3第三章物料衡算与能量衡算

1/106第三章物料衡算与能量衡算02/106化工过程及过程参数化工工艺流程物料衡算热量衡算主要内容3/106§3.1工艺过程及过程参数主要内容包括：1.化工过程；2.化工工艺流程；3.化工过程开发；4.化工过程基本参数—温度、压力、流量、化学组成等基本概念。化工计算主要是应用守恒定律来研究化工过程的物料衡算和能量衡算问题。在进行计算时，必须熟悉有关化工过程的一些术语及基础知识。4/106§3.1工艺过程及过程参数§3.1.1化工过程化工过程：是指由原料经化学处理和物理处理加工成化学产品或中间产品的生产过程。它包括许多工序，每个工序又由若干个或若干组设备（如反应器、蒸馏塔、吸收塔、干燥塔，分离器、换热器及输送设备等等）组合而成。物料通过各设备时，完成某种化学或物理处理，最终成为合格的产品。化工过程单元操作反应过程5/106§3.1工艺过程及过程参数§3.1.1化工过程化工过程单元操作：不改变物料的化学性质，只改变物理性质。如流体输送、传热、蒸馏、干燥、蒸发、结晶、萃取、吸收、吸附、过滤和破碎等反应过程：改变物料的化学性质。如氢和氮合成氨的反应；乙烯氧化成环氧乙烷的反应。6/106§3.1工艺过程及过程参数§3.1.1化工过程化工设备所进行的主要操作混合化学反应是整个化工过程的核心。平衡收率反应速度控制或减少副反应分离或提纯蒸馏结晶萃取改变温度改变压力7/106§3.1工艺过程及过程参数§3.1.1化工过程发现一种新的化学反应使之实施于生产或开发一个新的化工过程，从技术角度来考察，主要决定于下述三类因素：（3）机械设备、仪表及控制手段：（1）化学工艺因素：（2）化学工程因素：反应体系本性、温度、压力、组成、催化剂等操作条件以及体系的反应速度、转化率、循环比等。体系的物性、相态、热性质、传递性质、传热传质方式、物料（流体及固体）输送、反应技术、分离技术等。设备材料、制造、贮运、安装、维修、检测、备品备件、正常操作及事故处理等。8/106§3.1工艺过程及过程参数§3.1.2化工过程化工过程常用流程图来表示。所谓流程图，就是把生产过程中物料经过的设备按其形状画出示意图，并画出各设备之间的主要物料管线及其流向。简化的流程图可以用方框来表示设备或设备组，称方框流程图。在工艺流程设计中，还有其他类型的流程图，如表明物料量的物料流程图、以装置为单元的装置流程图、以管线为主的管线流程图以及带测量仪表控制点的流程图等。9/106§3.1工艺过程及过程参数§3.1.2化工过程10/106§3.1工艺过程及过程参数§3.1.3化工过程的开发化工过程开发是指一个化学反应从实验室过渡到第一套生产装置的全部过程。化工过程开发，首先是决定于化学反应的可能性、转化率及反应速度是否具有工业价值，产物分离的难易程度以及机械、设备、材料是否可行。当然，最终取决于是否有经济效益。化工过程开发的第一步就是要设计一个流程图。由于化学反应或产物的分离可用不同的方法来完成，因此，设计流程时，必须选择一个安全、可靠、经济效益高的最佳方案。11/106§3.1工艺过程及过程参数§3.1.3化工过程的开发实例：3H2＋N22NH3Fe高温、高压基本工艺步骤1.气体的压缩2.气体的预热和合成3.氨的分离4.未反应氢、氮气体的循环5.惰性气体的排放12/106§3.2工艺基础数据§3.2.1化工基础数据种类在化工计算以及化工工艺和设备设计中，必不可少地要用到有关化合物的物性数据。(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、气一液平衡关系等。(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。13/106§3.2工艺基础数据§3.2.2化工基础数据来源1、查手册或文献资料有关常用物质的物性数据，前人已系统地进行归纳总结，从表格或图的形式表示。这些致据可从有关的化学化工类手册或专业性的化工手册中查到。2、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。3、用实验直接测定。14/106§3.2工艺基础数据§3.2.2化工基础数据来源外文中文15/106§3.3化工过程类型§3.3.1间歇操作、连续操作以及半连续操作1.闻歇操作过程：原料在生产操作开始时一次加入，然后进行反应或其他操作，一直到操作完成后，物料一次排出，即为间歇操作过程。此过程的特点是在整个操作时间内，再无物料进出设备，设备中各部分的组成、条件随时间而不断变化。2.连续操作过程：在整个操作期间，原料不断稳定地输入生产设备，同时不断从设备排出同样数量（总量）的物料。设备的进料和出料是连续流动的，即为连续操作过程。在整个操作期间，设备内各部分组成与条件不随时间而变化。3.半连续操作过程：操作时物料一次输入或分批输入，而出料是连续的，或连续输入物料，而出料是一次或分批的。16/106§3.3化工过程类型§3.3.2稳定状态操作和不稳定状态操作1.稳定状态操作整个化工过程的操作条件（如温度、压力、物料量及组成等）如果不随时间而变化，只是设备内不同点有差别，这种过程称为稳定状态操作过程，或称稳定过程。2.不稳定状态操作如果操作条件随时间而不断变化的，则称为不稳定状态操作过程，或称不稳定过程。间歇过程及半连续过程是不稳定状态操作。连续过程在正常操作期间，操作条件比较稳定，此时属稳定状态操作多在开、停工期间或操作条件变化和出现故障时，则属不稳定状态操作。017/106§3.4物料衡算§3.4.1基本原理A.物料衡算的目的1.确定原材料的消耗定额，判断是否达到设计要求。2.确定各设备的输入及输出的物流量，摩尔分率组成及其他组成表示方法。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料选择，仪表及自动控制等018/106§3.4物料衡算§3.4.1基本原理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、设计参数及试验室试验或中试等数据，主要有：①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。②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。③特殊化学品的物性，如沸点、熔点、饱和蒸汽压、闪点等019/106§3.4物料衡算§3.4.1基本原理C.物料衡算的基准1.时间基准：①连续生产：一段时间的投料量或生产产品量作为计算基准；②间歇生产：一釜或一批料的生产周期作为基准例：年产300kt乙烯装置，年操作时间为8000h，则每小时的平均产量为37.5t。年处理量为9000kt炼油厂，年操作时间为8000h，则每小时的平均产量为1125t。020/106§3.4物料衡算§3.4.1基本原理C.物料衡算的基准2.质量基准：①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②如果原料或产品是单一化合物，或由已知组成百分数和组分分子量的多组分组成，可用物质的量作为计算基准例：以石油、煤、矿石为原料的化工厂，可采用一定量的原料为基准。1kg、1000kg、100t以氮和氢为原料合成氨的工艺过程，可采用物质的量为基准。021/106§3.4物料衡算§3.4.1基本原理C.物料衡算的基准3.体积基准：①对气体物料进行衡算时选用体积基准②应将实际情况下的体积换算为标准状态下的体积例：在化工生产过程中经常使用的干空气以及在合成氨中使用的原料煤气和水煤气就可以用体积为基准用m3（STP）表示022/106§3.4物料衡算§3.4.1基本原理C.物料衡算的基准4.干湿基准生产中的物料，不论是气态、液态还是固态，均含有一定量的水分，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。例：通常水空气中含氧21%，含氮79%，这是以干基计算的如果把水蒸气计算在内，氧和氮的百分比就变了。甲烷水蒸气催化转化制取氢气，转化炉的进料量，以干基计算为7×103m3（STP)/h，如以湿基计算则可达到3×104m3（STP)/h湿基：化肥、农药等化工产品，尿素、甲醛、乙醇。干基：硝酸023/106§3.4物料衡算§3.4.1基本原理D.物料衡算的程序1.确定衡算的对象、体系与环境，并画出计算对象的草图体系输入物料输出物料整个生产流程操作单元过程中的部分工段或工序某一设备24/106§3.4物料衡算§3.4.1基本原理D.物料衡算的程序2.确定计算任务，明确哪些是已知项，哪些是待求项，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，并注明物料变量5.收集数据资料：设计任务书中已知条件；物理化学参数a)生产规模和生产时间b)有关定额和技术指标c)原辅材料、产品、中间产品的规格d)与过程有关的物理化学参数25/106§3.4物料衡算§3.4.1基本原理D.物料衡算的程序6.列出物料衡算方程：依据是质量守恒定律进入过程单元的物料量Fi流出过程单元的物料量F0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＝（Fi-F0）＋（Dp-Dr）＝Wa)稳定有反应操作过程：（Fi-F0）＋（Dp-Dr）＝0b)不稳定无反应操作过程：（Fi-F0）＝Wc)稳定无反应操作过程：（Fi-F0）＝026/106§3.4物料衡算§3.4.1基本原理D.物料衡算的程序7.列出过程的全部独立的物料衡算方程式及其他相关约束式，化学反应方程式，明确反应前后物料组成和各个组分之间的定量关系、转化率、选择性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Nv＝Ns(Nc＋1)＋NpNv－系统的总变量；Ns－物流中的组分数；Nc－物流的股数；Np－设备参数Nd＝Nv－NeNd－设计变量数；Ne－独立方程数；27/106§3.4物料衡算§3.4.1基本原理D.物料衡算的程序10.整理计算结果，并根据需要列成原材料消耗表11.绘制物料流程图序号原料名称单位规格成品消耗定额（单耗）每小时消耗量每年消耗量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kg工业级0.2251.355氮气m3(STP)99.5%3630m3/h21.6×1046熔盐kg工业级0.321.97燃料油t0.8150.6649108包装袋套450×8004033.3240×103原材料消耗一览表（三聚氰氨）28/106§3.5物料衡算举例§3.5.1无反应过程的物料衡算[例3-1]某化工厂要求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所示，要求有已知的资料，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。吸收塔蒸馏塔冷凝器水F11200kg/h混合气体F21.5(mol)%丙酮空气F3产品F4丙酮99%,水1%废料F5：丙酮5%，水95%29/106§3.5物料衡算举例§3.5.1无反应过程的物料衡算分析：本系统包括三个单元：吸收塔、蒸馏塔和冷凝器。除混合气体外均以质量分数表示，所以及其换算成质量分数。进入系统物流两个，离开三个，已知项一个，因此未知项有四个。组成kmolkg质量,(mol)%丙酮1.5872.95空气98.5286097.05总计1002947100.00以100kmol为基准总物料平衡式：1200＋F2＝F3＋F4＋F5丙酮：0.0295F2＝0.99F4＋0.05F5水：1200＝0.01F4＋0.95F5空气：0.9705F2＝F3结论：只有3个独立方程，不能求解，应补充数据：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.进入蒸馏塔的组分30/106§3.5物料衡算