物料衡算与能量衡算概论课件.ppt
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1、第三章 物料衡算与能量衡算,0,化工过程及过程参数化工工艺流程物料衡算热量衡算,主要内容,3.1 工艺过程及过程参数,主要内容包括:化工过程;化工工艺流程;化工过程开发;化工过程基本参数温度、压力、流量、化学组成等基本概念。,化工计算主要是应用守恒定律来研究化工过程的物料衡算和能量衡算问题。在进行计算时,必须熟悉有关化工过程的一些术语及基础知识。,3.1 工艺过程及过程参数,3.1.1 化工过程,化工过程:是指由原料经化学处理和物理处理加工成化学产品或中间产品的生产过程。它包括许多工序,每个工序又由若干个或若干组设备(如反应器、蒸馏塔、吸收塔、干燥塔,分离器、换热器及输送设备等等)组合而成。物
2、料通过各设备时,完成某种化学或物理处理,最终成为合格的产品。,化工过程,单元操作,反应过程,3.1 工艺过程及过程参数,3.1.1 化工过程,化工过程,单元操作:不改变物料的化学性质,只改变物理性质。如流体输送、传热、蒸馏、干燥、蒸发、结晶、萃取、吸收、吸附、过滤和破碎等,反应过程:改变物料的化学性质。如氢和氮合成氨的反应;乙烯氧化成环氧乙烷的反应。,3.1 工艺过程及过程参数,3.1.1 化工过程,化工设备所进行的主要操作,混合,化学反应是整个化工过程的核心。,平衡收率反应速度控制或减少副反应,分离或提纯,蒸馏结晶萃取,改变温度,改变压力,3.1 工艺过程及过程参数,3.1.1 化工过程,发
3、现一种新的化学反应使之实施于生产或开发一个新的化工过程,从技术角度来考察,主要决定于下述三类因素:,(3)机械设备、仪表及控制手段:,(1)化学工艺因素:,(2)化学工程因素:,反应体系本性、温度、压力、组成、催化剂等操作条件以及体系的反应速度、转化率、循环比等。,体系的物性、相态、热性质、传递性质、传热传质方式、物料(流体及固体)输送、反应技术、分离技术等。,设备材料、制造、贮运、安装、维修、检测、备品备件、正常操作及事故处理等。,3.1 工艺过程及过程参数,3.1.2 化工过程,化工过程常用流程图来表示。所谓流程图,就是把生产过程中物料经过的设备按其形状画出示意图,并画出各设备之间的主要物
4、料管线及其流向。简化的流程图可以用方框来表示设备或设备组,称方框流程图。在工艺流程设计中,还有其他类型的流程图,如表明物料量的物料流程图、以装置为单元的装置流程图、以管线为主的管线流程图以及带测量仪表控制点的流程图等。,3.1 工艺过程及过程参数,3.1.2 化工过程,3.1 工艺过程及过程参数,3.1.3 化工过程的开发,化工过程开发是指一个化学反应从实验室过渡到第一套生产装置的全部过程。化工过程开发,首先是决定于化学反应的可能性、转化率及反应速度是否具有工业价值,产物分离的难易程度以及机械、设备、材料是否可行。当然,最终取决于是否有经济效益。化工过程开发的第一步就是要设计一个流程图。由于化
5、学反应或产物的分离可用不同的方法来完成,因此,设计流程时,必须选择一个安全、可靠、经济效益高的最佳方案。,3.1 工艺过程及过程参数,3.1.3 化工过程的开发,实例:,3H2N2 2NH3,Fe,高温、高压,基本工艺步骤,气体的压缩气体的预热和合成氨的分离未反应氢、氮气体的循环惰性气体的排放,3.2 工艺基础数据,3.2.1 化工基础数据种类,在化工计算以及化工工艺和设备设计中,必不可少地要用到有关化合物的物性数据。,(1)基本物性数据如临界常数(临界压力、临界温度、临界体积)、密度或比容、状态方程参数、压缩系数、蒸气压、气一液平衡关系等。(2)热力学物性数据如内能、焓、熵、热容、相变热、自
6、由能、自由焓等。(3)化学反应和热化学数据如反应热、生成热、燃烧热、反应速度常数、活化能,化学平衡常数等。(4)传递参数如粘度、扩散系数、导热系数等。,3.2 工艺基础数据,3.2.2 化工基础数据来源,1、查手册或文献资料有关常用物质的物性数据,前人已系统地进行归纳总结,从表格或图的形式表示。这些致据可从有关的化学化工类手册或专业性的化工手册中查到。2、估算。可以应用物理和化学的一些基本定律计算各种物质的性质参数。3、用实验直接测定。,3.2 工艺基础数据,3.2.2 化工基础数据来源,外文,中文,3.3 化工过程类型,3.3.1 间歇操作、连续操作以及半连续操作,闻歇操作过程:原料在生产操
7、作开始时一次加入,然后进行反应或其他操作,一直到操作完成后,物料一次排出,即为间歇操作过程。此过程的特点是在整个操作时间内,再无物料进出设备,设备中各部分的组成、条件随时间而不断变化。连续操作过程:在整个操作期间,原料不断稳定地输入生产设备,同时不断从设备排出同样数量(总量)的物料。设备的进料和出料是连续流动的,即为连续操作过程。在整个操作期间,设备内各部分组成与条件不随时间而变化。半连续操作过程:操作时物料一次输入或分批输入,而出料是连续的,或连续输入物料,而出料是一次或分批的。,3.3 化工过程类型,3.3.2 稳定状态操作和不稳定状态操作,1.稳定状态操作 整个化工过程的操作条件(如温度
8、、压力、物料量及组成等)如果不随时间而变化,只是设备内不同点有差别,这种过程称为稳定状态操作过程,或称稳定过程。2.不稳定状态操作 如果操作条件随时间而不断变化的,则称为不稳定状态操作过程,或称不稳定过程。间歇过程及半连续过程是不稳定状态操作。连续过程在正常操作期间,操作条件比较稳定,此时属稳定状态操作多在开、停工期间或操作条件变化和出现故障时,则属不稳定状态操作。,0,3.4 物料衡算,3.4.1 基本原理,A.物料衡算的目的,确定原材料的消耗定额,判断是否达到设计要求。确定各设备的输入及输出的物流量,摩尔分率组成及其他组成表示方法。作为热量计算的依据。根据计算结果绘出物流图,可进行管路设计
9、及材料选择,仪表及自动控制等,0,3.4 物料衡算,3.4.1 基本原理,B.物料衡算的依据,设计任务书中确定的技术方案、产品生产能力、年工作时间及操作方法。建设单位或研究单位所提供的要求、设计参数及试验室试验或中试等数据,主要有: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。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。特殊化学品的物性,如沸点、熔点、饱和蒸汽压、闪点等,0,3.4 物料衡算,3.4.1 基本原理,C.物料衡算的基准,时间基准:连续生产:一段时间的投料量或生
10、产产品量作为计算基准;间歇生产:一釜或一批料的生产周期作为基准例:年产300kt乙烯装置,年操作时间为8000h,则每小时的平均产量为37.5t。年处理量为9000kt炼油厂,年操作时间为8000h,则每小时的平均产量为1125t。,0,3.4 物料衡算,3.4.1 基本原理,C.物料衡算的基准,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如果原料或产品是单一化合物,或由已知组成百分数和组分分子量的多组分组成,可用物质的量作为计算基准例:以石油、煤、矿石为原料的化工厂,可采用一定量的原料为基准。1kg、1000kg、100t 以氮和氢为原料合成氨的工艺过程,可采用物质
11、的量为基准。,0,3.4 物料衡算,3.4.1 基本原理,C.物料衡算的基准,体积基准:对气体物料进行衡算时选用体积基准应将实际情况下的体积换算为标准状态下的体积例:在化工生产过程中经常使用的干空气以及在合成氨中使用的原料煤气和水煤气就可以用体积为基准 用m3(STP)表示,0,3.4 物料衡算,3.4.1 基本原理,C.物料衡算的基准,干湿基准 生产中的物料,不论是气态、液态还是固态,均含有一定量的水分,因而在选用基准时就有算不算水分在内的问题,不计算水分在内的称为干基,否则为湿基。例:通常水空气中含氧21%,含氮79%,这是以干基计算的 如果把水蒸气计算在内,氧和氮的百分比就变了。甲烷水蒸
12、气催化转化制取氢气,转化炉的进料量,以干基计算为7103m3(STP)/h,如以湿基计算则可达到3104m3(STP)/h 湿基:化肥、农药等化工产品,尿素、甲醛、乙醇。干基:硝酸,0,3.4 物料衡算,3.4.1 基本原理,D.物料衡算的程序,确定衡算的对象、体系与环境,并画出计算对象的草图,体系,输入物料,输出物料,整个生产流程,操作单元,过程中的部分,工段或工序,某一设备,3.4 物料衡算,3.4.1 基本原理,D.物料衡算的程序,确定计算任务,明确哪些是已知项,哪些是待求项,选择适当的数学公式,力求计算方法简便。确定过程所涉及的组分。对物流流股进行编号,并注明物料变量收集数据资料:设计
13、任务书中已知条件;物理化学参数生产规模和生产时间有关定额和技术指标原辅材料、产品、中间产品的规格与过程有关的物理化学参数,3.4 物料衡算,3.4.1 基本原理,D.物料衡算的程序,列出物料衡算方程:依据是质量守恒定律,(Fi-F0)(Dp-Dr)W,a)稳定有反应操作过程:(Fi-F0)(Dp-Dr)0,b)不稳定无反应操作过程:(Fi-F0)W,c)稳定无反应操作过程:(Fi-F0)0,3.4 物料衡算,3.4.1 基本原理,D.物料衡算的程序,列出过程的全部独立的物料衡算方程式及其他相关约束式,化学反应方程式,明确反应前后物料组成和各个组分之间的定量关系、转化率、选择性选择计算基准统计变
14、量个数与方程个数,确定设计变量的个数及全部设计变量,Nv Ns(Nc1)NpNv系统的总变量;Ns 物流中的组分数;Nc 物流的股数;Np 设备参数,Nd Nv NeNd设计变量数;Ne 独立方程数;,3.4 物料衡算,3.4.1 基本原理,D.物料衡算的程序,整理计算结果,并根据需要列成原材料消耗表绘制物料流程图,原材料消耗一览表(三聚氰氨),3.5 物料衡算举例,3.5.1 无反应过程的物料衡算,例3-1 某化工厂要求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所示,要求有已知的资料,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
15、。,3.5 物料衡算举例,3.5.1 无反应过程的物料衡算,分析:本系统包括三个单元:吸收塔、蒸馏塔和冷凝器。除混合气体外均以质量分数表示,所以及其换算成质量分数。进入系统物流两个,离开三个,已知项一个,因此未知项有四个。,以100kmol为基准,总物料平衡式:1200F2F3 F4 F5丙酮:0.0295F2 0.99 F4 0.05F5水:1200 0.01 F4 0.95F5空气:0.9705F2 F3,结论:只有3个独立方程,不能求解,应补充数据: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进入蒸馏塔的组分,3.5 物料衡算举例,3.5.1 无反应过程的物料衡算,例:一种废
16、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;kg,(1)画物料流程简图,3.5 物料衡算举例,3.5.1 无反应过程的物料衡算,(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,总物料衡算式 x+y+z=100(1)H
17、2SO4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),3.5 物料衡算举例,3.5.1 无反应过程的物料衡算,解(1),(2),(3)方程,得x=41.8kg废酸 y=39kg浓H2SO4 z=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。根据水平衡,可以核对以上结果:加入的水量=41.8 0.2+39 0.07+19.2 0.10=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H2O与HNO3二个衡
18、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。,3.5 物料衡算举例,3.5.1 无反应过程的物料衡算,例: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较纯的三个馏分,其流程图及各流股组成如图。计算蒸馏1000 mol/h原料所得个流股的量及进塔II物料的组分。,3.5 物料衡算举例,3.5.1 无反应过程的物料衡算,解:设S2、S3、S4、S5表示各流股物料量,mol/hx3B、x3T表示流股3种苯、甲苯的组成。体系A(塔I):总物料 1000 S2 S3(1)苯 10000.5 0.95S2 x3B S3(2)甲苯
19、10000.3 0.03S2 x3T S3(3)体系B(塔II):总物料 S3 S4 S5(4)苯 x3B S3 0.03S4 0.0045 S5(5)甲苯 x3T S3 0.95S4 0.43 S5(6)体系C(整个过程):总物料 1000 S2 S4 S5(7)苯 10000.5 0.95S2 0.03S4 0.0045 S5(8)甲苯 10000.3 0.03S2 0.95S4 0.43 S5(9),3.5 物料衡算举例,3.5.1 无反应过程的物料衡算,解:由(7)、(8)、(9)三式解得S2520 mol/hS4150 mol/hS5330 mol/h再任选一组体系A或B的衡算方程,
20、可解得:S3480 mol/hx3B 0.0125x3T 0.5925x3x 0.395,3.5 物料衡算举例,3.5.2 有反应过程的物料衡算,有化学反应的过程,物料中的组分比较复杂,物料衡算比无化学反应过程的计算复杂,化学反应过程物料衡算的方法有:,直接计算法利用反应速率进行物料衡算元素平衡以化学平衡进行衡算以结点进行衡算利用联系组分进行衡算,3.5 物料衡算举例,3.5.2 有反应过程的物料衡算,反应转化率、选择性及收率等概念,1、限制反应物:化学反应原料不按化学计量比配料时,其中以最小化学计量数存在的反应物称为限制反应物。2、过量反应物:不按化学计量比配料的原料中,某种反应物的量超过限
21、制反应物完全反应所需的理论量,该反应物称为过量反应物。3、过量百分数:过量反应物超过限制反应物所需理论量的部分占所需理论量的百分数。若以从表示过量反应物的摩尔数,Nt表示与限制反应物完全反应所需的摩尔数,则过量百分数即为,3.5 物料衡算举例,3.5.2 有反应过程的物料衡算,反应转化率、选择性及收率等概念,4、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,一个化学反应,由不同反应物可计算得到不同的转化率。因此,应用时必须指明某个反应物的转化率。若没有指明时,则往往是指限制反应物的转化率。,3.5 物料
22、衡算举例,3.5.2 有反应过程的物料衡算,反应转化率、选择性及收率等概念,5、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,式中NA1NA2为反应物A反应掉的摩尔数。转化率与选择性是反应过程的两个主要技术指标。,3.5 物料衡算举例,3.5.2 有反应过程的物料衡算,反应转化率、选择性及收率等概念,6、收率(以Y表示):目的产物的量除以反应物(通常指限制反应物)输入量,以百分数表示。它可以用物质的量(摩尔数)或质量进行计算。若以摩尔数
23、计算,考虑化学计量系数,则目的产物D的收率为,转化率、选择性与收率三者之间的关系为Y=Sx,3.5 物料衡算举例,3.5.2 有反应过程的物料衡算,例3-2 作年产300t对-硝基乙苯工段物料衡算,原料乙苯纯度95%,硝化混酸为:HNO332%,H2SO456%,H2O12%。粗乙苯与混酸质量比1:1.855。对硝基乙苯收率50%,硝化产物为硝基乙苯的混合物,其比例:对:邻:间0.5:0.44:0.06。配制混酸所用的原料:H2SO4 93%,HNO3 96%及H2O,年工作日300天,假设转化率为100%,间歇生产。,解:(1)画出流程示意图,确定计算范围。,3.5 物料衡算举例,3.5.2
24、 有反应过程的物料衡算,解:(2)原料乙苯量 基准:间歇生产,以每天生产的kg数为基准,G1 G2 G3 G4 G5,M:106.17 63 151.17 18.02,3.5 物料衡算举例,3.5.2 有反应过程的物料衡算,解:(2)原料乙苯量,对-硝基乙苯:G33001000/300 1000kg乙苯量:G11000106.17/(151.170.5)1404.6kg原料乙苯量:1404.6/0.95 1478.6kg杂质量:1478.6-1404.6 74 kg,3.5 物料衡算举例,3.5.2 有反应过程的物料衡算,解:(3)配酸量及水量,混酸量:1478.61.855 2742.8 k
25、g纯HNO3量:2742.80.32 877.7 kg96%HNO3量:877.7/0.96 914.3 kg纯H2SO4量:2742.80.56 1536.0 kg 93%H2SO4量:1536.0/0.93 1651.6 kg 加水量:2742.8-914.3-1651.6 176.9 kg,3.5 物料衡算举例,3.5.2 有反应过程的物料衡算,解:(4)硝化 已知转化率为100%,G3:G4:G5 0.5:0.44:0.06,硝化物产量:1404.6151.17/106.17 1999.9 kg其中硝基乙苯:对位:1999.9 0.5 1000.0 kg邻位:1999.9 0.44 8
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