[精选]物料衡算和能量衡算培训课件33736.pptx

第三章物料衡算和能量衡算第三章物料衡算和能量衡算2023/5/31化工过程设计 化工过程的物料衡算和能量衡算，是利用物理与化学化工过程的物料衡算和能量衡算，是利用物理与化学的基本定律，对化工过程单元系统的物料平衡与能量平衡的基本定律，对化工过程单元系统的物料平衡与能量平衡进行定量计算。通过计算解决以下问题：进行定量计算。通过计算解决以下问题：1、找出主副产品的生成量、废物的排出量。、找出主副产品的生成量、废物的排出量。2、确定原材料消耗定额。、确定原材料消耗定额。3、确定各物流的流量、组成和状态。、确定各物流的流量、组成和状态。4、确定流程内物质转换与能量传递情况。、确定流程内物质转换与能量传递情况。从而为，设备选型以及设备尺寸，管路设施与公用工程从而为，设备选型以及设备尺寸，管路设施与公用工程提供依据。提供依据。2023/5/32化工过程设计 化化工工过过程程有有许许多多输输入入流流股股和和输输出出流流股股，本本章章内内容容是是讲讲授授确确定定这这些些流流股股的的策策略略与与方方法法，物物料料衡衡算算与与热热量量横横算算是是化化工工工工程程师师接接触触最最频频繁的计算。繁的计算。2023/5/33化工过程设计3-1 3-1 工艺计算前的准备工作工艺计算前的准备工作一、工艺性资料的收集一、工艺性资料的收集（1）物料衡算提纲。）物料衡算提纲。生产步骤和化学反应（包括主、付反应）各步生产步骤和化学反应（包括主、付反应）各步骤所需的原料，中间体规格和物理化学性质，成骤所需的原料，中间体规格和物理化学性质，成品的规格和物化性质，每批加料量或单位时间进料品的规格和物化性质，每批加料量或单位时间进料量，各生产步骤的产率。量，各生产步骤的产率。（2）工艺流程图及说明。）工艺流程图及说明。（3）热量计算参数和设备计算数据）热量计算参数和设备计算数据（H、Cp、K、等）。等）。（4）流体输送过程参数）流体输送过程参数（粘度（粘度、密度、密度、摩擦系数等）。、摩擦系数等）。2023/5/34化工过程设计3-1 3-1 工艺计算前的准备工作工艺计算前的准备工作（5）传质过程系数，相平衡数据。）传质过程系数，相平衡数据。（6）冷冻过程的热力学参数。）冷冻过程的热力学参数。（7）具体的工艺操作条件（温度）具体的工艺操作条件（温度T、压力、压力P、流量、流量G）（8）介质的物性和材质性能，材质数据，腐蚀数据。）介质的物性和材质性能，材质数据，腐蚀数据。（9）车间平立面布置的参考资料。）车间平立面布置的参考资料。（10）管道设计资料（管道配置、管道材质、架设方）管道设计资料（管道配置、管道材质、架设方式、管件、阀件等）。式、管件、阀件等）。（11）环境保护、安全保护等规范和资料。）环境保护、安全保护等规范和资料。一、工艺性资料的收集一、工艺性资料的收集2023/5/35化工过程设计3-1工艺计算前的准备工作工艺计算前的准备工作二二、几本常用的化工设计资料和手册、几本常用的化工设计资料和手册（1）IndustrialChemicals（2）EncyclopediaofChemicalTechnology（3）ScienceandTechnology（4）ChemicalAbstracts（C.A）（5）HandbookofTechnology（6）I.C.T （国际物理、化学和工艺数值手册）（国际物理、化学和工艺数值手册）（7）化工工艺设计手册化工工艺设计手册（8）材料与零部件手册材料与零部件手册2023/5/36化工过程设计物料衡算和能量衡算v1.物料衡算的基本方法和程序物料衡算的基本方法和程序v2.简单的物料衡算简单的物料衡算v3.带有循环流的物料衡算带有循环流的物料衡算v4.热量横算热量横算2023/5/37化工过程设计第一节第一节 物料衡算的基本方法和程序物料衡算的基本方法和程序一、物料衡算的基本方法一、物料衡算的基本方法1、物料平衡方程、物料平衡方程理论依据：质量守恒定律理论依据：质量守恒定律（Fi）进入过进入过程单元程单元的物料的物料量量流出过流出过程单元程单元的物料的物料量量在过程在过程单元内单元内生成的生成的物料量物料量在过程在过程单元内单元内消耗的消耗的物料量物料量过程单过程单元内累元内累积的物积的物料量料量（Fo）（Dp）（Dr）（W）2023/5/38化工过程设计即即：（FiFo）（DpDr）W上式：即可对总物料，也可以对其中任一组分或元上式：即可对总物料，也可以对其中任一组分或元素列出。素列出。在下列情况下上式可简化为：在下列情况下上式可简化为：稳定操作过程（稳定操作过程（FiFo）（DpDr）0系统内无化学反应：系统内无化学反应：FiFoW系统内无化学反应的稳态操作过程：系统内无化学反应的稳态操作过程：FiFo0对于没有化学反应的过程，一般上列写各组分的衡对于没有化学反应的过程，一般上列写各组分的衡算方程，只有涉及化学反应量，才列写出各元素的衡算算方程，只有涉及化学反应量，才列写出各元素的衡算方程。方程。2023/5/39化工过程设计2 2、物料衡算基准、物料衡算基准n1）化工过程的类型）化工过程的类型n化工过程操作状态不同，其物料或能量衡算化工过程操作状态不同，其物料或能量衡算的方程亦有差别。的方程亦有差别。n化工过程根据其操作方式可以分成化工过程根据其操作方式可以分成间歇操作、间歇操作、连续操作以及半连续操作三类连续操作以及半连续操作三类。或者将其分为。或者将其分为稳稳定状态操作和不稳定状态操作两类定状态操作和不稳定状态操作两类。在对某个化。在对某个化工过程作物料或能量衡算时，必须先了解生产过工过程作物料或能量衡算时，必须先了解生产过程的类别。程的类别。2023/5/310化工过程设计n间歇操作过程：间歇操作过程：原料在生产操作开始时一次加原料在生产操作开始时一次加入，然后进行反应或其他操作，一直到操作完入，然后进行反应或其他操作，一直到操作完成后，物料一次排出成后，物料一次排出，即为间歇操作过程。此，即为间歇操作过程。此过程的特点是在整个操作时间内，再无物料进过程的特点是在整个操作时间内，再无物料进出设备，设备中出设备，设备中各部分的组成、条件随时间而各部分的组成、条件随时间而不断变化不断变化（如：（如：萃取过程、过滤过程萃取过程、过滤过程）。）。n连续操作过程：在整个操作期间，原料不断稳连续操作过程：在整个操作期间，原料不断稳定地输入生产设备，同时不断从设备排出同样定地输入生产设备，同时不断从设备排出同样数量（总量）的物料。设备的进料和出料是连数量（总量）的物料。设备的进料和出料是连续流动的，即为连续操作过程。在整个操作期续流动的，即为连续操作过程。在整个操作期间，间，设备内各部分组成与条件不随时间而变化设备内各部分组成与条件不随时间而变化。2023/5/311化工过程设计n半连续操作过程：操作时物料一次输入或分批输入，半连续操作过程：操作时物料一次输入或分批输入，而出料是连续的，或连续输入物料，而出料是一次或而出料是连续的，或连续输入物料，而出料是一次或分批的。分批的。n稳定状态操作就是整个化工过程的操作条件（如温度、稳定状态操作就是整个化工过程的操作条件（如温度、压力、物料量及组成等）如果不随时间而变化，只是压力、物料量及组成等）如果不随时间而变化，只是设备内不同点有差别，这种过程称为稳定状态操作过设备内不同点有差别，这种过程称为稳定状态操作过程，或称稳定过程。如果操作条件随时间而不断变化程，或称稳定过程。如果操作条件随时间而不断变化的，则称为不稳定状态操作过程，或称不稳定过程的，则称为不稳定状态操作过程，或称不稳定过程。n间歇过程及半连续过程是不稳定状态操作。间歇过程及半连续过程是不稳定状态操作。连续过程连续过程在正常操作期间，操作条件比较稳定，此时属稳定状在正常操作期间，操作条件比较稳定，此时属稳定状态操作多在开、停工期间或操作条件变化和出现故障态操作多在开、停工期间或操作条件变化和出现故障时，则属不稳定状态操作。时，则属不稳定状态操作。2023/5/312化工过程设计 2 2）物料衡算基准的选择）物料衡算基准的选择 物料衡算过程，必须选择计算基准，并在整个运物料衡算过程，必须选择计算基准，并在整个运算中保持一致。若基准选的好，可使计算变得简单。算中保持一致。若基准选的好，可使计算变得简单。一般计算过程的基准有以下几种：一般计算过程的基准有以下几种：时间基准时间基准 对于连续操作过程对于连续操作过程，选用单位时间作为基，选用单位时间作为基准是很自然的，单位时间可取准是很自然的，单位时间可取1d1d、1h1h或或1s1s等等。此时等等。此时得到的物料流量可以直接与设备或管道尺寸相联系。得到的物料流量可以直接与设备或管道尺寸相联系。批量基准批量基准 对于间歇操作对于间歇操作，按投入物料的数量为基准，按投入物料的数量为基准，最方便，即以最方便，即以一批一批/次次作为基准。作为基准。2023/5/313化工过程设计质量基准质量基准取已知变量最多（或未知变量最少）的取已知变量最多（或未知变量最少）的物流作为基准最为合适。物流作为基准最为合适。例如：可取某一基准物流的质量为例如：可取某一基准物流的质量为100Kg，然后，然后计算其他物流的质量。若已知进料质量百分比组成，计算其他物流的质量。若已知进料质量百分比组成，则选则选100Kg进料或者进料或者100g进料为基准，若已知出料质量百分进料为基准，若已知出料质量百分组成，则选组成，则选100Kg进料或者进料或者100g 出料为基准。物物质质的的量量基基准准对对于于有有化化学学反反应应的的过过程程，因因化化学学反反应应按按摩摩尔尔进进行行的的，用用物物质质的的量量基基准准更更方方便便，或或者者已已知知进进料料或或者者出出料料摩摩尔尔组组成成的的情情况况。若若已已知知进进料料组组成成摩摩尔尔分分数数，用用100mol或或者者100kmol进进料料，反反之之已已知知出出料料组成，用组成，用100mol或者或者100kmol出料做基准。出料做基准。2023/5/314化工过程设计标标准准体体积积基基准准对对于于气气体体物物料料，可可采采用用标标准准体体积积基基准准，因因标标准准状状态态下下1moL气气体体相相当当于于22.4103m3标准体积的气体。标准体积的气体。2023/5/315化工过程设计二、物料衡算的基本程序二、物料衡算的基本程序在在进进行行物物料料衡衡算算时时，为为了了避避免免错错误误，便便于于检检查查核核对对时时，必必须须采采取取正正确确的的步步骤骤进进行行计计算算，使使之之做做到到条条理理分分明明清清晰晰，计计算算迅迅速速，结结果果准准确，一般程序如下：确，一般程序如下：2023/5/316化工过程设计（1）确确定定衡衡算算对对象象和和范范围围（如如：一一个个单单元元，一一套套装装置置或或一一个个系系统统），并并画画出出计计算算对对象象的的草草图图，对对于于整整个个工工艺艺流流程程，要要画画出出物物料料流流程程示示意意图图（方方框框图图即即可可）绘绘制制物物料料流流程程草草图图时时，要要注注意意物物料料种种类类和和走走向向，输输入入和和输出要明确表示出来。输出要明确表示出来。（2）确确定定计计算算任任务务，明明确确什什么么是是已已知知项项，什什么么是是待待求项，选择适当的数学公式，力求计算方法简便。求项，选择适当的数学公式，力求计算方法简便。（3）确确定定过过程程所所涉涉及及的的组组分分，并并对对所所有有组组分分依依次次编编号。号。（4）对物流的流股进行编号，并标注物流变量。对物流的流股进行编号，并标注物流变量。2023/5/317化工过程设计（5 5）收集数据资料，数据资料包括两类：即设计）收集数据资料，数据资料包括两类：即设计任务所规定的已知条件，与过程有关的物理化学任务所规定的已知条件，与过程有关的物理化学参数，具体包括以下内容：参数，具体包括以下内容：生产规模和生产时间，生产规模是设计任务所规生产规模和生产时间，生产规模是设计任务所规定（定（T/T/年），生产时间是指全年的有效生产天数年），生产时间是指全年的有效生产天数300300330330天天/年（计约年（计约8000h8000h）。）。有关定额的技术指标，这类数据通常指产品单耗有关定额的技术指标，这类数据通常指产品单耗、配料比、循环比、固液比、气液比、回流比、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。利用率、单程收率、回收率等等。2023/5/318化工过程设计、原辅材料厂、产品、中间产品的规格，、原辅材料厂、产品、中间产品的规格，包括原料的有效成分和杂质含量，气体或液包括原料的有效成分和杂质含量，气体或液体混合物的组成。体混合物的组成。、与过程有关有物理化学参数，如临界参、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、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，粘度、扩散参数气液平衡常数或平衡关系，粘度、扩散参数等等2023/5/319化工过程设计（6 6）列出过程的全部独立物料平衡方）列出过程的全部独立物料平衡方程式及其相关约束式，对有化学反应程式及其相关约束式，对有化学反应的还要写出化学反应方程式，明确反的还要写出化学反应方程式，明确反应前后的物料组成和各组分之间的定应前后的物料组成和各组分之间的定量关系，必要时还应指出其转化率和量关系，必要时还应指出其转化率和选择性，为计算作准备。选择性，为计算作准备。2023/5/320化工过程设计约束式可分为两类：约束式可分为两类：（）分数约束式）分数约束式当物流的组成用摩尔分数或质量分数表示时，当物流的组成用摩尔分数或质量分数表示时，用下式成立用下式成立xij=1（i=1，2，Ns）（j=1，2，Nc）式中：式中：xij第第j组分在第组分在第i股流中的摩尔分数（或质股流中的摩尔分数（或质量分数）；量分数）；Ns物流的股数；物流的股数；Nc物流的组分数。物流的组分数。2023/5/321化工过程设计（）设备约束式）设备约束式常见的设备约束式有：常见的设备约束式有：、进料比（或任何两股物流的量之比）为一常数；、进料比（或任何两股物流的量之比）为一常数；、两股物流具有相同的组成（如分流器）；、两股物流具有相同的组成（如分流器）；、相平衡常关系式；、相平衡常关系式；、化学平衡关系式；、化学平衡关系式；、化学反应过程中的转化率、选择性或其他限度。、化学反应过程中的转化率、选择性或其他限度。、物料平衡式、物料平衡式C、能量平衡式、能量平衡式12023/5/322化工过程设计（7）选择计算基准）选择计算基准（8）独独立立的的总总物物流流变变量量个个数数与与方方程程个个数数，确确定定设设计变量和个数及全部设计变量。计变量和个数及全部设计变量。2023/5/323化工过程设计v 进进行行化化工工过过程程设设计计，要要确确定定各各个个物物理理量量的的数数值值，如如进进料料流流率率、浓浓度度、温温度度、压压力力、热热负负荷荷、机机械械功功的的输输入入和和输输出出，传传热热面面积积的的大大小小及及理理论论塔塔板板数数等等，这这些些物物理理量量都都是是相相互互关关联联相相互互制制约约的的，因因此此设设计计者者只只能能规规定定其其中中若若干干变变量量的的数数值值，这这些些变变量量称称为为设设计计变变量量。如如果果设设计计过过程程中中给给定定数数值值的的物物理理量量少少于于设设计计变变量量的的数数目目，设设计计就就不不会会有有结结果果；反反之之，给给定定数数值值的的物理量数目过多设计也无法进行。物理量数目过多设计也无法进行。2023/5/324化工过程设计v（9）整理并校核计算结果，当计算完成后，）整理并校核计算结果，当计算完成后，对计算结果进行整理，并根据需要换算基准，对计算结果进行整理，并根据需要换算基准，最后列成表格即物流表。最后列成表格即物流表。v（10）绘制物料流程图，编写物流表作为设）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。计文件成果编入正式设计文件。2023/5/325化工过程设计综上所述步骤，可归纳如下：综上所述步骤，可归纳如下：、陈述的问题；、陈述的问题；、列出可获得的数据；、列出可获得的数据；、画出衡算方框图；、画出衡算方框图；、对物流流股及各组分编号；、对物流流股及各组分编号；、确定衡算范围；、确定衡算范围；、建立系统各参数的基准；、建立系统各参数的基准；、建立各组分和总物料的衡算方程；、建立各组分和总物料的衡算方程；、解析方程；、解析方程；、校核计算结果；、校核计算结果；、绘制物料流程图，编写物流表。、绘制物料流程图，编写物流表。2023/5/326化工过程设计v三、化工基础数据三、化工基础数据v在在化化工工计计算算以以及及化化工工工工艺艺和和设设备备设设计计中中，必必不不可可少少地地要要用用到到有有关关化化合合物物的的物物性性数数据据。例例如如，进进行行化化工工过过程程物物料料与与能能量量衡衡算算时时，需需要要用用到到密密度度或或比比容容、沸沸点点、蒸蒸汽汽压压、烩烩、热热容容及及生生成成热热等等等等的的物物性性数数据据；设设计计一一个个反反应应器器时时，则则需需要要知知道道化化学学反反应应热热的的数数据据；计计算算传传热热过过程程时时，需需要要导导热热系系数数的的数数据据等等等等。这这些些数数据据习习惯惯上上称称为为“化化工工基基础础数数据据”，它它是是由由物物料料本本身身的的物物理理化化学学性性质质所所决决定定的的。因因此此，又又被被称称作作“物物化化数数据据”或或“物性数据物性数据”。2023/5/327化工过程设计化化工工基基础础数数据据包包括括很很多多，现现将将常常用用的的一一些些化化工工基基础础数数据据大致归纳成以下几类：大致归纳成以下几类：v(1)基基本本物物性性数数据据如如临临界界常常数数（临临界界压压力力、临临界界温温度度、临临界界体体积积）、密密度度或或比比容容、状状态态方方程程参参数数、压压缩缩系系数数、蒸蒸气气压压、气一液平衡关系等。气一液平衡关系等。v(2)热热力力学学物物性性数数据据如如内内能能、焓焓、熵熵、热热容容、相相变变热热、自自由能、自由焓等。由能、自由焓等。v(3)化化学学反反应应和和热热化化学学数数据据如如反反应应热热、生生成成热热、燃燃烧烧热热、反应速度常数、活化能，化学平衡常数等。反应速度常数、活化能，化学平衡常数等。v(4)传递参数传递参数如粘度、扩散系数、导热系数等。如粘度、扩散系数、导热系数等。2023/5/328化工过程设计通常这些数据可用下列方法得到：通常这些数据可用下列方法得到：v1、查手册或文献资料、查手册或文献资料有有关关常常用用物物质质的的物物性性数数据据，前前人人已已系系统统地地进进行行归归纳纳总总结结，从从表表格格或或图图的的形形式式表表示示。这这些些致致据据可可从从有有关关的的化化学学化化工工类类手手册或专业性的化工手册中查到。册或专业性的化工手册中查到。v2、估估算算。可可以以应应用用物物理理和和化化学学的的一一些些基基本本定定律律计计算算各各种种物物质的性质参数。质的性质参数。v3、用实验直接测定。、用实验直接测定。2023/5/329化工过程设计以以上上三三种种数数据据来来源源，从从手手册册或或文文献献中中查查得得数数据据最最方方便便，但但往往往往有有时时数数据据不不够够完完整整，有有时时也也会会出出现现一一些些错错误误。用用一一些些理理论论的的、半半经经验验的的和和经经验验的的公公式式估估算算，也也是是一一种种简简便便的的方方法法。当当手手册册或或文文献献中中无无法法查查得得时时，可可以以进进行行估估算算。直直接接用用实实验验测测定定得得到到的的数数据据最最可可靠靠，只只是是实实验验比比较较费费时时间间又又花花钱钱。但但是是，如如果果查查不不到到有有关关数数据据，而用公式估算得到的结果精度又不够时，则必须用实验进行测定。而用公式估算得到的结果精度又不够时，则必须用实验进行测定。近近年年来来，随随着着电电子子计计算算机机的的迅迅速速发发展展，应应用用计计算算机机储储存存、检检索索和和推推算算物物性性数数据据日日益益增增多多。一一些些大大型型化化工工企企业业、研研究究部部门门和和高高等等院院校校都都相相应应建建立立了了物物性性数数据据库库，以以便便于于通通过过计计算算机机自自动动检检索索或或估估算算所所要要求求的的数数据据，而而不不必必自自行行查查找找或或计计算算，大大大大节节省省了了时时间间和和精力精力。2023/5/330化工过程设计第二节第二节简单的物料衡算简单的物料衡算v在进行衡算时，必需要了解生产过程的基本原在进行衡算时，必需要了解生产过程的基本原理、生产方法和工艺流程，然后用示意图的形式表理、生产方法和工艺流程，然后用示意图的形式表示出整个化工过程的主要设备和全部进出物流，选示出整个化工过程的主要设备和全部进出物流，选定所需的温度、压力或物料组成、产品目标、原料定所需的温度、压力或物料组成、产品目标、原料流量产品流量等条件。必需具备化工过程方面的基流量产品流量等条件。必需具备化工过程方面的基础知识才能进行衡算。础知识才能进行衡算。2023/5/331化工过程设计物料衡算是化工过程中最重要、最基本的计算，在物料物料衡算是化工过程中最重要、最基本的计算，在物料衡算之后才能计算要提供或移走的能量，要了解能量的分布衡算之后才能计算要提供或移走的能量，要了解能量的分布情况必需在物料衡算的基础上。通常的物料衡算有两种：情况必需在物料衡算的基础上。通常的物料衡算有两种：v1.对对已已有有的的生生产产或或者者装装置置利利用用实实测测的的数数据据算算出出一一些些不不能能直直接接计计算算的的物物料料量量，以以此此为为依依据据对对生生产产情情况况进进行行分分析析，做做出出判判断断，提出改进措施。提出改进措施。v2.另另一一种种是是针针对对单单个个的的设设备备，根根据据设设计计任任务务首首先先做做出出物物料料衡衡算算，求求出出进进出出设设备备的的物物料料量量，然然后后再再进进行行热热量量横横算算求求出出热热负负荷。荷。2023/5/332化工过程设计v以以稳稳态态过过程程为为例例，物物料料衡衡算算的的理理论论依依据据是是质质量量守守恒恒定定律律，即即在在一一个个孤孤立立物物系系中中，不不论论物物质质发发生生任任何何变变化化，它它的的质质量量始始终终不不变变，即即流流入入系系统统的的所所有有的的所所有有的的物物流流的的总总质质量量等等于于流流出出的的物物流流的的总总质质量量，所所有有进进入入的的原原子子数数等等于于所所有有流流出出的的原原子子数数（没有质量和能量的积累）（没有质量和能量的积累）v若若没没有有化化学学反反应应，则则所所有有进进入入过过程程的的任任一一化化合合物物的的摩摩尔尔物流必然等于离开该过程的任一化合物的摩尔物流。物流必然等于离开该过程的任一化合物的摩尔物流。2023/5/333化工过程设计一、求解物料衡算的主要步骤如下：一、求解物料衡算的主要步骤如下：进行物料衡算时，尤其是那些复杂的物料衡算，为了避免错误，进行物料衡算时，尤其是那些复杂的物料衡算，为了避免错误，建议采用下列计算步骤。对于一些简单的问题，这种步骤似乎有建议采用下列计算步骤。对于一些简单的问题，这种步骤似乎有些繁琐，但是训练这种有条理的解题方法，可以培养逻辑地思考些繁琐，但是训练这种有条理的解题方法，可以培养逻辑地思考问题，对今后解决复杂的问题是有帮助的。计算步骤如下：问题，对今后解决复杂的问题是有帮助的。计算步骤如下：v1）工艺流程、生产原理）工艺流程、生产原理v2）画出该过程的流程示意图）画出该过程的流程示意图v3）圈出求解系统在流程图中的边界）圈出求解系统在流程图中的边界v4）对于复杂的过程问题，需列表进行自由度分析，检查求解的数）对于复杂的过程问题，需列表进行自由度分析，检查求解的数据条件与求解的变量条件是否符合，确定求解的步骤。据条件与求解的变量条件是否符合，确定求解的步骤。2023/5/334化工过程设计v5）选定计算基准）选定计算基准v6）对于简单的衡算问题，可不做自由度分析，列表给出进）对于简单的衡算问题，可不做自由度分析，列表给出进出流股，其后直接求解。出流股，其后直接求解。v7）列出衡算的数学模型，并进行求解计算）列出衡算的数学模型，并进行求解计算v8）列表：输入、输出物料表）列表：输入、输出物料表v9）校核计算结果）校核计算结果v查找物性数据：查手册、估算、试验测定、计算机自动查找物性数据：查手册、估算、试验测定、计算机自动检索、软件检索、自动计算。检索、软件检索、自动计算。v物料衡算的结果包括以下内容：进入和流出各流股各组物料衡算的结果包括以下内容：进入和流出各流股各组分的名称、质量、百分含量分的名称、质量、百分含量2023/5/335化工过程设计二、简单过程的物料衡算二、简单过程的物料衡算1、简单的衡算模型简单的衡算模型简单过程是指仅有一个设备或一个单元操作或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，设备边界就是衡算比较简单，在物料流程简图中，设备边界就是体系边界。体系边界。2023/5/336化工过程设计2、混合器和分离器的物料衡算、混合器和分离器的物料衡算1）简单混合是指若干不同流股在容器内混合）简单混合是指若干不同流股在容器内混合为一个流股而流出，如图所示：为一个流股而流出，如图所示：图图3.2简单混合过程示意图简单混合过程示意图2023/5/338化工过程设计v例：一种废酸，组成为例：一种废酸，组成为23(质量质量)HNO3，57H2SO4和和20H2O，加入，加入93的浓的浓H2SO4及及90的浓的浓HNO3，要求混合，要求混合成成27HNO3及及60H2SO4的混合酸，计算所需废酸及加入的混合酸，计算所需废酸及加入浓酸的数量。浓酸的数量。v解：解：v设设x废酸量，废酸量，kg；vy浓浓H2SO4量，量，kg；vz浓浓HNO3量；量；v1、画物料流程简图、画物料流程简图2023/5/339化工过程设计2023/5/340化工过程设计v2、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、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。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。v3、列物料衡算式，该体系有、列物料衡算式，该体系有3种组分，可以列出种组分，可以列出3个独立方程，所以能个独立方程，所以能求出求出3个未知量。个未知量。基准：基准：100kg混合酸混合酸总物料衡算式总物料衡算式x+y+z=100(1)H2SO4的衡算式的衡算式0.57x+0.93y=1000.6=60(2)HNO3的衡算式的衡算式0.23x+0.90z=1000.27=27(3)解解(1)，(2)，(3)方程，得方程，得x=41.8kg废酸废酸y=39kg浓浓H2SO4z=19.2kg浓浓HNO32023/5/341化工过程设计根据水平衡，可以核对以上结果：根据水平衡，可以核对以上结果：加加入入的的水水量量=41.80.2+390.07+19.20.10=13kg混合后的酸，含混合后的酸，含13H2O，所以计算结果正确。，所以计算结果正确。以以上上物物料料衡衡算算式式，亦亦可可以以选选总总物物料料衡衡算算式式及及H2SO4与与H2O或或HNO3与与H2O二二个个衡衡算算式式或或H2SO4、HNO3和和H2O三三个个组组分分衡算式进行计算，均可以求得上述结果。衡算式进行计算，均可以求得上述结果。2023/5/342化工过程设计2023/5/343化工过程设计2）简单分离）简单分离 流程示意图如图流程示意图如图3.4所示：所示：通式：通式：2023/5/344化工过程设计v例3.2将将一一个个含含有有20%（摩摩尔尔分分数数）丙丙烷烷、20%异异丁丁烷烷、20%异异戊戊烷烷、40%正正戊戊烷烷的的混混合合物物引引入入精精馏馏塔塔分分离离。塔塔顶顶馏馏分分含含有有50%丙丙烷烷、44%异异丁丁烷烷、1%正正戊戊烷烷的的混混合合物物，塔塔底底引引出出流流股股中中仅仅含含1%的的丙丙烷烷。试试完完成成其其物料衡算。物料衡算。1、系统物料流程示意图如图所示。、系统物料流程示意图如图所示。2、计算基准、计算基准100kmol/h进料。进料。3、按简单分离物料衡算通式写出物料衡算式：、按简单分离物料衡算通式写出物料衡算式：总体物料衡算式：总体物料衡算式：组分物料衡算式：组分物料衡算式：2023/5/345化工过程设计用用F2和和F3以及已知数据求出塔底流股的未知组成及各流股的以及已知数据求出塔底流股的未知组成及各流股的衡算数据，填入表格。衡算数据，填入表格。表表3.3衡算结果衡算结果2023/5/346化工过程设计结晶 在化工生产中，为了精制固体物质，使溶解于液体中的固体溶质呈结晶状析出的操作称为结晶。它是获得纯净固体物质的重要方法之一，应用较广泛。在有关结晶的物料衡算中，溶解度和质量百分比浓度之间的换算是必需的，因为对于饱和溶液从手册上能查到的是溶解度数据而非质量百分比浓度数据。2023/5/347化工过程设计 例4-5：1000千克KCl饱和水溶液盛于结晶槽中，温度为800C。将此溶液冷却到200C，若在冷却过程中，进料溶液中的水有7%蒸发掉，求从溶液中结晶出的KCl量。解：由手册查得KCl在水中的溶解度数据为：80：51.1克KCl/100克H2O 20：24.0克KCl/100克H2O。画物料流程示意图：如下页2023/5/348化工过程设计80KCl饱和溶液 H2O 1000kg KCl结晶 x kg 20KCl饱和溶液 2023/5/349化工过程设计2023/5/350化工过程设计吸收 在石油化工生产中，常常需要分离气体混合物以获得纯净的原料气或气体产品，吸收操作就是分离气体混合物的一种有效方法。2023/5/351化工过程设计 例：将含20%（质量百分数）丙酮与80%空气的混合气输入吸收塔，塔顶用喷水吸收丙酮。吸收塔塔顶出口气体含丙酮3%，空气97%，吸收塔底得到50千克含10%丙酮的水溶液，计算输入吸收塔气体的量。解：详细过程如下所示 2023/5/352化工过程设计解：由题意画出物料流程示意图解：由题意画出物料流程示意图：如下所示：如下所示2023/5/353化工过程设计2023/5/354化工过程设计干燥 在化工生产中，有些原料、半成品和成品常含有水分（或其他溶剂）。为了便于加工，运输、贮藏和使用，须将物料中的水分（其他溶剂）除去。这种从物料中去除水分（或其他溶剂）的操作称去湿，去湿的方法很多，可分三类：（1）化学去湿法；（2）机械除湿法；（3）热能去湿法。热能去湿法也称干燥。2023/5/355化工过程设计 例：现有湿纸浆含水71%（质量分数），需通过干燥去掉其初始水分的80%，试计算干燥后纸浆中的含水量和每千克湿纸浆去掉的水分量。解：由题意干燥过程的物料流程如下图所示。2023/5/356化工过程设计2023/5/357化工过程设计蒸馏 蒸馏是利用液体混合物中各组分的挥发度不同进行组分分离，多用于分离各种有机物的混合液，也有用于分离无机物混合液的，例如液体空气中氮与氧的分离。例：有一个蒸馏塔，输入和输出物料量及组成如下图4-16。输入物料1中A组分的98.7%自塔顶蒸出。求每千克输入物料可得到塔顶馏出物2的量及其组成。2023/5/358化工过程设计解：基准：100 kgh-1输入物料 令x=馏出物中A的百分含量，y=馏出物中B的百分含量。2023/5/359化工过程设计将各物料的流量及组成列于下表由上表可以看出，共有5个未知量，即P、W及流股2的组成A、B、C，由于组成A、B、C的百分含量之和为1，所以只需求得任意两个组成，如A、B（或B、C或C、A），第三个组成就可求出。因此实际上是4个未知量，需要4个方程。但是输入和输出物料中共有3个组分，因而只能写出3个独立物料衡算式。第四个方程必须从另外给定的条件列出。2023/5/360化工过程设计根据题意，已知输入物料中A组分的98.7%自塔顶蒸出，即流股2中A组分量为:（1）总物料衡算式有P和W两个未知量。A、B、C三个组分的衡算式中，A组分的衡算式只含一个未知量W，所以先列A组分的衡算式。A组分衡算式：（2）总物料衡算式：（3）B组分衡算式：（4）由（2）式得：代入（3）式得：代入（4）式得：y=56.54%2023/5/361化工过程设计由（由（1）式得：）式得：馏出物中馏出物中C组成为：组成为：由由C组分衡算式得：组分衡算式得：结果符合结果符合由上例可以看出，因为第二个方程只有一个未知参由上例可以看出，因为第二个方程只有一个未知参数，数，解这样的方程，可以避免解方程组。解这样的方程，可以避免解方程组。2023/5/362化工过程设计总结总结:以上几例为无化学反应过程的物料衡算，当利用代数法求解时，列衡算式应注意下列几点：无化学反应体系，能列出的独立物料衡算式数目，最多等于输入和输出物料中化学组分的数目。首先列出含未知量数目最少的物料衡算方程，最好是能列出一个方程解一个未知数，然后一步一步地列出其它的方程，避免了解方程组的繁琐。若体系内具有很多多组分的物料，则最好将每股物流编号，并列表表示出已知的量和组成，检查能列出的衡算方程数目是否等于未知量的数目，判断能否通过物料衡算式解决问题。2023/5/363化工过程设计v3、具有化学反应的物料衡算、具有化学反应的物料衡算 按照质量守恒定律，对于化学反应按照质量守恒定律，对于化学反应例例3.3在催化剂作用下，甲醇借助于空气氧化可以制取甲醛。在催化剂作用下，甲醇借助于空气氧化可以制取甲醛。为了保证甲醇有足够的转化率，在进料中空气过量为了保证甲醇有足够的转化率，在进料中空气过量50%，甲醇，甲醇转化率可以达到转化率可以达到75%，试列出物料衡算列表。，试列出物料衡算列表。Vj在反应中第在反应中第j个组分的化学计量系数，对于反应物为负值，个组分的化学计量系数，对于反应物为负值，对于产物为正值。对于产物为正值。2023/5/364化工过程设计v1、系统物料流程示意图如图所示。、系统物料流程示意图如图所示。v2、计算基准、计算基准100kmol/h甲醇进料。甲醇进料。v3、该反应的化学计量系数为甲醇、该反应的化学计量系数为甲醇V1=-1，氧，氧V2=-0.5，甲醛，甲醛V3=1，水，水V4=1物料衡算模型为：物料衡算模型为：Yk：关键的或基准的一种试剂的转化率。：关键的或基准的一种试剂的转化率。2023/5/365化工过程设计v按上述模型求出的解，列表。按上述模型求出的解，列表。2023/5/366化工过程设计v4、简单的过程计算、简单的过程计算含有惰性组分的过程。含有惰性组分的过程。含有惰性组分的过程是常见的简单过程之一，所谓惰性组分就是在过程中含有惰性组分的过程是常见的简单过程之一，所谓惰性组分就是在过程中始终不变的组分。始终不变的组分。例例3.4今有一油分，经含量分析得知，其中含有今有一油分，经含量分析得知，其中含有84%的的C和和16%的的H。现以。现以100kg/h的油分、的油分、3.6kg/h的水蒸气混合燃烧。分析燃烧尾气，其中含有的水蒸气混合燃烧。分析燃烧尾气，其中含有9.5%的的CO2（体积分数）。试求供给燃烧炉的空气过剩量是多少？（体积分数）。试求供给燃烧炉的空气过剩量是多少？该燃烧过程的反应为：该燃烧过程的反应为：该反应也可以分解为该反应也可以分解为C与与H2的燃烧反应，即的燃烧反应，即2023/5/367化工过程设计v1、系统物料流程示意图如图所示。、系统物料流程示意图如图所示。v2、计算基准、计算基准100kmol/h甲醇进料。甲醇进料。、系统物料流程示意图如图所示。、系统物料流程示意图如图所示。、计算基准、计算基准1h。、估算输入流率、估算输入流率84kgC=84/12=7kmo