化工设计概论第五章-第六章__物料衡算与能量衡算

第五章物料衡算与能量衡算物料衡算与能量衡算是进行化工工艺过程设计及技术经济评价的基本依据。通过对全生产过程或单元过程的物料和能量的衡算，计算得到：1）主、副产品产量；2）原材料的消耗定额，过程的物料损耗；3）“三废”的生成量及组成；4）水、电、汽或其他燃料等消耗定额；5）设计物料流程图。第五章物料衡算与能量衡算根据物料衡算和能量的衡算结果，可以：1）对生产设备进行设计和选型；2）确定产品成本等各项技术经济指标，从而可以定量地评述所选择的工艺路线、生产方法及工艺流程在经济上是否合理，技术上是否先进。第一节物料衡算物料衡算的概念：物料平衡的理论依据是质量守恒定律，即在一个孤立体系中不论物质发生任何变化(不包括核反应)它的质量始终保持不变。系统中的积累=输入-输出+生成-消耗注：生成或消耗是因化学反应生成或消耗的量；积累项可正可负。积累项=0，稳态过程，输入=输出-生成+消耗无化学反应，输入=输出物料衡算的分类1、按操作方式分为间歇操作、连续操作两类物料衡算；2、按状态将其分为稳定状态操作和不稳定状态操作两类衡算。3、按衡算范围分为单元操作过程(或单个设备)和全流程的两类物料衡算；4、按衡算对象总质量衡算、组份衡算、元素衡算；可参考表5-1物料平衡方程式根据质量守恒定律，对某一个体系内质量流动及变化的情况用数学式描述物料平衡关系则为物料平衡方程式。其基本表达式为：∑F0=∑D+A+∑B式中，F0—输入体系的物料质量；D—离开体系的物料质量；A—体系内积累的物料质量；B—损失的物料质量(如跑、冒、滴、漏)物料衡算的步骤1、画出流程示意图（框图）稀溶液二次蒸汽F,wfW加热蒸汽凝水提浓液B，wB物料衡算步骤2、收集数据资料（生产规模、时间，收率、转化率，原材料及产品规格，有关物理化学常数）3、确定由物料平衡求解的任务4、确定计算的范围（系统的边界）5、列出主、副化学反应式6、约束条件（归一方程、恒沸组成、相平衡数据）7、选定计算基准（时间，质量，体积，干湿基准，例5-1）8、建立物料平衡方程，计算（流体流量及组成，能量衡算等）9、整理并校核计算结果（绘制物料流程图、填写物流表）10、结论（说明题意求解的问题，计算误差的范围）列物料平衡式时应注意的事项(1)物料平衡是指质量平衡，不是体积或物质的量(摩尔数)平衡。若体系内有化学反应，则衡算式中各项用摩尔／时为单位时，必须考虑反应式中的化学计量系数。列物料平衡式时应注意的事项(2)对于无化学反应体系，能列出独立物料平衡式的最多数目等于输入和输出的物流里的组分数。(3)在写平衡方程式时，要尽量使方程式中所包含的未知数最少。物料平衡的一般分析进料-------出料物料：单组份、多组分；均相、非均相。已知物流的流量及组成——物料及组分衡方程式——求解未知物流的流量和组成等式：1）物料平衡方程式（三类）2）物流的约束式（归一、恒沸、相平衡、溶解度等）3）设备的约束式物料平衡的一般分析•变量：•Nv=Ns(Nc+1)+Np•设计变量(需要赋值的变量)：•Nd=Nv-Ne•要求给定的设计变量数刚好等于需要的个数，否则会出现矛盾或无解的情况。原材料的消耗定额（1）转化率（化学反应进程的标志）反应物的反应量/反应物的进料量（2）选择性目标产物所消耗的反应物的量/被转化掉的原料的量(3)收率目标产物所消耗的反应物的量/反应物的进料量=转化率×选择性（4）限制反应物（最小化学计量存在的反应物）（5）过量反应物（超过最小化学计量的反应物）过量度=（输入量-需要量）/需要量物料衡算计算举例1．无反应例1采用蒸发方法将浓度为10％NaOH及10％NaCl的水溶液进行浓缩。蒸发时只有部分水分汽化成为水蒸气而逸出，部分NaCl结晶成晶粒而留在母液中。操作停止后，分析母液的成分为：50％NaOH，2％NaCl及48％H2O。若每批处理1000kg原料液，试求每批操作中：1)获得的母液量，2)蒸发出的水分量，3)结晶出的NaCl量。计算过程解：本题为间歇过程，因此以每批处理量为基准进行物料衡算。流程示意图2-2组分物料衡算：NaOH平衡1000x0.1=0.5F4NaCl平衡1000x0.1=0.02F4+F3H2O平衡1000(1-0.1-0.1)=F2+0.48F4解方程得：F2=704kg，F3=96kg，F4=200kg物料衡算计算举例2.有反应甲醇制造甲醛的反应过程为：CH30H+1/2O2HCHO+H20反应物及生成物均为气态，若使用50％的过量空气，且甲醇的转化率为75％，试计算反应后气体混合物的摩尔组成。物料衡算计算举例解：画出流程图空气(过量50%)CH3OHHCHOH2ON2催化反应器CH3OH基准：1molCH3OH根据反应方程式O2(需要)=0.5mol；O2(输入)=1.5×0.5=0.75mol；N2(输入)=N2(输出)=0.75(79/21)=2.82molCH3OH为限制反应物反应的CH3OH=0.75×1=0.75mol因此HCHO(输出)=0.75molCH3OH(输出)=1-0.75=0.25molO2(输出)=0.75-0.75x0.5=0.375molH2O(输出)=0.75mol计算过程计算结果组分molmol%CH3OH0.2505.0HCHO0.75015.2H2O0.75015.2O20.3757.6N22.82057.0总计4.945100.0第二节能量衡算能量衡算定义根据能量守恒定律，利用能量传递和转化的规则，用以确定能量比例和能量转变的定量关系的过程称为能量衡算。能量衡算可以解决的问题(1)确定物料输送机械和其它操作机械所需要的功率；(2)确定各单元操作过程所需热量或冷量，及其传递速率；计算换热设备的工艺尺寸；确定加热剂或冷却剂的消耗量，为其他专业如供汽、供冷、供水专业提供设条件；(3)化学反应常伴有热效应，导致体系的温度上升或下降，为此需确定为保持一定反应温度所需的移出或加入的热传递速率；(4)为充分利用余热，必须采取有效措施，使过程的总能耗降低到最低程度。为提高能量利用率，降低能耗提供重要依据。(5)最终确定总需求能量和能量的费用。能量平衡方程式能量衡算平衡方程式△E:表示体系能量总变化；Q:表示体系从环境吸收的热量；W:表示环境对体系所做的功。WQE热量衡算热量衡算有两种情况：1）对单元设备做热量衡算；2）整个过程的热量衡算。（当各个工序或单元操作之间有热量交换时，必须做全过程的热量衡算。）热量衡算方程式∑Q入=∑Q出+∑Q积累式中:∑Q入—输入设备热量总和；∑Q出—输出设备热量总和；∑Q积累—积累的热量总和。热量衡算步骤(1)绘制以单位时间为基准的物料流程图，确定热量平衡范围；(2)在物料流程图上标明已知温度、压力、相态等已知条件；(3)选定计算基准温度。由于手册，文献上查到的热力学数据大多数是273K或298K的数据，故选此温度为基准温度，计算比较方便。计算时相态的确定也是很重要的；(4)列出热量衡算式，然后用数学方法求解未知值；(5)整理并校核计算结果，列出热量平衡表。进行热量衡算注意事项(1)热量衡算时要先根据物料的变化和走向，认真分析热量间的关系，然后根据热量守衡定律列出热量关系式。(2)要弄清楚过程中出现的热量形式，以便搜集有关的物性数据（化学反应热、标准燃烧热、熔融热、溶解热、汽化热、浓度变化热、无限稀释热等）。进行热量衡算注意事项(3)计算结果是否正确适用，关键在于数据的正确性和可靠性。(4)间歇操作设备，传热量Q随时间而变化，因此要用不均衡系数将设备的热负荷由千焦／台换算为千焦／小时。(5)选定设备的换热面积要大于理论计算。热量衡算举例例1某化工厂计划利用废气的废热，进入废热锅炉的废气温度为450℃，出口废气的温度为260℃，进入锅炉的水温为25℃，产生的饱和水蒸气温度为233.7℃，3.0MPa，(绝压)，废气的平均热容为32.5kJ／(kmol·℃)，试计算每100kmol的废气可产生的水蒸汽量?解：过程如图，基准：100kmol的废气。锅炉的能量平衡为：计算结果课堂练习1.一种废酸，组成为22％(质量％)HNO3，57％H2SO4和21％H2O，加入93％的浓H2SO4及90％的浓HNO3，要求混合成27％HNO3及60％H2SO4的混合酸，试完成该过程的物料衡算。