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1、化工计算与软件应用化工计算与软件应用第二章第二章物料衡算与能量衡算物料衡算与能量衡算1南南京京工工业业大大学学包包宗宗宏宏物料衡算是化工生产过程中，用以确定物料比例和物料转物料衡算是化工生产过程中，用以确定物料比例和物料转变定量关系的计算过程，这是化工工艺计算中最基本、最重变定量关系的计算过程，这是化工工艺计算中最基本、最重要的内容之一。要的内容之一。物料衡算的结果也是能量衡算的依据物料衡算的结果也是能量衡算的依据，掌握物料带入或带掌握物料带入或带出体系的能量多少，以计算化工过程需要提供或移除的热量，出体系的能量多少，以计算化工过程需要提供或移除的热量，控制能量的供给速率和放热速率，进控制能量
2、的供给速率和放热速率，进步算出物质之间交换步算出物质之间交换的热量以及整个过程的热量分布情况。的热量以及整个过程的热量分布情况。因此，物料衡算与能量衡算是进行化工工艺设计、过程因此，物料衡算与能量衡算是进行化工工艺设计、过程经济评价、节能分析以及过程最优化的基础。经济评价、节能分析以及过程最优化的基础。在用化工模拟软件进行流程的物料衡算与能量衡算时，在用化工模拟软件进行流程的物料衡算与能量衡算时，虽然可以大大提高计算的速率，但仍然需要遵守物料衡算与虽然可以大大提高计算的速率，但仍然需要遵守物料衡算与能量衡算的基本规则，把规则应用于软件的操作之中，软件能量衡算的基本规则，把规则应用于软件的操作之
3、中，软件计算结果才可能合理与可行。计算结果才可能合理与可行。2/40南南京京工工业业大大学学包包宗宗宏宏2.1衡算方法衡算方法基本概念基本概念物料平衡的理论依据是质量守恒定律，即在一个孤立体系中物料平衡的理论依据是质量守恒定律，即在一个孤立体系中不论物质发生任何变化不论物质发生任何变化(不包括核反应不包括核反应)它的质量始终保持不变。它的质量始终保持不变。在化工过程中，能量衡算是根据能量守恒定律，利用能量传在化工过程中，能量衡算是根据能量守恒定律，利用能量传递和转化的规则，以确定能量比例和能量转变定量关系的过程。递和转化的规则，以确定能量比例和能量转变定量关系的过程。能量衡算的理论依据是热力学
4、第一定律，即体系的能量总变化能量衡算的理论依据是热力学第一定律，即体系的能量总变化(E)等于体系所吸收的热减去环境对体系所做的功。等于体系所吸收的热减去环境对体系所做的功。简单化工操作单元的能量衡算可以手工进行，复杂化工流程简单化工操作单元的能量衡算可以手工进行，复杂化工流程的能量衡算手工计算非常困难，而任何情况下使用模拟软件进的能量衡算手工计算非常困难，而任何情况下使用模拟软件进行化工过程的能量衡算都是很方便的。行化工过程的能量衡算都是很方便的。3/40南南京京工工业业大大学学包包宗宗宏宏2.1.2衡算方程式衡算方程式化工工艺计算中的物料平衡是指化工工艺计算中的物料平衡是指“在单位时间内进入
5、衡算系在单位时间内进入衡算系统的全部物料质量，必定等于离开该系统的全部物料质量、加统的全部物料质量，必定等于离开该系统的全部物料质量、加上损失掉与积累起来的物料质量。上损失掉与积累起来的物料质量。”连续流动系统的总能量衡算式是柏努利方程式，即：连续流动系统的总能量衡算式是柏努利方程式，即：在进行设备的能量衡算时，位能变化、动能变化、外功等项在进行设备的能量衡算时，位能变化、动能变化、外功等项相对较小，可忽略不计，因此稳流系统总能量衡算可简化为热相对较小，可忽略不计，因此稳流系统总能量衡算可简化为热量衡算量衡算。4/40南南京京工工业业大大学学包包宗宗宏宏2.1.3衡算的基本步骤衡算的基本步骤
6、(1)收集数据收集数据资资料。一般需要收集的数据和料。一般需要收集的数据和资资料包括生料包括生产规产规模模和生和生产时间产时间(即年生即年生产时产时数数)、有关的定、有关的定额额、收率、收率、转转化率、原化率、原料、料、辅辅助材料、助材料、产产品、中品、中间产间产品的品的规规格、与格、与过过程程计计算有关的物算有关的物理化学常数等。理化学常数等。 (2)选选定定计计算基准。温度的因次可采用算基准。温度的因次可采用“”或或“K”，压压力的因力的因次可采用次可采用“kPa”、“atm” 或其它，或其它，压压力基准可力基准可选选用用绝对压绝对压力或力或表表压压。 物流量的物流量的计计算基准可算基准可
7、选质选质量基准、摩量基准、摩尔尔基准、体基准、体积积基准。基准。对对于于连续连续生生产产，以，以“s、h、d”作作为为投料量或投料量或产产品量的品量的时间时间基准基准。 用模用模拟软拟软件件进进行衡算行衡算时时，以，以单单位位时间时间的投料量的投料量为为起点起点进进行行计计算比算比较较方便。当系方便。当系统统介介质为质为固体或液体固体或液体时时，一般以，一般以质质量量为计为计算算基准，基准，对对气体物料气体物料进进行行计计算算时时，一般，一般选选体体积积作作为计为计算基准。算基准。5/40南南京京工工业业大大学学包包宗宗宏宏2.1.3衡算的基本步骤衡算的基本步骤(3)确定化学反应方程式。列出各
8、个过程的主、副化学反应方确定化学反应方程式。列出各个过程的主、副化学反应方程式，明确反应和变化前后的物料组成及各个组分之间的定量程式，明确反应和变化前后的物料组成及各个组分之间的定量关系，若计算反应器大小，还需要掌握反应动力学数据。关系，若计算反应器大小，还需要掌握反应动力学数据。(4)确定计算任务。根据工艺流程示意图和化学反应方程式，确定计算任务。根据工艺流程示意图和化学反应方程式，分析物流热流经过每一过程、每一设备在数量、组成、及物流分析物流热流经过每一过程、每一设备在数量、组成、及物流热流走向所发生的变化热流走向所发生的变化。(5)画出工艺流程示意图。着重考虑物流热流的流向，对设备画出工
9、艺流程示意图。着重考虑物流热流的流向，对设备的外形、尺寸、比例等并不严格要求，与物料、能量衡算有关的外形、尺寸、比例等并不严格要求，与物料、能量衡算有关内容必须无一遗漏，所有物流热流管线均须画出。内容必须无一遗漏，所有物流热流管线均须画出。6/40南南京京工工业业大大学学包包宗宗宏宏2.1.3衡算的基本步骤衡算的基本步骤(6)根据工艺流程图抽象出模拟流程。根据工艺流程图抽象出模拟流程。要要充分理解基本工艺充分理解基本工艺路线，明确本流程的主干与枝干，选择软件中合适的模块、或路线，明确本流程的主干与枝干，选择软件中合适的模块、或模块组合构成软件模拟流程，以反映流程的模拟需求。模块组合构成软件模拟
10、流程，以反映流程的模拟需求。(7)校核计算结果。当计算全部完成后，对计算结果进行整理，校核计算结果。当计算全部完成后，对计算结果进行整理，编制物料热量平衡表或绘制物料流程图。通过物料热量平衡表编制物料热量平衡表或绘制物料流程图。通过物料热量平衡表可以直接检查计算是否准确，分析结果组成是否合理，并易于可以直接检查计算是否准确，分析结果组成是否合理，并易于发现存在问题，从而判断其合理性，提出改进方案。发现存在问题，从而判断其合理性，提出改进方案。7/40南南京京工工业业大大学学包包宗宗宏宏2.1.4用软件进行物料衡算与能量衡算的要点用软件进行物料衡算与能量衡算的要点 (1) 选择选择合适的因次模板
11、。因次模板是合适的因次模板。因次模板是ASPEN PLUS软软件件为为不同工不同工艺过艺过程程编编制的因次集，分制的因次集，分为为普通模普通模拟过拟过程与石油加工程与石油加工过过程两大程两大类类，每大，每大类类又含有若干套，每套都包含英制与公制两种又含有若干套，每套都包含英制与公制两种因次集，如表因次集，如表2-1。8/40南南京京工工业业大大学学包包宗宗宏宏2.1.4用软件进行物料衡算与能量衡算的要点用软件进行物料衡算与能量衡算的要点 (2) 选择选择合适的物性合适的物性计计算方法。算方法。ASPEN PLUS软软件把模件把模拟计拟计算一个流程所需要的算一个流程所需要的热热力学性力学性质质与
12、与传递传递性性质质的的计计算方法与算方法与计计算算模型都模型都组组合在一起，称之合在一起，称之为为性性质质方法，每种性方法，每种性质质方法以其中主方法以其中主要的要的热热力学模型冠名，力学模型冠名，软软件中共有件中共有80多种性多种性质质方法供操作者方法供操作者选选择择使用。使用。针对针对不同的模不同的模拟拟体系，体系，选择选择合适的性合适的性质质方法用于模方法用于模拟拟过过程是程是获获得正确得正确计计算算结结果的前提。果的前提。几乎所有的单元操作模型都需要热力学性质与传递性质的计算几乎所有的单元操作模型都需要热力学性质与传递性质的计算,其中主要有逸度系数、相平衡常数、焓、熵、其中主要有逸度系
13、数、相平衡常数、焓、熵、Gibbs自由能、自由能、密度、粘度、导热系数、扩散系数、表面张力等。密度、粘度、导热系数、扩散系数、表面张力等。没有任何一个热力学模型与传递模型能适用于所有的物系和所没有任何一个热力学模型与传递模型能适用于所有的物系和所有的过程。因此，性质方法的恰当选择和正确使用决定着计算有的过程。因此，性质方法的恰当选择和正确使用决定着计算结果的准确性、可靠性和模拟成功与否。结果的准确性、可靠性和模拟成功与否。9/40南南京京工工业业大大学学包包宗宗宏宏Case Study - Acetone Recovery Correct choice of physical property
14、 models and accurate physical property parameters are essential for obtaining accurate simulation results.FEEDOVHDBTMSCOLUMN5000 lbmol/hr10 mole % acetone90 mole % waterSpecification: 99.5 mole % acetone recovery常见有机化合物极性增加顺序：常见有机化合物极性增加顺序：南南京京工工业业大大学学包包宗宗宏宏模拟模拟体系体系含极性物质含极性物质不含极性物质不含极性物质全是真实组分全是真实组分
15、含虚拟组分含虚拟组分PR, LK-PLOCK, PR-BM, PKS, RKS-BM及其衍生方程及其衍生方程CHAO-SEA, GRAYSON, BK10P0.1MPa真空真空 BK10, IDEAL南南京京工工业业大大学学包包宗宗宏宏模拟模拟体系体系含极性物质含极性物质不含极性物质不含极性物质不含电解质不含电解质含电解质含电解质PSRK, PR, RKS及其衍生方程及其衍生方程ELECNRTL, PITZER及其衍生方程及其衍生方程P1MPaP1MPaP0.996VCM0.990南南京京工工业业大大学学包包宗宗宏宏2.6分离复杂组成混合物分离复杂组成混合物原油是烃类化合物和杂质组成的宽沸程的
16、混合物，其组成原油是烃类化合物和杂质组成的宽沸程的混合物，其组成复杂难以定量分析，经过多级蒸馏可分离得到各种各样的石油复杂难以定量分析，经过多级蒸馏可分离得到各种各样的石油产品。产品。与普通物料的蒸馏一样，原油蒸馏也是利用原油中各组分与普通物料的蒸馏一样，原油蒸馏也是利用原油中各组分相对挥发度的不同而实现各馏分的分离。但原油是复杂烃类混相对挥发度的不同而实现各馏分的分离。但原油是复杂烃类混合物，各种烃合物，各种烃(以及烃与烃形成的共沸物以及烃与烃形成的共沸物)的沸点由低到高几乎的沸点由低到高几乎是连续分布的，不能按常规方法定义确切的全组成分布，常用是连续分布的，不能按常规方法定义确切的全组成分
17、布，常用表征油品性质的方法有三个特征值和三条蒸馏曲线。表征油品性质的方法有三个特征值和三条蒸馏曲线。三个特征值分别是油品的平均分子量、密度（或三个特征值分别是油品的平均分子量、密度（或API密度）密度）和特性因素和特性因素K值（值（UOPK值）；值）；三条蒸馏曲线分别是实沸点蒸馏曲线（三条蒸馏曲线分别是实沸点蒸馏曲线（TBP）、恩氏蒸馏）、恩氏蒸馏曲线（曲线（ASTMD86）和平衡气化曲线（）和平衡气化曲线（ASTMD1160）。）。46/40南南京京工工业业大大学学包包宗宗宏宏2.6分离复杂组成混合物分离复杂组成混合物原油是复原油是复杂烃类杂烃类混合物，各种混合物，各种烃烃(以及共沸物以及共
18、沸物)的沸点由低到高的沸点由低到高几乎是几乎是连续连续分布的，一般是根据分布的，一般是根据产产品要求按沸点范品要求按沸点范围围分割成分割成轻轻重不同的重不同的馏馏分，因此，原油蒸分，因此，原油蒸馏馏塔特点塔特点为为：有多个有多个侧线侧线出料口，原油蒸出料口，原油蒸馏馏各各馏馏分的分离精确度不要求像分的分离精确度不要求像纯纯化合物蒸化合物蒸馏馏那那样样高，高，有有多个多个侧侧线线口口(一般有一般有34个个)。提提浓浓段很短。原油蒸段很短。原油蒸馏馏塔底物料很重，不宜在塔底供塔底物料很重，不宜在塔底供热热。但。但通常在塔底通入通常在塔底通入过热过热水蒸气，使水蒸气，使较轻馏较轻馏分蒸分蒸发发，一般
19、提，一般提浓浓段段只有只有34块块塔板。塔板。中段回流。原油各中段回流。原油各馏馏分的平均沸点相差很大，造成原油蒸分的平均沸点相差很大，造成原油蒸馏馏塔内蒸气塔内蒸气负负荷和液体荷和液体负负荷由下向上荷由下向上递递增。增。为为使使负负荷均匀并回荷均匀并回收高温下的收高温下的热热量，采用中段回流取量，采用中段回流取热热(即在塔中部抽出液体即在塔中部抽出液体,经换热经换热冷却回收冷却回收热热量后再送回塔内量后再送回塔内)。通常采用。通常采用23个中段个中段回流。回流。47/40南南京京工工业业大大学学包包宗宗宏宏2.6分离复杂组成混合物分离复杂组成混合物例例2-22. 原油初原油初馏馏塔模塔模拟计拟计算。算。求求输输出物料的出物料的标标准体准体积积流率、流率、API密度、密度、60 F时时的密度、以液体的密度、以液体体体积为积为基准的基准的实实沸点曲沸点曲线线、ASTM D86蒸蒸馏馏曲曲线线、ASTM D1160蒸蒸馏馏曲曲线线。48/401.5105 bbl/d，93, 4.1 bar, API 33.4204 、4.1 bar,2270 kg/h。232.2 ，3.45 barN=8
