aiai化工设计基础第二章物料衡算和能量衡算02

第二章物料衡算和能量衡算导言计算前的准备工作2.1物料衡算2.2能量衡算第二章物料衡算和能量衡算一、能量的形式和概念1、动能（K）表示物体作相对于环境运动所具有的能量。2、势能（Z）表示物体在重力场中受重力作用而具有的能量。3、内能（U）表示物体内分子、原子能量的宏观尺度。4、热（Q）物体与环境之间由于温差而引起传递的能量。5、功（W）物体与环境之间由于矢量位移而引起传递的能量。221mvkmghz导言二、MB、HB、EB三者之间的关系1、MB与HB之间的关系MB有可能能单独（不依赖HB而独立）求解；HB一般不能单独求解；（间壁式换热器除外）当MB不能独立求解时，它就必须与HB联合起来，求解CB。2、EB与HB之间的关系流程压力水平不高，而且压力变化也不大，系统能量只考虑其热焓，而忽略其动能、势能等机械能，在这种情况下：EBHB物料衡算（MaterialBalance）,简称“MB”；热量衡算（HeatBalance）,简称“HB”能量衡算（EnergyBalance）,简称“EB”；物料衡算与能量衡算的联立计算（CombinedBalance）,简称“CB”3、在HB计算中，压力对焓值的影响热焓是状态函数，严格而言，它同时与温度和压力有关。但温度对焓值的影响更加显著。在压力水平不高且压力变化不大的化工流程中，一般认为焓值只是温度的函数，以简化计算。1.能量衡算的目的2.2能量衡算以物料衡算为基础，能量衡算的步骤与物料衡算相同。解决问题：⑴确定物料输送机械和其他操作机械所需功率。⑵确定各单元过程所需热量或冷量及其传递速率⑶化学反应所需的放热速率和供热速率。⑷做好余热综合利用。2.能量衡算的基本方程式根据热力学第一定律，能量衡算方程可写为：Q+W=E=Ek+Ep+U其中W=Wt+Ws，Wt为流动功，Ws为轴功；（1）封闭体系的能量衡算方程封闭体系特点：与环境只有能量交换，而无物质交换，则：U=Q+W若体系与环境没有功的交换，即W=0，则：Q=U（2）流动体系的能量衡算方程——物料连续通过边界进出能量输入速率-能量输出速率=能量积累速率连续稳定流动过程的总能量衡算方程为：WQpvuzgU)(212sWQuzgH2213热量衡算的步骤①建立单位时间为基准的物料流程图或物料平衡表。②选定计算基准温度和计算相态：可选0℃(273K)、25℃(298K)或其他温度作为基准温度。③在物料流程图上标明已知温度、压力、相态等条件，查出或计算每个物料的焓值，标注在图上。④列出热量衡算式，用数学方法求解。⑤当生产过程及物料组成较复杂时，可列出热量衡算表。4.热量衡算有两种情况1）无化学反应过程的能量衡算；2）化学反应过程的能量衡算。1）无化学反应过程的能量衡算2、相变过程的能量衡算汽化和冷凝、熔化和凝固、升华和凝华等相变过程往往伴有显著的内能和焓的变化，常成为过程热量的主体，不容忽视。在恒定的温度和压力下，单位质量或摩尔的物质发生相的变化时的焓变称为相变热。三种相变的相变热：①汽化潜热(∆Hv）②熔化潜热(∆Hm)③升华潜热(∆Ht）例如100℃、latm时液体水转变成水汽的焓变∆H等于40.6kJ/mol，称为在该温度和压力下水的汽化潜热。21TTvvdTCnUQ21TTppdTCnHQ1、无相变的变温变压过程主要讨论反应热的计算方法1、反应热及其表示恒压反应热Qp＝∆Hr恒容反应热Qv＝∆Ur(T)2、反应热的计算反应热可以用实验方法测定，也可用已有的实验数据进行计算。根据盖斯（Hess)定律，化学反应热只决定于物质的初态和终态，与过程的途径无关，反应热可用简单的热量加和法求取。（1）由标准生成热∆Hfo计算标准反应热∆Hro∆Hro＝Σ生成热μi(∆Hfo)i－Σ反应热μi(∆Hfo)i（2）由标准燃烧热∆Hco计算标准反应热∆Hro∆Hro＝Σ反应物μi(∆Hco)i－Σ产物μi(∆Hco)i2）化学反应过程的能量衡算。3、两种基准按计算焓时的基准区分，主要有两种，（1）第一种基准若已知标准反应热，则可选298K，latm为反应物及产物的计算基准。对非反应物质另选适当的温度为基准（如反应器的进口温度，或平均热容表示的参考温度）。例详见陈声宗教材P54（2）第二种基准以组成反应物及产物的元素，在25℃，1atm时的焓为零，非反应分子以任意适当的温度为基准，也要画一张有所有流股组分ni和Hi的表，只是在这张表中反应物或产物的Hi，是各物质25℃的生成热与物质由25℃变到它进口状态或出口状态所需显热和潜热之和。例详见陈声宗教材P555.进行热量衡算注意事项(1)热量衡算时要先根据物料的变化和走向，认真分析热量间的关系，然后根据热量守衡定律列出热量关系式(2)要弄清楚过程中出现的热量形式，以便搜集有关的物性数据。(3)计算结果是否正确适用，关键在于数据的正确性和可靠性。(4)间歇操作设备，传热量随时间而变化，因此要用不均衡系数将设备的热负荷由kJ／台换算为kJ／h。(5)选定设备的换热面积要大于理论计算。6.热量衡算举例不得不告别手算时代一、化工模拟软件在化工设计中的应用计算机用于化工设计的主要环节：物性数据检索(物理性质、热力学性质数据)；化工过程模拟设计(CAPD)；计算机辅助绘图设计(CAD)；计算机辅助工程(CAE)等目前用的较多的化工流程模拟计算软件：PRO/II、HYSYS、ASPENPLUS等。二、三种化工模拟软件的对比一般认为，PROII在炼油工业应用更为准确些，因其数据库中有不少经验数据；而ASPEN在化工领域表现更好。HYSYS主要用于天然气的加工处理及炼油工业。Aspenplus计算较准确，数据库比较完善。不过由于它考虑的方面非常全面，所以学起来比较费劲。三、化工模拟软件存在问题还没有成熟的化工软件可用于石油化工过程部分主要装置的模拟（如催化裂化、加氢裂化的反应部分）。国际上大的从事流程模拟的公司在模型上实行技术封锁，我国的石化企业长期几乎完全依赖外国相关产品，现有产品价格昂贵。本章作业（1）化工工艺计算有哪些内容？其作用是什么？（2）叙述物料衡算的依据、作用及其衡算步骤？（3）能量衡算的依据是什么？能解决生产过程中哪些问题？大作业进展如何现在就做～～～