chap_1_物料与能量平衡

1Chap1物料和能量平衡全国勘察设计注册化工工程师执业资格考试辅导北京化工大学[e-mail]010-6441961921.1概论物料与能量平衡（衡算）重要性：是化工工艺设计和生产管理的重要基础解决问题：输入、输出、过程变化三者之间的质量和能量相互（平衡）关系－“黑箱理论”系统损失量系统积累量　　　　　　　输出系统输入系统量31.1.1物料和能量衡算的目的(1)为化工工艺设计与经济评价提供基本依据确定装置设计规模和生产能力计算主副产品的量、消耗定额、三废排放、公用工程消耗(2)为设备选型与基础设施建设提供依据设备尺寸与选型、管道选型、仪表设计、公用工程设计建筑、结构设计(3)为生产改进、生产成本降低和节能减排提供依据41.1.1物料和能量衡算的目的物料和能量平衡计算是化工技术人员必须熟练掌握的基本技能，也是学习和对化工过程进行深入研究时，推导数学模型基本方程的重要基础。51.1.2化工过程的分类定态过程（稳态过程）非定态过程（非稳态或动态过程）无反应过程有反应过程按照时间序列分类常见分类方法：按时间序列分类&按操作方式分类化工过程61.1.2化工过程的分类连续过程间歇过程半间歇过程按照操作方式分类（物料进料或出料方式）化工过程操作状态不同，衡算方程不同仅仅涉及物理变化的简单过程同时涉及物理和化学变化的复杂过程准确衡算必要前提，对生产过程类别及其特性的清晰认识71.2物料平衡计算1.2.1基本衡算关系（衡算体、衡算基准）依据：质量守恒定律1总体质量衡算系统损失量总和　　　　　　　　　　总和系统积累量　　　　　　　　　　输出系统质量总和　　总和输入系统质量82组分质量衡算系统损失量　系统积累量输出系统的量　化学反应量摩尔量）输入系统的量（质量或对组分:i3元素质量衡算系统损失量　系统积累量输出系统的量　摩尔量）输入系统的量（质量或对元素:j91.2.2基本衡算方法（1）画物料衡算简图含甲烷90%、乙烷10%的天然气与空气燃烧，得到的混合气含甲烷8%，试计算天然气应加入的空气量和得到的混合气量100mol天然气组成（1mol）CH40.9,C2H60.1Amol空气燃气加热炉Mmol混合气其中，1mol混合气组成CH40.08,C2H6x空气余量1-0.08-x体系环境123包含N2、O2、CO、CO2等若空气完全燃烧时则为N2和CO2的量10（2）选择物料衡算基准的一般规则1）选择已知量尽可能多的流股作为计算基准2）对于液体、固体物流，选择单位质量或摩尔数作为计算基准3）对于气体物流，选择单位体积或摩尔数作为计算基准4）对于连续流动体系，选择单位时间的处理量作为计算基准11（3）物料衡算基本步骤1）分析问题涉及的已知条件，待计算量2）画物料衡算简图，在图上标出已知信息3）用虚线画出物料衡算体系4）写出相关的化学反应方程式5）选择计算基准6）详细列出物料衡算式，进行计算7）汇总列出计算结果12范围：混合、精馏、吸收、萃取、干燥、结晶、蒸发、萃取等。物理过程1.2.3无化学反应过程的物料衡算定态下的质量衡算方程：系统损失量系统积累量输出系统的量　　　输入系统的量退化为：输出系统的量　输入系统的量对总体质量衡算、组分质量衡算和元素质量衡算同等有效。只要列出相应的物料衡算式，一般采用代数法即可求解。13一股输入（F）两股输出（P和W）简单物理过程稳态操作体系总体物料质量衡算式：F=P+W（1个）组分衡算方程（i＝1~n）：F·xFi=P·xPi+W·xWi（n个）限定性方程（i＝1~n，j＝1~m）：∑xj,i=1（m个）流股数已知时，共有（n+1）方程，但n个独立－n个未知数。自由度选取？方程选取？14例题1精馏塔的计算（P8）B38wt%T62wt%F=20000kg/hFDWB回收率97%B含量不大于2%D的流量与组成？W的流量与组成？B—苯；T—甲苯1.2.3.1简单过程的物料衡算15例题1精馏塔的计算1、已知条件、物料衡算简图与体系见前图；2、以进料物流为基准物流，以每小时的进料量为计算基准；3、设塔顶物流量为D，塔釜流量为W，则物料衡算方程为：FBFBWBDBFB%97xDxFxWxDxFWDF质量衡算方程：流出液中苯的回收要求：组分苯的质量衡算方程全塔总质量衡算方程：三个方程，两个独立16例题1精馏塔的计算上述方程组中：F=20000kg/h,xFB＝38%，xFT=62%,xWB=2%,塔顶苯的回收率为97％根据已知条件，求解上述方程组，得到如下结果：塔顶物流：D=8600kg/h,其中苯85.72%,甲苯14.28%塔底物流：W=11400kg/h,其中苯2％，甲苯98％WDFxWxFxFWBFBFB%97选取方程17例题2蒸发结晶过程计算（P9）一个结晶槽内装有60℃的NaHCO3饱和溶液1000kg。将此溶液冷却至20℃，若在冷却过程中进料溶液的水有5%蒸发掉，则溶液中结晶出的NaHCO3量是多少？已知NaHCO3在20℃和60℃的水中溶解度分别为9.6g/100gH2O和16.4g/100gH2O。分析：衡算体衡算基准单位换算衡算方程求解18解：①物料衡算流程简图以结晶槽为衡算体②计算基准选取以1000kg60℃的NaHCO3饱和溶液为物料衡算基准。③未知数设定设结晶出的NaHCO3为xkg，20℃的NaHCO3饱和溶液量为ykg19④溶解度单位换算为计算上的方便，需首先将以g/100gH2O为单位表示的NaHCO3的溶解度换算为质量百分含量%90.8514.10%-1OH%;10.141004.164.16NaHCO:C60%24.918.76%-1OH%;76.81006.96.9NaHCO:C2023o23o20⑤物料衡算关联式NaHCO3衡算：100014.10%=x+y8.76%H2O衡算：100085.90%=100085.90%5%+y91.24%联立求解得：x=62.65kg;y=894.4kg⑥结论题设条件下结晶出的NaHCO3量为62.65kg。211.2.3.2复杂过程的物料衡算对于有多个设备、无化学反应发生的复杂过程物料衡算，可以先划分出多个简单衡算体系。再进行计算。如下图两个设备的过程，可划分成A、B和C三个简单衡算体系。22例题3复杂过程的物料衡算精馏塔序列计算（P10）塔1塔21000mol/hB0.50T0.30X0.20S2mol/hB0.95T0.03X0.02S3mol/hBx3BTx3TXx3X12345S4mol/hB0.03T0.95X0.02S5mol/hB0.045T0.43X0.5655IIIB—苯；T—甲苯；X—二甲苯求算各流股的量及塔2的入料组成231、已知条件、物料衡算简图与体系见前图；2、以进料物流为基准物流，以每小时的进料量为计算基准；3、首先以总体系I为物料衡算体系，物料衡算的方程是：54254254243.095.003.03.01000:045.003.095.05.01000:1000:SSSTSSSBSSSTOTAL解得：S2=520mol/h,S4=150mol/h,S5=330mol/h例题3精馏塔序列的计算24例题3精馏塔序列的计算4、再以体系II为物料衡算体系，分别对总物料、苯和甲苯进行物料衡算：TBXTBXXXXSTXSBSTOTAL33333333133043.015095.0:3300045.015003.0:330150:结果：S3=480mol/h,X3B=0.0125,X3T=0.5925,X3X=0.39525例题4连续蒸发过程计算例4采用两个连续操作的串联蒸发器浓缩烧碱溶液。第一蒸发器入口的烧碱溶液流量为5t/h，烧碱质量分数为12%。第二蒸发器的入口烧碱质量分数为20%，出口烧碱质量分数为50%。求两个蒸发器每小时蒸发的水量和第二蒸发器送出的浓溶液量分别是多少？26解衡算基准1hA、B、C和D，共四个未知数衡算单元组合选取：(a)和(b)组合；(a)和(c)组合解法一：(a)和(b)组合hkgDhkgCDCBDCBbhkgBhkgABABAa/1200/1800%50%0%20NaOH)(/3000/2000%20%0%125000NaOH5000)(衡算　　总物料衡算　　对衡算　　总物料衡算　　对27解法二：(a)和(c)组合hkgDhkgCDDCAchkgBhkgABABAa/1200/1800%50%125000NaOH5000)(/3000/2000%20%0%125000NaOH5000)(衡算　　总物料衡算　　对衡算　　总物料衡算　　对281.2.4有化学反应过程的物料衡算1.2.4.1基本概念1.限制反应物（关键组分—一般为反应物）2.过量反应物及过量百分比A+BC+D3.反应转化率（摩尔）X（反应物）4.反应选择性S（产物）5.收率Y（产物）摩尔收率？质量收率？SXY29100%)(通入反应器的原料量参加反应的原料量orx100%100%反应掉的原料摩尔数原料摩尔数转化为目的产物消耗的目的产物摩尔数按反应掉原料应得到的尔数实际得到的目的产物摩选择性30100%100%通入反应器的原料质量实际所得目的产物质量质量收率选择性转化率数通入反应器的原料摩尔原料摩尔数转化为目的产物消耗的收率100%100%新鲜原料质量实际所得目的产物质量质量收率选择性转化率新鲜原料摩尔数摩尔数转化为目的产物的原料总收率311.2.4.2基本计算方法（1）直接计算法（2）联系组份法（3）元素衡算法（4）联合代数法32根据化学计量式，按照化学反应的消耗与生成比例关系直接计算。例如：3H2+N22NH3直接计算法：根据N2的消耗量，即可计算出氢气的消耗和氨的生成量，进而根据进料组成计算出产物混合气的组成信息。33联系组份法“联系组份”是指那些随原料进入反应体系，但是在反应过程中不参与任何化学反应，因而在体系内部其分子总量维持不变的那些化合物。最典型的“联系组分”是随空气进入体系的N2，但其总量在反应器进出口维持不变。根据联系组分的这种特征，可以将它作为不同流股间建立联系的“桥梁”，最终简化计算。34元素衡算法“元素衡算”的依据是“原子是化学变化的最小微粒”。如果所涉及的体系化学反应众多，或者无法计量反应的信息，则可以根据元素衡算法对体系进行衡算。典型的衡算式是：输入体系的元素数＝输出体系的同一种元素数35例题5综合应用题燃烧炉CH4H2Air:O221%N279%烟道气：N272.22%,CO28.13%,H2O17.16%,O22.49%问题1进料中CH4/H2的比例是多少？问题2燃料气（CH4＋H2）对空气的比例是多少？361应当选N2为联系组分;2选取100mol烟道气为基准，烟道气中N2量为72.22mol空气物流的输入量：72.22/0.79=91.42mol其中O2为91.420.21=19.20mol3燃烧炉进出口对碳元素平衡计算（获得1molCO2消耗1molCH4）,得知进口CH4为8.13molCH4燃烧耗O28.132=16.26mol；H2燃烧耗O219.2-16.26-2.49=0.45mol;进料中H20.90mol4结论：进料中CH4:H2=8.13:0.90=9:1(CH4+H2):AIR=(8.13+0.90):91.42=1:10OHOHOHCOOCH22212222422371.2.5具有循环、旁路、排放过程的物料平衡381.2.5.1基本概念1.单程转化率、收率：物料通过反应器一次所达到的转化率和收率2.总转化率、收率：新鲜原料