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1、第二章物料衡算和能量衡算 将计算进行到底 导言计算前的准备工作2 1物料衡算2 2能量衡算 第二章物料衡算和能量衡算 一 能量的形式和概念1 动能 K 表示物体作相对于环境运动所具有的能量 2 势能 Z 表示物体在重力场中受重力作用而具有的能量 3 内能 U 表示物体内分子 原子能量的宏观尺度 4 热 Q 物体与环境之间由于温差而引起传递的能量 5 功 W 物体与环境之间由于矢量位移而引起传递的能量 导言 二 MB HB EB三者之间的关系 1 MB与HB之间的关系 MB有可能能单独 不依赖HB而独立 求解 HB一般不能单独求解 间壁式换热器除外 当MB不能独立求解时 它就必须与HB联合起来
2、求解CB 2 EB与HB之间的关系 流程压力水平不高 而且压力变化也不大 系统能量只考虑其热焓 而忽略其动能 势能等机械能 在这种情况下 EB HB 物料衡算 MaterialBalance 简称 MB 热量衡算 HeatBalance 简称 HB 能量衡算 EnergyBalance 简称 EB 物料衡算与能量衡算的联立计算 CombinedBalance 简称 CB 3 在HB计算中 压力对焓值的影响 热焓是状态函数 严格而言 它同时与温度和压力有关 但温度对焓值的影响更加显著 在压力水平不高且压力变化不大的化工流程中 一般认为焓值只是温度的函数 以简化计算 1 能量衡算的目的 2 2能量
3、衡算 以物料衡算为基础 能量衡算的步骤与物料衡算相同 解决问题 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 2 能量衡算的基本方程式 根据热力学第一定律 能量衡算方程可写为 Q W E Ek Ep U其中W Wt Ws Wt为流动功 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 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
4、为 3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 热量衡算有两种情况 1 无化学反应过程的能量衡算 2 化学反应过程的能量衡算 1 无化学反应过程的能量衡算 2 相变过程的能量衡算汽化和冷凝 熔化和凝固 升华和凝华等相变过程往往伴有显著的内能和焓的变化 常成为过程热量的主体 不容忽视 在恒定的温度和压力下 单位质量或摩尔的物质发
5、生相的变化时的焓变称为相变热 三种相变的相变热 汽化潜热 Hv 熔化潜热 Hm 升华潜热 Ht 例如100 latm时液体水转变成水汽的焓变 H等于40 6kJ mol 称为在该温度和压力下水的汽化潜热 1 无相变的变温变压过程 主要讨论反应热的计算方法1 反应热及其表示恒压反应热Qp Hr恒容反应热Qv Ur T 2 反应热的计算反应热可以用实验方法测定 也可用已有的实验数据进行计算 根据盖斯 Hess 定律 化学反应热只决定于物质的初态和终态 与过程的途径无关 反应热可用简单的热量加和法求取 1 由标准生成热 Hfo计算标准反应热 Hro Hro 生成热 i Hfo i 反应热 i Hfo
6、 i 2 由标准燃烧热 Hco计算标准反应热 Hro Hro 反应物 i Hco i 产物 i Hco i 2 化学反应过程的能量衡算 3 两种基准按计算焓时的基准区分 主要有两种 1 第一种基准若已知标准反应热 则可选298K latm为反应物及产物的计算基准 对非反应物质另选适当的温度为基准 如反应器的进口温度 或平均热容表示的参考温度 例详见陈声宗教材P54 2 第二种基准以组成反应物及产物的元素 在25 1atm时的焓为零 非反应分子以任意适当的温度为基准 也要画一张有所有流股组分ni和Hi的表 只是在这张表中反应物或产物的Hi 是各物质25 的生成热与物质由25 变到它进口状态或出口
7、状态所需显热和潜热之和 例详见陈声宗教材P55 5 进行热量衡算注意事项 1 热量衡算时要先根据物料的变化和走向 认真分析热量间的关系 然后根据热量守衡定律列出热量关系式 2 要弄清楚过程中出现的热量形式 以便搜集有关的物性数据 3 计算结果是否正确适用 关键在于数据的正确性和可靠性 4 间歇操作设备 传热量随时间而变化 因此要用不均衡系数将设备的热负荷由kJ 台换算为kJ h 5 选定设备的换热面积要大于理论计算 6 热量衡算举例 不得不告别手算时代 一 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
8、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 PRO II HYSYS ASPENPLUS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 Aspenplus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件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 本章作业 1 化工工艺计算有哪些内容 其作用是什么 2 叙述物料衡算的依据 作用及其衡算步骤 3 能量衡算的依据是什么 能解决生产过程中哪些问题 大作业进展如何 现在就做
