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1、化工设计,第四章 物料衡算与能量衡算 Chart4 materiel balance and energy balance,4.1 物料衡算4.2 能量衡算4.3 化工模拟软件在化工设计中的应用,4.1 物料衡算,物料衡算运用质量守恒定律，对化工过程或设备进行定量计算。,通过物料衡算解决以下问题：计算原料消耗量、副产品量；输出过程物料的损耗量及三废的生成量；在物料衡算基础上做能量衡算，计算蒸汽、水、电、煤或其他燃料的消耗定额。计算产品的技术经济指标。,为生产设备和辅助设备的选型及设计、管路设施与公用工程的设计等方面提供依据。,衡算计算范围示意图：,图中方框表示一个体系，虚线表示体系边界。共有三
2、个流股，进料1、2及出料3。,1,2,3,一、物料衡算依据,1.理论依据质量守恒定律,物料衡算的一般表达式为：,输入量输出量生成量消耗量积累量,对稳定操作过程，积累量=0输入量-输出量+生成量-消耗量=0,对无化学反应的过程：输入量输出量积累量,对无化学反应的稳定操作过程：输入量输出量,对有化学反应的过程：总物料衡算+元素衡算式,2.数据基础,(1)技术方案、操作方法、生产能力、年工作时。(2)建设单位或研究单位的要求、设计参数、小试及中试数据：化工单元过程的化学反应式、原料配比、转化率、选择率、总收率，催化剂状态、用量、回收方法、安全性能等；原料及产品的分离方式，分离剂的用量，各步的回收率；
3、特殊化学品的物性：沸点、熔点、饱和蒸汽压、闪点等。(3)工艺流程示意图。,二、物料衡算基准,物料衡算时须选择计算基准，并在计算过程中保持一致。一般计算过程的基准有以下几种：,(1)时间基准对连续生产过程，常以单位时间(如d、h、s）的投料量或产品量为计算基准。(2)批量基准以每批操作或一釜料的生产周期为基准。/批(3)质量基准当系统介质为液、固相时，选择一定质量的原料或产品作为计算基准较适合。(4)物质的量基准：对于有化学反应的过程因化学反应的按摩尔进行的，用物质的量基准更方便。(5)标准体积基准：对气体物料进行衡算，可采用标准体积基准，Nm3(STP)，既排除T、p的影响，又可直接换算为摩尔
4、。(6)干湿基准：由于物料中均含有一定量的水分，选用基准时就有算不算水分的问题。湿基计算水分，干基不计算水分。,实际计算时，必须根据具体情况选择合适的基准，过程的物料衡算及能量衡算应在同一基准上进行。,可建议：以1t产品为基准以1mol某反应物为基准在连续操作中，以单位时间，即/h或kmol/h作基准；在间歇操作中，以/批为基准有化学变化的过程，适宜采用质量作基准；无化学变化的过程，以质量或kmol/h为基准对于液固系统常用单位质量作基准，而液相常用单位体积作基准,三、物料衡算的基本程序,(1)确定衡算对象和范围，画出计算对象的草图。注意物料种类和走向，明确输入和输出。(2)确定计算任务，明确
5、已知项、待求项，选择数学公式，力求使计算方法简化。(3)确定过程所涉及的组分，并对所有组分依次编号。(4)对物流的流股进行编号，并标注物流变量。(5)收集数据资料（设计任务所规定已知条件，与过程有关物理化学参数）：,生产规模（设计任务所规定，t/年）和生产时间（指全年有效生产天数300330天/年，计约8000h）。有关定额的技术指标，通常指产品单耗、配料比、循环比、固液比、气液比、回流比、利用率、单程收率、回收率等等。,原辅材料、产品、中间产品的规格；与过程有关有物理化学参数，如临界参数、密度或比体积、状态方程参数、蒸汽压、气液平衡常数或平衡关系等。,(6)列出过程全部独立物料平衡方程式及其
6、相关约束式，对有化学反应的还要写出化学反应方程式，指出其转化率和选择性。,约束式,分数约束式,设备约束式,进料配比为一常数；分流器出口物流具有相同的组成；相平衡常数；化学反应平衡常数；化学反应的转化率、选择性或其他限度。,(7)选择计算基准；(8)统计变量个数与方程个数，确定设计变量个数及全部设计变量。(9)整理并校核计算结果，并根据需要换算基准，最后列成表格即物流表。(10)绘制物料流程图，编写物流表作为设计文件成果编入正式设计文件。,衡算计算范围示意图：,边界线（Boundary Line）围起来的区域构成衡算范围。,例:某尿素厂的生产能力为6万t尿素/a,年操作日300d，尿素的氨耗为0
7、.6t氨/t尿素，生产过程的氨损失按5%考虑，已知以1t氨为基准的某股气体的组成和量如下表所示。,组成 CO2 CO H2 N2 CH4 合计,(mol)28.56 1.2 52.61 17.05 0.575 100 kmol 54.30 2.29 100.04 32.43 1.093 190.99,列出该股气体的组成和流量表。,解:小时氨耗为,600000.61.05 30024,=5.25t/h,以1t氨为基准的各组分的kmol量乘以5.25所得结果为流量。气体的流量和组成如下表所示:,组成 CO2 CO H2 N2 CH4 合计,(mol)28.56 1.2 52.61 17.05 0.
8、575 100 kmol/h 285.1 12.02 525.2 170.2 5.74 998.3,无化学反应的物料衡算,1、简单过程的物料衡算2、多单元系统,在化工过程中，一些只有物理变化，不发生化学反应的单元操作，如混合、蒸馏、蒸发、干燥、吸收、结晶、萃取等。这些过程都可以根据物料衡算式，列出总物料和各组分的衡算式，再用代数法求解。,1、简单过程的物料衡算,简单过程是指仅有一个设备或一个单元操作或整个过程简化成一个设备的过程。这种过程的物料衡算比较简单，在物料流程简图中，设备边界就是体系边界。例：一种废酸，组成为23(质量)HNO3，57H2SO4和20H2O，加入93的H2SO4及90的
9、浓HNO3，要求混合成27HNO3及60H2SO4的混合酸，计算所需废酸及加入浓酸的数量。,解：设x为废酸量，kg；y为浓H2SO4量，kg；z为浓HNO3量,；画物料流程简图,选择基准:可以选废酸或浓酸的量为基准，也可以用混合酸的量为基准，因为四种酸的组成均已知，选任何一种作基准计算都很方便。列物料衡算式，该体系有3种组分，可以列出3个独立方程，所以能求出3个未知量。基准：100kg混合酸总物料衡算式 x+y+z=100(1)H2SO4的衡算式 0.57x+0.93y=1000.6=60(2)HNO3的衡算式 0.23x+0.90z=1000.27=27(3)解(1)，(2)，(3)方程，得
10、x=41.8kg废酸 y=39kg浓H2SO4 z=19.2kg浓HNO3即由41.8kg废酸、39kg浓H2SO4和19.2kg浓HNO3可以混合成100kg混合酸。,2、多单元系统,对有多个设备的过程，进行物料衡算时，可以划分多个衡算体系。此时，必须选择恰当的衡算体系，这是很重要的步骤。不然会使计算繁琐，甚至无法求解。,例：造纸厂的碱回收工序有一个四效蒸发器,供料方式为,蒸发器的总处理量为80000/h造纸废液(黑液)。计算总蒸发水量和每一效蒸发器的蒸发水量。,四效蒸发系统的物料平衡,四效蒸发系统的物料衡算过程,将整个系统简化为一个单元，可计算出总蒸发量,则总蒸发水量为,FX进=（F进-W
11、）X出,四效蒸发系统的物料衡算过程,第三效蒸发水量为,则第效的蒸发水量W为,进入第的料液量80000-12600=67400kg/h,类推得：15000kg/h 18100kg/h,反应过程的物料衡算,1、直接计算法,在物料衡算中，根据化学反应式，运用化学计量系数进行计算的方法，称为直接计算法。,例：甲醇氧化制甲醛，其反应过程为 CH3OH+1/2O2 HCHO+H2O反应物及生成物均为气态。甲醇的转化率为75，若使用50的过量空气，试计算反应后气体混合物的摩尔组成。,解：画出流程示意图，如下图：,催化反应器,CH3OH,空气（过量50%),CH3OHHCHOH2OO2 N2,基准：1mol
12、CH3OH CH3OH+1/2O2 HCHO+H2O根据反应式：需氧0.5 氧入=0.51.5=0.75 氮入氮出0.75(79/21)=2.82,反应的甲醇量0.751=0.75,甲醛的出量0.75 甲醇的出量10.75=0.25氧的出量0.750.750.5=0.375水的出量0.75计算结果如下表：,组分CH3OH HCHO H2O O2 N2 总计,mol 0.250 0.750 0.750 0.375 2.820 4.945摩尔分数（）5.0 15.2 15.2 7.6 57.0 100.0,、元素衡算法,元素衡算是物料衡算的一种重要形式。在作这类衡算时，并不需要考虑具体的化学反应，
13、而是按照元素种类被转化及重新组合的概念表示为：输入(某种元素)输出(同种元素)对反应过程中化学反应很复杂，无法用一、两个反应式表示的物料衡算，可以列出元素衡算式，用代数法求解。,C3H8+5O2 3CO2+4H2O,基准：100mol烟道气：设：N-烟道气中N2的mol Q-烟道气中H2O,mol M-烟道气中O2的mol A-输入空气 mol P-烟道气中CO2的mol B-输入丙烷，mol 列平衡式：C平衡：3P=B N2平衡:0.79A=N H2平衡：4Q=B 过剩氧气:0.21A0.25/1.25=M O2平衡：0.21A=M+P+2Q 烟道气总量:N+M+P+Q=100,丙烷充分燃烧
14、时，要供给的空气量为理论量的125%，问每100mol燃烧产物，需多少mol的空气？反应：,燃烧,丙烷空气（O2 N2）,CO2 H2O O2 N2,、用联系组分作衡算,“联系组分”是指随物料输入体系，但完全不参加反应，又随物料从体系输出的组分，在整个反应过程中，它的数量不变。如果体系中存在联系组分，那么输入物料和输出物料之间就可以根据联系组分的含量进行关联。例如，F、P分别为输入、输出物料，T为联系组分。T在F中的质量分数为XFT，在P中的质量分数为XPT，则F与P之间的关系为：,FXFT=PXPT,某厂用空气和邻二甲苯生产苯酐。原料流量为：205kg/h邻二甲苯，4500m3（STP）/h
15、空气，从反应的计量关系可知，生成1mol苯酐需要反应掉1mol的邻二甲苯。经化验得到反应器出口气体的组成为：,试计算：1）邻二甲苯的转化率，苯酐收率；2）苯酐的年产量（年工作日330天）,循环过程的物料衡算,例如在生产 中一般将未反应的原料与产品先分离，后循环返回原料进口处，与新原料一起再进入反应器反应。,例如苯直接加氢转化环己烷中的循环过程：,混合器,泠凝器,新鲜2,纯C6H6,循环2,80%220%C6H6,产物,3%H2,反应器,苯直接加氢转化环己烷中的循环过程的衡算,解：反应为：C6H6+3H2C6H12 基准：100kmol/h环己烷 查苯的总转化率为99%则生产100kmol/h环
16、己烷需苯 1000.99=101.01kmol/h未反应的苯为 101.01-100=1.01kmol/h产物中含H2,设含量为nH2,总产量100+1.01+3.12=104.13kmol/h其摩尔分数为,H2的进料率为 10033.12=303.12kmol/h苯的进料率为101.01kmol/h设H2循环量为R,R=100.92kmol/h,在没有循环时，一系列单元步骤的物料衡算可按顺序依次进行，每次可取一个单元但是，如果有循环的话，由于循环量并不知道，所以逐次计算并不能计算出循环量。其解法有二：代数法：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量作为未知数，用联立方程
17、式的方法进行求解。迭代法：假定一个循环量估计值进行计算，将估计值与计算值比较，若不符，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。联立方程法：,迭代法求解循环问题序贯模块法,今有一反应器/分离器系统，它将100kmol/h的组分A转化为等物质的量的B。每一单程有80%的A被转化，在分离器内没有物质的变化，分离后的98%的A和1%的B再循环。,例：丙烷在催化反应器中脱氢生成丙烯，其反应式为：,C3H8 C3H6+H2丙烷的总转化率为95%，反应生成物经分离器分成产物P和循环物料R，产品中含有C3H8、C3H6及H2，其中C3H8的量为未反应C3H8的0.555%，循环物料
18、中含有C3H8和C3H6，其中C3H6的量是产品中C3H6的5%，试计算产品组成、循环物料组成和单程转化率。,物料衡算汇总表(1)产品消耗定额,产品消耗定额,主要原料、辅助材料的品种、规格及年需求量,(2)原辅材料需求一览表,4.2 能量衡算,化工生产中，需要通过能量衡算解决的问题：确定物料输送机械和其他操作机械所需功率。确定各单元过程所需热量或冷量及其传递速率。化学反应所需的放热速率和供热速率。做好余热综合利用。,能量衡算的基本方程式,在物料衡算基础上进行能量衡算，能量衡算的步骤与物料衡算相同。,根据热力学第一定律，能量衡算方程可写为：Q+W=E=Ek+Ep+U W=Wt+Ws，Wt为流动功
19、，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，如间歇操作过程，体系物质的动能、位能、压力能无变化，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：,3.热量衡算式及说明,热量衡算式 在反应器、蒸馏塔、蒸发器、换热器等化工设备中，W、Ek、Ez与Q、U和H的相比，可以忽略。总能量衡算式为：封闭体系 Q=U 敞开体系 Q=H 对这些设备做能量衡算的实质就是进行热量衡算。,连续稳定流动体系的热量衡算：,Q=H1H
20、2 或 Q=U1 U2,实际计算时，还常使用下式：Qin=QoutQ1+Q2+Q3=Q4+Q5+Q6,Q1物料带入热量；Q2加热介质供给或输出的热量，输入为正，输出为负；,Q3过程的热效应，吸正放负；Q4物料带出热量；Q5消耗在加热设备各部件上的热量；Q6设备向四周的散热损失；,热量衡算的步骤,建立单位时间为基准的物料流程图或物料平衡表。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。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。列出热量衡算式，用数学方法求解。当生产过程及物料组成较复杂时，可列出热量衡算表。,4.机
21、械能衡算式,连续稳定流动过程的总能量衡算方程为：,在一些单元操作中，Q、U与动能和位能变化及外功相比，相对较小，如流体流入流出贮罐、贮槽、工艺设备、输送设备、废料排放，管道流动等过程。,单位质量不可压缩流体流动时的机械能衡算式：,4.3 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有PRO/II、HYSYS、ASPEN PLUS等。,PRO/II 流程模拟软件 PRO/II 由美国模拟科学（SIMSCI）公司研发提
22、供的。是目前石油化工行业最全面的流程模拟软件，已被广泛地应用于化学过程的严格的质量和能量平衡。,西安石油大学2006年也购买了该软件，20个用户终端。,PRO/II流程模拟软件功能特点,适用行业：油/气加工、炼油、化工、化学工程、建筑、聚合物、精细化工/制药模拟应用：新工艺设计、评估改变的装置配置、改进现有装置、消除装置工艺瓶颈、优化和改进装置产量和效益。组份数据库：2000多纯组分库、1900多组分/种类电解质库等。混合物数据：用于3000多VLE二元作用参数、2200在线共沸混合物用于参数估算、专用数据包等。热力学计算方法：60多个热力学模型。热力学数据：特殊包：胺，乙二醇，酒精；超过50
23、00个二元交互参数；专用的水溶性数据；超过550个Henry系数；二元交互参数预测；热力学数据回归。,设计化工单元操作：闪蒸罐，间歇精馏器，蒸馏器，液液抽提精馏器，侧线塔，压缩机，结晶器，旋流器，减压设备，溶解器，膨胀机，闪蒸，带有固体的闪蒸，LNG多股流换热器，精确核算型换热器，简单换热器，严格空冷器模型，加热/冷却曲线，混合器，相包络，管道，聚合物反应器，泵，回流泵，阀，刮膜式蒸发器，平衡反应器，转换反应器，吉布斯反应器，塞流反应器，平推流反应器，全混流反应器，间歇式反应器，固态颗粒分离器，分裂器，单变量控制器，多变量的控制器，物流计算器，流程优化器，过程数据，用户自定义操作单元，(电解质
24、模块，SIMSCI外接的模块)等。用户扩展功能：用户自定义物流属性包；增加用户组份数据；增加热力学计算方法；增加自定义操作单元模块120个；增加自定义计算模型7个；增加自定义电解质模型20个等。分析工具：工况研究、优化器、单相变量控制器、多相变量控制器、加热/冷却曲线等。,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。Aspen plus 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化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。,现有产品主要集中在比较成熟的精馏过程的建模和优化，在其他一些主要装置，如反应器、反应精馏、聚合等过程还没有模型或只有简单的模型，对石化企业好设计部门来说，花巨资购买的软件只能在某些装置上使用。开发出针对我国石化企业，覆盖主要生产装置的流程模拟、过程控制好过程优化软件将具有很强的市场竞争力。,
