化工设计---第四章 物料衡算和热量衡算

三、能量衡算的一般方法 ⑴ 正确绘制系统示意图，标明已知条件和物料状态； ⑵ 确定各组分的热力学数据； ⑶ 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。 ⑷ 列出能量衡算方程式，进行求解。
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。
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第四章
物料衡算和热量衡算
2.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= σcr
N2 78% CO 20% CO2 2% H2 50% CO 50% 1 2 N2 H2 CO CO2 H 2O N2 H2 CO2 H 2O
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c =1，2，……，n
F3 x3B=0.025 x3C=0.35 x3D
F5 x5C x5D
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。
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第四章
物料衡算和热量衡算
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 HCHO 2O O2 N2
s
e = 1，2，……，E e = 1，2，……，E
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第四章
Baidu Nhomakorabea
物料衡算和热量衡算
4.以节点进行衡算
分流B B 分流A 节点 C Fa=Fb+Fc 分流C A 节点
Fa+Fb=Fc
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第四章
物料衡算和热量衡算
第二节 车间（装置）的物料衡算
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: ⑴过程整体分析; ⑵写出各单元的方程式和约束式; ⑶列出所有的变量，并选好所需的设计变量; ⑷应用单元模块法求解联立方程组。
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第四章
物料衡算和热量衡算
一、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
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第四章
总平衡式
物料衡算和热量衡算
物料平衡形式
*总质量平衡式 总摩尔平衡式 组分平衡式 组分质量平衡式
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第四章
物料衡算和热量衡算
总平衡式 液体平衡式
输入的料浆=输出的滤液+输出的滤饼 F1= F2+F3 F1x11= F2x21+F3x31
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第四章
精馏过程
物料衡算和热量衡算
三个未知数需三个方程
馏出液 F3
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 （1－0.6）F1
w
U T1 p1 u1 U1 Z1
T2 p2 u2 U2
Z
Z2
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第四章
物料衡算和热量衡算
稳态过程的敞开体系
U gZ 1 u2 = q + w 2
（2）封闭体系
1 U gZ u2 = q + w 2
（3）孤立体系
1 U gZ u2 = 0 2
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第四章
物料衡算和热量衡算
基准
0 H r
=-56.68 kJ/mol
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第四章
物料衡算和热量衡算
H
0 f
（1）标准生成热
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。 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。
F1 料液 乙醇 40% 水 60% F2 苯
乙醇 水 24% 苯 75%
乙醇产品 F4=1000kg/h
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第四章
物料衡算和热量衡算
二、多单元系统
F2 x2B x2C F1=1000mol/h x1B=0.2 x1C=0.3 x1D 单 元 Ⅰ F4 x4B=0.08 x4C=0.72
单 元 Ⅱ
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第四章
物料衡算和热量衡算
第三节 化学反应过程的能量衡算
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 ΔE = 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]
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第四章
q
物料衡算和热量衡算
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CH3OH 空气 （过量50%）
催化反应器
第四章
物料衡算和热量衡算
输入： O2（需要）= 0.5mol； O2（输入）= 1.5×0.5 = 0.75mol； N2（输入）= N2（输出）= 0.75×（79/21） = 2.82mol； 反应的CH3OH =0.75×1 = 0.75mol 输出： 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
反应器2 4 5
反应器1
3 H2O
第四章
物料衡算和热量衡算
3.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 = F js Fis
j i
为原子系数 S种物质的元素e的净原子流出速率为
es
es Fs
s
物质守恒则元素守恒
es Fs = 0 s es Fs= 0 Ae
⑽ 结论
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第四章 关于基准
⑴ 时间基准
物料衡算和热量衡算
连续（小时，天……）
间歇（釜，批……） ⑵ 质量基准 kg，mol， kmol …… ⑶ 体积基准 m3（STP） ⑷ 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%
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
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第四章
物料衡算和热量衡算
物料衡算的基本步骤
⑴ 画出流程示意图 ⑵ 列出已知数据 ⑶ 列出由物料平衡所需求解的问题。 ⑷ 决定系统的边界
⑸ 写出主、副产品的化学反应方程式。
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第四章
物料衡算和热量衡算
⑹ 约束条件 ⑺ 选择计算基准 ⑻ 进行物料平衡计算 ⑼ 列出物料和能量平衡表，并进行校核
12 产品流 HAC 99% H2O 1% 产 品 精 馏 塔
混合器1
E 7% HAC H2O H2SO4 混合器2
5 8
10 E 98.8% H2O 1.2% HAC 60% H2O 40%
E 98.8% H2O 1.2% 溶 剂 提 馏 塔
6
7
E 99% H2O 1％
9
废料 E 0.1% HAC H2 O H2SO4
普通高等学校十二五规划教材
《化工设计》
第四章
物料衡算和热量衡算
2015年8月6日
第四章
物料衡算和热量衡算
第一节 连续过程的物料衡算
• 教学内容： • 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。 • 重点和难点： • 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。 • 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。
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第四章
物料衡算和热量衡算
1. 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。
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第四章
物料衡算和热量衡算
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 5×1.25 = 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 23.51kmol； 合计 31.76kmol；
标准反应热和生成热之间的关系
0 H r
0 0 v v H H pj Rj f , Rj f , pj
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第四章
物料衡算和热量衡算
0 H o
（2）标准燃烧热
组分和氧完全燃烧的标准反应热
由燃烧热计算反应热的一般表达式:
0 H r
0 0 v v H H pj Rj o, pj o, Rj
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第四章
物料衡算和热量衡算
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
物料的热量用热容的计算式为：
Q ( FiC pi T )
用热焓计算式为：
Q Fi hi T , p,
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第四章
计算示例
物料衡算和热量衡算
流 程 示 意 图
1kmol； 0.79kmol； 0.101kmol； 0.135kmol； 0.042kmol； 0.79kmol； 1.068kmol；
= 93.7kmol
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100 1.068
第四章
物料衡算和热量衡算
（3）基准：100kmol烟道气 以元素平衡法：C3H8 + 5O2 = 3CO2 + 4H2O C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 C3H8 N2 O2 CO2 H2O A = 93.7kmol； B = 3.148kmol； N = 74.02kmol； M = 3.935 kmol； P = 9.445 kmol ； Q = 12.59 kmol。
基准后
第四章
解：
物料衡算和热量衡算
这是一个只做物料衡算的情况，从流程特点可以看出，整个流程系统是：
整体 1、7号流股输入 9、12号流股输出 流程系统 （无化学反应）
因为流程中没有化学反应，而所有输入的流股中只含有4种组份，因 而可以判定流程中所有流股所含有的组份应该≦4种。
反应物的反应量 反应物的进料量
转化率 =
xA =
n A0 n A n A0
生成目的产物所消耗的 反应物量 100% 原料的反应量
⑵ 选择性 选择性 =
β=
(nC nC 0 ) / c ( n A0 n A ) / a
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第四章
⑶ 收率
物料衡算和热量衡算
收率 = 转化率×选择性
生成目的产物所消耗的 反应物量 = 反应物的进料量
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第四章
物料衡算和热量衡算
物料平衡计算的条件
１. 方程式 ⑴ 物料平衡方程式
⑵ 物流约束式
构成物流各组分的分率之和等于1
xj
=1
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第四章
物料衡算和热量衡算
2.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
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第四章
⑴ 转化率
物料衡算和热量衡算
x=
100 29.76 = 93.7kmol 31.76
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第四章
物料衡算和热量衡算
2.基准：1kmol空气 实际供氧 0.21/1.25=0.168kmol； 燃烧C3H3 0.21/（5×1.25） =0.0336kmol； 供给空气量 其中氮气量 产生：CO2 H2O O2 N2 合计
x=
11 循环流 HAC 24% 进料 HAC 30％ H2O 69.8% H2SO4 0.2% 1 2 4 萃 取 塔 3 溶 剂 回 收 塔
例题：有如图所示的一个连续 流程，用于稀醋酸的浓缩处理， 图中E代表某种溶剂组分。过 程无任何化学反应。已知： 1. 产品精馏塔进料中的 HAc有67.5%从产品流中产出。 2. F1=2.3F11 3. 图中所有组成均为质量 百分数。 要求： 1. 试作此过程的自由度分析， 列出自由度分析表 2. 指出完整的物料衡算（MB） 计算顺序 3. 求解出2号流股的组成及 F2/F9
ψ=βxA =
(nC nC 0 ) / c n A0 / a
⑷ 限制反应物 ⑸ 过量反应物
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第四章
物料衡算和热量衡算
无化学反应的物料衡算
过滤过程
料浆 F1=2000kg/h 75%液体 25%固体 过滤机 滤饼 F3=？kg/h 90%固体 10%液体
滤液
F2=？kg/h 1%固体 99%液体