物料与热量衡算课件

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1、 已经确定：硝基氯苯生产工艺以及所有设备的型式。已经确定：硝基氯苯生产工艺以及所有设备的型式。是不是可以购买设备，准备安装建设？是不是可以购买设备，准备安装建设？3.工艺计算工艺计算（物料衡算、热量衡算、设备选型计算物料衡算、热量衡算、设备选型计算）l3.1 物料衡算物料衡算1、物料衡算的作用、物料衡算的作用 1）操作型计算：装置已建，分析生产能力，挖掘潜力，技）操作型计算：装置已建，分析生产能力，挖掘潜力，技改。改。2）设计型计算：根据生产任务，设计计算，为热量衡算、）设计型计算：根据生产任务，设计计算，为热量衡算、设备选型计算提供条件设备选型计算提供条件2、物料衡算的类型、物料衡算的类型

2、1）间歇操作物料衡衡算）间歇操作物料衡衡算 2）连续操作物料称衡算）连续操作物料称衡算 3）循环过程物料衡算）循环过程物料衡算3、物料衡算通式、物料衡算通式（质量守恒定律）（质量守恒定律）单位时间内进入系统的全部物料质量单位时间内进入系统的全部物料质量 单位时间内离开系统的全部物料质量单位时间内离开系统的全部物料质量 单位时间内过程中的损失量单位时间内过程中的损失量 单位时间内系统内的积累单位时间内系统内的积累一、物料衡算的方法和步骤1、画出物料衡算示意图、画出物料衡算示意图 标明各股物料的进出方向、数量、组成以及温度、压力等操作条件，待求的未知数据也应以适当的符号表示。2、写出主、副反应式、

3、写出主、副反应式3、确定计算任务、确定计算任务4、收集数据资料、收集数据资料 生产规模、生产时间、原料、助剂、中间产物和产品的规格和组成及有关的理化常数5、选定计算基准（为了简化计算）、选定计算基准（为了简化计算）6、展开计算、展开计算7、整理计算结果，画出物料衡算一览表、整理计算结果，画出物料衡算一览表8、绘制物料流程图，并编入设计文件、绘制物料流程图，并编入设计文件生产过程的常用指标生产过程的常用指标1、生产能力2、转化率3、产率（选择性）4、收率5、消耗定额一、生产能力一、生产能力 化工装置在单位时间内生产的产品量或在单位时间内处理的原料化工装置在单位时间内生产的产品量或在单位时间内处理

4、的原料量，称为生产能力。其单位为量，称为生产能力。其单位为 kgh，td，kta，Mta等。等。化工装置在最佳条件下可以达到的最大生产能力称为设计能力。化工装置在最佳条件下可以达到的最大生产能力称为设计能力。二、转化率二、转化率 转化率是原料中某一反应物转化掉的量（摩尔）与初始反应物转化率是原料中某一反应物转化掉的量（摩尔）与初始反应物的量（摩尔）的比值，它是化学反应进行程度的一种标志的量（摩尔）的比值，它是化学反应进行程度的一种标志工业生产中有单程转化率和总转化率，其表达式为：工业生产中有单程转化率和总转化率，其表达式为：单程转化率单程转化率 100%100%例：例：以乙烷为裂解原料生产乙烯

5、，在一定的生产条件下，以乙烷为裂解原料生产乙烯，在一定的生产条件下，通入裂解炉的乙烷量为通入裂解炉的乙烷量为7000kg/h，反应后，尾气中含乙烷，反应后，尾气中含乙烷2450kg/h，求乙烷的转化率。，求乙烷的转化率。解：单程转化率解：单程转化率 100%100%65%（1）单程转化率）单程转化率l对于有循环和旁路的生产过程，常用总转化率。对于有循环和旁路的生产过程，常用总转化率。l总转化率总转化率 100%例：用乙烷作原料裂解生产乙烯，通入裂解炉的新鲜原料例：用乙烷作原料裂解生产乙烯，通入裂解炉的新鲜原料乙烷为乙烷为5000 kg/h，裂解气分离后，没有反应的乙烷，裂解气分离后，没有反应的

6、乙烷2000kg/h又又返回了裂解炉进行反应，最终分析裂解气中含乙烷返回了裂解炉进行反应，最终分析裂解气中含乙烷1500 kg/h，求乙烷的总转化率。求乙烷的总转化率。解：总转化率解：总转化率 100%100%70%l产率表示了参加主反应的原料量与参加反应的原料量之间产率表示了参加主反应的原料量与参加反应的原料量之间的数量关系。的数量关系。即参加反应的原料有一部分被副反应消耗掉了，而没有生成即参加反应的原料有一部分被副反应消耗掉了，而没有生成目的产物。产率越高，说明参加反应的原料生成的目的产物目的产物。产率越高，说明参加反应的原料生成的目的产物越多。越多。l产率产率 100%3产率（或选择性）

7、产率（或选择性）例：用乙烷作裂解原料生产乙烯，在一定的生产条件例：用乙烷作裂解原料生产乙烯，在一定的生产条件下，通入裂解炉的乙烷量为下，通入裂解炉的乙烷量为7000kg/h，反应后，尾气中含乙，反应后，尾气中含乙烷烷2450kg/h，得到乙烯量为，得到乙烯量为3332 kg/h，求乙烯的产率。，求乙烯的产率。解：解：C2H6 C2H4 +H2 30 28 X 3332生成目的产物所消耗的原料量生成目的产物所消耗的原料量X3332 3570 kg/h产率产率 100%100%78.5%表示进入反应器的原料与生成目的产物所消耗的原料之间的数量关系。表示进入反应器的原料与生成目的产物所消耗的原料之间

8、的数量关系。收率越高，说明进入反应器的原料中，消耗在生产目的产物上的数量越收率越高，说明进入反应器的原料中，消耗在生产目的产物上的数量越多。多。收率也有单程收率和总收率之分。收率也有单程收率和总收率之分。l单程收率 100%l总收率总收率 100%例：条件同上例，求乙烯的收率。例：条件同上例，求乙烯的收率。解：单程收率解：单程收率 100%100%51%4收率收率消耗定额是指生产单位产品所消耗的原料量，即每生产一消耗定额是指生产单位产品所消耗的原料量，即每生产一吨吨100%的产品所需要的原料数量。的产品所需要的原料数量。消耗定额消耗定额例：以乙烷为原料裂解生产乙烯，通入反应器的乙烷为例：以乙烷

9、为原料裂解生产乙烯，通入反应器的乙烷为7000 kg/h，参加反应的乙烷量为，参加反应的乙烷量为4550 kg/h，没有参加反应，没有参加反应的乙烷的的乙烷的5%损失掉，其余都循环回裂解炉。得到乙烯损失掉，其余都循环回裂解炉。得到乙烯3332kg/h，求乙烯的原料消耗定额。，求乙烯的原料消耗定额。解：消耗的原料量解：消耗的原料量455024505%4550122.5 4672.5kg/h 消耗定额消耗定额1.4二、间歇过程的物料衡算二、间歇过程的物料衡算按物料衡算的步骤进行，同时要注意建立时间平衡关系。按物料衡算的步骤进行，同时要注意建立时间平衡关系。例：丙烷充分燃烧时，要供入的空气量为理论量

10、的例：丙烷充分燃烧时，要供入的空气量为理论量的125%，反应式为：，反应式为：C3H85O23CO24H2O 问每问每100摩尔燃烧产物需要多少摩尔空气？摩尔燃烧产物需要多少摩尔空气？解：（解：（1）画出物料流程图）画出物料流程图 （2）选定基准，以）选定基准，以1mol丙烷为基准丙烷为基准 （3）展开计算）展开计算由题意知氧气供入量为由题意知氧气供入量为51.256.25mol则：空气供入量为则：空气供入量为6.25/0.2129.76mol 氮气量为氮气量为29.760.7923.51mol 则：则：29.76mol空气所生成的燃烧气为空气所生成的燃烧气为:23.51+(3+4)+(6.2

11、5-5)=31.76mol 所以，所以，100mol燃烧气所需空气量为燃烧气所需空气量为:100/31.76 *29.76=93.7mol 例：在间歇釜式反应器中用浓硫酸磺化甲苯生产对甲苯磺酸.试对该过程进行物料衡算。已知每批操作的投料量为：甲苯1000kg，纯度999(质量百分比，下同)；浓硫酸1100kg，纯度98；甲苯的转化率为98，生成对甲苯磺酸的选择性为82，生成邻甲苯磺酸的选择性为9.2，生成间甲苯磺酸的选择性为8.8；物料中的水约90经连续脱水器排出。此外，为简化计算，假设原料中除纯品外都是水，且在磺化过程中无物料损失。解：以间歇釜式反应器为衡算范围，绘出物料衡箅示意图解：以间歇

12、釜式反应器为衡算范围，绘出物料衡箅示意图 物料衡算的目的就是确定各股物料的数量和组成。物料衡算的目的就是确定各股物料的数量和组成。对于间歇操作过程，常以单位时间间隔对于间歇操作过程，常以单位时间间隔(一个操作周期一个操作周期)内的投料量为基准进内的投料量为基准进行物料衡算。行物料衡算。进料：进料：原料甲苯中的甲苯量为：原料甲苯中的甲苯量为：1000kg0.999=999kg 原料甲苯中的水量为：原料甲苯中的水量为：1000 kg999kg=1kg 浓硫酸中的硫酸量为：浓硫酸中的硫酸量为：1100kg981078kg 浓硫酸中的水量为：浓硫酸中的水量为：1100kg1078kg22kg 进料总量

13、为：进料总量为：1000kg+1100kg=2100kg 其中含甲苯其中含甲苯999kg，硫酸，硫酸1078kg，水，水23kg。出料：出料：反应消耗的甲苯量为：反应消耗的甲苯量为：999kg98=979kg 未反应的甲苯量为：未反应的甲苯量为：999kg 979kg=20kg磺化液总量为：磺化液总量为：1500.8+168.4+161.1+20+35.2+21.4=1906.9(kg)根据物料衡算结果，编制甲苯磺化过程的物料平衡表。根据物料衡算结果，编制甲苯磺化过程的物料平衡表。三、连续过程的物料衡算1.直接求算法 适用于化学反应过程较简单的反应，一般情况下，通过化学计量系数来直接求取。2.

14、利用结点进行衡算3.利用联系组分进行物料衡算 不参加反应的组分常被作为联系组分，可以极大的简化计算过程。54254254243.095.003.03.01000:045.003.095.05.01000:1000:SSSTSSSBSSSTOTALTBXTBXXXXSTXSBSTOTAL33333333133043.015095.0:3300045.015003.0:330150:任务3：1000t/a硝基氯苯生产装置，每年需要用硝基氯苯生产装置，每年需要用1002吨、含吨、含46%硝酸的混酸作为硝化剂。硝酸的混酸作为硝化剂。现请你为现请你为1000t/a硝基氯苯生产装置混酸配制工段进行硝基氯苯

15、生产装置混酸配制工段进行物料衡算：物料衡算：原料：硝酸原料：硝酸98%，硫酸，硫酸92.5%,69%硫酸废酸硫酸废酸 要求：混酸组成硫酸要求：混酸组成硫酸46%，硝酸，硝酸46%，水，水8%混合工艺过程 分离分流工艺过程混合四、循环过程的物料衡算 循环过程 衡算方法通常有代数法、试差法、循环系数法 当原料、产品和循环流的组成已知时，采用代数法较为简便。当未知数多于所能列出的方程数时，可用试差法求解 见教材P31例hkmolnyC/000,15%1511,2%4.1/500,14%132222,OCCyhkmolny2Cn新hkmolnyC/000,15%1511,2%02.92250203%2

16、2.16225018852250/203%4.114500/1885%1314500/2250%151500022222,21,1入炉乙烯量量转化为环氧乙烷的乙烯环氧乙烷收率乙烯入炉量乙烯反应量乙烯转化率出炉环氧乙烷量出炉乙烯量入炉乙烯量hkmolynhkmolynhkmolynOCCC%4.1/500,14%132222,OCCyhkmolnyhkmolnyC/000,15%1511,2%4.1/500,14%132222,OCCyhkmolny2Cn新%14.181119203%62.32111918852250/11191131%1515000/1131%60%1314500%601,1

17、2,222新鲜乙烯入炉量量转化为环氧乙烷的乙烯环氧乙烷总收率新鲜乙烯入炉量乙烯反应量乙烯总转化率新鲜气含乙烯量循环乙烯量循hkmolnynhkmolynCC氨氨合合成成塔塔冷冷凝凝排放排放循循环环1000Nm3NH3 2.5mol%NH3 11mol%H2 73.729%N2 24.558%CH4 1.420%Ar 0.293%Ar+CH4 19.296%NH3 11%化学反应式化学反应式0.5N2+1.5H2=NH3 1.V1信息：惰性气体衡算：得到V1=88.775Nm3因为H2与N2按照3：1的比例消耗，进料比为3：1，根据出口气体的组成可以计算出（H2N2）摩尔比为10.110.192

18、960.69704，从而根据组分的两两比例分别计算出V1组成：119296.0)00293.00142.0(VFH2N2NH3CH4Ar52.27817.4261115.993.302 2.V4的信息（体积平衡）：氨的合成为变体积反应过程，反应前后的体积变化数为2即每生成1份氨，体积缩小1份，而反应生成的氨量=(V4+0.11V1)。据此可以计算出气体氨物流量P F-(V4+0.11V1)=V1+V4 V4=450.73Nm33.V2与V3信息（体积平衡和氨平衡）：反应减少体积V2-V3=(V4+0.11V1)-(1)氨平衡计算：0.11V3-0.025V2=V4+0.11V1-(2)计算（1

19、）、（2）得出：V2=6013.6Nm3 V3=5555.024Nm3按照以上思路，以合成塔为物料衡算体系，分别对H2、N2、CH4、Ar进行物料衡算即可得出V2的组成信息。如：H2的元素平衡入塔(合成塔)H2量=新鲜气带入H2量+循环H2量 =新鲜气带入H2量+(出塔H2量-放空气H2量)=0.73729F+0.52278(V3-V4)-V1)=0.737291000+0.52278(5553.024-450.73-88.755)=3358.26Nm3组分组分H2N2NH3CH4Ar总计总计Nm3335811191018161685562Mol%60.37 20.121.8114.673.0

20、3100问题问题1 配制混酸（硝酸配制混酸（硝酸+硫酸）过程中，为防止硝酸分解，温度不宜超过硫酸）过程中，为防止硝酸分解，温度不宜超过40，需，需要冷却。已知采用硝酸要冷却。已知采用硝酸98%，硫酸，硫酸92.5%，含，含69%硫酸的硝化废酸为原料配硫酸的硝化废酸为原料配制组成为硫酸制组成为硫酸46%，硝酸，硝酸46%，水，水8%的混酸的混酸1kg，会放出热量，会放出热量15kj热量。冷热量。冷却介质为水。设环境温度为却介质为水。设环境温度为20。问：配制问：配制450kg这种混酸，需要多少冷却水量。（时间这种混酸，需要多少冷却水量。（时间20分钟）分钟）问题问题2：芳香烃硝化生产中一般需要先

21、加热，达到反应温度（一般芳香烃硝化生产中一般需要先加热，达到反应温度（一般50-60），当反应启动后，由于硝化反应是强放热反应，必须通冷却水进），当反应启动后，由于硝化反应是强放热反应，必须通冷却水进行冷却，否则可能产生爆炸事故。那么，反应釜夹套的换热面积是否行冷却，否则可能产生爆炸事故。那么，反应釜夹套的换热面积是否能满足？加热是需要多少热量？若用能满足？加热是需要多少热量？若用120 水蒸汽加热，又需要多少水蒸汽加热，又需要多少蒸汽？冷却时，需要多少冷却水量？蒸汽？冷却时，需要多少冷却水量？3.2 热量衡算热量衡算一、目的和任务1、确定加热剂或冷却剂的消耗量2、计算换热面积，选型换热设备的

22、工艺尺寸3、综合利用能量二、形式1、单元设备的热量衡算2、系统热量平衡计算三、单元设备的热量衡算1、热量衡算方程式 Q1Q2Q3QQQ Q1所处理的各股物料带入设备的热量 Q2由加热剂（或冷却剂）传给设备和物料的热量 Q3各种热效应（反应热、溶解热、稀释热、相变热等）Q离开设备各股物料带走的热量 Q加热设备消耗的量 Q设备的热损失a.各种物料代入热量 Q1micpitib.传热剂向设备传入或传出的热量Q2的计算（计算目标）Q2为正-表示设备需要加热 Q2为负-表示需从设备内部取出热量c.过程热效应Q3的计算 物性数据求取或查取或实际生产中获取 化学反应热计算？溶解热计算？稀释热计算？2、各种热

23、量计算、各种热量计算例：98%硫酸的稀释热经 验公式d.离开物料带走的热量Q Qmicpitie.加热设备消耗的热量Q的计算Qmwcpwtw tw设备各部分加热前后的平均温差f.热损失 QAT（twt0）A 散热表面积 T_散热表面对周围介质的传热系数 tw设备壁的表面温度 t0周围介质的温度 过程持续时间 难以计算时：Q10%Q22、各种热量计算、各种热量计算 注意事项注意事项1、热效应有吸热和放热，、热效应有吸热和放热，Q损损有热损和冷损，所以有正负之分有热损和冷损，所以有正负之分2、收集的数据要可靠、收集的数据要可靠3、间歇操作的、间歇操作的Q2常用常用KJ/每台为计算基准每台为计算基准

24、.连续过程为连续过程为KJ/h3、载热剂用量的计算：1、间接加热时，水蒸汽耗量的计算mp=Q2/(-cpt)=Q2/r2、燃料消耗量的计算mB=Q2/QT3、电能耗量的计算E=Q2/8604、冷却剂消耗量的计算mW=Q2/cp(t2-t1)5、传热面积的计算 Q2=K A tm注意：连续过程按上式计算注意：连续过程按上式计算 间歇过程计算载热剂总消耗量，用上式。间歇过程计算载热剂总消耗量，用上式。计算载热剂流量、设备传热面积时，计算载热剂流量、设备传热面积时，上式的上式的Q2需是最大阶段传热速率。需是最大阶段传热速率。最大阶段的传热速率最大阶段的传热速率Q2：比较：比较预热阶段的传热速率、预热

25、阶段的传热速率、反应阶段的传热速率反应阶段的传热速率间歇反应：Q2=KA tm；Q2=Q2/T (Q2最大阶段的传热量、T时间）水蒸汽流量的计算Vp=Q2/(-cpt)4、衡算方法与步骤（1）明确衡算目的）明确衡算目的（2）画出单元设备的物料流向及变化意图）画出单元设备的物料流向及变化意图（3）根据物料流向及变化，列出热量衡算方程式）根据物料流向及变化，列出热量衡算方程式（4）搜集有关数据（物料数据，定压比热、相变热、反应）搜集有关数据（物料数据，定压比热、相变热、反应热等热力学数据等）热等热力学数据等）（5）确定计算基准温度（一般以）确定计算基准温度（一般以273K和和298K为基准温度为基

26、准温度)，基准相态基准相态（6）实行衡算过程）实行衡算过程（7）编制热量衡算表）编制热量衡算表四、系统热量平衡计算四、系统热量平衡计算1、系统热量平衡的作用、系统热量平衡的作用1）求算出能量比综合利用率）求算出能量比综合利用率2）检验能量回收的合理性）检验能量回收的合理性3）求算消耗定额）求算消耗定额2、系统热量平衡计算步骤、系统热量平衡计算步骤 例：已知加入甲苯和浓硫酸的温度均为例：已知加入甲苯和浓硫酸的温度均为30，脱水器，脱水器的排水温度为的排水温度为65，磺化液的出料温度为，磺化液的出料温度为140，甲，甲苯与硫酸的标准化学反应热为苯与硫酸的标准化学反应热为117.2kJmol-1(放

27、热放热)，设备设备(包括磺化釜、回流冷凝器和脱水器，下同包括磺化釜、回流冷凝器和脱水器，下同)升温升温所需的热量为所需的热量为1.3105kJ，设备表面向周围环境的，设备表面向周围环境的散热量为散热量为6.2104kJ，回流冷凝器中冷却水移走的，回流冷凝器中冷却水移走的热量共热量共9.8105 kJ。上题物料数据。上题物料数据。试对甲苯磺化过程进行热量衡算。试对甲苯磺化过程进行热量衡算。有关热力学数据为：原料甲苯的定压比热为有关热力学数据为：原料甲苯的定压比热为1.71 kJ/(kg)；98硫酸的定压比热为硫酸的定压比热为1.47 kJ/(kg)；磺化液的平均定压比热为磺化液的平均定压比热为1

28、.59 kJ/(kg)；水的定压；水的定压比热为比热为4.18 kJ/(kg)。有关热力学数据为：原料甲苯的定压比热为有关热力学数据为：原料甲苯的定压比热为1.71 kJ/(kg)；98硫酸的定压比热为硫酸的定压比热为1.47 kJ/(kg)；磺化液的平均定压比热为磺化液的平均定压比热为1.59 kJ/(kg)；水的定压；水的定压比热为比热为4.18 kJ/(kg)。解：对甲苯磺化过程进行热量衡算的目的是为了确定磺化过解：对甲苯磺化过程进行热量衡算的目的是为了确定磺化过程中的补充加热量。程中的补充加热量。甲苯磺化装置甲苯磺化装置(包括磺化釜、回流冷凝器和脱水器等包括磺化釜、回流冷凝器和脱水器等

29、)作为衡算对象。此时，输入及输出磺化装置的物料还应作为衡算对象。此时，输入及输出磺化装置的物料还应包括进、出回流冷凝器的冷却水，其带出和带入热量之包括进、出回流冷凝器的冷却水，其带出和带入热量之差即为回流冷凝器移走的热量。差即为回流冷凝器移走的热量。若将反应热效应作为输入热量来考虑，则可绘出示意图。若将反应热效应作为输入热量来考虑，则可绘出示意图。（反应热（反应热+稀释热）稀释热）根据热量衡算结果，编制甲苯磺化过程的热量平衡表：根据热量衡算结果，编制甲苯磺化过程的热量平衡表：有关热力学数据为：原料甲苯的定压比热为有关热力学数据为：原料甲苯的定压比热为1.71 kJ/(kg)；98硫酸的定压比热

30、为硫酸的定压比热为1.47 kJ/(kg)；磺化液的平均定压比热为磺化液的平均定压比热为1.59 kJ/(kg)；水的定压；水的定压比热为比热为4.18 kJ/(kg)。回流液带入热量回流液带入热量Q1蒸汽带出的热量蒸汽带出的热量Q4（反应热（反应热+稀释热稀释热+蒸发热）蒸发热）思考：反应釜传热面积如何计算？思考：反应釜传热面积如何计算？加热蒸汽的管径选多大？加热蒸汽的管径选多大？任务任务5 配制混酸（硝酸配制混酸（硝酸+硫酸）过程中，为防止硝酸分解，温硫酸）过程中，为防止硝酸分解，温度不宜超过度不宜超过40，需要冷却。已知采用硝酸，需要冷却。已知采用硝酸98%，硫酸，硫酸92.5%，含，含69%硫酸的硝化废酸为原料配制组成为硫酸硫酸的硝化废酸为原料配制组成为硫酸46%，硝酸，硝酸46%，水，水8%的混酸的混酸1kg，会放出热量，会放出热量15kj热量。热量。冷却介质为水。设环境温度为冷却介质为水。设环境温度为20。问：配制问：配制450kg这种混酸，要求在这种混酸，要求在20分钟内完成，需要多少分钟内完成，需要多少冷却水量。冷却水量。