注冊化工工程師物料衡算

第一章物料衡算和能量衡算物料衡算和能量衡算是化工工藝設(shè)計的基礎(chǔ)，是進行化工工藝設(shè)計及經(jīng)濟評價的基本依據(jù)。通過對全過程或單元過程的物料和能量衡算，可以確定工廠生產(chǎn)裝置設(shè)備的設(shè)計規(guī)模和能力，可以計算出原料消耗定額、能量消耗定額和三廢排放量及組成，是設(shè)備選擇和計算的依據(jù)，是改進生產(chǎn)和降低生產(chǎn)成本的依據(jù)。第一節(jié)物料衡算1.1物料平衡分析和計算方法質(zhì)量守恒與物料平衡式根據(jù)質(zhì)量守恒算定律寫出的平衡關(guān)聯(lián)式：（1）總質(zhì)量平衡關(guān)聯(lián)GGG（1）123G是輸入系統(tǒng)物料質(zhì)量總和；G是從系統(tǒng)輸出物料質(zhì)量總和；G是物料損失質(zhì)量總和。123該式表達了任何體系，總質(zhì)量是守恒的。（2）組分平衡關(guān)聯(lián)物理過程中，各組分的質(zhì)量和摩爾數(shù)守恒，化學反應過程中，不發(fā)生化學反應的惰性組分的質(zhì)量和摩爾數(shù)守恒，對參與化學反應的組分，要考慮該組分在反應過程中質(zhì)量和摩爾數(shù)的變化，對某一體系的組分A：加入系統(tǒng)（或單元設(shè)備）A的量=在系統(tǒng)（或單元設(shè)備）中轉(zhuǎn)化的A量+離開系統(tǒng)（或單元設(shè)備）A的量+在系統(tǒng)（或單元設(shè)備）中積累A的量對于連續(xù)定態(tài)的生產(chǎn)過程，物料無積累。（3）元素平衡關(guān)聯(lián)無論是物理過程還是化學過程，元素都是平衡的。元素守恒包括元素的質(zhì)量平衡守恒和元素的摩爾數(shù)平衡。對化學反應過程，在進行物料平衡計算時，常用組分平衡和元素平衡，尤其是化學反應計量系數(shù)未知或很復雜，以及只有參加反應各物質(zhì)的化學分析數(shù)據(jù)時，用元素平衡最為方便。有的時候，也只有元素守恒才可求解。物料平衡計算方法物料平衡計算的方法有直接解法、聯(lián)系物解法和代數(shù)解法。直接解法適用于求解單元設(shè)備的簡單體系，有已知數(shù)據(jù)，用四則運算直接求解未知數(shù)據(jù)。聯(lián)系物解法對于單元設(shè)備的簡單體系和復雜體系都適用。對于化工過程，惰性物或惰性組分不參與化學反應，若一種或多種惰性物質(zhì)由一物流全部轉(zhuǎn)入另一物流，可用惰性物把兩股物流的流量聯(lián)系起。對于多種惰性物質(zhì)可作為聯(lián)系物時，一般選數(shù)量大的惰性物作聯(lián)系物。代數(shù)解法對于單元設(shè)備的復雜體系和復雜化工過程的各種體系，以及含多個未知量和多個方程的情況都適用。物料平衡計算基準平衡計算的基準選擇很重要，基準選擇適當可大大簡化計算。對于基準的選擇要根據(jù)具體的情況，非硬性規(guī)定，基準選擇的經(jīng)驗：（1）已知進料組成時，若進料組成用質(zhì)量百分數(shù)表示，則用1kg/h或1g/h進料為基準，若為摩爾百分數(shù)時，用1mol/h或1kmol/h進料為基準；（2）已知出料組成時，若出料組成用質(zhì)量百分數(shù)表示，則用1kg/h或1g/h出料為基準，若為摩爾百分數(shù)時，用1mol/h或1kmol/h出料為基準；（3）以1t產(chǎn)品為基準；（4）以1mol反應物為基準；（5）以每一批生產(chǎn)量為基準；（6）對液固體系，常選單位質(zhì)量作基準，對氣體物料，若環(huán)境條件已定，選體積做基準，對連續(xù)流動體系，用單位時間作基準。物料平衡計算步驟（1）畫出物料平衡計算方框圖；（2）寫出化學反應方程式；（3）寫明指定年產(chǎn)量、年工作日或每晝夜生產(chǎn)能力、產(chǎn)率、產(chǎn)品純度等；（4）選定計算基準；（5）收集計算需要的數(shù)據(jù)；（6）進行物料平衡計算；（7）將物料平衡計算結(jié)果列成物料平衡表，畫出物料平衡圖。例1某尿素廠的生產(chǎn)能力為6x104t尿素/年，年操作日3天，尿素的氨耗為0.6t氨/尿素，生產(chǎn)過程的氨損失按5%（質(zhì)量百分數(shù)）考慮，已知以1t氨為基準的某股氣體的組成如表1所示。計算完成生產(chǎn)任務所需的該股氣體的流量。表1物料組成組分CO2COH2N2CH4合計組成/%(mol)28.561.2052.6117.050.5751摩爾數(shù)/kmol54.302.291.0432.431.093190.153解：由題意，每小時產(chǎn)氨量為(6x0.6x1.05):(3x24)=5.25t/h以1t氨為基準的各組分的摩爾質(zhì)量乘以5.25，所得結(jié)果即為流量，其結(jié)果列于表2：表2物料組成和流量組分CO2COH2N2CH4合計組成/%(mol)28.561.2052.6117.050.5751流量/(kmol/h)285.112.02525.2170.35.74998.361.2物料平衡計算的基本參數(shù)為了準確進行物料平衡計算，有必要熟悉在物料平衡計算中常用的參數(shù)和計量單位。流體的流量和流速體積流量Q單位時間流經(jīng)管道或設(shè)備的流體的體積為體積流量，常用的體積流量單位m3/h、m3/min、m3/s。流體的線速度u流體單位時間在流動的方向上所經(jīng)過的距離稱為線速度，單位常用m/s，工程上，把流體的體積流量除以截面積所得的商來表示流體通過截面的線速度即：Qu—A質(zhì)量流量W單位時間流經(jīng)管道或設(shè)備的流體的質(zhì)量稱為質(zhì)量流量，其單位一般常用Kg/h、Kg/min、Kg/s。質(zhì)量流速6單位時間通過管道或設(shè)備的單位截面積的流體的質(zhì)量稱為質(zhì)量流速，質(zhì)量流速的單位一般常用Kg/（m2?h）、Kg/（m2-min）.Kg/（m2-s）（5）摩爾流量F單位時間流經(jīng)管道或設(shè)備的流體的物質(zhì)的量稱為摩爾流量，其單位一般常用kmol/h、kmol/min、kmol/s。質(zhì)量流量、體積流量和線速度的關(guān)系式如下：WQuA為流體的密度摩爾分數(shù)和質(zhì)量分數(shù)（1）摩爾分數(shù)混合物中某組分的物質(zhì)的量與混合物的物質(zhì)的量之比稱為該組分的摩爾分數(shù)。液體混合物中i組TOC\o"1-5"\h\z分的摩爾分數(shù)一般用Xj表示，而氣體混合物中的i組分摩爾分數(shù)用y「表示，即n1n1y-ix.iini-t-i,氣分別為i組分和混合物的物質(zhì)的量，單位為mol。摩爾分數(shù)為對于流動物系摩爾分數(shù)為F

F

y—

iFtFXTiF

tFi，F(xiàn)t分別為i組分和混合物的摩爾流量，單位為mol/h。對于混合氣體i組分的摩爾分數(shù)和體積分數(shù)相等。（2）質(zhì)量分數(shù)混合物中，某組分的質(zhì)量與混合物的質(zhì)量之比為該組分的質(zhì)量分數(shù)，用％表示，即i組分的質(zhì)量w-~一一i混合物的質(zhì)量對流動物系有TOC\o"1-5"\h\zwi組分的質(zhì)量流量W.或wi組分的質(zhì)量流速G.Wj混合物的質(zhì)量流量W"w.混合物的質(zhì)量流速Gtt例2一混合物中苯和甲苯的質(zhì)量分數(shù)分別為0.3和0.7，求苯和甲苯的摩爾分數(shù)（分別用X］和x2表示）。解：本例題是質(zhì)量分數(shù)與摩爾分數(shù)的換算。主要是質(zhì)量和物質(zhì)的量以及分子質(zhì)量的關(guān)系。300.336780.33630707892x2=1-xi=0.664混合物的平均相對分子質(zhì)量——n…MMxi1Xj為i組分的摩爾分數(shù)；Mi為i組分的相對分子質(zhì)量；/為混合物的平均相對分子質(zhì)量。例3混合物中乙醇和水的質(zhì)量分數(shù)分別為0.4和0.6，求此混合物的平均相對分子質(zhì)量。以下標1和2分別表示乙醇和水，即M「46和M「18。解：有礦nMx可知要想求平均相對分子質(zhì)量，首先需要把質(zhì)量分數(shù)轉(zhuǎn)化為摩爾分數(shù)。i1400.207460.20740604618x2=1-x1=0.793=23.796/氣體的體積(1)一般壓力、溫度下氣體的體積一般來說，操作壓力在1MPa以下，可按理想氣體對待，服從理想氣體狀態(tài)方程式:PV=nRT對混合氣體mPV=RTM對于R的具體數(shù)值因單位而異，以SI單位R=8.314J/(mol-K)對于流動系統(tǒng)，理想氣體狀態(tài)方程為PQ=FRT標準狀況下，lkmol氣體的體積為22.4m3，所以一般壓力下的氣體體積也可用下式計算:273t0.10133V22.4n273pQ22.4F2Lt°.1。133273(2)高壓下的氣體體積操作壓力在1MPa以上時，真實氣體對待。在各種計算方法中，以壓縮因子法最方便，壓縮因子作為理想氣體狀態(tài)方程的校正系數(shù)，用來算真實氣體體積，即PV=ZnRT和PQ=ZFRTZ是壓縮因子，是對比壓力Pr和對比溫度Tr的函數(shù)，可有Tr、Pr查壓縮因子圖得到。對比參數(shù)是某狀態(tài)下的參數(shù)除以相對應的臨界參數(shù)。Pr=P/Pc[=T/Tc對于氫、氦、氖三種氣體，按下式計算Pr和Tr，所得的Z更符合實際：Pr=P/(Pc+8)Tr=T/(“+8)式中壓力的單位為MPa。氣體和液體的密度氣體的密度由于氣體的體積受壓力和溫度的影響很大，所以氣體的密度受壓力和溫度的影響也很大。壓力在1MPa以下，按理想氣體對待，當操作壓力大于1MPa時，用下式計算：虬gZRT密度的單位Kg/m3;壓力單位為MPa;溫度單位K。高壓下混合氣體的密度計算公式和單一氣體密度計算公式相似，分子質(zhì)量用平均相對分子質(zhì)量代替。壓縮因子用混合氣體壓縮因子代替。液體的密度液體在一般壓力下，密度隨壓力變化不大，但隨溫度的變化比較顯著。在一般手冊和書籍可以查到常溫下液體的密度，也可查有實驗結(jié)果列出的液體密度與溫度變化的數(shù)據(jù)和曲線圖。工業(yè)中，遇見的液體混合物密度，除了和溫度壓力有關(guān)外，還與混合物組成有關(guān)，有些溶液的密度只要知道其組成就可以從手冊中查到它們的密度如(甲醇、乙醇、硫酸的水溶液)。如不能在手冊中查到溶液的密度數(shù)據(jù)，可以根據(jù)混合液中各液體組分的純態(tài)密度和混合液的組成進行粗估。假設(shè)有兩組分A（wA，pA）和B（（w『Pb），有密度的定義式，根據(jù)v=va+vb（與實際有誤差，但是不大，可用體積相加估算。1WW—iiAB若為多元混合物，則1W-—例4已知液體乙醇在常壓及20C下的密度為0.7893g/cm3，求乙醇在12.2MPa和120C下的密度。解：首先查乙醇的臨界溫度和臨