化工设计物料衡算与能量衡算

1、 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级1第三章第三章 物料衡算与能量衡算物料衡算与能量衡算 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级2化工基础数据化工基础数据 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 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级3p基本物性数据基本物性数据如临界常数（临界压力、临界温度、临

2、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。p热力学物性数据热力学物性数据如内能、焓、熵、热容、相变热、自由能、自由焓等。p化学反应和热化学数据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。p传递参数传递参数如粘度、扩散系数、导热系数等。分类分类 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级4化工基础数据获取方法化工基础数据获取方法p查手册或文献资料查手册或文献资料p估算估算p用实验直接测定用实验直接测定 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级5物料衡算与能量衡算的概念物料衡算与能量衡算的概念p物料

3、衡算：物料衡算：运用质量守恒定律，对生产过程或运用质量守恒定律，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，称之为物料衡物流输入或输出的量及组分等，称之为物料衡算。算。p能量衡算：能量衡算：以热力学第一定律为依据，对生产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。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

4、式为热能，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故化工设计中经常把能量计算称为热量计算热量计算。 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级6一、质量守恒（见书）一、质量守恒（见书）第一节第一节 物料衡算的基本方法物料衡算的基本方法 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级7物料衡算的目的物料衡算的目的 1. 1.确定原料的消耗量、副产品量以及输出过程物确定原料的消耗量、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）。要求（产品的技术经济指标）。2.

5、2.作为热量计算的依据。作为热量计算的依据。3. 3.根据计算结果绘出物流图，可进行管路设计及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。助设备进行选型或设计。 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级8 （1 1）设计任务书）设计任务书 （2 2）建设单位或研究单位所提供的数据）建设单位或研究单位所提供的数据 （3 3）工艺流程示意图）工艺流程示意图物料衡算的依据物料衡算的依据 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级9p时间基准：时间基准：对连续稳定过程，用单位

6、时间的物对连续稳定过程，用单位时间的物料量作基准。料量作基准。p质量基准：质量基准：固体或液体物料，选用单位质量为固体或液体物料，选用单位质量为基准；基准；p体积基准：体积基准：气体物料，选用气体物料，选用m m3 3（STPSTP），因它），因它不随不随T T、P P变化。变化。p干湿基准：干湿基准：对含水分的物料，选干基（不计水对含水分的物料，选干基（不计水分），即水分变化时选干基。分），即水分变化时选干基。二、物料衡算的基准二、物料衡算的基准 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级101. 1.确定衡算的对象和范围，并画出计算对确定衡算的对象和范围，并画出计算对象的草图

7、。象的草图。反应器分离系统产品副产物或残渣旁路循环流放空进料包括包括求解系统、衡算范围、衡算边界求解系统、衡算范围、衡算边界 三、物料衡算的基本步骤三、物料衡算的基本步骤 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级112. 2.确定计算任务；确定计算任务；3. 3.确定过程所涉及的组分；确定过程所涉及的组分；4. 4.对物流流股进行编号，并标注物流变量；对物流流股进行编号，并标注物流变量；5. 5.收集数据资料：收集数据资料：一类为设计任务所规定的已知条件；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。一类为与过程有关的物理化学参数。6. 6.列出物料衡算方程及

8、相关方程列出物料衡算方程及相关方程 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级127. 7.整理计算结果（整理成整理计算结果（整理成原材料消耗表原材料消耗表和和物料衡算表物料衡算表） 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级138. 8.绘制物料流程图绘制物料流程图 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级14 无反应过程指流体输送、粉碎、换热、混合、分离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、（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。提浓、脱水、增湿、干燥）

9、等化工单元操作。四、无反应过程的物料衡算四、无反应过程的物料衡算 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级15 例：有一湿纸浆含水例：有一湿纸浆含水71，干燥后原有水分的，干燥后原有水分的60除去，除去，试计算：试计算：1、每公斤湿纸浆移去的水分质量？、每公斤湿纸浆移去的水分质量？ 2、干纸浆的、干纸浆的组成？组成？ 解：以解：以1kg湿纸浆为基准。示意图湿纸浆为基准。示意图: 1、每公斤湿纸浆移去的水分质量：、每公斤湿纸浆移去的水分质量：10.7160%=0.426kg 2、作物料平衡：干燥纸浆量、作物料平衡：干燥纸浆量10.426=0.574kg 水：水：0.710.4=0

10、.284kg,干纸浆含水量：干纸浆含水量：0.284/0.574=0.495, 纸浆：纸浆：0.574-0.284 =0.29kg,含纸浆含纸浆0.505 干燥器干燥器湿纸浆湿纸浆浆：浆：0.29水：水：0.71干燥纸浆干燥纸浆浆：？浆：？水：？水：？水分水分 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级16 例：每小时将例：每小时将20kmol含乙醇含乙醇40的酒精水溶液进行精的酒精水溶液进行精馏，要求馏出液中含乙醇馏，要求馏出液中含乙醇89，残液中含乙醇不大于，残液中含乙醇不大于3(以上均为摩尔分数以上均为摩尔分数)，试求每小时馏出液量和残液量。，试求每小时馏出液量和残液量。

11、解：由全塔物料衡算式可得解：由全塔物料衡算式可得 20 = D + W (1) 200.4 = 0.89D + 0.03W (2) 联解方程式联解方程式(1)、式、式(2)，得，得 馏出液量馏出液量D=86 kmolh 残液量残液量W=114 kmolh 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级17 例：一股加料速率为例：一股加料速率为1000mol/h的物流，摩尔组成如的物流，摩尔组成如下下:c3为为0.20,i-c4为为0.30, i-c5为为0.20,n- c5为为0.30,精馏液包精馏液包括进料中的全部丙烷和括进料中的全部丙烷和80的的i-c5，精馏液中含异丁烷，精馏液

12、中含异丁烷40%，底液包括进料中的全部，底液包括进料中的全部n- c5，计算精馏液和底，计算精馏液和底液量，列物料衡算表。液量，列物料衡算表。 解：分别以下标解：分别以下标1、2、3、4表示表示c3、i-c4、i-c5、n- c5 1000D+W D=10000.2+D40%+10000.280% 解得：解得：D=600mol/h,W=400 mol/h 物料衡算表如下：物料衡算表如下：精精馏馏塔塔 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级18组分进 料精馏液底 液mol/h摩尔分数mol/h摩尔分数mol/h摩尔分数c3200o.202000.333300i-c43000.3

13、02400.4600.1500i-c52000.201600.2667400.1000n- c53000.30003000.750010001.006001.0004001.000 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级19第二节第二节 有反应过程的物料衡算有反应过程的物料衡算 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级20一、基本概念(1) (1) 限制组分、过量组分限制组分、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的组分称为限制组分限制组分。在数量上超过完全反应所需。在数量上超过完全反应所需

14、理论量的组分称为理论量的组分称为过量组分过量组分。例：例：原料气中有原料气中有CO 1molCO 1mol，H H2 2O(g) 2molO(g) 2mol，进行变换反应，进行变换反应： COCOH H2 2O (g) HO (g) H2 2COCO2 2 用反应物的实际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。小者即为限制组分，其余为过量组分。1()11molCO 22()( )21molH O g 所以，所以，COCO是限制组分，是限制组分，H H2 2O(g)O(g)是过量组分是过量组分。 单击

15、此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级21(2) (2) 过量百分数过量百分数v过量组分超过理论量的那部分占理论量的百分数。过量组分超过理论量的那部分占理论量的百分数。设：设：N Nf f 为过量组分的实际用量（质量或为过量组分的实际用量（质量或molmol量）量） N Nt t 为过量组分的理论用量（质量或为过量组分的理论用量（质量或molmol量）量） 则：则：过量过量% = (% = (N Nf f N Nt t ) / ) / N Nt t 100%100% 如上例：如上例：H H2 2O(g)O(g)过量过量%=(2-1)/1%=(2-1)/1100%=100%100%

16、=100% 过量百分数表征了过量组分的过量程度。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。为基准，没有限制组分，也就没有过量组分。 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级22（3） 转化率转化率 =反应物的反应量/反应物的进料量某一反应物某一反应物A的消耗量的消耗量该反应物该反应物A的的输入量输入量100%xA = =生成目的产物所消耗限制组分的量生成目的产物所消耗限制组分的量限制组分的限制组分的消耗量消耗量100% = =（4） 选择性 单击此处编辑母

17、版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级23生成目的产物所消耗限制组分的量生成目的产物所消耗限制组分的量限制组分的限制组分的输入量输入量100% = =（5） 收率 =xA 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级24“独立独立”的含义的含义p对有化学反应的过程，应写独立的反应方程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？22COCO212COCO2212COOCO22COCCO 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级25v 反应过程中，若有反应过

18、程中，若有m m种元素和种元素和n n个组分参与反应时，个组分参与反应时，独立反应数为独立反应数为： N N反应反应= =n n- -m m 上例中，上例中，m m=2, =2, n n=4 =4 独立反应数：独立反应数： N N反应反应= 4-2=2= 4-2=2v 究竟哪究竟哪2 2个是个是独立反应独立反应呢？呢？判断原则是判断原则是： 反应的组合过程中，不应少了某个组分。反应的组合过程中，不应少了某个组分。 例如：例如：1.选、或可以2.但不能选，+：C+1/2O2+CO+1/2O2=CO+CO2 少了组分CO3.选也不行，+：C+O2+CO2+C=CO2+2CO 少了组分CO24.选也

19、不行，+：CO+1/2O2+CO2+C=CO2+2CO 少了组分CO2 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级26化学反应过程物料衡算的方法：化学反应过程物料衡算的方法： （1 1）直接计算法）直接计算法( (总物料衡算法和组分衡算法相结合总物料衡算法和组分衡算法相结合) )（2 2）元素（原子）平衡法；）元素（原子）平衡法；（3 3）平衡常数法；）平衡常数法；（4 4）结点法（带有循环、放空及旁路的物料衡算）；）结点法（带有循环、放空及旁路的物料衡算）；（6 6）联系组分法。）联系组分法。 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级27（2）元素平衡法：）元素

20、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。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（以化成以下气体混合物（以mol%计）：丙烷计）：丙烷45、丙稀、丙稀20、乙烷、乙烷6、乙烯乙烯1、甲烷、甲烷3、氢、氢25以及少量沉积的炭。设反应器可以按比例以及少量沉积的炭。设反应器可以按比例扩大到处理扩大到处理58.2mol/d丙烷，计算所期望的积炭

21、速率？丙烷，计算所期望的积炭速率？ C3H8:0.45C3H6:0.20C2H6:0.06C2H4:0.01 CH4:0.03 H2:0.25C3H8 F2 F1 C F3（沉积炭）（沉积炭） 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级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=5.82 F2, C平衡：358.2=F3+ F20.453+ F20.23+ F20.062+ F20.012+ F20.03 解得：F280mol/d，F35 mol/d 单击此处

22、编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级29（3）联系组分法）联系组分法 联系组分联系组分指物料衡算过程中联系进出物流的特定组分。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）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：。试求：1、燃料中、燃料中H2与与CH4之比；之比； 2、混合气与空气之比为多少？、混合气与空气之比为多少？ 解：画出衡算简图：解：画出衡算简图：锅锅 炉炉O2:2.44%,

23、N2: 72.28%CO2:8.12%,H2O:17.16%O2:20.92%N2:79%其他：其他：0.08H2+CH4空气：空气：烟道气烟道气 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级30 反应式为：反应式为：CH4+2O2=2H2O+CO2 H2+0.5O2=H2O 以以100烟道气为基准，则各组分的量为烟道气为基准，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）。（注意：因不知道燃料气组成，不能选进气量为基准）。 1.求燃料气组成以求燃料气组成以C作联系组分，燃烧前后

24、碳原子数不变，作联系组分，燃烧前后碳原子数不变，所以所以CO2mol数等于数等于CH4的的mol数，即数，即CH48.12mol， 需要氧气量为需要氧气量为28.1216.24mol。 计算进料的空气量，以计算进料的空气量，以N2作联系组分，由烟道气中的作联系组分，由烟道气中的N2可可得进料中的总氧气量：得进料中的总氧气量：72.2820.92/79=19.14mol, 输入空气量：输入空气量：19.14+72.28=91.42mol. 则用于氢气燃烧的氧为：则用于氢气燃烧的氧为：19.14-16.24-2.44=0.46mol, 故燃料中含氢故燃料中含氢0.462=0.92mol 燃料气中燃

25、料气中H2/ CH4=0.92/8.12=0.113,进料中（进料中（CH4+ H2）/空气空气 （0.92+8.12）/91.42=0.099 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级31第三节第三节 反应过程的能量衡算反应过程的能量衡算v 能量衡算的意义能量衡算的意义： 原料及产品的输送需要消耗原料及产品的输送需要消耗功功机械能机械能； 物料需在一定的温度下才能反应物料需在一定的温度下才能反应热热交换；交换； 物质发生化学变化变成新的物质物质发生化学变化变成新的物质焓焓变化；变化； 热、焓、功都是能量的表现形式热、焓、功都是能量的表现形式。v 能量的消耗是化工生产中一项能量

26、的消耗是化工生产中一项重要的技术经济指标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是衡量工艺过程、设备设计、操作制度是否先进合理的的主要指标主要指标之一。因此能量衡算也是化工设计中极其之一。因此能量衡算也是化工设计中极其重要的组成部分重要的组成部分。v 化工生产中最常用的能量形式为热能，故化工设计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中经常把能量衡算能量衡算称为称为热量衡算热量衡算。 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级32热量衡算的目的：热量衡算的目的：（1 1）确定传热设备的热负荷确定传热设备的热负荷。 为设计传热型设备为设计传热型

27、设备如反应器、结晶器、塔如反应器、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，以及各种控制仪表形式、尺寸、传热面积等，以及各种控制仪表等等提供参数提供参数； （2 2）确定单位产品的能耗指标确定单位产品的能耗指标；（3 3）为非工艺专业为非工艺专业（热工、电、给水、冷暖）（热工、电、给水、冷暖）的设计提供设计条件的设计提供设计条件。 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级33一、反应过程能量衡算方程一、反应过程能量衡算方程 能量衡算的一般步骤能量衡算的一般步骤与与物料衡算物料衡算相同相同，亦包括划分，亦包括

28、划分系统、画出流程简图、列写方程式与约束式，求解方系统、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。程组及结果整理等若干步骤。 能量衡算方程式的能量衡算方程式的一般形式一般形式为：为： E E = =Q QWW v 如果无轴功条件下，进入系统加热量与离开系统的如果无轴功条件下，进入系统加热量与离开系统的热量应平衡，即热量应平衡，即对传热设备的热量衡算对传热设备的热量衡算可表示为：可表示为：物料带物料带进体系进体系的热量的热量 123456QQQQQQ加热剂（或冷加热剂（或冷却剂）与设备却剂）与设备交换的热量交换的热量过程的过程的热效应热效应 物料从体系物料从体系带走的热量

29、带走的热量 消耗在加热消耗在加热设备各个部设备各个部件上的热量件上的热量 设备向四周设备向四周散失的热量散失的热量（热损失）（热损失） 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级34热量计算的说明热量计算的说明 （1）计算计算基准基准：指的是能量（或：指的是能量（或热量热量）基准基准。可取任。可取任何温度，对有反应的过程，一般取何温度，对有反应的过程，一般取25为计算基准。为计算基准。（2）物料的物料的显热显热可用焓值或比热容进行计算。可用焓值或比热容进行计算。CP是温度的函数是温度的函数123456QQQQQQ21TPTQnC dT（3）关于关于Q2热负荷热负荷的计算。的计算。“”需加热，需加热， “”需需冷却。对于冷却。对于间歇操作，应分段衡算间歇操作，应分段衡算，求出最大需要量。，求出最大需要量。 （4）Q3为过程的为过程的热