化工设计之物料衡算和热量衡算优质PPT.ppt

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,三、物料衡算的依据,

（1）设计任务书中确定的技术方案、产品生产能力、年工作时及操作方法。

（2）建设单位或研究单位所提供的要求、设计参数及实验室试验或中试等数据，主要有：

a）化工单元过程的主要化学反应方程式、反应物配比、转化率、选择性、总收率、催化剂状态及加入配比量、催化剂是否回收使用、安全性能（爆炸上下限）等。

b）原料及产品的分离方式，各步的回收率，采用物料分离剂时，加入分离剂的配比。

c）特殊化学品的物性，如沸点、熔点、饱和蒸汽压、闪点等。

（3）工艺流程示意图,四、物料衡算的基本方法,

（一）.化工过程的类型,化工过程操作状态不同，其物料或能量衡算的方程亦有差别,其操作方式：

间歇操作、连续操作、半连续操作。

（二）、物料平衡方程理论依据：

质量守恒定律,即：

上式：

即可对总物料，也可以对其中任一组分或元素列出。

在下列情况下上式可简化为：

稳定操作过程（FiFo）（DpDr）W系统内无化学反应的间歇操作：

FiFoW系统内无化学反应的稳态操作过程：

FiFo0对于没有化学反应的过程，一般上列写各组分的衡算方程，只有涉及化学反应量，才列写出各元素的衡算方程。

稳态过程（连续），体系内无物料积累。

Fi第i股物流物质的量流量；

xij第j组分在第i股物流中的摩尔分数；

vjm第j组分在第m个化学反应中的化学计量系数;

rm第m个化学反应的反应速率；

Nr过程中所包含的化学反应个数。

（三）、物料衡算基准物料衡算过程，必须选择计算基准，并在整个运算中保持一致。

若基准选的好，可使计算变得简单。

时间基准（单位时间可取1d、1h或1s等等）。

批量基准质量基准例如:

可取某一基准物流的质量为100Kg为基准计算。

物质的量基准标准体积基准,（四）、物料衡算的基本程序,1.收集计算需要的数据。

（1）原料、辅料、中间产物及产品的规格。

（2）过程中单位时间内的物流量。

（3）有关消耗定额。

（4）有关转化率、选择性、单程收率。

（5）有关物理化学常数。

消耗定额是反映生产技术水平的一项重要经济指标，是进行物料衡算的基础数据之一。

消耗定额是招生产每吨合格产品需要的原料、辅料及试剂等的消耗量。

2.画物料流程简图,先应该根据给定的条件画出流程简图。

图中用简单的方框表示过程中的设备，用线条和箭头表示每个流股的途径和流向。

表示每个流股的已知变量（如流量、组成）及单位。

对一些未知的变量，可用符号表示。

过滤过程,对某反应系统，可画出物料衡算方框图如下：

3.确定衡算体系（衡算范围）。

物料衡算是研究某一个体系进、出物料量及组成的变化。

进行物料衡算时，必须首先确定衡算的体系。

体系：

物料衡算的范围。

它可以根据实际需要人为地选定。

体系,一个设备或几个设备，一个单元操作一套装置或一个系统整个化工过程。

衡算计算范围示意图：

边界线（BoundaryLine）围起来的区域构成衡算范围。

1、流程中某一个单元设备；

2、流程中某几个单元设备组合的子流程；

3、整个流程。

4.写出化学反应方程式（包括主反应和副反应）。

5.选定合适的计算基准，并在流程图上注明所选的基准值。

计算标准从原则上说选择任何一种计算基准，都能得到正确的解答。

但是，计算基准选择得恰当，可以使计算简化，避免错误。

根据不同过程的特点，选择计算基准时，应该注意以下几点:

（1）应选择已知变量数最多的流股作计算基准。

（2）对液体或固体体系，常选取单位质量作基准。

（3）对连续流动体系，用单位时间作计算基准有时较方便。

（4）对于气体物料，如果环境条件（如温度、压力）已定，则可选取体积作基准。

6.列出物料衡算式，然后用数学方法求解。

根据质量守恒定律，对某一体系，输入体系的物料量应该等于输出物料量与体系内积累量之和。

体系内发生化学反应,列物料衡算式时应注意：

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.若体系内有化学反应，则平衡式中各项用摩尔/时为单位时，必须考虑反应式的化学反应系数。

因为反应前后物料中的分子数不守恒。

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，虚线表示边界（体系）。

共有三个流股，进料F及出料P和W。

有两个组分。

x为质量分数。

可列出物料衡算式,总物料衡算式：

F=PW,每种组分衡算式：

对于连续不稳定过程，由于该过程内物料量及组成等随时间而变化，因此，物料衡算式须写成以时间为变量的微分方程，表示体系内在某一瞬时的平衡。

7.将物料衡算结果列成输入输出物料表（物料平衡表），画出物料平衡图。

8.校核计算结果（结论）。

物料衡算表,五、无化学反应的物料衡算,在系统中，物料没有发生化学反应的过程，称为无反应过程。

流体输送粉碎换热混合、分离（吸收、精馏、萃取、结晶、过滤、干燥）等。

化工单元操作,

（一）、简单过程的物料衡算,简单过程是指仅有一个设备或一个单元操作或整个过程简化成一个设备的过程。

这种过程的物料衡算比较简单，在物料流程简图中，设备边界就是体系边界。

举例说明计算步骤和计算方法。

【例题3-1】一种废酸，组成为23（质量）HNO3，57%H2SO4和20%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，计算所需废酸及加入浓酸的数量。

解：

1、画物料流程简图,2、选择标准，可以选废酸或浓度的量为基准，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。

设X废酸量，kg；

Y浓H2SO4量，kg；

Z浓HNO3量；

kg,3、列物料衡算式，该体系有3种组分，可以列出3个未知量。

基准：

100kg混合酸,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+0.9z=1000.2727（3）,解

（1）,

（2）,（3）方程，得x=41.8kg废酸，z=19.2kg浓HNO3，y=39kg浓H2SO4。

即由41.8kg废酸、39kg浓H2SO4和19.21kg浓HNO3可以混合成100kg混合酸。

根据水平衡，可以核对以上结果：

加入的水量=41.80.2+390.07+19.20.1013kg,混合后的酸，含13%H2O，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HNO3两个衡算式，或H2SO4、HNO3和H2O三个组分进行计算，均可以求得上述结果。

代数法求解时，列衡算式应注意下列几点：

1、无化学反应体系，能列出的独立物料衡算式数目，最多等于输入和输出物料中化学组分的数目。

2、首先列出含有未知量数目最少的物料衡算方程，以便于解题。

3、若体系内具有很多多组分的物料，则最好将每个流股编号，并列出表表示出已知的量和组分，检查能列出的衡算方程数目是否等于未知量的数目。

（二）、有多个设备过程的物料衡算,对有多个设备的过程，进行物料衡算时，可以划分多个衡算体系。

此时，必须选择恰当的衡算体系，这是很重要的步骤。

否则计算繁琐，甚至无法求解。

例题3-2,设计一套从气体中回收丙酮的装置系统，并计算回收丙酮的费用。

系统的流程框图如图3-1所示，要求由已知的条件，列出各物流的流率（kg/h）,以便能确定设备的大小，并计算蒸馏塔的进料组分。

流程图,图3.2,水,已知物料参数表,解：

本本系统包括三个单元即吸收塔、蒸馏塔和冷凝器。

由于除空气进料外的其余组成均是以质量百分数表示的，所以将空气丙酮混合气进料的摩尔百分数换算为质量百分数。

基准：

100kmol气体进进料。

水,进入系统的物流为两个，离开系统的物流为三个，其中已知一个物流量，因此有四个物流是未知的。

水,未知：

F2、F3、F4、F5,可列出总物料平衡式：

1200+F2=F3+F4+F5各组分平衡式：

丙酮0.0295F2=0.99F4+0.05F5水1200=0.01F4+0.95F5空气0.9705F2=F3,补充数据,

（1）每小时进入系统的气体混合物，离开系统的产品或废液的物流量.

（2）进入蒸镏塔的组分.,4个方程式，实际上独立方程式数为3，因此本方案求解尚缺少数据。

这样才可能得出完整的解，否则只能部分解。

此例体现了物料衡算式中未知变量数与独立方程式数目不相等时，无法进行衡算。

【例如3-3】,有两个蒸馏塔的分离装置，将含50%苯、30%甲苯和20%（mol%）二甲苯的混合物分成纯的三个馏分，其流程图及各流股组成如图。

计算蒸馏1000mol/h原料所得各流股的量及进塔II物料的组成。

设：

S2、S3、S4、S5表示各流股物料量,mol/h,X3B、X3T表示流股3中苯、甲苯的组成。

该蒸馏过程中共可列出3组物料衡算方程，每组选三个独立方程。

总物料：

1000=S2+S3

（1）苯：

10000.50.95S2+X3BS3

（2）甲苯：

10000.30.03S2+X3TS3（3）,即体系A（塔I）：

体系B（塔II）：

总物料：

S3=S4+S5（4）苯：

X3BS3=0.03S4+0.0045S5（5）甲苯：

X3TS3=0.95S4+0.43S5（6）,体系C（整个过程）：

1000=S2+S4+S5（7）苯：

10000.5=0.95S2+0.03S4+0.0045S5（8）甲苯：

10000.3=0.03S2+0.95S4+0.43S5（9）,以上9个方程，只有6个是独立的。

因为

（1）+（4）=（7）式，同样

（2）+（5）=（8）式及（3）+（6）=（9）式。

因此，解题时可以任选二组方程。

由题意，应选体系C（整个过程），因为三个流股2、4、5的组成均已知，只有S2、S4、S5三个未知量，可以从（7）、（8）、（9）三式直接求解。

由（7）、（8）、（9）三式解得:

S2=520mol/hS4=150mol/hS5=330mol/h,再任选一组体系A或B的衡算方程，可解得：

S3=480mol/h，X3B=0.0125，X3T=0.5925，X3X=0.395,用恒沸蒸馏法，将含有95的乙醇水溶液制成浓度达99.9的乙醇，以苯作溶剂。

其流程及各物流的组成如图所示。

（1）试分析如图所示的虚框I、II衡算范围哪个合适？

（2）计算每生产100吨99.9的乙醇，应向塔A加入的：

95原料液量；

苯量。

【例如3-4】,解：

（1分析：

若以塔A为衡算范围，如图的边界I所示。

输入与输出系统的共有5股物料，其中只有塔底出料为已知，其他都为未知。

但物料中只有三个组分，只能列出三个独立的物料衡算