化工工艺--物料衡算和能量衡算

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1、2021/5/2312021/5/232第一节连续过程的物料衡算w 教学内容：教学内容：w 结合具体实例，理解利用化学反应速率进行反应过程的物料衡算的方法。w 重点和难点：重点和难点：w 重点掌握利用化学反应速率进行反应过程的物料衡算的方法。w 难点是衡算基准的选择，包括基准物流的名称和单位选择，以及物料平衡方程、摩尔分数约束式及设备约束式的内容和形式。2021/5/233一、一、连续过程的物料衡算连续过程的物料衡算 一般表示式为： 系统中积累 = 输入 输出 + 生成 消耗稳态过程时 输入 = 输出 生成 + 消耗无化学反应的稳态过程 输入 = 输出 第三章 物料衡算与能量衡算2021/5/

2、234物料平衡形式 总平衡式 *总质量平衡式 总摩尔平衡式 组分平衡式 组分质量平衡式 组分摩尔平衡式 元素原子平衡式 *元素原子质量平衡式 *元素原子摩尔平衡式第三章 物料衡算与能量衡算2021/5/235物料衡算的基本步骤 画出流程示意图 列出已知数据 列出由物料平衡所需求解的问题。 决定系统的边界 写出主、副产品的化学反应方程式。第三章 物料衡算与能量衡算2021/5/236 约束条件 选择计算基准 进行物料平衡计算 列出物料和能量平衡表，并进行校核 结论第三章 物料衡算与能量衡算2021/5/237关于基准 时间基准 连续（小时，天） 间歇（釜，批） 质量基准 kg，mol， kmol

3、 体积基准 m3（STP） 干湿基准 干基（不含水），湿基（含水）例：100kg湿物料，其中含水10kg， 按 湿基：含水率为10%； 若按 干基：含水率为 10/（100-10）100%=11.11%第三章 物料衡算与能量衡算2021/5/238 C3H8 + 5O2 = 3CO2 + 4H2O每100kmol燃烧产物需要多少摩尔空气？1.基准：1kmol原料气C3H8燃烧用氧 5kmol；实际供氧 51.25 = 6.25kmol；供给空气量 29.76kmol； 其中氮气量 23.51kmol产生：CO2 3kmol； H2O 4kmol； O2 1.25kmol； N2 23.51km

4、ol；合计 31.76kmol；x =76.3176.29100= 93.7kmol第三章 物料衡算与能量衡算2021/5/2392.基准：1kmol空气实际供氧 0.21/1.25=0.168kmol；燃烧C3H3 0.21/（51.25） =0.0336kmol；供给空气量 1kmol； 其中氮气量 0.79kmol；产生：CO2 0.101kmol； H2O 0.135kmol； O2 0.042kmol； N2 0.79kmol；合计 1.068kmol；x =068.1100= 93.7kmol第三章 物料衡算与能量衡算2021/5/2310（3）基准：100kmol烟道气以元素平衡

5、法：C3H8 + 5O2 = 3CO2 + 4H2OC平衡 3B = P；H2平衡 4B = Q；O2平衡 0.21A = M + Q/2 + P；N2平衡 0.79A = N；烟道气总量 N + M + P + Q = 100；过剩氧气 0.21A（0.25/1.25）= M解出：空气量 A = 93.7kmol； C3H8 B = 3.148kmol； N2 N = 74.02kmol； O2 M = 3.935 kmol； CO2 P = 9.445 kmol ； H2O Q = 12.59 kmol。第三章 物料衡算与能量衡算2021/5/2311物料平衡计算的条件.方程式 物料平衡方

6、程式 物流约束式构成物流各组分的分率之和等于1jx=1第三章 物料衡算与能量衡算2021/5/23122.变量有Ns股物流， Nc个组分数，Np个设备参数总变量数： Nv= Ns（Nc +1）+ Np 设计变量第三章 物料衡算与能量衡算2021/5/2313 转化率转化率 = 反应物的进料量反应物的反应量00AAAnnn 选择性选择性 =%100原料的反应量反应物量生成目的产物所消耗的anncnnAACC/ )(/ )(00 xA = = 第三章 物料衡算与能量衡算2021/5/2314 收率收率 = 转化率选择性 =反应物的进料量反应物量生成目的产物所消耗的ancnnACC/ )(00=xA

7、 = 限制反应物 过量反应物第三章 物料衡算与能量衡算2021/5/2315无化学反应的物料衡算 料浆 滤饼 90%固体 F1=2000kg/h 过滤机 F3=？kg/h 10%液体 75%液体 25%固体 滤液 F2=？kg/h 1%固体 99%液体过滤过程第三章 物料衡算与能量衡算2021/5/2316总平衡式 输入的料浆=输出的滤液+输出的滤饼 F1= F2+F3液体平衡式 F1x11= F2x21+F3x31第三章 物料衡算与能量衡算2021/5/2317精馏过程 馏出液 F3 乙醇 水 24% F1 料液 苯 75% 乙醇 40% 水 60% F2 苯 乙醇产品 F4=1000kg/

8、h三个未知数需三个方程总物料平衡式 F1+ F2= F3+ F4 组分物料平衡式苯平衡 F2=0.75 F3 水平衡 0.6F1= 0.24F3 醇平衡 （10.6）F1第三章 物料衡算与能量衡算2021/5/2318二、多单元系统 F2 F4 x2B x4B=0.08 x2C x4C=0.72F1=1000mol/hx1B=0.2 单x1C=0.3 元x1D 单 元 F5 x5C F3 x3B=0.025 x5D x3C=0.35 x3D 第三章 物料衡算与能量衡算2021/5/2319每一个单元列出一组平衡方程式，再列出整个系统的平衡方程式。第三章 物料衡算与能量衡算2021/5/2320

9、化学反应过程的物料衡算1.直接计算法甲醇氧化制甲醛：CH3OH + 1/2 O2 HCHO + H2O CH3OH CH3OH HCHO 催化反应器 H2O 空气 O2 （过量50%） N2第三章 物料衡算与能量衡算2021/5/2321输入： O2（需要）= 0.5mol； O2（输入）= 1.50.5 = 0.75mol； N2（输入）= N2（输出）= 0.75（79/21） = 2.82mol； 反应的CH3OH =0.751 = 0.75mol输出： HCHO（输出）= 0.75mol； CH3OH（输出）= 1 0.75 = 0.25mol； O2（输出）= 0.75 0.750.

10、5=0.375mol； H2O（输出）= 0.75mol第三章 物料衡算与能量衡算2021/5/23222.利用反应速率进行物料衡算化学反应过程的物料衡算式： FC，输出= FC，输入+ RC RC= cr c =1，2，n N2 78% CO 20% 1 反应器1 反应器2 CO2 2% 4 5 2H2 50% N2 N2CO 50% H2 H2 3 CO CO2 H2O CO2 H2O H2O 第三章 物料衡算与能量衡算2021/5/2323iisjjsFF3.元素平衡输入物流有I股，输出物流有J股;则物质S的净输出速率为 Fs =S种物质的元素e的净原子流出速率为ssesF物质守恒则元素

11、守恒 = 0 e = 1，2，E ssesFAe = 0 e = 1，2，EssesFes 为原子系数第三章 物料衡算与能量衡算2021/5/23244.以节点进行衡算 分流B B分流A 分流C A 节点 节点 CFa+Fb=FcFa=Fb+Fc第三章 物料衡算与能量衡算2021/5/2325第二节第二节 车车 间（装间（装 置）置） 的的 物物 料料 衡衡 算算w 教学内容：教学内容：w 结合具体实例，理解一个完整的化工过程的物料衡算方法和步骤。w 重点和难点：重点和难点：w 重点掌握一个完整的化工过程的物料衡算的基准和思路。w 难点是对一个完整的化工过程的物料衡算时应选择什么物流作衡算基准

12、，如何列出平衡表达式。2021/5/2326第二节第二节 车车 间（装间（装 置）置） 的的 物物 料料 衡衡 算算 在一个车间（装置）中物料的添加和分离比较频繁，并且经常伴随着化学反应的发生，部分产品的循环（如回流），物料衡算比较复杂。1.单元模块 计算步骤: 过程整体分析; 写出各单元的方程式和约束式; 列出所有的变量，并选好所需的设计变量; 应用单元模块法求解联立方程组。 第三章 物料衡算与能量衡算2021/5/23271.循环过程(两种解法） （1）试差法 估计循环流量，并继续计算至循环回流的那一点。将估计值与计算值进行比较，并重新假定一个估计值，一直计算到估计值与计算值之差在一定的误

13、差范围内。（2）代数法 列出物料平衡方程式，并求解。 一般方程式中以循环量作为未知数，应用联立方程的方法进行求解。第三章 物料衡算与能量衡算2021/5/2328第三章 物料衡算与能量衡算第三节第三节 化学反应过程的能量衡算化学反应过程的能量衡算教学内容：教学内容：结合具体实例，理解以反应热效应为基础和以结合具体实例，理解以反应热效应为基础和以生成热为基础两种反应过程能量衡算方法生成热为基础两种反应过程能量衡算方法的计算原理和计算方法。的计算原理和计算方法。重点和难点：重点和难点：重点重点掌握两种衡算方法的衡算基准和计算方法。掌握两种衡算方法的衡算基准和计算方法。难点难点是热量衡算的基准，包括

14、温度、压力和相是热量衡算的基准，包括温度、压力和相态，以及有相变时其热量的正负符号的取态，以及有相变时其热量的正负符号的取向。向。2021/5/2329第三章 物料衡算与能量衡算能量衡算的基本概念 一、能量守恒定律 输入能量+生成能量= 消耗能量+积累能量+输出能量 二、能量衡算方程 1.封闭体系 E = Q + W 2.流动体系能量输入速率-能量输出速率 =能量积累速率2021/5/2330第三章 物料衡算与能量衡算 q w T2 U p2 u2 T1 U2 p1 u1 Z Z2 U1 Z1 2021/5/2331第三章 物料衡算与能量衡算（2）封闭体系= q + w221uZgU（3）孤立

15、体系221uZgU= 0稳态过程的敞开体系221uZgU= q + w2021/5/2332第三章 物料衡算与能量衡算三、能量衡算的一般方法 正确绘制系统示意图，标明已知条件和物料状态； 确定各组分的热力学数据； 选择计算基准（大部分在物料衡算的基础上进行）； 同时，还要选取热力学函数的基准态。 列出能量衡算方程式，进行求解。2021/5/2333第三章 物料衡算与能量衡算化学反应过程的能量衡算一、反应热 在化学反应中放出的热量取决于反应条件。在标准条件下，纯组分、压力为0.1MPa、温度为25（并非一定需要），反应进行时放出的热量称为标准反应热。基准0rH=-56.68 kJ/mol 202

16、1/5/2334第三章 物料衡算与能量衡算（1）标准生成热0fH 在标准状态下，由构成组成的元素生成1mol组分时的焓差。任何反应的标准反应热可以由反应物和生成物的生成热计算得到。反之，组分的生成热也可以由反应热计算得到。2021/5/2335第三章 物料衡算与能量衡算由于物质本身的热函是无法测定的，一般所能测定的是物质热函的变化量，因此人为地规定在标准状态下，元素生成热取为零。0rHRjvpjv0,pjfH0,RjfH标准反应热和生成热之间的关系2021/5/2336第三章 物料衡算与能量衡算（2）标准燃烧热0oH 组分和氧完全燃烧的标准反应热0rHRjvpjv0,RjoH0, pjoH由燃

17、烧热计算反应热的一般表达式:2021/5/2337第三章 物料衡算与能量衡算二、化学反应过程的能量衡算 简单化学反应过程的能量平衡： Q1+ Qr+ Qt = Q2 + Q损损 物料的热量用热容的计算式为：)(TCFQpii用热焓计算式为：, pThFQii2021/5/2338第四节第四节 计算机在物料衡算与能量计算机在物料衡算与能量 衡算中的应用衡算中的应用w 教学内容：教学内容：w 上机通过一个实例，了解流程模拟软件的种类和功能，以及用上机通过一个实例，了解流程模拟软件的种类和功能，以及用ChemCAD进行物料衡算进行物料衡算w 和热量衡算的步骤和方法。和热量衡算的步骤和方法。w 重点和

18、难点：重点和难点：w 重点重点掌握用掌握用ChemCAD进行物料衡算的步骤和方法。进行物料衡算的步骤和方法。w 难点难点是设备、热力学方法的定义，模拟反应器的选择和参数的输入，是设备、热力学方法的定义，模拟反应器的选择和参数的输入，以及换热过程和分离过程的模型选择和参数的输入。以及换热过程和分离过程的模型选择和参数的输入。2021/5/2339w 一、流程模拟软件一、流程模拟软件w (一一)aspenONE 工程与创新解决方案工程与创新解决方案w (二二)PRO/w (三三)VMGSim；VMGThermow (四四)Chem CADw (五五)ECSS工程化学模拟系统工程化学模拟系统-化工之

19、星化工之星 2021/5/2340二、用二、用Chem CAD进行物料衡算与能量衡算进行物料衡算与能量衡算w (一一) Chem CAD简介简介w 1、ChemCAD的程序界面的程序界面2021/5/2341w 2、ChemCAD的的运行环境和文件管理 2021/5/23421、初定工艺方案，进行必要的设置w (二二)用用Chem CAD进行物料衡算与能量衡算进行物料衡算与能量衡算压缩空气邻二甲苯反应器排放处理分离器废弃物产品能量预热2021/5/23432021/5/2344w 2、绘制过程流程图2021/5/234512436710124581656157910143空气邻二甲苯空气预热反应器风冷苯酐马来酸溶液马来酸洗脱排空2021/5/2346w 3、定义系统物料组成和热力学方法、定义系统物料组成和热力学方法2021/5/23472021/5/23482021/5/2349w 4、定义流股和设备2021/5/23502021/5/23512021/5/23525、运行模拟和模拟结果2021/5/23532021/5/2354ChemCAD计算输出结果 部分资料从网络收集整理而来，供大家参考，感谢您的关注！