化工设计第三章物料衡算和能量衡算PPT文件格式下载.ppt

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如图，表示无化学反应的连续过程物料流程。

图中方框表示一个体系，虚线表示体系边界。

共有三个流股，进料F及出料P和W。

有两个组分。

每个流股的流量及组成如图所示。

图中x为质量分数。

第一节连续过程的物料衡算,总物料衡算式F=P+W每种组分衡算式Fxf1=Pxp1+Wxw1Fxf2=Pxp2+Wxw2,第一节连续过程的物料衡算,2物料衡算基准

（1）时间基准

（2）批量基准（3）质量基准（4）物质的量基准（5）标准体积基准,第一节连续过程的物料衡算,二、物料衡算的基本程序

（1）确定衡算的对象和范围。

（2）确定计算任务。

（3）确定过程所涉及的组分，并对所有组分依次编号。

（4）对物流流股进行编号，并标注物流变量。

（5）收集数据资料。

第一节连续过程的物料衡算,（6）列出过程的全部独立物料衡算式及其它相关约束式。

（7）选择合适的计算基准。

（8）统计变量个数与方程个数，确定设计变量的个数及全部设计变量。

（9）整理并校核计算结果。

（10）绘制物料流程图，编写物流表。

第一节连续过程的物料衡算,三、非反应过程的物料衡算,第一节连续过程的物料衡算,一种废酸，组成为23（质量）HNO3，57H2SO4和20H2O，加入93的浓H2SO4及90的浓HNO3，要求混合成27HNO3及60H2SO4的混合酸，计算所需废酸及加入浓酸的数量。

解：

设x废酸量，kg；

y浓H2SO4量，kg；

z浓HNO3量；

第一节连续过程的物料衡算,1、画物料流程简图,第一节连续过程的物料衡算,2、选择基准，可以选废酸或浓酸的量为基准，也可以用混合酸的量为基准，因为四种酸的组成均已知，选任何一种作基准计算都很方便。

3、列物料衡算式，该体系有3种组分，可以列出3个独立方程，所以能求出3个未知量。

基准：

100kg混合酸,第一节连续过程的物料衡算,总物料衡算式：

x+y+z=100

（1）H2SO4的衡算式：

0.57x+0.93y=1000.6=60

（2）HNO3的衡算式：

0.23x+0.90z=1000.27=27（3）解

（1），

（2），（3）方程，得x=41.8kg废酸y=39kg浓H2SO4z=19.2kg浓HNO3即由41.8kg废酸、39kg浓H2SO4和19.2kg浓HNO3可以混合成100kg混合酸。

第一节连续过程的物料衡算,根据水平衡，可以核对以上结果：

加入的水量=41.80.2+390.07+19.20.10=13kg混合后的酸，含13H2O，所以计算结果正确。

以上物料衡算式，亦可以选总物料衡算式及H2SO4与H2O二个衡算式或H2SO4、HNO3和H2O三个组分衡算式进行计算，均可以求得上述结果。

第一节连续过程的物料衡算,四、反应过程的物料衡算,第一节连续过程的物料衡算,例3-1在化学反应器中，利用乙烯部分氧化制取环氧乙烷，是将乙烯在过量空气存在条件下通过银催化剂进行。

主反应：

同时存在副反应：

如果进料物质的流量为1000mol/h，进料中含C2H4摩尔分数为10%，乙烯的转化率为25%，生成产物的C2H4的选择性为80%，计算反应器出口物流的流量与组成。

第一节连续过程的物料衡算,转化率（以x表示）：

某一反应物反应掉的量占其输入量的百分数。

若以NA1、NA2分别表示反应物A输入及输出体系的摩尔数，则反应物A的转化率为：

第一节连续过程的物料衡算,选择性（以S表示）：

反应物反应成目的产物所消耗的量占反应物反应掉的量的百分数。

若反应物为A，生成的目的产物为D，ND表示生成的目的产物D的摩尔数，a、d分别为反应物A与目的产物D的化学计量系数，则选择性为：

第二节车间（装置）的物料衡算,实际化工生产中，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，物料衡算比较复杂。

以工业合成氨原料气和乙烯直接水合制乙醇的车间物料衡算为例。

第二节车间（装置）的物料衡算,例3-2工业上，合成氨原料气中的CO通过变换反应器而脱除，如图3-2所示。

在反应器1中大部分CO转化，反应器2中完全脱除。

原料气是由发生炉煤气（78%N2，20%CO，2%CO2）和水煤气（50%H2，50%CO）混合而成的半水煤气，在反应器中与水蒸汽发生反应。

最后得到的物流中H2与N2之比为3：

1。

假定水蒸汽流率是原料气总量（干基）的两倍，同时反应器1中的CO的转化率为80%，试计算中间物流F4的组成。

第二节车间（装置）的物料衡算,反应器1,反应器2,N278%，CO20%CO22%，F1,H250%，CO50%，F2,F3,H2O,F4,N2，H2O，H2，CO，CO2,N2，CO2H2O，H2，,F5,图3-2氨原料气中CO脱除流程示意,第二节车间（装置）的物料衡算,例3-3乙烯直接水合制乙醇过程的物料衡算。

在工业生产中，乙醇经常通过乙醇直接水合法制备，流程示意见图3-3。

第二节车间（装置）的物料衡算,主反应,同时存在副反应,第二节车间（装置）的物料衡算,已知：

原料乙烯F1组成（体积分数）：

乙烯96%，惰性物质4%；

进入反应器的混合气F4组成（干基，体积分数）：

C2H485%，惰性物质13.98%，H21.02%；

原料乙烯F1与水蒸汽的摩尔比1：

0.6；

乙烯单程转化率5%（摩尔）（其中生成乙醇占95%，生成乙醚、聚合物各占2%，生成乙醛占1%）；

洗涤过程产物气中C2H2溶解5%；

常压分离出的乙烯5%进入循环气体中，95%作别用。

试求：

循环物流组成、循环量、放空气体量、C2H2总转化率和乙醇的总收率，生成1t乙醇的乙烯消耗定额（乙醇水溶液蒸馏时损失乙醇2%）。

第三节化学反应过程的能量衡算,在化工生产中，能量的消耗是一项重要的技术经济指标，它是衡量工艺过程、设备设计、操作制度是否先进合理的主要指标之一。

能量衡算有两种类型的问题，一种是先对使用中的装置或设备，实际测定一些能量，通过衡算计算出另外一些难以直接测定的能量，由此作出能量方面的评价，即由装置或设备进出口物料的量和温度，以及其它各项能量，求出装置或设备的能量利用情况；

第三节化学反应过程的能量衡算,另一类是在设计新装置或设备时，根据已知的或可设定的物料量求得未知的物料量或温度，或需要加入或移出的热量。

能量衡算的基础是物料衡算，只有在进行完备的物料衡算后才能作出能量衡算。

第三节化学反应过程的能量衡算,根据能量守恒原理，能量衡算的基本方法可表示为：

输入的能量一输出的能量积累的能量由于物质具有各种形式的能量，因此作能量衡算时也应注意输入、输出体系的各种能量，上式中各项指的都是“总能量”，因为总能量中某部分能量并不总是守恒的。

第三节化学反应过程的能量衡算,一、化学反应过程的能量衡算化学反应过程通常都伴随较大的热效应吸收热量或放出热量。

为了使反应温度得到控制，必须自反应体系排走热量或向反应体系供给热量，即反应器必须有供热或冷却用的换热设备，这种措施不但成为反应能否进行的关键，也与能量的合理利用有密切关系。

第三节化学反应过程的能量衡算,当体系进行化学反应时，应将反应热列入能量衡算式中。

反应体系能量衡算的方法按计算焓时的基准区分，主要有两种。

第三节化学反应过程的能量衡算,二、第一种基准以反应热效应为基础的计算方法如果已知标准反应热，则可选298K，101.3kPa为反应物及产物的计算基准。

对非反应物质另选适当的温度为基准（如反应器的进口温度或平均热容表示的参考温度）。

例3-4氨氧化反应器的能量衡算,此反应在25、101.3kPa的反应热为Hro=-904.6kJ。

现有25的100molNH3/h和200molO2/h连续进入反应器，氨在反应器内全部反应，产物于300呈气态离开反应器。

如操作压力为101.3kPa计算反应器应输入或输出的热量。

氨氧化反应式为:

第三节化学反应过程的能量衡算,如果一个过程的反应很复杂，难以写出平行反应的化学反应式，或难以确定一种原料参加不同反应的量的比例。

反应很多，以致无法判别出每个单独的反应，更谈不上各反应间的比例关系，标准反应热也无法知道，因此用第一种基准来算这类问题就显得有困难。

此时，可以用第二种基准。

第三节化学反应过程的能量衡算,三、第二种基准以生成热为基础的计算方法以组成反应物及产物的元素，在25，101.3kPa时的焓为零，非反应分子以任意适当的温度为基准，也要画一张填有所有流股组分ni和Hi的表，只是在这张表中反应物或产物的Hi，是各物质25oC的生成热与物质由25变到它进口状态或出口状态所需显热和潜热之和。

例3-5用第二种基准作能量衡算,甲烷在连续式反应器中用空气氧化生产甲醛，副反应是甲烷完全氧化生成CO2和H2O。

以100mol进反应器的甲烷为基准，假定反应在足够低的压力下进行，气体可看作理想气体。

甲烷于25进反应器，空气于100进反应器，如果保持出口产物为150，需从反应器取走多少热量？

第四节计算机在物料衡算与能量衡算中的应用,计算机在化工设计中的应用几乎贯穿于工程设计的全过程和设计工作的各个方面。

大型的石化企业的工程投标均要求有相应的过程模拟数据。

一、流程模拟软件

（一）AspenONE工程与创新解决方案

（二）PRO/II（三）VMGSim、VMGThermo（四）ChemCAD（五）ECSS工程化学模拟系统化工之星二、用ChemCAD进行物料衡算与能量衡算（邻苯二甲酸酐的合成）,第三章作业,1、有一个蒸馏塔，输入和输出物料量及组成如下图。

输入物料中A组分的98.7自塔顶蒸出。

求每千克输入物料可得到塔顶馏出物2的量及其组成。

第三章作业,2、乙烯部分氧化制取环氧乙烷的反应器中进行如下反应：

副反应：

反应温度基本上维持在250，该温度下主、副反应的反应热分别为：

乙烯的单程转化率为32%，生成产物的C2H4的选择性为69%，反应器进口混合气的温度为210，流量45000m3（STP）/h，其组成如下：

热损失按反应放出热量的5%考虑，求移出的热量。