物料衡算與能量衡算 (2).ppt

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1、第3章物料衡算與能量衡算1化工基礎(chǔ)數(shù)據(jù)化工計(jì)算以及化工工藝和設(shè)備設(shè)計(jì)中，要用到有關(guān)化合物的物性數(shù)據(jù)。例如，進(jìn)行化工過(guò)程物料與能量衡算時(shí)，需要用到密度或比容、沸點(diǎn)、蒸汽壓、焓、熱容及生成熱等等的物性數(shù)據(jù)；設(shè)計(jì)一個(gè)反應(yīng)器時(shí)，則需要知道化學(xué)反應(yīng)熱的數(shù)據(jù)；計(jì)算傳熱過(guò)程時(shí)，需要導(dǎo)熱系數(shù)的數(shù)據(jù)等等?；せA(chǔ)數(shù)據(jù)：物化數(shù)據(jù)或物性數(shù)據(jù)2基本物性數(shù)據(jù)—如臨界常數(shù)（臨界壓力、臨界溫度、臨界體積）、密度或比容、狀態(tài)方程參數(shù)、壓縮系數(shù)、蒸氣壓、氣一液平衡關(guān)系等。熱力學(xué)物性數(shù)據(jù)—如內(nèi)能、焓、熵、熱容、相變熱、自由能、自由焓等。化學(xué)反應(yīng)和熱化學(xué)數(shù)據(jù)—如反應(yīng)熱、生成熱、燃燒熱、反應(yīng)速度常數(shù)

2、、活化能，化學(xué)平衡常數(shù)等。傳遞參數(shù)—如粘度、擴(kuò)散系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)等。分類3物料衡算與能量衡算的概念物料衡算：運(yùn)用質(zhì)量守恒定律，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程或設(shè)備的物料平衡進(jìn)行定量的計(jì)算，計(jì)算出各股物流輸入或輸出的量及組分等，稱之為物料衡算。能量衡算：以熱力學(xué)第一定律為依據(jù)，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程或設(shè)備的能量平衡進(jìn)行定量的計(jì)算，計(jì)算過(guò)程中要供給或移走的能量，稱之為能量衡算。能量是熱能、電能、化學(xué)能、動(dòng)能、輻射能的總稱?；どa(chǎn)中最常用的能量形式為熱能，故化工設(shè)計(jì)中經(jīng)常把能量計(jì)算稱為熱量計(jì)算。4物料衡算的質(zhì)量守恒進(jìn)入系統(tǒng)的質(zhì)量流量—排出系統(tǒng)的質(zhì)量流量=系統(tǒng)內(nèi)質(zhì)量的累積穩(wěn)態(tài)過(guò)程進(jìn)入系統(tǒng)的質(zhì)量流量=

3、排出系統(tǒng)的質(zhì)量流量3.1物料衡算基本方法物料衡算的原理5物料衡算的目的1.確定原料的消耗量、副產(chǎn)品量以及輸出過(guò)程物料的損耗量及三廢生成量，判斷是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求（產(chǎn)品的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)）。2.作為熱量計(jì)算的依據(jù)。3.根據(jù)計(jì)算結(jié)果繪出物流圖，可進(jìn)行管路設(shè)計(jì)及材質(zhì)選擇，儀表及自控設(shè)計(jì)、對(duì)生產(chǎn)設(shè)備和輔助設(shè)備進(jìn)行選型或設(shè)計(jì)。6（1）設(shè)計(jì)任務(wù)書（2）建設(shè)單位或研究單位所提供的數(shù)據(jù)（3）工藝流程示意圖物料衡算的依據(jù)7時(shí)間基準(zhǔn)：對(duì)連續(xù)穩(wěn)定過(guò)程，用單位時(shí)間的物料量作基準(zhǔn)。質(zhì)量基準(zhǔn)：固體或液體物料，選用單位質(zhì)量為基準(zhǔn)；當(dāng)量基準(zhǔn)：對(duì)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，選用kmol，因?yàn)榉磻?yīng)為等當(dāng)量反應(yīng)。體積

4、基準(zhǔn)：氣體物料，選用m3（STP），因它不隨T、P變化。干濕基準(zhǔn)：對(duì)含水分的物料，選干基（不計(jì)水分），即水分變化時(shí)選干基。物料衡算的基準(zhǔn)81.確定衡算的對(duì)象、體系與環(huán)境，并畫出計(jì)算對(duì)象的草圖。包括求解系統(tǒng)、衡算范圍、衡算邊界物料衡算程序產(chǎn)品副產(chǎn)物或殘?jiān)M(jìn)料旁路分離系統(tǒng)反應(yīng)器循環(huán)流放空92.確定計(jì)算任務(wù)；3.確定過(guò)程所涉及的組分；4.對(duì)物流流股進(jìn)行編號(hào)，并標(biāo)注物流變量；5.收集數(shù)據(jù)資料：一類為設(shè)計(jì)任務(wù)所規(guī)定的已知條件；一類為與過(guò)程有關(guān)的物理化學(xué)參數(shù)。106.列出物料衡算方程a）穩(wěn)定操作過(guò)程（即穩(wěn)流過(guò)程）：b）系統(tǒng)內(nèi)無(wú)化學(xué)反應(yīng)：c）系統(tǒng)內(nèi)無(wú)化學(xué)反應(yīng)的穩(wěn)定操作過(guò)程：

5、11無(wú)反應(yīng)過(guò)程指流體輸送、粉碎、換熱、混合、分離（吸收、精餾、萃取、結(jié)晶、過(guò)濾、蒸發(fā)、閃蒸、提濃、脫水、增濕、干燥）等化工單元操作。3.1.2物料衡算舉例無(wú)反應(yīng)過(guò)程的物料衡算12例3.1從氣體中回收丙酮的裝置進(jìn)入系統(tǒng)的物流為兩個(gè)，離開(kāi)系統(tǒng)的物流為三個(gè)，其中一個(gè)已知物流量，四個(gè)物流是未知的。可列出總物料平衡式：各組分平衡式：丙酮：水：空氣：但這4個(gè)方程式只有3個(gè)是獨(dú)立，因此需1個(gè)設(shè)計(jì)變量。物料衡算程序13有反應(yīng)過(guò)程的物料衡算S＋O2(空氣)→SO2CO＋H2O(g)→H2＋CO2CH3OH＋1/2O2(空氣)→HCHO＋H2O14⑴轉(zhuǎn)化率某一反應(yīng)物的反應(yīng)量該反應(yīng)

6、物的輸入量×100%xA=(2)選擇性主產(chǎn)物生成量折成原料量反應(yīng)消耗的原料量×100%=Φ3.2反應(yīng)過(guò)程的物料衡算15產(chǎn)物的實(shí)際產(chǎn)量按原料計(jì)算得理論產(chǎn)量×100%η=(3)收率收率=轉(zhuǎn)化率×選擇性即η=x×Φ轉(zhuǎn)化率、選擇性和收率之間的關(guān)系：16（4）限制組分——較昂貴的反應(yīng)物全部反應(yīng)，較難得或要嚴(yán)格控制的反應(yīng)物應(yīng)充分利用（5）過(guò)量組分——價(jià)格低廉、易得的反應(yīng)物過(guò)量在反應(yīng)過(guò)程中，在數(shù)量上以最小化學(xué)計(jì)量系數(shù)存在的組分稱為限制組分。在數(shù)量上超過(guò)完全反應(yīng)所需理論量的組分稱為過(guò)量組分。17例：原料氣中有CO1mol，H2O(g)2mol，進(jìn)行變換反應(yīng)：CO＋H2O(g)

7、→H2＋CO2用反應(yīng)物的實(shí)際摩爾量除以各自對(duì)應(yīng)組分的反應(yīng)計(jì)量系數(shù)，此值最小者即為限制組分，其余為過(guò)量組分。所以，CO是限制組分，H2O(g)是過(guò)量組分。過(guò)量百分?jǐn)?shù)：過(guò)量組分超過(guò)理論量的那部分占理論量的百分?jǐn)?shù)。設(shè)：Nf為過(guò)量組分的實(shí)際用量（質(zhì)量或mol量）Nt為過(guò)量組分的理論用量（質(zhì)量或mol量）則：過(guò)量%=(Nf－Nt)/Nt×100%如上例：H2O(g)過(guò)量%=(2-1)/1×100%=100%18※幾種衡算方法直接推算法原子衡算法平衡常數(shù)法聯(lián)系組分法帶有循環(huán)、放空及旁路的物料平衡進(jìn)出物料的總質(zhì)量進(jìn)出物料中反應(yīng)組分的質(zhì)量進(jìn)出物料中惰性組分的質(zhì)量進(jìn)出物料中各元

8、素的質(zhì)量無(wú)反應(yīng)過(guò)程相等相等相等相等有反