第四章物料衡算和能量衡算

设计化工单元操作：闪蒸罐，间歇精馏器，蒸馏器，液－液抽提精馏 器，侧线塔，压缩机，结晶器，旋流器，减压设备，溶解器，膨胀机， 闪蒸，带有固体的闪蒸，LNG多股流换热器，精确核算型换热器， 简单换热器，严格空冷器模型，加热/冷却曲线，混合器，相包络， 管道，聚合物反应器，泵，回流泵，阀，刮膜式蒸发器，平衡反应器， 转换反应器，吉布斯反应器，塞流反应器，平推流反应器，全混流反 应器， 间歇式反应器，固态颗粒分离器，分裂器，单变量控制器， 多变量的控制器，物流计算器，流程优化器，过程数据，用户自定义 操作单元，(电解质模块，SIMSCI外接的模块)等。 用户扩展功能：用户自定义物流属性包；增加用户组份数据；增加热 力学计算方法；增加自定义操作单元模块120个；增加自定义计算模 型7个；增加自定义电解质模型20个等。 分析工具：工况研究、优化器、单相变量控制器、多相变量控制器、 加热/冷却曲线等。
➢ 有关定额的技术指标，通常指产品单耗、配料比、循环比、固液 比、气液比、回流比、利用率、单程收率、回收率等等。
➢ 原辅材料、产品、中间产品的规格； ➢ 与过程有关有物理化学参数，如临界参数、密度或比体积、状态方
程参数、蒸汽压、气液平衡常数或平衡关系等。
(6) 列出过程全部独立物料平衡方程式及其相关约束式，对有化学反 应的还要写出化学反应方程式，指出其转化率和选择性。
率，催化剂状态、用量、回收方法、安全性能等； ➢ 原料及产品的分离方式，分离剂的用量，各步的回收率； ➢ 特殊化学品的物性：wk.baidu.com点、熔点、饱和蒸汽压、闪点等。 (3) 工艺流程示意图。
二、物料衡算基准 物料衡算时须选择计算基准，并在计算过程中保持一致。 一般计算过程的基准有以下几种：
(1) 时间基准——对连续生产过程，常以单位时间(如d、h、s）的投料 量或产品量为计算基准。
Q =U 2. 流动体系的能量衡算方程——物料连续通过边界进出
能量输入速率-能量输出速率=能量积累速率
连续稳定流动过程的总能量衡算方程为： U g z1 u2 (p)v Q W 2
Hgz1 2u2QW s
3. 热量衡算式及说明
⑴ 热量衡算式
在反应器、蒸馏塔、蒸发器、换热器等化工设备中，W、Ek、
消耗定额。 ➢ 计算产品的技术经济指标。
为生产设备和辅助设备的选型及设计、管路设施与公用工程的设 计等方面提供依据。
一、物料衡算依据 1. 理论依据——质量守恒定律
物料衡 单元操作的物料衡算——化工设备设计的前提 算范围 化工过程的物料衡算——化工过程设计的前提
物料衡算的一般表达式为： 输入量－输出量＋生成量－消耗量＝积累量
化工设计
第四章 物料衡算与能量衡算 Chart4 materiel balance and energy balance
4.1 物料衡算 4.2 能量衡算 4.3 化工模拟软件在化工设计中的应用
4.1 物料衡算 物料衡算—运用质量守恒定律，对化工过程或设备进行定量计算。
通过物料衡算解决以下问题： ➢ 计算原料消耗量、副产品量； ➢ 输出过程物料的损耗量及三废的生成量； ➢ 在物料衡算基础做能量衡算，计算蒸汽、水、电、煤或其他燃料的
适用行业：油/气加工、炼油、化工、化学工程、建筑、聚合物、精 细化工/制药 模拟应用：新工艺设计、评估改变的装置配置、改进现有装置、消除 装置工艺瓶颈、优化和改进装置产量和效益。 组份数据库：2000多纯组分库、1900多组分/种类电解质库等。 混合物数据：用于3000多VLE二元作用参数、2200在线共沸混合物用 于参数估算、专用数据包等。 热力学计算方法：60多个热力学模型。 热力学数据：特殊包：胺，乙二醇，酒精；超过5000个二元交互参数； 专用的水溶性数据；超过550个Henry系数；二元交互参数预测；热力 学数据回归。
(2) 批量基准——以每批操作或一釜料的生产周期为基准。 (3) 质量基准——当系统介质为液、固相时，选择一定质量的原料或产
品作为计算基准较适合。 (4) 物质的量基准：对于有化学反应的过程因化学反应的按摩尔进行的，
用物质的量基准更方便。 (5) 标准体积基准：对气体物料进行衡算，可采用标准体积基准，
他温度作为基准温度。 ③在物料流程图上标明已知温度、压力、相态等条件，查出或计算每
个物料的焓值，标注在图上。 ④ 列出热量衡算式，用数学方法求解。 ⑤ 当生产过程及物料组成较复杂时，可列出热量衡算表。
4. 机械能衡算式 连续稳定流动过程的总能量衡算方程为：
Hgz1 2u2QW s
在一些单元操作中，Q、U与动能和位能变化及外功相比，相对 较小，如流体流入流出贮罐、贮槽、工艺设备、输送设备、废料排放， 管道流动等过程。
对稳定操作过程，积累量=0 输入量-输出量+生成量-消耗量=0
对无化学反应的过程： 输入量－输出量＝积累量
对无化学反应的稳定操作过程：输入量＝输出量
对有化学反应的过程：总物料衡算+元素衡算式 2. 数据基础
(1) 技术方案、操作方法、生产能力、年工作时。 (2) 建设单位或研究单位的要求、设计参数、小试及中试数据： ➢ 化工单元过程的化学反应式、原料配比、转化率、选择率、总收
明确输入和输出。 (2) 确定计算任务，明确已知项、待求项，选择数学公式，力求使计算
方法简化。 (3) 确定过程所涉及的组分，并对所有组分依次编号。 (4) 对物流的流股进行编号，并标注物流变量。 (5) 收集数据资料（设计任务所规定已知条件，与过程有关物理化学参
数）：
➢ 生产规模（设计任务所规定，t/年）和生产时间（指全年有效生 产天数300~330天/年，计约8000h）。
分数约束式 约束式
设备约束式
① 进料配比为一常数； ② 分流器出口物流具有相同的组成； ③ 相平衡常数； ④ 化学反应平衡常数； ⑤ 化学反应的转化率、选择性或其他限
度。
(7) 选择计算基准； (8) 统计变量个数与方程个数，确定设计变量个数及全部设计变量。 (9) 整理并校核计算结果，并根据需要换算基准，最后列成表格即物
催化裂化、加氢裂化的反应部分）。 ➢ 国际上大的从事流程模拟的公司在模型上实行技术封锁，我国的石化
企业长期几乎完全依赖外国相关产品，现有产品价格昂贵。
➢ 现有产品主要集中在比较成熟的精馏过程的建模和优化，在其他一 些主要装置，如反应器、反应精馏、聚合等过程还没有模型或只有 简单的模型，对石化企业好设计部门来说，花巨资购买的软件只能 在某些装置上使用。
单位质量不可压缩流体流动时的机械能衡算式：
g z u 2 /2 p /h f h e
4.3 化工模拟软件在化工设计中的应用
计算机用于化工设计的主要环节： ➢物性数据检索(物理性质、热力学性质数据)； ➢化工过程模拟设计(CAPD)； ➢计算机辅助绘图设计(CAD)； ➢计算机辅助工程(CAE)等
Ez与Q、 U和H的相比，可以忽略。总能量衡算式为：
封闭体系
Q = ∆U
敞开体系
Q = ∆H
对这些设备做能量衡算的实质就是进行热量衡算。
连续稳定流动体系的热量衡算：
Q = H1–H2 或 Q = U1 –U2 实际计算时，还常使用下式： Qin = Qout
Q1+ Q2+ Q3= Q4+ Q5+ Q6
流表。 (10) 绘制物料流程图，编写物流表作为设计文件成果编入正式设计
文件。
三、物料衡算举例 P33 例3-1~3-4 自学
4.2 能量衡算 在物料衡算基础上进行能量衡算，能量衡算的步骤与物料衡算相同。
化工生产中，需要通过能量衡算解决的问题： ⑴ 确定物料输送机械和其他操作机械所需功率。 ⑵ 确定各单元过程所需热量或冷量及其传递速率。 ⑶ 化学反应所需的放热速率和供热速率。 ⑷ 做好余热综合利用。
二、三种化工模拟软件的对比 ➢ 一般认为，PROII在炼油工业应用更为准确些，因其数据库中有不少
经验数据；而ASPEN在化工领域表现更好。 ➢ HYSYS主要用于天然气的加工处理及炼油工业。 ➢ Aspen plus 计算较准确，数据库比较完善。不过由于它考虑的方面非
常全面，所以学起来比较费劲。
三、化工模拟软件存在问题 ➢ 还没有成熟的化工软化可用于石油化工过程部分主要装置的模拟（如
Nm3(STP)，既排除T、p的影响，又可直接换算为摩尔。 (6) 干湿基准：由于物料中均含有一定量的水分，选用基准时就有算不
算水分的问题。湿基计算水分，干基不计算水分。
实际计算时，必须根据具体情况选择合适的基准，过程的物料衡 算及能量衡算应在同一基准上进行。
三、物料衡算的基本程序 (1) 确定衡算对象和范围，画出计算对象的草图。注意物料种类和走向，
Q1——物料带入热量； Q2——加热介质供给或输出的热量，输入为正，输出为负；
Q3——过程的热效应，吸正放负； Q4——物料带出热量； Q5——消耗在加热设备各部件上的热量； Q6——设备向四周的散热损失；
⑵ 热量衡算的步骤
① 建立单位时间为基准的物料流程图或物料平衡表。 ②选定计算基准温度和计算相态：可选0℃(273K)、25℃(298K)或其
目前用的较多的化工流程模拟计算软件有PRO/II、HYSYS、 ASPEN PLUS等。
PRO/II 流程模拟软件 PRO/II 由美国模拟科学（SIMSCI）公司研发提供的。是目前石
油化工行业最全面的流程模拟软件，已被广泛地应用于化学过程的严 格的质量和能量平衡。
西安石油大学2006年也购买了该软件，20个用户终端。 PRO/II流程模拟软件功能特点
能量衡算的基本方程式 根据热力学第一定律，能量衡算方程可写为： Q+W=E =Ek+Ep+U
W = Wt +Ws，Wt为流动功，Ws为轴功；
1. 封闭体系的能量衡算方程 封闭体系特点：与环境只有能量交换，而无物质交换，如间歇操作过 程，体系物质的动能、位能、压力能无变化，则：
U = Q + W 若体系与环境没有功的交换，即W = 0，则：
➢ 开发出针对我国石化企业，覆盖主要生产装置的流程模拟、过程控 制好过程优化软件将具有很强的市场竞争力。