3物料衡算与能量衡算

3.物料衡算与能量衡算本章主要内容物料衡算热量衡算运用计算软件进行化工工艺计算物料衡算的定义运用能量守恒定律，对生产过程或设备进行研究，计算输入或输出的物流量及组分等。3.1物料衡算3.1.1基本原理A.物料衡算的目的B.物料衡算的依据C.物料衡算基准D.物料衡算程序A.物料衡算的目的（1）原材料消耗定额，判断是否达到设计要求。（2）各设备的输入及输出的物流量，摩尔分率组成及其他组成，并列表，在此基础上进行设备的选型及设计，并确定三废排放位置、数量及组成，有利于进一步提出三废治理的方法。（3）作为热量计算的依据。（4）根据计算结果绘出物流图，可进行管路设计及材质、仪表及自控设计的选取等。B.物料衡算的依据（1）设计任务书中确定的技术方案、产品生产能力、年工作时间及操作方法。（2）建设单位或研究单位所提供的要求、设计参数及实验室试验或中试等数据，主要有：a）化工单元过程的主要化学反应方程式、反应物配比、转化率、选择性、总收率、催化剂状态及加入配比量、催化剂是否回收使用、安全性能（爆炸上下限）等。b)原料及产品的分离方式，各步的回收率，采用物料分离剂时，加入分离剂的配比。c)特殊化学品的物性，如沸点、熔点、饱和蒸汽压、闪点等。（3）工艺流程示意图C.物料衡算基准时间基准质量基准体积基准干湿基准（1）时间基准对于连续生产，以一段时间间隔作为计算基准，如1秒、1小时、1天等的投料量或产品量。这种基准可直接联系到生产规模和设备设计计算，如年产300万吨乙烯装置，年操作时间为8000h，每小时的平均产量为37.5t。对间歇生产，一般可以一釜或一批料的生产周期作为基准。（2）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是合适的。如以煤、石油、矿石为原料的化工过程采用一定量的原料，例如：1kg、1000kg等作基准。如果所用原料或产品系单一化合物，或者由已知组成百分数和组分分子量的多组分组成，那么用物质的量（摩尔）作基准更方便。（3）体积基准对气体物料进行衡算时选用体积基准。这时应将实际情况下的体积换算为标准状态下的体积，即标准体积，用m3（STP）表示。（4）干湿基准生产中的物料，不论是气态、液态和固态，均含有一定的水分，因而在选用基准时就有算不算水分在内的问题。不计算水分在内的称为干基，否则为湿基。物料衡算的程序1（1）确定衡算的对象、体系与环境，并画出计算对象的草图。对于整个生产流程，要画出物料流程示意图（或流程框图）。绘制物料流程图时，要着重考虑物料的种类和走向，输入和输出要明确（2）确定计算任务，明确哪些是已知项，那些是待求项，选择适当的数学公式，力求计算方法简便（3）确定过程所涉及的组分（4）对物流流股进行编号，并标注物流变量物料衡算的程序2（5）收集数据资料（6）列出物料衡算方程（7）列出过程的全部独立物料平衡方程式及其他相关约束式（8）选择计算基准（9）统计变量个数与方程个数，确定设计变量的个数及全部设计变量（10）整理计算结果（11）绘制物料流程图(5)收集数据资料a）生产规模和生产时间。生产规模为设计任务中所规定，生产时间指全年的有效生产天数b）有关的定额和技术指标。这类数据通常指产品单耗、配料比、循环比、固液比、汽液比、回流比、利用率、转化率、选择性、单程收率、总收率等。有些数据由经验确定。c）原辅材料、产品、中间产品的规格，包括原料的有效成分和杂质含量，气体或液体混合物的组成等。d）与过程有关的物理化学参数。列出物料衡算方程即：（Fi-F0）+（Dp-Dr）＝W（3-1）进入过程单元的物料量Fi流出过程单元的物料量Fo在过程单元内生成的物料量Dp在过程单元内消耗的物料量Dr过程单元内积累的物料量W物料衡算方程的简化形式稳定操作过程（Fi-F0）+（Dp-Dr）＝0系统内无化学反应（Fi-F0）＝W系统内无化学反应的稳定操作过程（Fi-F0）＝0原材料消耗一览表序号原料名称单位规格成品消耗定额（单耗2）每小时消耗量每年消耗量备注1尿素t含氨量≥46.3％2.31.75108002液氨t99.5％0.20.14710703催化剂t0.01604道生1kg工业级0.2251.355氮气m3(STP)99.5％3630m3/h21.6×104≥0.4Mpa6熔盐kg工业级0.321.97燃料油t0.8150.6649108包装袋套450×8004033.3240×103物料衡算举例A．无化学反应过程的物料衡算B．有化学反应的物料衡算C．带循环和旁路过程的物料衡算A．无反应过程的物料衡算在系统中，物料没有发生化学反应的过程，称为无反应过程。这类过程通常又称为化工单元操作，诸如流体输送、粉碎、换热、混合、分离（吸收、精馏、萃取、结晶、过滤、干燥）等。例题3-1设计一套从气体中回收丙酮的装置系统，并计算回收丙酮的费用。系统的流程框图如图3-1所示，要求由已知的条件，列出各物流的流率（kg/h）,以便能确定设备的大小，并计算蒸馏塔的进料组分。流程图吸收塔蒸馏塔冷凝器水F11200kg/h空气F3混合气体F2，1.5（mol）%丙酮废料F5:丙酮5%，95%产品F4丙酮99%，水1%图3.1水已知物料参数表组成kmolkg质量，（mol）%丙酮1.5872.95空气98.5286097.05总计1002947100.00例题3-1解可列出总物料平衡式：1200+F2=F3+F4+F5各组分平衡式：丙酮0.0295F2=0.99F4+0.05F5水1200=0.01F4+0.95F5空气0.9705F2=F3补充数据（1）每小时进入系统的气体混合物，离开系统的产品或废液的物流量（2）进入蒸镏塔的组分B．有反应的物料衡算（1）直接计算法；（2）利用反应速率进行物料衡算；计算方法（3）元素平衡；（4）以化学平衡进行衡算；（5）以结点进行衡算；（6）利用联系组分进行衡算。例题3-2年产300t对-硝基乙苯工段物料衡算，原料乙苯纯度95％，硝化混酸组成为：HNO332%，H2SO456%，H2O12%。粗乙苯与混酸质量比1：1.885。对硝基乙苯收率50％，硝化产物为硝基乙苯的混合物，其比例对：邻：间＝0.5：0.44：0.06。配置混酸所用的原料：H2SO493%，HNO396％及H2O，年工作日300天，假设转化率为100％，间歇生产。解：（1）画出流程示意图，确定计算范围。配置硝化分离H2SO4,93%HNO3，93%H2O废酸硝化物乙苯，95%图3.2（2）原料乙苯量1C2H5+HNO3H2SO4,H2OC2H5NO2C2H5NO2C2H5NO2+H2OG1G2G3G4G5M：106.1763151.1718.02基准：间歇生产，以每天生产的kg为基准（2）原料乙苯量2对硝基乙苯：G3==1000kg乙苯量：G1==1404.6kg原料乙苯量：1404.6/0.95＝1478.6kg杂质量：1478.6-1404.6＝74kg（3）配酸酸量混酸量：1478.6×1.855=2742.8kg纯HNO3量：2742.8×0.32＝877.7kg96%HNO3量：877.7/0.96=914.3kg纯H2SO4量：2742.8×0.56=1536kg93%H2SO4量：1563/0.93=1651.6kg加水量：2742.8-914.3-1651.6＝176.9kg（4）硝化已知转化率为100％，G3：G4：G5=0.5：0.44：0.06硝化物产量：＝1999.7kg其中硝基乙苯：对位：1999.9×0.5＝1000kg邻位：1999.9×0.44＝880kg间位：1999.7-1000-880=119.7kg废酸量HNO3消耗量：×63＝833.5kgH2O生成量：×18.02＝238.4kg废酸中HNO3量：877.7-833.5＝44.2kgH2SO4量：1536kgH2O量：329.1+238.4＝567.5kg废酸总量：44.2+1536+567.5＝2147.7kg废酸组成：HNO32.06％，H2SO471.52%，H2O26.42%17.1066.140417.1066.1404表3-2硝化过程的物料衡算表输入输出组分质量，kg/d组分质量，kg/dHNO3877.7HNO344.2H2SO41536H2SO41536H2O329.1H2O567.5C6H5-C2H51404.6C6H5-C2H5硝基乙苯对位邻位间位1000880119.7杂质74杂质74合计4221.4合计4221.4例3-3合成氨原料气中的CO通过变换反应器而除去，如图3-3所示。在反应器1中大部分转化，反应器2中完全脱去。原料气是由发生炉煤气（78％N2，20％CO，2％CO2）和水煤气（50%H2，50％CO）混合而成的半水煤气。在反应器中与水蒸汽发生反应。得到物流中Ｈ２与Ｎ３之比为３：１，假定水蒸汽流率是原料气总量（干基）的两倍，同时反应器1中CO的转化率为80%,试计算中间物流（4）的组成。图3－3N278%,CO20%CO22%，F1H250%，CO50%F2F3反应器1反应器2F4N2，H2，H2OCO,CO2F5N2,CO2H2,H2OH2OCO+H2OCO2+H2解基准：物流1为100mol/h；正反应的反应速率为r（mol/h）（1）过程先由总单元过程摩尔衡算式进行计算，总衡算式为：N2衡算F5，N2=0.78×100＝78mol/hCO平衡0＝0.2×100+0.5F2–rH2O平衡F5,H2O＝F3–rCO2平衡F5,CO2＝0.02×100+rH2平衡F5,H2＝0.5F2+r已知H2与N2之比为3：1F5,H2＝3F5,N2＝3×78＝234mol/h原料气（干基）与水蒸汽之比为1：2F3＝2（F1+F2）将H2和CO平衡式相加，消去r，得：F2＝234-20＝214mol/h将F2值代入CO平衡式中，得：r＝20+107＝127mol/hF3＝2×（100+214）＝628mol/h最后，由CO2和H2O平衡得：F5,CO2＝129mol/h；F5,H2O＝628-127＝501mol/h（2）计算反应器1的反应速率，然后计算物流4的组成由反应速率的定义式得：r＝＝式中为I物质的转化率。已知反应器1中CO的转化率为0.80，由此得反应器1的反应速率：r＝＝0.8[0.2×100+0.5×214]＝101.6mol/hiiiFF/,,输入输出iiiF/,输入i/,输入F物流4中每一物流的流率已知r后，物流4中每一物流的流率可以用物料衡算求得，即：N2平衡：F4,N2＝0.78×100＝78mol/hCO平衡：F4,co＝127–r＝25.4mol/hH2O平衡：F4,H2O＝628–r＝526.4mol/hCO2平衡：F4,CO2＝2+r＝103.6mol/hH2平衡：F4,H2＝107+r＝208.6mol/h物流4的组成（摩尔分率）为：N2：0.083；CO：0.027；H2O：0.559；CO2：0.110；H2：0.221。C．带循环和旁路过程的物料衡算（1）试差法。估计循环流量，并继续计算至循环回流的那一点。将估计值与计算值进行比较，并重新假定一个估计值，一直计算到估计值与计算值之差在一定的误差范围内。（2）代数解法。在循环存在时，列出物料平衡方程式，并求解。一般方程式中以循环流量作为未知数，应用联立方程的方法进行求解。在只有一个或两个循环物流的简单情况，只要计算基准及系统边界选择适当，计算常可简化。一般在衡算时，先进行总的过程衡算，再对循环系统，列出方程式求解。对于这类物料衡算，计算系统选取得好坏是关键的解题技巧。例3-4K2CrO4从水溶液重结晶处理工艺是将每小时4500mol含33.33％（mol）的K2CrO4新鲜溶液和另一股含36.36％（mol）K2CrO4的循