第三章物料衡算和能量衡算-1(物料)

化工设计第三章物料衡算与能量衡算Chart3MaterielBalanceandEnergyBalance一、化工过程•所谓化工过程，是指由原料经化学处理和物理处理加工成化学产品或中间产品的生产过程。•它包括许多工序，每个工序又由若干个或若干组设备（如反应器、蒸馏塔、吸收塔、干燥塔，分离器、换热器及输送设备等等）组合而成。•物料通过各设备时，完成某种化学或物理处理，最终成为合格的产品。应用守恒定律来研究化工过程的物料衡算和能量衡算问题。•在不同的生产过程中，有一些具有共性的物理操作，它们不改变物料的化学性质，只改变物料的物理性质，这类操作被称为单元操作，如流体输送、传热、蒸馏、干燥、蒸发、结晶、萃取、吸收、吸附、过滤及破碎等操作。•化工过程中还包括一些改变物料的化学性质的反应过程，如氢与氮合成氨反应、乙烯氧化成环氧乙烷反应等等。•化工过程就是由反应过程和若干个单元操作组合而成的一个系统。化工过程的类型•根据其操作方式分–间歇操作原料一次加入→过程→产品一次排出–连续操作原料连续加入→过程→产品连续排出–半连续操作原料一次加入→过程→产品连续排出或原料连续加入→过程→产品一次排出•根据操作状态分–稳定状态操作（定态操作）过程参数=f(x、y、z)–不稳定状态操作（非定态操作）过程参数=f(x、y、z、t)化工过程基本参数过程参数：生产过程中影响过程运行和状态的物理量。一）温度表示物体冷热程度的物理量。温标。1、摄氏温标，℃水的正常冰点：0℃水的正常沸点：100℃其间均分100等份其单位为℃2、开尔文温标，K（又叫热力学温度，热力学温标）单位是“开尔文”，英文是“Kelvin”简称“开”，国际代号“K”。开尔文是为了纪念英国物理学家LordKelvin而命名的。以绝对零度（0K）为最低温度，规定水的三相点的温度为273.16K，开定义为水三相点热力学温度的1/273.15。3华氏温标,℉水盐混合物的温度：0℉；健康人的血液温度：96℉水的正常冰点：32℉；水的正常沸点：212℉其间均分180等份其单位为℉4、兰金温标，°R与开氏温标相似，也是以最低理论温度为0度的一种绝对温标。其0度为-459.67℉（-460℉）。•四种温度的关系：•二）压力(压强）•三）流量•四）组成3.1物料衡算3.2能量衡算3.3化工模拟软件在化工设计中的应用本章要求•掌握非反应过程的物料衡算及反应过程的物料衡算；•掌握装置的物料衡算；•掌握以反应热效应为基础的计算方法，以及以生成热为基础的计算方法。•本章重、难点：物料衡算及热量衡算。物料、能量衡算在化工技术中的作用•物料、能量衡算是所有设计计算的基础，是反应器和设备设计的根据，也是过程、设备各系统经济核算和最优化的依据。一般来说，在设计一个生产系统，或者计算某个单元操作及设备时，首先必须作物料、能量衡算。物料、能量衡算的目的和内容•在于定量研究生产过程，为过程设计和操作最佳化提供依据。•对过程中的各个设备和工序，逐个计算各物料的流量、组成及热流量和温度，定量地表示所研究的对象。物料、能量衡算的意义•①计算生产过程的原材料消耗指标、能耗定额和产品产率等。•②根据物料衡算和能量衡算数据和设备恰当的生产强度，可以设计或选择设备的类型、台数及尺寸。物料衡算和能量衡算是设备计算的依据。•③作物料衡算可以检查各物料的计量、分析测定数据是否正确；检查生产运行是否正常。•④作系统各设备及管路的物料衡算时，可以检查出生产上的薄弱环节或限制部位。从而找出相应的强化措施。•⑤物料衡算和能量衡算是传统最优化和经济核算的基础。•⑥物料衡算和能量衡算的方程往往用于求取生产过程中的某些未知量或操作条件。3.1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。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：(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。(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。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。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。(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。识别问题的类型绘制工艺过程示意图选择计算基准建立物料衡算方程式并进行未知量的求解列出物料衡算表•。化工过程的主要效率指标生产能力和生产强度⑴生产能力指一个设备、一套装置或一个工厂在单位时间内生产的产品量，或在单位时间内处理的原料量。设计能力——设备或装置在最佳条件下可以达到的最大生产能力。即设备的单位体积的生产能力，或单位面积的生产能力。⑵生产强度为设备的单位特征几何量的生产能力。此指标主要用于比较那些相同反应过程或物理加工过程的设备或装置的优劣。⑶有效生产周期：开工因子通常在0.9左右，开工因子大意味着停工检修带来的损失小，即设备先进可靠，催化剂寿命长。全年开工生产天数开工因子365（1）转化率（2-13）关键反应物——反应物中价值最高的组分，为使其尽可能转化，常使其他反应组分过量。不可逆反应，关键组分的转化率最大为100%。可逆反应，关键组分的转化率≤其平衡转化率。X某一反应物的转化总量该反应物的起始量转化率、选择性和收率对循环过程而言，有单程转化率和全程转化率。AAXA组分在反应器中的转化总量反应器进口物料中组分的量,AtotAXA组分在反应器中的转化总量新鲜原料中组分的量新鲜原料反应系统分离系统产品循环物流循环机械图带有物料循环的流程示意图排放（2）选择性是指体系中转化成目的产物的某反应物的量与参加所有反应而转化的该反应物总量之比。在复杂反应体系中，选择性表达了主、副反应进行程度的相对大小，能确切反映原料的利用是否合理。选择性S转化为目的产物的某反应物的量该反应物的转化总量或注意：式中的分母是按主反应式的化学计量关系来计算的，并假设转化了的所有反应物全部转变成目的产物。S实际所得的目的产物量按某反应物的转化总量计算应得到的目的产物理论量（3）收率（产率）对同一反应物，Y=S•X。无副反应的体系，S=1，Y=X，收率=转化率；有副反应的体系，S1，目标是使目的产物的收率最高，不单纯追求高转化率或高选择性。Y转化为目的产物的某反应物的量该反应物的起始量单程收率总收率Y转化为目的产物的某反应物的量反应器进口物料中该反应物的量totY转化为目的产物的某反应物的量新鲜原料中该反应物的量对循环过程而言，有单程收率和总收率之分。（4）质量收率指投入单位质量的某原料所能生产的目的产物的质量。mY目的产物的质量某原料的起始质量3.2反应过程物料衡算（1）直接计算法主要是根据化学反应方程式，运用化学计量系数进行计算的方法，可使计算较为方便。适用范围：反应较简单，反应式可明确写出时。为使反应易于进行，常采用使某一物质过量，但应特别注意，过量百分比是基于限制反应物100%的转化，而不论真实反应是否完全或不完全。在燃烧过程中，通常采用过量空气，即实际供给的空气量超过使燃料中可燃物完全燃烧所需的理论空气量，多余的空气，即为“过量空气”。一般燃烧器，空气过量为5-20%。①燃气或烟道气经过燃烧过程所产生的气体，包括其所含的水蒸气的称为湿气，不包括水蒸气在内的称为干气。②理论空气量或理论氧气量使过程内的物质完全燃烧所需的空气（或氧气）量，有时也称为空气需要量或氧气需要量。③过量空气或过量氧气使过程内的物质完全燃烧，超过所需的空气（或氧气）量。注意：在部分燃烧反应中，例如C燃烧成CO与CO2，在计算过量空气（氧气）时，均以C完全燃烧成CO2的空气量（氧气量）为基准来计算的。过量空气百分数与过量氧气百分数相同，其定义为：%100%100%理论需氧量过量氧气理论空气量过量空气过量空气氧气进料量=完全燃烧所需的氧气量+过量氧气量注意若过量空气百分数100%，则过量空气的含义是包括理论需要空气量和超过部分的量的总和。%100%100%＜理论需氧量理论需氧量氧气进料量过量空气例丙烷充分燃烧时，要供入空气量125%，反应式为：C3H8+5O2→3CO2+4H2O，问每产生100摩尔烟道气需空气量多少摩尔？解：采用不同的计算基准计算。解法Ⅰ基准：100mol丙烷（关键组分）。反应式：C3H8+5O2→3CO2+4H2O转化量：100XYZX=500molY=300molZ=400mol由于空气中氧气和氮气的摩尔比为：O2∶N2=21∶79理论空气量=500/0.21=2380.9mol则实际空气量=过量空气%×理论空气量=125%×2380=2976mol反应前：反应后：氮气不参加反应，仍为2351mol。297621%625nmol氧297679%2351nmol氮100nmol丙烷625500125nmol氧进料氧气量反应转化掉的氧气量300nmol二氧化碳400nmol水物料衡算结果一览表1从上表中可看出，反应前后，①各组分的摩尔数和质量数都不相等。②总摩尔数也不相等，物质的总质量数未变。物料分子量输入输出molmol%Kgwt%molmol%Kgwt