物料衡算和能量衡算培训课件

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1、2019/7/20,化工过程设计,1,第三章物料衡算和能量衡算,2019/7/20,化工过程设计,2,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。 2、确定原材料消耗定额。 3、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。 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。,2019/7/20,化工过程设计,3,化工过程有许多输入流股和输出流股，本章内容是讲授确定这些流股的策略与方法，物料衡算与热量横算是化工工程师接触最频繁的计算。

2、,2019/7/20,化工过程设计,4,3-1 工艺计算前的准备工作,一、工艺性资料的收集,（1）物料衡算提纲。 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 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。 （2）工艺流程图及说明。 （3）热量计算参数和设备计算数据 （H、Cp、K、等）。 （4）流体输送过程参数 （粘度、密度、摩擦系数等）。,2019/7/20,化工过程设计,5,3-1 工艺计算前的准备工作,（5）传质过程系数，相平衡数据。 （6）冷冻过程的热力学参数。 （7）具体的工艺操作条件（温度T、压力P、流量G） （8）介

3、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。 （10）管道设计资料（管道配置、管道材质、架设方 式、管件、阀件等）。 （11）环境保护、安全保护等规范和资料。,一、工艺性资料的收集,2019/7/20,化工过程设计,6,3-1 工艺计算前的准备工作,二、几本常用的化工设计资料和手册 （1）Industrial Chemicals （2）Encyclopedia of Chemical Technology （3）Science and Technology （4）Chemical Abstracts （C.A） （5）Handbook of Technology

4、（6）I.C.T （国际物理、化学和工艺数值手册） （7）化工工艺设计手册 （8）材料与零部件手册,2019/7/20,化工过程设计,7,物料衡算和能量衡算,1.物料衡算的基本方法和程序 2.简单的物料衡算 3.带有循环流的物料衡算 4.热量横算,2019/7/20,化工过程设计,8,第一节 物料衡算的基本方法和程序,一、物料衡算的基本方法 1、物料平衡方程 理论依据：质量守恒定律,2019/7/20,化工过程设计,9,即 ： （ FiFo） （Dp Dr ） W 上式：即可对总物料，也可以对其中任一组分或元素列出。 在下列情况下上式可简化为： 稳定操作过程（ FiFo） （Dp Dr ） 0

5、 系统内无化学反应：FiFo W 系统内无化学反应的稳态操作过程： FiFo 0 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方程。,2019/7/20,化工过程设计,10,2、物料衡算基准 1）化工过程的类型 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。 化工过程根据其操作方式可以分成间歇操作、连续操作以及半连续操作三类。或者将其分为稳定状态操作和不稳定状态操作两类。在对某个化工过程作物料或能量衡算时，必须先了解生产过程的类别。,2019/7/20,化工过程设计,11,间歇操作过程：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

6、，一直到操作完成后，物料一次排出，即为间歇操作过程。此过程的特点是在整个操作时间内，再无物料进出设备，设备中各部分的组成、条件随时间而不断变化（如：萃取过程、过滤过程）。 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，设备内各部分组成与条件不随时间而变化。,2019/7/20,化工过程设计,12,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。 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

7、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。 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。,2019/7/20,化工过程设计,13,2）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： 时间基准 对于连续操作过程，选用单位时间作为基准是很自然的，单位时间可取1d、1h或1s等等。此时得

8、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 对于间歇操作，按投入物料的数量为基准，最方便，即以一批/次作为基准。,2019/7/20,化工过程设计,14,质量基准 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。 例如：可取某一基准物流的质量为100Kg，然后计算其他物流的质量。若已知进料质量百分比组成，则选100Kg进料或者100g进料为基准，若已知出料质量百分组成，则选100Kg进料或者100g 出料为基准。 物质的量基准 对于有化学反应的过程，因化学反应按摩尔进行的，用物质的量基准更方便，或者已知进料或者出料摩尔组成的情况。若已知进料组成摩尔分数，用100mol或者1

9、00kmol进料，反之已知出料组成，用100mol或者100kmol出料做基准。,2019/7/20,化工过程设计,15,标准体积基准 对于气体物料，可采用标准体积基准，因标准状态下1moL气体相当于22.4103m3标准体积的气体。,2019/7/20,化工过程设计,16,二、物料衡算的基本程序 在进行物料衡算时，为了避免错误，便于检查核对时，必须采取正确的步骤进行计算，使之做到条理分明清晰，计算迅速，结果准确，一般程序如下：,2019/7/20,化工过程设计,17,（1） 确定衡算对象和范围（如：一个单元，一套装置或一个系统），并画出计算对象的草图，对于整个工艺流程，要画出物料流程示意图（

10、方框图即可）绘制物料流程草图时，要注意物料种类和走向，输入和输出要明确表示出来。 （2） 确定计算任务，明确什么是已知项，什么是待求项，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，并对所有组分依次编号。 （4） 对物流的流股进行编号，并标注物流变量。,2019/7/20,化工过程设计,18,（5）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定（T/年），生产时间是指全年的有效生产天数300330天/年（计约8000h）。 有关定额的技术指标，这类数据通常指产品单耗、

11、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。,2019/7/20,化工过程设计,19,、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，气体或液体混合物的组成。 、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、气液平衡常数或平衡关系，粘度、扩散参数等,2019/7/20,化工过程设计,20,（6）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量关系，必要时还应指出其转化率和选择性，为计算作准备。,2019/7/20,化工过程设计,21,约束式可分为

12、两类： （）分数约束式 当物流的组成用摩尔分数或质量分数表示时，用下式成立 xij=1（i=1，2，Ns） （j=1，2，Nc） 式中： xij 第j组分在第i股流中的摩尔分数（或质量分数）； Ns 物流的股数； Nc 物流的组分数。,2019/7/20,化工过程设计,22,（）设备约束式 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； 、两股物流具有相同的组成（如分流器）； 、相平衡常关系式； 、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。 、物料平衡式 C 、能量平衡式 1,2019/7/20,化工过程设计,23,（7）选择计算基准 （8）独立的总物流

13、变量个数与方程个数，确定设计变量和个数及全部设计变量。,2019/7/20,化工过程设计,24,进行化工过程设计，要确定各个物理量的数值，如进料流率、浓度、温度、压力、热负荷、机械功的输入和输出，传热面积的大小及理论塔板数等，这些物理量都是相互关联相互制约的，因此设计者只能规定其中若干变量的数值，这些变量称为设计变量。如果设计过程中给定数值的物理量少于设计变量的数目，设计就不会有结果；反之，给定数值的物理量数目过多设计也无法进行。,2019/7/20,化工过程设计,25,（9）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，最后列成表格即物流表。 （10）绘制物料流程

14、图，编写物流表作为设计文件成果编入正式设计文件。,2019/7/20,化工过程设计,26,综上所述步骤，可归纳如下： 、陈述的问题； 、列出可获得的数据； 、画出衡算方框图； 、对物流流股及各组分编号； 、确定衡算范围； 、建立系统各参数的基准； 、建立各组分和总物料的衡算方程； 、解析方程； 、校核计算结果； 、绘制物料流程图，编写物流表。,2019/7/20,化工过程设计,27,三、化工基础数据 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。例如，进行化工过程物料与能量衡算时，需要用到密度或比容、沸点、蒸汽压、烩、热容及生成热等等的物性数据；设计一个反应器时，则

15、需要知道化学反应热的数据；计算传热过程时，需要导热系数的数据等等。这些数据习惯上称为“化工基础数据”，它是由物料本身的物理化学性质所决定的。因此，又被称作“物化数据”或“物性数据”。,2019/7/20,化工过程设计,28,化工基础数据包括很多，现将常用的一些化工基础数据大致归纳成以下几类： (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) 化学反应和热化学数据如反应热、生成热、燃烧热、反应速度常数、活化能，化学平衡常数等。 (4) 传递

16、参数如粘度、扩散系数、导热系数等。,2019/7/20,化工过程设计,29,通常这些数据可用下列方法得到： 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。,2019/7/20,化工过程设计,30,以上三种数据来源，从手册或文献中查得数据最方便，但往往有时数据不够完整，有时也会出现一些错误。用一些理论的、半经验的和经验的公式估算，也是一种简便的方法。当手册或文献中无法查得时，可以进行估算。直接用实验测定得到的数据最可靠，只是实验比较费时间又花钱。但是，如果查不到有关数据，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。 近年来，