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1、第三章 物料衡算与能量衡算,引言:由前述的工艺设计和流程设计程序可知,当工艺方案确定后,就要进行物料衡算,然后依据物料衡算的结果作能量衡算。那么,为什么作衡算？物料衡算和能量衡算的任务是什么?(也就是说,算什么?)怎样算?(即衡算的方法和程序是什么?) 因此,本章学习的主要目的是: 明确物料衡算和能量衡算的目的与任务; 熟悉物料衡算和能量衡算的方法与程序,并熟练掌握运用。,可确定原材料消耗定额,判断是否达到设计要求。 可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.并列表,在此基础上进行设备的选型及设计,并确定三废排放位置、数量及组成,有利于进一步提出三废治理的方法。 作为热
2、量计算的依据。 根据计算结果绘出物流图，可进行管路设计及材质选择，仪表及自控设计等。,一、物料衡算的目的、任务、方法及程序,1. 物料衡算的目的,2. 物料衡算的任务,一、物料衡算的目的、任务、方法及程序,根据所需设计项目的年产量,运用质量守恒定律,对全过程或单元过程或设备进行研究,计算输入或输出的物流量及组分等。 整理计算结果,将计算的结果整理并根据所需的换算基准列成原材料消耗表。 绘制物料流程图。,3. 物料衡算的方法,一、物料衡算的目的、任务、方法及程序,收集可靠的依据或数据（即物料衡算的依据） 恰当地选择计算基准 根据不同的过程，列出合适的平衡式,并进行计算。,设计任务书中确定的技术方
3、案、产品生产能力、年工作时及操作方法。 建设单位或研究单位所提供的要求、设计参数及实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应方程式、反应物配比、转化率、选择性、总收率、催化剂状态及加入配比量、催化剂是否回收使用、安全性能(爆炸上下限)等。 原料及产品的分离方式，各步的回收率，采用物料分离剂时，加入分离剂的配比。 特殊化学品的物性，如沸点、熔点、饱和蒸汽压、闪点等。 工艺流程示意图,3.1 物料衡算的依据,时间基准：对于连续生产，以1段时间间隔，如1秒、1小时、1天等的投料量或生产产品量作为计算基准。这种基准可直接联系到生产规模和设备设计计算如年产300kt乙烯装置，年操作时间
4、为8000h，每小时的平均产量为37.5t。对间歇生产，一般可以一釜或一批料的生产周期作为基准。 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是合适的。如以煤、石油、矿石为原料的化工过程采用一定量的原料，例如：1kg、l00kg等作基准。如果所用原料或产品系单一化合物，或者由已知组成百分数和组分分子量的多组分组成，那么用物质的量(摩尔)作基准更为方便。,3.2 物料衡算基准,体积基准：对气体物料，选用体积标准。这时应将实际情况下的体积换算为标准状态下的体积，即标准体积，用m3(STP)表示。这样不仅排除了因温度、压力变化带来的影响，而且可直接换算为摩尔。气体混合物中组
5、分的体积分率同其摩尔分率在数值上是相同的。 干湿基准：不计算水分在内的称为干基，否则为湿基。例如，空气组成通常取含氧21，含氮79(体积)，这是以干基计算的；如果把水分(水蒸气)计算在内，氧气、氮气的百分含量就变了。又如，甲烷水蒸气催化转化制取氢气，转化炉的进料量，以干基计为7x103m3(STP)h。而以湿基计则可达到3x103m3(STP) h。通常的化工产品，如化肥、农药均是指湿基。例如年产尿素480kt，年产甲醛5kt等均为湿基；而年产硝酸50kt，则为干基。,3.2 物料衡算基准,3.3 物料平衡形式（稳态过程）,直接计算法； 利用反应速率进行物料杨算； 元素平衡； 以化学平衡进行衡
6、算； 以结点进行衡算； 利用联系组分进行衡算 直接计算法是根据化学反应方程式,运用化学计量系数进行计算的方法。,化学反应过程物料衡算的方法有：,4. 物料衡算程序,收集数据资料.包括两类:一类为设计任务所规定的已知条件;另一类为与过程有关的物理化学参数。 画出流程框图.标出所有流股,已知和未知变量;若很多流股,则将每个流股编号(见P25图2-2). 确定衡算体系.必要时,用虚线表示体系边界. 写出反应式,包括主副反应,标出有用的分子量. 选择合适的计算基准 列出衡算式,然后用数学方法求解. 整理计算结果,将计算的结果整理并根据所需的换算基准列成原材料消耗表(见图), 画出物料流程图有时还列成输
7、入-输出物料表.,原材料消耗一览表(三聚氰胺装置物料衡算结果换算),物料衡算示例,1500t/a醋酸乙酯车间酯化器的物料计算,2.画出工艺流程示意图,标出有关数据,然后进行计算,引言：能量衡算在物料衡算结束后进行。 能量衡算的基础是物料衡算，而物料衡算和能量衡算又是设备计算的基础。 全面的能量衡算应该包括热能、动能、电能、化学能和辐射能等。但化工生产中最常用的能量形式为热能，故化工设计中经常把能量衡算称为热量衡算。,二、能量衡算的主要任务和基本方法,计算流程中某些设备的热负荷或换热量 计算换热设备的热负荷 包括热交换器,加热器,冷却器,汽化器,冷凝器,蒸饱塔塔顶冷凝器,蒸馏塔再沸器等。 计算反
8、应器的换热量 包括间歇釜式反应器，连续釜式反应釜，换热式固定床反应器，中间间接换热式多段绝热固定床反应器，流化床反应器，带有冷却或加热套管的管式反应器，内设换热装置的鼓泡式反应器等。 计算吸收塔冷却装置的热负荷 对一些热效应比较大的吸收过程(多见于化学吸收) 吸收塔内设置冷却装量(制碱工业的碳化塔就是设有很多冷却水箱的吸收塔)。冷却装置的热负荷就是通过作吸收塔热衡算得到的。,2.1 热量衡算的主要任务(三大任务),算出热剂和冷剂的用量或冷热物流比或温度 冷激式多段绝热固定床反应器的冷激剂用量 加热蒸汽、冷却水、冷冻盐水的用量, 这些量是其他工程如供热、等的设计依据。 有机高温热载体(如联苯、导
9、热姆等)和熔盐的循环量 工业上使用这些高温热载体时一般都设计成循环系统(例如邻二甲苯氧化工段就有熔盐循环系统(见下图),循环流程中有贮罐、换热器或废热锅炉、循环泵等设备，这些设备的重要设计参数是热载体的循环量，而热载体的循环量则是通过热量衡算确定的。,2.1 热量衡算的主要任务(三大任务),算出热剂和冷剂的用量或冷热物流比或温度 冷冻系统的制冷量和冷冻剂循环量 化工生产中常用液态氨、液态乙烯、液态丙烯、氟里昂等作为冷冻剂，通过热衡算可确定冷冻系统制冷量和冷冻剂的循环量，作为设计冷冻系统的基本参数，下图是氨合成工段的液氨冷冻循环示意图。 换热器冷、热支路的物流比例 在化工生产流程中，常设置不经过
10、换热器的冷支路以调节物料温度通过热衡算可确定进换热器和进冷支路的物流比例。 设备进、出口的各股物料中某股物料的温度(已知其他各股物料温度) 最常见的例子是求算吸收塔塔底吸收剂的温度,因塔底吸收剂的温度是计算塔底处吸收推动力的必备条件。,2.1 热量衡算的主要任务(三大任务),整理其衡算结果, 列出热平衡表和动力消耗一览表。 动力消耗一览表（或综合表）是初步设计说明书中的一部分内容，在热量衡算和设备选型、设备工艺计算完成后，就可以列出动力消耗表。动力消耗综合表的一般形式见下表。 在汇总各个设备所需要的冷却水、加热蒸汽、须考虑一定的裕量，建议采用1.2-1.3的系数。,2.1 热量衡算的主要任务(
11、三大任务),动力消耗一览表(三聚氰胺装置能量衡算结果换算),通过热量衡算,以及加热剂、冷却剂等的用量计算,再结合设备计算与设备操作时间安排(在间歇操作中此项显得特别重要)等工作,即可求出生成某产品的整个装置的动力消耗及每吨产品的动力消耗定额,由此可得动力消耗的每小时最大用量，每昼夜用量和年消耗量,并列表将计算结果汇总。以三聚氰氦生成装置为例,其能量计算结果如下表,正确绘制热量衡算图，研究分析并标明进出系统的热流股 运用能量守衡定律，列出热量衡算式，然后进行计算。在运算中，应注意三点： 选好各股热流的计算方法； 确定好各组分的的热力学数据，如比焓、比热容、相变热等，可以由手册查阅或进行估算； 选
12、择合适的计算基准。,2.2 热量衡算的基本方法,热量衡算的基本方程式,根据热力学第一定律，能量衡算方程式的一般形式为：,在热量衡算中,如果无轴功条件下,进入系统加热量与离开系统的热量应平衡,即在实际中对传热设备的热量衡算可表示为：,热量的计算方法,热量的计算基准,数量上的基准：指用哪个量出发来计算热量。可先按1kmol或1kg物料为基准计算热量，然后再换算为以小时作基淮的热量。也可以直接用设备的小时进料量来计算热量。后者更为常用。 相态的基准(亦称为基准态)：在热量衡算中之所以要确定基准态，是因为在热衡算中广泛使用焓这个热力学函数，焓没有绝对值，只有相对于某一基准态的相对值，从焓表和焓图中查到
13、的焓值，其实是与所在焓图或焓表的基准态的焓差，而各种焓和焓表所采用的基准态不一定是相同的，所以在进行热衡算时需要规定基准态。基准态可以任意规定，不同物料可使用不同的基准，但对同一种物料，其进口和出口的基准态必须相同。,某化工厂年产3000t31%的盐酸,其工艺流程如下图所示:,热量衡算示例,1. 已知条件,合 炉 成,气 体 泠 却 器,膜 式 吸 收 器,尾 气 吸 收 器,缓冲罐,阻火器,缓冲罐,要求对泠却器和膜式吸收器作热量衡算,H2,Cl2,400-500,50,水,稀酸11%,31%HCl,50,废气,废气,排污,. 热量衡算,盐酸生产的物料平衡如图所示（31%盐酸/h为基准） 热量
14、衡算的基准：0, 泠却部分热量计算,H Cl泠却器,HCl泠却器热量衡算图,H Cl熔解热Q2,盐酸带出热量Q,出口气体带出热量Q,合成炉气带入热量Q,泠却水带走热量Q,热损失Q,某化工厂年产3000t31%的盐酸工艺物料流程图,根据热量衡算式：输入输出,对于HCl气体泠却器，可得 Q1 + Q=Q3+Q4+Q5+Q6 各项热量的计算 Q1=450时合成炉气中各气体带入的热量之和 QHCl+QN2+QH2+QCO+Q水蒸气=59.15103 Q2=0.1341.603103=214.8KJ/h Q3=0.354272.21=96.32KJ/h Q4=50时各气体带出的热量之和=9.302103
15、 Q6可忽略不计 Q5=Q1+Q2-Q3-Q449.97103KJ/h,水:3040,C=4.18KJ/kg. 根据热平衡式：5=WC/t W=Q5/(Ct) =49.97/4.18(40-30)=1195KJ/h 泠却器热平衡表(103),泠却水用量的计算,带入热量，KJ/h 带出热量， KJ/h,进口气体带入热量Q1 59.15 进口气体带出热量Q3 9.3 气体溶解热量Q2 0.2148 盐酸带出热量Q4 0.09632 泠却水带走热量Q5 49.97 合 计 59.36 59.36, HCl气体吸收部分热量计算,膜式吸收器,吸收器热量衡算图,HCl熔解热Q3,盐酸带出热量Q5,气体带出
16、热量Q,稀盐酸带入热量Q2,泠却水带走热量Q6,设备热损失Q7,气体带入热量Q1,进出吸收器热量分析如下图所示 设备热损失忽略不计 根据热平衡关系可得: Q1+Q2+Q3=Q4+Q5+Q6,各项热量的计算 Q1=50时各气体带入的热量之和=9.302103 Q2=WI=290.5217.7=63.25103KJ/h Q3=WI=(116.12-50.65)1.70103=111.6103KJ/h Q4=尾气中各气体带出的热量之和=3.926103 Q5=WI=373.0201.074.97103KJ/h Q6=Q1+Q2+Q3-Q4-Q5=105.2103KJ/H 泠却水用量的计算 水:3040,C=4.18KJ/kg. 根据热平衡式：6=WC/t W=Q6/(Ct) =105.2
