化工过程开发——物料能量衡算(4).ppt

1、化工过程分析与开发 物料衡算与能量衡算 李光兴 华中科技大学化学与化工学院 201109,3.5 物料衡算举例,3.5.1 无反应过程的物料衡算,例 1 某化工厂要求设计一套从气体中回收丙酮的装置系统，并计算回收丙酮的费用。系统的流程框图如图所示，要求有已知的资料，列出各物流的流量（kg/h），以便能确定设备的大小，并计算蒸馏塔的进料组分。,3.5 物料衡算举例,3.5.1 无反应过程的物料衡算,分析： 本系统包括三个单元：吸收塔、蒸馏塔和冷凝器。除混合气体外均以质量分数表示，所以及其换算成质量分数。 进入系统的物流为两个，离开的为三个，已知项为一个，因此未知项有四个。,以100kmol为基准

2、,总物料平衡式： 1200F2F3 F4 F5 丙酮：0.0295F2 0.99 F4 0.05F5 水： 1200 0.01 F4 0.95F5 空气：0.9705F2 F3,结论：只有3个独立方程，不能求解，应补充数据： 每小时进入系统的气体混合物、离开系统的产品或废液的物流量 进入蒸馏塔的组分,3.5 物料衡算举例,3.5.1 无反应过程的物料衡算,例2: 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。,解： 设 x废酸量，kg； y浓H2SO4量，

3、kg； z浓HNO3量； kg,(1) 画物料流程简图,3.5 物料衡算举例,3.5.1 无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。 (3) 列物料衡算式，该体系有3种组分，可以列出3个独立方程，所以能求出3个未知量 基准：100kg混合酸,总物料衡算式 x + y + z=100 (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),3.5 物料衡算举例,3.5.1 无反应过程的物料

4、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。 以上物料衡算式，亦可以选总物料衡算式及H2O与HNO3二个衡算式或H2SO4、HNO3和H2O三个组分衡算式进行计算，均可以求得上述结果。,3.5 物料衡算举例,3.5.1 无反应过程的物料衡算,例3: 有两

5、个精馏塔的分离装置，将含50%苯、30%甲苯和20%（mol%）二甲苯的混合物分成较纯的三个馏分，其流程图及各流股组成如图。计算精馏1000 mol/h原料所得个流股的量及进塔II物料的组分。,3.5 物料衡算举例,3.5.1 无反应过程的物料衡算,解: 设S2、S3、S4、S5表示各流股物料量，mol/h x3B、x3T表示流股3种苯、甲苯的组成。 体系A（塔I）： 总物料 1000 S2 S3 (1) 苯 10000.5 0.95S2 x3B S3 (2) 甲苯 10000.3 0.03S2 x3T S3 (3) 体系B（塔II）： 总物料 S3 S4 S5 (4) 苯 x3B S3 0.

6、03S4 0.0045 S5 (5) 甲苯 x3T S3 0.95S4 0.43 S5 (6) 体系C（整个过程）：总物料 1000 S2 S4 S5 (7) 苯 10000.5 0.95S2 0.03S4 0.0045 S5 (8) 甲苯 10000.3 0.03S2 0.95S4 0.43 S5 (9),3.5 物料衡算举例,3.5.1 无反应过程的物料衡算,解: 由(7)、 (8)、 (9)三式解得 S2520 mol/h S4150 mol/h S5330 mol/h 再任选一组体系A或B的衡算方程，可解得： S3480 mol/h x3B 0.0125 x3T 0.5925 x3x

7、0.395,3.5 物料衡算举例,3.5.2 反应过程的物料衡算,反应转化率、选择性及收率：,1、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。 2、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。 3、过量百分数：过量反应物超过限制反应物所需理论量的部分占所需理论量的百分数。若以从表示过量反应物的摩尔数，Nt表示与限制反应物完全反应所需的摩尔数，则过量百分数即为,3.5 物料衡算举例,3.5.2 有反应过程的物料衡算,反应转化率、选择性及收率等概念,4、转化率（以x表示）：某一反

8、应物反应掉的量占其输入量的百分数。若以NA1、NA2分别表示反应物A输入及输出体系的摩尔数，则反应物A的转化率为,一个化学反应，由不同反应物可计算得到不同的转化率。因此，应用时必须指明某个反应物的转化率。若没有指明时，则往往是指限制反应物的转化率。,3.5 物料衡算举例,3.5.2 有反应过程的物料衡算,反应转化率、选择性及收率等概念,5、选择性（以S表示）：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。若反应物为A，生成的目的产物为D，ND表示生成的目的产物D的摩尔数，a、d分别为反应物A与目的产物D的化学计量系数，则选择性为,式中NA1NA2为反应物A反应掉的摩尔数。 转化率与

9、选择性是反应过程的两个主要技术指标。,3.5 物料衡算举例,3.5.2 有反应过程的物料衡算,反应转化率、选择性及收率等概念,6、收率（以Y表示）：目的产物的量除以反应物（通常指限制反应物）输入量，以百分数表示。它可以用物质的量（摩尔数）或质量进行计算。若以摩尔数计算，考虑化学计量系数，则目的产物D的收率为,转化率、选择性与收率三者之间的关系为 Y = Sx,Example: Calculation in a catalytic reaction:,C4H2O3 (maleic anhydride) is synthesized by catalytic oxidation of benzen

10、e(C6H6) in a fixed bed reactor. If a single tube reactor used, volume of catalyst was 200 ml, flow rate of air was 2000 l/h (STP), flow rate of liquid benzene was 79 ml/h (D= 0.88). The gaseous contents at the outlet of reactor were C6H6 310-4 (V/V), CO and CO2 1.510-2 (V/V), C4H2O3 1.110-2 (V/V), r

11、espectively, and the left in the gas mixture is air. Calculation : The concentration of C6H6 in mixture gas at the inlet of reactor, space velocity, contact time, conversion of C6H6, yield and selectivity of C4H2O3, material balance of carbon, respectively.,2,Solution:,(1),(2),(3),(4),The amount of

12、consumed C6H6 for producing C4H2O3 is,then the mean selectivity of C4H2O3 is,The yield of C4H2O3 is :,(5),The amount of consumed C6H6 for producing CO and CO2,then to calculate :,(6),Material balance for carbon:,(7),The loss of material :,2% ( 3% ),3.5 物料衡算举例,3.5.2 有反应过程的物料衡算,例3-2 年产300t对-硝基乙苯工段物料衡算

13、：原料乙苯纯度95%，硝化混酸为：HNO3 32%，H2SO4 56%，H2O 12%。粗乙苯与混酸质量比1：1.855。对硝基乙苯收率50%，硝化产物为硝基乙苯的混合物，其比例：对：邻：间0.5:0.44:0.06。配制混酸所用的原料：H2SO4 93%，HNO3 96% 及H2O，年工作日300天，假设转化率为100%，间歇生产。核算每天的硝基乙苯产量及废酸量。,解：（1）画出流程示意图，确定计算范围,3.5 物料衡算举例,3.5.2 有反应过程的物料衡算,解： （2）原料乙苯量 基准：间歇生产，以每天生产的kg数为基准,G1 G2 G3 G4 G5,MW: 106.17 63 151.1

14、7 18.02,3.5 物料衡算举例,3.5.2 有反应过程的物料衡算,解： （2）原料乙苯量,对-硝基乙苯： G33001000/300 1000kg/d 乙苯量： G31000106.17/(151.170.5) 1404.6kg/d 原料乙苯量： 1404.6/0.95 1478.6kg/d 杂质量： 1478.6-1404.6 74 kg/d,3.5 物料衡算举例,3.5.2 有反应过程的物料衡算,解： （3）配酸酸量及水量,混酸量： 1478.61.855 2742.8 kg 纯HNO3量： 2742.80.32 877.7 kg 96% HNO3量： 877.7 /0.96 914

15、.3 kg 纯H2SO4量： 2742.80.56 1536.0 kg 93% H2SO4量： 1536.0 /0.93 1651.6 kg 加水量： 2742.8-914.3-1651.6 176.9 kg,3.5 物料衡算举例,3.5.2 有反应过程的物料衡算,解： （4）硝化 已知转化率为100%，G3：G4：G5 0.5：0.44：0.06,硝化物产量： 1404.6151.17/106.17 1999.9 kg/d 其中硝基乙苯： 对位： 1999.9 0.5 1000.0 kg/d 邻位： 1999.9 0.44 880.0 kg/d 间位： 1999.9 0.06 120.0 k

16、g/d,3.5 物料衡算举例,3.5.2 有反应过程的物料衡算,解： （4）废酸量,HNO3消耗量： 1404.663/106.17 833.5 kg/d 水生成量： 1404.618.02/106.17 238.4 kg/d 废酸中HNO3量： 877.7-833.5 44.2 kg H2SO4量： 1536.0 kg H2O量： 329.1 238.4567.5 kg 废酸总量： 44.2 1536 567.52147.7 kg/d 废酸组成： HNO3 2.06%， H2SO4 71.52%， H2O 26.42%,3.5 物料衡算举例,3.5.2 有反应过程的物料衡算,解：物料衡算表,

17、3.5 物料衡算举例,3.5.2 有反应过程的物料衡算,例3-3 工业上，合成氨原料气中的CO通过变换反应器而除去，同时产氢，如图所示。在高温催化反应器1中大部分转化，在低温催化反应器2中完全消去。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，假定水蒸气流量是原料气总量（干基）两倍，同时反应器1中，CO转化率为80%，计算中间物流（4）的组成。,3.5 物料衡算举例,3.5.2 有反应过程的物料衡算,解： 基准：物流1为100mol/h；

18、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,3.5 物料衡算举例,3.5.2 有反应过程的物料衡算,解： 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/

19、h 将F2值代入CO平衡式中，得： r 20 107 127 mol/h F3 2 （100） 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,3.5 物料衡算举例,3.5.2 有反应过程的物料衡算,解：（2）计算反应器1的反应速率，然后计算物流4的组成，： r （Fi, 输出-Fi, 输入）/si-Fi, 输入ci /si 式中ci 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 /sCO0.8（0.21000.52

20、14） 101.6 mol/h 物流4中每一物质分别为： N2平衡 F4,N2 0.78100 78 mol/h CO平衡 F4,CO 127 - r 25.4 mol/h H2O平衡 F4,H2O 628 - r 526.4 mol/h CO2平衡 F4,CO2 2 r 103.6 mol/h H2平衡 F4,H2 107 r 208.6 mol/h,物流4的组成（摩尔分率） N2 0.083 CO 0.027 H2O 0.559 CO2 0.110 H2 0.221,友情提示: 1)审题; 2)看清各种条件; 3)注意配平; 4)细心计算,3.5 物料衡算举例,3.5.2 带循环和旁路过程

21、的物料衡算,在化工过程中，有一些具有循环、排放及旁路的过程，这类过程的物料衡算与以上介绍的方法相类似，只是需要先根据已知的条件及所求的未知量选择合适的衡算体系，列出物料衡算式再求解。如果存在联系组分，则可以利用联系组分计算。,MFFR RP P R,3.5 物料衡算举例,3.5.2 带循环和旁路过程的物料衡算,有循环的过程，转化率常分为单程转化率与总转化率：,反应物A输入、输出反应器的摩尔数,反应物A输入、输出过程的摩尔数,反应器,整个过程,3.5 物料衡算举例,3.5.2 具有循环及排放过程的物料衡算,W排放物料 S分离产物 R/W循环比,每个平衡体系各物料之间关系： 总物料 FPW 反应器

22、 MF RP 分离器 RPPS 节点A MFFR 节点B SRW,3.5 物料衡算举例,3.5.2 带循环和旁路过程的物料衡算,在不知道循环量的情况下，可采用以下两种计算:,（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，并重新假设一个估计值，一直计算到估计值与计算值之差在一定的误差范围内。 （2）代数解法 在循环存在时，列出物料平衡方程式，并求解。一般方程式中以循环流量作为未知数，应用联立方程的方法进行求解。,3.5 物料衡算举例,3.5.2 带循环和旁路过程的物料衡算,例3-4 K2CrO4从水溶液重结晶处理工艺是将每小时4500mol含33.33%（

23、mol）的K2CrO4新鲜溶液和另一股含36.36% （mol）K2CrO4的循环液合并加入至一台蒸发器中，蒸发温度为120，用0.3MPa的蒸汽加热。从蒸发器放出的浓缩料液含49.4%（mol） K2CrO4进入结晶槽，在结晶槽被冷却至40 ，用冷却水冷却（冷却水进出口温差5 ）。然后过滤，获得含K2CrO4结晶的滤饼和36.36 %（mol） K2CrO4的滤液（这部分滤液即为循环液），滤饼中的K2CrO4占滤饼总物质的量的95%。 K2CrO4的分子量为195。试计算： （1）蒸发器中蒸发出水的量 （2） K2CrO4结晶的产率 （3）循环液（mol）/新鲜液（mol）的比率 （4）蒸发

24、器和结晶器的投料比（mol）,3.5 物料衡算举例,3.5.2 带循环和旁路过程的物料衡算,解： （1）先画出流程框图，并将流股编号,F1 进入蒸发器的新鲜物料量（mol/h） F2 进入蒸发器的循环物料量即滤液量（mol/h） F3 新鲜液和循环液混合后的物料量（mol/h） F4 进入蒸发器的新鲜物料量（mol/h） F5 出蒸发器的物料量（mol/h） F6 蒸发器蒸发出的水量（mol/h） PC 结晶过滤后滤饼中K2CrO4的物质量（mol/h） PS 进入蒸发器的新鲜物料量（mol/h） x3 新鲜液和循环液混合后的K2CrO4组成（mol/h）,3.5 物料衡算举例,3.5.2 带

25、循环和旁路过程的物料衡算,解：（2）基准：4500mol/h新鲜原料 滤饼中溶液和结晶固体之间存在如下关系： Ps0.05（PsPc） Ps0.05263 Pc （1） 对系统1中的平衡： 0.3333F1 Pc 0.3636Ps （2） （1）、（2）联立得： Pc 1472 mol K2CrO4 /h Ps 77.5 mol溶液/h,3.5 物料衡算举例,3.5.2 带循环和旁路过程的物料衡算,解： 对系统1中H2O物料平衡： F1（10.3333） F6F50.05（1-0.3636） 45000.6667 F6 （Pc Ps）0.050.6364 3000 F6 1549.50.050

26、.6364 F6 49.2 F6 2950.8 mol/h 系统2（结晶过滤）的总物料平衡： F4 F2 Pc Ps F4 F2 1549.5 结晶器中水平衡： F4 (1 0.494 ) (F21549.5 0.05) (1 0.3636) F2 5634.6 mol/h F4 7184 mol/h,3.5 物料衡算举例,3.5.2 带循环和旁路过程的物料衡算,解： 循环液/新鲜料液： 5634.6/4500 1.25 最后，对系统3或蒸发器进行物料衡算求F3： F3 F2 F2 4500 5634.6 10134.6 mol/h 由蒸发器的物料平衡可校核F3 ： 设计的蒸发器与结晶槽的投料

27、比为： F3 /F4 10134.6/7184 1.41,能 量 衡 算,3.5 能量衡算,3.5.3 能量衡算,在化工生产中，能量的消耗是一项重要的技术经济指标，它是衡量工艺过程、设备设计、操作制度是否先进合理的主要指标之一。,能量衡算有两种类型的问题，一种是先对使用中的装置或设备，实际测定一些能量，通过衡算计算出另外一些难以直接测定的能量，由此作出能量方面的评价，即由装置或设备进出口物料的量和温度，以及其它各项能量，求出装置或设备的能量利用情况；另一类是在设计新装置或设备时，根据已知的或可设定的物料量求得未知的物料量或温度，最终求得需要加入或移出的热量。 能量衡算的基础是物料衡算，只有在进

28、行完备的物料衡算后才能作出能量衡算。,3.5 能量衡算,3.5.3 能量衡算,3.5.3.1 能量衡算的基本概念 一、能量的形式 动能（Ek）: 运动着的物体具有动能； 位能（EP）: 物体自某一基准面移高到一定距离，由 于这种位移而具有的能量。 静压能（Ez）: 流体由于一定的静压强而具有的能量。 内能（U）: 内能是指物体除了宏观的动能和位能外 所具有的能量。,3.5 能量衡算,3.5.3 能量衡算,3.5.3.1 能量衡算的基本概念 二、几个与能量衡算有关的重要物理量 1、热量（Q） 温度不同的两物体相接触或靠近，热量从热（温度高）的物体向冷（温度低）的物体流动，这种由于温度差而引起交换

29、的能量，称为热量。 第一，热量是一种能量的形式，是传递过程中的能量形式； 第二，一定要有温度差或温度梯度，才会有热量的传递。,3.5 能量衡算,3.5.3 能量衡算,3.5.3.1 能量衡算的基本概念 二、几个与能量衡算有关的重要物理量 2、功（W） 功是力与位移的乘积。在化工中常见的有体积功（体系体积变化时，由于反抗外力作用而与环境交换的功）、流动功（物系在流动过程中为推动流体流动所需的功）以及旋转轴的机械功等。以环境向体系作功为正、反之为负。 功和热量都是能量传递的两种不同形式，它们不是物系的性质，因此不能说体系内或某物体有多少热量或功。 功和热量的单位在SI制中为焦耳，除此以外，公制中的

30、卡或千卡、英制中的英热单位(Btu)还常有使用，应注意它们之间的换算关系。 1 k cal = 4.184 k J,3.5 能量衡算,3.5.3 能量衡算,二、几个与能量衡算有关的重要物理量 3、焓(H): 定义? HUPV 对于纯物质，焓可表示成温度和压力的函数： H=H(T，P) 对H全微分： 因此焓差可表示成：,Cp,很小,3.5 能量衡算,3.5.3 能量衡算,二、几个与能量衡算有关的重要物理量 4、热量与热容 热容是一定量的物质改变一定的温度所需要的热量，可以看作是温度差T和引起温度变化的热量Q之间的比例常数， 即 Q m Cp T,3.5 能量衡算,3.5.3 能量衡算,3.5.3

31、.2 能量衡算的基本原理 A、能量衡算的基本方程式 根据能量守恒原理，能量衡算的基本方法可表示为： 输入的能量 一 输出的能量 积累的能量 根据热力学第一定律，能量衡算方程式的一般形式为： E QW E体系总能量变化 Q体系从环境中吸收的能量 W环境对体系所作的功,3.5 能量衡算,3.5.3 能量衡算,3.5.3.2 能量衡算的基本原理 在无外功条件下，进入系统加热能与离开系统的热能平衡： Q进Q出 Q1Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q1 物料带到设备中去的热量 （kJ） Q2 由加热剂（冷却剂）传给设备的热量或加热与冷却物料所 需热量。输入（加热）为正；输出（冷却）为负 Q3 过程的热效应

32、；放热为负；吸热为正 Q4 反应产物由设备中带出的热量 Q5 消耗在加热设备各个部件上的热量 Q6 设备向四周散失的热量,3.5 能量衡算,3.5.3 能量衡算,3.5.3.2 能量衡算的基本原理 B. 热量计算中各种热量的说明 （1）计算基准，可取任何温度，如有反应过程，一般取25 （2）物料的显热可用焓值或比热容进行计算 n物料量（mol） Cp物料的比热容(kJ/mol )， CpabT cT2 dT3 eT4 T温度（ ），T2为物料温度；T1为基准温度 Q: 何为显热? 何为潜热?,3.5 能量衡算,3.5.3 能量衡算,3.5.3.2 能量衡算的基本原理 B. 热量计算中各种热量的

33、说明 （3）Q2热负荷的计算， Q2等于正值为需要加热， Q2等于负值为 需要冷却。 （4） Q3为化工过程的热效应，包括过程的状态热相变化产生的 热(潜热) 和化学反应热。 相变化一般可由手册查阅，无法查阅的汽化热可由特鲁顿法 则估算；化学反应热由生成热和燃烧热计算,3.5 能量衡算,3.5.3 能量衡算,3.5.3.2 能量衡算的基本原理 B. 热量计算中各种热量的说明 （5）设备加热所需热量Q5在稳定操作过程中不出现；但在开停工以及间歇操作的升温降温阶段也有设备的升温降温热产生： Q5 GCp(t2-t1) G设备各部件的重量（kg） Cp设备各部件比热容（kJ/kg） t2 设备各部件

34、加热后温度（） （thte）/2 t1设备各部件加热前温度 室温,3.5 能量衡算,3.5.3 能量衡算,3.5.3.2 能量衡算的基本原理 B. 热量计算中各种热量的说明 （6）设备向四周散失的热量Q6可由下式算得： Q6 FaT ( tw-t ) t 10-3 F设备散热表面积（m2） aT散热表面向四周介质的联合给(导)热系数（W/ m2 ） tw 散热表面的温度，有隔热层时为绝热层外表温度（） t 周围介质温度 t 散热持续时间（s）,1）绝热层外空气自然对流 当tw150时 平壁隔热： aT 3.40.06(tw-t) 管和圆筒：aT 8.10.045(tw-t),2）空气沿粗糙面强

35、制对流 u5m/s时： aT 5.33.6u U5m/s时： aT 6.7u0.78,3.5 能量衡算,3.5.3 能量衡算,3.5.3.2 能量衡算的基本原理 C. 热量衡算的基本方法及步骤 热量衡算的基本步骤： 建立以单位时间为基准的物料流程图（或平衡表），也可以100mol或100kmol原料为基准，但前者更常用。 在物料流程框图上标明已知温度、压力、相态等条件，并查出或计算出每个物料组分的焓值，于图上注明。 选择基准 列出热量衡算式，利用数学方法求解未知值。 当产生过程及物料组成较复杂时，可以列出热量衡算表,3.5 能量衡算,3.5.3 能量衡算,3.5.3.2 能量衡算的基本原理 D

36、. 机械能衡算 在反应器、蒸馏塔、蒸发器、换热器等化工设备中，功、动能、位能的变化，较之传热量、内能和烩的变化，是可以忽略的。因此作这些设备的能量衡算时，总能量衡算式可以简成Q = H 。 但在另一类操作中，情况刚好相反，即传热量、内能的变化与动能变化、位能变化、功相比，却是次要的了。这些操作大多是流体流入流出贮罐、贮槽、工艺设备、输送设备、废料排放设备。或在这些设备之间流动。 连续稳定流动过程总能量衡算式： Hu2/2gZ(PV)QW,3.5 能量衡算,3.5.3 能量衡算,3.5.3.2 能量衡算的基本原理 E. 无化学反应过程的能量衡算 无化学反应过程的能量衡算，一般应用于计算指定条件下

37、进出过程物料的焓差，用来确定过程的热量。 为了计算一个过程的H，可以用假想的、由始态到终态几个阶段来代替原过程，这些阶段的焓变应该是可以计算的，所需的数据也可以得到的。由于焓是状态函数，所以每一阶段 H之和即为全过程的H。 恒温时压力的变化 恒压时温度的变化 恒压恒温时相态的变化 两个或两个以上物质在恒温恒压时的混合与分离 恒温恒压时的化学反应过程。,3.5 能量衡算,3.5.3 能量衡算,3.5.3.2 能量衡算的基本原理 E. 无化学反应过程的能量衡算 1、无相变的变温变压过程,3.5 能量衡算,3.5.3 能量衡算,3.5.3.2 能量衡算的基本原理 E. 无化学反应过程的能量衡算 2、

38、相变过程的能量衡算 在恒定的温度和压力下，单位质量或摩尔的物质发生相的变化时的焓变称为相变热。如100 、l atm 时液体水转变成水汽的焓变H等于40.6kJ/mol，称为在该温度和压力下水的汽化潜热。 汽化潜热(Hv）当T和P不变，单位数量的液休汽化所需的热量。 熔化潜热(Hm)翩当T和P不变，单位数量的固体熔化所需的热量。 升华潜热(Ht）当T和P不变，单位数量的固体气化所需的热量。,3.5 能量衡算,3.5.3 能量衡算,3.5.3.2 能量衡算的基本原理 E. 无化学反应过程的能量衡算 2、相变过程的能量衡算,3.5.3 能量衡算,3.5.3.2 能量衡算的基本原理 E. 无化学反应

39、过程的能量衡算 2、相变过程的能量衡算 相变热随相变温度变化会有显著的不同，但随相变压力变化很微小。许多纯物质在正常沸点（或熔点）下的相变热数据，可在手册中查到。如果查到的数据，其条件不符合要求时，可设计一定计算途径求算。,化学工程手册第一分册 Properties of Gases and Liquids(Ried, Prausnitz,Sherwood) Chemical Engineers Handbook6th ed. 1984 (Perry, Chiton),3.5 能量衡算,3.5.3 能量衡算,3.5.3.2 能量衡算的基本原理 E. 无化学反应过程的能量衡算 2、相变过程的能量

40、衡算 常用的几种相变热计算方法： 特鲁顿（Trouton）法则 是计算标准汽化热（正常沸点时的H ）的简单方法： HbTb 陈氏（Chen）方程 此方程由液体沸点、临界常数推算正常沸点时的汽化热 克劳修斯克拉贝隆（Clausius-Clapeyron）方程 lnP* Hv/RTB,3.5 能量衡算,3.5.3 能量衡算,3.5.3.2 能量衡算的基本原理 F. 化学反应过程的能量衡算 化学反应过程通常都伴随较大的热效应吸收热量或放出热量。如邻二甲苯氧化制苯二甲酐、乙烯氧化制环氧乙烯这些主要的工业过程，就是放热反应，乙苯脱氢制苯乙烯就是吸热反应。为了使反应温度得到控制，必须自反应体系排走热量或向

41、反应体系供给热量，即反应器必须有供热或冷却用的换热设备，这种措施不但成为反应能否进行的关键，也与能量的合理利用有密切关系。,3.5 能量衡算,3.5.3 能量衡算,3.5.3.2 能量衡算的基本原理 F. 化学反应过程的能量衡算 这里主要讨论反应热的计算方法，反应热可用生成热或燃烧热来计算，所以先要讨论燃烧热和生成热，及其用于反应热的计算，然后将反应热结合到能量衡算中去。 1、反应热及其表示 恒压反应热 QpHr 恒容反应热 QvUr(T),3.5 能量衡算,3.5.3 能量衡算,3.5.3.2 能量衡算的基本原理 F. 化学反应过程的能量衡算 2、反应热的计算 反应热可以用实验方法测定，也可

42、以用已有的实验数据进行计算。根据盖斯（Hess)定律，化学反应热只决定于物质的初态和终态，与过程的途径无关，反应热可用简单的热量加和法求取。 （1）由标准生成热Hfo计算标准反应热Hro Hro生成热i(Hfo)i反应热i(Hfo)i （2）由标准燃烧热Hco计算标准反应热Hro Hro反应物i(Hco)i产物i(Hco)i,3.5 能量衡算,3.5.3 能量衡算,3.5.3.2 能量衡算的基本原理 F. 化学反应过程的能量衡算 3、化学反应过程的能量衡算 （1）第一种基准 如果已知标准反应热，则可选298K，l atm为反应物及产物的计算基准。对非反应物质另选适当的温度为基准（如反应器的进口

43、温度，或平均热容表示的参考温度）。 选好基准后，为了计算过程的简便，可以画一张表，将进出口流股中组分的流率ni和焓H填入表内，然后按下式计算过程的H：,3.5 能量衡算,3.5.3 能量衡算,3.5.3.2 能量衡算的基本原理 3、化学反应过程的能量衡算 （2）第二种基准 如果一个过程的反应很复杂，难以写出平行反应的化学反应式，或难以确定一种原料参加不同反应的量的比例，标准反应热也无法知道。此时，可以用下面介绍的第二种基准。 以组成反应物及产物的元素，在25，1atm 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 Hi 的表，只是在这张表中反应物或产物的H

44、i，是各物质25的生成热与物质由25变到它进口状态或出口状态所需显热和潜热之和。,3.5 能量衡算,3.5.3 能量衡算,3.5.3.3 加热剂与冷却剂 由于化工生产中的主要能量计算是热量计算，所以加热过程的能源选择主要是热源的选择，冷却或移走热量过程主要为冷源的选择。 常用热源：热水、蒸汽（低压、高压、过热）、导热油、道生（联苯与二苯醚的混合物）液体、道生蒸汽、烟道气、电、熔盐等 常用冷源：冷冻盐水、液氨等,A. 加热剂的选择要求： 在较低压力下可达到较高温度 化学稳定性高 没有腐蚀作用 热容量大 冷凝热大,无火灾或爆炸危险性 无毒性 价廉 温度易调节,B. 常用加热剂与冷却剂性能,3.5

45、能量衡算,3.5.3 能量衡算,3.5.3.3 加热剂与冷却剂 C. 加热剂和冷却剂的用量计算 （1）直接蒸汽加热时的蒸汽用量 G Q2 /（ HCPtK） G蒸汽消耗量（kg） Q2由加热剂传给设备或物料加热所需的热量（kJ） H蒸汽热焓量（kJ/kg） tK被加热液体的最终温度 CP被加热液体的比热容（kJ/kg）,3.5 能量衡算,3.5.3 能量衡算,3.5.3.3 加热剂与冷却剂 C. 加热剂和冷却剂的用量计算 （2）间接蒸汽加热时的蒸汽用量 G Q2 /（ HCPtn） G蒸汽消耗量（kg） Q2由加热剂传给设备或物料的热量（kJ） H蒸汽热焓量（kJ/kg） tn冷却水的最终温度

46、 CP被加热液体的比热容（kJ/kg）,3.5 能量衡算,3.5.3 能量衡算,3.5.3.3 加热剂与冷却剂 C. 加热剂和冷却剂的用量计算 （3）燃料消耗量 M Q2 / hTQP M燃料消耗量（kg） Q2由加热剂传给设备或物料加热所需的热量（kJ） hT炉子的热效率 QP燃料的热值（kJ/kg）,3.5 能量衡算,3.5.3 能量衡算,3.5.3.3 加热剂与冷却剂 C. 加热剂和冷却剂的用量计算 （4）冷却剂消耗量 W Q2 / CP （ tKtH） W冷却剂消耗量（kg） Q2由加热剂传给设备或物料加热所需的热量（kJ） CP冷却剂的比热容（kJ/kg） tK放出的冷却剂的平均温度

47、 tH冷却剂的最初温度,3.5 能量衡算,3.5.3 能量衡算,3.5.3.3 加热剂与冷却剂 C. 加热剂和冷却剂的用量计算 （5）电能消耗量 EQ2/ 860h E电能消耗量（kWh） Q2由加热剂传给设备或物料加热所需的热量（kJ） h电热装置的电工效率，一般取0.85-0.95 (1 Wh = 860 cal ),3.5 能量衡算,3.5.3 能量衡算,3.5.3.3 加热剂与冷却剂 D. 热量衡算结果整理 通过热量衡算，以及加热剂、冷却剂等用量计算，再结合设备计算与操作时间安排等工作，即可求出生产某产品的整个装置的动力消耗及每吨产品的动力消耗定额，由此可得动力消耗的每小时最大用量，每

48、昼夜用量和年消耗量，并列表汇总计算结果。 （三聚氰氨生产装置）,3.5 能量衡算,3.5.3 能量衡算,3.5.3.3 热量衡算中的几个问题 A. 有效平均温差 有效平均温差是传热的平均推动力，是换热器计算中的主要参数，有效平均温差不一定等于对数平均温差，只有在特殊条件下二者相等,T1,t2,t1,T2,（2）列管式换热器两换热介质纯并流流向时，有效平均温差等于对数平均温差。,（1）列管式换热器两换热介质纯逆流流向时，有效平均温差等于对数平均温差。,T1,t1,t2,T2,3.5 能量衡算,3.5.3 能量衡算,3.5.3.3 热量衡算中的几个问题 A. 有效平均温差,（3）其他流向时，如图所

49、示二管程换热器，有效平均温差为：,3.5 能量衡算,3.5.3 能量衡算,3.5.3.3 热量衡算中的几个问题 A. 有效平均温差,（4）反应釜间歇冷却过程： 如图所示，反应釜中热流体经过一段时间后，温度由T1降到T2，冷却剂进口温度不变为t1，而冷却剂出口温度从t2升温至t2，这时可用一个经验公式求得较为合理的有效平均温度：,冷却剂的平均最终温度： t2cpt1tm,有效lnA,3.5 能量衡算,3.5.3 能量衡算,3.5.3.3 热量衡算中的几个问题 B. 壁温的确定,热流体侧壁温：tw1t1K(t1 t2)/a1 冷流体侧壁温：tw2t2K(t1 t2)/a2 K总传热系数 器壁平均温

50、度： tw（tw1 tw2)/2 一般金属薄壁： twtw1 tw2 当a1 a2时： tw （t1 t2)/2 a1 a2 时： twt1 , K a2 a1 a2时： twt2 , K a1,壁温接近于a值较大流体的温度，粗估壁温为： tw(a1t1a2t2)/(a1 a2),3.5 能量衡算,3.5.3 能量衡算,3.5.3.3 热量衡算举例,例 3-5化工生产中常以煤或重油为燃料，在锅炉内燃烧产生蒸汽。 试计算锅炉中： （1）燃煤锅炉中，每吨煤燃烧产生的蒸汽量 （2）燃油锅炉中，每吨重油燃烧产生的蒸汽量 解： 煤的平均燃烧热：23012 kJ/kg；重油的平均燃烧热：33472 kJ/

51、kg 由热平衡可知：Qn蒸汽H蒸汽；即： n蒸汽 Q /H蒸汽 压力1.3MPa的饱和水蒸气的汽化热为1976.70 kJ/kg，锅炉效率60% 每吨煤的产蒸汽量n蒸汽 Q煤 /H蒸汽 2301260%/1976.70 6.98t/t 煤 每吨重油的产蒸汽量 n 蒸汽 3347260 % /1976.70 10.16 t / t 重油,换热设备,整个换热设备与环境交换的热量可以忽略不计，换热设备内部两股物流存在热量交换，但物流之间不发生混合。,mA和mB分别为流体A和流体B的质量流量,3.5 能量衡算,3.5.3 能量衡算,3.5.3.3 热量衡算举例,例 3-6如图所示，在0.2MPa、50

52、0下，含苯蒸汽的物流通过两个换热器（1和2）后被冷却至200 。其中换热器2中的锅炉给水由75、5MPa被加热至饱和，有气液分离器出来的饱和水在换热器1中加热至沸腾。 该气液混合物与换热器2出来的饱和水在混合器中混合，然后进入气液分离器分离出饱和蒸汽。如果通过换热器1的水量为通过换热器2水量的12倍，求换热器1所生产的蒸汽量和每摩尔工艺物料所产生的蒸汽量。,混合器,汽液分离器,换热器1,换热器2,苯蒸汽500 0.2 MPa,F7（气相）,F6（饱和水）,F5（饱和水蒸汽，5MPa）,F8（气）,F4（汽液）,F2（饱和水）,F1（锅炉给水， 75 ，5MPa ）,F3（汽液）,F9（气相）,

53、200 ，0.2 MPa,3.5 能量衡算,3.5.3 能量衡算,3.5.3.3 热量衡算举例,解： 这是一个无化学反应的多单元系统，每股物流中只含有一种物质，因此含苯的物流是气相；物流1、2和6是液相，5是气相，3和4是混合物。 对过程分析，其计算顺序为 总过程热交换器2热交换器1汽液分离器 （1）物料衡算方程 总平衡： F1F5 分离器平衡： F3F5F6 混和器平衡： F3F4 F2 F6 F1 基准选物流F7为100mol/h,3.5 能量衡算,3.5.3 能量衡算,3.5.3.3 热量衡算举例,解： （2）热量衡算方程 A）总平衡： F1hV(饱和,5MPa) hL(75,5MPa)

54、 F7hV(500 ,0.2MPa) hV(200,0.2MPa) CP(苯) 18.587 1.17410-2T1.27510-3T2 2.08010-6T3 1.05310-9T4 F1 ,F7hV(500 ,0.2MPa) hV(200,0.2MPa),hV(饱和,5MPa) hL(75,5MPa),3.5 能量衡算,3.5.3 能量衡算,3.5.3.3 热量衡算举例,解： （2）热量衡算方程 B）换热器2的平衡：,F1hL(饱和,5MPa) hL(75,5MPa) F7hV(T,0.2MPa) hV(200,0.2MPa) F7,3.5 能量衡算,3.5.3 能量衡算,3.5.3.3

55、热量衡算举例,解： 迭代法求解温度T,3.5 能量衡算,3.5.3 能量衡算,3.5.3.3 热量衡算举例,解： 迭代法求解温度T,F8处苯物流的温度： 586.61K（313.46）,3.5 能量衡算,3.5.3 能量衡算,3.5.3.3 热量衡算举例,解： （2）热量衡算方程 C）换热器1的平衡：,F7hV(500,0.2MPa) hV(313.46,0.2MPa) 12 F1h混(饱和,5MPa) hL(饱和,5MPa),3.5 能量衡算,3.5.3 能量衡算,3.5.3.3 热量衡算举例,解： （2）热量衡算方程 C）换热器1的平衡： 设水蒸气质量百分比为w，则,3.5 能量衡算,3.

56、5.3 能量衡算,3.5.3.3 热量衡算举例,解： （2）热量衡算方程 D）汽液分离器的物料平衡核算：,化工开发实例：500t/a催化酯交换法合成碳酸二苯酯,项目意义： 碳酸二苯酯是非光气法合成聚碳酸酯的主要原料之一，全球目前市场需求约05万吨/年，并以10%的速度快速增长。 在催化作用下，由苯酚与碳酸二甲酯进行酯交换合成，被认为是目前最有前景的非光气法合成路线，意大利ENI公司建有以Ti、Sn金属有机化合物为催化剂的5万吨级酯交换法生产装置。因此，研发具有自主知识产权的酯交换法工艺路线将带动我国是非光气法合成聚碳酸酯行业的发展和技术进步。 工艺创新点： 采用水滑石类固体催化剂和加压精馏反应一体化新工艺，促进酯交换反应的平衡移动，促使催化剂、副产物和产品有效分离，高产率、高选择性合成碳酸二苯酯。中试重点研究反应放大效应、工艺优化条件等对催化反应性能、产品质量的影响。 单程转化率50%，选择性98%，产品纯度99.5%；符合聚碳级原料要求。具备500吨/年中试规模的研究技术基础和条件，本工作具有自主知识产权。,预期达到的主要工艺技术指标,预期达到的主要产品指标,DMC+DPC + BPA in Synthesis of PC,Phosgene method,