第四章物料衡算和能量衡算

化工設(shè)計(jì)第四章物料衡算與能量衡算Chart4materielbalanceandenergybalance4.1物料衡算4.2能量衡算4.3化工模擬軟件在化工設(shè)計(jì)中的應(yīng)用4.1物料衡算物料衡算—運(yùn)用質(zhì)量守恒定律，對(duì)化工過(guò)程或設(shè)備進(jìn)行定量計(jì)算。通過(guò)物料衡算解決以下問(wèn)題：計(jì)算原料消耗量、副產(chǎn)品量；輸出過(guò)程物料的損耗量及三廢的生成量；在物料衡算基礎(chǔ)做能量衡算，計(jì)算蒸汽、水、電、煤或其他燃料的消耗定額。計(jì)算產(chǎn)品的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。為生產(chǎn)設(shè)備和輔助設(shè)備的選型及設(shè)計(jì)、管路設(shè)施與公用工程的設(shè)計(jì)等方面提供依據(jù)。一、物料衡算依據(jù)

1.理論依據(jù)——質(zhì)量守恒定律物料衡算范圍單元操作的物料衡算——化工設(shè)備設(shè)計(jì)的前提化工過(guò)程的物料衡算——化工過(guò)程設(shè)計(jì)的前提物料衡算的一般表達(dá)式為：

輸入量－輸出量＋生成量－消耗量＝積累量

對(duì)穩(wěn)定操作過(guò)程，積累量=0輸入量-輸出量+生成量-消耗量=0對(duì)無(wú)化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程：輸入量－輸出量＝積累量

對(duì)無(wú)化學(xué)反應(yīng)的穩(wěn)定操作過(guò)程：輸入量＝輸出量

對(duì)有化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程：總物料衡算+元素衡算式2.數(shù)據(jù)基礎(chǔ)

(1)技術(shù)方案、操作方法、生產(chǎn)能力、年工作時(shí)。(2)建設(shè)單位或研究單位的要求、設(shè)計(jì)參數(shù)、小試及中試數(shù)據(jù)：化工單元過(guò)程的化學(xué)反應(yīng)式、原料配比、轉(zhuǎn)化率、選擇率、總收率，催化劑狀態(tài)、用量、回收方法、安全性能等；原料及產(chǎn)品的分離方式，分離劑的用量，各步的回收率；特殊化學(xué)品的物性：沸點(diǎn)、熔點(diǎn)、飽和蒸汽壓、閃點(diǎn)等。(3)工藝流程示意圖。二、物料衡算基準(zhǔn)

物料衡算時(shí)須選擇計(jì)算基準(zhǔn)，并在計(jì)算過(guò)程中保持一致。一般計(jì)算過(guò)程的基準(zhǔn)有以下幾種：(1)時(shí)間基準(zhǔn)——對(duì)連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程，常以單位時(shí)間(如d、h、s）的投料量或產(chǎn)品量為計(jì)算基準(zhǔn)。(2)批量基準(zhǔn)——以每批操作或一釜料的生產(chǎn)周期為基準(zhǔn)。(3)質(zhì)量基準(zhǔn)——當(dāng)系統(tǒng)介質(zhì)為液、固相時(shí)，選擇一定質(zhì)量的原料或產(chǎn)品作為計(jì)算基準(zhǔn)較適合。(4)物質(zhì)的量基準(zhǔn)：對(duì)于有化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程因化學(xué)反應(yīng)的按摩爾進(jìn)行的，用物質(zhì)的量基準(zhǔn)更方便。(5)標(biāo)準(zhǔn)體積基準(zhǔn)：對(duì)氣體物料進(jìn)行衡算，可采用標(biāo)準(zhǔn)體積基準(zhǔn)，Nm3(STP)，既排除T、p的影響，又可直接換算為摩爾。(6)干濕基準(zhǔn)：由于物料中均含有一定量的水分，選用基準(zhǔn)時(shí)就有算不算水分的問(wèn)題。濕基計(jì)算水分，干基不計(jì)算水分。實(shí)際計(jì)算時(shí)，必須根據(jù)具體情況選擇合適的基準(zhǔn)，過(guò)程的物料衡算及能量衡算應(yīng)在同一基準(zhǔn)上進(jìn)行。三、物料衡算的基本程序

(1)確定衡算對(duì)象和范圍，畫(huà)出計(jì)算對(duì)象的草圖。注意物料種類(lèi)和走向，明確輸入和輸出。(2)確定計(jì)算任務(wù)，明確已知項(xiàng)、待求項(xiàng)，選擇數(shù)學(xué)公式，力求使計(jì)算方法簡(jiǎn)化。(3)確定過(guò)程所涉及的組分，并對(duì)所有組分依次編號(hào)。(4)對(duì)物流的流股進(jìn)行編號(hào)，并標(biāo)注物流變量。(5)收集數(shù)據(jù)資料（設(shè)計(jì)任務(wù)所規(guī)定已知條件，與過(guò)程有關(guān)物理化學(xué)參數(shù)）：

生產(chǎn)規(guī)模（設(shè)計(jì)任務(wù)所規(guī)定，t/年）和生產(chǎn)時(shí)間（指全年有效生產(chǎn)天數(shù)300~330天/年，計(jì)約8000h）。有關(guān)定額的技術(shù)指標(biāo)，通常指產(chǎn)品單耗、配料比、循環(huán)比、固液比、氣液比、回流比、利用率、單程收率、回收率等等。原輔材料、產(chǎn)品、中間產(chǎn)品的規(guī)格；與過(guò)程有關(guān)有物理化學(xué)參數(shù)，如臨界參數(shù)、密度或比體積、狀態(tài)方程參數(shù)、蒸汽壓、氣液平衡常數(shù)或平衡關(guān)系等。(6)列出過(guò)程全部獨(dú)立物料平衡方程式及其相關(guān)約束式，對(duì)有化學(xué)反應(yīng)的還要寫(xiě)出化學(xué)反應(yīng)方程式，指出其轉(zhuǎn)化率和選擇性。約束式分?jǐn)?shù)約束式設(shè)備約束式①進(jìn)料配比為一常數(shù)；②分流器出口物流具有相同的組成；③相平衡常數(shù)；④化學(xué)反應(yīng)平衡常數(shù)；⑤化學(xué)反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率、選擇性或其他限度。(7)選擇計(jì)算基準(zhǔn)；(8)統(tǒng)計(jì)變量個(gè)數(shù)與方程個(gè)數(shù)，確定設(shè)計(jì)變量個(gè)數(shù)及全部設(shè)計(jì)變量。(9)整理并校核計(jì)算結(jié)果，并根據(jù)需要換算基準(zhǔn)，最后列成表格即物流表。(10)繪制物料流程圖，編寫(xiě)物流表作為設(shè)計(jì)文件成果編入正式設(shè)計(jì)文件。三、物料衡算舉例P33例3-1~3-4自學(xué)4.2能量衡算

化工生產(chǎn)中，需要通過(guò)能量衡算解決的問(wèn)題：⑴確定物料輸送機(jī)械和其他操作機(jī)械所需功率。⑵確定各單元過(guò)程所需熱量或冷量及其傳遞速率。⑶化學(xué)反應(yīng)所需的放熱速率和供熱速率。⑷做好余熱綜合利用。能量衡算的基本方程式

在物料衡算基礎(chǔ)上進(jìn)行能量衡算，能量衡算的步驟與物料衡算相同。

根據(jù)熱力學(xué)第一定律，能量衡算方程可寫(xiě)為：Q+W=E=Ek+Ep+

UW=Wt+Ws，Wt為流動(dòng)功，Ws為軸功；

1.封閉體系的能量衡算方程

封閉體系特點(diǎn)：與環(huán)境只有能量交換，而無(wú)物質(zhì)交換，如間歇操作過(guò)程，體系物質(zhì)的動(dòng)能、位能、壓力能無(wú)變化，則：

U=Q+W若體系與環(huán)境沒(méi)有功的交換，即W=0，則：Q=

U

2.流動(dòng)體系的能量衡算方程——物料連續(xù)通過(guò)邊界進(jìn)出能量輸入速率-能量輸出速率=能量積累速率連續(xù)穩(wěn)定流動(dòng)過(guò)程的總能量衡算方程為：3.熱量衡算式及說(shuō)明

⑴熱量衡算式

在反應(yīng)器、蒸餾塔、蒸發(fā)器、換熱器等化工設(shè)備中，W、

Ek、

Ez與Q、

U和

H的相比，可以忽略?？偰芰亢馑闶綖椋?/p>

封閉體系Q=?U敞開(kāi)體系Q=?H對(duì)這些設(shè)備做能量衡算的實(shí)質(zhì)就是進(jìn)行熱量衡算。連續(xù)穩(wěn)定流動(dòng)體系的熱量衡算：

Q=

H1–

H2或

Q=

U1–

U2實(shí)際計(jì)算時(shí)，還常使用下式：

Qin=

QoutQ1+Q2+Q3=Q4+Q5+Q6Q1——物料帶入熱量；Q2——加熱介質(zhì)供給或輸出的熱量，輸入為正，輸出為負(fù)；Q3——過(guò)程的熱效應(yīng)，吸正放負(fù)；Q4——物料帶出熱量；Q5——消耗在加熱設(shè)備各部件上的熱量；Q6——設(shè)備向四周的散熱損失；⑵熱量衡算的步驟

①建立單位時(shí)間為基準(zhǔn)的物料流程圖或物料平衡表。②選定計(jì)算基準(zhǔn)溫度和計(jì)算相態(tài)：可選0℃(273K)、25℃(298K)或其他溫度作為基準(zhǔn)溫度。③在物料流程圖上標(biāo)明已知溫度、壓力、相態(tài)等條件，查出或計(jì)算每個(gè)物料的焓值，標(biāo)注在圖上。④列出熱量衡算式，用數(shù)學(xué)方法求解。⑤當(dāng)生產(chǎn)過(guò)程及物料組成較復(fù)雜時(shí)，可列出熱量衡算表。4.機(jī)械能衡算式

連續(xù)穩(wěn)定流動(dòng)過(guò)程的總能量衡算方程為：在一些單元操作中，Q、

U與動(dòng)能和位能變化及外功相比，相對(duì)較小，如流體流入流出貯罐、貯槽、工藝設(shè)備、輸送設(shè)備、廢料排放，管道流動(dòng)等過(guò)程。單位質(zhì)量不可壓縮流體流動(dòng)時(shí)的機(jī)械能衡算式：4.3化工模擬軟件在化工設(shè)計(jì)中的應(yīng)用計(jì)算機(jī)用于化工設(shè)計(jì)的主要環(huán)節(jié)：物性數(shù)據(jù)檢索(物理性質(zhì)、熱力學(xué)性質(zhì)數(shù)據(jù))；化工過(guò)程模擬設(shè)計(jì)(CAPD)；計(jì)算機(jī)輔助繪圖設(shè)計(jì)(CAD)；計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)等

目前用的較多的化工流程模擬計(jì)算軟件有PRO/II、HYSYS、ASPENPLUS等。

PRO/II流程模擬軟件

PRO/II由美國(guó)模擬科學(xué)（SIMSCI）公司研發(fā)提供的。是目前石油化工行業(yè)最全面的流程模擬軟件，已被廣泛地應(yīng)用于化學(xué)過(guò)程的嚴(yán)格的質(zhì)量和能量平衡。西安石油大學(xué)2006年也購(gòu)買(mǎi)了該軟件，20個(gè)用戶(hù)終端。

PRO/II流程模擬軟件功能特點(diǎn)

適用行業(yè)：油/氣加工、煉油、化工、化學(xué)工程、建筑、聚合物、精細(xì)化工/制藥模擬應(yīng)用：新工藝設(shè)計(jì)、評(píng)估改變的裝置配置、改進(jìn)現(xiàn)有裝置、消除裝置工藝瓶頸、優(yōu)化和改進(jìn)裝置產(chǎn)量和效益。組份數(shù)據(jù)庫(kù)：2000多純組分庫(kù)、1900多組分/種類(lèi)電解質(zhì)庫(kù)等?；旌衔飻?shù)據(jù)：用于3000多VLE二元作用參數(shù)、2200在線(xiàn)共沸混合物用于參數(shù)估算、專(zhuān)用數(shù)據(jù)包等。熱力學(xué)計(jì)算方法：60多個(gè)熱力學(xué)模型。熱力學(xué)數(shù)據(jù)：特殊包：胺，乙二醇，酒精；超過(guò)5000個(gè)二元交互參數(shù)；專(zhuān)用的水溶性數(shù)據(jù)；超過(guò)550個(gè)Henry系數(shù)；二元交互參數(shù)預(yù)測(cè)；熱力學(xué)數(shù)據(jù)回歸。設(shè)計(jì)化工單元操作：閃蒸罐，間歇精餾器，蒸餾器，液－液抽提精餾器，側(cè)線(xiàn)塔，壓縮機(jī)，結(jié)晶器，旋流器，減壓設(shè)備，溶解器，膨脹機(jī)，閃蒸，帶有固體的閃蒸，LNG多股流換熱器，精確核算型換熱器，簡(jiǎn)單換熱器，嚴(yán)格空冷器模型，加熱/冷卻曲線(xiàn)，混合器，相包絡(luò)，管道，聚合物反應(yīng)器，泵，回流泵，閥，刮膜式蒸發(fā)器，平衡反應(yīng)器，轉(zhuǎn)換反應(yīng)器，吉布斯反應(yīng)器，塞流反應(yīng)器，平推流反應(yīng)器，全混流反應(yīng)器，間歇式反應(yīng)器，固態(tài)顆粒分離器，分裂器，單變量控制器，多變量的控制器，物流計(jì)算器，流程優(yōu)化器，過(guò)程數(shù)據(jù)，用戶(hù)自定義操作單元，(電解質(zhì)模塊，SIMSCI外接的模塊)等。用戶(hù)擴(kuò)展功能：用戶(hù)自定義物流屬性包；增加用戶(hù)組份數(shù)據(jù)；增加熱力學(xué)計(jì)算方法；增加自定義操作單元模塊120個(gè)；增加自定義計(jì)算模型7個(gè)；增加自定義電解質(zhì)模型20個(gè)等。分析工具：工況研究、優(yōu)化器、單相變量控制器、多相變量控制器、加熱/冷卻曲線(xiàn)等。二、三種化工模擬軟件的對(duì)比一般認(rèn)為，PROII在煉油工業(yè)應(yīng)用更為準(zhǔn)確些，因其數(shù)據(jù)庫(kù)中有不少經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)；而ASPEN在化工領(lǐng)域表現(xiàn)更好。HYSYS主要用于天然氣的加工處理及煉油工業(yè)。Aspenplus計(jì)算較準(zhǔn)確，數(shù)據(jù)庫(kù)比較完善。不過(guò)由于它考慮的方面非常全面，所以學(xué)起來(lái)比較費(fèi)勁。三、化工模擬軟件存在問(wèn)題還沒(méi)有成熟的化工軟化可用于石油化工過(guò)程部分主要裝置的模擬（如催化