物料衡算和能量横算

2019/10/7化工过程设计1第三章物料衡算和能量衡算2019/10/7化工过程设计2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，对化工过程单元系统的物料平衡与能量平衡进行定量计算。通过计算解决以下问题：1、找出主副产品的生成量、废物的排出量。2、确定原材料消耗定额。3、确定各物流的流量、组成和状态。4、确定流程内物质转换与能量传递情况。从而为，设备选型以及设备尺寸，管路设施与公用工程提供依据。2019/10/7化工过程设计3化工过程有许多输入流股和输出流股，本章内容是讲授确定这些流股的策略与方法，物料衡算与热量横算是化工工程师接触最频繁的计算。2019/10/7化工过程设计4§3-1工艺计算前的准备工作一、工艺性资料的收集（1）物料衡算提纲。生产步骤和化学反应（包括主、付反应）各步骤所需的原料，中间体规格和物理化学性质，成品的规格和物化性质，每批加料量或单位时间进料量，各生产步骤的产率。（2）工艺流程图及说明。（3）热量计算参数和设备计算数据（ΔH、Cp、K、λ、α等）。（4）流体输送过程参数（粘度μ、密度ρ、摩擦系数等）。2019/10/7化工过程设计5§3-1工艺计算前的准备工作（5）传质过程系数，相平衡数据。（6）冷冻过程的热力学参数。（7）具体的工艺操作条件（温度T、压力P、流量G）（8）介质的物性和材质性能，材质数据，腐蚀数据。（9）车间平立面布置的参考资料。（10）管道设计资料（管道配置、管道材质、架设方式、管件、阀件等）。（11）环境保护、安全保护等规范和资料。一、工艺性资料的收集2019/10/7化工过程设计6§3-1工艺计算前的准备工作二、几本常用的化工设计资料和手册􀂄（1）IndustrialChemicals􀂄（2）EncyclopediaofChemicalTechnology􀂄（3）ScienceandTechnology􀂄（4）ChemicalAbstracts（C.A）􀂄（5）HandbookofTechnology􀂄（6）I.C.T（国际物理、化学和工艺数值手册）􀂄（7）化工工艺设计手册􀂄（8）材料与零部件手册2019/10/7化工过程设计7物料衡算和能量衡算1.物料衡算的基本方法和程序2.简单的物料衡算3.带有循环流的物料衡算4.热量横算2019/10/7化工过程设计8第一节物料衡算的基本方法和程序一、物料衡算的基本方法1、物料平衡方程理论依据：质量守恒定律（Fi）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（Fo）（Dp）（Dr）（W）2019/10/7化工过程设计9即：（Fi－Fo）＋（Dp－Dr）＝W上式：即可对总物料，也可以对其中任一组分或元素列出。在下列情况下上式可简化为：①稳定操作过程（Fi－Fo）＋（Dp－Dr）＝0②系统内无化学反应：Fi－Fo＝W③系统内无化学反应的稳态操作过程：Fi－Fo＝0对于没有化学反应的过程，一般上列写各组分的衡算方程，只有涉及化学反应量，才列写出各元素的衡算方程。2019/10/7化工过程设计102、物料衡算基准1）化工过程的类型化工过程操作状态不同，其物料或能量衡算的方程亦有差别。化工过程根据其操作方式可以分成间歇操作、连续操作以及半连续操作三类。或者将其分为稳定状态操作和不稳定状态操作两类。在对某个化工过程作物料或能量衡算时，必须先了解生产过程的类别。2019/10/7化工过程设计11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，即为间歇操作过程。此过程的特点是在整个操作时间内，再无物料进出设备，设备中各部分的组成、条件随时间而不断变化（如：萃取过程、过滤过程）。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。设备的进料和出料是连续流动的，即为连续操作过程。在整个操作期间，设备内各部分组成与条件不随时间而变化。2019/10/7化工过程设计12半连续操作过程：操作时物料一次输入或分批输入，而出料是连续的，或连续输入物料，而出料是一次或分批的。稳定状态操作就是整个化工过程的操作条件（如温度、压力、物料量及组成等）如果不随时间而变化，只是设备内不同点有差别，这种过程称为稳定状态操作过程，或称稳定过程。如果操作条件随时间而不断变化的，则称为不稳定状态操作过程，或称不稳定过程。间歇过程及半连续过程是不稳定状态操作。连续过程在正常操作期间，操作条件比较稳定，此时属稳定状态操作多在开、停工期间或操作条件变化和出现故障时，则属不稳定状态操作。2019/10/7化工过程设计132）物料衡算基准的选择物料衡算过程，必须选择计算基准，并在整个运算中保持一致。若基准选的好，可使计算变得简单。一般计算过程的基准有以下几种：①时间基准对于连续操作过程，选用单位时间作为基准是很自然的，单位时间可取1d、1h或1s等等。此时得到的物料流量可以直接与设备或管道尺寸相联系。②批量基准对于间歇操作，按投入物料的数量为基准，最方便，即以一批/次作为基准。2019/10/7化工过程设计14③质量基准取已知变量最多（或未知变量最少）的物流作为基准最为合适。例如：可取某一基准物流的质量为100Kg，然后计算其他物流的质量。若已知进料质量百分比组成，则选100Kg进料或者100g进料为基准，若已知出料质量百分组成，则选100Kg进料或者100g出料为基准。④物质的量基准对于有化学反应的过程，因化学反应按摩尔进行的，用物质的量基准更方便，或者已知进料或者出料摩尔组成的情况。若已知进料组成摩尔分数，用100mol或者100kmol进料，反之已知出料组成，用100mol或者100kmol出料做基准。2019/10/7化工过程设计15⑤标准体积基准对于气体物料，可采用标准体积基准，因标准状态下1moL气体相当于22.4×10－3m3标准体积的气体。2019/10/7化工过程设计16二、物料衡算的基本程序在进行物料衡算时，为了避免错误，便于检查核对时，必须采取正确的步骤进行计算，使之做到条理分明清晰，计算迅速，结果准确，一般程序如下：2019/10/7化工过程设计17（1）确定衡算对象和范围（如：一个单元，一套装置或一个系统），并画出计算对象的草图，对于整个工艺流程，要画出物料流程示意图（方框图即可）绘制物料流程草图时，要注意物料种类和走向，输入和输出要明确表示出来。（2）确定计算任务，明确什么是已知项，什么是待求项，选择适当的数学公式，力求计算方法简便。（3）确定过程所涉及的组分，并对所有组分依次编号。（4）对物流的流股进行编号，并标注物流变量。2019/10/7化工过程设计18（5）收集数据资料，数据资料包括两类：即设计任务所规定的已知条件，与过程有关的物理化学参数，具体包括以下内容：①生产规模和生产时间，生产规模是设计任务所规定（T/年），生产时间是指全年的有效生产天数300～330天/年（计约8000h）。②有关定额的技术指标，这类数据通常指产品单耗、配料比、循环比、固液比、气液比、回流比、利用率、单程收率、回收率等等。2019/10/7化工过程设计19③、原辅材料厂、产品、中间产品的规格，包括原料的有效成分和杂质含量，气体或液体混合物的组成。④、与过程有关有物理化学参数，如临界参数、密度或比体积、状态方程参数、蒸汽压、气液平衡常数或平衡关系，粘度、扩散参数等2019/10/7化工过程设计20（6）列出过程的全部独立物料平衡方程式及其相关约束式，对有化学反应的还要写出化学反应方程式，明确反应前后的物料组成和各组分之间的定量关系，必要时还应指出其转化率和选择性，为计算作准备。2019/10/7化工过程设计21约束式可分为两类：（Ⅰ）分数约束式当物流的组成用摩尔分数或质量分数表示时，用下式成立∑xij=1（i=1，2，……Ns）（j=1，2，……Nc）式中：xij——第j组分在第i股流中的摩尔分数（或质量分数）；Ns——物流的股数；Nc——物流的组分数。2019/10/7化工过程设计22（Ⅱ）设备约束式常见的设备约束式有：①、进料比（或任何两股物流的量之比）为一常数；②、两股物流具有相同的组成（如分流器）；③、相平衡常关系式；④、化学平衡关系式；⑤、化学反应过程中的转化率、选择性或其他限度。⑥、物料平衡式C⑦、能量平衡式12019/10/7化工过程设计23（7）选择计算基准（8）独立的总物流变量个数与方程个数，确定设计变量和个数及全部设计变量。2019/10/7化工过程设计24进行化工过程设计，要确定各个物理量的数值，如进料流率、浓度、温度、压力、热负荷、机械功的输入和输出，传热面积的大小及理论塔板数等，这些物理量都是相互关联相互制约的，因此设计者只能规定其中若干变量的数值，这些变量称为设计变量。如果设计过程中给定数值的物理量少于设计变量的数目，设计就不会有结果；反之，给定数值的物理量数目过多设计也无法进行。2019/10/7化工过程设计25（9）整理并校核计算结果，当计算完成后，对计算结果进行整理，并根据需要换算基准，最后列成表格即物流表。（10）绘制物料流程图，编写物流表作为设计文件成果编入正式设计文件。2019/10/7化工过程设计26综上所述步骤，可归纳如下：①、陈述的问题；②、列出可获得的数据；③、画出衡算方框图；④、对物流流股及各组分编号；⑤、确定衡算范围；⑥、建立系统各参数的基准；⑦、建立各组分和总物料的衡算方程；⑧、解析方程；⑨、校核计算结果；⑩、绘制物料流程图，编写物流表。2019/10/7化工过程设计27三、化工基础数据在化工计算以及化工工艺和设备设计中，必不可少地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、烩、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。这些数据习惯上称为“化工基础数据”，它是由物料本身的物理化学性质所决定的。因此，又被称作“物化数据”或“物性数据”。2019/10/7化工过程设计28化工基础数据包括很多，现将常用的一些化工基础数据大致归纳成以下几类：(1)基本物性数据—如临界常数（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、蒸气压、气一液平衡关系等。(2)热力学物性数据—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、反应速度常数、活化能，化学平衡常数等。(4)传递参数—如粘度、扩散系数、导热系数等。2019/10/7化工过程设计29通常这些数据可用下列方法得到：1、查手册或文献资料有关常用物质的物性数据，前人已系统地进行归纳总结，从表格或图的形式表示。这些致据可从有关的化学化工类手册或专业性的化工手册中查到。2、估算。可以应用物理和化学的一些基本定律计算各种物质的性质参数。3、用实验直接测定。2019/10/7化工过程设计30以上三种数据来源，从手册或文献中查得数据最方便，但往往有时数据不够完整，有时也会出现一些错误。用一些理论的、半经验的和经验的公式估算，也是一种简便的方法。当手册或文献中无法查得时，可以进行估算。直接用实验测定得到的数据最可靠，只是实验比较费时间又花钱。但是，如果查不到有关数据，而用公式估算得到的结果精度又不够时，则必须用实验进行测定。近年来，随着电子计算机的迅速发展，应用计算机储存、检索和推算物性数据日益增多。一些大型化工企业、研究部门和高等院校都相应建立了物性数据库，以便于通过计算机自动检索或估算所要求的数据，而不必自行查找或计算，大大节省了时间和精力。2019/10/7化工过程设计31第二节简单的物料衡算在进行衡算时，必需要了解生产过程的基本原理、生产方法和工艺流程，然后用示意图的形式表示出整个化工过程的主要设备和全部进出物流，选定所需的温度、压力或