化工设计 第3章物料衡算与能量衡算.ppt

1、1、第3章物质平衡和能量平衡3.1物质平衡3.2能量平衡2、3.1物质平衡3.1.1物质平衡的作用3.1.2物质平衡的基础3.1.3物质平衡公式3.1.4物质平衡的基本方法3.1.5没有化学反应过程的物质平衡3.3要设计或研究一个化学过程，或分析一个生产过程，必须知道能量的分布。只有在物质平衡的基础上，我们才能进一步计算物质之间的能量交换和整个过程的能量分布。物料平衡和能量平衡是化工工艺设计、工艺经济评价、节能分析和工艺优化的基础。4、3.1.1物料平衡的功能(两种情况):一是利用现有生产设备或装置的实际测量数据来计算其他不能直接测量的物料。根据该计算结果，对生产情况进行分析，做出判断，并提出

2、改进措施。(一般操作)另一种是设计新的设备或装置。根据设计任务，首先计算物料平衡，然后计算能量平衡来计算设备或工艺的热负荷，从而确定设备和整个工艺的尺寸。(设计)，3.1物质平衡，5.3.1.2物质平衡基础，质量守恒定律在一个孤立的系统中，无论物质发生什么变化，其质量保持不变(不包括核反应，因为核反应的能量变化很大，这个定律不适用)。质量守恒(不是摩尔守恒和体积守恒)，3.1物质平衡，6.3.1.3物质平衡公式，物质平衡是研究一定系统中进出物质的数量和组成的变化。所谓系统就是物料平衡的范围，可以根据需要选择。该系统可以是一个装置或几个装置，或一个单元操作或整个化学过程。在平衡物料时，我们必须首

3、先确定平衡系统。3.1物料平衡，7。对于某个系统，输入到系统中的物料量应该等于系统中输出的物料量和累计量之和。连续过程物料平衡公式的一般表达式是：系统中的积累=输入和输出生成消耗稳态过程：输入=输出生成消耗稳态过程：无化学反应：输入=输出、3.1物料平衡、8、物料平衡方程的不同形式：总平衡、总质量平衡、总摩尔平衡、组分质量平衡、元素原子质量平衡、元素原子质量平衡、9、3.1.4物料平衡的基本方法。为了顺利解决问题，避免错误，我们必须掌握解决问题的技巧，遵循正确的解决问题的方法和步骤。只有这样才能得到准确的计算结果。10，即由平衡范围指定的任何空间范围。它可以是一个设备、一个单元或整个过程。根据

4、给定的条件绘制流程图(流程图或平衡范围)。在图中，工艺中的设备用一个简单的方框表示，每条流的路径和流向用线和箭头表示，每条流的已知变量(如流速和成分)和单位都有标记。一些未知变量可以用符号表示。11，二。计算参与该过程的物体的所有材料。对于没有化学反应的对象：选择任何材料对于有化学反应的对象：选择未改变的材料，12，三。平衡基准及其选择原则上，平衡基准是任意的。然而，适当选择平衡基准可以简化计算并避免错误。对于不同的化学过程，什么样的基准是合适的取决于具体情况，没有硬性的规则可以制定。13，1。应选择已知变量数量最多的流动股票作为平衡基准。2.对于液体或固体系统，通常选择单位质量作为基准。3.

5、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(例如温度和压力)，则可以选择体积作为基准。根据流程的特点，选择平衡基准时应注意以下几点：14。时间基准、连续(小时、天)、间歇(釜、批)、质量基准、kg、mol、kmol体积基准、m3(STP)、Nm3干湿基准(无水)、湿基(有水)、各种平衡基准，15。四.物料平衡程序(步骤)1。收集计算数据(物理参数和操作参数等)。)2 .画一个物流图。确定平衡系统4。写出化学反应方程式，包括主反应和副反应，并标出有用的分子量16，5。选择计算基础，并在流程图6上指出所选的参考值。列出物料平衡公式。然后用数学方法

6、解决它。7.检查计算结果(数据标准化)。8.将计算结果列为一个输入输出材料表(材料平衡表)(三线表，表头名称，基准)。17.至于物理参数(数据)，物理参数，也称为物化数据或物理数据，是由材料本身的物理和化学性质决定的。化工基础数据有很多，现在一些常用的化工基础数据大致可以分为以下几类：18。(1)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、蒸汽压、气液平衡关系等基本物理数据。(2)热力学数据，如内能、焓、熵、热容、相变热、自由能、自由焓等。(3)化学反应和热化学数据，如反应热、生成热、燃烧热、反应速率常数、活化能、化学平衡常数等。(4)传递参数，如粘度、扩散系

7、数、热导率等。19，数据采集：1。查阅手册或文献，常用物质的物理性质数据可从化学和化学手册或专业化学手册中找到。化学工程手册，化学工程手册编委会，化学工业出版社，1980年化学工艺设计手册，国家医药管理局上海医药设计院编辑，化学工业出版社，1986年化学工艺计算图，吉林化工公司设计院编辑，化学工业出版社估算，1982，20，2。它可以通过一些基本的物理和化学定律来计算各种物质的性质参数。然而，由于缺乏一些分子性质(偶极矩、极化率、原子间距离等)的数据。)，通常是不可能计算的，或者即使这些数据是已知的，计算也是复杂的。因此，许多研究者做了大量的工作，建立了理论与经验相结合的方法来计算各种物质的物

8、理性质。这些方法只能从第二个和第三个数据中估计化合物的其他物理数据。群体贡献法，21，3。实验直接测定。从以上三个数据源中，最方便的是从手册或文献中查找数据，但有时数据不完整，会出现一些错误。这也是一个简单的方法，估计一些理论，半经验和经验公式。当在手册或文献中找不到时，可以进行估算。由实验直接测得的数据是最可靠的，但实验费时又费钱。但是，如果找不到相关的数据，并且用公式估算的结果不够准确，就必须通过实验来确定。计算机检索近年来，随着电子计算机的迅速发展，计算机已经被用于存储、检索和计算物理属性数据。一些大型化工企业、科研部门和高等院校都相应地建立了物性数据库，这样就可以自动检索或用计算机估算

9、所需数据，而无需自己搜索或计算，大大节省了时间和精力。化学物理性质数据库(美国，CINDAS(14000)北京化工大学，大规模化学物理性质数据库CEPDS(3417)，23，例如，当丙烷完全燃烧时，供应的空气量为理论量的125%，反应公式为：C3H8 5O23CO2 4H2O，每100摩尔燃烧产物需要多少摩尔空气？解决方案：物料流程图如下：从图中可以看出，系统中有三个流，24，(1)基准：1 mol C3H8，根据反应式，完全燃烧的氧气需求：5 mol实际氧气供应：1.25*5=6.25 mol空气供应(空气中的氧气含量为21% (mol): 6.25/0.21=29.76mol，其中氮气为2

10、9.76 * 0.79=每100 mol燃烧产物(烟气)所需的空气量为：100 mol烟气*(6.25 23.51)(2)标准：1摩尔空气供应的空气量为理论量的125%。1摩尔空气中的氧含量：0.21摩尔，因此，燃烧C3H8的氧含量：0.21/1.25=0.168摩尔，燃烧C3H8的量：0.168*(1/5)=0.0336摩尔，物料平衡结果如下：因此，每100摩尔燃烧产物(烟气)所需的空气量为：100摩尔烟气* 1摩尔空气/1.068摩尔烟气=93.6摩尔，200摩尔(3)标准：100摩尔烟气，含氮烟气N2，摩尔；烟气中的M- O2，摩尔；烟气中的磷- CO2，摩尔；烟气中的Q- H2O，摩尔

11、；进气，摩尔；B-入口C3H8，mol。有六个未知数，所以必须列出六个独立的方程。根据反应式的化学计量关系，也可以列出其他几个线性方程，但它们都与上述六个公式有关，独立方程只有上述六个公式。塔元素平衡：碳平衡：4B=磷H2平衡：4B=Q O2平衡：0.21A=M磷Q/2 N2平衡：0.79A=总烟气氮：M氮磷Q=100过量氧：0.21A*0.25/1.25=M，烟气：氮气、二氧化碳、水蒸气和氧气装置操作仅发生物理变化，无化学反应，如混合、蒸馏、蒸发、干燥、吸收、结晶、萃取等。可以根据物料平衡公式直接列出，然后用代数方法求解。28，即简单过程的物料平衡，指只有一个设备或一个单元运行的过程。设备边

12、界是系统边界。1.绘制物流图。2.选择基线。3.列出物料平衡公式并求解。4.检查计算结果。5.将计算结果列入输入输出材料表(材料平衡表)。29，实施例：由23%(质量分数)硝酸、57%H2SO4和20%H2O组成的废酸，加入93%浓H2SO4和90%浓硝酸，需要混合到含有27%硝酸和60%H2SO4的混合酸中，计算所需的废酸量并加入浓酸。溶液：设x为废酸量，kg；y:浓H2SO4的量，kg；z:浓硝酸量，kg。1.绘制物流图，30。2.选择基准：可以选择废酸或浓酸的量作为基准，也可以选择混合酸的量作为基准，因为四种酸的组成是已知的，可以方便地选择任意一种作为计算基准。3.列出物料平衡公式：系统

13、有三个组成部分，可以列出三个独立的方程，这样就可以得到三个未知量。总物料平衡公式：x y z=100 (1) H2SO4平衡公式：0.57x 0.93y=1000.6=60 (2) HNO3平衡公式：0.23x 0.90z=1000.27=27 (3)，解方程(1)-(3)根据水平衡，可以检查上述结果：加水量=41.80.2 390.07 19.20.10=13 kg，以及上述物料平衡公式也可以通过选择总物料平衡公式、H2SO4和H2O平衡公式或H2SO4、硝酸和H2O三组分平衡公式来计算，都可以得到上述结果。31.二.多设备流程的物料平衡，在进行物料平衡时，可以划分多个平衡系统。此时，必须选

14、择合适的平衡系统。一个有两个设备的过程可以分为三个平衡系统，如下图所示：每个平衡系统可以列出相应的平衡方程。如果每个设备的输入和输出材料包含三个分量，则可以为每个系统编写3 1个平衡方程，其中三个是独立的方程。例如，系统A、B和C各有三个独立的方程，每个系统的三个独立方程组成一组。通过这种方式，在具有两个设备的过程中有2 1组平衡方程(即，用于设备一和设备二的两组方程和用于整个过程的一组方程)。然而，只有两组方程是独立的。因此，独立方程的总数应该是23，也就是说，最多可以得到6个未知数，32。例如，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相对纯

15、的馏分，其流程图和每股物流的组成如右图所示。计算通过蒸馏1000 mol/h原料获得的每股物流的量，并进入塔中。33，34，3.1.6化学反应过程中有物料平衡，也有化学反应过程，物料中组分的变化更为复杂。在工业化学反应中，每种反应物的实际量不等于化学反应式中的理论量。为了使所需的反应顺利进行或转化所有较昂贵的反应物，一些较便宜的反应物经常被过度使用。反应转化率、选择性和产率等概念。1.受限反应物当化学反应的原料不是按照化学计量比制备时，具有最小化学计量数的反应物称为受限反应物。2.在原料中，过量的反应物没有按照化学计量比进行配比，某一反应物的量超过了限制反应物完全反应所需的理论量，这种反应物称

16、为过量反应物。3.过量百分比超过限制反应物所需理论量的过量反应物的百分比。36，4。转化率(x)反应物从其输入中反应出来的百分比。5.选择性反应物的消耗量占目标产物的百分比。转化率和选择性是反应过程中的两个主要技术指标。6.产率(y)反应物转化为目标产物所消耗的量除以反应物的输入量(通常是有限的反应物)，以百分比表示。它可以通过物质的量(摩尔)或质量来计算。转化率、选择性和产率之间的关系是： Y=Sx，37，转化率(x)是某一反应物的反应量与其输入量的百分比。在一定的反应过程中，反应物甲的转化率为：无论是参与正反应还是副反应。注意力：的分子和分母需要统一，或者都使用质量，或者都使用物质的量。38，产率(y)反应物转化为目标产物所消耗的量除以反应物(通常是有限的反应物)的输入量，以百分比表示。摩尔产率(y)，由反应物a计算的产物c的摩尔产率，摩尔产率不能超过100%，这反映了物质的真实产率。39，质量产率(y)，由反应物a计算的产物c的质量产率，质量产率可能大于100%，这是直观的产率。