化工设计第3章物料衡算与能量衡算

1第三章物料衡算与能量衡算3.1物料衡算3.2能量衡算23.1物料衡算3.1.1物料衡算的作用3.1.2物料衡算的依据3.1.3物料衡算式3.1.4物料衡算的基本方法3.1.5无化学反应过程的物料衡算3.1.6有化学反应过程的物料衡算33.1物料衡算物料衡算是化工计算中最基本、最重要的内容之一，是能量衡算的基础。设计或研究一个化工过程，或对某生产过程进行分析，需要了解能量的分布情况，都必须在物料衡算的基础上，才能进一步算出物质之间交换的能量以及整个过程的能量分布情况。物料衡算和能量衡算是进行化工工艺设计、过程经济评价、节能分析以及过程最优化的基础。43.1.1物料衡算的作用（两种情况）:一种是对已有的生产设备或装置，利用实际测定的数据，算出另一些不能直接测定的物料量。用此计算结果，对生产情况进行分析、作出判断、提出改进措施。（一般的作业）另一种是设计一种新的设备或装置，根据设计任务，先作物料衡算，求出进出各设备的物料量，然后再作能量衡算，求出设备或过程的热负荷，从而确定设备尺寸及整个工艺流程。（设计）3.1物料衡算53.1.2物料衡算的依据质量守恒定律在一个孤立物系中，不论物质发生任何变化，它的质量始终不变（不包括核反应，因为核反应能量变化非常大，此定律不适用）。质量守恒（不是摩尔守恒、体积守恒）3.1物料衡算63.1.3物料衡算式物料衡算是研究某一个体系内进、出物料量及组成的变化。所谓体系就是物料衡算的范围，它可以根据需要选定。体系可以是一个设备或几个设备，也可以是一个单元操作或整个化工过程。进行物料衡算时，必须首先确定衡算的体系。3.1物料衡算7对某一个体系，输入体系的物料量应该等于输出物料量与体系内积累量之和。连续过程的物料衡算式一般表示式为：系统中积累=输入–输出+生成–消耗稳态过程时：输入=输出–生成+消耗无化学反应的稳态过程：输入=输出3.1物料衡算8物料衡算方程的不同形式总平衡式总质量平衡式总摩尔平衡式组分平衡式组分质量平衡式组分摩尔平衡式元素原子平衡式元素原子质量平衡式元素原子摩尔平衡式3.1物料衡算93.1.4物料衡算的基本方法进行物料衡算时，为了能顺利地解题，避免错误，必须掌握解题技巧，按正确的解题方法和步骤进行。这样才能获得准确的计算结果。3.1物料衡算10I.衡算范围指定的任何空间范围。它可是一个设备、一个单元或整个过程。根据给定的条件画出流程简图（过程示意图或衡算范围）。图中用简单的方框表示过程中的设备，用线条和箭头表示每个流股的途径和流向，并标出每个流股的已知变量（如流量、组成）及单位。对一些未知的变量，可用符号表示。3.1物料衡算11II.衡算对象参加过程的全部物料。对无化学反应的对象：可选任一物料对有化学反应的对象：选未发生变化的物质3.1物料衡算12III.衡算基准及其选择原则上衡算基准是任意选择。但是，衡算基准选择得恰当，可以使计算简化，避免错误。对于不同化工过程，采用什么基准适宜，需视具体情况而定，不能作硬性规定。3.1物料衡算131.应选择已知变量数最多的流股作为衡算基准。2.液体或固体的体系，常选取单位质量作基准。3.对连续流动体系，用单位时间作计算基准有时较方便。4.对于气体物料，如果环境条件（如温度、压力）已定，则可选取体积作基准。3.1物料衡算根据过程的特点，选择衡算基准时注意以下几点：14⑴时间基准连续（小时，天……）间歇（釜，批……）⑵质量基准kg，mol，kmol……⑶体积基准m3（STP），Nm3⑷干湿基准干基（不含水），湿基（含水）各种衡算基准3.1物料衡算15IV.物料衡算的程序（步骤）1.搜集计算数据（物性参数与操作参数等）2.画出物料流程简图3.确定衡算体系4.写出化学反应方程式，包括主反应和副反应，标出有用的分子量3.1物料衡算165.选择计算基准，并在流程图上注明所选的基准值6.列出物料衡算式，然后用数学方法求解7.校核计算结果（数据归一）8.将计算结果列成输入-输出物料表（物料平衡表）（三线表、表头名称、基准）3.1物料衡算17关于物性参数（数据）“物性参数”，又被称作“物化数据”或“物性数据”，是由物料本身的物理化学性质所决定的。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:3.1物料衡算18（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—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。3.1物料衡算19数据的获取：1.查手册或文献资料常用物质的物性数据可从化学化工类手册或专业性的化工手册中查到。（收集了许多物质的物性数据及图表）化学工程手册，《化学工程手册》编辑委员会，化学工业出版社，1980化工工艺设计手册，国家医药管理局上海医药设计院编，化学工业出版社，1986化工工艺算图，吉林化学工业公司设计院等编，化学工业出版社，19823.1物料衡算202.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。但是，往往由于缺乏计算所需的一些分子性质（偶极矩、极化率、原子间距离等）的数据而无法计算，或者即使知道这些数据，计算也很复杂。因此，许多研究人员做了不少工作，建立了理论与经验相结合的方法，来计算各种物质的物性数据。这些方法仅从一个化合物二、三种数据就能估算出该化合物的其他物性数据来。基团贡献法3.1物料衡算213.用实验直接测定实验直接测定。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，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。3.1物料衡算224.计算机检索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。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。化工物性数据库美国，CINDAS(14000)北京化工大学，大型化工物性数据库CEPPDS(3417)3.1物料衡算233.1物料衡算例：丙烷充分燃烧时，要供入的空气量为理论量的125%，反应式为：C3H8+5O2→3CO2+4H2O问每100摩尔燃烧产物需要多少摩尔空气？解：物料流程简图如下：由图可知，该体系共有三个流股：丙烷、空气、燃烧产物。从原则上来说，其中任一个物料量均可作为基准。燃烧过程C3H8空气O2N2123CO2H2OO2N2243.1物料衡算（一）基准：1molC3H8按照反应式，完全燃烧需氧量：5mol实际供氧量：1.25*5=6.25mol供空气量（空气中含氧21%（mol））：6.25/0.21=29.76mol其中氮气量：29.76*0.79=23.51mol物料衡算结果如下表：输入输出组分摩尔克组分摩尔克C3H8空气中O2N216.2523.5144200658.28CO2H2OO2N2341.2523.511327240658.28总计30.76902.2831.76902.28所以，每100mol燃烧产物（烟道气）所需空气量为：100mol烟道气*（6.25+23.51）mol空气/31.76mol烟道气=93.7mol1molC3H8需要的空气量：253.1物料衡算（二）基准：1mol空气按题意供入的空气量为理论量的125%，1mol空气中氧量：0.21mol所以，供燃烧C3H8的氧量：0.21/1.25=0.168mol燃烧的C3H8的量：0.168*(1/5)=0.0336mol物料衡算结果如下表：输入输出组分摩尔克组分摩尔克C3H8空气其中O2N20.0336（1.0）0.210.791.48（28.84）6.7222.12CO2H2OO2N20.1010.1350.0420.794.442.431.3422.12总计1.033630.321.06830.33所以，每100mol燃烧产物（烟道气）所需空气量为：100mol烟道气*1mol空气/1.068mol烟道气=93.6mol26（三）基准：100mol烟道气3.1物料衡算设：N-烟道气N2，mol；M-烟道气中O2，mol；P-烟道气中CO2，mol；Q-烟道气中H2O，mol；A-入口空气，mol；B-入口C3H8，mol。共有6个未知量，因此必须列6个独立方程。按照反应式的化学计量关系，还可以列出另外几个线性方程，但是都与以上六个式子有关，独立方程只有以上六个公式。列元素平衡：C平衡：3B=PH2平衡：4B=QO2平衡：0.21A=M+P+Q/2N2平衡：0.79A=N烟道气总量：M+N+P+Q=100过剩氧量：0.21A*0.25/1.25=M烟道气：氮气，二氧化碳，水蒸气，氧气273.1.5无化学反应过程的物料衡算在化工过程中，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，直接列出总物料和各组分的衡算式，再用代数法求解。3.1物料衡算28I.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的过程。设备边界就是体系边界。1.画出物料流程简图。2.选择基准。3.列物料衡算式，求解。4.校核计算结果。5.将计算结果列成输入—输出物料表（物料平衡表）。3.1物料衡算293.1物料衡算例：一种废酸，组成为23%（质量分数）HNO3，57%H2SO4和20%H2O，加入93%的浓H2SO4及90%的浓HNO3，要求混合成含27%HNO3及60%H2SO4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，kg；z：浓HNO3量，kg。1.画出物料流程简图303.1物料衡算2.选择基准：可以选择废酸或者浓酸的量为基准，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，可列出3个独立方程，所以能求出3个未知量。总物料衡算式：x+y+z=100(1)H2SO4衡算式：0.57x+0.93y=100×0.6=60(2)HNO3衡算式：0.23x+0.90z=100×0.27=27(3)解(1)-(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H2SO4，19.2kg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，含有13%H2O，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H2SO4与H2O两个衡算式或者H2SO4，HNO3，H2O三个组分衡算式进行计算，均可以求得上述结果31II.有多个设备过程的物料衡算3.1物料衡算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。例：有两个设备的过程，如下图所示，可以划分成三个衡算体系：每个衡算体系均可列出相应的衡算方程。若每个设备的输入和输出物料中均含有3个组分，则每个体系可写出3+1个衡算方程，其中有3个是独立方程。如，体系A,B,C各有3个独立方程，每个体系的3个独立方程成为一组，共三组。这样，具有两个设备的过程，共有2+1组衡算方程（即设备I，II的2组方程和整个过程的1组方程）。但是，只有2组方程是独立的。所以，独立方程，总数应该是2×3个，就是最多能求出6个未知量323.1物料衡算例：有两个蒸馏塔的分离装置，将含有50%苯、30%甲苯和20%（mol%）二甲苯的混合物分成较纯的三