4物料衡算与能量衡算

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列物料平衡式时应注意的事项: (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; (2)对于有化学反应的体系,若衡算式中各项用mol/h为单位时,必须考虑反应 式中的化学计量系数(反应前后的各元素原子数守恒); (3)对于无化学反应的体系,能列出独立物料平衡式的最多数目等于输入和输出 的物流里的组分数;
9)设计绘制物料流程图(PFD)。
(Process Flowsheet Diagram, PFD)
4.1 物料衡算
五、物料衡算计算示例
1、无反应过程的物料衡算 例1 采用蒸发方法将浓度为 10%NaOH及10%NaCl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:50%NaOH,2%NaCl及48% H2O。若每批处理1000 kg原料液,试求每批操作中:
按330天(或8000小时)计算。但工艺技术尚未成熟、自动控制水平 较低或腐蚀较严重的装置或间歇操作可按300天(或7200小时)计算。
4.1 物料衡算 二、物料衡算的方法与步骤
▲消耗定额(每吨合格产品需要的原料、辅助原料以及动力等消耗 );
▲转化率(表示反应物通过反应发生化学变化的程度);
转化率 = 反应掉的原料量 原料投料量 ×100% ×100%
3)列出主、副化学反应方程式;
当副反应很多时,为了简化计算过程,可以将次要的、占 比重很小的副反应略掉;或者将类型相近的若干副反应合
并,以其中之一为代表。但该处理方式所引起的误差必须
在允许范围之内。 副反应不能忽略的情况:产生有害物质的副反应其量虽然 微小,却是进行某种分离精制设备设计和三废治理设施设 计的重要依据,该副反应不能忽略。
通过热量衡算对原来的工艺设计内容提出修改意见。
4.2 能量衡算
●热量衡算的类型 1)单元设备的热量衡算; 2)整个系统的热量衡算。(当各个工序或单元操作之
间存在热量交换时,必须做整个系统的热量衡算)
●热量衡算方程 ∑Q入= ∑Q出 + ∑Q损
式中:∑Q入 —输入系统热量总和;
∑Q出 —输出系统热量总和;
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4.1 物料衡算
●物料衡算的作用
◎对已投产的装置进行标定:分析装置存在的问题,找出 解决办法。
◎对新设计装置进行计算:利用已有的生产实际数据(或理 论计算数据),在已知产品产量情况下计算出需用原料量、 副产品量和三废的生成量;或在已知原料量的情况下,计 算产品、副产品和三废的量。通过物料衡算,可以得到原 料消耗定额,并在此基础上作出能量平衡,计算出动力消 耗量和消耗定额,计算出生产过程所需热量(或冷量)的多 少,同时为设备工艺计算、选型及台套数的确定提供依据。
4.1 物料衡算
4)确定计算任务;
根据衡算示意图和反应方程式,分析每一步骤和每一设备
中物料的变化情况,选定合适的计算公式,分析数据资料, 明确已知量与可以查到的或计算求出的未知量,为收集数 据资料和建立计算程序做好准备。
5)收集相关数据资料;
▲生产规模(生产能力或原料处理量); ▲生产时间(年工作时数);
②批量基准:间歇生产,一般以㎏/批为基准。 ③质量基准:以生产1 t产品为基准。
④物质的量基准:以1 mol反应物为基准(有化学反应的体系)。
⑤体积基准:在密度已知的情况下。 ⑥出料组成基准
⑦进料组成基准
对于不同的化工过程,究竟采用什么计算基准合适,需 根据具体情况及计算方便而定,无硬性规定。其总体③整个流程。
4.1 物料衡算
2)画出物料衡算示意图;
W
二次蒸汽
加热蒸汽 凝水
稀溶液 F,wf
B,wB
提浓液
针对物料衡算示意图,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
适当的符号表示出来,以便分析与计算。
4.1 物料衡算
▲选择性 ▲单程收率
选择性 =
生成目的产物的原料量 反应掉的原料量 生成目的产物的原料量 原料投料量
单程收率 =
×100%
转化率、选择性、单程收率的关系
单程收率 = 转化率 × 选择性
▲原料、助剂、中间产物和产品的规格和组成;
▲有关的物化常数。 3.1 物料衡算
4.1 物料衡算
6)选定计算基准;
①时间基准:连续生产,一般以㎏/h或kmol/h为基准。
4.1 物料衡算
反应器物料平衡一览表
输入 组分 输出
mol
CH3OH HCHO H2 O O2 1 - - 0.75
mol%
21.9 - - 16.4
mol
0.25 0.75 0.75 0.375
mol%
5.0 15.2 15.2 7.6
N2
总计
2.82
4.57
61.7
100.0
2.82
4.945
57.0
100.0
4.2 能量衡算
一、能量衡算的目的及意义
●能量衡算的概念:
根据 能量守恒定律 ,利用能量传递和转化的规则,用以确
定能量比例和能量转换的定量关系的过程称为能量衡算。
●能量衡算的目的及意义:
能量衡算是化工设计中极其重要的设计计算,通过能量衡 算可以确定过程中需要供给或移走的热量,为换热器的设 计提供依据。另外,通过能量衡算可以了解设备的传热效
2、按操作状态
稳定状态操作和不稳定状态操作两类物料衡算。
3、按衡算范围
单元操作过程(或单个设备)和全流程两类物料衡算。
4.1 物料衡算
三、物料平衡方程
理论依据是质量守恒定律,即在一个孤立体系中无论物质发 生怎样变化(不包括核反应),其质量始终保持不变。 物料平衡方程式的基本表达式为:
∑F0=∑D+A+∑B
∑Q损 —系统损失热量总和。
4.2 能量衡算
●热量衡算的一般步骤(P86)
1) 绘 制 以 单 位 时 间 为 基 准 的 物 料 流 程 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 知条件;
4.1 物料衡算
蒸发过程物料平衡一览表
输入 组分 输出
kg
NaOH NaCl(q) NaCl(s) H2O(l) 100 100 - 800
w%
10 10 - 80
kg
100 4 96 96
w%
10 0.4 9.6 9.6
H2O(g)
总计

1000

100
704
1000
70.4
100
4.1 物料衡算
第4章 物料衡算与能量衡算
物料衡算与能量衡算是进行化工工艺设计及技术经济评价的基本依据。通 过对单元过程或整个工艺过程的物料衡算和能量衡算,得到: 1)主、副产品的产量; 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、汽等动力消耗定额。 同时,根据物料衡算和能量衡算的结果,可以: 1)对生产设备进行工艺计算和选型; 2)确定产品成本等各项技术经济指标,从而可以定量评价所选择的工艺 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; 3)设计绘制工艺物料流程图(PFD)。 物料衡算是热量衡算的基础,物料衡算与热量衡算是设备工艺计算与选型的基础。
4)为充分利用余热、提高能量利用率和降低能耗提供重要 依据;
5)最终确定总需求能量和能量的费用,并确定过程在经济 上的可行性。
4.2 能量衡算
二、能量平衡方程
能量衡算平衡方程式(热力学第一定律表达式):
E Q W
△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。
本章主要教学内容
4.1 物料衡算
一、物料衡算的目的、意义及其作用 二、物料衡算的分类 三、物料平衡方程 四、物料衡算的基本步骤 五、物料衡算计算示例
4.2 能量衡算
一、能量衡算的目的及意义
二、能量平衡方程 三、热量衡算 四、单元设备的热量衡算方法及步骤
五、系统热量平衡计算
六、热量衡算计算示例
4.1 物料衡算
则是确保计算过程尽量简化。
3.1 物料衡算
4.1 物料衡算 二、物料衡算的方法与步骤
7)建立物料平衡方程,展开计算;
根据物料的变化情况,分析各数量之间的关系,列出数学关联式开始 计算。计算时注意: ①已知原料量,欲求产品量时,则顺流程由前向后推算; ②已知生产任务(年产量或每小时产量),求所需原料量,则逆流程 由后向前推算; ③对复杂的化工过程,以顺流程计算较为简单; ④计算时采用的单位要统一。
4.2 能量衡算
三、热量衡算
能量是热能、电能、化学能、动能及辐射能的 总称。而化工过程最常用的能量形式为热能,故 化工设计中经常将能量衡算称为热量衡算。
●热量衡算的目的和任务
确定加热剂或冷却剂的消耗量,以及其它能量的消耗; 计算传热面积,以决定换热设备的工艺尺寸;
确定合理利用热量的方案,提高热量综合利用的效率;
2、有反应过程的物料衡算 例2 由甲醇制备甲醛的反应过程为:
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。
解: 衡算示意图如右图所示。
基准:1 mol CH3OH 根据反应方程式
CH3OH
1)获得的母液量;
2)蒸发出的水分量; 3)结晶出的NaCl量。
解:流程示意图如右图所示。
本题为间歇过程,因此以每 批处理量为基准进行物料衡 算。
组分物料衡算: NaOH平衡 1000 × 0.1 = 0.5F4
NaCl平衡
H2O平衡 解方程得:
1000 × 0.1 = 0.02F4 + F3
1000 ×0.8= F2 + 0.48F4 F2 = 704kg,F3 = 96kg, F4 = 200kg
空气 (过量50%)
催化 反应器
CH3OH HCHO H2O N2
CH30H + 1/2 O2 → HCHO + H20 O2(需要)= 0.5 mol; O2(输入)= 0.5 × 1.5 = 0.75 mol; N2(输入)= N2(输出)= 0.75×(79/21)= 2.82 mol CH3OH为限制反应物 反应的CH3OH = 0.75(转化率) × 1 = 0.75 mol 因此 HCHO(输出)= 0.75mol CH3OH(输出)= 1-0.75=0.25mol O2(输出)= 0.75-0.75×0.5=0.375mol H2O(输出)= 0.75mol
●物料衡算的时间节点:工艺流程草图设计完成后。
4.1 物料衡算
二、物料衡算的分类
1、按操作方式
间歇操作(原料按规定方式投入,经过一番处理后,最后输出全部产物)
半连续操作(原料与产物只要其中的一种为连续输入或输出而其 余则为分批加入或卸出的操作)。 连续操作(原料连续加入,产物连续不断地输出的操作)
(4)在列平衡方程式时,要尽量使方程式中所包含的未知数最少。
4.1 物料衡算
8)整理并校核计算结果;
以物料衡算表的形式体现物料计算的结果(结果汇总)。 XXX物料衡算一览表
序号 1 2 3 ┆ 合 计 组 分 进 料(输入) kg/h 或 kmol/h % 出 料(输出) kg/h 或 kmol/h %
一、物料衡算的目的、意义及其作用
●物料衡算的概念
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。
●物料衡算的目的及意义
根据原料与产品之间的定量转化关系,计算原料的消耗量, 各种中间产品、产品和副产品的产量,生产过程中各阶段 物料的消耗量以及组成,进而为热量衡算、其它工艺计算 及设备工艺计算和选型奠定基础。
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)
注意: ⑴对于连续系统而言,其系统的累积量为零;
⑵系统是计算时确定的计算范围(工厂、车间、工段、设备等)。
4.1 物料衡算
四、物料衡算的基本步骤
1)确定衡算范围;
首先要确定衡算的范围。衡算范围可能有如下3种情况: ①流程中某一个单元设备;
率和热损失情况,进而采取节能措施,合理有效利用能量。
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4.2 能量衡算
●能量衡算的作用:
1)确定物料输送机械和其他操作机械所需要的功率;
2)确定各单元操作过程所需热量或冷量,及其传递速率; 计算换热设备的工艺尺寸;确定加热剂或冷却剂的消耗 量,为其他专业如供汽、供冷、供水专业提供设计条件; 3)对反应过程而言,确定需要移出或提供的热量,为反应 器的设计和选型提供依据;
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