物料衡算与热量衡算培训ppt课件.ppt

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1、4 物料衡算与热量衡算,依据质量守衡定律，以设备或生产过程作为研究对象，对其进、出口处进行定量计算，称之为物料衡算。在复合材料生产过程中，物料衡算对于控制生产过程有着重要的指导意义。在实际生产过程中，物料衡算可以揭示物料的浪费和生产过程的反常现象，从而帮助找出改进措施，提高成品率及减少副产品、杂质和三废排放量。,物料衡算的作用与意义,物料衡算还可以检验生产过程的完善程度，对生产工艺设计工作也有着重要指导作用。物料衡算是计算原料与产品之间的定量关系，由此定出原料和辅助材料的用量、制订原料和辅助材料的单耗指标以及生产过程中各个阶段的原料和辅助材料的损耗量及其组成。物料衡算也是能量衡算、定型设备选型

2、、非定型设备工艺计算和其他工艺计算的基础。通过物料衡算可以算出各工段所处理的物料量(各组分的成分、重量和体积)，便可以定出生产过程所需设备台数、容量和主要尺寸以及计算管道尺寸等。所以物料衡算是复合材料工艺计算的重要部分。,物料衡算的作用与意义,物料衡算可分操作型计算和设计型计算。操作型计算是指对已建立的工厂、车间或单元操作及设备等进行计算。设计型计算是指对建立一个新的工厂、车间或单元操作及设备进行物料衡算，这是设计计算的第一步，也是整个设计的基础，在此基础上进行热量衡算、设备工艺计算，则可以确定设备选型、工艺尺寸、台数以及公用工程所需水、电、汽、冷冻、真空及压缩空气等需要量。,物料衡算的类型,

3、物料衡算常用基本概念和方法,质量守恒定律 质量守恒定律是指“进入一个系统的全部物料量必等于离开这个系统的全部物料量，再加上过程中损失量和在系统中积累量”。依据质量守恒定律，对一研究系统作物料衡算，可用下式表示：F进=F出+F损+F积 式中 F进-输入物料总和；F出-离开物料量总和；F损-总的损失量；F积-系统中积累量。分批操作（间歇操作）的设备，当终点时，物料全部排出则系统内物料积累为零，对于稳定连续操作，系统物料累积量亦为零。在此情况下，上式可写成：F进=F出+F损,4.1 简单的物料衡算,4.1 简单的物料衡算,质量守恒定律：物料衡算的基本准则是质量守恒定律。以稳态为例：,物质总流量守恒

4、原子总数量守恒摩尔流率守恒(无化学反应),4.1 简单的物料衡算,分析问题；画流程图；确定系统，分析自由度；选定计算基准；列出衡算模型，并求解。,美国黄石公园,4.1.1 简单的衡算模型,总体物料衡算：组分的物料衡算：组成的约束条件：,图5.1 简单衡算系统示意图,式中：Fi第i个股的总流率，kg/h(kmol/h);Fi,j第i个股中j 组分的流率，kg/h(kmol/h);Zi,j第i个股中j 组分的组成;NI 进入流股数；NT 物质流股总数；NC 总组分数目;Vj 反应物中第j 组分的化学计量系数，反应物为负，生成物为正。,(i=1,2,NT),(张量基本知识),(j=1,2,NC),4

5、.1.2 混合器和分离器的物料衡算,a.简单混合,(j=1,2,NC),图3.2 简单混合系统示意图,i=1,2,NT-1j=1,2,NC,简单混合例题,例5.1 将含有40%(质量百分率)硫酸的废液与98%浓硫酸混合生产90%的硫酸，产量为1000kg/h。各溶液的第二组分为水，试完成其物料衡算。,图5.3 硫酸简单混合系统示意图,F1=?H2SO4 Z1,1=0.40H2O Z1,2=0.60,F2=?H2SO4 Z2,1=0.98H2O Z2,2=0.02,F3=1000 kg/hH2SO4 Z3,1=0.90H2O Z3,2=0.10,总：F1+F2=F3=1000,解:水：0.6F1

6、+0.02F2=0.1F3=100,联立：F1=138 kg/h F2=862 kg/h,计算结果,图5.3 硫酸简单混合系统计算结果,几个组分就有几个独立方程；几个组分就有几个独立变量；几个组分流股方程中就有几项。,结果分析,b.简单分离,F1=F2+F3；,图5.4 简单分离系统示意图,(j=1,2,NC),b.简单分离例题-自由度分析,例5.2 将一个含有20%(摩尔分率)丙烷(C3),20%异丁烷(i-C4)，20%异戊烷(i-C5)和40%正戊烷(n-C5)的混合物引入精馏塔分离，塔顶馏分为含50%C3，44%i-C4，5%i-C5和 1%n-C5的混合物，塔底引出流股中仅含1%的C

7、3。完成物料衡算。,精馏塔分离系统分析图,解：选定基准：F1=100 kmol/h进料物料衡算：C3：0.5F2+0.01F3=20 总：F2+F3=100 kmol/h 解得：F2=38.8 kmol/h F3=61.2 kmol/h,(j=1,2,NC),F1Z1,j=(F2 Z2,j F3Z3,j),物料衡算：i-C4：0.2F1=0.44F2+Z3,2 F3 Z3,2=0.05 i-C5：0.2F1=0.05F2+Z3,3 F3 Z3,3=0.30 n-C5：0.4F1=0.01F2+Z3,4 F3 Z3,4=0.64,简单分离例题-解,物料衡算结果,表3.例5.2 精馏塔的自由度分析

8、,物料衡算结果,各流股组分数,1,0,7,4,12,4.2.3具有化学反应的物料衡算,式中 Vj反应中第 j 组分的化学计量系数；(反应物为消失负，生成物为正)Mj第 j 组分的分子量。,物料衡算：,质量守恒：转化物质总质量产生物质总质量,式中：NE 表示化学元素的数目；j,k 是在第 j 组分中第 k 个元素的原子数。,衡算式：,(k=1,2,NE),入口物质总质量(1)出口物质总质量(2),数学模型：F2Z2,j=F1Z1,j-F1Z1,k(YkVj/Vk),在催化剂作用下，甲醇用空气中的氧气氧化制取甲醛。为了保证甲醇有足够的转化率，在进料中空气过量50%，甲醇转化率可达75%。写出物料衡

9、算表。,甲醇-1CH3OH,图5.4 甲醇氧化制甲醛简化流程图,产品,空气 O2-2惰性组分-5,HCHO-3,CH3OH-1,O2-2,惰性组分-5,H2O-4,例4.3,0.15,0.15,0.57,0.08,0.05,75.0,75.0,282.1,37.5,25.0,282.10.617,75.00.164,100.00.219,282.1,37.5,25.0,75.0,75.0,37.5,75.0,282.1,75.0,100.0,100.0,100.0,50.0,100.0,引出气体的组成(摩尔分数)%,引出气体 494.6,进入气体 457.1,未转化物质/(kmol/h),产生

10、物质/(kmol/h),4.总计/(kmol/h),转化物质/(kmol/h),3.对于甲醇转化率75%时,2.过剩50%空气,试剂量/(kmol/h),1.按化学计量式计算/(kmol/h),CH3OH+0.5O2 HCHO+H2O,项 目,H2O,HCHO,惰性组分,O2,CH3OH,数学模型：F2Z2,j=F1Z1,j-F1Z1,k(YkVj/Vk),例4.3 计算过程,表4.4 计算结果,例4.3 计算结果,4.1.4 简单的过程计算,例4.4 某油分，含84%的C和16%的H，现100 kg/h的油分与含水3.6 kg/h的空气燃烧，分析尾气，其中有9.5%的CO2(体积分率)。试求

11、供给燃烧炉的空气过剩量是多少？,100 kg/h(CnHm),3.6 kg/h H2O,CO2(9.5%V),空气(O2,N2),燃烧室,F1,F2,F3,1.计算基准：100 kg/h 油2.输入流率：84 kg/h C:84/12=7 kmol/h 16 kg/h H2:16/2=8 kmol/h 3.6 kg/h H2O:3.6/18=0.2 kmol/h,3.用分解反应作反应物的物料衡算，各组分在各个步骤中的数量分配列于下表中，其中x表示过剩的氧量，y表示进量中的氮。,CnHm+RO2nCO2+0.5mH2O式中 R=n+0.25m。该反应可分解为C与H2的燃烧反应，即 C+O2CO2

12、 H2+0.5O2H2O,解：燃烧过程的反应,y,8.2,7,x,y,0.2,x,8,4,8,7,7,7,输入流率：C:7 kmol/h H2:8 kmol/h H2O:0.2 kmol/h,表 3.5 各组分数量分配,按化学计量式所需O2为(4+7)=11 kmol/h 实际供应O2量为(11+x)kmol/h 氮气 y=(11+x)(0.79/0.21)=41.38+3.76x 全部引出的气体量为 15.2+x+y=56.58+4.76x 出口气体中CO2占9.5%，7/(56.58+4.76x)=0.095 解得 x=3.59 kmol/h 实际上供氧量为 11+x=11+3.59=14

13、.59 kmol/h p=(出口流中O2)/(化学计量中的O2)100%=3.59/11.0100%=32.6%,4.计算过剩的空气量,单位：kmol/h,空气过剩量为 32.6%,各组分 数量分配,有一股流率为50 kmol/h，含有15%CO2(摩尔分数，下同)和5%H2O的气流送入吸收塔，用流率为500 kmol/h的新鲜水吸收CO2，吸收后的气体中，含1%CO2和3%H2O。试求出口的组成与流率。,图3.6 例3.5简化流程图,出口流体F4=CO2 H2O,吸收剂 水F1=500 kmol/h H2O 100%,引出气体 F3=CO2 1%H2O 3%其他 96%,入塔气体F2=50

14、kmol/hCO2 15%H2O 5%其他 80%,1,2,3,4,吸收塔,例5.5,解：0.8F2=0.96 F3 F3=0.850/0.96=41.67 kmol/h F1+F2=F3+F4 F4=500+50-41.67=508.33 kmol/h,图3.6 例3.5简化流程图,出口流体F4=CO2 H2O,吸收剂 水F1=500 kmol/h H2O 100%,引出气体 F3=CO2 1%H2O 3%其他 96%,入塔气体F2=50 kmol/hCO2 15%H2O 5%其他 80%,1,2,3,4,吸收塔,利用惰性组分的特征可简化物料衡算,图3.6 吸收塔衡算结果,出口流体F4=50

15、8.33 kmol/hCO2 1.4%H2O 98.6%,例4.7 不带化学反应的化工流程的物料衡算自由度分析,一个由四个精馏塔和一个分流器组成的化工流程，其示意图见图。流程中无化学反应，所有组成均为摩尔分数。塔2有50%的回流到塔1，试进行物料衡算。,F1=1000mol/hC1 0.20C2 0.25C3 0.40C4 0.15,C3 0.03,C1 0.995C2 0.005,C3 0.98C4 0.02,C4 1.00,C3 0.70C4 0.30,C4 0.002,1,6,2,3,4,7,9,10,11,5,分流器,8,C1 0.01C2 0.89C3 0.10,F2=1k mol/

16、h,通过自由度分析指出计算顺序，进行物料衡算，并将计算结果转换成以F2=1kmol/h，为基准的形式。,1(4),2(3),7(3),6(3),3(3),4(2),9(2),8(3),11(1),10(2),5(3),2,0,1,1,3,1,2,0,1,1,0,0,0,0,9,11,2,2,2,4,7,4,13,1,2,3,3,4,15,25,5,5,8,8,13,表3.8 例3.7 流程的自由度分析,各流股组分数,解：塔2 的物料衡算,分流器的物料衡算,F2=F4+F5 0.03F2=0.1F5 Z2,C1F2=0.995F4+0.01F5,F5=F6+F7 F6=F7=0.5F5 解得：F

17、6=F7=0.15F2,解得：F4=0.7F2；F5=0.3F2 Z2,C1=0.6995；Z2,C2=0.2705;Z2,C3=0.03,F1=1kmol 式的计算过程,塔1 的物料衡算总：1000+F6=F2+F3 对C1：10000.2+0.01F6=0.6995F2 对C2：10000.25+0.89F6=0.2705F2+Z2,C2F3 对C3 10000.4+0.1F6=0.3F2+Z3,C2F3 5个未知数4个方程 引入F5=2F6=0.3F2得：,F2=286.53 mol/h;F3=756.45 mol/h Z3,C2=0.2786；Z3,C3=0.5231;Z3,C4=0.

18、1983F5=85.96 mol/h;F4=200.57 mol/hF6=42.98 mol/h F7=42.98 mol/h,塔1,塔3 的物料衡算 F3=F8+F9 对C4：Z3,C4F3=0.002F8+0.3F9 对C2：Z3,C2F3=Z8,C3F8解得：F8=258.17 mol/h Z8,C2=0.8162；Z8,C3=0.1818;Z8,C4=0.002,塔4 的物料衡算 F9=F10+F11 对C3：Z9,C3F3=0.98F10 解得：F10=355.91 mol/h;F11=142.37 mol/h,表4.9 例4.7 流程的物料衡算结果一览表,表4.10 假设F1未知F

19、2已知的自由度分析,解：塔2 的物料衡算F2=1000 mol/h 总的 F2=F4+F5 C3 0.03F2=0.1F5 F5=0.3F2=300 mol/h F4=700 mol/h C1 Z2,C1F2=0.995F4+0.01F5 解得：Z2,C1=0.6995；Z2,C2=0.2705;Z2,C3=0.03,分流器的物料衡算 F5=F6+F7 F6=0.5F5 解得：F6=F7=150 mol/h,塔1 的物料衡算总：F1+F6=F2+F3 对C1：F1Z1,C1+F6 Z6,C1=F2Z2,C1 0.2*F1+0.01*150=0.6995*1000 F1=3490 mol/h F

20、3=2640 mol/h F2=1000 mol/h,F1=3490 mol/h;F3=2640 mol/h F2=1000 mol/h Z3,C2=0.2786；Z3,C3=0.5231;Z3,C4=0.1983,对C3 F1Z1,C3+F6Z6,C3=F2Z2,C3+F3 Z3,C3 3490*0.4+150*0.1=1000*0.3+2640*Z3,C2Z3,C2=0.2786；,对C2：F1Z1,C2+F6Z6,C2=F2Z2,C2+F3 Z3,C2 0.25*3490+0.89*150=0.2705*1000+2640Z3,C2 Z3,C2=0.2786,塔3 的物料衡算 F3=F8

21、+F9 对C4：Z3,C4F3=0.002F8+0.3F9 对C2：Z3,C2F3=Z8,C2F8对C3：Z3,C3F3=Z8,C3F8+Z9,C3F9解得：F8=901 mol/h F9=1739 mol/h Z8,C2=0.8162；Z8,C3=0.1818;Z8,C4=0.002,塔4 的物料衡算 F9=F10+F11 对C3：Z9,C3F3=0.98F10 解得：F10=1242 mol/h;F11=497 mol/h,F1=3490 mol/h F2=1000 mol/h F3=2640 mol/h F5=300 mol/h F6=150 mol/h F7=150 mol/hF4=7

22、00 mol/h F8=901 mol/h F9=1739 mol/hF10=1242 mol/h F11=497 mol/h,F1=1000 mol/h F2=286.5 mol/h F3=756.4 mol/h F5=86 mol/h F6=43 mol/h F7=43 mol/hF4=200.6 mol/h F8=258 mol/h F9=498 mol/hF10=356 mol/h F11=142 mol/h,计算结果,4.2 带有循环物流的物料衡算,(1)顺序模块法,图3.12 顺序模块法,4.2.1 用迭代法求解再循环问题,进料 1,产品 5,反应器,循环流,混合器,2,3,4,分

23、离器,6,例4.10 用简单迭代法求解一个具有循环过程的物料衡算。某反应/分离系统，将100 kmol/h 的组分A转化为等摩尔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%A和1%B再循环。基准：100 kmol/h A；目标容许误差0.001,图5.14 例5.10 示意流程,试差,进料 1,产品 5,反应器,混合器,2,3,4,分离器,6,F1=100 kmol/h,例4.10,1.01,1.01,1.01,1.00,0.96,0.8,24.37,24.37,24.34,24.20,23.44,19.6,0,0,0.01,0.04,0.17,1,0,0.0021

24、,0.006,0.031,0.16,1,1.01,1.01,1.01,1.00,0.96,0.8,24.37,24.37,24.34,24.20,23.44,19.6,99.50,99.47,99.37,98.68,95.52,79.2,0.50,0.5,0.50,0.49,0.48,0.4,100.51,100.48,100.36,99.68,96.48,80,24.87,24.87,24.84,24.69,23.92,20,1.01,1.01,1.00,0.96,0.8,0,124.37,124.34,124.20,123.44,119.6,100,1.01,1.01,1.00,0.96,

25、0.8,0,24.37,24.34,24.20,23.44,19.6,0,0,0,0,0,0,0,100,100,100,100,100,100,表4.1 例4.10 迭代计算过程,F6A=0.98F4AF6B=0.01F4B,迭代计算过程,表4.1 例4.10 迭代计算过程,图5.15 Secant 切割法,e,f(x(1),f(x(2),x(3),x(1),x(2),f(x),x,0,式中 cc 次迭代循环新的估算值；xi组分i 的一个变数；Ei容差函数。,(2)加速收敛法 Secant 切割法,加速收敛法算例,式中 cc 次迭代循环新的估值；xi组分i 的一个变数；Ei容差函数。,1.0

26、1,0.96,0.8,24.38,23.44,19.6,1.01,1.00,0.96,0.8,24.38,24.20,23.44,19.6,99.50,98.68,95.52,79.2,0.50,0.49,0.48,0.4,100.51,99.68,96.48,80,24.88,24.69,23.92,20,1.01,0.93,0.8,0,124.38,123.44,119.6,100,1.01,0.96,0.8,0,24.38,23.44,19.6,0,0,0,0,0,100,100,100,100,加速迭代法计算结果,加速迭代法计算结果,苯乙烯烷基化反应制取乙苯的反应：C6H6+C2H4C

27、6H5C2H5反应器的原料苯和乙烯的摩尔比为1:0.6，反应器出口的混合液流量250 kg/s。出口组成：苯44%(wt)，乙苯40%，二乙苯16%，求：1.原料乙烯和苯的进料流量(kg/s)；2.乙烯的转化率；3.乙苯的收率(以乙烯为基准)；4.反应的选择性反应的选择性。,4.3 热量衡算,能量衡算通式：,流动过程,NI,1,NI+1,NT,Q,W,5.3.1基本热量衡算,例5.3.1 在烟道中用一个节热蛇管回收烟道气的废热。烟道气温度T1=250，流率F=1800 kg/h，蛇管内通入TL=15的水，要求换热后产生Ts=120的饱和蒸汽。15液态水的焓H1=65kJ/kg，120液态水的焓

28、HL=500kJ/kg。120汽态水的焓HV=2700 kJ/kg，100 250烟道气的平均比热容为：Cp=0.9kJ/(kg.K)。求该节热器产生蒸汽的最大速率及相应的烟道尾气的温度，如果维持最小温差为20，可产生多少蒸汽，烟道尾气的温度Ta是多少？,烟道尾气Ta=？,TL=15水,Ts=120蒸汽,T1=250烟道气F=1800 kg/h,尾气,T1=250,水,T2=15,Ta,换热,汽化,T,Q kJ/h,Ts=120,尾气,T1=250,水,T2=15,Ta,换热,汽化,T,Q kJ/h,Ts=120,t=20,例4.3.1,解：计算基准：1800 kg/h烟道气。(1)最大速率

29、FCp(T1-Ts)=M(Hv-HL)1800 0.9(250-120)=M(2700-500)M=95.7 kg/h,FCp(Ts-Ta)=M(HL-H1)18000.9(120-Ta)=95.7(500-65)Ta=94,(2)t=20时的M和Ta FCp(T1-Ts-20)=M(Hv-HL)18000.9(250-120-20)=M(2700-500)M=81 kg/h FCp(Ts+20-Ta)=M(HL-H1)18000.9(120+20-Ta)=81(500-65)Ta=118,4.3.2 热量与物料衡算,例5.13：某精馏系统，进料为12000kg/h，料液由A(50%)、B(3

30、6%)、C(14%)三种组分组成，进料为汽液比1:1汽液混合物，塔顶馏分流率为6050kg/h，组成98%的A，2%的B，料液及馏分的温度分别为140和95，过热蒸汽(V)100，塔底引出流温度为160。所有组分的平均比热为2kJ/(kg.K)，潜热为400 kJ/kg，回流比R=2.32，忽略热损失，求塔底组分流率、过热蒸汽速率、再沸器和冷凝器的热负荷。,L,W,F,D,V,图5.22 例5.13 精馏系统,D=6050 A:0.98B:0.02TD=95,F=12000A:0.5B:0.36C:0.14Tw=140,W=？A:B:C:Tw=160,基准：F=12000 kg/h物料衡算 全

31、系统：W=12000-6050=5950 kg/h 组分C：WC=12000(0.14)=1680 kg/h 组分B DB=6050(0.02)=120 kg/h WB=0.36(12000)-120=4200 kg/h 组分A DA=6050(0.98)=5930 kg/h WA=0.5(12000)-5930=70 kg/h塔顶馏分流率：V=(R+1)D=(2.32+1)6050=20086 kg/h(2)热量衡算 选用95为基准温度,已知：,例5.13 精馏系统,解：,流股,状态,T/,(T-95),流量Mkg/h,显热,潜热,全部,MCp(T-95),ML,GJ/h,GJ/h,GJ/h

32、,FWV,液液汽,140160100,45655,12000595020086,1.0800.7740.201,2.4000.0008.034,3.4800.7748.235,热量衡算：,再沸器热量计算(以内边界为系统)：(1)输入总热量：Q1=再沸器带入热量+进料输入热量+回流带入热量=再沸器带入热量+3.48+0 GJ/h(2)输出总热量：Q2=再沸器带出热量+塔底出料热量+顶蒸汽热量=再沸器带出热量+0.774+8.235 GJ/h(3)再沸器热负荷：Q3=再沸器输入热量-再沸器带出热量=5.529 GJ/h(4)冷凝器热负荷：Q4=上升蒸汽热量-回流热量-馏分热量=8.235-0-0=

33、8.235 GJ/h,流股,状态,T,(T-95),流量Mkg/h,显热,潜热,全部,MCp(T-95),ML,GJ/h,GJ/h,GJ/h,FWV,液液汽,140160100,45655,12000595020086,1.0800.7740.201,2.4000.0008.034,3.4800.7748.235,热量衡算：,(1)冷凝器热负 Q4(冷凝器)Q4+QD+QL=QV Q4=QV-QD-QL=8.235-0-0=8.235 GJ/h(2)再沸器热负荷Q3(对系统外边界)：QF+Q3=Q4+QD+QW Q3=Q4+QD+QW-QF=8.235+0+0.774-3.48=5.529 G

34、J/h,L,W,F,D,V,Q4,Q3,热量衡算：,4.3.3 有化学反应的热量衡算：,按着Hess定律，即反应热(反应焓变)HR为所有产品的生成焓与反应物生成焓的差值。实质是化学反应的焓变值只与状态有关，而与路径无关。HR=niHf(生成物)-miHf(反应物)式中 ni，mi 生成物和反应物的化学计量系数；HR 生成焓。HR0吸热反应;HR 0放热反应,这一关系是由化学家Germain Henri Hess于1840年前后总结的规律，俄国科学家盖斯（Hess）在总结大量实验事实的基础上指出，一个化学反应若能分解成几步来完成，总反应的焓变HR 等于各步分反应的焓变HR之和。这就是Hess(盖

35、斯)定律。化学反应的焓变值只与始态和终态有关，而与路径无关。,4.14 甲烷的燃烧过程 甲烷和空气在25进入燃烧炉。甲烷和100%过剩空气完全燃烧。甲烷进料量为100 kmol/h，离开燃烧炉气体的温度为600，试问燃烧炉的散失的热量是多少？已知数据如下 C2H2CH4 Hf,298K=-74500 kJ/kmol CO2CO2 Hf,298K=-393500 kJ/kmol H2+0.5O2H2O Hf,298K=-241800 kJ/kmol CH4+2O2CO2+2H2O平均定压比热容(25600)Cp分别为 Cp,CO2=46.2 kJ/kmolK Cp,H2O=36.2 kJ/kmo

36、lK Cp,O2=31.7 kJ/kmolK Cp,N2=30.2 kJ/kmolK,例：,反应热炉体散热加热产物吸热冷却放热-HR=QHout-Hin,终态,3 升温,0,25,1 冷却,初态,T,2 反应,例：5.14 甲烷的燃烧过程 甲烷和空气在25进入燃烧炉。甲烷和100%过剩空气完全燃烧。甲烷进料量为100 kmol/h，离开燃烧炉气体的温度为600，试问燃烧炉的散失的热量是多少？,解:(1)分析,时间 t,600,燃烧炉,反应热-HR,冷却放热-Hin,炉体散热 Q,产物吸热 Hout,分析,已知数据如下 C2H2CH4 Hf,298K=-74500 kJ/kmol CO2CO2

37、Hf,298K=-393500 kJ/kmol H2+0.5O2H2O Hf,298K=-241800 kJ/kmol 2H2+O22H2O Hf,298K=-483600 kJ/kmol CH4+2O2CO2+2H2O,(2)求解反应热(-HR),HR(298K)=niHf-miHf=-393500+(-2418002)-(-74500)=-802600 kJ/kmol每h的反应热HR(298K)为：HR(298K)=-80260 MJ/h,在化学热力学中，规定稳定纯单质B在298.15K(25)标准状态时的规定摩尔焓值为零：,解:,例：5.14 已知数据如下平均定压比热容(25600)Cp

38、分别为 Cp,CO2=46.2 kJ/kmolK Cp,H2O=36.2 kJ/kmolK Cp,O2=31.7 kJ/kmolK Cp,N2=30.2 kJ/kmolK,表 5.26 例 5.14数据,Hout FiCp(T-25)=63.64(600-25)=36590 MJ/h,CH4+2O2CO2+2H2O,4.3.3 有化学反应的热量衡算：,反应热炉体散热加热产物吸热冷却放热-HR=QHout-Hin,已求的：Hout 36590 MJ/hHR(298K)=-80260 MJ/hHin=0,炉体散热为：Q=-HR Hout+Hin=80260-36890=43670(MJ/h),例：

39、乙烯氧化制环氧乙烷：主反应 C2H4(g)+0.5O2(g)C2H4O(g)副反应 C2H4(g)+3O2(g)2CO2(g)+2H2O(g)反应温度250，主、副反应热-Ho523=105395kJ/kmol 乙烯，-Ho523=1321726kJ/kmol 乙烯乙烯的单程转化率32%，选择性69%，反应器入口温度210，流量45000Nm3/h,组成：,热损失按反应放出热量的5%考虑，求热载体移出的热量。解：查得有关气体热容数据：,5.3.3 有化学反应的热量衡算：,热力学途径,210,反应器入口气,250,反应器入口气,250,反应器出口气,H,H1,H2,210，反应器入口气热容：Cp

40、0.03564.430.8230.040.14531.3831.44kJ/(kmol.K)250，反应器入口气热容：Cp0.03566.940.8230.170.14531.6731.67kJ/(kmol.K)210250，平均热容：Cpm(31.4431.67)/231.56kJ/(kmol.K)H1(45000/22.4)31.56(250-210)2.536106kJ/h H2(45000/22.4)0.035 0.32(0.69(-105395)0.31(-1321726)1.086107kJ/h HH1H22.536 106-1.086107-8.324106kJ/h HQ1Q2 Q

41、20.05(H)0.05(-8.324106)-4.162105kJ/h Q1H-Q2-8.324106-(-4.162105)-7.908106kJ/h,4.4 流程中的物料衡算与热量衡算,例：苯蒸汽冷却系统。P1=0.2 MPa，T1=500苯蒸汽在换热器(1)、(2)内进行恒压冷却至T2=200。P2=5 MPa，T3=75的冷却水首先通入换热器(2)，出口为饱和液体状态，进换热器(1)饱和液体，出口为汽液混合状态。两换热器出口流在混合器内混合，经分汽液离器分离出水汽，液体进入换热器(1)，已知换热器(1)冷却水量是换热器(2)的12倍，求换热器(1)能生产多少kg/h的蒸汽量？蒸汽的摩

42、尔分率为多少？,图5.23 例5.23 流程框图,(1),(2),饱和蒸汽,混合,饱和液体,5000.2MPa苯蒸汽,755MPa锅炉进水,5 MPa饱和液体,2000.2MPa苯蒸汽,5,3,2,9,8,6,7,4,1,自由度分析表,图5.23 例5.23 流程框图,0,1,0,0,0+1,4+2,0+1,1,1+4,1+4,1+3,1+2,2+4,7+5,2+4,4+3,1-1,1-1,1+0,3+0,0,0,2+0,2+0,0+1,0+1,5+1,4+1,3+0,2+0,例4.23 自由度分析,MB物料衡算；CB物料与热量衡算的总体衡算。,自由度分析表,整体衡算式：F1=F5；汽液分离器

43、：F3=F5+F6；混合器：F3=F4+F2=F6+F1；计算基准：F7=100 mol/h。整体能量衡算：dQ/dt=0(F7H7-F9H9)+(F1H1-F5H5)=0 F1=100 CpvdT/(2794.2-317.9)=1004.8266104/2.4763106=1.949kg/h换热器(2)能量衡算：dQ/dt=0F1HL(饱和,5MPa)-HL(75,5MPa)=F7Hv(200,0.2MPa)-Hv(T,0.2MPa)CpvdT=1.949(1154.5-317.9)/100=16.31 kJ/mol Cpm=CpdT/(500-200)=4.8266104/300=160.

44、9J/(mol.K),求解顺序,初值T:160.9(T-200)=1.631104 T=200+101.3=301.3=574.5K 迭代：T=T8=313.46换热器(1)能量衡算：dQ/dt=F7Hv(T8,P7)-Hv(T7,P7)+12F1Hm(饱和,P2)-HL(饱和,P2)=0Hm(饱和,P2)=HL(饱和,P2)+100 CpvdT/12(1.949)=1154+10031.96/12(1.949)=1291.15kJ/kg蒸汽分率：1291.12=x(2794.2)+(1-x)1154.5 x=0.0834 xF6=0.0834121.949=1.95 kg/h汽液分离器:F3

45、=F6+F5=12F1+F1=13(1.949)dQ/dt=F5Hv(饱和,P2)+F6HL(饱和,P2)-F3Hm(饱和,P2)=0 13(1.949)Hm=1(1.949)Hv(饱和)+12(1.949)HL(饱和)Hm=(1/13)HV(饱和)+(12/13)HL(饱和)=xHV(饱和)+(1-x)HL(饱和)x=1/13=0.07692,求解顺序：,整体衡算式：F1=F5；汽液分离器：F3=F5+F6；混合器：F3=F4+F2=F6+F1；计算基准：F7=100 mol/h。整体能量衡算：dQ/dt=0=F1Hv(饱和,P2)-HL(T3,P2)+F7Hv(T2,P1)-Hv(T1,P

46、1)F1=100 CpvdT/(2794.2-317.9)=1004.8266104/2.4763106;F1=1.949kg/h换热器(2)能量衡算：dQ/dt=F1HL(饱和,P2)-HL(T3,P2)+F7Hv(T2,P1)-Hv(T,P1)=0 CpvdT=1.949(1154.5-317.9)/100=16.31 kJ/mol Cpm=CpdT/(500-200)=4.8266104/300=160.9J/(mol.K)初值T8:160.9(T8-200)=1.631104 T8=200+101.3=301.3=574.5K 迭代：T8=313.46换热器(1)能量衡算：dQ/dt=

47、F7Hv(T,P1)-Hv(T1,P1)+12F1Hm(饱和,P2)-HL(饱和,P2)=0Hm(饱和,P2)=HL(饱和,P2)+100 CpvdT/12(1.949)=1154+10031.96/12(1.949)=1291.15kJ/kg蒸汽分率：1291.12=x(2794.2)+(1-x)1154.5 x=0.0834 xF6=0.0834121.949=1.95 kg/h汽液分离器:F3=F6+F5=12F1+F1=13(1.949)dQ/dt=F5Hv(饱和,P2)+F6HL(饱和,P2)-F3Hm(饱和,P2)=0 13(1.949)Hm=1(1.949)Hv(饱和)+12(1

48、.949)HL(饱和)Hm=(1/13)HV(饱和)+(12/13)HL(饱和)=xHV(饱和)+(1-x)HL(饱和)x=1/13=0.07692,求解顺序：,物料衡算习题4.2,题5.2 有如下一个连续流程，用于稀释乙酸的浓度处理，图中E代表某中溶剂。已知：产品精馏塔进料中的HAc有67.5%从产品流中产出；F1=2.3F11 图中所有组成均为质量分数，过程无任何化学反应。要求：试做物料衡算时的自由度分析，列出自由度分析表；指出完整的物料衡算计算顺序；求解出9号（废料流股）的组成及F2/F7,2,2,2,4,2,2,2,2,4,3,3,3,(3),(3),(3),(4),(2),(2),(

49、2),(2),(4),(2),(2),(2),11,循环流,E 7%HAc H2OH2SO4,题5.2 各股组分数量,产品精馏塔,溶剂提馏塔,E 99%H2O 1%,废料E 0.1%HAc H2OH2SO4,E 98.8%H2O 1.2%,产品HAc 99%H2O,HAc 60%H2O 40%,6,7,9,10,12,萃取塔,溶剂回收塔,进料HAc 30%H2O 69.8%H2SO4 0.2%,E 98.8%H2O 1.2%,1,2,3,4,5,8,HAc 24%,H2OE,HAcH2O,E代表某中溶剂。产品精馏塔进料中的乙酸HAc有67.5%从产品流中产出；F1=2.3F11 图中所有组成均

50、为质量分数，过程无任何化学反应。,0,2,0,1,0,0,0,1,4,18,2,2,4,3,4,3,5,10,3,2,3,3,2,2,11,31,8,6,10,7,12,8,2,1,3,1,3,1,6,2,E代表某中溶剂。产品精馏塔进料中的乙酸HAc有67.5%从产品流中产出；F1=2.3F11 图中所有组成均为质量分数，过程无任何化学反应。,计算过程分析,基准F3=100kg/h,回收塔 计算出Z3,E;F10;F8,产品塔 计算出：Z11,HAc;F11;F12,混合1 计算出：F1;F2;Z2,HAc;Z2,H2O,整体 计算出：F7;F9;Z9,HAc;Z9,H2O,混合2 计算出：F