物料衡算和能量衡算

化工设计电子课件化工设计第四章物料衡算与能量衡算Chart4materielbalanceandenergybalance化工设计电子课件4.1物料衡算4.2能量衡算4.3化工模拟软件在化工设计中的应用化工设计电子课件4.1物料衡算物料衡算—运用质量守恒定律，对化工过程或设备进行定量计算。通过物料衡算解决以下问题：计算原料消耗量、副产品量；输出过程物料的损耗量及三废的生成量；在物料衡算基础上做能量衡算，计算蒸汽、水、电、煤或其他燃料的消耗定额。计算产品的技术经济指标。为生产设备和辅助设备的选型及设计、管路设施与公用工程的设计等方面提供依据。化工设计电子课件衡算计算范围示意图：图中方框表示一个体系，虚线表示体系边界。共有三个流股，进料1、2及出料3。123化工设计电子课件一、物料衡算依据1.理论依据——质量守恒定律物料衡算范围单元操作的物料衡算——化工设备设计的前提化工过程的物料衡算——化工过程设计的前提物料衡算的一般表达式为：输入量－输出量＋生成量－消耗量＝积累量对稳定操作过程，积累量=0输入量-输出量+生成量-消耗量=0对无化学反应的过程：输入量－输出量＝积累量对无化学反应的稳定操作过程：输入量＝输出量化工设计电子课件对有化学反应的过程：总物料衡算+元素衡算式2.数据基础(1)技术方案、操作方法、生产能力、年工作时。(2)建设单位或研究单位的要求、设计参数、小试及中试数据：化工单元过程的化学反应式、原料配比、转化率、选择率、总收率，催化剂状态、用量、回收方法、安全性能等；原料及产品的分离方式，分离剂的用量，各步的回收率；特殊化学品的物性：沸点、熔点、饱和蒸汽压、闪点等。(3)工艺流程示意图。二、物料衡算基准物料衡算时须选择计算基准，并在计算过程中保持一致。一般计算过程的基准有以下几种：化工设计电子课件(1)时间基准——对连续生产过程，常以单位时间(如d、h、s）的投料量或产品量为计算基准。(2)批量基准——以每批操作或一釜料的生产周期为基准。㎏/批(3)质量基准——当系统介质为液、固相时，选择一定质量的原料或产品作为计算基准较适合。(4)物质的量基准：对于有化学反应的过程因化学反应的按摩尔进行的，用物质的量基准更方便。(5)标准体积基准：对气体物料进行衡算，可采用标准体积基准，Nm3(STP)，既排除T、p的影响，又可直接换算为摩尔。(6)干湿基准：由于物料中均含有一定量的水分，选用基准时就有算不算水分的问题。湿基计算水分，干基不计算水分。实际计算时，必须根据具体情况选择合适的基准，过程的物料衡算及能量衡算应在同一基准上进行。化工设计电子课件可建议：以1t产品为基准以1mol某反应物为基准在连续操作中，以单位时间，即㎏/h或kmol/h作基准；在间歇操作中，以㎏/批为基准有化学变化的过程，适宜采用质量作基准；无化学变化的过程，以质量或kmol/h为基准对于液固系统常用单位质量作基准，而液相常用单位体积作基准化工设计电子课件三、物料衡算的基本程序(1)确定衡算对象和范围，画出计算对象的草图。注意物料种类和走向，明确输入和输出。(2)确定计算任务，明确已知项、待求项，选择数学公式，力求使计算方法简化。(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。(5)收集数据资料（设计任务所规定已知条件，与过程有关物理化学参数）：生产规模（设计任务所规定，t/年）和生产时间（指全年有效生产天数300~330天/年，计约8000h）。有关定额的技术指标，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。化工设计电子课件原辅材料、产品、中间产品的规格；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等。(6)列出过程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，指出其转化率和选择性。约束式分数约束式设备约束式①进料配比为一常数；②分流器出口物流具有相同的组成；③相平衡常数；④化学反应平衡常数；⑤化学反应的转化率、选择性或其他限度。化工设计电子课件(7)选择计算基准；(8)统计变量个数与方程个数，确定设计变量个数及全部设计变量。(9)整理并校核计算结果，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。化工设计电子课件衡算计算范围示意图：边界线（BoundaryLine）围起来的区域构成衡算范围。化工设计电子课件例:某尿素厂的生产能力为6万t尿素/a,年操作日300d，尿素的氨耗为0.6t氨/t尿素，生产过程的氨损失按5%考虑，已知以1t氨为基准的某股气体的组成和量如下表所示。组成CO2COH2N2CH4合计％(mol)28.561.252.6117.050.575100kmol54.302.29100.0432.431.093190.99列出该股气体的组成和流量表。解:小时氨耗为60000×0.6×1.05300×24=5.25t/h化工设计电子课件以1t氨为基准的各组分的kmol量乘以5.25所得结果为流量。气体的流量和组成如下表所示:组成CO2COH2N2CH4合计％(mol)28.561.252.6117.050.575100kmol/h285.112.02525.2170.25.74998.3化工设计电子课件无化学反应的物料衡算1、简单过程的物料衡算2、多单元系统在化工过程中，一些只有物理变化，不发生化学反应的单元操作，如混合、蒸馏、蒸发、干燥、吸收、结晶、萃取等。这些过程都可以根据物料衡算式，列出总物料和各组分的衡算式，再用代数法求解。化工设计电子课件1、简单过程的物料衡算简单过程是指仅有一个设备或一个单元操作或整个过程简化成一个设备的过程。这种过程的物料衡算比较简单，在物料流程简图中，设备边界就是体系边界。例：一种废酸，组成为23％(质量％)HNO3，57％H2SO4和20％H2O，加入93％的H2SO4及90％的浓HNO3，要求混合成27％HNO3及60％H2SO4的混合酸，计算所需废酸及加入浓酸的数量。化工设计电子课件解：设x为废酸量，kg；y为浓H2SO4量，kg；z为浓HNO3量,㎏；⑴画物料流程简图化工设计电子课件⑵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。⑶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=100×0.6=60(2)HNO3的衡算式0.23x+0.90z=100×0.27=27(3)解(1)，(2)，(3)方程，得x=41.8kg废酸y=39kg浓H2SO4z=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。化工设计电子课件2、多单元系统对有多个设备的过程，进行物料衡算时，可以划分多个衡算体系。此时，必须选择恰当的衡算体系，这是很重要的步骤。不然会使计算繁琐，甚至无法求解。例：造纸厂的碱回收工序有一个四效蒸发器,供料方式为Ⅲ→Ⅳ→Ⅱ→Ⅰ,蒸发器的总处理量为80000㎏/h造纸废液(黑液)。计算总蒸发水量和每一效蒸发器的蒸发水量。化工设计电子课件四效蒸发系统的物料平衡化工设计电子课件四效蒸发系统的物料衡算过程将整个系统简化为一个单元，可计算出总蒸发量）（出进进XXFW1则总蒸发水量为hkgW/600006015180000）（总FX进=（F进-W）X出化工设计电子课件四效蒸发系统的物料衡算过程第三效蒸发水量为则第Ⅳ效的蒸发水量WⅣ为hkgW/12600)8.17151(80000进入第Ⅳ的料液量80000-12600=67400kg/hhkg/14300)6.228.171(67400类推得：ＷⅡ＝15000kg/hＷⅠ＝18100kg/h化工设计电子课件反应过程的物料衡算1、直接计算法在物料衡算中，根据化学反应式，运用化学计量系数进行计算的方法，称为直接计算法。例：甲醇氧化制甲醛，其反应过程为CH3OH+1/2O2→HCHO+H2O反应物及生成物均为气态。甲醇的转化率为75％，若使用50％的过量空气，试计算反应后气体混合物的摩尔组成。化工设计电子课件解：画出流程示意图，如下图：催化反应器CH3OH空气（过量50%)CH3OHHCHOH2OO2N2基准：1molCH3OHCH3OH+1/2O2→HCHO+H2O根据反应式：需氧＝0.5氧入=0.5×1.5=0.75氮入＝氮出＝0.75×(79/21)=2.82化工设计电子课件反应的甲醇量＝0.75×1=0.75甲醛的出量＝0.75甲醇的出量＝1－0.75=0.25氧的出量＝0.75－0.75×0.5=0.375水的出量＝0.75计算结果如下表：组分CH3OHHCHOH2OO2N2总计mol0.2500.7500.7500.3752.8204.945摩尔分数（％）5.015.215.27.657.0100.0化工设计电子课件２、元素衡算法元素衡算是物料衡算的一种重要形式。在作这类衡算时，并不需要考虑具体的化学反应，而是按照元素种类被转化及重新组合的概念表示为：输入(某种元素)＝输出(同种元素)对反应过程中化学反应很复杂，无法用一、两个反应式表示的物料衡算，可以列出元素衡算式，用代数法求解。化工设计电子课件C3H8+5O23CO2+4H2O基准：100mol烟道气：设：N-烟道气中N2的molQ-烟道气中H2O,molM-烟道气中O2的molA-输入空气molP-烟道气中CO2的molB-输入丙烷，mol列平衡式：C平衡：3P=BN2平衡:0.79A=NH2平衡：4Q=B过剩氧气:0.21A×0.25/1.25=MO2平衡：0.21A=M+P+2Q烟道气总量:N+M+P+Q=100丙烷充分燃烧时，要供给的空气量为理论量的125%，问每100mol燃烧产物，需多少mol的空气？反应：燃烧丙烷空气（O2N2）CO2H2OO2N2化工设计电子课件３、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。如果体系中存在联系组分，那么输入物料和输出物料之间就可以根据联系组分的含量进行关联。例如，F、P分别为输入、输出物料，T为联系组分。T在F中的质量分数为XFT，在P中的质量分数为XPT，则F与P之间的关系为：FXFT=PXPT化工设计电子课件•某厂用空气和邻二甲苯生产苯酐。原料流量为：205kg/h邻二甲苯，4500m3（STP）/h空气，从反应的计量关系可知，生成1mol苯酐需要反应掉1mol的邻二甲苯。经化验得到反应器出口气体的组成为：组分苯酐顺酐邻二甲苯O2N2其他合计%（mol）0.650.040.0316.58784.70100试计算：1）邻二甲苯的转化率，苯酐收率；2）苯酐的年产量（年工作日330天）化工设计电子课件循环过程的物料衡算例如在生产中一般将未反应的原料与产品先分离，后循环返回原料进口处，与新原料一起再进入反应器反应。例如苯直接加氢转化环己烷中的循环过程：混合器泠凝器新鲜Ｈ2纯C6H6循环Ｈ280%Ｈ220%C6H6产物3%H2反应器化工设计电子课件苯直接加氢转化环己烷中的循环过程的衡算解：反应为：C6H6+3H2→C6H12基准：100kmol/h环己烷查苯的总转化率为99%则生产100kmol/h环己烷需苯100／0.99=101.01kmol/h未反应的苯为101.01-100=1.01kmol/h产物中含H2,设含量为nH23.001.110022HHnnhKmolnH/12.32化工设计电子课件总产量＝100+1.01+3.12=104.13kmol/h其摩尔分数为96.0