物料衡算與能量衡算培訓(xùn)課程

1、1第一節(jié)連續(xù)過程的物料衡算w 教學(xué)內(nèi)容：教學(xué)內(nèi)容：w 結(jié)合具體實(shí)例，理解利用化學(xué)反應(yīng)速率進(jìn)行反應(yīng)過程的物料衡算的方法。w 重點(diǎn)和難點(diǎn)：重點(diǎn)和難點(diǎn)：w 重點(diǎn)掌握利用化學(xué)反應(yīng)速率進(jìn)行反應(yīng)過程的物料衡算的方法。w 難點(diǎn)是衡算基準(zhǔn)的選擇，包括基準(zhǔn)物流的名稱和單位選擇，以及物料平衡方程、摩爾分?jǐn)?shù)約束式及設(shè)備約束式的內(nèi)容和形式。2一、一、連續(xù)過程的物料衡算連續(xù)過程的物料衡算 一般表示式為： 系統(tǒng)中積累 = 輸入 輸出 + 生成 消耗穩(wěn)態(tài)過程時(shí) 輸入 = 輸出 生成 + 消耗無化學(xué)反應(yīng)的穩(wěn)態(tài)過程 輸入 = 輸出 第三章 物料衡算與能量衡算3物料平衡形式 總平衡式 *總質(zhì)量平衡式 總摩爾平衡式 組分平衡式 組

2、分質(zhì)量平衡式 組分摩爾平衡式 元素原子平衡式 *元素原子質(zhì)量平衡式 *元素原子摩爾平衡式第三章 物料衡算與能量衡算4物料衡算的基本步驟 畫出流程示意圖 列出已知數(shù)據(jù) 列出由物料平衡所需求解的問題。 決定系統(tǒng)的邊界 寫出主、副產(chǎn)品的化學(xué)反應(yīng)方程式。第三章 物料衡算與能量衡算5 約束條件 選擇計(jì)算基準(zhǔn) 進(jìn)行物料平衡計(jì)算 列出物料和能量平衡表，并進(jìn)行校核 結(jié)論第三章 物料衡算與能量衡算6關(guān)于基準(zhǔn) 時(shí)間基準(zhǔn) 連續(xù)（小時(shí)，天） 間歇（釜，批） 質(zhì)量基準(zhǔn) kg，mol， kmol 體積基準(zhǔn) m3（STP） 干濕基準(zhǔn) 干基（不含水），濕基（含水）例：100kg濕物料，其中含水10kg， 按 濕基：含水率為1

3、0%； 若按 干基：含水率為 10/（100-10）100%=11.11%第三章 物料衡算與能量衡算7 C3H8 + 5O2 = 3CO2 + 4H2O每100kmol燃燒產(chǎn)物需要多少摩爾空氣？1.基準(zhǔn)：1kmol原料氣C3H8燃燒用氧 5kmol；實(shí)際供氧 51.25 = 6.25kmol；供給空氣量 29.76kmol； 其中氮?dú)饬?23.51kmol產(chǎn)生：CO2 3kmol； H2O 4kmol； O2 1.25kmol； N2 23.51kmol；合計(jì) 31.76kmol；x =76.3176.29100= 93.7kmol第三章 物料衡算與能量衡算82.基準(zhǔn)：1kmol空氣實(shí)際供氧

4、0.21/1.25=0.168kmol；燃燒C3H3 0.21/（51.25） =0.0336kmol；供給空氣量 1kmol； 其中氮?dú)饬?0.79kmol；產(chǎn)生：CO2 0.101kmol； H2O 0.135kmol； O2 0.042kmol； N2 0.79kmol；合計(jì) 1.068kmol；x =068.1100= 93.7kmol第三章 物料衡算與能量衡算9（3）基準(zhǔn)：100kmol煙道氣以元素平衡法：C3H8 + 5O2 = 3CO2 + 4H2OC平衡 3B = P；H2平衡 4B = Q；O2平衡 0.21A = M + Q/2 + P；N2平衡 0.79A = N；煙道氣

5、總量 N + M + P + Q = 100；過剩氧氣 0.21A（0.25/1.25）= M解出：空氣量 A = 93.7kmol； C3H8 B = 3.148kmol； N2 N = 74.02kmol； O2 M = 3.935 kmol； CO2 P = 9.445 kmol ； H2O Q = 12.59 kmol。第三章 物料衡算與能量衡算10物料平衡計(jì)算的條件.方程式 物料平衡方程式 物流約束式構(gòu)成物流各組分的分率之和等于1jx=1第三章 物料衡算與能量衡算112.變量有Ns股物流， Nc個(gè)組分?jǐn)?shù)，Np個(gè)設(shè)備參數(shù)總變量數(shù)： Nv= Ns（Nc +1）+ Np 設(shè)計(jì)變量第三章 物

6、料衡算與能量衡算12 轉(zhuǎn)化率轉(zhuǎn)化率 = 反應(yīng)物的進(jìn)料量反應(yīng)物的反應(yīng)量00AAAnnn 選擇性選擇性 =%100原料的反應(yīng)量反應(yīng)物量生成目的產(chǎn)物所消耗的anncnnAACC/ )(/ )(00 xA = = 第三章 物料衡算與能量衡算13 收率收率 = 轉(zhuǎn)化率選擇性 =反應(yīng)物的進(jìn)料量反應(yīng)物量生成目的產(chǎn)物所消耗的ancnnACC/ )(00=xA = 限制反應(yīng)物 過量反應(yīng)物第三章 物料衡算與能量衡算14無化學(xué)反應(yīng)的物料衡算 料漿 濾餅 90%固體 F1=2000kg/h 過濾機(jī) F3=？kg/h 10%液體 75%液體 25%固體 濾液 F2=？kg/h 1%固體 99%液體過濾過程第三章 物料衡

7、算與能量衡算15總平衡式 輸入的料漿=輸出的濾液+輸出的濾餅 F1= F2+F3液體平衡式 F1x11= F2x21+F3x31第三章 物料衡算與能量衡算16精餾過程 餾出液 F3 乙醇 水 24% F1 料液 苯 75% 乙醇 40% 水 60% F2 苯 乙醇產(chǎn)品 F4=1000kg/h三個(gè)未知數(shù)需三個(gè)方程總物料平衡式 F1+ F2= F3+ F4 組分物料平衡式苯平衡 F2=0.75 F3 水平衡 0.6F1= 0.24F3 醇平衡 （10.6）F1第三章 物料衡算與能量衡算17二、多單元系統(tǒng) F2 F4 x2B x4B=0.08 x2C x4C=0.72F1=1000mol/hx1B=

8、0.2 單x1C=0.3 元x1D 單 元 F5 x5C F3 x3B=0.025 x5D x3C=0.35 x3D 第三章 物料衡算與能量衡算18每一個(gè)單元列出一組平衡方程式，再列出整個(gè)系統(tǒng)的平衡方程式。第三章 物料衡算與能量衡算19化學(xué)反應(yīng)過程的物料衡算1.直接計(jì)算法甲醇氧化制甲醛：CH3OH + 1/2 O2 HCHO + H2O CH3OH CH3OH HCHO 催化反應(yīng)器 H2O 空氣 O2 （過量50%） N2第三章 物料衡算與能量衡算20輸入： O2（需要）= 0.5mol； O2（輸入）= 1.50.5 = 0.75mol； N2（輸入）= N2（輸出）= 0.75（79/21

9、） = 2.82mol； 反應(yīng)的CH3OH =0.751 = 0.75mol輸出： HCHO（輸出）= 0.75mol； CH3OH（輸出）= 1 0.75 = 0.25mol； O2（輸出）= 0.75 0.750.5=0.375mol； H2O（輸出）= 0.75mol第三章 物料衡算與能量衡算212.利用反應(yīng)速率進(jìn)行物料衡算化學(xué)反應(yīng)過程的物料衡算式： FC，輸出= FC，輸入+ RC RC= cr c =1，2，n N2 78% CO 20% 1 反應(yīng)器1 反應(yīng)器2 CO2 2% 4 5 2H2 50% N2 N2CO 50% H2 H2 3 CO CO2 H2O CO2 H2O H2O

10、 第三章 物料衡算與能量衡算22iisjjsFF3.元素平衡輸入物流有I股，輸出物流有J股;則物質(zhì)S的凈輸出速率為 Fs =S種物質(zhì)的元素e的凈原子流出速率為ssesF物質(zhì)守恒則元素守恒 = 0 e = 1，2，E ssesFAe = 0 e = 1，2，EssesFes 為原子系數(shù)第三章 物料衡算與能量衡算234.以節(jié)點(diǎn)進(jìn)行衡算 分流B B分流A 分流C A 節(jié)點(diǎn) 節(jié)點(diǎn) CFa+Fb=FcFa=Fb+Fc第三章 物料衡算與能量衡算24第二節(jié)第二節(jié) 車車 間（裝間（裝 置）置） 的的 物物 料料 衡衡 算算w 教學(xué)內(nèi)容：教學(xué)內(nèi)容：w 結(jié)合具體實(shí)例，理解一個(gè)完整的化工過程的物料衡算方法和步驟。w

11、 重點(diǎn)和難點(diǎn)：重點(diǎn)和難點(diǎn)：w 重點(diǎn)掌握一個(gè)完整的化工過程的物料衡算的基準(zhǔn)和思路。w 難點(diǎn)是對(duì)一個(gè)完整的化工過程的物料衡算時(shí)應(yīng)選擇什么物流作衡算基準(zhǔn)，如何列出平衡表達(dá)式。25第二節(jié)第二節(jié) 車車 間（裝間（裝 置）置） 的的 物物 料料 衡衡 算算 在一個(gè)車間（裝置）中物料的添加和分離比較頻繁，并且經(jīng)常伴隨著化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生，部分產(chǎn)品的循環(huán)（如回流），物料衡算比較復(fù)雜。1.單元模塊 計(jì)算步驟: 過程整體分析; 寫出各單元的方程式和約束式; 列出所有的變量，并選好所需的設(shè)計(jì)變量; 應(yīng)用單元模塊法求解聯(lián)立方程組。 第三章 物料衡算與能量衡算261.循環(huán)過程(兩種解法） （1）試差法 估計(jì)循環(huán)流量，并繼續(xù)

12、計(jì)算至循環(huán)回流的那一點(diǎn)。將估計(jì)值與計(jì)算值進(jìn)行比較，并重新假定一個(gè)估計(jì)值，一直計(jì)算到估計(jì)值與計(jì)算值之差在一定的誤差范圍內(nèi)。（2）代數(shù)法 列出物料平衡方程式，并求解。 一般方程式中以循環(huán)量作為未知數(shù)，應(yīng)用聯(lián)立方程的方法進(jìn)行求解。第三章 物料衡算與能量衡算27第三章 物料衡算與能量衡算第三節(jié)第三節(jié) 化學(xué)反應(yīng)過程的能量衡算化學(xué)反應(yīng)過程的能量衡算教學(xué)內(nèi)容：教學(xué)內(nèi)容：結(jié)合具體實(shí)例，理解以反應(yīng)熱效應(yīng)為基礎(chǔ)和以結(jié)合具體實(shí)例，理解以反應(yīng)熱效應(yīng)為基礎(chǔ)和以生成熱為基礎(chǔ)兩種反應(yīng)過程能量衡算方法生成熱為基礎(chǔ)兩種反應(yīng)過程能量衡算方法的計(jì)算原理和計(jì)算方法。的計(jì)算原理和計(jì)算方法。重點(diǎn)和難點(diǎn)：重點(diǎn)和難點(diǎn)：重點(diǎn)重點(diǎn)掌握兩種衡算方

13、法的衡算基準(zhǔn)和計(jì)算方法。掌握兩種衡算方法的衡算基準(zhǔn)和計(jì)算方法。難點(diǎn)難點(diǎn)是熱量衡算的基準(zhǔn)，包括溫度、壓力和相是熱量衡算的基準(zhǔn)，包括溫度、壓力和相態(tài)，以及有相變時(shí)其熱量的正負(fù)符號(hào)的取態(tài)，以及有相變時(shí)其熱量的正負(fù)符號(hào)的取向。向。28第三章 物料衡算與能量衡算能量衡算的基本概念 一、能量守恒定律 輸入能量+生成能量= 消耗能量+積累能量+輸出能量 二、能量衡算方程 1.封閉體系 E = Q + W 2.流動(dòng)體系能量輸入速率-能量輸出速率 =能量積累速率29第三章 物料衡算與能量衡算 q w T2 U p2 u2 T1 U2 p1 u1 Z Z2 U1 Z1 30第三章 物料衡算與能量衡算（2）封閉體系

14、= q + w221uZgU（3）孤立體系221uZgU= 0穩(wěn)態(tài)過程的敞開體系221uZgU= q + w31第三章 物料衡算與能量衡算三、能量衡算的一般方法 正確繪制系統(tǒng)示意圖，標(biāo)明已知條件和物料狀態(tài)； 確定各組分的熱力學(xué)數(shù)據(jù)； 選擇計(jì)算基準(zhǔn)（大部分在物料衡算的基礎(chǔ)上進(jìn)行）； 同時(shí)，還要選取熱力學(xué)函數(shù)的基準(zhǔn)態(tài)。 列出能量衡算方程式，進(jìn)行求解。32第三章 物料衡算與能量衡算化學(xué)反應(yīng)過程的能量衡算一、反應(yīng)熱 在化學(xué)反應(yīng)中放出的熱量取決于反應(yīng)條件。在標(biāo)準(zhǔn)條件下，純組分、壓力為0.1MPa、溫度為25（并非一定需要），反應(yīng)進(jìn)行時(shí)放出的熱量稱為標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)熱?；鶞?zhǔn)0rH=-56.68 kJ/mol 33

15、第三章 物料衡算與能量衡算（1）標(biāo)準(zhǔn)生成熱0fH 在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，由構(gòu)成組成的元素生成1mol組分時(shí)的焓差。任何反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)熱可以由反應(yīng)物和生成物的生成熱計(jì)算得到。反之，組分的生成熱也可以由反應(yīng)熱計(jì)算得到。34第三章 物料衡算與能量衡算由于物質(zhì)本身的熱函是無法測(cè)定的，一般所能測(cè)定的是物質(zhì)熱函的變化量，因此人為地規(guī)定在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，元素生成熱取為零。0rHRjvpjv0,pjfH0,RjfH標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)熱和生成熱之間的關(guān)系35第三章 物料衡算與能量衡算（2）標(biāo)準(zhǔn)燃燒熱0oH 組分和氧完全燃燒的標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)熱0rHRjvpjv0,RjoH0, pjoH由燃燒熱計(jì)算反應(yīng)熱的一般表達(dá)式:36第三章 物料衡算與能

16、量衡算二、化學(xué)反應(yīng)過程的能量衡算 簡(jiǎn)單化學(xué)反應(yīng)過程的能量平衡： Q1+ Qr+ Qt = Q2 + Q損損 物料的熱量用熱容的計(jì)算式為：)(TCFQpii用熱焓計(jì)算式為：, pThFQii37第四節(jié)第四節(jié) 計(jì)算機(jī)在物料衡算與能量計(jì)算機(jī)在物料衡算與能量 衡算中的應(yīng)用衡算中的應(yīng)用w 教學(xué)內(nèi)容：教學(xué)內(nèi)容：w 上機(jī)通過一個(gè)實(shí)例，了解流程模擬軟件的種類和功能，以及用上機(jī)通過一個(gè)實(shí)例，了解流程模擬軟件的種類和功能，以及用ChemCAD進(jìn)行物料衡算進(jìn)行物料衡算w 和熱量衡算的步驟和方法。和熱量衡算的步驟和方法。w 重點(diǎn)和難點(diǎn)：重點(diǎn)和難點(diǎn)：w 重點(diǎn)重點(diǎn)掌握用掌握用ChemCAD進(jìn)行物料衡算的步驟和方法。進(jìn)行物

17、料衡算的步驟和方法。w 難點(diǎn)難點(diǎn)是設(shè)備、熱力學(xué)方法的定義，模擬反應(yīng)器的選擇和參數(shù)的輸入，是設(shè)備、熱力學(xué)方法的定義，模擬反應(yīng)器的選擇和參數(shù)的輸入，以及換熱過程和分離過程的模型選擇和參數(shù)的輸入。以及換熱過程和分離過程的模型選擇和參數(shù)的輸入。38w 一、流程模擬軟件一、流程模擬軟件w (一一)aspenONE 工程與創(chuàng)新解決方案工程與創(chuàng)新解決方案w (二二)PRO/w (三三)VMGSim；VMGThermow (四四)Chem CADw (五五)ECSS工程化學(xué)模擬系統(tǒng)工程化學(xué)模擬系統(tǒng)-化工之星化工之星 39二、用二、用Chem CAD進(jìn)行物料衡算與能量衡算進(jìn)行物料衡算與能量衡算w (一一) Chem CAD簡(jiǎn)介簡(jiǎn)介w 1、ChemCAD的程序界面的程序界