第三章物料衡算和能量衡算上课

化工设计第三章物料衡算与能量衡算Chart3materielbalanceandenergybalance主要内容物料衡算能量衡算化工模拟软件在化工设计中的应用132物料衡算的目的和意义1、确定主、副产品的产量，原材料的消耗量，生产过程的物料损耗，各单元设备的流体流量及其组成以及“三废”的生成量判断是否达到设计要求（产品的技术经济指标）。2、作为能量衡算的基础。3、根据物料及能量衡算结果对生产设备和生产辅助设备进行设计和选型，对过程所需设备的投资及其可行性进行评价。3.1物料衡算物料衡算—运用质量守恒定律，对化工过程或设备进行定量计算。一、物料衡算依据1.理论依据——质量守恒定律物料衡算范围单元操作的物料衡算——化工设备设计的前提化工过程的物料衡算——化工过程设计的前提物料衡算的一般表达式为：输入量－输出量＋生成量－消耗量＝积累量对稳定操作过程，积累量=0输入量-输出量+生成量-消耗量=0对无化学反应的过程：输入量－输出量＝积累量对无化学反应的稳定操作过程：输入量＝输出量2.数据基础(1)技术方案、操作方法、生产能力、年工作时。(2)建设单位或研究单位的要求、设计参数、小试及中试数据：化工单元过程的化学反应式、原料配比、转化率、选择率、总收率，催化剂状态、用量、回收方法、安全性能等；原料及产品的分离方式，分离剂的用量，各步的回收率；特殊化学品的物性：沸点、熔点、饱和蒸汽压、闪点等。(3)工艺流程示意图。二、物料衡算基准物料衡算时须选择计算基准，并在计算过程中保持一致。一般计算过程的基准有以下几种：⑴时间基准：连续（小时，天……）间歇（釜，批……）⑵质量基准kg，mol，kmol……⑶体积基准m3（STP）⑷干湿基准干基（不含水），湿基（含水）例：100kg湿物料，其中含水10kg，按湿基：含水率为10%；若按干基：含水率为10/（100-10）×100%=11.11%实际计算时，必须根据具体情况选择合适的基准，过程的物料衡算及能量衡算应在同一基准上进行。三、物料衡算的基本程序(1)确定衡算对象和范围，画出计算对象的草图。注意物料种类和走向，明确输入和输出。(2)确定计算任务，明确已知项、待求项，选择数学公式，力求使计算方法简化。(3)确定过程所涉及的组分，并对所有组分依次编号。(4)对物流的流股进行编号，并标注物流变量。(5)收集数据资料（设计任务所规定已知条件，与过程有关物理化学参数）：生产规模（设计任务所规定，t/年）和生产时间（指全年有效生产天数300~330天/年，计约8000h）。有关定额的技术指标，通常指产品单耗、配料比、循环比、固液比、气液比、回流比、利用率、单程收率、回收率等等。原辅材料、产品、中间产品的规格；与过程有关有物理化学参数，如临界参数、密度或比体积、状态方程参数、蒸汽压、气液平衡常数或平衡关系等。(6)列出过程全部独立物料平衡方程式及其相关约束式，对有化学反应的还要写出化学反应方程式，指出其转化率和选择性。约束式分数约束式设备约束式①进料配比为一常数；②分流器出口物流具有相同的组成；③相平衡常数；④化学反应平衡常数；⑤化学反应的转化率、选择性或其他限度。①画出流程示意图。②列出已知数据。③列出由物料平衡所需求解的问题。④决定系统的边界。⑤写出主、副产品的化学反应方程式。⑥约束条件确定。⑦选择计算基准。⑧进行物料平衡计算。⑨列出物料平衡表，并进行校核。⑩写出结论。物料衡算的方法和步骤•一种废酸，组成为23％(质量％)HNO3，57％H2SO4和20％H2O，加入93％的浓H2SO4及90％的浓HNO3，要求混合成27％HNO3及60％H2SO4的混合酸，计算所需废酸及加入浓酸的数量。混合器废酸浓硝酸浓硫酸混合酸①画出流程示意图。②列出已知数据。③列出由物料平衡所需求解的问题。④决定系统的边界。⑤写出主、副产品的化学反应方程式。⑥约束条件确定。⑦选择计算基准。⑧进行物料平衡计算。⑨列出物料平衡表，并进行校核。⑩写出结论。物料衡算的方法和步骤•一种废酸，组成为23％(质量％)HNO3，57％H2SO4和20％H2O，加入93％的浓H2SO4及90％的浓HNO3，要求混合成27％HNO3及60％H2SO4的混合酸，计算所需废酸及加入浓酸的数量。混合器废酸浓硝酸HNO3H2O浓硫酸H2SO4H2OHNO30.23H2SO40.57H2O0.20混合酸HNO3H2SO4H2O0.900.100.930.070.270.600.13①画出流程示意图。②列出已知数据。③列出由物料平衡所需求解的问题。④决定系统的边界。⑤写出主、副产品的化学反应方程式。⑥约束条件确定。⑦选择计算基准。⑧进行物料平衡计算。⑨列出物料平衡表，并进行校核。⑩写出结论。物料衡算的方法和步骤混合器废酸HNO30.23H2SO40.57H2O0.20混合酸HNO3H2SO4H2Oykgzkgxkg0.900.100.930.070.270.600.13一种废酸，组成为23％(质量％)HNO3，57％H2SO4和20％H2O，加入93％的浓H2SO4及90％的浓HNO3，要求混合成27％HNO3及60％H2SO4的混合酸，计算所需废酸及加入浓酸的数量。浓硝酸HNO3H2O浓硫酸H2SO4H2O①画出流程示意图。②列出已知数据。③列出由物料平衡所需求解的问题。④决定系统的边界。⑤写出主、副产品的化学反应方程式。⑥约束条件确定。⑦选择计算基准。⑧进行物料平衡计算。⑨列出物料平衡表，并进行校核。⑩写出结论。物料衡算的方法和步骤一种废酸，组成为23％(质量％)HNO3，57％H2SO4和20％H2O，加入93％的浓H2SO4及90％的浓HNO3，要求混合成27％HNO3及60％H2SO4的混合酸，计算所需废酸及加入浓酸的数量。混合器废酸HNO30.23H2SO40.57H2O0.20混合酸HNO3H2SO4H2Oykgzkgxkg0.900.100.930.070.270.600.13浓硝酸HNO3H2O浓硫酸H2SO4H2O①画出流程示意图。②列出已知数据。③列出由物料平衡所需求解的问题。④决定系统的边界。⑤写出主、副产品的化学反应方程式。⑥约束条件确定。⑦选择计算基准。⑧进行物料平衡计算。⑨列出物料平衡表，并进行校核。⑩写出结论。物料衡算的方法和步骤•基准：100kg混合酸混合器废酸HNO30.23H2SO40.57H2O0.20混合酸HNO3H2SO4H2Oykgzkgxkg0.900.100.930.070.270.600.13浓硝酸HNO3H2O浓硫酸H2SO4H2O①画出流程示意图。②列出已知数据。③列出由物料平衡所需求解的问题。④决定系统的边界。⑤写出主、副产品的化学反应方程式。⑥约束条件确定。⑦选择计算基准。⑧进行物料平衡计算。⑨列出物料平衡表，并进行校核。⑩写出结论。物料衡算的方法和步骤•总物料衡算式：x+y+z=100•组分衡算式：•H2SO40.57x+0.93z=100*0.6=60•HNO30.23x+0.90y=100*0.27=27•解得：x=41.8kg；y=19.2kg；z=39kg混合器废酸HNO30.23H2SO40.57H2O0.20混合酸HNO3H2SO4H2Oykgzkgxkg0.900.100.930.070.270.600.13浓硝酸HNO3H2O浓硫酸H2SO4H2O①画出流程示意图。②列出已知数据。③列出由物料平衡所需求解的问题。④决定系统的边界。⑤写出主、副产品的化学反应方程式。⑥约束条件确定。⑦选择计算基准。⑧进行物料平衡计算。⑨列出物料平衡表，并进行校核。⑩写出结论。物料衡算的方法和步骤物料平衡表输入输出组分质量/kg组分质量/kg废酸废酸中的硝酸废酸中的硫酸废酸中的水浓硝酸浓硝酸中的硝酸浓硝酸中的水浓硫酸浓硫酸中的硫酸浓硫酸中的水总计41.89.623.88.419.217.281.923936.272.73100混合酸混合酸中的浓硝酸混合酸中的浓硫酸混合酸中的H2O总计100602713100•校核结果：依据水平衡混合器废酸HNO30.23H2SO40.57H2O0.20混合酸HNO3H2SO4H2Oykgzkgxkg0.900.100.930.070.270.600.13浓硝酸HNO3H2O浓硫酸H2SO4H2O①画出流程示意图。②列出已知数据。③列出由物料平衡所需求解的问题。④决定系统的边界。⑤写出主、副产品的化学反应方程式。⑥约束条件确定。⑦选择计算基准。⑧进行物料平衡计算。⑨列出物料平衡表，并进行校核。⑩写出结论。物料衡算的方法和步骤二、无化学反应的物料衡算一个设备•简单过程整个过程（可简化为一个设备单元）•多单元系统：对有数个单元设备的系统中的每一个设备都要计算其流量及组成。精馏•例1：以苯为溶剂，用共沸精馏法分离乙醇－水混合物，制取纯乙醇。假定料液混合物含水60%，乙醇40%，在精馏塔馏出液中含苯75%，水24%，其余为醇（组成均为质量分数）。若要求乙醇生产量为1000kg／h，试计算精馏中所需的苯量。简单过程解：画出流程示意图。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解得F1=2667kg／h,F2=5000kg／h,F3=6667kg／h校核：依据醇平衡：0.4F1=0.01F3+F4左右两边相等，结果准确。F1？料液F2？苯F3？馏出液F4=1000kg/h乙醇产品乙醇40%水60%乙醇1%水24%苯75%•对系统中的每一个设备都要计算其流量及组成，这种系统就称为多单元系统。•如下图即为多单元系统12435单元Ⅰ单元Ⅱ多单元系统Fx1，x1’D1xD1，xD1’D2xD2，xD2’W1xW1xW1’W2xW2，xW2’结论：两单元过程可处理为：单元Ⅰ、单元Ⅱ和总过程单元可列平衡方程：两组单元平衡方程式和一组总平衡方程式。其中每一组方程均由S个独立的物料平衡方程式所构成。多单元系统例2：造纸厂的碱回收工段有一个四效蒸发器，将造纸废液（简称黑液）浓缩，供料方式为Ⅲ→Ⅳ→Ⅱ→Ⅰ，蒸发器的总处理能力为80000kg／h,从含15%（质量分数，下同）固形物浓缩到含60%固形物，第Ⅲ效后含17.8%固形物，第Ⅳ效后含22.6%固形物，第Ⅱ效后含31.5%固形物。按以上要求计算总蒸发水量和每一效蒸发器的蒸发水量。解题思路：画出流程示意图→列出已知数据→列出待求解数据→确定系统的边界→列衡算式→结论。解：画出流程示意图，如图所示。80000kg/h15%ⅢⅣⅡⅠ蒸汽60%31.5%22.6%17.8%F进X进=（F进－W）X出式中F进——进口料液的流量，kg／h；X进——进口料液的质量分数，%；X出——出口料液的质量分数，%；W——当效的蒸发水量，kg／h.由上式可以得到W=F进（1－X进／X出）则总的蒸发水量为W总=80000×（1－15／60）=60000kg／h第Ⅲ效的蒸发水量WⅢ=80000×（1－15／17.8）=12600kg／h第Ⅳ效的蒸发水量为WⅣ=67400×（1－17.8／22.6）=14300kg／h第Ⅱ效的蒸发水量为WⅡ=53100×（1－22.6／31.5）=15000kg／h第Ⅰ效的蒸发水量为WⅠ=53100×（1－22.6／31.5）=15000kg／h校核：W总=WⅠ+WⅡ+WⅢ+WⅣ结论：W总=60000kg／h；WⅢ=12600kg／h；WⅣ=14300kg／h；WⅡ=15000kg／h；WⅠ=18100kg／h。1:在过滤机中将含有20%（质量分数）的固体料浆进行过滤，固体料浆的进料流量为1000kg∕h，过滤后滤饼含有90%（质量分数）的固体，而滤液含有1%（质量分数）的固体，试计算滤液和滤饼的流量。练习：简单过程•解：画出流程示意图，如图所示。过滤机料浆F1=1000kg∕h20%固体80%液体滤液F2=？kg∕h1%固体99%液体滤饼F3=？kg∕h90%固体10%液体总平衡式输入的料浆=输出的滤液+输出的滤饼F1=F2＋F3液体平衡式料浆中的液