Aspen物料衡算与能量衡算

1化工计算与软件应用第二章物料衡算与能量衡算1南京工业大学包宗宏物料衡算是化工生产过程中，用以确定物料比例和物料转变定量关系的计算过程，这是化工工艺计算中最基本、最重要的内容之一。物料衡算的结果也是能量衡算的依据，掌握物料带入或带出体系的能量多少，以计算化工过程需要提供或移除的热量，控制能量的供给速率和放热速率，进—步算出物质之间交换的热量以及整个过程的热量分布情况。因此，物料衡算与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。在用化工模拟软件进行流程的物料衡算与能量衡算时，虽然可以大大提高计算的速率，但仍然需要遵守物料衡算与能量衡算的基本规则，把规则应用于软件的操作之中，软件计算结果才可能合理与可行。2/40南京工业大学包宗宏2.1衡算方法2.1.1基本概念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。在化工过程中，能量衡算是根据能量守恒定律，利用能量传递和转化的规则，以确定能量比例和能量转变定量关系的过程。能量衡算的理论依据是热力学第一定律，即体系的能量总变化(ΔE)等于体系所吸收的热减去环境对体系所做的功。简单化工操作单元的能量衡算可以手工进行，复杂化工流程的能量衡算手工计算非常困难，而任何情况下使用模拟软件进行化工过程的能量衡算都是很方便的。3/40南京工业大学包宗宏2.1.2衡算方程式化工工艺计算中的物料平衡是指“在单位时间内进入衡算系统的全部物料质量，必定等于离开该系统的全部物料质量、加上损失掉与积累起来的物料质量。”连续流动系统的总能量衡算式是柏努利方程式，即：在进行设备的能量衡算时，位能变化、动能变化、外功等项相对较小，可忽略不计，因此稳流系统总能量衡算可简化为热量衡算。4/40南京工业大学包宗宏2.1.3衡算的基本步骤(1)收集数据资料。一般需要收集的数据和资料包括生产规模和生产时间(即年生产时数)、有关的定额、收率、转化率、原料、辅助材料、产品、中间产品的规格、与过程计算有关的物理化学常数等。(2)选定计算基准。温度的因次可采用“℃”或“K”，压力的因次可采用“kPa”、“atm”或其它，压力基准可选用绝对压力或表压。物流量的计算基准可选质量基准、摩尔基准、体积基准。对于连续生产，以“s、h、d”作为投料量或产品量的时间基准。用模拟软件进行衡算时，以单位时间的投料量为起点进行计算比较方便。当系统介质为固体或液体时，一般以质量为计算基准，对气体物料进行计算时，一般选体积作为计算基准。5/40南京工业大学包宗宏2.1.3衡算的基本步骤(3)确定化学反应方程式。列出各个过程的主、副化学反应方程式，明确反应和变化前后的物料组成及各个组分之间的定量关系，若计算反应器大小，还需要掌握反应动力学数据。(4)确定计算任务。根据工艺流程示意图和化学反应方程式，分析物流热流经过每一过程、每一设备在数量、组成、及物流热流走向所发生的变化。(5)画出工艺流程示意图。着重考虑物流热流的流向，对设备的外形、尺寸、比例等并不严格要求，与物料、能量衡算有关内容必须无一遗漏，所有物流热流管线均须画出。6/40南京工业大学包宗宏2.1.3衡算的基本步骤(6)根据工艺流程图抽象出模拟流程。要充分理解基本工艺路线，明确本流程的主干与枝干，选择软件中合适的模块、或模块组合构成软件模拟流程，以反映流程的模拟需求。(7)校核计算结果。当计算全部完成后，对计算结果进行整理，编制物料热量平衡表或绘制物料流程图。通过物料热量平衡表可以直接检查计算是否准确，分析结果组成是否合理，并易于发现存在问题，从而判断其合理性，提出改进方案。7/40南京工业大学包宗宏2.1.4用软件进行物料衡算与能量衡算的要点(1)选择合适的因次模板。因次模板是ASPENPLUS软件为不同工艺过程编制的因次集，分为普通模拟过程与石油加工过程两大类，每大类又含有若干套，每套都包含英制与公制两种因次集，如表2-1。8/40南京工业大学包宗宏2.1.4用软件进行物料衡算与能量衡算的要点(2)选择合适的物性计算方法。ASPENPLUS软件把模拟计算一个流程所需要的热力学性质与传递性质的计算方法与计算模型都组合在一起，称之为性质方法，每种性质方法以其中主要的热力学模型冠名，软件中共有80多种性质方法供操作者选择使用。针对不同的模拟体系，选择合适的性质方法用于模拟过程是获得正确计算结果的前提。几乎所有的单元操作模型都需要热力学性质与传递性质的计算,其中主要有逸度系数、相平衡常数、焓、熵、Gibbs自由能、密度、粘度、导热系数、扩散系数、表面张力等。没有任何一个热力学模型与传递模型能适用于所有的物系和所有的过程。因此，性质方法的恰当选择和正确使用决定着计算结果的准确性、可靠性和模拟成功与否。9/40南京工业大学包宗宏CaseStudy-AcetoneRecoveryCorrectchoiceofphysicalpropertymodelsandaccuratephysicalpropertyparametersareessentialforobtainingaccuratesimulationresults.IdealApproachEquationofStateApproachActivityCoefficientModelApproachPredictednumberofstagesrequired11742Approximatecostindollars520,000390,000880,000FEEDOVHDBTMSCOLUMN5000lbmol/hr10mole%acetone90mole%waterSpecification:99.5mole%acetonerecovery11常见有机化合物极性增加顺序：烃醚醛酮酯醇二醇水烃醚醛酮酯醇二醇水烃醚醛酮酯醇二醇水烃醚醛酮酯醇二醇水烃醚醛酮酯醇二醇水烃醚醛酮酯醇二醇水烃醚醛酮酯醇二醇水烃醚醛酮酯醇二醇水南京工业大学包宗宏模拟体系含极性物质不含极性物质全是真实组分含虚拟组分PR,LK-PLOCK,PR-BM,PKS,RKS-BM及其衍生方程CHAO-SEA,GRAYSON,BK10P0.1MPa真空BK10,IDEAL南京工业大学包宗宏模拟体系含极性物质不含极性物质不含电解质含电解质PSRK,PR,RKS及其衍生方程ELECNRTL,PITZER及其衍生方程P1MPaP1MPa有二元交互作用参数无二元交互作用参数SR-POLAR,PRWS,RKSWS及其衍生方程南京工业大学包宗宏含极性物质不含电解质含电解质P1MPaP1MPa无二元交互作用参数液液平衡汽液平衡UNIFAC-LL有汽相缔合无汽相缔合UNIF-NTH,UNIF-HOCUNIFAC及其衍生方程有二元交互作用参数液液平衡汽液平衡NRTL,UNIQUAC及其衍生方程有汽相缔合无汽相缔合WILS,NRTL,UNIQUAC及其衍生方程六聚二聚WILS-HF含-HOC的衍生活度系数方程南京工业大学包宗宏2.1.4用软件进行物料衡算与能量衡算的要点若性质方法选择不当，只要模拟过程收敛，即使结果不合理，软件也不会提示出错信息。另一方面，即使性质方法选择正确，但使用不当也会产生错误结果。因为性质方法计算的准确程度由模型方程式本身和它的用法所决定，如热力学模型的使用往往涉及原始数据的合理选取、模型参数的估计、从纯物质参数计算混合物参数时混合规则的选择等问题，均需要正确处理。使用图2-1的前提是已知模拟过程的物流组成、体系压力、温度范围。图2-1并未概括软件中所有的物性方法，随着软件版本的更新，新的物性方法也会不断充实进来，但该图给出了一个物性方法的选择方向。15/40南京工业大学包宗宏2.1.4用软件进行物料衡算与能量衡算的要点(3)输入组分的数量要完整。用软件进行物料衡算时，首先必须向软件输入组分名称，通知软件调用数据库中该组分的全部物性数据参与运算。在模拟计算起始向软件输入组分时，一定要把化学反应中可能新生成的组分添加进去。对于非数据库组分，可按照1.3节介绍的方法，将运行模式改成“PropertyEstimation”，对非数据库组分的物性进行估算后，再将软件运行模式改成“Flowsheet”进行物料衡算。对于含电解质的过程，要考虑可能存在的离子反应，借助于软件中的电解质向导，确认体系中的真实组分、表观组分、结晶化合物。16/40南京工业大学包宗宏2.1.4用软件进行物料衡算与能量衡算的要点(4)熟悉模块功能及其计算方法。软件中的模块本质上是计算方法的图形显示，有的一个模块仅对应一种算法，有的一个模块可包含几种算法，可根据运算操作者意愿选择运行。熟悉软件的模块功能，可快速正确地建立起物料衡算的模拟流程。(5)了解软件对物性术语的缩写。ASPENPLUS是全英文软件，操作界面上的指令都用英文全名表示，易于理解。但物流的物性均用缩略语表示，很难记忆。在编制物料平衡表时，需要同时列出各物流的物性，这就要向软件提出输出特定物性数据的要求，若能熟悉软件常用物性术语的缩写方式，则可方便地输出物流的物性。17/40南京工业大学包宗宏2.1.4用软件进行物料衡算与能量衡算的要点(6)尽量使用软件自带的过程数据包。在软件安装目录中，有一个“GUI”文件夹，包含了多个软件模拟计算例题的子文件夹。“App”文件夹：对各种化工过程完整模拟的文件；“Asy”文件夹：提供原始实验数据，包含了全球各地原油的实沸点数据；“Elecins”文件夹：综合过程数据包与电解质过程数据包，包含93个电解质过程的“.bkp”数据包文件；“Datapkg”文件夹：包含了15个综合化工过程的“.bkp”数据包文件。每个数据包文件对模拟体系的组分、工艺条件、物性方法已经确定，尤其是包含了针对该体系的热力学基础数据，部分还包含了动力学数据。对于电解质过程，数据包文件中包含了体系中的全部分子组分与离子组分，各级电离过程的反应方程式、化学反应平衡常数与各离子对的二元交互作用参数。以软件自带的“.bkp”数据包文件作为模拟计算的起点，可以免除物性方法选择、反应方程式输入等步骤，直接进行流程绘制与物流输入，模拟计算结果正确的可能性要大得多。如果“.bkp”数据包文件中的组分与操作者欲模拟计算过程的组分有少量的差异，也可以对数据包文件中的组分进行调整。18/40南京工业大学包宗宏2.1.4用软件进行物料衡算与能量衡算的要点(7)学会判断计算结果的正确性。当一个模拟过程运算正常收敛后，软件状态栏上提示“ResultsAvailable”，表示计算有了结果，这并不表示结果正确。结果是否正确，不能指望模拟软件提供结论,而应依靠自己的判断。判断的基础是运算操作者对模拟过程的细致了解、化工专业知识的深刻领会、模拟过程工业背景的熟悉程度、工业装置的现场操作数据等综合评价。19/40南京工业大学包宗宏2.2.1混合过程多股物料的混合与一股物料分流成多股物料是化工生产中常见的操作，其物料衡算可以用ASPENPLUS中的混合器与分流器进行模拟。例2-1.混酸过程。eh2so4.aprbkp数据包。现用三种酸配制硝化混合酸，原料浓硝酸、浓硫酸、循环酸的质量配比为1:2:2，设混合过程绝热。求：⑴混合酸的组成；⑵混合酸的温度、密度、粘度、表面张力。2.2简单物理过程20/40南京工业大学包宗宏例2-2.蒸汽分配。某硫磺回收装置的废热锅炉产生4MPa（g）的饱和水蒸汽25000kg/h。此蒸汽的68%进入全厂蒸汽管网，15%用于对进入酸性气燃烧炉的空气进行预热，5%用于对进入酸性气燃烧炉的酸性气体进行预热，7%用于对进入第一级CLAUS反应器的酸性气体进行预热，5%用于对进入第二级CLAUS反应器的酸性气体进行预热。求各股蒸汽的流率。2.2.1混合过程21/40南京工业大学包宗宏2.2.1混合过程例2-3.氨气吸收。nh3co2.aprbkp数据包。用水在10块理论版的塔中吸收空气中的氨。已知空气中含体积分数0.05的氨，空气流率10000m3/h，20℃，1bar。