物料衡算与能量衡算

1第3章物料衡算与能量衡算2化工基础数据化工计算以及化工工艺和设备设计中，要用到有关化合物的物性数据。例如，进行化工过程物料与能量衡算时，需要用到密度或比容、沸点、蒸汽压、焓、热容及生成热等等的物性数据；设计一个反应器时，则需要知道化学反应热的数据；计算传热过程时，需要导热系数的数据等等。化工基础数据：物化数据或物性数据3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。热力学物性数据—如内能、焓、熵、热容、相变热、自由能、自由焓等。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。传递参数—如粘度、扩散系数、导热系数等。分类4物料衡算与能量衡算的概念物料衡算：运用质量守恒定律，对生产过程或设备的物料平衡进行定量的计算，计算出各股物流输入或输出的量及组分等，称之为物料衡算。能量衡算：以热力学第一定律为依据，对生产过程或设备的能量平衡进行定量的计算，计算过程中要供给或移走的能量，称之为能量衡算。能量是热能、电能、化学能、动能、辐射能的总称。化工生产中最常用的能量形式为热能，故化工设计中经常把能量计算称为热量计算。5物料衡算的质量守恒进入系统的质量流量—排出系统的质量流量=系统内质量的累积稳态过程进入系统的质量流量=排出系统的质量流量3.1物料衡算基本方法物料衡算的原理6物料衡算的目的1.确定原料的消耗量、副产品量以及输出过程物料的损耗量及三废生成量，判断是否达到设计要求（产品的技术经济指标）。2.作为热量计算的依据。3.根据计算结果绘出物流图，可进行管路设计及材质选择，仪表及自控设计、对生产设备和辅助设备进行选型或设计。7（1）设计任务书（2）建设单位或研究单位所提供的数据（3）工艺流程示意图物料衡算的依据8时间基准：对连续稳定过程，用单位时间的物料量作基准。质量基准：固体或液体物料，选用单位质量为基准；当量基准：对化学反应过程，选用kmol，因为反应为等当量反应。体积基准：气体物料，选用m3（STP），因它不随T、P变化。干湿基准：对含水分的物料，选干基（不计水分），即水分变化时选干基。物料衡算的基准91.确定衡算的对象、体系与环境，并画出计算对象的草图。包括求解系统、衡算范围、衡算边界物料衡算程序产品副产物或残渣进料旁路分离系统反应器循环流放空102.确定计算任务；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；5.收集数据资料：一类为设计任务所规定的已知条件；一类为与过程有关的物理化学参数。116.列出物料衡算方程0()()iprFFDDW0()()0iprFFDD0()iFFW=-+-进入衡算单元的物料量Fi衡算单元内积累的物料量W在衡算单元内消耗的物料量Dr在衡算单元内生成的物料量Dp流出衡算单元的物料量Fo0io(FF)a）稳定操作过程（即稳流过程）：b）系统内无化学反应：c）系统内无化学反应的稳定操作过程：0()0iFF12无反应过程指流体输送、粉碎、换热、混合、分离（吸收、精馏、萃取、结晶、过滤、蒸发、闪蒸、提浓、脱水、增湿、干燥）等化工单元操作。3.1.2物料衡算举例无反应过程的物料衡算13例3.1从气体中回收丙酮的装置进入系统的物流为两个，离开系统的物流为三个，其中一个已知物流量，四个物流是未知的。可列出总物料平衡式：各组分平衡式：丙酮：水：空气：但这4个方程式只有3个是独立，因此需1个设计变量。23451200FFFF物料衡算程序4512000.010.95FF2450.02950.990.05FFF230.9705FF14有反应过程的物料衡算S＋O2(空气)→SO2CO＋H2O(g)→H2＋CO2CH3OH＋1/2O2(空气)→HCHO＋H2O15⑴转化率某一反应物的反应量该反应物的输入量×100%xA=(2)选择性主产物生成量折成原料量反应消耗的原料量×100%=Φ3.2反应过程的物料衡算16产物的实际产量按原料计算得理论产量×100%η=(3)收率收率=转化率×选择性即η=x×Φ转化率、选择性和收率之间的关系：17（4）限制组分——较昂贵的反应物全部反应，较难得或要严格控制的反应物应充分利用（5）过量组分——价格低廉、易得的反应物过量在反应过程中，在数量上以最小化学计量系数存在的组分称为限制组分。在数量上超过完全反应所需理论量的组分称为过量组分。18例：原料气中有CO1mol，H2O(g)2mol，进行变换反应：CO＋H2O(g)→H2＋CO2用反应物的实际摩尔量除以各自对应组分的反应计量系数，此值最小者即为限制组分，其余为过量组分。所以，CO是限制组分，H2O(g)是过量组分。过量百分数：过量组分超过理论量的那部分占理论量的百分数。设：Nf为过量组分的实际用量（质量或mol量）Nt为过量组分的理论用量（质量或mol量）则：过量%=(Nf－Nt)/Nt×100%如上例：H2O(g)过量%=(2-1)/1×100%=100%1()11molCO22()()21molHOg19※几种衡算方法直接推算法原子衡算法平衡常数法联系组分法带有循环、放空及旁路的物料平衡进出物料的总质量进出物料中反应组分的质量进出物料中惰性组分的质量进出物料中各元素的质量无反应过程相等相等相等相等有反应过程相等不相等相等相等20例3-1年产10000t苯乙烯工段物料衡算（直接推算法）乙苯原料与水蒸气质量比1:1.5原料含量2%年工作时间8000h焦油选择性2%收率40%选择性90%（1）画出流程示意图，确定计算范围。反应器C6H5C2H5C6H5CH3、H2OC6H5C2H3、C6H6、C6H5CH3H2O、CH4、C、C2H4、H2选择性3%选择性5%21C6H5C2H5C6H5C2H3+H2(1)C6H5C2H5+H2C6H5CH3+CH4(2)C6H5C2H5C2H4+C6H6(3)C6H5C2H57C+3H2+CH4(4)选1000kg/h乙苯原料为计算基准表3-1各物料的摩尔质量（2）列出全部独立物料平衡方程式及相关数据物料C6H5C2H5C6H5C2H3C6H6C6H5CH3H2OCH4C2H4CH2摩尔质量/(g/mol)106104789218162812222纯乙苯1000kg/h×98%=980kg/h，9.245kmol/h；甲苯1000kg/h×2%=20kg/h，即0.217kmol/h；蒸汽量980kg/h×1.5=1470kg/h，即81.667kmol/h；乙苯转化率0.4/0.9=0.4444；参加反应的乙苯量980kg/h×0.4444=435.11kg/h，即4.109kmol/h；（3）计算各项物料流量23产物中各组分情况如下：未反应的乙苯（980-435.11）kg/h=544.89kg/h,即5.140kg/h;生成苯乙烯4.109kmol/h×90%=3.698kmol/h,即384.60kg/h;由各物质的选择性，有输出的甲苯4.109kmol/h×5%+0.217kmol/h=0.423kmol/h,即38.92kg/h;生成的苯4.109kmol/h×3%=0.123kmol/h,即9.60kg/h;生成的乙烯4.109kmol/h×3%=0.123kmol/h,即3.44kg/h;生成的碳4.109kmol/h×2%×7=0.575kmol/h,即6.9kg/h;24生成的甲烷4.109kmol/h×(5%+2%)=0.288kmol/h,即4.61kg/h;输出的氢4.109kmol/h×(90%-5%+2%×3)=3.739kmol/h,即7.48kg/h;输出水=输入水（不参与反应)1470kg/h;实际每小时要求苯乙烯产量10000×1000kg/8000h=1250kg/h;比例系数1250/384.60=3.25。25表3-2乙苯脱氢反应器物料衡算数据组分输入输出摩尔流量/(kmol/h)质量流量/(kg/h)摩尔流量/(kmol/h)质量流量/(kg/h)C6H5C2H530.046318516.7051770.89C6H5CH30.705651.375126.49H2O265.4184777.5265.4184777.5C6H5C2H3----12.0191249.95C6H6----0.00431.20C2H4----0.00411.18CH4----0.93614.98C----1.86922.43H2----12.15224.31合计296.1698027.5310.4828028.9326例3-2碳酸钠溶液苛化物料衡算（原子平衡法）苛化反应器CaCO3CaOCa(OH)2x/Wy/Wz/WFNaOH0.59%Na2CO314.88%H2O84.53%CaCO313.48%Ca(OH)20.28%NaOH0.61%Na2CO310.36%H2O75.27%问：每100kg苛化液需加石灰和碳酸钠溶液的质量以及石灰的组成解：设碳酸钠溶液质量为F(kg)，石灰的质量为W(kg)。设石灰中CaCO3、CaO、Ca(OH)2质量分别为x、y、z基准：100kg苛化液27Na2CO3溶液中苛化钠溶液中物料摩尔质量/(kmol/h）质量/kg物质的量/kmol物料摩尔质量/(kmol/h)质量/kg物质的量/kmolNaOH400.59%F0.000148FNaOH4010.360.2590Na2CO310614.88%F0.001404FNa2CO31060.610.00575H2O1884.53%F0.04696FH2O1875.274.18Ca(OH)2740.280.00377CaCO310013.480.1347表3-3各种物料质量和物质的量计算结果28Na平衡：0.000148F+0.001404F×2=（0.00575×2+0.2590）kmolC平衡：0.001404F+=（0.1348+0.00575）kmolCa平衡：++=（0.1348+0.00378）kmol100/xgmol列出元素平衡式100/xgmol已知：F+W=100kg/mol，W=x+y+z解得：F=91.51kg，W=8.49kgx=1.197kg，y=6.435kg，z=0.858kg100/xgmol100/xgmol56/ygmol74/zgmol29表3-4计算结果汇总组分输入输出物质的量/kmol质量/kg物质的量/kmol质量/kgNaOH0.01350.540.259010.35Na2CO30.128513.620.005750.61H2O4.297377.354.18275.27CaCO30.0121.20.13713.48CaO0.0156.44----Ca(OH)20.01160.860.003770.28合计296.1691004.5875100所以，每100kg苛化液需加入石灰8.49kg到91.51kg碳酸钠溶液中，石灰组成见表3-4；每100kg苛化液需原碱液91.51kg。30例3-3合成甲醇的物料衡算（平衡常数法）cdabCDKAB当正、负反应速率相等时，反应达到化学平衡，此时状态为恒温、恒压且反应物浓度不变。对反应aA+bB=cC+dD，平衡时平衡常数为已知：原料气中H2与CO摩尔比为4.5:1，惰性组分I含量为13.8%，压力为30MPa，温度为365℃，平衡常数Kp=2.505×10-3MPa-2。问：出口气体组成。232COHCHOH化学反应平衡方程式I=0.138molCO=(1-0.138)/5.5=0.1567molH2=(1-0.138)4.5/5.5=0.7053mol解：设进料为1mol31基准：1mol原料气设转化率为x，则出口气体组成为：CO:0.1567(1-x)I：0.138H2：0.7053-2×0.1567x∑：1-0.3134xCH3OH:0.1567x0