化工设计-第三章-物料衡算和能量衡算-

1、1,第三章 物料衡算和能量衡算,化工过程的物料衡算和能量衡算，是利用物理与化学的基本定律，对化工过程单元及化工过程单元系统的物料平衡与能量平衡进行定量的计算。 找出主副产品的生产量，废物的排出量； 确定原材料的消耗与定额； 确定各物流的流量、组成和状态; 确定每一设备内物质转换与能量传递的速度； 为确定操作方案、设备选型及设备尺寸、管路设施与公用工程的设计提供依据。,2,教学目的与要求：,结合具体实例，理解利用化学反应速率进行反应过程和一个完整的化工过程的物料衡算的方法和思路； 结合具体实例，理解以反应热效应为基础和以生成热为基础两种反应过程能量衡算方法的计算原理和计算方法。 了解流程模拟软件

2、的种类和功能。,重点难点：,衡算基准的选择; ASPEN Plus的应用。,第三章 物料衡算和能量衡算,3,第一节 物料衡算的基本方法和程序 第二节 连续过程的物料衡算 第三节 车间（装置）的物料衡算 第四节 化学反应过程的能量衡算 第五节 计算机在物料衡算与能量衡算中的应用,第三章 物料衡算和能量衡算,4,第一节 物料衡算的基本方法和程序,化工过程的类型 间歇操作过程：原料在生产操作开始时一次加入，然后进行反应或其他操作，一直到操作完成后，物料一次排出。 连续操作过程：在整个操作期间，原料不断稳定地输入生产设备，同时不断从设备排出同样数量（总量）的物料。 半连续操作过程：操作时物料一次输入或

3、分批输入，而出料是连续的，或连续输入物料，而出料是一次或分批的。 稳定状态操作:整个化工过程的操作条件不随时间而变化。,5,第一节 物料衡算的基本方法和程序,物料平衡方程,进入过程 单元的 物料量,流出过程 单元的 物料量,在过程单 元内生成 的物料量,在过程单 元内消耗 的物料量,过程单元 内累积的 物料量,(Fi-Fo)+(Dp-Dr)=W 稳定操作过程(Fi-Fo)+(Dp-Dr)=0 系统内无化学反应(Fi-Fo)=W 系统内无化学反应的稳态操作过程(Fi-Fo)=0,-,+,-,=,Fi,Fo,DP,Dr,W,6,1、搜集计算数据； 2、画出物料流程简图； 3、确定衡算体系； 4、写

4、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； 5、选择合适的计算基准，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、将计算结果列成输入输出物料表(物料平衡表)； 8、校核计算结果。,物料衡算的基本程序,第一节 物料衡算的基本方法和程序,7,第二节 连续过程的物料衡算,稳态过程，体系内无物料积累,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; Ns物流股数; Nr物流组分数;,8,一、非反应过程的物料衡算,对

5、于非反应的连续稳态过程，式（3-1）可简化为：,例3-1 一种废酸，组成为23(质量)HNO3，57H2SO4和20H2O，加入93的浓H2SO4及90的浓HNO3，要求混合成27HNO3及60H2SO4的混合酸，计算所需废酸及加入浓酸的数量。,9,一、非反应过程的物料衡算,解：,设 x-废酸量，y-浓H2SO4量，z-浓HNO3量；(kg）,1）画物料流程简图,10,一、非反应过程的物料衡算,2）选择基准,可以选废酸或浓酸的量为基准，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。基准：100kg混合酸,3）列物料衡算式,总物料衡算式 x + y + z=10

6、0 (1) H2SO4的衡算式 0.57x + 0.93y=1000.6=60 (2) HNO3的衡算式 0.23x + 0.90z=1000.27=27 (3),11,一、非反应过程的物料衡算,解(1)，(2)，(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和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 = 41.8 0.2 + 39 0.07 + 19.2 0.10 = 13kg,混合后的酸，含13H2O，所以计算结果正确。,12,一、非反应过程的

7、物料衡算,例3-0B 有一个蒸馏塔，输入和输出物料量及组成如下图.输入物料中A组分的98.7自塔顶蒸出。求每千克输入物料可得到塔顶馏出物2的量及其组成。,1）画物料流程简图,13,一、非反应过程的物料衡算,2）选择基准,基准：100kg/h 输入物料 令 x = 馏出物中A的百分含量， y = 馏出物中B的百分含量。,14,一、非反应过程的物料衡算,3) 列物料衡算式,流股2中A组分量为:Px 10020%98.7%=19.74kg (1) A组分衡算式 10020%=W0.5%+19.74 (2) W=52 kg 总物料衡算式 100 = P + W (3) P=10052=48 kg B组

8、分衡算式 10030%=5.5W+Py (4) y=56.54% x =19.74/P=19.74/48=41.13% C组成 1xy=141.13%56.54=2.33% 由C组分衡算式 10050%=5294%+48(1xy) 1xy = 2.33%,15,一、非反应过程的物料衡算,4) 物料平衡图,16,二、反应过程的物料衡算,1. 反应转化率、选择性及收率等概念 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。 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。,化学计量比

9、1 2 投料摩尔数 5 10.7 投料摩尔比 1 2.14,17,二、反应过程的物料衡算,转化率x：某一反应物反应掉的量占其输入量的百分数。 选择性：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。 收率：目的产物的量与按投入原料计算的理论产量的比值.,18,二、反应过程的物料衡算,直接推算法 只含一个未知量或组成，通常可根据化学反应式直接求解 。 元素衡算法 输入(某种元素)输出(同种元素) 。 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。,2) 反应过程的物料衡算,19,二、反应过程的物料衡算,P5

10、8 例3-1 自学,组分编号； 计算简图； 方程与约束式； 变量分析； 求解方程组。,20,第三节 车间(装置)的物料衡算,在一个车间（装置）中物料的添加和分离比较频繁，并且经常伴随着化学反应的发生，部分产品的循环（如回流），物料衡算比较复杂。 1.单元模块 计算步骤: 过程整体分析; 写出各单元的方程式和约束式; 列出所有的变量，并选好所需的设计变量; 应用单元模块法求解联立方程组。,21,第三节 车间(装置)的物料衡算,2.循环过程(两种解法） （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

11、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。,22,例3-2 工业上，合成氨原料气中的CO通过变换反应器而除去，如图所示。在反应器1中大部分转化，在反应器2中完全脱去。原料气是由发生炉煤气（78%N2，20%CO，2%CO2）和水煤气（50%H2，50%CO）混合而成的半水煤气。在反应器中与水蒸气发生反应： COH2O CO2H2,最后得到物流中H2与N2之比为3：1，假定水蒸气流率是原料气总量（干基）的两倍，同时反应器1中，CO的转化率为80%，试计算中间物流（4）的组成。,第三节 车间(装置)的物料衡算,23,解：基准：

12、物流F1为100mol/h；正反应的速率为r（mol/h） （1）过程先由总单元过程摩尔衡算式进行计算，总衡算式为： N2平衡： F5,N2 0.78100 78 mol/h CO平衡： 0 0.2100 0.5F2r H2O平衡： F5,H2O F3r CO2平衡： F5,CO2 0.02100 r H2平衡： F5,H2 0.5F2 r,第三节 车间(装置)的物料衡算,24,已知H2与N2之比为3：1 F5,H2 3F5,N2 3 78 234 mol/h 原料气（干基）与水蒸气之比1：2 F3 2（F1F2 ） 将H2和CO平衡式相加，消去r，得： F2 234 -20 214 mol/

13、h 将F2值代入CO平衡式中，得： r 20 107 127 mol/h F3 2 （100+214） 628 mol/h 最后，由CO2和H2O平衡式得： F5,CO2 0.02 100127 129 mol/h F5,H2O 628-127 501 mol/h,第三节 车间(装置)的物料衡算,25,（2）计算反应器1的反应速率，然后计算物流4的组成，由反应速率的定义式： r 1（Fi, 输出- Fi, 输入）/i-Fi, 输入xi /i 式中xi 为i物质的转化率。 已知反应器1中CO转化率为0.80，由此得反应器1的反应速率： r -FCO, 输入cCO /CO0.8（0.21000.5

14、214） 101.6 mol/h,第三节 车间(装置)的物料衡算,26,已知r1后，物流4中每一物质的流率可以用物料衡算求得： N2平衡 F4,N2 0.78100 78 mol/h CO平衡 F4,CO 127 r1 25.4 mol/h H2O平衡 F4,H2O 628 r1 526.4 mol/h CO2平衡 F4,CO2 2 r1 103.6 mol/h H2平衡 F4,H2 107 r1 208.6 mol/h,于是得物流4的组成（摩尔分率）为N2 ：0.083；CO：0.027；H2O ： 0.559；CO2： 0.110；H2 ： 0.221,第三节 车间(装置)的物料衡算,27

15、,第三节 车间(装置)的物料衡算,P62例3-3，图3-3，乙烯直接水合制乙醇过程的物料衡算。（自学）,28,第四节 化学反应过程的能量衡算,对于无化学反应的能量衡算问题，由于都是物理过程，所以只要计算进出口流股相对于参考态的焓，即可计算出焓差：,H=(niHi)输出- (niHi)输入 （3-3）,当体系发生化学反应时，应将反应热列入能量衡算式中。反应体系能量衡算的方法按计算焓时的基准区分，主要有两种：以反应热效应为基础的计算方法和以生成热为基础的计算方法。,29,一、以反应热为基础的计算方法,如果已知标准反应热Hr0，则可选298K，101.3kPa为反应物及产物的计算基准。对非反应物也可

16、选适当的温度为基准。选好基准后，为了计算过程的焓变，可以画一张表，将进出口流股中组分的流率ni和焓Hi填入表内，然后按下式计算过程的H,30,P64例3-4 氨氧化反应器的能量衡算：,氨氧化反应式：4NH3(g) + 5O2(g) = 4NO(g) + 6 H2O(g) ， 此反应在25，101.3Kpa的反应热为Hro = -904.6KJ ,现有25的100mol NH3/h和200mol O2/h连续进入反应器，氨在反应器内全部反应，产物中300呈气态离开反应器，如操作压力为101.3Kpa，计算反应器应输入或输出的热量。,一、以反应热为基础的计算方法,31,解：由物料衡算得到的各组分的

17、摩尔流量示意图,一、以反应热为基础的计算方法,NH3,100mol/h,O2,200mol/h,25,反应器,NO,100mol/h H2O,150mol/h,O2,75mol/h,300,Q/(kJ/h),32,一、以反应热为基础的计算方法,先进行物料衡算,4NH3 (g) + 5O2 (g) = 4NO (g) + 6H2O (g) O2 100 200 100 150 75,衡算基准：25,101.3kPa,参考态：NH3 (g)， O2 (g) ，NO (g) ，H2O (g),因此，进口的两股物料的焓均为零。,计算出口物料的焓：,33,一、以反应热为基础的计算方法,H(NO) = 1

18、00 (29.50 + 0.8188 10-2T 0.2925 10-5T2 +0.3652 10-9T3)dT = 845.2 KJ/h,查得NO的比热容：Cp(NO) = 29.50 + 0.8188 10-2T 0.2925 10-5T2 +0.365 10-9 T3,查得O2和H2O的平均比热容： Cp(O2) = 30.8 J/molK； Cp(H2O) = 34.80 J/molK,34,一、以反应热为基础的计算方法,已知NH3的消耗量为100mol /h ， 有 nARHro/ A= 904.6KJ 100/4 = 22615 KJ/h 由此算出过程的 =-22615 +（635

19、.25 + 845.3 +1435.5）- 0 =19700kJ 即为了维持3000C反应温度，每小时应从反应器移走19700 KJ热量。,H(O2) = 75 30.80 (300-25 ) = 635.25 KJ/h,H(H2O,g) = 150 34.80 (300-25) = 1435.5 KJ/h,35,以组成反应物及产物的元素，在298K，101.3kPa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和焓Hi的表，只是在这张表中反应物或产物的Hi是每个物质298K的生成热与物质由298K变到进口或出口状态所需显热和潜热之和。过程的总焓变即为：,二、以生

20、成热为基础的计算方法,H=(niHi)输出- (niHi)输入 （3-5）,所以，以生成热为基准的物质，是组成反应物和产物的、以自然形态存在的原子。,36,二、以生成热为基础的计算方法,P66例3-5（自学）,37,第五节 计算机在物料衡算与能量衡算中的应用,一、流程模拟软件,二、ChemCAD的应用,三、ASPEN Plus的应用,38,一、流程模拟软件,aspenONE 工程与创新解决方案 PRO/ VMGSim；VMGThermo Chem CAD ECSS工程化学模拟系统-化工之星,用于计算机辅助设计的流程模拟就是在特定的流程图上进行计算来模拟过程、设计设备和确定关键操作条件的值。其计

21、算内容包括物料和能量衡算、过程的设备参数、设备和工厂费用预算及经济评价。,39,一、流程模拟软件,Aspen Plus是大型通用流程模拟系统，源于美国能源部七十年代后期在麻省理工学院（MIT）组织的会战，开发新型第三代流程模拟软件。该项目称为“过程工程的先进系统”（Advanced System for Process Engineering，简称ASPEN），并于1981年底完成。1982年为了将其商品化，成立了AspenTech公司，并称之为Aspen Plus。,40,Aspen HYSYS 软件是世界著名油气加工模拟软件工程公司开发的大型专家系统软件。该软件分动态和稳态两大部分。 其动

22、态和稳态主要用于油田地面工程建设设计和石油石化炼油工程设计计算分析。其动态部分可用于指挥原油生产和储运系统的运行。,一、流程模拟软件,41,一、流程模拟软件,PRO/II 是一个历史最久的、通用性的化工稳态流程模拟软件，最早起源于1967年SimSci公司开发的世界上第一个蒸馏模拟器SP05，1973年SimSci 推出基于流程图模拟器，1979年又推出基于PC机的流程模拟软件Process（即PRO/II的前身），很快成为该领域的国际标准。 PRO/II 它可以用于流程的稳态模拟、物性计算、设备设计、费用估算/经济评价、环保评测以及其它计算。,42,一、流程模拟软件,VMGSim是加拿大VMG集团（Virtual Materials Group)开发的流程模拟软件。该模拟软件采用非序贯、采用部分数据流进行单元操作计算的交互式计算原理。VMGSim把最先进的过程模拟内核与具有强大图形功能的Microsoft Visio 及具有电子表格计算功能的Excel集成在一起。物美价廉，在模拟烃系统有优势。 VMGThermo是一个通用热力学包。,43,一、流程模拟软件,