第三章物料衡算与能量衡算.pptx

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1、第三章 物料衡算与能量衡算0 化工过程及过程参数 化工工艺流程 物料衡算 热量衡算主要内容3.1 工艺过程及过程参数主要内容包括：1.化工过程；2.化工工艺流程；3.化工过程开发；4.化工过程基本参数温度、压力、流量、化学组成等基本概念。化工计算主要是应用守恒定律来研究化工过程的物料衡算和能量衡算问题。在进行计算时，必须熟悉有关化工过程的一些术语及基础知识。3.1 工艺过程及过程参数3.1.1 化工过程化工过程：是指由原料经化学处理和物理处理加工成化学产品或中间产品的生产过程。它包括许多工序，每个工序又由假设干个或假设干组设备如反响器、蒸馏塔、吸收塔、枯燥塔，别离器、换热器及输送设备等等组合而

2、成。物料通过各设备时，完成某种化学或物理处理，最终成为合格的产品。化工过程单元操作反响过程3.1 工艺过程及过程参数3.1.1 化工过程化工过程单元操作：不改变物料的化学性质，只改变物理性质。如流体输送、传热、蒸馏、枯燥、蒸发、结晶、萃取、吸收、吸附、过滤和破碎等反响过程：改变物料的化学性质。如氢和氮合成氨的反响；乙烯氧化成环氧乙烷的反响。3.1 工艺过程及过程参数3.1.1 化工过程化工设备所进行的主要操作 混合化学反响是整个化工过程的核心。平衡收率反响速度控制或减少副反响别离或提纯蒸馏结晶萃取改变温度改变压力3.1 工艺过程及过程参数3.1.1 化工过程发现一种新的化学反响使之实施于生产或

3、开发一个新的化工过程，从技术角度来考察，主要决定于下述三类因素：3机械设备、仪表及控制手段：1化学工艺因素：2化学工程因素：反响体系本性、温度、压力、组成、催化剂等操作条件以及体系的反响速度、转化率、循环比等。体系的物性、相态、热性质、传递性质、传热传质方式、物料流体及固体输送、反响技术、别离技术等。设备材料、制造、贮运、安装、维修、检测、备品备件、正常操作及事故处理等。3.1 工艺过程及过程参数3.1.2 化工过程化工过程常用流程图来表示。所谓流程图，就是把生产过程中物料经过的设备按其形状画出示意图，并画出各设备之间的主要物料管线及其流向。简化的流程图可以用方框来表示设备或设备组，称方框流程

4、图。在工艺流程设计中，还有其他类型的流程图，如说明物料量的物料流程图、以装置为单元的装置流程图、以管线为主的管线流程图以及带测量仪表控制点的流程图等。3.1 工艺过程及过程参数3.1.2 化工过程3.1 工艺过程及过程参数3.1.3 化工过程的开发化工过程开发是指一个化学反响从实验室过渡到第一套生产装置的全部过程。化工过程开发，首先是决定于化学反响的可能性、转化率及反响速度是否具有工业价值，产物别离的难易程度以及机械、设备、材料是否可行。当然，最终取决于是否有经济效益。化工过程开发的第一步就是要设计一个流程图。由于化学反响或产物的别离可用不同的方法来完成，因此，设计流程时，必须选择一个平安、可

5、靠、经济效益高的最正确方案。3.1 工艺过程及过程参数3.1.3 化工过程的开发实例：3H2N22NH3Fe高温、高压基本工艺步骤1.气体的压缩2.气体的预热和合成3.氨的别离4.未反响氢、氮气体的循环5.惰性气体的排放3.2 工艺基础数据3.2.1 化工基础数据种类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。(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、气一液平衡关系等。(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)化学反响和热化学数据如反响热、生成热、燃烧热、反响速度常数、活化

6、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。3.2 工艺基础数据3.2.2 化工基础数据来源1、查手册或文献资料有关常用物质的物性数据，前人已系统地进行归纳总结，从表格或图的形式表示。这些致据可从有关的化学化工类手册或专业性的化工手册中查到。2、估算。可以应用物理和化学的一些基本定律计算各种物质的性质参数。3、用实验直接测定。3.2 工艺基础数据3.2.2 化工基础数据来源外文中文3.3 化工过程类型3.3.1 间歇操作、连续操作以及半连续操作 1.闻歇操作过程：1.原料在生产操作开始时一次参加，然后进行反响或其他操作，一直到操作完成后，物料一次排出，即为间歇操作过程。此过

7、程的特点是在整个操作时间内，再无物料进出设备，设备中各局部的组成、条件随时间而不断变化。2.连续操作过程：1.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。在整个操作期间，设备内各局部组成与条件不随时间而变化。3.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，而出料是一次或分批的。3.3 化工过程类型3.3.2 稳定状态操作和不稳定状态操作 1.稳定状态操作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，只是设备内不同点有差异，这种过程称为稳定状态操作过程，

8、或称稳定过程。2.不稳定状态操作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。间歇过程及半连续过程是不稳定状态操作。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。03.4 物料衡算3.4.1 基本原理A.物料衡算的目的1.确定原材料的消耗定额，判断是否到达设计要求。2.确定各设备的输入及输出的物流量，摩尔分率组成及其他组成表示方法。3.作为热量计算的依据。4.根据计算结果绘出物流图，可进行管路设计及材料选择，仪表及自动控制等03.4 物料衡算3.4.1 基本原理B.物料衡算的依据1.设计任

9、务书中确定的技术方案、产品生产能力、年工作时间及操作方法。2.建设单位或研究单位所提供的要求、设计参数及试验室试验或中试等数据，主要有：化工单元过程的主要化学反响方程式、反响物配比、转化率、选择性、总收率、催化剂状态及参加配比量、催化剂是否回收使用、平安性能爆炸上下限等。原料及产品的别离方式，各步的回收率，采用物料别离剂时，参加别离剂的配比。特殊化学品的物性，如沸点、熔点、饱和蒸汽压、闪点等03.4 物料衡算3.4.1 基本原理C.物料衡算的基准1.时间基准：连续生产：一段时间的投料量或生产产品量作为计算基准；间歇生产：一釜或一批料的生产周期作为基准例：年产300kt乙烯装置，年操作时间为80

10、00h，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。03.4 物料衡算3.4.1 基本原理C.物料衡算的基准2.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 如果原料或产品是单一化合物，或由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以氮和氢为原料合成氨的工艺过程，可采用物质的量为基准。03.4 物料衡算3.4.1 基本原理C.物料衡算的基准3.体积基准：对气体物料进行衡算时选用体积基准

11、应将实际情况下的体积换算为标准状态下的体积例：在化工生产过程中经常使用的干空气以及在合成氨中使用的原料煤气和水煤气就可以用体积为基准用m3STP表示03.4 物料衡算3.4.1 基本原理C.物料衡算的基准4.干湿基准生产中的物料，不管是气态、液态还是固态，均含有一定量的水分，因而在选用基准时就有算不算水分在内的问题，不计算水分在内的称为干基，否则为湿基。例：通常水空气中含氧21%，含氮79%，这是以干基计算的 如果把水蒸气计算在内，氧和氮的百分比就变了。甲烷水蒸气催化转化制取氢气，转化炉的进料量，以干基计算为7103m3STP)/h，如以湿基计算则可到达3104m3STP)/h 湿基：化肥、农

12、药等化工产品，尿素、甲醛、乙醇。干基：硝酸03.4 物料衡算3.4.1 基本原理D.物料衡算的程序1.确定衡算的对象、体系与环境，并画出计算对象的草图体系输入物料 输出物料整个生产流程操作单元过程中的局部工段或工序某一设备3.4 物料衡算3.4.1 基本原理D.物料衡算的程序2.确定计算任务，明确哪些是项，哪些是待求项，选择适当的数学公式，力求计算方法简便。3.确定过程所涉及的组分。4.对物流流股进行编号，并注明物料变量5.收集数据资料：设计任务书中条件；物理化学参数a)生产规模和生产时间b)有关定额和技术指标c)原辅材料、产品、中间产品的规格d)与过程有关的物理化学参数3.4 物料衡算3.4

13、.1 基本原理D.物料衡算的程序6.列出物料衡算方程：依据是质量守恒定律进入过程单元的物料量Fi流出过程单元的物料量F0在过程单元内生成的物料量Dp在过程单元内消耗的物料量Dr过程单元内积累的物料量WFi-F0Dp-DrWa)稳定有反响操作过程：Fi-F0Dp-Dr0b)不稳定无反响操作过程：Fi-F0Wc)稳定无反响操作过程：Fi-F003.4 物料衡算3.4.1 基本原理D.物料衡算的程序7.列出过程的全部独立的物料衡算方程式及其他相关约束式，化学反响方程式，明确反响前后物料组成和各个组分之间的定量关系、转化率、选择性8.选择计算基准9.统计变量个数与方程个数，确定设计变量的个数及全部设计

14、变量NvNs(Nc1)NpNv系统的总变量；Ns物流中的组分数；Nc物流的股数；Np设备参数NdNvNeNd设计变量数；Ne独立方程数；3.4 物料衡算3.4.1 基本原理D.物料衡算的程序10.整理计算结果，并根据需要列成原材料消耗表11.绘制物料流程图序号 原料名称 单位 规格成品消耗定额单耗每小时消耗量 每年消耗量1 尿素 t 含氨量46.3%2.3 1.75 108002 液氨 t 99.5%0.2 0.147 10703 催化剂 t 0.01 604 道生 kg 工业级 0.225 1.355 氮气 m3(STP)99.5%36 30 m3/h 21.61046 熔盐 kg 工业级

15、0.32 1.97 燃料油 t 0.815 0.66 49108 包装袋 套 450800 40 33.3 240103原材料消耗一览表三聚氰氨3.5 物料衡算举例3.5.1 无反响过程的物料衡算例3-1某化工厂要求设计一套从气体中回收丙酮的装置系统，并计算回收丙酮的费用。系统的流程框图如下图，要求有的资料，列出各物流的流率kg/h，以便能确定设备的大小，并计算蒸馏塔的进料组分。吸收塔蒸馏塔冷凝器水F11200kg/h混合气体F21.5(mol)%丙酮空气F3产品F4丙酮99%,水1%废料F5：丙酮5%，水95%3.5 物料衡算举例3.5.1 无反响过程的物料衡算分析：本系统包括三个单元：吸收

16、塔、蒸馏塔和冷凝器。除混合气体外均以质量分数表示，所以及其换算成质量分数。进入系统物流两个，离开三个，项一个，因此未知项有四个。组成 kmol kg 质量,(mol)%丙酮 1.5 87 2.95空气 98.5 2860 97.05总计 100 2947 100.00以100kmol为基准总物料平衡式：1200F2F3F4F5丙酮：0.0295F20.99F40.05F5水：12000.01F40.95F5空气：0.9705F2F3结论：只有3个独立方程，不能求解，应补充数据：1.每小时进入系统的气体混合物、离开系统的产品或废液的物流量2.进入蒸馏塔的组分3.5 物料衡算举例3.5.1 无反响

17、过程的物料衡算例:一种废酸，组成为23(质量)HNO3，57H2SO4和20H2O，参加93的浓H2SO4及90的浓HNO3，要求混合成27HNO3及60H2SO4的混合酸，计算所需废酸及参加浓酸的数量。解：设x废酸量，kg；y浓H2SO4量，kg；z浓HNO3量；kg(1)画物料流程简图3.5 物料衡算举例3.5.1 无反响过程的物料衡算(2)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，选任何一种作基准计算都很方便。(3)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)

18、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)3.5 物料衡算举例3.5.1 无反响过程的物料衡算解(1)，(2)，(3)方程，得x=41.8kg废酸y=39kg浓H2SO4z=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。根据水平衡，可以核对以上结果：参加的水量=41.80.2+390.07+19.20.10=13kg混合后的酸，含13H2O，所以计算结果正确。以上物料衡算式，亦可以选总物料衡算式及H2O与HNO3二个衡算式或H2SO4、

19、HNO3和H2O三个组分衡算式进行计算，均可以求得上述结果。3.5 物料衡算举例3.5.1 无反响过程的物料衡算例:有两个蒸馏塔的别离装置，将含50%苯、30%甲苯和20%mol%二甲苯的混合物分成较纯的三个馏分，其流程图及各流股组成如图。计算蒸馏1000mol/h原料所得个流股的量及进塔II物料的组分。3.5 物料衡算举例3.5.1 无反响过程的物料衡算解:设S2、S3、S4、S5表示各流股物料量，mol/hx3B、x3T表示流股3种苯、甲苯的组成。体系A塔I：总物料1000S2S3(1)苯10000.50.95S2x3BS3(2)甲苯10000.30.03S2x3TS3(3)体系B塔II：

20、总物料S3S4S5(4)苯x3BS30.03S40.0045S5(5)甲苯x3TS30.95S40.43S5(6)体系C整个过程：总物料1000S2S4S5(7)苯10000.50.95S20.03S40.0045S5(8)甲苯10000.30.03S20.95S40.43S5(9)3.5 物料衡算举例3.5.1 无反响过程的物料衡算解:由(7)、(8)、(9)三式解得S2520mol/hS4150mol/hS5330mol/h再任选一组体系A或B的衡算方程，可解得：S3480mol/hx3B0.0125x3T0.5925x3x0.3953.5 物料衡算举例3.5.2 有反响过程的物料衡算有化

21、学反响的过程，物料中的组分比较复杂，物料衡算比无化学反响过程的计算复杂，化学反响过程物料衡算的方法有：1.直接计算法2.利用反响速率进行物料衡算3.元素平衡4.以化学平衡进行衡算5.以结点进行衡算6.利用联系组分进行衡算3.5 物料衡算举例3.5.2 有反响过程的物料衡算反响转化率、选择性及收率等概念1、限制反响物：化学反响原料不按化学计量比配料时，其中以最小化学计量数存在的反响物称为限制反响物。2、过量反响物：不按化学计量比配料的原料中，某种反响物的量超过限制反响物完全反响所需的理论量，该反响物称为过量反响物。3、过量百分数：过量反响物超过限制反响物所需理论量的局部占所需理论量的百分数。假设

22、以从表示过量反响物的摩尔数，Nt表示与限制反响物完全反响所需的摩尔数，则过量百分数即为3.5 物料衡算举例3.5.2 有反响过程的物料衡算反响转化率、选择性及收率等概念4、转化率以x表示：某一反响物反响掉的量占其输入量的百分数。假设以NA1、NA2分别表示反响物A输入及输出体系的摩尔数，则反响物A的转化率一个化学反响，由不同反响物可计算得到不同的转化率。因此，应用时必须指明某个反响物的转化率。假设没有指明时，则往往是指限制反响物的转化率。3.5 物料衡算举例3.5.2 有反响过程的物料衡算反响转化率、选择性及收率等概念5、选择性以S表示：反响物反响成目的产物所消耗的量占反响物反响掉的量的百分数

23、。假设反响物为A，生成的目的产物为D，ND表示生成的目的产物D的摩尔数，a、d分别为反响物A与目的产物D的化学计量系数，则选择性为式中NA1NA2为反响物A反响掉的摩尔数。转化率与选择性是反响过程的两个主要技术指标。3.5 物料衡算举例3.5.2 有反响过程的物料衡算反响转化率、选择性及收率等概念6、收率以Y表示：目的产物的量除以反响物通常指限制反响物输入量，以百分数表示。它可以用物质的量摩尔数或质量进行计算。假设以摩尔数计算，考虑化学计量系数，则目的产物D的收率为转化率、选择性与收率三者之间的关系为Y=Sx3.5 物料衡算举例3.5.2 有反响过程的物料衡算例3-2作年产300t对-硝基乙苯

24、工段物料衡算，原料乙苯纯度95%，硝化混酸为：HNO332%，H2SO456%，H2O12%。粗乙苯与混酸质量比1:1.855。对硝基乙苯收率50%，硝化产物为硝基乙苯的混合物，其比例：对：邻：间0.5:0.44:0.06。配制混酸所用的原料：H2SO493%，HNO396%及H2O，年工作日300天，假设转化率为100%，间歇生产。解：1画出流程示意图，确定计算范围。配酸 硝化 分离H2SO4,93%HNO3,96%H2O乙苯,95%废酸硝化物3.5 物料衡算举例3.5.2 有反响过程的物料衡算解：2原料乙苯量基准：间歇生产，以每天生产的kg数为基准C2H5HNO3H2SO4,H2OC2H5

25、C2H5C2H5H2ONO2NO2NO2G1G2G3G4G5M:106.1763151.1718.023.5 物料衡算举例3.5.2 有反响过程的物料衡算解：2原料乙苯量对-硝基乙苯：G33001000/3001000kg乙苯量：G11000106.17/(151.170.5)1404.6kg原料乙苯量：1404.6/0.951478.6kg杂质量：1478.6-1404.674kg3.5 物料衡算举例3.5.2 有反响过程的物料衡算解：3配酸量及水量混酸量：1478.61.8552742.8kg纯HNO3量：2742.80.32877.7kg96%HNO3量：877.7/0.96914.3k

26、g纯H2SO4量：2742.80.561536.0kg93%H2SO4量：1536.0/0.931651.6kg加水量：2742.8-914.3-1651.6176.9kg3.5 物料衡算举例3.5.2 有反响过程的物料衡算解：4硝化转化率为100%，G3：G4：G50.5：0.44：0.06硝化物产量：1404.6151.17/106.171999.9kg其中硝基乙苯：对位：1999.90.51000.0kg邻位：1999.90.44880.0kg间位：1999.90.06120.0kg3.5 物料衡算举例3.5.2 有反响过程的物料衡算解：5废酸量HNO3消耗量：1404.663/106.

27、17833.5kg水生成量：1404.618.02/106.17238.4kg废酸中HNO3量：877.7-833.544.2kgH2SO4量：1536.0kgH2O量：329.1238.4567.5kg废酸总量：44.21536567.52147.7kg废酸组成：HNO32.06%，H2SO471.52%，H2O26.42%3.5 物料衡算举例3.5.2 有反响过程的物料衡算解：物料衡算表输入 输出组分质量，kg/d组分质量，kg/dHNO3877.7 HNO344.2H2SO41536 H2SO41536H2O 329.1 H2O 567.5C6H5-C2H51404.6 C6H5-C2H

28、5对-硝基乙苯邻-硝基乙苯间-硝基乙苯1000880120杂质74杂质74合计4221.4合计4221.43.5 物料衡算举例3.5.2 有反响过程的物料衡算例3-3工业上，合成氨原料气中的CO通过变换反响器而除去，如下图。在反响器1中大局部转化，在反响器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。在反响器中与水蒸气发生反响：COH2OCO2H2N278%,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，同时反响器1中CO的转化率为80%，试计算中间物流4的组成。