第三章物料衡算和能量衡算

化工设计DesignofChemicalEngineering1第三章物料衡算和能量衡算掌握:物料衡算和能量衡算步骤、非反应过程和反了解:物料衡算和能量衡算的重要意义理解:平衡方程；衡算基准；应过程的物料衡算和能量衡算化工设计DesignofChemicalEngineering2任务：1、找出主副产品的生成量、废物的排出量;2、确定原材料消耗定额;3、确定各物流的流量、组成和状态;4、确定每一个设备内物质转换与能量传递速度。目的：为确定操作方式，设备选型以及设备尺寸、管路设施与公用工程提供依据。本章任务与目的：化工设计DesignofChemicalEngineering3§3-1设计计算前的准备工作(4)流体输送过程参数(μ、ρ、摩擦系数等)。1.工艺性资料的收集(1)物料衡算提纲生产步骤和化学反应（包括主、付反应）;各步骤所需的原料，中间体规格和物理化学性质;成品的规格和物化性质;每批加料量或单位时间进料量;各生产步骤的产率；(2)工艺流程图及说明；(3)热量计算参数和设备计算数据(ΔH、Cp、K、λ、α等)；◆化工设计DesignofChemicalEngineering4（5）传质过程系数，相平衡数据;（6）冷冻过程的热力学参数;（7）具体的工艺操作条件（温度T、压力P、流量G）;（8）介质物性和材质性能，材质数据，腐蚀数据;（9）车间平立面布置的参考资料;（10）管道设计资料（管道配置、管道材质、架设方式、管件、阀件等）;（11）环境保护、安全保护等规范和资料。§3-1设计计算前的准备工作化工设计DesignofChemicalEngineering52.工程性资料的收集（1）气象、地质资料;（2）公用工程的消耗量，辅助设施能力;（3）总图运输、原料输送方式、储存方式;（4）上、下水资料;（5）配电工程资料;（6）仪表自控资料等。3.资料的来源（1）科研单位（研究报告）（2）设计单位（设计图纸、设计说明书）（3）基建单位（厂址方案、基建工程资料和安装工程资料）◆◆§3-1设计计算前的准备工作化工设计DesignofChemicalEngineering6车间原始资料、各种生产报表工艺操作规程设备岗位操作法设备维护检修规程及设备维修纪录卡劳动保护及安全技术规程车间化验室的分析研究资料车间实测数据工厂科室掌握的技改资料供销科的产品目录和样本财务科的产品原料单耗及成本分析资料全厂职工劳动福利的生活资料(4)生产单位(现场操作数据和实际的经济技术指标)（5）可行性研究报告、各国文摘和专利、各类工艺书籍、各类调查报告、各种化工过程与设备计算等书籍。§3-1设计计算前的准备工作化工设计DesignofChemicalEngineering7（1）IndustrialChemicals（2）EncyclopediaofChemicalTechnology（3）ScienceandTechnology（4）ChemicalAbstracts（C.A）（5）HandbookofTechnology（6）I.C.T（物性手册）（7）化工工艺设计手册（8）材料与零部件手册4.几本常用的化工设计资料和手册§3-1设计计算前的准备工作◆化工设计DesignofChemicalEngineering8§3-2物料衡算（1）物料衡算能为化工设计提供的基础数据(目的)1）物料消耗定额。2）工艺设备的大小尺寸。3）管道的大小尺寸。4）为能量衡算提供基础数据。设计任务书、生产量、工艺技术条件、反应转化率、相平衡数据等。（2）物料衡算的依据◆1物料衡算的目的、依据化工设计DesignofChemicalEngineering9①稳定操作过程:②系统内无化学反应:③系统内无化学反应的稳态操作过程:(Fi－Fo)＋（Dp－Dr）＝0Fi－Fo＝WFi－Fo＝0（3）物料衡算式：（Fi）（Fo）（Dr）（W）（Dp）进入过程单元的物料衡算－流出过程单元的物料量＋在过程单元内生成的物料量－在过程单元内消耗的物料量＝过程单元内累积的物料量◆1物料衡算的目的、依据§3-2物料衡算化工设计DesignofChemicalEngineering102、物料衡算的步骤8）列出物料衡算式，及其他相关约束式，进行物料衡算；1）化工过程分析；2）画出方框图（方框流程图）；3）分析化学反应过程，写出主、副反应化学反应方程式；4）确定衡算体系；5）根据设计要求确定（写明年产量、年工作日或每昼夜的）6）选定计算标准，并在图上注明所选的基准值；7）收集计算需要的数据；9）将物料衡算结果列成物料平衡表，画出物料平衡图。生产能力、产率、产品的纯度要求等；◆§3-2物料衡算化工设计DesignofChemicalEngineering11例：乙苯反应器内的反应如下：乙烯+苯→乙苯乙苯+乙烯→二乙苯二乙苯+苯→乙苯二乙苯+乙烯→三乙苯三乙苯+苯→乙苯，二乙苯乙苯、二乙苯→甲苯、二甲苯、正丁苯、异丙苯、杂环化合物2、物料衡算的步骤◆§3-2物料衡算化工设计DesignofChemicalEngineering12(2)批量基准3、物料衡算的基准运算中保持一致。若基准选得好，计算变得简单。进行物料衡算时，必须选择一计算基准，并在整个(1)时间基准连续（小时，天…）间歇（釜，批……）(3)或已知进料/出料组成(4)物质的量基准(5)标准体积基准◆§3-2物料衡算化工设计DesignofChemicalEngineering13C3H8+5O2=3CO2+4H2O每100kmol燃烧产物需要多少摩尔空气？氧气过量25%（1）.基准：1kmol原料气C3H8燃烧用氧5kmol；实际供氧5×1.25=6.25kmol；供给空气量29.76kmol；其中氮气量23.51kmol产生：CO23kmol；H2O4kmol；O21.25kmol；N223.51kmol；合计31.76kmol；x=76.3176.29100=93.7kmol例3-1：化工设计DesignofChemicalEngineering14（2）.基准：1kmol空气实际供氧0.21/1.25=0.168kmol；燃烧C3H80.21/（5×1.25）=0.0336kmol；供给空气量1kmol；其中氮气量0.79kmol；产生：CO20.101kmol；H2O0.135kmol；O20.042kmol；N20.79kmol；合计1.068kmol；x=068.1100=93.7kmol化工设计DesignofChemicalEngineering15（3）基准：100kmol烟道气以元素平衡法：C3H8+5O2=3CO2+4H2OC平衡B=3P；H2平衡B=4Q；O2平衡0.21A=M+Q/2+P；N2平衡0.79A=N；烟道气总量N+M+P+Q=100；过剩氧气0.21A（0.25/1.25）=M解出：空气量A=93.7kmol；C3H8B=3.148kmol；N2N=74.02kmol；O2M=3.935kmol；CO2P=9.445kmol；H2OQ=12.59kmol。化工设计DesignofChemicalEngineering16（Ⅰ）分数约束式4、约束式可分为两类：cijN1j1x式中xij—第j组分在第i股物流中的摩尔分数(或质量分数)；Ns—物流的股数；Nc—物流组分数。(i=1,2,…，Ns)(3-2)当一般物流的组成用摩尔分数或质量分数表示时，有下式成立：◆§3-2物料衡算化工设计DesignofChemicalEngineering17常见的设备约束式有：①进料比(或任何两股物流的量之比)为一常数；②两股物流具有相同的组成(如分流器)；③相平衡常数；④化学平衡常数；⑤化学反应过程中的转化率、选择性或其他限度。(Ⅱ)设备约束式§3-2物料衡算化工设计DesignofChemicalEngineering18有Ns股物流，Nc个组分数，Np个设备参数总变量数：Nv=Ns（Nc+1）+Np设计变量：（Ⅲ）变量§3-2物料衡算化工设计DesignofChemicalEngineering19⑴转化率转化率=反应物的进料量反应物的反应量00AAAnnnxA=⑵选择性选择性=%100原料的反应量反应物量生成目的产物所消耗的anncnnAACC/)(/)(00β=§3-2物料衡算化工设计DesignofChemicalEngineering20⑶收率收率=转化率×选择性=反应物的进料量反应物量生成目的产物所消耗的ancnnACC//)(00ψ=βxA=⑷限制反应物⑸过量反应物第三章物料衡算与能量衡算§3-2物料衡算化工设计DesignofChemicalEngineering21稳态过程以各物流的总流量Fi及组成xij表示,则有：srmjmijiN1iN1m0rvxF（j=1,2,…,Nc）(3—5)式中Fi——第i股物流物质的量流量；xij——第j组分在第i股物流中的摩尔分数；vjm——第j组分在第m个化学反应中的化学计量系数；rm——第m个化学反应的反应速率；Nr——过程中所包含的化学反应个数。§３.3车间物料衡算化工设计DesignofChemicalEngineering22物理吸收、结晶、提纯、脱水等3.3.1无化学反应过程的物料衡算1.简单过程的物料衡算(无化学反应、单设备)常见操作有:混合、蒸馏、精馏、增湿、气体混合物的部分冷凝、液体混合物的部分气化、闪蒸、对于非反应的连续稳态过程，式(3-5)可简化为：sijiN1i0xF(j=1,2,…,Nc）◆化工设计DesignofChemicalEngineering23馏出液F3乙醇水24%F1料液苯75%乙醇40%水60%F2苯乙醇产品F4=1000kg/h三个未知数需三个方程：总物料平衡式F1+F2=F3+F4组分物料平衡式苯平衡F2=0.75F3水平衡0.6F1=0.24F3醇平衡（1－0.6）F1=F4例3-2：3.3.1无化学反应过程的物料衡算化工设计DesignofChemicalEngineering24２.有多个设备过程的物料衡算甚至无法求解。算体系，这是很重要的步骤。不然会使计算繁划分多个衡算体系。此时，必须选择恰当的衡对有多个设备的过程，进行物料衡算时，可以3.3.1无化学反应过程的物料衡算◆化工设计DesignofChemicalEngineering25有两个蒸馏塔的分离装置，将含50%苯、30%甲苯20%(mol%)二甲苯的混合物分成较纯的三个馏分，其流程图及各流股组成如图。计算蒸馏1000mol/h原料所得各流股的量及进塔Ⅱ物料的组成。例3-3：化工设计DesignofChemicalEngineering26乙烯部分氧化制取环氧乙烷，乙烯在过量空气存在条件下通过银催化剂进行。主反应:2C2H4+O21r2C2H4O副反应:C2H4+3O22r2CO2+2H2O进料物质的流量为1000mol/h，进料中含C2H4摩尔分数10％，乙烯的转化率为25％，生成产物的C2H4的选择性为80％，计算反应器出口物流的流量与组成。3.3.2有化学反应过程的物料衡算例3-4化工设计DesignofChemicalEngineering27利用化学反应速度求解。•(1)组分编号组分C2H4O2N2C2H4OCO2H2O编号123456•(2)计算简图•(3)方程与约束式：①物料平衡方程;②摩尔分数约束式;③设备约束式;•(4)变量分析•(5)求解方程组F2F1X11,X12,X13X21,X22,X23,X24,X25,X261r1,r2γφ催化反应器2F1X11-F2X21-2r1-r2=0F1X12-F2X22-rl-3r2=0FlX13-F2X23=0-F2X24+2r1=0-F2X25+2r2=0-F2X26+2r2=OXll+X12+X13=1X21+X22+X23+X24+X25+X26=l转化率表达式:选择性表达式:空气中氧与氮具有固定的比例:1112121111