化工设计概论 第三章

1第三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。2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。3§3.1物料衡算一、物料衡算的概念：在化工过程中，物料平衡是指“在单位时间内进入系统（体系）的全部物料质量必定等于离开该系统（体系）的全部物料质量再加上损失掉的与积累起来的物料质量。”对物料平衡进行计算称为物料衡算。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。4二、物料衡算的分类1、按操作方式分为间歇操作、连续操作及半连续操作等三类物料衡算。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。5三、物料平衡方程式1、概念：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)62、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。(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。三、物料平衡方程式71、画出流程示意图稀溶液二次蒸汽F,wFW加热蒸汽冷凝水提浓液B，wB四、物料衡算的步骤82、列出主、副化学反应式3、确定计算任务4、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）5、选定计算基准（时间，质量，体积）6、建立物料平衡方程，展开计算7、整理并校核计算结果8、绘制物料流程图、填写物流表四、物料衡算的步骤91．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。五、物料衡算计算举例1011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=200kg122.有反应例2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。五、物料衡算计算举例13解：画出流程图空气(过量50%)CH3OHHCHOH2ON2催化反应器CH3OH计算过程14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)=0.75mol15计算结果组分molmol%CH3OH0.2505.0HCHO0.75015.2H2O0.75015.2O20.3757.6N22.82057.0总计4.945100.016一、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。§3.2能量衡算17二、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；18二、能量衡算可以解决的问题(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。19能量衡算平衡方程式△E=Q-W△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。三、能量平衡方程式201、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。）四、热量衡算212、热量衡算方程式∑Q入=∑Q出+∑Q损式中:∑Q入一输入设备热量总和；∑Q出—输出设备热量总和；∑Q损—损失热量总和。四、热量衡算223、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T、P、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，故选此温度为基准计算比较方便。相态的确定也很重要；(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。四、热量衡算234、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。四、热量衡算24(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kJ/台换算为kJ/h。(5)选定设备的换热面积要大于理论计算。4、进行热量衡算注意事项四、热量衡算25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：五、热量衡算举例26271.一种废酸，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。作业