化工设计 之 物料衡算和热量衡算.ppt

1、第三章是物质平衡和能量平衡。物料平衡是指根据各种物料之间的定量转化关系，对进出整个生产装置、生产过程或单个设备的每一批物料的数量和组成进行的平衡计算。这是工艺流程确定后的第一次工艺计算。根据能量守恒定律和能量转移转化规律，确定能量比和能量转化之间的定量关系的过程称为能量平衡计算。利用物理和化学的基本定律，定量计算了化学过程单元系统的物质和能量平衡。1.找出主要和副产品的数量以及废物的排放量。2.确定原材料消耗定额。3.确定每个物流的流量、组成和状态。4.确定每个设备中的材料转换和能量转移速度。物料平衡和能量平衡，解决和确定运行方式、设备选型和设备尺寸、管道设施和公用工程。提供依据，第一，物料平

2、衡的目的，(1)确定原材料的消耗定额，确定是否满足设计要求。(2)确定各设备的输入和输出流量、摩尔分数组成和其他组成表示方法，并列出。在此基础上，进行设备选型和设计，确定“三废”的排放位置、数量和组成，有利于进一步提出“三废”的处理方法。(3)作为热量计算的基础。(4)根据计算结果绘制物流图，可用于管道设计和材料选择、仪表和自动控制设计等。第一节物料平衡，第二节物料平衡的类型，1。现有生产设备或装置的物料平衡(一般操作)。新设备或装置(设计)的物料平衡，利用实际测量数据，计算其他不能直接测量的物料。根据这一结果，对生产情况进行了分析，做出了判断，并提出了改进措施。设计任务、物料平衡、各设备的物

3、料量、能量平衡、设备或工艺的热负荷，并确定设备尺寸和整个工艺流程。3.物料平衡的依据(1)设计任务书确定的技术方案、产品生产能力、年工时和操作方法。(2)建设单位或研究单位提供的要求、设计参数、实验室试验或中试数据主要包括：(1)主要化学反应方程式、反应物比例、转化率、选择性、总收率、催化剂状态和添加比例、催化剂是否循环使用、安全性能(爆炸上限和下限)等。b)原料和产品的分离方式，每一步的回收率，使用物料分离剂时加入的分离剂的比例。特殊化学品的物理性质，如沸点、熔点、饱和蒸汽压和闪点。(3)工艺流程示意图；(4)物料平衡的基本方法；(1)不同类型的化学过程和化学过程的运行状态具有不同的物质或能

4、量平衡方程，其运行模式为间歇运行、连续运行和半连续运行。(2)物质平衡方程的理论基础：质量守恒定律，即上述公式可以针对全部物质或任何成分或元素列出。在下列情况下，上述公式可简化为：稳定操作过程(FiFo)(Dp Dr) W系统中无化学反应的间歇操作；FiFo系统中无化学反应的稳定运行过程：FiFo 0对于无化学反应的过程，一般写出各组成部分的平衡方程，只有当涉及化学反应量时，才写出各元素的平衡方程。稳态过程(连续)，系统中没有物质积累。物流的数量和流量；物流1中的xij组分的摩尔分数；m化学反应中vjm j组分的化学计量系数；rm的第m个化学反应的反应速率；Nr过程中涉及的化学反应次数。(3)

5、物料平衡基准在物料平衡过程中，必须选择计算基准，并在整个操作过程中保持一致。如果选择好基准，计算可以简化。时间参考(单位时间c(1)原材料、辅助材料、中间产品和产品的规格。(2)过程中单位时间的物流量。(3)相关消耗定额。(4)关于转化率、选择性和单程产率。(5)相关的物理和化学常数。消耗定额是反映生产技术水平的重要经济指标，是物料平衡的基础数据之一。消耗定额是指每吨生产合格产品所需的原材料、辅助材料和试剂的消耗量。要绘制物料流程图，首先要根据给定的条件绘制流程图。在图中，流程中的设备用一个简单的方框表示，每个流的路径和流向用线条和箭头表示。表示每个流的已知变量(如流量、成分)和单位。一些未知

6、变量可以用符号表示。对于某一反应系统，物料平衡框图可绘制如下：3 .确定平衡系统(平衡范围)。物料平衡是研究进出某一系统的物料的数量和组成的变化。进行物料平衡时，首先要确定平衡系统。系统：物料平衡的范围。它可以根据实际需要人工选择。系统，一个装置或几个装置，一个单元操作一套装置或一个系统，整个化学过程。平衡计算范围示意图：边界线包围的区域构成平衡计算范围。1、某一单元设备在运行过程中；2.过程中某些单元设备组合的子过程；3.整个过程。写出化学反应方程式(包括主反应和副反应)。5.选择适当的计算基准，并在流程图中指明所选的基准值。原则上，你可以通过选择任何一种计算基准来得到正确的答案。然而，正确

7、选择计算基础可以简化计算，避免错误。根据不同流程的特点，在选择计算依据时应注意以下几点：(1)应选择已知变量数量最多的流动存量作为计算依据。(2)对于液体或固体系统，通常选择单位质量作为基准。(3)对于连续流系统，有时使用单位时间作为计算基础比较方便。(4)对于气体材料，如果已经确定了环境条件(如温度和压力)，则可以选择体积作为基准。6.列出物料平衡公式，然后用数学方法求解。根据质量守恒定律，对于某一系统，输入该系统的物质量应等于该系统中物质输出量和累计量之和。系统中会发生化学反应，在列出物料平衡公式时应注意：1。物质平衡是指质量平衡，而不是物质的体积或数量(摩尔数)平衡。2.如果系统中存在化

8、学反应，当平衡公式中的每一项都以摩尔/小时为单位时，必须考虑反应公式的化学反应系数。因为反应前后材料中分子的数量是不守恒的。如图所示，表示没有化学反应的连续工艺物料流。在图中，方框代表一个系统，虚线代表边界。有三个流，进料流和出料流.有两个组成部分。x是质量分数。可以列出物料平衡公式，总物料平衡公式：F=PW，各组成部分的平衡公式：对于连续不稳定的过程，由于过程中物料的数量和组成随时间而变化，物料平衡公式必须写成以时间为变量的微分方程，表示系统中某一时刻的平衡。7。将物料平衡结果列入输入输出物料表(物料平衡表)，并绘制物料平衡图。8。检查计算结果(结论)。物料平衡表，和5。无化学反应的物料平衡

9、。在系统中，没有化学反应的物质过程称为非反应过程。流体输送、粉碎、热交换、混合、分离(吸收、精馏、萃取、结晶、过滤、干燥)等。化学单元操作，(1)简单过程的物料平衡，简单过程是指只有一个装置或一个单元操作或整个过程简化为一个装置的过程。物质平衡解决方案：1 .绘制物流图；2.选择标准，无论是废酸的量或浓度或混合酸的量作为基准，因为四种酸的组成是已知的，所以选择任何一种作为基准进行计算都是方便的。设定x废酸量，kg；y浓缩H2SO4量，kg；z，浓硝酸量；Kg，3，列物料平衡公式，系统有三个组成部分，并且可以列出三个未知量。基准：100千克混合酸，总物料平衡公式x y z=100 (1)，H2S

10、O4平衡公式0.57x 0.93y=1000.6=60 (2)，硝酸平衡公式0.23x 0.9z=1000.2727 (3)，溶液(1)、(1)即41.8千克废酸、39千克浓H2SO4和19.21千克浓硝酸可混合成100千克混合酸。根据水平衡，以上结果可查：加水量为=41 . 80 . 2 390 . 07 19 . 20 . 1013公斤，混合酸含13%H2O，计算结果正确。上述物料平衡公式也可以通过选择总物料平衡公式和H2SO4、HNO3两个平衡公式，或者H2SO4、HNO3和H2O三个组分来计算。用代数方法求解时，应注意以下几点：1 .没有化学反应系统，可以列出的独立物料平衡公式的数量最

11、多等于输入和输出物料中化学成分的数量。首先，列出未知数最少的物料平衡方程，以便解决问题。3.如果系统中有许多多组分材料，最好对每个流进行编号，列出已知的量和组分，并检查可列出的平衡方程的数量是否等于未知量的数量。(2)多设备工艺的物料平衡。对多设备工艺进行物料平衡时，可以划分多个平衡系统。此时，选择合适的平衡系统是重要的一步。否则，计算是繁琐的，甚至是不可能解决的。例3-2，设计一套从气体中回收丙酮的设备系统，并计算回收丙酮的成本。系统流程图如图3-1所示。要求列出已知条件下每股物流的流速(kg/h)，以便确定设备的尺寸和计算蒸馏塔的进料组成。流程图，图3.2，水，已知物质参数表，溶液：系统包

12、括三个单元，即吸收塔、蒸馏塔和冷凝器。由于除空气进料外的所有其他成分均以质量百分比表示，因此空气丙酮混合气体进料的摩尔百分比转化为质量百分比。参考：100kmol气体进料。水，有两个流进入系统，三个流离开系统，其中一个流的数量是已知的，所以四个流是未知的。水，未知：F2，F3，F4，F5，可列出总物料平衡公式：1200 F2=F3 F4 F5，各组分的平衡公式：丙酮0.0295 F2=0.99 F4 0.05 F5水1200=0.01 F4 0.95 F5空气0.9705 F2=F3，补充数据，(1)每小时进入系统的气体混合物，离开系统的产品或废液的流量，以及(2)进入蒸馏塔的组分，有4个方程

13、，这样才有可能得到一个完整的解决方案，否则它只能得到部分解决。这个例子表明，当物料平衡公式中未知变量的数量不等于独立方程的数量时，平衡就不能进行。例如，3-3，一种带有两个蒸馏塔的分离装置，将含有50%苯、30%甲苯和20%(摩尔%)二甲苯的混合物分成三个纯馏分，其流程图和每股物流的组成如图所示。计算通过蒸馏1000毫升/小时原料获得的每股物流的量和进入塔二的物料组成。假设S2、S3、S4和S5代表每股物流的物料量，摩尔/小时、X3B和X3T代表物流3中苯和甲苯的组成。在该蒸馏过程中，可以列出三组物料平衡方程，并且可以为每组选择三个独立的方程。总材料：1000=S2 S3 (1)苯：10000

14、.50.95S2 X3BS3 (2)甲苯：10000.30.03S2 X3TS3 (3)，即系统a(塔一):系统b(塔二):总材料：S3=S4 S5 (4)苯：X3BS3=0.03S4 0.0045S5 (5)甲苯：X3TS3=0.95S4 0.43S5 (6)，系统c(全过程):总计因为(1)、(4)=(7)、(2)、(5)=(8)和(3)、(6)=(9)是相同的。因此，在解决问题时，你可以选择两组方程。根据问题的含义，应该选择系统c(整个过程)，因为三个流2、4和5的组成都是已知的，并且只有三个未知数s 2、S4和S5，它们可以由三个公式(7)、(8)和(9)直接求解。S2=520摩尔/小

15、时，S4=150摩尔/小时，S5=330摩尔/小时，可以从(7)、(8)和(9)的解中获得，然后可以选择系统A或B的一组平衡方程，其可以求解如下：S5=330摩尔/小时，X3B=0.0125每个物流的过程和组成如图所示。(1)如图所示，尝试分析哪一个适合虚拟箱一和虚拟箱二的平衡范围。(2)计算每生产100吨乙醇，塔甲需加入95种原料的量；苯的含量。例如，3-4，解：(1)分析：如果塔a作为平衡范围，如图中的边界I所示。在输入和输出系统中有5种材料储备，其中只有底部排放是已知的，其他的是未知的。但是物料中只有三个组分，只能列出三个独立的物料平衡公式，这在技术上无法解决，所以这个平衡范围不合适。如

16、果把包括甲、乙、丙、丁所有设备在内的整个系统作为平衡范围，如图中的边界二所示，这个问题很容易解决。(2)计算：以二为平衡范围；X=苯的输入量；Y=95%乙醇输入；Z=5%乙醇产量，有三个未知数。列出平衡公式：苯平衡：x=0乙醇平衡：0.95y0.999(100) 0.05z总物料平衡：x yl00 z，上面三个公式同时求解：x0；Y=105.44吨：z=z54.4吨。每生产100吨99.9乙醇，需将95%的乙基酶原料加入到塔A中，加入到塔A中的苯量为零。这意味着，只要在建设开始时向塔A中加入足够的苯，苯就可以在两个塔中循环使用，而无需加入苯。6.化学反应过程中的物料平衡、新物料生成、转化率、反应速率和化学计量过量，(1)直接计算法；(2)利用反应速率计算物料平衡；(3)要素平衡；输入(某一元素)和输出(同一元素)(4)与化学平衡相平衡；(5)节点平衡；(6)利用接触元件进行平衡计算。链接(组件)与材料一起输入系统，但根本不参与反应，组件与材料一起从系统输出，其数量在整个反应过程中保持不变。用简单的表格写出物料平衡公式，只包括两种物料：或