kg/h,EP5.140kg/h;生成苯乙烯4.109kmol/hX90%=3.698kmol/h,BP384.60kg/h;由各物质的选择性，有输出的甲苯4.109kmol/hX5%+0.217kmoI/h=0.423kmol/h,BP38.92kg/h;生成的苯4.109kmol/hX3%=0.123kmol/h,BP9.60kg/h;生成的乙烯4.109kmol/hX3%=0.123kmol/h，即3.44kg/h;23生成的碳4.10

11、9kmol/hX2%X7=0.575kmol/h,BP6.9kg/h;生成的甲烷I4.109kmol/hX(5%+2%)=0.288kmoVh,BP4.61kg/h;输出的氢4.109kmol/hX(90%-5%+2%X3)=3.739kmol/h,BP7.48kg/h;输出水=输入水(不参与反应)1470kg/h;实际每小时要求苯乙烯产量10000X1000kg/8000h=1250kg/h;比例系数1250/384.60=3.25o24表32乙苯脱氢反应器物料衡算数据组分输入输出.摩尔流量/(kmol/h)质量流量/(kg/h)摩尔流量/(kmol/h)质量流量/(kg/h)C6H5c2H

12、530.046318516.7051770.89c6H5cH30.705651.375126.49h2o265.4184777.5265.4184777.5C6H5c2H3一12.0191249.95C6H60.00431.20C2H40.00411.18ch40.93614.98c1.869|22.43H2M12.15224.31合计296.1698027.5310.4828028.9325例3-2碳酸钠溶液苛化物料衡算(原子平衡法)问：每100kg苛化液需加石灰和碳酸钠溶液的质量以及石灰的组成解：设碳酸钠溶液质量为F(kg),石灰的质量为W(kg)。设石灰中CaCO3、CaO>Ca(

13、OH)2质量分别为x、y、zCaCO3 CaO Ca(OH)2x/W y/W iZ CaCOaNaOH 0.59%Na2c()3 14.88%HzO 84.53%苛化反应器Ca(OH)2NaOHNa2c0313.48%0.28%0.61%1036%H2O75.27%26基准：100kg苛化液表33各种物料质量和物质的量计算结果Na2c03溶液中苛化钠溶液中物料摩尔质量/(kmol/h)质量/kg物质的量/kmol物料摩尔质量/(kmol/h)质量/kg物质的量/kmolNaOH400.59%F0.000148FNaOH4010.360.2590Na2COs10614.88%F0.001404F

14、Na2c。31060.610.00575H2O1884.53%F0.04696FH2O1875.274.18Ca(OH)2740.280.00377CaCO310013.480.134727列出元素平衡式Na平衡:0.000148F+0.001404FX2=(0.00575X2+0.2590)kmolC平衡： 0.001404F+ Ca平衡：x100g / mol=(0.1348+0.00575) kmolxy7777+T7+77=(0.1348+0.00378)kmol100g/mol56g/mol74gImol已知：F+W=100kg/mol,W=x+y+z解得：F=91.51kg,W=8

15、.49kgx=l.197kg,y=6.435kg,z=0.858kg29表3-4计算结果汇总组分输入输出物质的量/kmol质量/kg物质的量/kmol质量/kgNaOH0.01350.540.2590110.35|Na2CO30.128513.620.005750.61H2O4.297377.354.18275.27CaCO30.0121.20.13713.48CaO0.0156.44Ca(OH)20.01160.860.003770.28i合计296.1691004.5875100所以，每100kg苛化液需加入石灰8.49kg到9L51kg碳酸钠溶液中，石灰组成见表34；每100kg苛化液需

16、原碱液91.51kg。例33合成甲醇的物料衡算（平衡常数法）当正、负反应速率相等时，反应达到化学平衡，此时状态为恒温、恒压且反应物浓度不变。对反应aA+bB=cC+dD,平衡时平衡常数为已知：原料气中H2与CO摩尔比为451,惰性组分I含量为13.8%,压力为30Mpa,温度为365,平衡常数Kp=2.505X10-3MPa-2o问：出口气体组成。解：设进料为1 mol化学反应平衡方程式1=0.138molH2 =( 1 -0.138)4.5/5.5=0.7053mol ICO + 2H, CH.OHCO=(1-0.138)/5.5=0.1567mol基准：1mol原料气设转化率为x,则出口气

17、体组成为：CO:0.1567(l-x)1：0.138H2：0.7053-2X0.1567xl-0.3134xCH3OH:0.1567x计算出口气体各组分分压:CO:H2:CH3OH:P（2）二0.1567(1 x)l-0.3134x0.7053-2x0,1567fx301-0.3134%p(CH.OH)-x30代入平衡常数分压表达式:0.1567x1-0.3 134a:31320567x3()Kp=|_1一°.313442505x10-3(CO)p2(%)ro,1567(l-x)0.7053-2x0.1567x丫*1-0,3134%JLl-0.3134xJ解得：X=0.4876o则出

18、口气体组成为：C0:0.0803mol；H2：0.5525mol；CH3OH:0-0764mol；I：0J38mo1。各组分摩尔分数为:C0:0.0948；CH3OH:0e0902；H2： 0.6521；I： 0.1629。带循环和务路过程的物料街算典型的具有循环和旁路过程的物料流程图:循环物料R精储塔塔顶的回流34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：相对误差=|计算结果-老估算值|计算结果

19、则计算结果符合要求，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“实际与估算”的接近程度，它必须W容许误差。3. 2热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始变化;热、焰、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。热量衡算的目的:3536(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。热量衡算的程序A热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。能量衡算的基本方程式能量衡算方程式的一般形式为：E=Q+IT：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:一Q+Q+。3=。4+以+物料带进体系的热量”/kkX.设备向四周 散失的