第三章物料衡算和能量衡算-1(物料)专家课件

化工设计第三章第三章 物料衡算与能量衡算物料衡算与能量衡算Chart3 Materiel Balance and Energy Balance一、一、化工过程化工过程所谓所谓化工过程化工过程，是指由，是指由原料原料经经化学处理和物理处理化学处理和物理处理加工成加工成化学产品或中间产品化学产品或中间产品的生产过程。的生产过程。它包括许多工序，每个工序又由若干个或若干组设备（如它包括许多工序，每个工序又由若干个或若干组设备（如反应器、蒸馏塔、吸收塔、干燥塔，分离器、换热器及输反应器、蒸馏塔、吸收塔、干燥塔，分离器、换热器及输送设备等等）组合而成。送设备等等）组合而成。物料通过各设备时，完成某种化学或物理处理，最终成为物料通过各设备时，完成某种化学或物理处理，最终成为合格的产品。合格的产品。应用守恒定律来研究化工过程的物料衡算和能量衡算问题。在不同的生产过程中，有一些具有共性的在不同的生产过程中，有一些具有共性的物理操作物理操作，它们，它们不改变物料的化学性质，只改变物料的物理性质，这类操不改变物料的化学性质，只改变物料的物理性质，这类操作被称为作被称为单元操作单元操作，如流体输送、传热、蒸馏、干燥、蒸，如流体输送、传热、蒸馏、干燥、蒸发、结晶、萃取、吸收、吸附、过滤及破碎等操作。发、结晶、萃取、吸收、吸附、过滤及破碎等操作。化工过程中还包括一些改变物料的化工过程中还包括一些改变物料的化学性质的反应过程化学性质的反应过程，如氢与氮合成氨反应、乙烯氧化成环氧乙烷反应等等。如氢与氮合成氨反应、乙烯氧化成环氧乙烷反应等等。化工过程就是由化工过程就是由反应过程反应过程和和若干个单元操作若干个单元操作组合而成的一组合而成的一个系统。个系统。化工过程的类型化工过程的类型 根据其操作方式分根据其操作方式分间歇间歇操作操作 原料一次加入原料一次加入过程过程产品一次排出产品一次排出连续连续操作操作 原料连续加入原料连续加入过程过程产品连续排出产品连续排出半连续半连续操作操作 原料一次加入原料一次加入过程过程产品连续排出产品连续排出 或原料连续加入或原料连续加入过程过程产品一次排出产品一次排出根据操作状态分根据操作状态分稳定稳定状态操作（定态操作）过程参数状态操作（定态操作）过程参数=f(x、y、z)不稳定不稳定状态操作（非定态操作）过程参数状态操作（非定态操作）过程参数=f(x、y、z、t)化工过程基本参数化工过程基本参数过程参数：生产过程中影响过程参数：生产过程中影响过程运行和状态的物理量过程运行和状态的物理量。一）温度一）温度 表示物体冷热程度的物理量。温标。表示物体冷热程度的物理量。温标。1、摄氏温标摄氏温标，水的正常冰点：水的正常冰点：0 水的正常沸点：水的正常沸点：100 其间均分其间均分100等份等份 其单位为其单位为 2、开尔文温标开尔文温标，K（又叫热力学温度，热力学温标）（又叫热力学温度，热力学温标）单位是单位是“开尔文开尔文”，英文是，英文是“Kelvin”Kelvin”简称简称“开开”，国际代号，国际代号“K”K”。开尔。开尔文是为了纪念英国物理学家文是为了纪念英国物理学家Lord KelvinLord Kelvin而命名的。而命名的。以绝对零度（以绝对零度（0K0K）为最低温度，规定水的三相点的温度为）为最低温度，规定水的三相点的温度为 273.16K273.16K，开定义为水三相点热力学温度的开定义为水三相点热力学温度的1/273.151/273.15。3 华氏温标华氏温标,水盐混合物的温度：水盐混合物的温度：0；健康人的血液温度：；健康人的血液温度：96 水的正常冰点：水的正常冰点：32；水的正常沸点：；水的正常沸点：212 其间均分其间均分180等份等份 其单位为其单位为4、兰金温标兰金温标，R 与开氏温标相似，也是以最低理论温度为与开氏温标相似，也是以最低理论温度为0度的一种绝度的一种绝对温标。对温标。其其0度为度为-459.67（-460）。）。四种温度的关系：四种温度的关系：二）压力二）压力(压强）压强）三）流量三）流量四）组成四）组成3.1 物料衡算物料衡算3.2 能量衡算能量衡算3.3 化工模拟软件在化工设计中的应用化工模拟软件在化工设计中的应用本 章要求要求掌握掌握非反应过程的物料衡算及反应过程非反应过程的物料衡算及反应过程的物料衡算；的物料衡算；掌握掌握装置的物料衡算；装置的物料衡算；掌握掌握以反应热效应为基础的计算方法，以反应热效应为基础的计算方法，以及以生成热为基础的计算方法。以及以生成热为基础的计算方法。本章重、难点：物料衡算及热量衡算。本章重、难点：物料衡算及热量衡算。物料、能量衡算物料、能量衡算在化工技术中的作用作用物料、能量衡算是所有设计计算的基础，基础，是反应器和设备设计的根据根据，也是过程、设备各系统经济核算和最优化的依据。一般来说，在设计一个生产系统，或者计算某个单元操作及设备时，首首先必须作物料、能量衡算。先必须作物料、能量衡算。物料、能量衡算的物料、能量衡算的目的和内容目的和内容在于定量研究生产过程，为过程设计和操为过程设计和操作最佳化提供依据。作最佳化提供依据。对过程中的各个设备和工序，逐个计算各物料的流量、组成及热流量和温度，定量定量地表示所研究的对象。地表示所研究的对象。物料、能量衡算的物料、能量衡算的意义意义计算生产过程的原材料消耗指标、能耗定额和产品产原材料消耗指标、能耗定额和产品产率等率等。根据物料衡算和能量衡算数据和设备恰当的生产强度，可以设计或选择设备的类型、台数及尺寸。设计或选择设备的类型、台数及尺寸。物料衡算和能量衡算是设备计算的依据。作物料衡算可以检查检查各物料的计量、分析测定数据是否正确；检查检查生产运行是否正常。作系统各设备及管路的物料衡算时，可以检查检查出生产上的薄弱环节或限制部位。从而找出相应的强化措施。物料衡算和能量衡算是传统最优化和经济核算的基础。传统最优化和经济核算的基础。物料衡算和能量衡算的方程往往用于求取生产过程中用于求取生产过程中的某些未知量或操作条件。的某些未知量或操作条件。3.1 物料衡算物料衡算物料衡算物料衡算运用质量运用质量守恒定律，对化工过程或设备进行定量计算。守恒定律，对化工过程或设备进行定量计算。通过物料衡算解决以下问题：通过物料衡算解决以下问题：计算原料消耗量、副产品量；计算原料消耗量、副产品量；输出过程物料的损耗量及三废的生成量；输出过程物料的损耗量及三废的生成量；在物料衡算基础做能量衡算，计算蒸汽、水、电、煤或其他燃料的在物料衡算基础做能量衡算，计算蒸汽、水、电、煤或其他燃料的消耗定额。消耗定额。计算产品的技术经济指标。计算产品的技术经济指标。为生产设备和辅助设备的选型及设计、管路设施与公用工程的设为生产设备和辅助设备的选型及设计、管路设施与公用工程的设计等方面提供依据。计等方面提供依据。一、物料衡算依据一、物料衡算依据1.理论依据理论依据质量守恒定律质量守恒定律物料衡物料衡算范围算范围单元操作的物料衡算单元操作的物料衡算化工设备设计的前提化工设备设计的前提化工过程的物料衡算化工过程的物料衡算化工过程设计的前提化工过程设计的前提物料衡算的一般表达式为：物料衡算的一般表达式为：输入量输出量生成量消耗量积累量输入量输出量生成量消耗量积累量对稳定操作过程，积累量对稳定操作过程，积累量=0输入量输入量-输出量输出量+生成量生成量-消耗量消耗量=0对无化学反应的过程：对无化学反应的过程：输入量输出量积累量输入量输出量积累量对无化学反应的稳定操作过程：对无化学反应的稳定操作过程：输入量输出量输入量输出量对有化学反应的过程对有化学反应的过程：总物料衡算：总物料衡算+元素衡算式元素衡算式2.数据基础数据基础(1)技术方案、操作方法、生产能力、年工作时。技术方案、操作方法、生产能力、年工作时。(2)建设单位或研究单建设单位或研究单位的要求位的要求、设计参数、小试及中试数据：、设计参数、小试及中试数据：化工单元过程的化工单元过程的化学反应式化学反应式、原料配比、转化率、选择率、总收、原料配比、转化率、选择率、总收率，催化剂状态、用量、回收方法、安全性能等；率，催化剂状态、用量、回收方法、安全性能等；原料及产品的分离方式原料及产品的分离方式，分离剂的用量，各步的回收率；，分离剂的用量，各步的回收率；特殊化学品的物性特殊化学品的物性：沸点、熔点、饱和蒸汽压、闪点等。：沸点、熔点、饱和蒸汽压、闪点等。(3)工艺流程示意图。工艺流程示意图。二、物料衡算基准二、物料衡算基准 物料衡算时须物料衡算时须选择计算基准选择计算基准，并在计算过程中，并在计算过程中保持一致保持一致。一般计算过程的基准有以下几种：一般计算过程的基准有以下几种：(1)时间基准时间基准对连续生产过程，常以单位时间对连续生产过程，常以单位时间(如如d、h、s）的投料）的投料量或产品量为计算基准。量或产品量为计算基准。(2)批量基准批量基准以每批操作或一釜以每批操作或一釜料的生产周期为基准。料的生产周期为基准。(3)质量基准质量基准当系统介质为液、当系统介质为液、固相时，选择一定质量的原料或产固相时，选择一定质量的原料或产品作为计算基准较适合。品作为计算基准较适合。(4)物质的量基准：物质的量基准：对于有化学反应的过程因化学反应的按摩尔进行对于有化学反应的过程因化学反应的按摩尔进行的，用物质的量基准更方便。的，用物质的量基准更方便。(5)标准体积基准：标准体积基准：对气体物料进行衡算，可采用标准体积基准，对气体物料进行衡算，可采用标准体积基准，Nm3(STP)，既排除，既排除T、p的影响，又可直接换算为摩尔。的影响，又可直接换算为摩尔。(6)干湿基准：干湿基准：由于物料中均含有一定量的水分，选用基准时就有算不由于物料中均含有一定量的水分，选用基准时就有算不算水分的问题。湿基计算水分，干基不计算水分。算水分的问题。湿基计算水分，干基不计算水分。实际计算时，必须根据具体情况选择合适的基准，过程的实际计算时，必须根据具体情况选择合适的基准，过程的物料衡物料衡算及能量衡算应在同一基准上算及能量衡算应在同一基准上进行。进行。三、物料衡算的基本程序三、物料衡算的基本程序(1)确定确定衡算对象和范围衡算对象和范围，画出计算对象的草图。注意物料种类和走，画出计算对象的草图。注意物料种类和走向，明确输入和输出。向，明确输入和输出。(2)确定确定计算任务计算任务，明确已知项、待求项，选择数学公式，力求使计算，明确已知项、待求项，选择数学公式，力求使计算方法简化。方法简化。(3)确定过程所确定过程所涉及的组分涉及的组分，并对所有组分依次编号。，并对所有组分依次编号。(4)对物流的对物流的流股进行编号流股进行编号，并标注物流变量。，并标注物流变量。(5)收集数据资料收集数据资料（设计任务所规定已知条件，与过程有关物理化学参（设计任务所规定已知条件，与过程有关物理化学参数）：数）：生产规模生产规模（设计任务所规定，（设计任务所规定，t/年）和年）和生产时间生产时间（指全年有效生（指全年有效生产天数产天数300330天天/年，计约年，计约8000h）。）。有关定有关定额的技术指标额的技术指标，通常指产品单耗、配料比、循环比、固液，通常指产品单耗、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。比、气液比、回流比、利用率、单程收率、回收率等等。原辅材料、产品、中间产品原辅材料、产品、中间产品的规格；的规格；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等。程参数、蒸汽压、气液平衡常数或平衡关系等。(6)列出过程全部独立物料平衡方程式及其相关约束式列出过程全部独立物料平衡方程式及其相关约束式，对有化，对有化学反应的还要写出化学反应方程式，指出其转化率和选择性。学反应的还要写出化学反应方程式，指出其转化率和选择性。(7)选择计算基准；选择计算基准；(8)统计变量个数与方程个数，确