物料与热量衡算.ppt

物料、热量衡算物料、热量衡算3.工艺计算（物料衡算、热量衡算、设备选型计算物料衡算、热量衡算、设备选型计算）n n3.1 物料衡算物料衡算1 1、物料衡算的作用、物料衡算的作用、物料衡算的作用、物料衡算的作用 1 1）操作型计算：装置已建，分析生产能力，挖掘潜）操作型计算：装置已建，分析生产能力，挖掘潜）操作型计算：装置已建，分析生产能力，挖掘潜）操作型计算：装置已建，分析生产能力，挖掘潜力，技改。力，技改。力，技改。力，技改。2 2）设计型计算：根据生产任务，设计计算，为热量）设计型计算：根据生产任务，设计计算，为热量）设计型计算：根据生产任务，设计计算，为热量）设计型计算：根据生产任务，设计计算，为热量衡算、设备选型计算提供条件衡算、设备选型计算提供条件衡算、设备选型计算提供条件衡算、设备选型计算提供条件2 2、物料衡算的类型、物料衡算的类型、物料衡算的类型、物料衡算的类型 1 1）间歇操作物料衡衡算）间歇操作物料衡衡算）间歇操作物料衡衡算）间歇操作物料衡衡算 2 2）连续操作物料称衡算）连续操作物料称衡算）连续操作物料称衡算）连续操作物料称衡算 3 3）循环过程物料衡算）循环过程物料衡算）循环过程物料衡算）循环过程物料衡算3、物料衡算通式、物料衡算通式（质量守恒定律）（质量守恒定律）单位时间内进入系统的全部物料质量单位时间内进入系统的全部物料质量 单位时间内离开系统的全部物料单位时间内离开系统的全部物料质量质量 单位时间内过程中的损失量单位时间内过程中的损失量 单位时间内系统内的积累单位时间内系统内的积累一、一、物料衡算的方法和步骤物料衡算的方法和步骤1 1、画出物料衡算示意图、画出物料衡算示意图、画出物料衡算示意图、画出物料衡算示意图 标明各股物料的进出方向、数量、组成以及温度、压力标明各股物料的进出方向、数量、组成以及温度、压力等等操作条件，待求的未知数据也应以适当的符号表示。操作条件，待求的未知数据也应以适当的符号表示。2 2、写出主、副反应式、写出主、副反应式、写出主、副反应式、写出主、副反应式3 3、确定计算任务、确定计算任务、确定计算任务、确定计算任务4 4、收集数据资料、收集数据资料、收集数据资料、收集数据资料 生产规模、生产时间、原料、助剂、中间产物和产品的规格生产规模、生产时间、原料、助剂、中间产物和产品的规格和组成和组成及有关的理化常数及有关的理化常数5 5、选定计算基准（为了简化计算）、选定计算基准（为了简化计算）、选定计算基准（为了简化计算）、选定计算基准（为了简化计算）6 6、展开计算、展开计算、展开计算、展开计算7 7、整理计算结果，画出物料衡算一览表、整理计算结果，画出物料衡算一览表、整理计算结果，画出物料衡算一览表、整理计算结果，画出物料衡算一览表8 8、绘制物料流程图，并编入设计文件、绘制物料流程图，并编入设计文件、绘制物料流程图，并编入设计文件、绘制物料流程图，并编入设计文件生产过程的常用指标1、生产能力2、转化率3、产率（选择性）4、收率5、消耗定额一、生产能力一、生产能力一、生产能力一、生产能力 化工装置在单位时间内生产的产品量或在单位时间内处理化工装置在单位时间内生产的产品量或在单位时间内处理化工装置在单位时间内生产的产品量或在单位时间内处理化工装置在单位时间内生产的产品量或在单位时间内处理的原料量，称为生产能力。其单位为的原料量，称为生产能力。其单位为的原料量，称为生产能力。其单位为的原料量，称为生产能力。其单位为 kg kgh h，t td d，ktkta a，MtMta a等。等。等。等。化工装置在最佳条件下可以达到的最大生产能力称为设计化工装置在最佳条件下可以达到的最大生产能力称为设计化工装置在最佳条件下可以达到的最大生产能力称为设计化工装置在最佳条件下可以达到的最大生产能力称为设计能力。能力。能力。能力。二、转化率二、转化率二、转化率二、转化率 转化率是原料中某一反应物转化掉的量（摩尔）与初转化率是原料中某一反应物转化掉的量（摩尔）与初转化率是原料中某一反应物转化掉的量（摩尔）与初转化率是原料中某一反应物转化掉的量（摩尔）与初始反应物的量（摩尔）的比值，它是化学反应进行程度的始反应物的量（摩尔）的比值，它是化学反应进行程度的始反应物的量（摩尔）的比值，它是化学反应进行程度的始反应物的量（摩尔）的比值，它是化学反应进行程度的一种标志一种标志一种标志一种标志工业生产中有单程转化率和总转化率，其表达式为：工业生产中有单程转化率和总转化率，其表达式为：工业生产中有单程转化率和总转化率，其表达式为：工业生产中有单程转化率和总转化率，其表达式为：单程转化率单程转化率单程转化率单程转化率 100%100%100%100%例：例：例：例：以乙烷为裂解原料生产乙烯，在一定的生产条件下，以乙烷为裂解原料生产乙烯，在一定的生产条件下，以乙烷为裂解原料生产乙烯，在一定的生产条件下，以乙烷为裂解原料生产乙烯，在一定的生产条件下，通入裂解炉的乙烷量为通入裂解炉的乙烷量为通入裂解炉的乙烷量为通入裂解炉的乙烷量为7000kg/h7000kg/h，反应后，尾气中含乙烷，反应后，尾气中含乙烷，反应后，尾气中含乙烷，反应后，尾气中含乙烷2450kg/h2450kg/h，求乙烷的转化率。，求乙烷的转化率。，求乙烷的转化率。，求乙烷的转化率。解：单程转化率解：单程转化率解：单程转化率解：单程转化率 100%100%100%100%65%65%（1）单程转化率）单程转化率n n对于有循环和旁路的生产过程，常用总转化率。对于有循环和旁路的生产过程，常用总转化率。对于有循环和旁路的生产过程，常用总转化率。对于有循环和旁路的生产过程，常用总转化率。n n总转化率总转化率总转化率总转化率 100%100%例：用乙烷作原料裂解生产乙烯，通入裂解炉的新鲜原料例：用乙烷作原料裂解生产乙烯，通入裂解炉的新鲜原料例：用乙烷作原料裂解生产乙烯，通入裂解炉的新鲜原料例：用乙烷作原料裂解生产乙烯，通入裂解炉的新鲜原料乙烷为乙烷为乙烷为乙烷为5000 kg/h 5000 kg/h，裂解气分离后，没有反应的乙烷，裂解气分离后，没有反应的乙烷，裂解气分离后，没有反应的乙烷，裂解气分离后，没有反应的乙烷2000kg/h2000kg/h又又又又返回了裂解炉进行反应，最终分析裂解气中含乙烷返回了裂解炉进行反应，最终分析裂解气中含乙烷返回了裂解炉进行反应，最终分析裂解气中含乙烷返回了裂解炉进行反应，最终分析裂解气中含乙烷1500 kg/h1500 kg/h，求乙烷的总转化率。求乙烷的总转化率。求乙烷的总转化率。求乙烷的总转化率。n n解：总转化率解：总转化率解：总转化率解：总转化率 100%100%100%100%n n n n 70%70%（2 2）总转化率）总转化率）总转化率）总转化率n n产率表示了参加主反应的原料量与参加反应的原料量之间产率表示了参加主反应的原料量与参加反应的原料量之间产率表示了参加主反应的原料量与参加反应的原料量之间产率表示了参加主反应的原料量与参加反应的原料量之间的数量关系。的数量关系。的数量关系。的数量关系。即参加反应的原料有一部分被副反应消耗掉了，而没有生成即参加反应的原料有一部分被副反应消耗掉了，而没有生成即参加反应的原料有一部分被副反应消耗掉了，而没有生成即参加反应的原料有一部分被副反应消耗掉了，而没有生成目的产物。产率越高，说明参加反应的原料生成的目的产物目的产物。产率越高，说明参加反应的原料生成的目的产物目的产物。产率越高，说明参加反应的原料生成的目的产物目的产物。产率越高，说明参加反应的原料生成的目的产物越多。越多。越多。越多。n n产率产率产率产率 100%100%3产率（或选择性）产率（或选择性）例：用乙烷作裂解原料生产乙烯，在一定的生产条件例：用乙烷作裂解原料生产乙烯，在一定的生产条件例：用乙烷作裂解原料生产乙烯，在一定的生产条件例：用乙烷作裂解原料生产乙烯，在一定的生产条件下，通入裂解炉的乙烷量为下，通入裂解炉的乙烷量为下，通入裂解炉的乙烷量为下，通入裂解炉的乙烷量为7000kg/h7000kg/h，反应后，尾气中含乙，反应后，尾气中含乙，反应后，尾气中含乙，反应后，尾气中含乙烷烷烷烷2450kg/h2450kg/h，得到乙烯量为，得到乙烯量为，得到乙烯量为，得到乙烯量为3332 kg/h3332 kg/h，求乙烯的产率。，求乙烯的产率。，求乙烯的产率。，求乙烯的产率。解：解：解：解：C C2 2HH6 6 C C2 2HH4 4 +H +H2 2 30 28 30 28 X 3332 X 3332生成目的产物所消耗的原料量生成目的产物所消耗的原料量生成目的产物所消耗的原料量生成目的产物所消耗的原料量XX3332 3332 3570 kg/h3570 kg/h产率产率产率产率 100%100%100%100%78.5%78.5%表示进入反应器的原料与生成目的产物所消耗的原料之间的数表示进入反应器的原料与生成目的产物所消耗的原料之间的数表示进入反应器的原料与生成目的产物所消耗的原料之间的数表示进入反应器的原料与生成目的产物所消耗的原料之间的数量关系。量关系。量关系。量关系。收率越高，说明进入反应器的原料中，消耗在生产目的产物上收率越高，说明进入反应器的原料中，消耗在生产目的产物上收率越高，说明进入反应器的原料中，消耗在生产目的产物上收率越高，说明进入反应器的原料中，消耗在生产目的产物上的数量越多。的数量越多。的数量越多。的数量越多。收率也有单程收率和总收率之分。收率也有单程收率和总收率之分。收率也有单程收率和总收率之分。收率也有单程收率和总收率之分。n n单程收率单程收率 100%100%n n总收率总收率总收率总收率 100%100%例：条件同上例，求乙烯的收率。例：条件同上例，求乙烯的收率。例：条件同上例，求乙烯的收率。例：条件同上例，求乙烯的收率。解：单程收率解：单程收率解：单程收率解：单程收率 100%100%100%100%51%51%4收率收率消耗定额是指生产单位产品所消耗的原料量，即每生产一消耗定额是指生产单位产品所消耗的原料量，即每生产一消耗定额是指生产单位产品所消耗的原料量，即每生产一消耗定额是指生产单位产品所消耗的原料量，即每生产一吨吨吨吨100%100%的产品所需要的原料数量。的产品所需要的原料数量。的产品所需要的原料数量。的产品所需要的原料数量。消耗定额消耗定额消耗定额消耗定额例：以乙烷为原料裂解生产乙烯，通入反应器的乙烷为例：以乙烷为原料裂解生产乙烯，通入反应器的乙烷为例：以乙烷为原料裂解生产乙烯，通入反应器的乙烷为例：以乙烷为原料裂解生产乙烯，通入反应器的乙烷为7000 kg/h 7000 kg/h，参加反应的乙烷量为，参加反应的乙烷量为，参加反应的乙烷量为，参加反应的乙烷量为4550 kg/h4550 kg/h，没有参，没有参，没有参，没有参加反应加反应加反应加反应的乙烷的的乙烷的的乙烷的的乙烷的5%5%损失掉，其余都循环回裂解炉。得到乙烯损失掉，其余都循环回裂解炉。得到乙烯损失掉，其余都循环回裂解炉。得到乙烯损失掉，其余都循环回裂解炉。得到乙烯3332kg/h3332kg/h，求乙烯的原料消耗定额。，求乙烯的原料消耗定额。，求乙烯的原料消耗定额。，求乙烯的原料消耗定额。解：消耗的原料量解：消耗的原料量解：消耗的原料量解：消耗的原料量4550455024505%24505%45504550122.5122.5 4672.5kg/h 4672.5kg/h 消耗定额消耗定额消耗定额消耗定额1.41.45 5消耗定额消耗定额消耗定额消耗定额二、间歇过程的物料衡算二、间歇过程的物料衡算二、间歇过程的物料衡算二、间歇过程的物料衡算按物料衡算的步骤进行，同时要注意建立时间平衡关系。按物料衡算的步骤进行，同时要注意建立时间平衡关系。按物料衡算的步骤进行，同时要注意建立时间平衡关系。按物料衡算的步骤进行，同时要注意建立时间平衡关系。例：丙烷充分燃烧时，要供入的空气量为理论量的例：丙烷充分燃烧时，要供入的空气量为理论量的例：丙烷充分燃烧时，要供入的空气量为理论量的例：丙烷充分燃烧时，要供入的空气量为理论量的125%125%，反应式为：，反应式为：，反应式为：，反应式为：C3H8 C3H85O23CO25O23CO24H2O4H2O 问每问每问每问每100100摩尔燃烧产物需要多少摩尔空气？摩尔燃烧产物需要多少摩尔空气？摩尔燃烧产物需要多少摩尔空气？摩尔燃烧产物需要多少摩尔空气？解：（解：（解：（解：（1 1）画出物料流程图）画出物料流程图）画出物料流程图）画出物料流程图 （2 2）选定基准，以）选定基准，以）选定基准，以）选定基准，以1mol1mol丙烷为基准丙烷为基准丙烷为基准丙烷为基准 （3 3）展开计算）展开计算）展开计算）展开计算由题意知氧气供入量为由题意知氧气供入量为由题意知氧气供入量为由题意知氧气供入量为5 51.251.256.25mol6.25mol则：空气供入量为则：空气供入量为则：空气供入量为则：空气供入量为6.25/0.216.25/0.2129.76mol29.76mol 氮气量为氮气量为氮气量为氮气量为29.7629.760.790.7923.51mol23.51mol 则：则：则：则：29.76mol29.76mol空气所生成的燃烧气为空气所生成的燃烧气为空气所生成的燃烧气为空气所生成的燃烧气为:23.51+(3+4)+(6.25-5)=31.76mol 23.51+(3+4)+(6.25-5)=31.76mol 所以，所以，所以，所以，100mol100mol燃烧气所需空气量为燃烧气所需空气量为燃烧气所需空气量为燃烧气所需空气量为:100/31.76 *29.76=93.7mol 100/31.76 *29.76=93.7mol 例：在间歇釜式反应器中用浓硫酸磺例：在间歇釜式反应器中用浓硫酸磺化甲苯生产对甲苯磺酸化甲苯生产对甲苯磺酸.试对该过程进行物料衡算。试对该过程进行物料衡算。已知每批操作的投料量为：甲苯已知每批操作的投料量为：甲苯1000kg1000kg，纯度，纯度99999 9(质量百分比，质量百分比，下同下同)；浓硫酸；浓硫酸1100kg1100kg，纯度，纯度9898；甲苯的转化率为甲苯的转化率为9898，生成对甲苯，生成对甲苯磺酸的选择性为磺酸的选择性为8282，生成邻甲苯，生成邻甲苯磺酸的选择性为磺酸的选择性为9.29.2，生成间甲苯，生成间甲苯磺酸的选择性为磺酸的选择性为8.88.8；物料中的水；物料中的水约约9090经连续脱水器排出。此外，经连续脱水器排出。此外，为简化计算，假设原料中除纯品外都为简化计算，假设原料中除纯品外都是水，且在磺化过程中无物料损失。是水，且在磺化过程中无物料损失。解：以间歇釜式反应器为衡算范围，绘出物料衡箅示意图解：以间歇釜式反应器为衡算范围，绘出物料衡箅示意图解：以间歇釜式反应器为衡算范围，绘出物料衡箅示意图解：以间歇釜式反应器为衡算范围，绘出物料衡箅示意图 物料衡算的目的就是确定各股物料的数量和组成。物料衡算的目的就是确定各股物料的数量和组成。物料衡算的目的就是确定各股物料的数量和组成。物料衡算的目的就是确定各股物料的数量和组成。对于间歇操作过程，常以单位时间间隔对于间歇操作过程，常以单位时间间隔对于间歇操作过程，常以单位时间间隔对于间歇操作过程，常以单位时间间隔(一个操作周期一个操作周期一个操作周期一个操作周期)内的投料量为基准进行内的投料量为基准进行内的投料量为基准进行内的投料量为基准进行物料衡算。物料衡算。物料衡算。物料衡算。进料：进料：进料：进料：原料甲苯中的甲苯量为：原料甲苯中的甲苯量为：原料甲苯中的甲苯量为：原料甲苯中的甲苯量为：1000kg0.999=999kg1000kg0.999=999kg 原料甲苯中的水量为：原料甲苯中的水量为：原料甲苯中的水量为：原料甲苯中的水量为：1000 kg1000 kg999kg=1kg999kg=1kg 浓硫酸中的硫酸量为：浓硫酸中的硫酸量为：浓硫酸中的硫酸量为：浓硫酸中的硫酸量为：1100kg98 1100kg981078kg1078kg 浓硫酸中的水量为：浓硫酸中的水量为：浓硫酸中的水量为：浓硫酸中的水量为：1100kg 1100kg1078kg1078kg22kg22kg 进料总量为：进料总量为：进料总量为：进料总量为：1000kg+1100kg=2100kg 1000kg+1100kg=2100kg 其中含甲苯其中含甲苯其中含甲苯其中含甲苯999kg999kg，硫酸，硫酸，硫酸，硫酸1078kg1078kg，水，水，水，水23kg23kg。出料：出料：出料：出料：反应消耗的甲苯量为：反应消耗的甲苯量为：反应消耗的甲苯量为：反应消耗的甲苯量为：999kg98 999kg98=979kg=979kg 未反应的甲苯量为：未反应的甲苯量为：未反应的甲苯量为：未反应的甲苯量为：999kg 979kg=20kg999kg 979kg=20kg磺化液总量为：磺化液总量为：磺化液总量为：磺化液总量为：1500.8+168.4+161.1+20+35.2+21.4=191500.8+168.4+161.1+20+35.2+21.4=1906.9(kg)06.9(kg)根据物料衡算结果，编制甲苯磺化过程的物料平衡表。根据物料衡算结果，编制甲苯磺化过程的物料平衡表。根据物料衡算结果，编制甲苯磺化过程的物料平衡表。根据物料衡算结果，编制甲苯磺化过程的物料平衡表。三、连续过程的物料衡算1.1.直接求算法直接求算法 适用于化学反应过程较简单的反应，一般情况下，通过适用于化学反应过程较简单的反应，一般情况下，通过化学计量系数来直接求取。化学计量系数来直接求取。2.2.利用结点进行衡算利用结点进行衡算3.3.利用联系组分进行物料衡算利用联系组分进行物料衡算 不参加反应的组分常被作为联系组分，可以极大的简化计不参加反应的组分常被作为联系组分，可以极大的简化计算过程。算过程。求算下图所示的各流股的量及塔求算下图所示的各流股的量及塔2的入料组成的入料组成解：属复杂过程物料衡算。选取两个衡算体：解：属复杂过程物料衡算。选取两个衡算体：解：属复杂过程物料衡算。选取两个衡算体：解：属复杂过程物料衡算。选取两个衡算体：I I为总体系衡算，为总体系衡算，为总体系衡算，为总体系衡算，IIII为精馏塔为精馏塔为精馏塔为精馏塔2 2衡算衡算衡算衡算衡算体衡算体I衡算体衡算体II结结果果：S2=520mol/h,S4=150mol/h,S5=330mol/h；S3=480mol/h,X3B=0.0125,X3T=0.5925,X3X=0.395任务任务3 3：1000t/a 1000t/a硝基氯苯生产装置，每年需要用硝基氯苯生产装置，每年需要用硝基氯苯生产装置，每年需要用硝基氯苯生产装置，每年需要用10021002吨、含吨、含吨、含吨、含46%46%硝酸的混酸作为硝化剂。硝酸的混酸作为硝化剂。硝酸的混酸作为硝化剂。硝酸的混酸作为硝化剂。现请你为现请你为现请你为现请你为1000t/a1000t/a硝基氯苯生产装置混酸配制硝基氯苯生产装置混酸配制硝基氯苯生产装置混酸配制硝基氯苯生产装置混酸配制工段进行物料衡算：工段进行物料衡算：工段进行物料衡算：工段进行物料衡算：原料：硝酸原料：硝酸原料：硝酸原料：硝酸98%98%，硫酸，硫酸，硫酸，硫酸92.5%,69%92.5%,69%硫酸废酸硫酸废酸硫酸废酸硫酸废酸 要求：混酸组成硫酸要求：混酸组成硫酸要求：混酸组成硫酸要求：混酸组成硫酸46%46%，硝酸，硝酸，硝酸，硝酸46%46%，水，水，水，水8%8%混合工艺过程 分离分流工艺过程混合四、循环过程的物料衡算四、循环过程的物料衡算 循环过程循环过程 衡算方法通常有代数法、试差法、循环系数法衡算方法通常有代数法、试差法、循环系数法 当原料、产品和循环流的组成已知时，采用代数法较为简当原料、产品和循环流的组成已知时，采用代数法较为简便。当未知数多于所能列出的方程数时，可用试差法求解便。当未知数多于所能列出的方程数时，可用试差法求解 见教材见教材P31P31例例在在在在2MPa2MPa和和和和240240o oC C条条条条件件件件下下下下，用用用用纯纯纯纯氧氧氧氧氧氧氧氧化化化化乙乙乙乙烯烯烯烯生生生生产产产产环环环环氧氧氧氧乙乙乙乙烷烷烷烷，已已已已 知知知知 原原原原 料料料料 混混混混 合合合合 气气气气 含含含含 乙乙乙乙 烯烯烯烯 15%15%（molmol分分分分 率率率率），流流流流 量量量量15000kmol/h15000kmol/h，反反反反应应应应器器器器出出出出口口口口含含含含环环环环氧氧氧氧乙乙乙乙烷烷烷烷1.4%1.4%（molmol分分分分率率率率），乙乙乙乙烯烯烯烯13%13%（molmol分分分分率率率率），流流流流量量量量14500kmol/h14500kmol/h，求求求求（1 1）乙乙乙乙烯烯烯烯转转转转化化化化率率率率和和和和环环环环氧氧氧氧乙乙乙乙烷烷烷烷的的的的收收收收率率率率;（2 2）若若若若处处处处理理理理气气气气量量量量不不不不变变变变，产产产产品品品品经经经经分分分分离离离离后后后后60%60%未未未未反反反反应应应应的的的的乙乙乙乙烯烯烯烯返返返返回回回回反反反反应应应应器器器器循循循循环环环环，则则则则乙乙乙乙烯烯烯烯总转化率和环氧乙烷的总收率分别是多少？总转化率和环氧乙烷的总收率分别是多少？总转化率和环氧乙烷的总收率分别是多少？总转化率和环氧乙烷的总收率分别是多少？反应器反应器分分 离离60%60%60%60%未反应乙烯循环利用未反应乙烯循环利用未反应乙烯循环利用未反应乙烯循环利用新新新新鲜鲜鲜鲜气气气气解解解解 化学反应式化学反应式化学反应式化学反应式C C2 2HH4 4+0.5O+0.5O2 2=CH=CH2 2OCHOCH2 2（1 1）乙烯转化率和环氧乙烷的收率（无循环）乙烯转化率和环氧乙烷的收率（无循环）乙烯转化率和环氧乙烷的收率（无循环）乙烯转化率和环氧乙烷的收率（无循环）反应器反应器（2 2）60%60%未未未未反反反反应应应应乙乙乙乙烯烯烯烯循循循循环环环环时时时时，乙乙乙乙烯烯烯烯总总总总转转转转化化化化率率率率和和和和环环环环氧氧氧氧乙烷的乙烷的乙烷的乙烷的 总收率计算总收率计算总收率计算总收率计算反应器反应器分分 离离60%60%60%60%未反应乙烯循环利用未反应乙烯循环利用未反应乙烯循环利用未反应乙烯循环利用新新新新鲜鲜鲜鲜气气气气合成氨工段计算合成氨工段计算氨氨合合成成塔塔冷冷凝凝排放排放产品产品产品产品V4V4V4V4循循环环新鲜原料新鲜原料新鲜原料新鲜原料F F F F1000Nm3塔入口气塔入口气塔入口气塔入口气V2V2V2V2NH3 2.5mol%塔出口气塔出口气塔出口气塔出口气V3V3V3V3NH3 11mol%H2 73.729%N2 24.558%C H4 1.4 20%Ar 0.293%放空气放空气放空气放空气V1V1V1V1Ar+CH4 19.296%NH3 11%V1V1信息？信息？信息？信息？V2V2信息？信息？信息？信息？V3V3信息？信息？信息？信息？V4V4的信息？的信息？的信息？的信息？化学反应式化学反应式0.5N2+1.5H2=NH31.V1信息：惰性气体衡算：得到V1=88.775Nm3因为H2与N2按照3：1的比例消耗，进料比为3：1，根据出口气体的组成可以计算出（H2N2）摩尔比为10.110.192960.69704，从而根据组分的两两比例分别计算出V1组成：H H2 2N N2 2NHNH3 3CHCH4 4ArAr52.2752.278 817.4217.426 6111115.9915.99 3.3023.3022.V4的信息（体积平衡）：氨的合成为变体积反应过程，反应前后的体积变化数为2即每生成1份氨，体积缩小1份，而反应生成的氨量=(V4+0.11V1)。据此可以计算出气体氨物流量P F-(V4+0.11V1)=V1+V4 V4=450.73Nm33.V2与V3信息（体积平衡和氨平衡）：反应减少体积V2-V3=(V4+0.11V1)-(1)氨平衡计算：0.11V3-0.025V2=V4+0.11V1-(2)计算（1）、（2）得出：V2=6013.6Nm3 V3=5555.024Nm34.4.合成塔进口物流信息（结点元素平衡）：合成塔进口物流信息（结点元素平衡）：合成塔进口物流信息（结点元素平衡）：合成塔进口物流信息（结点元素平衡）：按照以上思路，以合成塔为物料衡算体系，分别对H2、N2、CH4、Ar进行物料衡算即可得出V2的组成信息。如：H2的元素平衡入塔(合成塔)H2量=新鲜气带入H2量+循环H2量 =新鲜气带入H2量+(出塔H2量-放空气H2量)=0.73729F+0.52278(V3-V4)-V1)=0.737291000+0.52278(5553.024-450.73-88.755)=3358.26Nm3组分组分组分组分HH2 2NN2 2NHNH3 3CHCH4 4ArAr总计总计总计总计NmNm3 33353358 811191119 10110181681616816855625562Mol%Mol%60.360.37 720.120.12 21.81.81 114.614.67 73.033.03 100100问题问题问题问题1 1 配制混酸（硝酸配制混酸（硝酸配制混酸（硝酸配制混酸（硝酸+硫酸）过程中，为防止硝酸分解，温度不宜超过硫酸）过程中，为防止硝酸分解，温度不宜超过硫酸）过程中，为防止硝酸分解，温度不宜超过硫酸）过程中，为防止硝酸分解，温度不宜超过4040，需要冷却。已知采用硝酸，需要冷却。已知采用硝酸，需要冷却。已知采用硝酸，需要冷却。已知采用硝酸98%98%，硫酸，硫酸，硫酸，硫酸92.5%92.5%，含，含，含，含69%69%硫酸的硝化废硫酸的硝化废硫酸的硝化废硫酸的硝化废酸为原料配制组成为硫酸酸为原料配制组成为硫酸酸为原料配制组成为硫酸酸为原料配制组成为硫酸46%46%，硝酸，硝酸，硝酸，硝酸46%46%，水，水，水，水8%8%的混酸的混酸的混酸的混酸1kg1kg，会放，会放，会放，会放出热量出热量出热量出热量15kj15kj热量。冷却介质为水。设环境温度为热量。冷却介质为水。设环境温度为热量。冷却介质为水。设环境温度为热量。冷却介质为水。设环境温度为20 20。问：配制问：配制问：配制问：配制450kg450kg这种混酸，需要多少冷却水量。（时间这种混酸，需要多少冷却水量。（时间这种混酸，需要多少冷却水量。（时间这种混酸，需要多少冷却水量。（时间2020分钟）分钟）分钟）分钟）问题问题问题问题2 2：芳香烃硝化生产中一般需要先加热，达到反应温度（一芳香烃硝化生产中一般需要先加热，达到反应温度（一芳香烃硝化生产中一般需要先加热，达到反应温度（一芳香烃硝化生产中一般需要先加热，达到反应温度（一般般般般50-60 50-60），当反应启动后，由于硝化反应是强放热反应，），当反应启动后，由于硝化反应是强放热反应，），当反应启动后，由于硝化反应是强放热反应，），当反应启动后，由于硝化反应是强放热反应，必须通冷却水进行冷却，否则可能产生爆炸事故。那么，反必须通冷却水进行冷却，否则可能产生爆炸事故。那么，反必须通冷却水进行冷却，否则可能产生爆炸事故。那么，反必须通冷却水进行冷却，否则可能产生爆炸事故。那么，反应釜夹套的换热面积是否能满足？加热是需要多少热量？若应釜夹套的换热面积是否能满足？加热是需要多少热量？若应釜夹套的换热面积是否能满足？加热是需要多少热量？若应釜夹套的换热面积是否能满足？加热是需要多少热量？若用用用用120 120 水蒸汽加热，又需要多少蒸汽？冷却时，需要多少水蒸汽加热，又需要多少蒸汽？冷却时，需要多少水蒸汽加热，又需要多少蒸汽？冷却时，需要多少水蒸汽加热，又需要多少蒸汽？冷却时，需要多少冷却水量？冷却水量？冷却水量？冷却水量？3.2 热量衡算热量衡算一、目的和任务1 1、确定加热剂或冷却剂的消耗量、确定加热剂或冷却剂的消耗量2 2、计算换热面积，选型换热设备的工艺尺寸、计算换热面积，选型换热设备的工艺尺寸3 3、综合利用能量、综合利用能量二、形式1、单元设备的热量衡算2、系统热量平衡计算三、单元设备的热量衡算1、热量衡算方程式 Q1Q2Q3QQQ Q1 Q1所处理的各股物料带入设备的热量所处理的各股物料带入设备的热量 Q2 Q2由加热剂（或冷却剂）传给设备和物料的热量由加热剂（或冷却剂）传给设备和物料的热量 Q3 Q3各种热效应（反应热、溶解热、稀释热、相变热各种热效应（反应热、溶解热、稀释热、相变热等）等）Q Q离开设备各股物料带走的热量离开设备各股物料带走的热量 Q Q加热设备消耗的量加热设备消耗的量 Q Q设备的热损失设备的热损失a.a.各种物料代入热量各种物料代入热量 Q1 Q1mmi ic cpipit ti ib.b.传热剂向设备传入或传出的热量传热剂向设备传入或传出的热量Q2Q2的计算的计算（计算（计算目标）目标）Q2Q2为正为正-表示设备需要加热表示设备需要加热 Q2 Q2为负为负-表示需从设备内部取出热量表示需从设备内部取出热量c.c.过程热效应过程热效应Q3Q3的计算的计算 物性数据求取或查取或实际生产中获取物性数据求取或查取或实际生产中获取 化学反应热计算？溶解热计算？稀释热计算？化学反应热计算？溶解热计算？稀释热计算？2、各种热量计算、各种热量计算例：98%硫酸的稀释热经 验公式d.d.离开物料带走的离开物料带走的热量热量QQ Q Qmmi ic cpipit ti ie.e.加热设备消耗的热量加热设备消耗的热量QQ的计算的计算QQmmwwc cpwpwt tww t tww设备各部分加热前后的平均温差设备各部分加热前后的平均温差f.f.热损失热损失 Q QAAT T（t twwt t0 0）A A 散热表面积散热表面积 T_T_散热表面对周围介质的传热系数散热表面对周围介质的传热系数 t tww设备壁的表面温度设备壁的表面温度 t t0 0周围介质的温度周围介质的温度 过程持续时间过程持续时间 难以计算时：难以计算时：Q Q10%Q210%Q22、各种热量计算、各种热量计算 注意事项注意事项注意事项注意事项1 1、热效应有吸热和放热，、热效应有吸热和放热，、热效应有吸热和放热，、热效应有吸热和放热，QQ损损损损有热损和冷损，所以有正负有热损和冷损，所以有正负有热损和冷损，所以有正负有热损和冷损，所以有正负之分之分之分之分2 2、收集的数据要可靠、收集的数据要可靠、收集的数据要可靠、收集的数据要可靠3 3、间歇操作的、间歇操作的、间歇操作的、间歇操作的Q2Q2常用常用常用常用KJ/KJ/每台为计算基准每台为计算基准每台为计算基准每台为计算基准.连续过程为连续过程为连续过程为连续过程为KJ/hKJ/h3 3、载热剂用量的计算：、载热剂用量的计算：1 1、间接加热时，水蒸汽耗量的计算、间接加热时，水蒸汽耗量的计算mmp p=Q2/(=Q2/(-c cp pt)=Q2/rt)=Q2/r2 2、燃料消耗量的计算、燃料消耗量的计算mmB B=Q2/Q=Q2/QT T3 3、电能耗量的计算、电能耗量的计算E=Q2/860E=Q2/8604 4、冷却剂消耗量的计算、冷却剂消耗量的计算 mmWW=Q2/c=Q2/cp p(t(t2 2-t-t1 1)5 5、传热面积的计算、传热面积的计算 Q2=K A Q2=K A t tmm注意：连续过程按上式计算注意：连续过程按上式计算注意：连续过程按上式计算注意：连续过程按上式计算 间歇过程计算载热剂总消耗量，用上式。间歇过程计算载热剂总消耗量，用上式。间歇过程计算载热剂总消耗量，用上式。间歇过程计算载热剂总消耗量，用上式。计算载热剂流量、设备传热面积时，计算载热剂流量、设备传热面积时，计算载热剂流量、设备传热面积时，计算载热剂流量、设备传热面积时，上式的上式的上式的上式的Q2Q2需是最大阶段传热速率。需是最大阶段传热速率。需是最大阶段传热速率。需是最大阶段传热速率。最大阶段的传热速率最大阶段的传热速率Q2：比较：比较预热阶段的传热速率、预热阶段的传热速率、反应阶段的传热速率反应阶段的传热速率间歇反应：Q2=KA tm；Q2=Q2/T (Q2最大阶段的传热量、T时间）水蒸汽流量的计算Vp=Q2/(-cpt)4、衡算方法与步骤（1 1）明确衡算目的）明确衡算目的）明确衡算目的）明确衡算目的（2 2）画出单元设备的物料流向及变化意图）画出单元设备的物料流向及变化意图）画出单元设备的物料流向及变化意图）画出单元设备的物料流向及变化意图（3 3）根据物料流向及变化，列出热量衡算方程式）根据物料流向及变化，列出热量衡算方程式）根据物料流向及变化，列出热量衡算方程式）根据物料流向及变化，列出热量衡算方程式（4 4）搜集有关数据（物料数据，定压比热、相变热、）搜集有关数据（物料数据，定压比热、相变热、）搜集有关数据（物料数据，定压比热、相变热、）搜集有关数据（物料数据，定压比热、相变热、反应热等热力学数据等）反应热等热力学数据等）反应热等热力学数据等）反应热等热力学数据等）（5 5）确定计算基准温度（一般以）确定计算基准温度（一般以）确定计算基准温度（一般以）确定计算基准温度（一般以273K273K和和和和298K298K为基准为基准为基准为基准温度温度温度温度)，基准相态，基准相态，基准相态，基准相态 （6 6）实行衡算过程）实行衡算过程）实行衡算过程）实行衡算过程（7 7）编制热量衡算表）编制热量衡算表）编制热量衡算表）编制热量衡算表四、系统热量平衡计算四、系统热量平衡计算1、系统热量平衡的作用、系统热量平衡的作用1）求算出能量比综合利用率）求算出能量比综合利用率2）检验能量回收的合理性）检验能量回收的合理性3）求算消耗定额）求算消耗定额2、系统热量平衡计算步骤、系统热量平衡计算步骤 例：已知加入甲苯和浓硫酸的温度均为例：已知加入甲苯和浓硫酸的温度均为例：已知加入甲苯和浓硫酸的温度均为例：已知加入甲苯和浓硫酸的温度均为3030，脱水器的排水温，脱水器的排水温，脱水器的排水温，脱水器的排水温度为度为度为度为6565，磺化液的出料温度为，磺化液的出料温度为，磺化液的出料温度为，磺化液的出料温度为140140，甲苯与硫酸的标准化，甲苯与硫酸的标准化，甲苯与硫酸的标准化，甲苯与硫酸的标准化学反应热为学反应热为学反应热为学反应热为117.2kJmol-1(117.2kJmol-1(放热放热放热放热)，设备，设备，设备，设备(包括磺化釜、回流包括磺化釜、回流包括磺化釜、回流包括磺化釜、回流冷凝器和脱水器，下同冷凝器和脱水器，下同冷凝器和脱水器，下同冷凝器和脱水器，下同)升温所需的热量为升温所需的热量为升温所需的热量为升温所需的热量为1.3105kJ1.3105kJ，设备，设备，设备，设备表面向周围环境的散热量为表面向周围环境的散热量为表面向周围环境的散热量为表面向周围环境的散热量为6.2104kJ6.2104kJ，回流冷凝器中冷却，回流冷凝器中冷却，回流冷凝器中冷却，回流冷凝器中冷却水移走的热量共水移走的热量共水移走的热量共水移走的热量共9.8105 kJ9.8105 kJ。上题物料数据。上题物料数据。上题物料数据。上题物料数据。试对甲苯磺化过程进行热量衡算试对甲苯磺化过程进行热量衡算试对甲苯磺化过程进行热量衡算试对甲苯磺化过程进行热量衡算。有关热力学数据为：原料甲苯的定压比热为有关热力学数据为：原料甲苯的定压比热为有关热力学数据为：原料甲苯的定压比热为有关热力学数据为：原料甲苯的定压比热为1.71 kJ/(kg1.71 kJ/(kg)；9898硫酸的定压比热为硫酸的定压比热为硫酸的定压比热为硫酸的定压比热为1.47 kJ/(kg1.47 kJ/(kg)；磺化液的平均定压比热为磺化液的平均定压比热为磺化液的平均