化工设计第三章

nullnull第三章 物料衡算和能量衡算null工艺计算前的准备工作 物料衡算 能量衡算本章学习内容null本章学习要求熟悉工艺计算所需资料的收集方法； 掌握物料衡算方法； 掌握热量衡算方法。§3-1 工艺计算前的准备工作§3-1 工艺计算前的准备工作一、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 （ΔH、Cp、K、λ、α等）。 （4）流体输送过程参数 （粘度μ、密度ρ、摩擦系数等）。§3-1 工艺计算前的准备工作§3-1 工艺计算前的准备工作（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）介质的物性和材质性能，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 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 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 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 和资料。一、工艺性资料的收集§3-1 工艺计算前的准备工作§3-1 工艺计算前的准备工作二、工程性资料的收集 （1）气象、地质资料。 􀂄（2）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。§3-1 工艺计算前的准备工作三、资料的来源§3-1 工艺计算前的准备工作（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 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 、基建工程资料和 安装工程资料）（4）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null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 （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 行政管理关于调查报告关于XX公司的财务调查报告关于学校食堂的调查报告关于大米市场调查报告关于水资源调查报告 、各种化工过程与设备计算等书籍。（4）生产单位（现场操作数据和实际的经济技术 指标）§3-1 工艺计算前的准备工作null§3-1 工艺计算前的准备工作四、几本常用的化工设计资料和手册 􀂄（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§3-2 物料衡算 §3-2 物料衡算 对已有的生产设备或装置，利用实际测定的数 据，算出另一些不能直接测定的物料量。用此 计算结果，对生产情况进行分析、作出判断、 提出改进措施。 设计一种新的设备或装置，根据设计任务，先作 物料衡算，求出进出各设备的物料量，然后再作 能量衡算，求出设备或过程的热负荷，从而确定 设备尺寸及整个工艺流程。null一、物料衡算的目的和依据 1.能为化工设计提供基础数据 􀂄 （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。 2.物料衡算的依据 理论依据：质量守恒定律 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。物料衡算null物料衡算二、物料衡算式1.化工过程的类型 间歇操作、连续操作以及半连续操作 稳定状态操作和不稳定状态操作 null物料衡算间歇操作过程 原料在生产操作开始时一次加入，然后进行反应或其他操作，一直到操作完成后，物料一次排出，即为间歇操作过程。此过程的特点是在整个操作时间内，再无物料进出设备，设备中各部分的组成、条件随时间而不断变化。 连续操作过程 在整个操作期间，原料不断稳定地输入生产设备，同时不断从设备排出同样数量（总量）的物料。设备的进料和出料是连续流动的，即为连续操作过程。在整个操作期间，设备内各部分组成与条件不随时间而变化。 半连续操作过程 操作时物料一次输入或分批输入，而出料是连续的，或连续输入物料，而出料是一次或分批的。null物料衡算稳定状态操作过程或称稳定过程 整个化工过程的操作条件（如温度、压力、物料量及组成等）不随时间变化，只是设备内不同点有差别。 不稳定状态操作过程或称不稳定过程 操作条件随时间不断变化。二、物料衡算式1.化工过程的类型null进料总量=出料总量+损耗量+积累量 对于连续稳定过程： 进料总量=出料总量+损耗量二、物料衡算式2、物料衡算式物料衡算null物料衡算二、物料衡算式例如null物料衡算 对于连续不稳定过程，由于该过程内物料量及组成等随时间而变化，因此，物料衡算式须写成以时间为自变量的微分方程，表示体系内在某一瞬时的平衡。二、物料衡算式null物料衡算(1)搜集计算数据。 (2)画出物料流程简图。 (3)确定衡算体系。 (4)写出化学反应方程式，包括主反应和副反应， 标出有用的分子量。 (5)选择合适的计算基准，并在流程图上注明所选 的基准值。 (6)列出物料衡算式，然后用数学方法求解。 (7)将计算结果列成输入－输出物料表(物料平衡表)。 (8)校核计算结果。三、物料衡算步骤null物料衡算四、连续过程的物料衡算对于一个连续、稳态过程，可写出下式： 式中 Fi —第i股物流物质的量流量，流入系统时取“+”， 流出系统时取“-”； xij—第j组分在第i股物流中的摩尔分数； Vjm—第j股组分在第m个化学反应中的化学计量系数, 对生成物取“+”，对反应物取“-”，对惰性组分为零； 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。 null物料衡算四、连续过程的物料衡算1.非反应过程的物料衡算 【例3-1】 将含有质量分数（下同）40%的硫酸与98%的浓硫酸混合成为90%的硫酸。要求90%的硫酸流量为1000kg/h，各溶液的另一组分为水。试完成其物料衡算。null四、连续过程的物料衡算物料衡算【解】衡算基准为小时。 以w表示各股物流的质量流量。混合器总质量平衡　　W1+ W2= W3=1000 混合器水平衡　 0.6W1+ 0.02W2= 0.1W3=100 混合器H2SO4质量平衡　 0.4W1+ 0.98W2= 0.9W3=900null物料衡算解得　 W1＝138 kg/h; W2＝862 kg/h 可列出物料衡算表：四、连续过程的物料衡算【例3-1】例3-1物料衡算表【解】null物料衡算 连续常压精馏塔进料为含苯（质量分数，下同）38%（wt)和甲苯62%的混合溶液，要求馏出液中能回收原料中97%的苯，釜残液中含苯不高于2%，进料流量为20000kg/h，求馏出液和釜残液的流量和组成，并填写精馏塔物料平衡表。四、连续过程的物料衡算【例3-2】【解】?思路 由已知条件可以获得xFB，xWB，xDB，F，然后求得W、D作全塔总质量衡算得 F= D + W 作全塔苯的质量衡算得 FxFB=DxDB+WxWB以下标B代表苯null物料衡算【例3-2】已知进料中苯的质量分数为38%， 这样进料中苯的摩尔分数为：已知釜残液中苯的质量分数为2%， 这样釜残液中苯的摩尔分数为：四、连续过程的物料衡算【解】null进料液平均相对分子质量【解】已知进料流量为20000kg/h 则进塔原料的摩尔流量为：依题意，馏出液中能回收原料中97%的苯， 所以有: DxDB=232.2×0.4196 ×0.97=94.51 kmol/h物料衡算四、连续过程的物料衡算null物料衡算将已知数据代入上述质量衡算方程得 232.2=W+D 232.2×0.4196=94.51+0.02351W 解得W=124.2 kmol/h D=108 kmol/h 列出精馏塔物料平衡表如下：四、连续过程的物料衡算【解】null物料衡算2. 反应过程的物料衡算四、连续过程的物料衡算【例3-3】 在化学反应器中，利用乙烯部分氧化制取环氧乙烷，是将乙烯在过量空气存在条件下通过银催化剂进行反应。主反应 r1 2C2H4+O2 2C2H4O同时存在副反应 r2 C2H4 + 3O2 2CO2+2H2O 如果进料物质的流量为1000 mol/h ，进料中含C2H4摩尔分数10%，乙烯的转化率为25%，生成产物C2H4的选择性为80%，计算反应器出口物流的流量与组成。 null四、连续过程的物料衡算物料衡算【解】利用化学反应速度求解。⑴ 组分编号 组分 C2H4 O2 N2 C2H4O CO2 H2O 编号 1 2 3 4 5 6⑵ 计算简图，如图3-1所示 r1 r2催化反应器1F1x11，x12，x13γ φF22x21 x22 x23 x24 x25 x26⑶ 方程与约束式 ①物料平衡方程 根据null物料衡算四、连续过程的物料衡算【解】⑶ 方程与约束式C2H4 － O2 －－ N2－－ C2H4O CO2 － H2O－ ①物料平衡方程 null物料衡算四、连续过程的物料衡算②摩尔分数约束式【解】⑶ 方程与约束式③设备约束式根据转化率与选择性，得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（1）（2）（3）null物料衡算四、连续过程的物料衡算Nv=16（2个流量、9个摩尔分数、2个反应速率、3个设备参数） 方程组的数量 Ne=6+2+3 设计变量的数量 Nd= Nv- Ne=16-11=5 由题意取 【解】（4）变量分析为一组设计变量，其值分别为：F1=1000 mol/h null方程式（1）与式（3）中只含两个未知数 可首先 求解；当解出 与 后，反应器的进口工况均为已知， 经 变换后，其余9个方程可变为以 及 为未知数的线性方程组，其求解甚易；解得以上 9个未知数后，则可由 算得全部出口物流参数：四、连续过程的物料衡算【解】⑸ 求解方程组物料衡算null物料衡算五、车间（装置）的物料衡算【例3-4】 乙烯与氯气反应生产氯乙烯的过程如下图：在各反应器中发生如下反应：(A) 氯化反应C2H4 + Cl2 → C2H4Cl2 DCE收率98% (DCE：二氯乙烷）null物料衡算五、车间（装置）的物料衡算（B）次氯化C2H4+2HCl + 0.5O2→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 (VCM) + HCl VCM的收率为99%，HCl的收率为99.5%设VCM产量为12500kg/h， 试求Cl2, C2H4流量及HCl的循环量。null五、车间（装置）的物料衡算（1） 联立代数方程法【解】已知：VCM , DCE, HCl分子量分别为62.5, 99.0, 36.5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 VCM=12500/62.5=200 kmol/h则：x3= 0.995(0.98x1+ 0.95x2) （1）0.90x3/2 = 0.95x2 （2）0.99(0.98x1+ 0.95x2) = 200 （3）联立（1）（2）得x2= 0.995(0.98x1+ 0.95x2) ×0.9/1.9x2= 0.837x1 （4）null五、车间（装置）的物料衡算联立（3）（4）得 x1=113.8 x2=95.3因此：Cl2流量 x1=113.8 kmol/hC2H4流量 x1+x2=209.1 kmol/hHCl循环量 x3=0.995×(0.98×113.8+0.95×95.3) =201.1 kmol/h【解】（2）直接迭代法设以HCl的循环量x3作为迭代变量迭代步骤为：null五、车间（装置）的物料衡算2）用式 0.9x3/2=0.95x2 0.99(0.98x1+0.95x2)=200 求出x1, x21）假设x33）将x1, x2代入x3=0.995(0.98x1+0.95x2)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=150 kmol/h，迭代过程各变量值如下：迭代次数 x3 x2 x1 x3’ 1 150 71.055 137.2877 201.034 2 201.034 95.2298 113.8623 201.043 3 201.043 95.234 113.858 201.043 4 201.043由此可知迭代4次即可收敛。null 两种情况： 根据给定的进出物料量及已知温度求另一股物料 的未知物料量或温度，常用于计算换热设备的蒸 汽用量或冷却水用量。 在原有的装置上，对某个设备，利用实际测定 （有时也要作一些相应的计算）的数据，计算出另 一些不能或很难直接测定的热量或能量，由此对 设备作出能量上的分析。如根据各股物料进出口 量及温度，找出该设备的热利用和热损失情况。§3-3 能量衡算null一、能量衡算的目的和依据 通过能量衡算可以解决以下问题: 确定各单元过程所需热量或冷量及其传递速率； 确定物料输送机械和其他操作机械所需功率； 化学反应所需的放热速率和供热速率； 余热的综合利用。 能量衡算的依据是热力学第一定律，物料衡算则 是能量衡算的基础。 热力学第一定律： 过程中内能的增量等于体系所吸的热减去体系对环境所做的功。 能量衡算null二、能量衡算的方法及步骤能量衡算1. 总能量衡算 连续稳定流动过程的总能量衡算 ∆H +∆Ek + ∆EP ＝ Q + W 间歇过程的总能量衡算 ∆U +∆Ek + ∆EP ＝ Q + W 一般间歇操作，动能、位能差项等于零， 即 ∆Ek＝0，∆EP＝0，所以上式又可简化为 ∆U ＝ Q + W 此式即为热力学第一定律的数学式，此处W 的符号以环境向体系作功为正。null能量衡算二、能量衡算的方法及步骤2. 热量衡算 热量衡算式 Q = ∆H = H1 –H2 Q = ∆U = U1 –U2  (间歇过程) 热量衡算就是计算在指定的条件下进出物料的 焓差，从而确定过程传递的热量。在实际计算时，由 于进出设备的物料不止一个，因此可改写为： ΣQ =ΣH1 –ΣH2 或       ΣQ = ΣU1 –ΣU2  null能量衡算3. 热量衡算的步骤 二、能量衡算的方法及步骤按题意绘出简略流程图，并在图上标明已知条件。 选择组分焓计算基准的状态及温度。 列出能量衡算方程式。 查表或计算求得Cp，再求得ΔH。 将有关数据代入能量衡算方程式计算。 作输入、输出表。null能量衡算三、化学反应过程的能量衡算能量衡算式式中 A — 任意一种反应物或产物；nAR — 过程中生成或消耗的物质的量, mol；μA— A 的化学计量系数。 nAR和μA均为正值。 1. 以反应热效应为基础的计算方法 第一种基准： 若已知标准反应热，则可选298K，101.3kPa为反应物及产物的计算基准。null能量衡算【例3-5】三、化学反应过程的能量衡算氨氧化器的能量衡算。氨氧化反应式为：4NH3 + 5O24NO + 6H2O此反应在25℃、101.3kPa的反应热为 -904.6kJ。现有25℃的100 mol/h NH3 和 200 mol/h O2连续进入反应器，氨在反应器内全部反应，产物在300℃呈气态离开反应器。如操作压力为101.3kPa，计算反应器应输入或输出的热量。【解】衡算基准：25℃、101.3kPa； 参考态：NH3(气)， O2 (气)，NO (气)， H2O (气)。 因此进口的两股物料的焓均为零。null能量衡算三、化学反应过程的能量衡算由物料衡算得到的各组分的摩尔流：计算出口物料的焓： 查得NO、O2和H2O的比热容null能量衡算三、化学反应过程的能量衡算出口物料的焓： 将计算出的焓值填入进、 出口焓表，见表3-3。null能量衡算进出口焓表三、化学反应过程的能量衡算null能量衡算三、化学反应过程的能量衡算已知氨的消耗量为100 mol/h，有由此算出过程的△H为= -22615+(635.25+845.2+1435.5)-0 = -19700 kJ/h即为了维持产物温度为300℃，应每小时从反应器移走19700 kJ/h的热量。null三、化学反应过程的能量衡算能量衡算2. 以生成热为基础的计算方法第二种基准： 以组成反应物及产物的元素，在25℃、101.3kPa时的焓为零，非反应分子以任意适当的温度为基准。画一张填有所有流股组分ni和Hi的表，表中反应物或产物的Hi是各物质25℃的生成热与物质由25℃变到进口状态或出口状态所需显热和潜热之和。过程的总焓变即为 所以第二种基准中的物质，是组成反应物和产物的以自然形态存在的原子。null三、化学反应过程的能量衡算能量衡算【例3-6】用第二种基准作能量衡算。 甲烷在连续式反应器中用空气氧化生产甲醛，副反应是甲烷完全氧化生成CO2和H2O。CH4（气）+ O2 HCHO（气）+ H2O（气）CH4（气）+ 2O2 CO2+ 2H2O（气） 以100 mol 进反应器的甲烷为基准，物料流程图如图3-5所示。假定反应在足够低的压力下进行，气体可看作理想气体。甲烷于25℃进反应器，空气于100℃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？【解】物料基准：100 mol 进料中的CH4。 衡算结果见下图。null三、化学反应过程的能量衡算能量衡算能量衡算：取25℃时生成各个反应物和产物的各种原子（即C、O、H）为基准，非反应物质N2也取25℃为基准（因25℃是气体平均摩尔热容的参考温度）。计算各组分单位进料、出料焓值null三、化学反应过程的能量衡算能量衡算（1）25℃进料 CH4的焓：CH4由元素在25℃组成，因此 H进（ CH4）=查手册生成热 H进（ CH4）=-74.85 kJ/mol出料CH4（150℃）：（2）进料 O2(100℃):出料O2(150℃):null三、化学反应过程的能量衡算能量衡算（3）进料 N2 (100℃):出料 N2 (150℃):（4） HCHO（气，150℃）：（5） CO2（150℃）：null三、化学反应过程的能量衡算能量衡算（5） CO2（150℃）：（6）H2O（150℃，汽）：将以上结果填入 进出口焓表中null三、化学反应过程的能量衡算进 出 口 焓 值 表null三、化学反应过程的能量衡算能量衡算当能量衡算不计动能变化时本题亦可采用列表计算，简单明了，便于检查核对。 见 P68 表3-5。null§3-4 计算机在化工设计中的应用流程模拟软件Aspen Pro II VMGSim; VMGThermo ChemCAD流程模拟： 在特定流程图上进行计算来模拟过程、设计设备和确定关键操作条件的值。 计算内容： 物料和能量衡算、过程的设备参数、设备和工厂费用预算及经济评价。null一、AspenONE 工程与创新解决方案 由 Aspen Tech 公司开发。可为一工程项目从规划与 设计，到操作与工艺改进，以及管理过程资产提供最佳解决 方案。 Aspen Plus 是生产装置设计、稳态模拟和优化的大型通用流程模拟 工具，可用于化学化工、医药、石油化工等多种工程领域的 工艺流程模拟、装置性能监控、优化。 利用其可以回归试验数据；用简单的设备模型初步设计 流程；用详细的设备模型严格计算物料平衡、能量平衡；确 定主要设备大小；在线优化完整的工艺装置。流程模拟软件null 学习Aspen Plus必备知识： 化工原理：化工过程的单元操作。 热力学方法：物性计算方法。 化工系统工程：如何对化工系统进行建模，分析、求解。 如果要求简单掌握，只需前两方面的知识即可。如果要求深入掌握，则须具备化工系统工程方面的知识。 Aspen Plus 的计算是最精确的，数据库的建设也是最完善的。 不过由于它考虑的方面非常全面，所以学起来比较费劲。 流程模拟软件null Aspen HYSYS流程模拟软件 面向油气生产、气体处理和炼油工业的模拟、设计、性能监测的流程模拟工具。 原为加拿大Hyprotech公司的产品。2002.5与Aspen Tech合并，HYSYS成为Aspen 工程套件的一部分。为工程师进行工厂设计、性能监测、故障诊断、操作改进、业务 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 和资产管理提供了建立模型的方便平台。 Polymers Plus Aspen Plus Optimizernull二、PRO/IIPRO/II 流程模拟程序由美国SIMSCI公司开发。广 泛地应用于化学过程的严格的质量和能量平衡。 PRO/II拥有完善的物性数据库、强大的热力学计算系统以及40多种单元操作模块。 PRO/II适用于：油/气加工、炼油、化工、化学、 工程和建筑、聚合物、精细化工/制药等行业， 主要用来模拟设计新工艺、评估改变的装置配置、 改进现有装置、依据环境规则进行评估和证明、消 除装置工艺瓶颈、优化和改进装置产量和效益等。 流程模拟软件null流程模拟软件三、VMGSim; VMGThermoVMGSim 由加拿大VMG集团开发。是性价比最高的流程模拟软件。 其把最先进的过程模拟内核与具有强大图形功能的Microsoft Visio及Excel集成在一起。为全球范围内的气体加工行业、炼油行业及化工行业的许多顶级工程公司采用。 2. MGThermo 通用热力学包，计算准确、功能强大，高性价比的流程模拟软件。应用于石油、天然气、石化及化学过程工业及一些专门工艺。可详细预测工艺装置和工厂性能；新装置的设计、优化；老装置的故障诊断。null四、ChemCADChemCAD是一个用于对化学和石油工业、炼油、油气 加工等领域中的工艺过程进行计算机模拟的应用软件， 是 工程技术人员用来对连续操作单元进行物料平衡和能量平衡 核算的有力工具。使用它，可以在计算机上建立与现场装置 吻合的数据模型，并通过运算模拟装置的稳态或动态运行， 为工艺开发、工程设计以及优化操作提供理论指导。 ChemCAD涵盖了过程设计、模拟、优化和安全性分析的 整套解决方案。规模小，提供的数据库基本能满足一般设计 需求，企业应用成本低。流程模拟软件null流 程 模 拟 软 件 的 对 比Aspen是智能型的，用于化工领域流程模拟，可用于比较 大或长的流程，而且数据库比较全，是开方式的。 HYSYS主要用于炼油。动态模拟是它的优势。 PRO/II可以用于设备核算，流程短，或精馏核算。 一般认为，PRO/II在炼油工业应用更为准确些，因其数据 库中有不少经验数据；而Aspen在化工领域表现更好。 Aspen plus的计算是最精确的，数据库的建设也是最完善 的。不过由于它考虑的方面非常全面，所以学起来比较费劲。 ChemCAD的界面操作让人感觉非常简单，使用起来比较顺 手。但是数据库不是太大，5.0版本，就只有2000中常用物 质的物性数据。 PRO/II介于二者之间。nullnullnull第三章 物料衡算和能量衡算null第三章 思考题1.试述物料衡算的依据、作用及其衡算步骤。 2.能量衡算的依据是什么？能解决生产过程中哪些 问题？ 3.用甲醇制造甲醛的反应过程为 CH3OH + 1/2O2 = HCHO + H2O 反应物及生成物均为气态，若 使用50%过量 空气，且甲醇的转化率为75%，计算反应后气 体混合物的摩尔组成。 null物料衡算转化率X： 反应物中某一组分的转化量与其初始量的比值。选择性S： 为生成目的产物所消耗的关键组分的量与已转化的关键组分的量的比值。null物料衡算根据不同过程的特点，选择计算基准时注意：应选择已知变量数最多的流股作为计算基准。 对液体或固体体系，常选取单位质量作基准。 对连续流动体系，用单位时间作计算基准较方便。 对于气体物料，如果环境条件（如温度、压力）已 定，可选取体积作基准。