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1、1,第三章 物料衡算和能量衡算,掌握: 物料衡算和能量衡算步骤、非反应过程和反,了解: 物料衡算和能量衡算的重要意义,理解: 平衡方程；衡算基准；,应过程的物料衡算和能量衡算,2,任务： 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、确定每一个设备内物质转换与能量传递速度。 目的： 为确定操作方式，设备选型以及设备尺寸、管路 设施与公用工程提供依据。,本章任务与目的：,3,3-1 设计计算前的准备工作,(4)流体输送过程参数(、摩擦系数等)。,1. 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
2、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,（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）介质物性和材质性能，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。,3-1 设计计算前的准备工作,5,2. 工程性资料的收集,（1）气象、地质资料; （2
3、）公用工程的消耗量，辅助设施能力; （3）总图运输、原料输送方式、储存方式; （4）上、下水资料; （5）配电工程资料; （6）仪表自控资料等。,3. 资料的来源,（1）科研单位（研究报告） （2）设计单位（设计图纸、设计说明书） （3）基建单位（厂址方案、基建工程资料和安装工程 资料）,3-1 设计计算前的准备工作,6,车间原始资料、各种生产报表 工艺操作规程 设备岗位操作法 设备维护检修规程及设备维修纪录卡 劳动保护及安全技术规程 车间化验室的分析研究资料 车间实测数据 工厂科室掌握的技改资料 供销科的产品目录和样本 财务科的产品原料单耗及成本分析资料 全厂职工劳动福利的生活资料,(4)生
4、产单位(现场操作数据和实际的经济技术指标),（5）可行性研究报告、各国文摘和专利、各类工艺书籍、各类调查报告、各种化工过程与设备计算等书籍。,3-1 设计计算前的准备工作,7,（1）Industrial Chemicals （2）Encyclopedia of Chemical Technology （3）Science and Technology （4）Chemical Abstracts （C.A） （5）Handbook of Technology （6）I.C.T （物性手册） （7）化工工艺设计手册 （8）材料与零部件手册,4. 几本常用的化工设计资料和手册,3-1 设计计算前的准
5、备工作,8,3-2 物料衡算,（1）物料衡算能为化工设计提供的基础数据(目的),1）物料消耗定额。 2）工艺设备的大小尺寸。 3）管道的大小尺寸。 4）为能量衡算提供基础数据。,设计任务书、生产量、工艺技术条件、反应转化率、 相平衡数据等。,（2）物料衡算的依据,1 物料衡算的目的、依据,9,稳定操作过程:,系统内无化学反应:,系统内无化学反应的稳态操作过程:,(FiFo)（DpDr）0,FiFoW,FiFo0,（3）物料衡算式：,1 物料衡算的目的、依据,3-2 物料衡算,10,2、物料衡算的步骤,8）列出物料衡算式，及其他相关约束式，进行物料衡算；,1）化工过程分析；,2）画出方框图（方框
6、流程图）；,3）分析化学反应过程，写出主、副反应化学反应方程式；,4）确定衡算体系；,5）根据设计要求确定（写明年产量、年工作日或每昼夜的）,6）选定计算标准，并在图上注明所选的基准值；,7）收集计算需要的数据；,9）将物料衡算结果列成物料平衡表，画出物料平衡图。,生产能力、产率、产品的纯度要求等；,3-2 物料衡算,11,例：乙苯反应器内的反应如下：,乙烯+苯乙苯 乙苯+乙烯二乙苯 二乙苯+苯乙苯 二乙苯+乙烯三乙苯 三乙苯+苯乙苯，二乙苯 乙苯、二乙苯甲苯、二甲苯、正丁苯、异丙苯、 杂环化合物,2、物料衡算的步骤,3-2 物料衡算,12,(2)批量基准,3、物料衡算的基准,运算中保持一致。
7、若基准选得好，计算变得简单。,进行物料衡算时，必须选择一计算基准，并在整个,(1)时间基准 连续（小时，天 ）间歇（釜，批）,(3)或已知进料/出料组成,(4)物质的量基准,(5)标准体积基准,3-2 物料衡算,13,C3H8 + 5O2 = 3CO2 + 4H2O 每100kmol燃烧产物需要多少摩尔空气？氧气过量25% （1）.基准：1kmol原料气C3H8 燃烧用氧 5kmol； 实际供氧 51.25 = 6.25kmol； 供给空气量 29.76kmol； 其中氮气量 23.51kmol 产生：CO2 3kmol； H2O 4kmol； O2 1.25kmol； N2 23.51kmo
8、l； 合计 31.76kmol；,例3-1：,14,（2）.基准：1kmol空气 实际供氧 0.21/1.25=0.168kmol； 燃烧C3H8 0.21/（51.25） =0.0336kmol； 供给空气量 1kmol； 其中氮气量 0.79kmol； 产生：CO2 0.101kmol； H2O 0.135kmol； O2 0.042kmol； N2 0.79kmol； 合计 1.068kmol；,15,（3）基准：100kmol烟道气 以元素平衡法：C3H8 + 5O2 = 3CO2 + 4H2O C平衡 B = 3P； H2平衡 B = 4Q； O2平衡 0.21A = M + Q/2
9、 + P； N2平衡 0.79A = N； 烟道气总量 N + M + P + Q = 100； 过剩氧气 0.21A（0.25/1.25）= M 解出：空气量 A = 93.7kmol； C3H8 B = 3.148kmol； N2 N = 74.02kmol； O2 M = 3.935 kmol； CO2 P = 9.445 kmol ； H2O Q = 12.59 kmol。,16,（）分数约束式,4、约束式 可分为两类：,式中xij第j组分在第i股物流中的摩尔分数(或质量分数)； Ns物流的股数； Nc物流组分数。,(i=1,2,，Ns) (3-2),当一般物流的组成用摩尔分数或质量分
10、数表示时， 有下式成立：,3-2 物料衡算,17,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)； 相平衡常数； 化学平衡常数； 化学反应过程中的转化率、选择性或其他限度。,() 设备约束式,3-2 物料衡算,18,有Ns股物流， Nc个组分数，Np个设备参数 总变量数： Nv= Ns（Nc +1）+ Np,设计变量：,（）变量,3-2 物料衡算,19,3-2 物料衡算,20, 限制反应物 过量反应物,第三章 物料衡算与能量衡算,3-2 物料衡算,21,稳态过程以各物流的总流量Fi及组成xij表示,则有：,（j=1,2,Nc） (35
11、),式中 Fi第i股物流物质的量流量； xij第j组分在第i股物流中的摩尔分数； vjm第j组分在第m个化学反应中的化学计量系数； rm第m个化学反应的反应速率； Nr过程中所包含的化学反应个数。,.3 车间物料衡算,22,物理吸收、结晶、提纯、脱水等,3.3.1 无化学反应过程的物料衡算,1.简单过程的物料衡算(无化学反应、单设备),常见操作有:混合、蒸馏、精馏、增湿、气体混合,物的部分冷凝、液体混合物的部分气化、闪蒸、,对于非反应的连续稳态过程，式(3-5)可简化为：,(j=1,2,Nc）,23,三个未知数需三个方程：,总物料平衡式 F1+ F2= F3+ F4 组分物料平衡式 苯平衡 F
12、2=0.75 F3 水平衡 0.6F1= 0.24F3 醇平衡 （10.6）F1=F4,例3-2：,3.3.1 无化学反应过程的物料衡算,24,.有多个设备过程的物料衡算,甚至无法求解。,算体系，这是很重要的步骤。不然会使计算繁,划分多个衡算体系。此时，必须选择恰当的衡,对有多个设备的过程，进行物料衡算时，可以,3.3.1 无化学反应过程的物料衡算,25,有两个蒸馏塔的分离装置，将含50%苯、30%甲苯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1000 mol/h原料所得各流股的量及进塔 物料的组成。,例3-3：,26,乙烯部分氧化制取环氧乙烷
13、，乙烯在过量空气存在条件下通过银催化剂进行。,主反应:,副反应:,进料物质的流量为1000mol/h，进料中含 C2H4摩尔分数10，乙烯的转化率为25，生成产物的C2H4的选择性为80，计算反应器出口物流的流量与组成。,3.3.2 有化学反应过程的物料衡算,例3-4,27,利用化学反应速度求解。,(1)组分编号,(2)计算简图,(3)方程与约束式：,物料平衡方程;,摩尔分数约束式;,设备约束式;,(4)变量分析,(5)求解方程组,F1X11-F2X21-2r1-r2=0 F1X12-F2X22-rl-3r2=0 FlX13-F2X23=0 -F2X24+2r1=0 -F2X25+2r2=0
14、-F2X26+2r2=O,Xll+X12+X13=1 X21+X22+X23+X24+X25+X26=l,转化率表达式: 选择性表达式: 空气中氧与氮具有固定的比例:,()直接求解法,28,输入(某种元素)输出(同种元素),()元素衡算法,用甲烷和氢的混合气完全燃烧来加热锅炉，反应方程式如下：,烟道气的组成mol ：N2，72.19%；CO2, 8.12%;,O2, 2.44%; H2O, 17.25%;,计算:(1)燃料中甲烷与氢气的摩尔比;,(2)空气与(CH4+H2)的摩尔比.,例3-5:,29,（）用联系组分作衡算, “联系组分”是指随物料输入体系，但完全不参加反,应，又随物料从体系输
15、出的组分，在整个反应过程,中，它的数量不变。, 如果体系中存在联系组分，那么输入物料和输出物,料之间就可以根据联系组分的含量进行关联。, 用联系组分作衡算，尤其是对含未知量较多的物料,衡算，可以使计算简化。,30,例如，F、P分别为输入、输出物料，T为联系组分。T在F中的质量分数为xFT，在P中的质量分数为xPT，则F与P之间的关系为 ： F xFTP xPT ，即 ：,3.3.2 有化学反应过程的物料衡算,31,采用以减小误差。但是，应该注意，当某个联系组,选择联系组分时，如果体系中存在数种联系组分，,那么，此时就要选择一个适宜的联系组分，或联合,分数量很小，而且此组分的分析相对误差又较大,
