化工设计物料衡算与能量衡算

•单击此处编辑母版文本样式•第二级•第三级•第四级•第五级1第三章物料衡算与能量衡算•单击此处编辑母版文本样式•第二级•第三级•第四级•第五级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•单击此处编辑母版文本样式•第二级•第三级•第四级•第五级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•单击此处编辑母版文本样式•第二级•第三级•第四级•第五级4化工基础数据获取方法查手册或文献资料估算用实验直接测定•单击此处编辑母版文本样式•第二级•第三级•第四级•第五级5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。•单击此处编辑母版文本样式•第二级•第三级•第四级•第五级6一、质量守恒（见书）第一节物料衡算的基本方法•单击此处编辑母版文本样式•第二级•第三级•第四级•第五级7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。•单击此处编辑母版文本样式•第二级•第三级•第四级•第五级8（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•单击此处编辑母版文本样式•第二级•第三级•第四级•第五级9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；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。二、物料衡算的基准•单击此处编辑母版文本样式•第二级•第三级•第四级•第五级101.确定衡算的对象和范围，并画出计算对象的草图。反应器分离系统产品副产物或残渣旁路循环流放空进料①③②包括求解系统、衡算范围、衡算边界三、物料衡算的基本步骤•单击此处编辑母版文本样式•第二级•第三级•第四级•第五级112.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。6.列出物料衡算方程及相关方程•单击此处编辑母版文本样式•第二级•第三级•第四级•第五级127.整理计算结果（整理成原材料消耗表和物料衡算表）•单击此处编辑母版文本样式•第二级•第三级•第四级•第五级138.绘制物料流程图•单击此处编辑母版文本样式•第二级•第三级•第四级•第五级14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。四、无反应过程的物料衡算•单击此处编辑母版文本样式•第二级•第三级•第四级•第五级15•例：有一湿纸浆含水71％，干燥后原有水分的60％除去，试计算：1、每公斤湿纸浆移去的水分质量？2、干纸浆的组成？•解：以1kg湿纸浆为基准。示意图:•1、每公斤湿纸浆移去的水分质量：1×0.71×60%=0.426kg•2、作物料平衡：干燥纸浆量＝1－0.426=0.574kg•水：0.71×0.4=0.284kg,干纸浆含水量：0.284/0.574=0.495,•纸浆：0.574-0.284•=0.29kg,含纸浆0.505干燥器湿纸浆浆：0.29水：0.71干燥纸浆浆：？水：？水分•单击此处编辑母版文本样式•第二级•第三级•第四级•第五级16•例：每小时将20kmol含乙醇40％的酒精水溶液进行精馏，要求馏出液中含乙醇89％，残液中含乙醇不大于3％(以上均为摩尔分数)，试求每小时馏出液量和残液量。•解：由全塔物料衡算式可得•20=D+W(1)•20×0.4=0.89D+0.03W(2)•联解方程式(1)、式(2)，得•馏出液量D=8．6kmol／h•残液量W=11．4kmol／h•单击此处编辑母版文本样式•第二级•第三级•第四级•第五级17•例：一股加料速率为1000mol/h的物流，摩尔组成如下:c3为0.20,i-c4为0.30,i-c5为0.20,n-c5为0.30,精馏液包括进料中的全部丙烷和80％的i-c5，精馏液中含异丁烷40%，底液包括进料中的全部n-c5，计算精馏液和底液量，列物料衡算表。•解：分别以下标1、2、3、4表示c3、i-c4、i-c5、n-c5•1000＝D+W•D=1000×0.2+D×40%+1000×0.2×80%•解得：D=600mol/h,W=400mol/h•物料衡算表如下：精馏塔•单击此处编辑母版文本样式•第二级•第三级•第四级•第五级18组分进料精馏液底液mol/h摩尔分数mol/h摩尔分数mol/h摩尔分数c3200o.202000.333300i-c43000.302400.4600.1500i-c52000.201600.2667400.1000n-c53000.30003000.7500Σ10001.006001.0004001.000•单击此处编辑母版文本样式•第二级•第三级•第四级•第五级19第二节有反应过程的物料衡算•单击此处编辑母版文本样式•第二级•第三级•第四级•第五级20一、基本概念(1)限制组分、过量组分在反应过程中，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。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。1()11molCO22()()21molHOg所以，CO是限制组分，H2O(g)是过量组分。•单击此处编辑母版文本样式•第二级•第三级•第四级•第五级21(2)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%※过量百分数表征了过量组分的过量程度。※过量组分是相对于限制组分而言的，它以限制组分为基准，没有限制组分，也就没有过量组分。•单击此处编辑母版文本样式•第二级•第三级•第四级•第五级22（3）转化率转化率=反应物的反应量/反应物的进料量某一反应物A的消耗量该反应物A的输入量×100%xA=生成目的产物所消耗限制组分的量限制组分的消耗量×100%Φ=（4）选择性•单击此处编辑母版文本样式•第二级•第三级•第四级•第五级23生成目的产物所消耗限制组分的量限制组分的输入量×100%η=（5）收率η=xA·Φ•单击此处编辑母版文本样式•第二级•第三级•第四级•第五级24“独立”的含义对有化学反应的过程，应写独立的反应方程式或独立反应数。例如碳与氧的燃烧过程：①②③④这4个反应是否是独立的呢？如何判断呢？22COCO212COCO2212COOCO22COCCO•单击此处编辑母版文本样式•第二级•第三级•第四级•第五级25反应过程中，若有m种元素和n个组分参与反应时，独立反应数为：N反应=n-m上例中，m=2,n=4∴独立反应数：N反应=4-2=2究竟哪2个是独立反应呢？判断原则是：反应的组合过程中，不应少了某个组分。例如：1.选①②、①③或②④可以2.但不能选②③，∵②+③：C+1/2O2+CO+1/2O2=CO+CO2少了组分CO3.选①④也不行，∵①+④：C+O2+CO2+C=CO2+2CO少了组分CO24.选③④也不行，∵③+④：CO+1/2O2+CO2+C=CO2+2CO少了组分CO2•单击此处编辑母版文本样式•第二级•第三级•第四级•第五级26化学反应过程物料衡算的方法：（1）直接计算法(总物料衡算法和组分衡算法相结合)（2）元素（原子）平衡法；（3）平衡常数法；（4）结点法（带有循环、放空及旁路的物料衡算）；（6）联系组分法。•单击此处编辑母版文本样式•第二级•第三级•第四级•第五级27（2）元素平衡法：•利用进出系统各元素的原子数目不变的性质进行计算。•例：丙烷脱氢可以生产丙稀。可惜由于副反应使产物中含有轻烃，且在催化剂表面有炭沉积。若在一反应器内，纯丙烷被转化成以下气体混合物（以mol%计）：丙烷45、丙稀20、乙烷6、乙烯1、甲烷3、氢25以及少量沉积的炭。设反应器可以按比例扩大到处理58.2mol/d丙烷，计算所期望的积炭速率？C3H8:0.45C3H6:0.20C2H6:0.06C2H4:0.01CH4:0.03H2:0.25C3H8F2F1CF3（沉积炭）•单击此处编辑母版文本样式•第二级•第三级•第四级•第五级28•解：以进料丙烷58.2mol/h为基准。H平衡：8×58.2＝F2×0.45×8+F2×0.2×6+F2×0.06×6+•F2×0.01×4+F2×0.03×4+F2×0.25×2=5.82F2,•C平衡：3×58.2=F3+F2×0.45×3+F2×0.2×3+F2×0.06×2+F2×0.01×2+F2×0.03•解得：F2＝80mol/d，F3＝5mol/d•单击此处编辑母版文本样式•第二级•第三级•第四级•第五级29（3）联系组分法•联系组分——指物料衡算过程中联系进出物流的特定组分。例：例：甲烷和氢的混合气与空气完全燃烧以加热锅炉。产生的烟道气经分析其组成为（体积）N2:72.28,CO2:8.12,O2:2.44,•H2O:17.16。试求：1、燃料中H2与CH4之比；•2、混合气与空气之比为多少？•解：画出衡算简图：锅炉O2:2.44%,N2:72.28%CO2:8.12%,H2O:17.16%O2:20.92%N2:79%其他：0.08H2+CH4空气：烟道气•单击此处编辑母版文本样式•第二级•第三级•第四级•第五级30•反应式为：CH4+2O2=2H2O+CO2•H2+0.5O2=H2O•以100烟道气为基准，则各组分的量为(mol)：•O2:2.44,N2:72.28CO2:8.12,H2O:17.16.•（注意：因不知道燃料气组成，不能选进气量为基准）。•1.求燃料气组成以C作联系组分，燃烧前后碳原子数不变，所以CO2mol数等于CH4的mol数，即CH4＝8.12mol，•需要氧气量为2×8.12＝16.24mol。•计算进料的空气量，以N2作联系组分，由烟道气中的N2可得进料中的总氧气量：72.28×20.92/79=19.14mol,•输入空气量：19.14+72.28=91.42mol.•则用于氢气燃烧的氧为：19.14-16.24-2.44=0.46mol,•故燃料中含氢0.46×2=0.92mol•燃料气中H2/CH4=0.92/8.12=0.113,进料中（CH4+H2）/空气•＝（0.92+8.12）/91.42=0.099•单击此处编辑母版文本样式•第二级•第三级•第四级•第五级31第三节