化工设计概论第五章-第六章——物料衡算与能量衡算

能量衡算可以解决的问题
(1)确定物料输送机械和其它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、供水专业提供设条件； (3)化学反应常伴有热效应，导致体系的温度上升或下降， 为此需确定为保持一定反应温度所需的移出或加入的热传 递速率； (4)为充分利用余热，必须采取有效措施，使过程的总能耗 降低到最低程度。为提高能量利用率，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。
物料平衡的一般分析
• 变量： • Nv=Ns(Nc+1)+Np • 设计变量(需要赋值的变量)： • Nd=Nv-Ne
• 要求给定的设计变量数刚好等于需要的个数， 否则会出现矛盾或无解的情况。
原材料的消耗定额
（1）转化率（化学反应进程的标志）
反应物的反应量/反应物的进料量
（2）选择性
目标产物所消耗的反应物的量/被转化掉的原料的量
解：过程如图，基准：100 kmol的废气。 锅炉的能量平衡为：
计算结果
课堂练习
1. 一 种 废 酸 ， 组 成 为 22 ％ ( 质 量 ％ )HNO3 ， 57 ％ H2SO4和21％H2O，加入93％的浓H2SO4及90％的 浓HNO3，要求混合成27％HNO3及60％H2SO4的 混合酸，试完成该过程的物料衡算。
物料衡算的步骤
1、画出流程示意图（框图）
稀溶液 F,wf
二次蒸汽
W
加热蒸汽
凝水 提浓液
B，wB
物料衡算步骤
2、收集数据资料（生产规模、时间，收率、转化率，原材
料及产品规格，有关物理化学常数）
3、确定由物料平衡求解的任务 4、确定计算的范围（系统的边界） 5、列出主、副化学反应式 6、约束条件（归一方程、恒沸组成、相平衡数据） 7、选定计算基准（时间，质量，体积，干湿基准，例5-1） 8、建立物料平衡方程，计算（流体流量及组成，能量衡算等） 9、整理并校核计算结果（绘制物料流程图、填写物流表） 10、结论（说明题意求解的问题，计算误差的范围）
第五章 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过程 设计及技术经济评价的基本依据。通过对全生 产过程或单元过程的物料和能量的衡算，计算 得到：
1）主、副产品产量； 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、汽或其他燃料等消耗定额； 5）设计物料流程图。
4、按衡算对象 总质量衡算、组份衡算、元素衡算；可参考表5-1
物料平衡方程式
根据质量守恒定律，对某一个体系内质量流 动及变化的情况用数学式描述物料平衡关系则为 物料平衡方程式。其基本表达式为：
∑F0=∑D+A+∑B
式中，F0—输入体系的物料质量； 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)
(3)在写平衡方程式时，要尽量使方程式中 所包含的未知数最少。
物料平衡的一般分析
进料-------出料 物料：单组份、多组分；均相、非均相。 已知物流的流量及组成——物料及组分衡方程 式——求解未知物流的流量和组成 等式： 1）物料平衡方程式（三类） 2）物流的约束式（归一、恒沸、相平衡、溶解度等） 3）设备的约束式
能量平衡方程式
能量衡算平衡方程式
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。
热量衡算
热量衡算有两种情况：
1）对单元设备做热量衡算； 2）整个过程的热量衡算。
（当各个工序或单元操作之间有热量交换时，必须做全过程的热
量衡算。）
热量衡算方程式
系统中的积累=输入-输出+生成-消耗
注：生成或消耗是因化学反应生成或消耗的量；积累 项可正可负。
积累项=0，稳态过程，输入=输出-生成+消耗 无化学反应，输入=输出
物料衡算的分类
1、按操作方式 分为间歇操作、连续操作两类物料衡算；
2、按状态 将其分为稳定状态操作和不稳定状态操作两类 衡算。
3、按衡算范围 分为单元操作过程(或单个设备)和全流程的两 类物料衡算；
(3) 收率
目标产物所消耗的反应物的量/反应物的进料量 =转化率×选择性
（4）限制反应物（最小化学计量存在的反应物） （5）过量反应物（超过最小化学计量的反应物）
过量度=（输入量-需要量）/需要量
物料衡算计算举例
1．无反应 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：1)获得的母 液量，2)蒸发出的水分量，3)结晶出的NaCl量。
F4 = 200kg
物料衡算计算举例
2.有反应
甲醇制造甲醛的反应过程为：
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。
物料衡算计算举例
解： 画出流程图
CH3OH
空气 (过量50%)
催化 反应器
第五章 物料衡算与能量衡算
根据物料衡算和能量的衡算结果， 可以：
1）对生产设备进行设计和选型； 2）确定产品成本等各项技术经济指标， 从而可以定量地评述所选择的工艺路线、 生产方法及工艺流程在经济上是否合理， 技术上是否先进。
第一节 物料衡算
物料衡算的概念：
物料平衡的理论依据是质量守恒定律，即 在一个孤立体系中不论物质发生任何变化(不包 括核反应)它的质量始终保持不变。
CH3OH HCHO H2O N2
计算过程
基准：1 mol CH3OH 根据反应方程式 O2(需要)= 0.5 mol； O2(输入)= 1.5 × 0.5 = 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 × 1 = 0.75 mol 因此 HCHO(输出)= 0.75mol CH3OH(输出)= 1-0.75=0.25mol O2(输出)= 0.75-0.75x0.5=0.375mol H2O(输出)= 0.75mol
计算过程
解：本题为间歇过程，因此以每批处理量为基准
进行物料衡算。流程示意图2-2
组分物料衡算：
NaOH平衡 1000 x 0.1 = 0.5F4
NaCl平衡 1000 x 0.1 = 0.02F4 + F3
H2O平衡
1000(1-0.1-0.1)= F2 + 0.48F4
解方程得： F2 = 704kg，F3 = 96kg，
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。若体系内有 化学反应，则衡算式中各项用摩尔／ 时为单位时，必须考虑反应式中的化 学计量系数 。
列物料平衡式时应注意的事项
(2)对于无化学反应体系，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。
计算结果
组分
CH3OH HCHO H2O
O2 N2 总计
mol
0.250 0.750 0.750 0.375 2.820 4.945
mol%
5.0 15.2 15.2 7.6 57.0 100.0
第二节 能量衡算
能量衡算定义
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 变的定量关系的过程称为能量衡算。
∑Q入= ∑Q出+∑Q积累
式中:∑Q入—输入设备热量总和； ∑Q出—输出设备热量总和； ∑Q积累—积累的热量总和。
热量衡算步骤
(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；
(3)选定计算基准温度。由于手册，文献上查到的热 力学数据大多数是273K或298K的数据，故选此温 度为基准温度，计算比较方便。计算时相态的确 定也是很重要的；
进行热量衡算注意事项
(3)计算结果是否正确适用，关键在于数
据的正确性和可靠性。
(4)间歇操作设备，传热量Q随时间而变
化，因此要用不均衡系数将设备的 热负荷由千焦／台换算为千焦／小 时。
(5)选定设备的换热面积要大于理论计算。
热量衡算举例
例1 某化工厂计划利用废气的废热，进入废热锅 炉 的 废 气 温 度 为 450℃ ， 出 口 废 气 的 温 度 为 260℃，进入锅炉的水温为25℃，产生的饱和水 蒸气温度为233.7℃，3.0MPa，(绝压)，废气的 平均热容为32.5 kJ／(kmol·℃)，试计算每100 kmol的废气可产生的水蒸汽量?
(4)列出热量衡算式，然后用数学方法求解未知值； (5)整理并校核计算结果，列出热量平衡表。
进行热量衡算注意事项
(1)热量衡算时要先根据物料的变化和走向，
认真分析热量间的关系，然后根据热量守 衡定律列出热量关系式。
(2)Leabharlann Baidu弄清楚过程中出现的热量形式，以便
搜集有关的物性数据（化学反应热、标准燃
烧热、熔融热、溶解热、汽化热、浓度变化热、 无限稀释热等）。