化工工艺物料衡算和能量衡算

12第一节连续过程的物料衡算教学内容：结合具体实例，理解利用化学反应速率进行反应过程的物料衡算的方法。重点和难点：重点掌握利用化学反应速率进行反应过程的物料衡算的方法。难点是衡算基准的选择，包括基准物流的名称和单位选择，以及物料平衡方程、摩尔分数约束式及设备约束式的内容和形式。3一、连续过程的物料衡算一般表示式为：系统中积累=输入–输出+生成–消耗稳态过程时输入=输出–生成+消耗无化学反应的稳态过程输入=输出第三章物料衡算与能量衡算4物料平衡形式总平衡式*总质量平衡式总摩尔平衡式组分平衡式组分质量平衡式组分摩尔平衡式元素原子平衡式*元素原子质量平衡式*元素原子摩尔平衡式第三章物料衡算与能量衡算5物料衡算的基本步骤⑴画出流程示意图⑵列出已知数据⑶列出由物料平衡所需求解的问题。⑷决定系统的边界⑸写出主、副产品的化学反应方程式。第三章物料衡算与能量衡算6⑹约束条件⑺选择计算基准⑻进行物料平衡计算⑼列出物料和能量平衡表，并进行校核⑽结论第三章物料衡算与能量衡算7关于基准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%第三章物料衡算与能量衡算8C3H8+5O2=3CO2+4H2O每100kmol燃烧产物需要多少摩尔空气？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第三章物料衡算与能量衡算92.基准：1kmol空气实际供氧0.21/1.25=0.168kmol；燃烧C3H30.21/（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第三章物料衡算与能量衡算10（3）基准：100kmol烟道气以元素平衡法：C3H8+5O2=3CO2+4H2OC平衡3B=P；H2平衡4B=Q；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。第三章物料衡算与能量衡算11物料平衡计算的条件１.方程式⑴物料平衡方程式⑵物流约束式构成物流各组分的分率之和等于1jx=1第三章物料衡算与能量衡算122.变量有Ns股物流，Nc个组分数，Np个设备参数总变量数：Nv=Ns（Nc+1）+Np设计变量第三章物料衡算与能量衡算13⑴转化率转化率=反应物的进料量反应物的反应量00AAAnnn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xA=β=第三章物料衡算与能量衡算14⑶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15无化学反应的物料衡算料浆滤饼90%固体F1=2000kg/h过滤机F3=？kg/h10%液体75%液体25%固体滤液F2=？kg/h1%固体99%液体过滤过程第三章物料衡算与能量衡算16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F1x11=F2x21+F3x31第三章物料衡算与能量衡算17精馏过程馏出液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第三章物料衡算与能量衡算18二、多单元系统F2F4x2Bx4B=0.08x2Cx4C=0.72F1=1000mol/hx1B=0.2单x1C=0.3元x1DⅠ单元ⅡF5x5CF3x3B=0.025x5Dx3C=0.35x3D第三章物料衡算与能量衡算19每一个单元列出一组平衡方程式，再列出整个系统的平衡方程式。第三章物料衡算与能量衡算20化学反应过程的物料衡算1.直接计算法甲醇氧化制甲醛：CH3OH+1/2O2HCHO+H2OCH3OHCH3OHHCHO催化反应器H2O空气O2（过量50%）N2第三章物料衡算与能量衡算21输入：O2（需要）=0.5mol；O2（输入）=1.5×0.5=0.75mol；N2（输入）=N2（输出）=0.75×（79/21）=2.82mol；反应的CH3OH=0.75×1=0.75mol输出：HCHO（输出）=0.75mol；CH3OH（输出）=1－0.75=0.25mol；O2（输出）=0.75－0.75×0.5=0.375mol；H2O（输出）=0.75mol第三章物料衡算与能量衡算222.利用反应速率进行物料衡算化学反应过程的物料衡算式：FC，输出=FC，输入+RCRC=σcrc=1，2，……，nN278%CO20%1反应器1反应器2CO22%452H250%N2N2CO50%H2H23COCO2H2OCO2H2OH2O第三章物料衡算与能量衡算23iisjjsFF3.元素平衡输入物流有I股，输出物流有J股;则物质S的净输出速率为Fs=S种物质的元素e的净原子流出速率为ssesF物质守恒则元素守恒=0e=1，2，……，EssesFAe=0e=1，2，……，EssesFes为原子系数第三章物料衡算与能量衡算244.以节点进行衡算分流BB分流A分流CA节点节点CFa+Fb=FcFa=Fb+Fc第三章物料衡算与能量衡算25第二节车间（装置）的物料衡算教学内容：结合具体实例，理解一个完整的化工过程的物料衡算方法和步骤。重点和难点：重点掌握一个完整的化工过程的物料衡算的基准和思路。难点是对一个完整的化工过程的物料衡算时应选择什么物流作衡算基准，如何列出平衡表达式。26第二节车间（装置）的物料衡算在一个车间（装置）中物料的添加和分离比较频繁，并且经常伴随着化学反应的发生，部分产品的循环（如回流），物料衡算比较复杂。1.单元模块计算步骤:⑴过程整体分析;⑵写出各单元的方程式和约束式;⑶列出所有的变量，并选好所需的设计变量;⑷应用单元模块法求解联立方程组。第三章物料衡算与能量衡算271.循环过程(两种解法）（1）试差法估计循环流量，并继续计算至循环回流的那一点。将估计值与计算值进行比较，并重新假定一个估计值，一直计算到估计值与计算值之差在一定的误差范围内。（2）代数法列出物料平衡方程式，并求解。一般方程式中以循环量作为未知数，应用联立方程的方法进行求解。第三章物料衡算与能量衡算28第三章物料衡算与能量衡算第三节化学反应过程的能量衡算教学内容：结合具体实例，理解以反应热效应为基础和以生成热为基础两种反应过程能量衡算方法的计算原理和计算方法。重点和难点：重点掌握两种衡算方法的衡算基准和计算方法。难点是热量衡算的基准，包括温度、压力和相态，以及有相变时其热量的正负符号的取向。29第三章物料衡算与能量衡算能量衡算的基本概念一、能量守恒定律输入能量+生成能量=消耗能量+积累能量+输出能量二、能量衡算方程1.封闭体系ΔE=Q+W2.流动体系[能量输入速率]-[能量输出速率]=[能量积累速率]30第三章物料衡算与能量衡算qwT2Up2u2T1U2p1u1ZZ2U1Z131第三章物料衡算与能量衡算（2）封闭体系=q+w221uZgU（3）孤立体系221uZgU=0稳态过程的敞开体系221uZgU=q+w32第三章物料衡算与能量衡算三、能量衡算的一般方法⑴正确绘制系统示意图，标明已知条件和物料状态；⑵确定各组分的热力学数据；⑶选择计算基准（大部分在物料衡算的基础上进行）；同时，还要选取热力学函数的基准态。⑷列出能量衡算方程式，进行求解。33第三章物料衡算与能量衡算化学反应过程的能量衡算一、反应热在化学反应中放出的热量取决于反应条件。在标准条件下，纯组分、压力为0.1MPa、温度为25℃（并非一定需要），反应进行时放出的热量称为标准反应热。基准0rH=-56.68kJ/mol34第三章物料衡算与能量衡算（1）标准生成热0fH在标准状态下，由构成组成的元素生成1mol组分时的焓差。任何反应的标准反应热可以由反应物和生成物的生成热计算得到。反之，组分的生成热也可以由反应热计算得到。35第三章物料衡算与能量衡算由于物质本身的热函是无法测定的，一般所能测定的是物质热函的变化量，因此人为地规定在标准状态下，元素生成热取为零。0rHRjvpjv0,pjfH0,RjfH标准反应热和生成热之间的关系36第三章物料衡算与能量衡算（2）标准燃烧热0oH组分和氧完全燃烧的标准反应热0rHRjvpjv0,RjoH0,pjoH由燃烧热计算反应热的一般表达式:37第三章物料衡算与能量衡算二、化学反应过程的能量衡算简单化学反应过程的能量平衡：Q1+Qr+Qt=Q2+Q损物料的热量用热容的计算式为：)(TCFQpii用热焓计算式为：,,pThFQii38第四节计算机在物料衡算与能量衡算中的应用教学内容：上机通过一个实例，了解流程模拟软件的种类和功能，以及用ChemCAD进行物料衡算和热量衡算的步骤和方法。重点和难点：重点掌握用ChemCAD进行物料衡算的步骤和方法。难点是设备、热力学方法的定义，模拟反应器的选择和参数的输入，以及换热过程和分离过程的模型选择和参数的输入。39一、流程模拟软件(一)aspenONE工程与创新解决方案(二)PRO/Ⅱ(三)VMGSim；VMGThermo(四)ChemCAD(五)ECSS工程化学模拟系统-----化工之星40二、用ChemCAD进行物料衡算与能量衡算(一)ChemCAD简介1、ChemCAD的程序界面412、ChemCAD的的运行环境和文件管理421、初定工艺方案，进行必要的设置(二)用ChemCAD进行物料衡算与能量衡算压缩空气邻二甲苯反应器排放处理分离器废弃物产品能量预热43442、绘制过程流程图4512436710124581656157910143空气邻二甲苯空气预热反应器风冷苯酐马来酸溶液马来酸洗脱排空463、定义系统物料组成和热力学方法4748494、定义流股和设备5051525、运行模拟和模拟结果5354ChemCAD计算输出结果