第三章 物料衡算和能量

第三章物料衡算和能量恒算主要内容：物料衡算的基本方法；能量衡算的方法教学目的：使学生掌握物料衡算和能量衡算，并能应用于实际教学方法：以教学为主教学手段：多媒体学时：4学时物料衡算运用质量守恒定律，对生产过程或设备进行研究，计算输入或输出的物流量及组成等（1）物料衡算的目的（2）物料衡算的依据（3）物料衡算的基准（4）物料衡算程序物料衡算的步骤(1)画出物料流程简图并标注已知和未知数据。(2)写出化学反应方程式，包括主、副反应。(3)确定衡算体系。(4)选择合适的衡算基准(5)查找和选择物理化学和工艺常数及其它数据。(6)列出物料衡算式，然后用数学方法求解。(7)将计算结果列成输入－输出物料表(物料平衡表)。(8)校核计算结果转化率（以x表示）：某一反应物反应掉的量占其输入量的百分数。应用时必须指明某个反应物的转化率。若没有指明时，则往往是指限制反应物的转化率。单程转化率和总转化率%100121AAAANNNx选择性（以S表示）：反应物反应成目的产物所消耗的量占反应物反应掉的量的百分数。若反应物为A，生成的目的产物为D，转化率与选择性是反应过程的两个主要技术指标。%10021AADNNdaNS收率（以Y表示）：目的产物的量除以反应物（通常指限制反应物）输入量，以百分数表示。它可以用物质的量（摩尔数）或质量进行计算。%1001ADDNdaNY连续过程的物料衡算举例A、无反应过程的物料衡算例3-1.某化工厂要求设计一套从气体中回收丙酮的装置系统，并计算回收丙酮的费用。系统的流程如图，在求由已知的资料，列出各物流的流率（kg/h），以便能确定设备的大小，并计算蒸馏塔的进料组成。解：本系统包括三个单元，即吸收、蒸馏和冷凝器。由于除空气进料外的其余组成均是以质量百分数表示的，所以将空气-丙酮进料的摩尔百分数换算为质量百分数。基准100kmol气体进料。B、有反应的物料衡算在化学反应时原子和分子重新形成了完全不同的新物质。因此每一化学物质的输入和输出的摩尔或质量注率是不平衡的。此外，在化学反应中，还涉及化学反应速率、转化率、产物的收率等因素。化学反应过程物料衡算的方法有：（1）直接计算法；（2）利用反应速率进行物料衡算；（3）元素平衡；（4）以化学平衡进行衡算；（5）以结点进行衡算；（6）利用联系组分进行衡算。例3-2对年产300吨对硝基乙苯工段物料衡算，原料乙苯纯度95％，硝化混酸组成为：HNO332%,H2SO456%,H2O12%，粗乙苯与混酸质量比1：1.885.对硝苯收率为50％，硝化产物为硝基乙苯的混合物，其比例对：邻：间=0.5：0.44：0.06。配酸年用的原料：H2SO493%,HNO396%及H2O，年工作日300天，假设转化率为100％，间歇生产。解：（1）画出流程示意图，确定计算范围。（2）原料乙苯量。基准：间歇生产，以每天kg为基准。例3工业上，合成氨原料气中的CO通过变换反应器而除去，如图所示。在反应器1中大部分转化，反应器2中完全脱去。原料气是由发生炉煤气(78％N2，20％CO，2％CO2)和水煤气(50％H2，50％CO)混合而成的半水煤气。在反应器中与水蒸气发生反应：CO十H2O--CO2+H2最后得到物流中H2与N3之比为3：1，假定水蒸气流率是原料气总量(干基)的两倍，同时反应器1中CO的转化率为80％，试计算中间物流(4)的组成。解：基准：物流1为100mol/h；正反应的反应速率为r(mol/h)(1)过程先由总单元过程摩尔衡算式进行计算，总衡算式为：原料气(干基)与水蒸气之比为1：2F3＝2(F1+F2)将H2和CO平衡式相加，消失r,得：F2=234-20=214mol.h将F2值代人CO平衡式中，得：r=20+107=127mol/hF3=2×(100十214)＝628mol/h最后，由CO2和H2O平衡得：C．带循环和旁路过程的物料衡算(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)代数解法。在循环存在时，列出物料平衡方程式，并求解。一般方程式中以循环流量作为未知数，应用联立方程的方法进行求解。第三节能量衡算1、能量恒算的基本方程式根据热学第一定律，能量衡算方程式的一般形式为：在热量衡算中，如果无轴功条件下，进入系统加热量与离开系统的热量应平衡，即在实际中对传热设备的热量恒算可表示为：Q1+Q2+Q3=Q4+Q5+Q61、热量计算中注意的几个问题（1）计算基准，可取任何温度，对有反应的过程，一般取25℃作为基准。（2）物料的显热可用焓值或比容进行计算，在化工计算中常用恒压热容，由于比热是温度的函数，常用幂次方程式表示，因此其计算式可表示为：为比热为(3)关于Q2热负荷的计算，Q2等于正值为需要加热，Q2等于负值为需要冷却。对于间歇操作，各段时间操作情况不一样，则应分段做热量平衡，求出各不同时间的Q2，然后得到最大需要量(4)Q3为过程的热效应，包括过程的状态热(相变化产生的热)和化学反应热。相变化一般可由手册查问，对无法查阅的汽化热可由特鲁顿法则估算，反应热由生成热和燃烧热计算。二、加热剂和冷却剂A．加热剂的选择要求（1)在较低压力下可达到较高温度(2)化学稳定性高(3)没有腐蚀作用(4)热容量大(5)冷凝热大(6)无火灾或爆炸危险性(7)无毒性(8)价廉(9)温度易于调节三、加热剂的用量计算：计算举例如图示，在0.2MPa、500℃下含苯蒸气的物流通过两个换热器(换热器1、换热器2)后被冷却至200℃。其中在换热器2中锅炉给水由75℃、5MPa被加热至饱和，由气液分离器出来的饱和水在换热器l中加热至沸腾。该气液混合物与换热器2出来的饱和水在混合器中混合，然后进入气液分离器分离出饱和蒸汽。如果通过换热器1的水量为通过换热器2水量的12倍，求换热器1所产生的蒸汽量和每摩尔工艺物流所产生的蒸汽量。解：(1)、物料衡算方程总平衡F1=F5分离器平衡F3=F5+F6混合器平衡F3＝F4+F2=F6+F1实际上总平衡式为分离器与混合器平衡式的总和。基准,选物流F7为100mol/h(2)、热量衡算方程a)总平衡b)换热器2的平衡