化工设计 第3章 物料衡算和热量衡算

第三章化工计算2005-09-26化工设计23.1物料衡算•目的与意义–了解原料与产品间的定量关系，确定物耗以及系统平衡状态–是能量衡算、设备工艺设计与选型，管道设计及所有工艺计算的基础–确定各单元设备的物流量及其组成、能量负荷–对生产工艺方案起检查作用，消除不合理损耗，改进工艺路线2005-09-26化工设计33.1物料衡算•基本方法–物料平衡方程•依据：质量守恒定律•基本方程进入－流出＋反应生成－反应消耗＝累积Fi–Fo+Dp–Dr=W–简化•连续稳态操作过程Fi–Fo+Dp–Dr=0•连续稳态无化学反应操作过程Fi–Fo=0•间歇操作过程过程Dp–Dr=W•半间歇过程Fi–Fo+Dp–Dr=W2005-09-26化工设计43.1物料衡算•物料衡算基准–时间基准连续过程一段时间的投料量或生产产品量作为计算基准例：年产300kt乙烯装置，年操作时间为8000h，则每小时的平均产量为37.5t。年处理量为9000kt炼油厂，年操作时间为8000h，则每小时的平均产量为1125t。–批量基准间歇过程一釜或一批料的生产周期作为基准2005-09-26化工设计5–质量基准（进料或出料量）当系统介质为液、固相时，选择一定质量的原料或产品作为计算基准例：以石油、煤、矿石为原料的化工厂，可采用一定量的原料为基准。1kg、1000kg、100t–物质的量为基准（mol为基准）如果原料或产品是单一化合物，或由已知组成百分数和组分分子量的多组分组成，可用物质的量作为计算基准2005-09-26化工设计63.1物料衡算•基本步骤–确定物料衡算对象与范围，画出物料衡算对象的流程示意图–写出化学反应方程式–确定计算任务–选定计算基准–收集数据资料，计算需要的数据–列出平衡方程（组），计算–整理并校核，根据需要列成原材料消耗表–绘制物料流程图2005-09-26化工设计73.1物料衡算•例1某化工厂要求设计一套从气体中回收丙酮的装置系统，流程框图如下，要求由已知资料，计算各物流的流率（kg/h），以便进行设备设计。2005-09-26化工设计83.1物料衡算•解：由于除空气进料后的其余组成均是以质量百分数表示的，所以取基准：100kmol气体进料。因此，将空气——丙酮的摩尔分率转换成质量分率w2005-09-26化工设计93.1物料衡算•解–分析：进入系统物流为两个，流出为三个，其中有一个已知，所以有四个物流未知–因此要有四个方程求解–总物料平衡式–各组分平衡式23451200FFFF4512000.010.95FF2450.02950.990.05FFF230.9705FF2005-09-26化工设计103.1物料衡算•解–独立方程数为3，why–可补充的数据（之一）•气体混合物流量•离开系统的产品流量•离开系统的废液流量•进入蒸馏塔的组成2005-09-26化工设计113.1物料衡算•例3.2（有反应过程的物料衡算）•作年产300t对-硝基乙苯工段的物料衡算，原料乙苯纯度为95%，硝化混酸组成为，HNO332%,H2SO456%,H2O12%。粗乙苯与混酸质量比1:1.885，对硝基乙苯收率50%，硝化产物为硝基乙苯的混合物，其比例卫对:邻:间=0.5:0.44:0.06。配置混酸所用的原料为:HNO396%,H2SO493%,及H2O，年工作日300天，假设转化率为100%，间歇生产2005-09-26化工设计123.1物料衡算•解：–流程示意图H2O2005-09-26化工设计133.1物料衡算–原料乙苯量基准：间歇生产，每天需生产的kg数为基准对-硝基乙苯量：乙苯量：原料乙苯量：杂质量：330010001000kg300G11000106.171404.6kg151.170.5G1404.6/0.951478.6kg1478.61404.674kg2005-09-26化工设计143.1物料衡算–配酸酸量混酸量纯HNO3量96%HNO3量纯H2SO4量93%H2SO4量加H2O量1478.61.8552742.8kg2742.80.32877.7kg877.7/0.96914.3kg2742.80.561536kg1536/0.931651.6kg2742.8914.31651.6176.9kg2005-09-26化工设计153.1物料衡算•硝化–已知转化率100%.–硝化物产量其中•对•邻•间345::0.5:0.44:0.06GGG1404.6151.171999.9kg106.171999.90.51000kg1999.90.44880kg1999.90.06120kg2005-09-26化工设计163.1物料衡算•硝化–废酸量：HNO3消耗量：H2O生成量：–废酸中HNO3量：H2SO4量：H2O量：–废酸总量：–组成：HNO32.06%,H2SO471.52%,H2O26.42%1404.663833.5kg106.171404.618.02238.4kg106.17877.7833.544.2kg1536kg176.936.6115.6238.4567.5kg44.21536567.52147.7kg2005-09-26化工设计173.1物料衡算2005-09-26化工设计18•例3.2（有反应过程的物料衡算）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，在反应器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＋H2OCO2＋H2N278%,CO20%CO22%,F1H250%,CO50%,F2反应器1反应器2H2O,F3F4N2,H2，H2OCO，CO2F5N2,H2,H2O,CO2最后得到物流中H2与N2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。2005-09-26化工设计19解：基准：物流1为100mol/h；正反应的速率为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：N2平衡：F5,N2＝0.78×100＝78mol/hCO平衡：0＝0.2×100＋0.5F2－rH2O平衡：F5,H2O＝F3－rCO2平衡：F5,CO2＝0.02×100＋rH2平衡：F5,H2＝0.5F2＋r2005-09-26化工设计20解：已知H2与N2之比为3：1F5,H2＝3F5,N2＝3×78＝234mol/h原料气（干基）与水蒸气之比1：2F3＝2（F1＋F2）将H2和CO平衡式相加，消去r，得：F2＝234-20＝214mol/h将F2值代入CO平衡式中，得：r＝20＋107＝127mol/hF3＝2×（100）＝628mol/h最后，由CO2和H2O平衡式得：F5,CO2＝0.02×100＋127＝129mol/hF5,H2O＝628-127＝501mol/h2005-09-26化工设计21解：（2）计算反应器1的反应速率，然后计算物流4的组成，：r＝（Fi,输出-Fi,输入）/si＝-Fi,输入ci/si式中ci为i物质的转化率。已知反应器1中CO转化率为0.80，由此得反应器1的反应速率：r＝-FCO,输入cCO/sCO＝0.8（0.2×100＋0.5×214）＝101.6mol/h物流4中每一物质分别为：N2平衡F4,N2＝0.78×100＝78mol/hCO平衡F4,CO＝127-r＝25.4mol/hH2O平衡F4,H2O＝628-r＝526.4mol/hCO2平衡F4,CO2＝2＋r＝103.6mol/hH2平衡F4,H2＝107＋r＝208.6mol/h物流4的组成（摩尔分率）N20.083CO0.027H2O0.559CO20.110H20.2212005-09-26化工设计223.2热量衡算•是化工设计中极其重要的组成部分•是设备计算的重要基础–换热器的热负荷及交换量–反应器的换热量–分离装置的热负荷（吸收、精馏等）–加热蒸汽、冷却水、冷冻盐水的用量等等2005-09-26化工设计233.2热量衡算•方法–计算依据热力学第一定律（能量守恒定律）–平衡方程在进行设备设计时，位能变化、动能变化、外功等项相对较小，可忽略。所以流动系统的能量衡算式为2/2QWHghuHQ2005-09-26化工设计243.2热量衡算•方法–平衡方程的另一形式（常用）•Q1物料带入热Q4物料带出热•Q2过程放出热Q5过程吸收热•Q3介质加入的热Q6介质带走的热•Q7热损失1234567QQQQQQQ2005-09-26化工设计253.2热量衡算•方法–热量衡算的基准•数量上的基准（如1kg，1mol,→1hr）•相态的基准（基准态）因为焓是相对值•基本参数–热容–焓–反应热–汽化热、相变热–混合热、溶解热2005-09-26化工设计263.2热量衡算•例3.3•40oC、流量为1106.5kg/h的提浓液和30oC、流量为277kg/h的丙酮液连续流入分解釜，在釜内进行过氧化异丙苯的分解反应，生成苯酚与丙酮（主反应），此外还有一些副反应。分解釜是一常压下连续搅拌釜，反应放出的热量靠部分丙酮蒸发取出。分解釜蒸发的丙酮进入顶部冷凝器，在冷凝器内全部冷凝并过冷至45oC返回釜内，顶部冷凝器用水做冷却剂。分解釜操作温度85oC，出口液（称为分解液）的成分比较复杂，为便于计算，简化为下列表2005-09-26化工设计273.2热量衡算分解液组成2005-09-26化工设计283.2热量衡算•分解釜内进行如下4个反应•主反应2005-09-26化工设计293.2热量衡算•副反应2005-09-26化工设计303.2热量衡算2005-09-26化工设计313.2热量衡算2005-09-26化工设计323.2热量衡算2005-09-26化工设计333.3化工计算基础数据及来源•在化工计算以及化工工艺和设备设计中，必不可少地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、烩、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。这些数据习惯上称为“化工基础数据”，它是由物料本身的物理化学性质所决定的。因此，又被称作“物化数据”或“物性数据”。2005-09-26化工设计343.3.1化工基础数据的分类•化工基础数据包括很多，现将常用的一些化工基础数据大致归纳成以下几类：•（1）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—液平衡关系等。•（2）热力学物性数据—如内能、焓、熵、热容、相变热、自由能、自由焓等。•（3）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。•（4）传递参数—如粘度、扩散系数、导热系数等2005-09-26化工设计353.3.2化工基础数据的来源•（一）查手册或文献资料•（二）估算•（三）用实验直接测定•（四）计算机检索•（五）科研、设计单位2005-09-26化工设计36体系输入物料输出物料整个生产流程操作单元过程中的部分工段或工序某一设备