物料衡算与能量衡算

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1、第五章第五章化工工艺计算化工工艺计算 一一.设计计算前的准备工作设计计算前的准备工作二二.物料衡算物料衡算三三.能量衡算能量衡算 2物料衡算与能量衡算的概念物料衡算与能量衡算的概念p物料衡算：物料衡算：运用质量守恒定律，对生产过程或运用质量守恒定律，对生产过程或设备的物料平衡进行定量的计算，计算出各股设备的物料平衡进行定量的计算，计算出各股物流输入或输出的量及组分等，称之为物料衡物流输入或输出的量及组分等，称之为物料衡算。算。p能能量量衡衡算算：以以热热力力学学第第一一定定律律为为依依据据，对对生生产产过过程程或或设设备备的的能能量量平平衡衡进进行行定定量量的的计计算算，计计算算过过程程中中要

2、要供供给给或或移移走走的的能能量量，称称之之为为能能量量衡衡算算。能能量量是是热热能能、电电能能、化化学学能能、动动能能、辐辐射射能能的的总总称称。化化工工生生产产中中最最常常用用的的能能量量形形式式为为热热能能，故化工设计中经常把能量计算称为故化工设计中经常把能量计算称为热量计算热量计算。 物料衡算与能量衡算是进行化工工艺过程设计及技术经济评价的基本依据。通过对全生产过程或单元过程的物料和能量的衡算，计算得到： 1）主、副产品产量； 2）原材料的消耗定额，过程的物料损耗； 3）“三废”的生成量及组成； 4）水、电、汽或其他燃料等消耗定额； 5）设计物料流程图。 根据物料衡算和能量的衡算结果，

3、可以： 1）对生产设备进行设计和选型； 2）确定产品成本等各项技术经济指标，从而可以定量地评述所选择的工艺路线、生产方法及工艺流程在经济上是否合理，技术上是否先进。第一第一节.设计计算前的准备工作设计计算前的准备工作 1. 工艺性资料的收集工艺性资料的收集 （1）物料衡算提纲。）物料衡算提纲。 生产步骤和化学反应（包括主、副反应）生产步骤和化学反应（包括主、副反应） 各步骤所需的原料，中间体规格和物理化学性质各步骤所需的原料，中间体规格和物理化学性质 成品的规格和物化性质成品的规格和物化性质 每批加料量或单位时间进料量每批加料量或单位时间进料量 各生产步骤的产率各生产步骤的产率 （2）工艺流程

4、图及说明。）工艺流程图及说明。 （3）热量计算参数和设备计算数据（）热量计算参数和设备计算数据（H、Cp、K、 等）。等）。 （4）流体输送过程参数（粘度）流体输送过程参数（粘度、密度、密度、摩擦系数、摩擦系数 等）。等）。（5）传质过程系数，相平衡数据。）传质过程系数，相平衡数据。（6）冷冻过程的热力学参数。）冷冻过程的热力学参数。（7）具体的工艺操作条件（温度）具体的工艺操作条件（温度T、压力、压力P、流量、流量G）（8）介质物性和材质性能，材质数据，腐蚀数据。）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。）车间平立面布置的参考资料。（10）管道设计资料（管道配

5、置、管道材质、架设方）管道设计资料（管道配置、管道材质、架设方式、管件、阀件等）式、管件、阀件等）（11）环境保护、安全保护等规范和资料）环境保护、安全保护等规范和资料。7化工基础数据化工基础数据 化工计算以及化工工艺和设备设计中，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、焓、热容及生成热等等的物性数据；设计一个反应器时，则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。 化工基础数据：物化数据或物性数据 8p基本物性数据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、

6、气一液平衡关系等。p热力学物性数据热力学物性数据如内能、焓、熵、热容、相变热、自由能、自由焓等。p化学反应和热化学数据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。p传递参数传递参数如粘度、扩散系数、导热系数等。分类分类9化工基础数据获取方法化工基础数据获取方法p查手册或文献资料查手册或文献资料p估算估算p用实验直接测定用实验直接测定2. 工程性资料的收集：（1）气象、地质资料。气象、地质资料。（2）公用工程的消耗量，公用工程的消耗量， 辅助设施能力。辅助设施能力。（3）总图运输、原料输送方式、储存方式。总图运输、原料输送方式、储存方式。（4）上、下水资料

7、。上、下水资料。（5）配电工程资料。配电工程资料。（6）仪表自控资料等。仪表自控资料等。（1）科研单位）科研单位 （研究报告）（研究报告）（2）设计单位）设计单位 （设计图纸、设计说明书）（设计图纸、设计说明书） （3）基建单位）基建单位 （厂址方案、基建工程资料和（厂址方案、基建工程资料和 安装工程资料）安装工程资料） 3. 资料的来源（4）生产单位（现场操作数据和实际的经济技术指标）生产单位（现场操作数据和实际的经济技术指标）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

8、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（5）可可行行性性研研究究报报告告、各各国国文文摘摘和和专专利利、各各类类工工艺艺书书籍、各类调查报告、各种化工过程与设备计算等书籍。籍、各类调查报告、各种化工过程与设备计算等书籍。（1）Industrical Chemicals（2）Encyclopedia of Chemical Technology （3）Science and Technology（4）Handbook of Technology（5）I.C.T （物性手册）（物性手册） 4.几本常用的化工设计资料和手册第二节 物料衡算物料衡算的概念： 在

9、化工过程中，物料平衡是指“在单位时间内进入系统（体系）的全部物料质量必定等于离开该系统（体系）的全部物料质量再加上损失掉的与积累起来的物料质量。”对物料平衡进行计算称为物料衡算。 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(不包括核反应)它的质量始终保持不变。 物料平衡方程式 根据质量守恒定律，对某一个体系内质量流动及变化的情况用数学式描述物料平衡关系则为物料平衡方程式。其基本表达式为： F F0 0=D+A+B=D+A+B 式中，F0输人体系的物料质量； D 离开体系的物料质量； A 体系内积累的物料质量； B 损失的物料质量(如跑、冒、滴、漏) 16物料衡算的

10、目的物料衡算的目的 1.1.确确定定原原料料的的消消耗耗量量、副副产产品品量量以以及及输输出出过过程程物物料料的的损损耗耗量量及及三三废废生生成成量量，判判断断是是否否达达到到设设计要求（计要求（产品的技术经济指标产品的技术经济指标）。）。2.2.作为热量计算的依据。作为热量计算的依据。3.3.根根据据计计算算结结果果绘绘出出物物流流图图，可可进进行行管管路路设设计计及及材材质质选选择择，仪仪表表及及自自控控设设计计、对对生生产产设设备备和和辅助辅助设备进行选型或设计设备进行选型或设计。二、二、 物料衡算物料衡算17 （1 1）设计任务书）设计任务书 （2 2）建设单位或研究单位所提供的数据）

11、建设单位或研究单位所提供的数据 （3 3）工艺流程示意图）工艺流程示意图物料衡算的依据物料衡算的依据工工艺艺技技术术条条件件、 反反应应、 转化率、转化率、 相平衡数据相平衡数据物料衡算的分类1、按操作方式、按操作方式 分为间歇操作、连续操作及半连续操作等三 类物料衡算； 2、按状、按状态 将其分为稳定状态操作和不稳定状态操作两类 衡算。 3、按衡算范、按衡算范围 分为单元操作过程(或单个设备)和全流程的两 类物料衡算；191.1.确定衡算的对象、体系与环境，并画出确定衡算的对象、体系与环境，并画出计算对象的草图。计算对象的草图。包括包括求解系统、衡算范围、衡算边界求解系统、衡算范围、衡算边界

12、 物料衡算程序物料衡算程序202.2.确定计算任务；确定计算任务；3.3.确定过程所涉及的组分；确定过程所涉及的组分；4.4.对物流流股进行编号，并标注物流变量；对物流流股进行编号，并标注物流变量；5.5.收集数据资料：收集数据资料：一类为设计任务所规定的已知条件；一类为设计任务所规定的已知条件；一类为与过程有关的物理化学一类为与过程有关的物理化学参数。参数。216.6.列出物料衡算方程列出物料衡算方程 （3-1）a a）稳定操作过程（即稳流过程）：）稳定操作过程（即稳流过程）： （3-2）b b）系统内无化学反应：）系统内无化学反应： （3-3）c c）系统内无化学反应的稳定操作过程：）系统

13、内无化学反应的稳定操作过程： (3-4)许多化工生产是连续进行的许多化工生产是连续进行的, , 物质连续流经设备和管道物质连续流经设备和管道, , 在流在流动方向的不同截面上系统的状态可以不同动方向的不同截面上系统的状态可以不同. . 当达到稳定状态时当达到稳定状态时, , 各各截面上物质的性质应有完全确定的值截面上物质的性质应有完全确定的值, , 它们不再随时间而改变。它们不再随时间而改变。 满足上述条件的流动过程称为满足上述条件的流动过程称为稳流过程稳流过程. .系统处于稳流过程时不会系统处于稳流过程时不会有物质或能量的积累。有物质或能量的积累。 例：一个苯-甲苯混合器，苯的流量为3kmo

14、l/min，甲苯的流量为1kmol/min，求混合器的物料的出口流量及组成？ 混和器甲苯1kmol/min苯3kmol/min混和物料Qkmol/min甲苯含量X%质量平衡式的建立 总物料：Q = 3 kmol/min+ 1kmol/min 组分物料平衡式： 苯： Q(1-X%)=3Kmol/min 甲苯：Q*X%=1 kmol/min 分别求出Q=4kmol/min，X%=25%247.7.列出过程的全部独立物料平衡方程式列出过程的全部独立物料平衡方程式及其他相关约束式及其他相关约束式 p对有化学反应的过程，应写独立的反应方程对有化学反应的过程，应写独立的反应方程式或独立反应数。例如碳与氧的

15、燃烧过程式或独立反应数。例如碳与氧的燃烧过程 ： 这4个反应是否是独立的呢？如何判断呢？25v反应过程中，若有反应过程中，若有m m种元素和种元素和n n个组分参与反应时，个组分参与反应时，独立反应数为独立反应数为： N N反应反应= =n n- -m m 上例中，上例中，m m=2, =2, n n=4 =4 独立反应数：独立反应数： N N反应反应= 4-= 4-2=22=2v究竟哪究竟哪2 2个是个是独立反应独立反应呢？呢？判断原则是判断原则是： 反应的组合过程中，不应少了某个组分。反应的组合过程中，不应少了某个组分。 例如：例如：1.选、或可以2.但不能选，+：C+1/2O2+CO+1

16、/2O2=CO+CO2 少了组分CO3.选也不行，+：C+O2+CO2+C=CO2+2CO 少了组分CO24.选也不行，+：CO+1/2O2+CO2+C=CO2+2CO 少了组分CO27.7.列出过程的全部独立物料平衡方程式及其列出过程的全部独立物料平衡方程式及其他相关他相关约束式约束式 8.8.选择选择计算基准计算基准。 9.9.统计变量个数与方程个数，确定统计变量个数与方程个数，确定设计变量设计变量的的个数及全部设计变量。个数及全部设计变量。 27p时时间间基基准准：对对连连续续稳稳定定过过程程，用用单单位位时时间间的的物物料量作基准。料量作基准。p质质量量基基准准：固固体体或或液液体体物

17、物料料，选选用用单单位位质质量量为为基准；基准；p体体积积基基准准：气气体体物物料料，选选用用m m3 3（STPSTP），因因它它不随不随T T、P P变化。变化。p当当量量基基准准：对对化化学学反反应应过过程程，选选用用kmolkmol，因因为为反应为等当量反应。反应为等当量反应。物料衡算的基准物料衡算的基准返回28完整描述一股物流的总变量数：完整描述一股物流的总变量数：设物流含有Nc个组分，则描述该物流的总变量为Fi、Xijj=（1，2，Nc），共有Nc+1个。设系统有Nc个组分，进料有I股物流，出料有K股，有：Nc+1个物料衡算，Nc个独立方程。29有Ns股物流， Nc个组分数，Np个

18、设备参数变量在在进行物料衡算之前，由设计者赋值的变进行物料衡算之前，由设计者赋值的变量，又称量，又称赋值变量赋值变量设计变量设计变量返回30自由度自由度= =物流独立变量数物流独立变量数- -独立平衡方程数独立平衡方程数- -附附加关系方程数加关系方程数- -赋值数赋值数系统自由度p=0=0，刚好；，刚好；p0 0，条件过多，删除不合理；，条件过多，删除不合理；p0 0，条件不足，不能解出全部未知数。，条件不足，不能解出全部未知数。31约束式约束式归一化方程归一化方程 ，如：，如： 恒沸组成恒沸组成相平衡数据相平衡数据化学平衡方程化学平衡方程回流比回流比相比相比返回32例例 从气体中回收丙酮的

19、装置从气体中回收丙酮的装置变量和量和设计变量量33进入系统的物流为两个，离开系统的物流为三个，进入系统的物流为两个，离开系统的物流为三个，其中一个已知物流量，四个物流是未知的。其中一个已知物流量，四个物流是未知的。可列出总物料平衡式：可列出总物料平衡式： 各组分平衡式：各组分平衡式：丙酮：丙酮： 水：水： 空气空气 ：但这但这 4 4个方程式只有个方程式只有3 3个是独立，因此需个是独立，因此需1 1个设计变量个设计变量。3410.10.整理计算结果（整理成整理计算结果（整理成原材料消耗表原材料消耗表和和物料衡算表物料衡算表）3511.11.绘制物料流程图绘制物料流程图列物料平衡式列物料平衡式

20、时应注意的事注意的事项(1)1)物料平衡是指质量平衡，不是体积或物质的量(摩尔数)平衡。若体系内有化学反应，则衡算式中各项用摩尔时为单位时，必须考虑反应式中的化学计量系数 。 列物料平衡式列物料平衡式时应注意的事注意的事项(2)(2)对于于无无化化学学反反应体体系系，能能列列出出独独立立物物料料平平衡衡式式的的最最多多数数目目等等于于输入入和和输出出的的物物流流里的里的组分数。分数。(3)(3)在在写写平平衡衡方方程程式式时，要要尽尽量量使使方方程程式式中中所包含的未知数最少。所包含的未知数最少。物料衡算举例物料衡算举例无反应过程的物料衡算无反应过程的物料衡算 无反应过程指无反应过程指流体输送

21、、粉碎、换热、流体输送、粉碎、换热、混合、分离混合、分离（吸收、精馏、萃取、结晶、过滤、蒸（吸收、精馏、萃取、结晶、过滤、蒸发、闪蒸、提浓、脱水、增湿、干燥）发、闪蒸、提浓、脱水、增湿、干燥）等化工单元等化工单元操作操作。物料衡算计算举例1无反应例1 采用蒸发方法将浓度为10NaOH及10NaCl的水溶液进行浓缩。蒸发时只有部分水分汽化成为水蒸气而逸出，部分NaCl结晶成晶粒而留在母液中。操作停止后，分析母液的成分为：50NaOH，2NaCl及48H2O。若每批处理1000 kg原料液，试求每批操作中：1)获得的母液量，2)蒸发出的水分量，3)结晶出的NaCl量。计算过程解：本题为间歇过程，因

22、此以每批处理量为基准进行物料衡算。流程示意图2-2组分物料衡算：NaOH 平衡 4NaCl 平衡 4 + F3H2O 平衡 1000(1-0.1-0.1)= F24解方程得： F2 = 704kg，F3 = 96kg， F4 = 200kg42有反应过程的物料衡算有反应过程的物料衡算 S S O O2 2 ( (空气空气) SO) SO2 2COCOH H2 2O (g) HO (g) H2 2COCO2 2CHCH3 3OH OH 1/2 O1/2 O2 2 ( (空气空气) HCHO) HCHOH H2 2O O 工业上：工业上： p较昂贵的反应物全部反应，较难得或要严格控较昂贵的反应物全

23、部反应，较难得或要严格控制的反应物应充分利用制的反应物应充分利用限制组分限制组分p价格低廉、易得的反应物过量价格低廉、易得的反应物过量过量组分过量组分43基本概念(1) (1) 限制组分、过量组分限制组分、过量组分 在反应过程中，在数量上以最小化学计量系数在反应过程中，在数量上以最小化学计量系数存在的组分称为存在的组分称为限制组分限制组分。在数量上超过完全反应。在数量上超过完全反应所需理论量的组分称为所需理论量的组分称为过量组分。过量组分。例：原料气中有例：原料气中有CO 1molCO 1mol，H H2 2O(g) 2molO(g) 2mol，进行变换反应：，进行变换反应： COCOH H2

24、 2O (g) HO (g) H2 2COCO2 2 用反应物的实际用反应物的实际摩尔量除以各自对应组分的反应计量系数，此值最摩尔量除以各自对应组分的反应计量系数，此值最小者即为限制组分，其余为过量组分。小者即为限制组分，其余为过量组分。所以，所以，COCO是限制组分，是限制组分，H H2 2O(g)O(g)是过量组分。是过量组分。44(2) (2) 过量百分数过量百分数v过量组分超过理论量的那部分占理论量的百分数。过量组分超过理论量的那部分占理论量的百分数。设：设：N Nf f 为过量组分的实际用量（质量或为过量组分的实际用量（质量或molmol量）量） N Nt t 为过量组分的理论用量（

25、质量或为过量组分的理论用量（质量或molmol量）量） 则：则： 过量过量% = (% = (N Nf f N Nt t ) / ) / N Nt t 100%100% 如上例：如上例：H H2 2O(g)O(g)过量过量%=(2-1)/1100%=100%=(2-1)/1100%=100% 过量百分数表征了过量组分的过量程度。过量百分数表征了过量组分的过量程度。 过量组分是相对于限制组分而言的，它以限制组过量组分是相对于限制组分而言的，它以限制组分为基准，没有限制组分，也就没有过量组分。分为基准，没有限制组分，也就没有过量组分。 45 几种衡算方法几种衡算方法 总物料衡算法总物料衡算法 联系

26、组联系组分衡算法分衡算法 反应组分衡算法反应组分衡算法 元素衡算法元素衡算法 进出物料进出物料的总质量的总质量进出物料进出物料中反应组分中反应组分的质量的质量进出物料进出物料中惰性组分中惰性组分的质量的质量进出物料进出物料中各元素的中各元素的质量质量无反应无反应过程过程相等相等相等相等相等相等相等相等有反应有反应过程过程相等相等不相等不相等相等相等相等相等46化学反应过程物料衡算的方法：化学反应过程物料衡算的方法： （1 1）直接计算法）直接计算法( (总物料衡算法和组分衡算法相结合总物料衡算法和组分衡算法相结合) )（2 2）利用反应速率进行物料衡算；）利用反应速率进行物料衡算；（3 3）元

27、素平衡）元素平衡；（4 4）以化学平衡进行衡算；）以化学平衡进行衡算；（5 5）以结点进行衡算；）以结点进行衡算；（6 6）利用联系组分进行衡算）利用联系组分进行衡算。其中直接计算法是根据化学反应方程式，运用化学计其中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，也是常用的方法之一。量系数进行计算的方法，也是常用的方法之一。物料衡算计算举例2.2.有反有反应 甲醇制造甲醛的反应过程为： CH30H + 1/2 O2 HCHO + H20 反应物及生成物均为气态，若使用50的过量空气，且甲醇的转化率为75，试计算反应后气体混合物的摩尔组成。物料衡算计算举例解： 画出流程图空气(

28、过量50%)CH3OHHCHOH2ON2催化反应器CH3OH基准：1 mol CH3OH根据反应方程式O2(需要)= 0.5 mol；O2(输入)= 1.5 0.5 = 0.75 mol；N2(输入)= N2(输出)= 0.75(79/21)= 2.82 molCH3OH为限制反应物反应的CH3OH = 0.75 1 = 0.75 mol因此HCHO(输出CH3OH(输出O2(输出H2O(输出计算过程计算结果组分组分molmolmol%mol%CHCH3 3OHOH0.2500.2505.05.0HCHOHCHO0.7500.75015.215.2H H2 2O O0.7500.75015.2

29、15.2O O2 20.3750.3757.67.6N N2 22.8202.82057.057.0总计总计4.9454.945100.0100.0例题： 丙烷充分燃烧时要使空气过量25，燃烧反应方程式为：试计算得到100摩尔燃烧产物（又称烟道气）需要加入的空气的摩尔量。解：以1mol入口丙烷为计算基准根据反应方程式，1mol丙烷需要5mol的氧气与之反应，因氧气过量25%，故需要加入的空气量为其中O2气为：，N2气：烟道气中各组分的量：C3H8:0molN2:23.51molCO2:3molO2:1.25molH2O:4mol因此，以1mol入口丙烷为基准的物料衡算结果如下：从计算结果可以看

30、出，当空气加入量为时，可产生烟道气，所以，每产生100mol烟道气需加入的空气量为：54带循环和旁路过程的物料衡算带循环和旁路过程的物料衡算 典型的具有循环和旁路过程的物料流程图：典型的具有循环和旁路过程的物料流程图： 例：例： v 精馏塔塔顶的回流精馏塔塔顶的回流v 过滤结晶过程滤液的返回过滤结晶过程滤液的返回 v 氨合成中未反应的原料气再循环氨合成中未反应的原料气再循环衡算特点衡算特点：循环量未知，不能按顺序单元依次计算循环量未知，不能按顺序单元依次计算 衡算方法：衡算方法：（1 1）代数法；）代数法； （2 2）试差法）试差法 55（1）代数法）代数法例例 ：K K2 2CrOCrO4

31、4 结晶过滤工艺结晶过滤工艺 v 先进行总的过程衡算，再对循环系统，列出方程先进行总的过程衡算，再对循环系统，列出方程式求解。式求解。v 以循环流量作为未知数，应用联立方程的方法进以循环流量作为未知数，应用联立方程的方法进行求解。行求解。 4500mol/h, 33.33%95%36.36%49.4%F5v 求求: : F F2 2，F F3 3，F F4 4，P Ps s，P Pc c，F F6 6564500mol/h, 33.33%95%36.36%49.4%F5 系统系统1 1 总物料：总物料：F F1 1= =F F6 6+ +F F5 5 K K2 2CrOCrO4 4 ：F F1

32、 1F F5 5 系统系统2 2 总物料：总物料：F F4 4= =F F2 2+ +F F5 5 K K2 2CrOCrO4 4 ：F F4 4F F2 2F F5 5 系统系统3 3 总物料：总物料：F F1 1 + +F F2 2 = =F F3 3 联立可解出联立可解出F F2 2，F F3 3，F F4 4， F F5 5 ，F F6 657（2）试差法）试差法v 试差法又称试差法又称迭代法迭代法，就是先假设一估算值（称老估，就是先假设一估算值（称老估算值），然后按顺序模块逐个依次衡算出一个结果算值），然后按顺序模块逐个依次衡算出一个结果（称为新估算值），如果：（称为新估算值），如果

33、： 则则“新估算值新估算值”即为即为计算结果计算结果，否则，需重新假，否则，需重新假设设“老估算值老估算值”进行计算，直到满足容许误差为止。进行计算，直到满足容许误差为止。相对误差相对误差 =新估算值老估算值新估算值老估算值新估算值新估算值容许误差容许误差v迭代法存在误差迭代法存在误差，即相对误差，它表征，即相对误差，它表征“新老估算值新老估算值”的接近程度，它必须的接近程度，它必须容许误差容许误差。v最初最初假设的假设的“老估算值老估算值” ” 称为称为初值初值。 初值的初值的设定范围设定范围直接影响到直接影响到迭代的收敛速度迭代的收敛速度。 58 补充例补充例 v比较“新老估算值”的接近程

34、度： F1AA A的相对误差的相对误差 = F1AB B的相对误差的相对误差 =v但如何重新计算呢？即如何重新设定初值呢？有两种方法：但如何重新计算呢？即如何重新设定初值呢？有两种方法： (1) (1) 简简单单迭迭代代法法：重重新新计计算算时时，用用最最新新的的计计算算结结果果来来代代替替前一次的初值，这种方法称为简单迭代法。前一次的初值，这种方法称为简单迭代法。 一一般般情情况况下下，该该法法的的迭迭代代次次数数较较多多，即即收收敛敛速速度度很慢很慢。 (2) (2) 加速收敛法：加速收敛法：对初值进行处理，使迭代的收敛速度加对初值进行处理，使迭代的收敛速度加快，这种方法称为加速收敛法。快

35、，这种方法称为加速收敛法。 v如果这两个相对误差如果这两个相对误差容许误差，则容许误差，则即为所求即为所求，然后根据然后根据可求出其它位置的物料量和组成；可求出其它位置的物料量和组成；v如果相对误差如果相对误差容许误差，则说明容许误差，则说明应应重新计算重新计算，直到，直到满足容许误差满足容许误差的要求为止。的要求为止。 不是计算结果不是计算结果，流程物料衡算的几个问题（1）计算基准 设计过程中各种计算通常以小时或是以设备为单位进行，而设计任务却是指定年产量，此时应注意计算基准。 例 设计一个年产量为10000t（吨）的间歇本体法聚丙烯设备装置，由二个反应釜并联操作，反应釜的操作时间表如下置换

36、 进料 聚合反应 出料 清理 设年操作时为8000小时，消耗定额为丙烯/聚丙烯，试决定所需反应器的体积和管道的通过能力。 解： 每个反应釜的生产能力为5000t/a（年），每批操作周期为8h，故每个反应釜每批的生产量为：50008/8000=5t/批 在操作状态下丙烯的密度为470kg/m3，反应釜的装填系数为，则所需反应釜的体积:3进口管道通过能力=每批投料量/进料时间 =11t/h3/h 出口管道的通过能力=（2）比率系数对于一个较复杂过程，开始进行物料衡算时通常不能确切知道每吨产品的原料消耗，可以任意选择一个进料数值，例如100kmol/h，待系统计算完成得到产品数值时，再将各股物料乘该

37、比例系数。（3）物流的循环 对于转化率较低或有一种反应物过量的反应系统，需将未反应的原料与产物分离后，返回到反应器入口，构成物料循环。如此，增加了物料衡算的复杂程度。例2： 乙烯与氯气反应生产氯乙烯的过程如下图Cl2C2H4HClA氯化B次氯化热裂解CD分离C2H3Cl(VC)在各反应器中发生如下反应：(A)氯化反应 C2H4 +Cl2 C2H4Cl2 (DCE：二氯乙烷） DCE收率98%（B)次氯化 C2H42 C2H4Cl2 +H2O DCE以乙烯为基准的收率为95% 以HCl为基准的收率为90%（C)热裂解 C2H4Cl2 C2H3Cl (VC) + HCl VC的收率为99%，HCl

38、的收率为99.5% 设VC产量为12500kg/h，试求Cl2, C2H4流量及HCl的循环量。解（1）：联立代数方程法 已知：VC , DCE, HCl分子量分别为 设C2H4进入（A）的流量为x1, 进入（B）的流量为x2, HCl的循环量为x3 VC=12500/62.5=200kmol/h则： x312) （热裂解反应） (1)32 （次氯化反应） (2)12) = 200 （热裂解反应） (3)联立（1）（2）得 x212 x21 （4）联立 （3）（4） x1 x2因此：Cl2流量=x1 C2H4=x1+x2 HCl循环量x3解（2） 直接迭代法 设以HCl的循环量x3作为迭代变量

39、迭代步骤为： 1）假设x3 2）用式 3212)=200 求出x1, x2 3）将x1, x2代入 x312)方程 求出x3，与初值比较，若误差已经达到收敛指标，则结束计算。现设x3=150kmol/h，迭代过程各变量值如下 迭代次数 x3 x2 x1 x3由此可知，迭代4次即可收敛 。（4）物料的排放 物料的排放是为了防止循环过程中某些组分的积累。例如，合成氨工艺和氢气循环使用的加氢工艺。（5 ）化学计量学 反应物系中各组分的反应量必须服从一定的化学计量关系，这不仅是进行反应器物料衡算的基础，而且对确定反应器的进料配比、工艺流程的安排具有重要意义。第三节 能量衡算能量衡算定义 根据能量守恒定

40、律，利用能量传递和转化的规则，用以确定能量比例和能量转变的定量关系的过程称为能量衡算。能量平衡方程式 能量衡算平衡方程式 E:表示体系能量总变化； Q: 表示体系从环境吸收的热量； W: 表示环境对体系所做的功。能量衡算可以解决的问题 (1)确定物料输送机械送机械和其它操作机械机械所需要的功率功率； (2)确定各单元操作过程所需热量或冷量，及其传递速速率率；计算换热设备的工工艺尺尺寸寸；确定加热剂或冷却剂的消耗量，为其他专业如供汽、供冷、供水专业提供设条件； (3)化学反应常伴有热效效应，导致体系的温度上升或下降，为此需确定为保持一定反应温度所需的移出或加入的热传递速率； (4)为充充分分利利

41、用用余余热，必须采取有效措施，使过程的总能耗降低到最低程度。为提高能量利用率，降低能耗提供重要依据。 (5)最终确定总需求能量和能量的费用用。热量衡算热量衡算有两种情况： 1）对单元设备做热量衡算； 2）整个过程的热量衡算。 （当各个工序或单元操作之间有热量交换时，必须做全过程的热量衡算。）能量衡算的基本方程式能量衡算的基本方程式 Q入= Q出 + Q损 式中:Q入 一输入设备热量总和； Q出 输出设备热量总和； Q损 损失热量总和。 如如果果无无轴轴功功条条件件下下，进进入入系系统统加加热热量量与与离离开开系系统统的的热热量量应平衡，即应平衡，即对传热设备的热量衡算对传热设备的热量衡算可表示

42、为：可表示为：物料物料带进体系体系的的热量量加加热剂（或冷（或冷却却剂）与）与设备交交换的的热量量过程的程的热效效应物料从体系物料从体系带走的走的热量量消耗在加消耗在加热设备各个部各个部件上的件上的热量量设备向四周向四周散失的散失的热量量（热损失）失）能量衡算的基本方程式能量衡算的基本方程式热量计算的说明热量计算的说明 （1）计算算基基准准：指指的的是是能能量量（或或热量量）基基准准。可可取取任任何温度，何温度，对有反有反应的的过程，一般取程，一般取25为计算基准。算基准。（2）物料的物料的显热可用可用焓值或比或比热容容进行行计算。算。CP是温度的函数是温度的函数（3）关关于于Q2热负荷荷的的

43、计算算。“”需需加加热，“”需需冷冷却却。对于于间歇操作，歇操作，应分段衡算分段衡算，求出最大需要量。，求出最大需要量。（4）Q3为过程程的的热效效应，包包括括过程程的的状状态热（相相变热）和化学反和化学反应热。（5）设备加加热所需所需热量量Q5（6）设备热损失失Q6按按“化工原理化工原理”中的中的计算方法算方法计算算热量衡算步骤 P59(1)绘制以单位时间为基准的物物料料流流程程图图，确定热量平衡范围；(2)在物料流程图上标明已知温度、压力、相态等已已知知条件条件；(3)选定计计算算基基准准温温度度。由于手册，文献上查到的热力学数据大多数是273K273K或或298K298K的数据，故选此温

44、度为基准温度，计算比较方便。计算时相态的确定也是很重要的；(4)列出热量衡算式热量衡算式，然后用数学方法求解未知值；(5)整理并校核计算结果，列出热量平衡表热量平衡表。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。进行热量衡算注意事项 (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Q随时间而变化，因此要用不均衡系数将设备的热负荷由千焦台换算为千焦小时。 (5)选定设备的换热面积要大于理论计算。 热量衡算举例 例1 某化工厂

45、计划利用废气的废热，进入废热锅炉的废气温度为450，出口废气的温度为260，进入锅炉的水温为25，产生的饱和水蒸气温度为233.7，(绝压)，废气的平均热容为32.5 kJ(kmol)，试计算每100 kmol的废气可产生的水蒸汽量? 解：过程如图，基准：100 kmol的废气。 锅炉的能量平衡为：计算结果锅炉的能量平衡炉的能量平衡为：废气的气的热量量损失失=将水加将水加热以以产生水蒸气所生水蒸气所获得的得的热量量82 加热剂与冷却剂加热剂与冷却剂 热源：用于加热过程热源：用于加热过程 如如热热水水、蒸蒸汽汽（低低压压、高高压压、过过热热）、导导热热油油、道道生生（联联苯苯与与二二苯苯醚醚的的

46、混混合合物物）液液体体、道道生生蒸蒸汽、烟道气、电、熔盐等。汽、烟道气、电、熔盐等。 冷源：用于冷却或移走热量过程冷源：用于冷却或移走热量过程，如冷冻盐水、液氨等，如冷冻盐水、液氨等A A 加热剂的选择要求加热剂的选择要求 （1 1）在较低压力下可达到较高温度；）在较低压力下可达到较高温度；（2 2）化学稳定性高；）化学稳定性高； （3 3）没有腐蚀作用；）没有腐蚀作用；（4 4）热容量大；）热容量大； （5 5）冷凝热大；）冷凝热大；（6 6）无火灾或爆炸危险性；（）无火灾或爆炸危险性；（7 7）无毒性；）无毒性；（8 8）价价廉廉； （9 9）温温度易于调节。度易于调节。 根据根据工艺要求

47、工艺要求、安全性安全性、可靠性可靠性及及价格费用价格费用等因素选用等因素选用83B加热剂和冷却剂加热剂和冷却剂 84C加热剂和冷却剂的用量计算加热剂和冷却剂的用量计算 不同情况下不同情况下加热剂和冷却剂用量加热剂和冷却剂用量的计算方法的计算方法：（1 1）直接蒸汽加热直接蒸汽加热 （2 2）间接蒸汽加热间接蒸汽加热 （3 3）燃料消耗量燃料消耗量 （4 4）冷却剂消耗量冷却剂消耗量 （5 5）电能消耗量电能消耗量 85例例2 2苯蒸汽0.2MPa,500苯蒸汽0.2MPa,200锅炉给水5MPa,75饱和水蒸汽5MPa求：F4中的蒸汽量？ F5/F7=?kg/molF6=12F1饱和液体饱和液

48、体气液混合物气液混合物86v在对本体系作物料和能量衡算时，当选定工艺物流在对本体系作物料和能量衡算时，当选定工艺物流F F7 7作计算基准后，通过对整个体系（总过程）进行能量作计算基准后，通过对整个体系（总过程）进行能量衡算，可计算出衡算，可计算出F F1 1= =F F2 2= =F F5 5，由于换热器，由于换热器2 2不产生蒸汽，不产生蒸汽，只有换热器只有换热器1 1产生蒸汽，因此，产生蒸汽，因此，F F5 5即为换热器即为换热器1 1所产生所产生的蒸汽量，再计算的蒸汽量，再计算F F5 5/ / F F7 7，即为问题所求的第一步解。，即为问题所求的第一步解。v总物流总物流F F1 1

49、= =F F2 2= =F F5 5和和F F7 7= =F F8 8= =F F9 9确定后：确定后：1 1首先，通过对换热器首先，通过对换热器2 2作能量衡算，可求解作能量衡算，可求解T T8 8；2 2接着，对换热器接着，对换热器1 1进行能量衡算，可求解进行能量衡算，可求解F F4 4的焓值的焓值和和F F4 4中的蒸汽分率中的蒸汽分率；3 3依次，对混合器或气液分离器进行物料、能量衡依次，对混合器或气液分离器进行物料、能量衡算，可求解算，可求解F F3 3的焓值的焓值和和F F3 3中的蒸汽分率中的蒸汽分率。 例题:乙烯氧化为环氧乙烷的反应方程式如下：乙烯（g）的标准生成热为环氧乙烷

50、(g)的标准生成热为试计算、25下的反应热因此，25下的反应热计算如下： 例3：甲烷气与20%过量空气混和，在25 oC, 0.1 Mpa下进入燃烧炉燃烧，弱燃烧完全，其产物能达到的最高温度是多少？ 反应方程式为：CH4+2O2 CO2(g)+2H2O燃烧炉燃烧炉CH4空气（过量20%）燃烧产物25oC，0.1MPa (1)、物料衡算 取 1mol CH4为基准，则进料中O2的量为： 1*2*（）=2.4 mol进料中N2量：*出料中CO2量：1 mol, H2O量：2mol O2量：2.4 mol- 2mol=0.4 mol N2量：9.03 mol (2)、能量衡算 过程为绝热过程，基准温

51、度为25 oC。 简化为：Q3=Q4物料物料带进体系体系的的热量量加加热剂（或冷（或冷却却剂）与）与设备交交换的的热量量过程的程的热效效应物料从体系物料从体系带走的走的热量量消耗在加消耗在加热设备各个部各个部件上的件上的热量量设备向四周向四周散失的散失的热量量（热损失）失） 由物化手册查得生成生成热如下： CO2: -395.51 kJ/mol; H2O: -241.83 kJ/mol; CH4: -74.85 kJ/mol Hr= (-395.51 )+ (-241.83)*2-(-74.85 )=-802.32 kJ/mol Q3= -Hr=802.32 kJ/mol; Q4= (njCp

52、j) T=(Cp,CO2+2Cp,H2Op,o + 9.03 Cp,N2) (T-298) 由化工手册查得CO2, H2O(g), O2, N2的比热容，带入上式： Q4 = (343.04+0.13T-27.174*10-8T2)(T-298) 由Q3=Q4 联立式子，采用试差法解得：T=1927k。933.3 3.3 运用计算软件进行化工工艺计算运用计算软件进行化工工艺计算 3.3.1 3.3.1 计算机辅助过程计算软件简介计算机辅助过程计算软件简介 A A 流程模拟软件流程模拟软件 vASPEN PLUS 模模拟系系统软件件,美国美国AspenTech公司公司产品品vPRO/流程模流程模

53、拟软件件,美国美国SimSci-Esscor公司公司 开开发 vHYSYS流程模流程模拟软件件,加拿大加拿大Hyprotech公司公司产品品vgPROMS通用工通用工艺过程模程模拟系系统,英国英国PSE公司开公司开发vChemCAD化工流程模化工流程模拟软件件,美国美国Chemstations公司开公司开发vDesign II流程模流程模拟软件件,美国美国WinSim Inc. 公司开公司开发v ECSS模模拟系系统,青青岛化工学院化工学院计算机与化工研究所开算机与化工研究所开发94软件名称软件名称gPROMSAspenPlusHysysPRO/II历史背景历史背景1997由英国帝国理工学院开

54、发成功1981年在美国麻省理工学院MIT开发成功加拿大HyproTech从80年代开发70年代由SimulationScience公司开发单元操作模型库单元操作模型库三相闪蒸多级分离塔模型反应器模型固体处理操作有8种8种可以有8种7种可以有可以自由组合5种/7种6种有物性计算系统物性计算系统纯化合物数目VLE双元交互系数电解质系统可用gPROMS、PC-SAFT、OLI、DIPPR、AspenPropertiesPlus等CAPE-OPEN物性数据库、用户自己的物性数据5941个40,000组有2000多种18,000/2000多种3000多组有特种工艺系统模型特种工艺系统模型GLC气液接触模

55、型、固定床反应器模型、溶液结晶模型、聚合过程模型、燃料电池模型多种PEP工艺模型（SRI的工艺包），与SPYRO软件接口炼油专用模块RefSYS，包括催化裂化、催化重整反应、异构化反应、烷基化反应、加氢裂化反应，加氢精制/处理反应器模型炼油厂各种典型装置模型优化计算优化计算有有有有经济核算经济核算有有/有部分动态模拟计算动态模拟计算均为动态，稳态为含时间变量方程个数为零的特例需AspenDynamics连接可直接转入动态模拟与Dynsim连接进入中国市场的时间进入中国市场的时间2002年进入中国80年代初进入中国90年代进入中国80年代末进入中国95B B 化工过程模拟软件的应用化工过程模拟软

56、件的应用ChemcadChemcad在化工课程设计中的应在化工课程设计中的应用用pChemCAD可以模可以模拟:蒸馏、汽提、吸收、萃取、蒸馏、汽提、吸收、萃取、共沸、三相共沸、共沸蒸馏、三相蒸馏、电解质共沸、三相共沸、共沸蒸馏、三相蒸馏、电解质蒸馏、反应蒸馏、反应器、热交换器、压缩机、蒸馏、反应蒸馏、反应器、热交换器、压缩机、泵、加热炉、控制器、透平、膨胀机泵、加热炉、控制器、透平、膨胀机等等50多个多个单元操做元操做96pChemCAD提供了大量的最新的提供了大量的最新的热平衡和相平衡热平衡和相平衡的的计算方法，包含算方法，包含39种种K值计算方法和算方法和13种种焓计算算方法。方法。K值方

57、法主要分方法主要分为活度系数法活度系数法和和状态方程法状态方程法等四等四类UNIFAC、UPLM.(UNIFAC.for.Polymers)、Wilson、HRNMModified.Wilson、VanLaar、Non-RandomTwoLiquid(NRTL)、Margules、GMAC(ChienNull)、ScatchardHildebrand(Regular.Solution)活度系数法活度系数法97RedlichKwong、SoaveRedlichKwong、PengRobinson、APISoaveRedlichKwong、LeeKesler、BenedictWebbRubinSt

58、arling、LatentHeat、Electrolyte、HeatofMixingbyGamma焓计算方法焓计算方法随堂作业1.一种废酸，组成为22(质量)HNO3，57H2SO4和21H2O，加入93的浓H2SO4及90的浓HNO3，要求混合成27HNO3及60H2SO4的混合酸，计算所需废酸及加入浓酸的量，计算基准以混合酸1000kg/h计。2.邻二甲苯空气氧化制苯酐，乙知邻二甲苯的转化率为70%，氧的用量为理论用量的150%，每小时投入邻二甲苯250kg，试计算出口物料流量。反应式如下：C8H10+3O2C8H4O3+3H2O3.利用乙烯部分氧化制取环氧乙烷，将乙烯在过量空气条件下通过

59、银催化剂进行如下反应，进料物质流量为1000mol/h，进料中含乙烯10%（mol），乙烯转化率为25%，计算反应器出口物料量。反应方程式如下：2C2H4+O22C2H4O解：以每小时为计算基准。进料：乙烯=100010%=100（mol/h）;（1分）空气=100090%=900（mol/h）；（1分）其中：氮气=9000.79=711（mol/h）;（1分）氧气=9000.21=189（mol/h）;（1分）转化掉乙烯=10025%=25（mol/h）；（1分）则产物中：未反应的乙烯：10025=75（mol/h）;（1分）生成环氧乙烷：25（mol/h）;（1分）消耗氧气：（mol/h）

60、;（1分）剩余氧气：189（mol/h）;（1分）氮气：711（mol/h）。（1分）4.甲烷在连续式反应器中用空气氧化生产甲醛，甲烷的转化率为40%，氧气完全反应。CH4（气）O2HCHO（气）H2O（气）以100mol进反应器的甲烷为基准。假定反应在足够低的压力下进行，气体便可看作理想气体。甲烷于25进反应器空气于25进反应器，如要保持出口产物为150，需从反应器取走多少热量？（N2,150）29.24J/（mol）（H2O,150）34.00J/（mol）H0f（CH4）=H0f（HCHO）=H0f（H2O）=（HCHO,150）9.12J/（mol）（CH4,150）（mol）解：物料

61、基难：100mol进料CH4入口：CH4：100molO2：10040%=40molN2：（1分）出口：CH4：10040=60mol（1分）N2：HCHO：40mol（1分）H2O：40mol（1分）取25时生成各个反应物和产物的各种原子（即C、O2、H2）为基准，非反应物质N2也取25为基准，将各个焓值计算如下。简化为：Q3=Q4即为：-H=Q带走+Q?H进（CH4,25）=nH0f（CH4）=74.85100=7485KJ（1分）H出（CH4,150）=nH0f（CH4）+nCp（CH4,150）(150-25)=(74.85+4.9)60=4197KJH出（H2O,150）=nH0f(H2O)+nCp(H2O,150)(150-25)=(241.83+4.25)40=H出(HCHO,150)=nH0f(HCHO)+nCp(HCHO,150)(150-25)=(115.9+1.14)40=H=5504197（7485）=H出（N2,150）=nCp（N2,150）(15025)=550KJ（1分）