1、化工设计电子课件化工设计化工设计第四章第四章 物料衡算与能量衡算物料衡算与能量衡算 Chart4 materiel balance and energy balance化工设计电子课件4.1 物料衡算物料衡算4.2 能量衡算能量衡算4.3 化工模拟软件在化工设计中的应用化工模拟软件在化工设计中的应用 化工设计电子课件4.1 物料衡算物料衡算物料衡算物料衡算运用质量守恒定律，对化工过程或设备进行定量计算。运用质量守恒定律，对化工过程或设备进行定量计算。通过物料衡算解决以下问题：通过物料衡算解决以下问题：计算原料消耗量、副产品量；计算原料消耗量、副产品量；输出过程物料的损耗量及三废的生成量；输出过
2、程物料的损耗量及三废的生成量；在物料衡算基础上做能量衡算，计算蒸汽、水、电、煤或其他燃料在物料衡算基础上做能量衡算，计算蒸汽、水、电、煤或其他燃料的消耗定额。的消耗定额。计算产品的技术经济指标。计算产品的技术经济指标。为生产设备和辅助设备的选型及设计、管路设施与公用工程的设为生产设备和辅助设备的选型及设计、管路设施与公用工程的设计等方面提供依据。计等方面提供依据。化工设计电子课件衡算计算范围示意图：衡算计算范围示意图：图中方框表示一个体系，虚线表示体系边界。图中方框表示一个体系，虚线表示体系边界。共有三个共有三个流股流股，进料，进料1、2及出料及出料3。123化工设计电子课件一、物料衡算依据一
3、、物料衡算依据1.理论依据理论依据质量守恒定律质量守恒定律物料衡物料衡算范围算范围单元操作的物料衡算单元操作的物料衡算化工设备设计的前提化工设备设计的前提化工过程的物料衡算化工过程的物料衡算化工过程设计的前提化工过程设计的前提物料衡算的一般表达式为：物料衡算的一般表达式为：输入量输出量生成量消耗量积累量输入量输出量生成量消耗量积累量对稳定操作过程，积累量对稳定操作过程，积累量=0输入量输入量-输出量输出量+生成量生成量-消耗量消耗量=0 对无化学反应的过程：对无化学反应的过程：输入量输出量积累量输入量输出量积累量对无化学反应的稳定操作过程：对无化学反应的稳定操作过程：输入量输出量输入量输出量
4、化工设计电子课件对有化学反应的过程对有化学反应的过程：总物料衡算：总物料衡算+元素衡算式元素衡算式2.数据基础数据基础(1)技术方案、操作方法、生产能力、年工作时。技术方案、操作方法、生产能力、年工作时。(2)建设单位或研究单建设单位或研究单位的要求位的要求、设计参数、小试及中试数据：、设计参数、小试及中试数据：化工单元过程的化工单元过程的化学反应式化学反应式、原料配比、转化率、选择率、总收、原料配比、转化率、选择率、总收率，催化剂状态、用量、回收方法、安全性能等；率，催化剂状态、用量、回收方法、安全性能等；原料及产品的分离方式原料及产品的分离方式，分离剂的用量，各步的回收率；，分离剂的用量，
5、各步的回收率；特殊化学品的物性特殊化学品的物性：沸点、熔点、饱和蒸汽压、闪点等。：沸点、熔点、饱和蒸汽压、闪点等。(3)工艺流程示意图。工艺流程示意图。二、物料衡算基准二、物料衡算基准p 物料衡算时须物料衡算时须选择计算基准选择计算基准，并在计算过程中，并在计算过程中保持一致保持一致。p 一般计算过程的基准有以下几种：一般计算过程的基准有以下几种：化工设计电子课件(1)时间基准时间基准对连续生产过程，常以单位时间对连续生产过程，常以单位时间(如如d、h、s）的投料）的投料量或产品量为计算基准。量或产品量为计算基准。(2)批量基准批量基准以每批操作或一釜料的生产周期为基准。以每批操作或一釜料的生
6、产周期为基准。/批批(3)质量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较适合。产品作为计算基准较适合。(4)物质的量基准：物质的量基准：对于有化学反应的过程因化学反应的按摩尔进行对于有化学反应的过程因化学反应的按摩尔进行的，用物质的量基准更方便。的，用物质的量基准更方便。(5)标准体积基准：标准体积基准：对气体物料进行衡算，可采用标准体积基准，对气体物料进行衡算，可采用标准体积基准，Nm3(STP)，既排除，既排除T、p的影响，又可直接换算为摩尔。的影响，又可直接换算为摩尔。(6)干湿基准：干湿基准：由于物料中均含有一
7、定量的水分，选用基准时就有算由于物料中均含有一定量的水分，选用基准时就有算不算水分的问题。湿基计算水分，干基不计算水分。不算水分的问题。湿基计算水分，干基不计算水分。实际计算时，必须根据具体情况选择合适的基准，过程的物料衡实际计算时，必须根据具体情况选择合适的基准，过程的物料衡算及能量衡算应在同一基准上进行。算及能量衡算应在同一基准上进行。化工设计电子课件可建议：可建议：以以1t1t产品为基准产品为基准以以1mol1mol某反应物为基准某反应物为基准在在连续操作连续操作中，以单位时间，即中，以单位时间，即/h/h或或kmol/hkmol/h作基准；在作基准；在间间歇操作歇操作中，以中，以/批批
8、为基准为基准有化学变化有化学变化的过程，适宜采用的过程，适宜采用质量质量作基准；无化学变化的过作基准；无化学变化的过程，以质量或程，以质量或kmol/hkmol/h为基准为基准对于液固系统常用单位质量作基准，而液相常用单位体积作对于液固系统常用单位质量作基准，而液相常用单位体积作基准基准化工设计电子课件三、物料衡算的基本程序三、物料衡算的基本程序(1)确定确定衡算对象和范围衡算对象和范围，画出计算对象的草图。注意物料种类和走，画出计算对象的草图。注意物料种类和走向，明确输入和输出。向，明确输入和输出。(2)确定确定计算任务计算任务，明确已知项、待求项，选择数学公式，力求使计，明确已知项、待求项
9、，选择数学公式，力求使计算方法简化。算方法简化。(3)确定过程所确定过程所涉及的组分涉及的组分，并对所有组分依次编号。，并对所有组分依次编号。(4)对物流的对物流的流股进行编号流股进行编号，并标注物流变量。，并标注物流变量。(5)收集数据资料收集数据资料（设计任务所规定已知条件，与过程有关物理化学（设计任务所规定已知条件，与过程有关物理化学参数）：参数）：生产规模生产规模（设计任务所规定，（设计任务所规定，t/年）和年）和生产时间生产时间（指全年有效生（指全年有效生产天数产天数300330天天/年，计约年，计约8000h）。）。有关定额的技术指标有关定额的技术指标，通常指产品单耗、配料比、循环
10、比、固液，通常指产品单耗、配料比、循环比、固液比、气液比、回流比、利用率、单程收率、回收率等等。比、气液比、回流比、利用率、单程收率、回收率等等。化工设计电子课件原辅材料、产品、中间产品的规格；原辅材料、产品、中间产品的规格；与过程有关有物理化学参数，如临界参数、密度或比体积、状态方与过程有关有物理化学参数，如临界参数、密度或比体积、状态方程参数、蒸汽压、气液平衡常数或平衡关系等。程参数、蒸汽压、气液平衡常数或平衡关系等。(6)列出过程全部独立物料平衡方程式及其相关约束式列出过程全部独立物料平衡方程式及其相关约束式，对有化学反，对有化学反应的还要写出化学反应方程式，指出其转化率和选择性。应的还
11、要写出化学反应方程式，指出其转化率和选择性。约束式约束式分数约束式分数约束式设备约束式设备约束式 进料配比为一常数；进料配比为一常数；分流器出口物流具有相同的组成；分流器出口物流具有相同的组成；相平衡常数；相平衡常数；化学反应平衡常数；化学反应平衡常数；化学反应的转化率、选择性或其他限化学反应的转化率、选择性或其他限度。度。化工设计电子课件(7)选择计算基准；选择计算基准；(8)统计变量个数与方程个数，确定设计变量个数及全部设计变量。统计变量个数与方程个数，确定设计变量个数及全部设计变量。(9)整理并校核计算结果，并根据需要换算基准，最后列成表格即整理并校核计算结果，并根据需要换算基准，最后列
12、成表格即物流表。物流表。(10)绘制物料流程图，编写物流表作为设计文件成果编入正式设计绘制物料流程图，编写物流表作为设计文件成果编入正式设计文件。文件。化工设计电子课件衡算计算范围示意图：衡算计算范围示意图：边界线（Boundary Line）围起来的区域构成衡算范围。化工设计电子课件 例例:某尿素厂的生产能力为某尿素厂的生产能力为6 6万万t t尿素尿素/a,/a,年操作日年操作日300d300d，尿素，尿素的氨耗为的氨耗为0.6t0.6t氨氨/t/t尿素，生产过程的氨损失按尿素，生产过程的氨损失按5%5%考虑，已知以考虑，已知以1t1t氨为基准的某股气体的组成和量如下表所示。氨为基准的某股
13、气体的组成和量如下表所示。组成组成 CO2 CO H2 N2 CH4 合计合计(mol)28.56 1.2 52.61 17.05 0.575 100 kmol 54.30 2.29 100.04 32.43 1.093 190.99列出该股气体的组成和流量表。列出该股气体的组成和流量表。解解:小时氨耗为小时氨耗为 600000.61.05 30024 =5.25t/h化工设计电子课件 以以1t1t氨为基准的各组分的氨为基准的各组分的kmolkmol量乘以量乘以5.255.25所得结果为流量。所得结果为流量。气体的流量和组成如下表所示气体的流量和组成如下表所示:组成组成 CO2 CO H2 N
14、2 CH4 合计合计(mol)28.56 1.2 52.61 17.05 0.575 100 kmol/h 285.1 12.02 525.2 170.2 5.74 998.3化工设计电子课件无化学反应的物料衡算无化学反应的物料衡算1 1、简单过程的物料衡算、简单过程的物料衡算2 2、多单元系统多单元系统在化工过程中，一些只有物理变化，不发生化学反应的单元在化工过程中，一些只有物理变化，不发生化学反应的单元操作，如混合、蒸馏、蒸发、干燥、吸收、结晶、萃取等。操作，如混合、蒸馏、蒸发、干燥、吸收、结晶、萃取等。p这些过程都可以根据物料衡算式，列出总物料和各组分的衡这些过程都可以根据物料衡算式，列
15、出总物料和各组分的衡算式，再用代数法求解。算式，再用代数法求解。化工设计电子课件1 1、简单过程的物料衡算、简单过程的物料衡算 简单过程是指仅有一个设备或一个单元操作或整个过程简简单过程是指仅有一个设备或一个单元操作或整个过程简化成一个设备的过程。这种过程的物料衡算比较简单，在物化成一个设备的过程。这种过程的物料衡算比较简单，在物料流程简图中，设备边界就是体系边界。料流程简图中，设备边界就是体系边界。例：例：一种废酸，组成为一种废酸，组成为2323(质量质量)HNO)HNO3 3，5757H H2 2SOSO4 4和和2020H H2 2O O，加入，加入9393的的H H2 2SOSO4 4
16、及及9090的浓的浓HNOHNO3 3，要求混合成，要求混合成2727HNOHNO3 3及及6060H H2 2SOSO4 4的混合酸，计算所需废酸及加入浓酸的数量。的混合酸，计算所需废酸及加入浓酸的数量。化工设计电子课件 解：设解：设x x为废酸量，为废酸量，kgkg；y y为浓为浓H H2 2SOSO4 4量，量，kgkg；z z为浓为浓HNOHNO3 3量量,；画物料流程简图画物料流程简图0.570.20z kg0.23y kg0.600.130.270.070.930.900.10混合过程废酸 x kg混合酸3ONHOS2HH24OHNO322HHOOS4H S24OOH23ONH2H
17、 O化工设计电子课件 选择基准选择基准:可以选废酸或浓酸的量为基准，也可以用混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。准计算都很方便。列物料衡算式，该体系有列物料衡算式，该体系有3 3种组分，可以列出种组分，可以列出3 3个独立个独立方程，所以能求出方程，所以能求出3 3个未知量。个未知量。基准：基准：100kg100kg混合酸混合酸总物料衡算式总物料衡算式 x x+y y+z=z=100 (1)100 (1)H H2 2SOSO4 4的衡算式的衡算式 0.570.57x
18、x+0.93+0.93y=y=1001000.6=600.6=60 (2)(2)HNOHNO3 3的衡算式的衡算式 0.230.23x x+0.90+0.90z=z=1001000.27=27 0.27=27 (3)(3)解解(1)(1)，(2)(2)，(3)(3)方程，得方程，得x=x=41.8kg41.8kg废酸废酸 y=y=39kg39kg浓浓H H2 2SOSO4 4 z=z=19.2kg19.2kg浓浓HNOHNO3 3即由即由41.8kg41.8kg废酸、废酸、39kg39kg浓浓H H2 2SOSO4 4和和19.2kg19.2kg浓浓HNOHNO3 3可以混合成可以混合成100
19、kg100kg混合酸。混合酸。化工设计电子课件2 2、多单元系统、多单元系统对有多个设备的过程，进行物料衡算时，可以划分多个衡对有多个设备的过程，进行物料衡算时，可以划分多个衡算体系。此时，必须选择恰当的衡算体系，这是很重要的步算体系。此时，必须选择恰当的衡算体系，这是很重要的步骤。不然会使计算繁琐，甚至无法求解。骤。不然会使计算繁琐，甚至无法求解。例：造纸厂的碱回收工序有一个四效蒸发器例：造纸厂的碱回收工序有一个四效蒸发器,供料方式为供料方式为,蒸发器的总处理量为蒸发器的总处理量为8000080000/h/h造纸废液造纸废液(黑黑液液)。计算总蒸发水量和每一效蒸发器的蒸发水量。计算总蒸发水量
20、和每一效蒸发器的蒸发水量。化工设计电子课件四效蒸发系统的物料平衡四效蒸发系统的物料平衡化工设计电子课件四效蒸发系统的物料衡算过程四效蒸发系统的物料衡算过程将整个系统简化为一个单元，可计算出总蒸发量将整个系统简化为一个单元，可计算出总蒸发量 ）（出进进XXFW1则总蒸发水量为则总蒸发水量为hkgW/600006015180000）（总FX进进=（F进进-W）X出出化工设计电子课件四效蒸发系统的物料衡算过程四效蒸发系统的物料衡算过程第三效蒸发水量为第三效蒸发水量为则第则第效的蒸发水量效的蒸发水量W W为为hkgW/12600)8.17151(80000进入第进入第的料液量的料液量80000-126
21、00=67400kg/h80000-12600=67400kg/hhkg/14300)6.228.171(67400类推得：类推得：15000kg/h15000kg/h 18100kg/h18100kg/h化工设计电子课件反应过程的物料衡算反应过程的物料衡算1 1、直接计算法、直接计算法在物料衡算中，根据化学反应式，运用化学计量系数进在物料衡算中，根据化学反应式，运用化学计量系数进行计算的方法，称为直接计算法。行计算的方法，称为直接计算法。例：甲醇氧化制甲醛，其反应过程为例：甲醇氧化制甲醛，其反应过程为 CHCH3 3OH+1/2OOH+1/2O2 2 HCHO+H HCHO+H2 2O O反
22、应物及生成物均为气态。甲醇的转化率为反应物及生成物均为气态。甲醇的转化率为7575，若使，若使用用5050的过量空气，试计算反应后气体混合物的摩尔组的过量空气，试计算反应后气体混合物的摩尔组成。成。化工设计电子课件 解：画出流程示意图，如下图：解：画出流程示意图，如下图：催化反应器催化反应器CHCH3 3OHOH空气空气（过量（过量50%)CHCH3 3OHOHHCHOHCHOH H2 2O OO O2 2 N N2 2 基准：基准：1mol CH1mol CH3 3OHOH CH3OH+1/2O2 HCHO+H2O根据反应式：根据反应式：需氧需氧0.5 0.5 氧入氧入=0.5=0.51.5
23、=0.75 1.5=0.75 氮入氮出氮入氮出0.750.75(79/21)=2.82(79/21)=2.82化工设计电子课件反应的甲醇量反应的甲醇量0.750.751=0.751=0.75甲醛的出量甲醛的出量0.75 0.75 甲醇的出量甲醇的出量1 10.75=0.250.75=0.25氧的出量氧的出量0.750.750.750.750.5=0.3750.5=0.375水的出量水的出量0.750.75p计算结果如下表：计算结果如下表：组分组分CH3OH HCHO H2O O2 N2 总计总计 mol 0.250 0.750 0.750 0.375 2.820 4.945摩尔分数（）摩尔分数
24、（）5.0 15.2 15.2 7.6 57.0 100.0 化工设计电子课件、元素衡算法、元素衡算法元素衡算是物料衡算的一种重要形式。在作这类衡算时，并不元素衡算是物料衡算的一种重要形式。在作这类衡算时，并不需要考虑具体的化学反应，而是按照元素种类被转化及重新组合需要考虑具体的化学反应，而是按照元素种类被转化及重新组合的概念表示为：的概念表示为：输入输入(某种元素某种元素)输出输出(同种元素同种元素)对反应过程中化学反应很复杂，无法用一、两个反应式表示的对反应过程中化学反应很复杂，无法用一、两个反应式表示的物料衡算，可以列出元素衡算式，用代数法求解。物料衡算，可以列出元素衡算式，用代数法求解
25、。化工设计电子课件C3H8+5O2 3CO2+4H2O基准：基准：100mol100mol烟道气：烟道气：设：设：N-N-烟道气中烟道气中N N2 2的的mol Q-mol Q-烟道气中烟道气中H H2 2O,molO,mol M-M-烟道气中烟道气中O O2 2的的mol A-mol A-输入空气输入空气 molmol P-P-烟道气中烟道气中COCO2 2的的mol B-mol B-输入丙烷，输入丙烷，molmol 列平衡式：列平衡式：C C平衡：平衡：3P=B N3P=B N2 2平衡平衡:0.79A=N:0.79A=N H H2 2平衡：平衡：4Q=B 4Q=B 过剩氧气过剩氧气:0.
26、21A:0.21A0.25/1.25=M0.25/1.25=M O O2 2平衡：平衡：0.21A=M+P+2Q0.21A=M+P+2Q 烟道气总量烟道气总量:N+M+P+Q=100 :N+M+P+Q=100 丙烷充分燃烧时，要供给的空气量为理论量的丙烷充分燃烧时，要供给的空气量为理论量的125%125%，问每，问每100mol100mol燃烧产物，需多少燃烧产物，需多少molmol的空气？反应：的空气？反应：燃燃烧烧丙烷丙烷空气空气（O O2 2 N N2 2）COCO2 2 H H2 2O OO O2 2 N N2 2化工设计电子课件、用联系组分作衡算、用联系组分作衡算“联系组分联系组分”
27、是指随物料输入体系，但完全不参加反应，又随是指随物料输入体系，但完全不参加反应，又随物料从体系输出的组分，在整个反应过程中，它的数量不变。物料从体系输出的组分，在整个反应过程中，它的数量不变。如果体系中存在联系组分，那么输入物料和输出物料之间就如果体系中存在联系组分，那么输入物料和输出物料之间就可以根据联系组分的含量进行关联。例如，可以根据联系组分的含量进行关联。例如，F F、P P分别为输入、分别为输入、输出物料，输出物料，T T为联系组分。为联系组分。T T在在F F中的质量分数为中的质量分数为X XFTFT，在，在P P中的质中的质量分数为量分数为X XPTPT，则，则F F与与P P之
28、间的关系为：之间的关系为：FXFXFTFT=PX=PXPTPT化工设计电子课件某厂用空气和邻二甲苯生产苯酐。原料流量为：某厂用空气和邻二甲苯生产苯酐。原料流量为：205kg/h205kg/h邻二甲苯，邻二甲苯，4500m4500m3 3（STPSTP）/h/h空气，从反应的计量关系可知，生成空气，从反应的计量关系可知，生成1mol1mol苯酐需苯酐需要反应掉要反应掉1mol1mol的邻二甲苯。经化验得到反应器出口气体的组成为：的邻二甲苯。经化验得到反应器出口气体的组成为：组分组分O O2 2N N2 2其他其他合计合计%（molmol）0.650.650.040.040.030.0316.58
29、16.5878784.704.70100100试计算：试计算：1）邻二甲苯的转化率，苯酐收率；）邻二甲苯的转化率，苯酐收率；2）苯酐的年产量（年工作日）苯酐的年产量（年工作日330天）天）化工设计电子课件循环过程的物料衡算循环过程的物料衡算例如在生产例如在生产 中一般将未反应的原料与产品先分离，后循环返中一般将未反应的原料与产品先分离，后循环返回原料进口处，与新原料一起再进入反应器反应。回原料进口处，与新原料一起再进入反应器反应。例如苯直接加氢转化环己烷中的循环过程：例如苯直接加氢转化环己烷中的循环过程：新鲜新鲜2纯纯C6H6循环循环280%220%C6H6产物产物3%H2化工设计电子课件苯直
30、接加氢转化环己烷中的循环过程的衡算苯直接加氢转化环己烷中的循环过程的衡算解：反应为：解：反应为：C C6 6H H6 6+3H+3H2 2CC6 6H H1212 基准：基准：100kmol/h100kmol/h环己烷环己烷 查苯的总转化率为查苯的总转化率为99%99%则生产则生产100kmol/h100kmol/h环己烷需苯环己烷需苯 1001000.99=101.01kmol/h0.99=101.01kmol/h未反应的苯为未反应的苯为 101.01-100=1.01kmol/h101.01-100=1.01kmol/h产物中含产物中含H H2,2,设含量为设含量为n nH2H23.001
31、.110022HHnnhKmolnH/12.32化工设计电子课件总产量总产量100+1.01+3.12=104.13kmol/h100+1.01+3.12=104.13kmol/h其摩尔分数为其摩尔分数为96.0126HCx01.066HCx03.02HxH H2 2的进料率为的进料率为 1001003 33.12=303.12kmol/h3.12=303.12kmol/h苯的进料率为苯的进料率为101.01kmol/h101.01kmol/h设设H H2 2循环量为循环量为R R2.012.30301.10101.101RR=100.92kmol/hR=100.92kmol/h化工设计电子课
32、件 在没有循环时，一系列单元步骤的物料衡算可按顺序依次进在没有循环时，一系列单元步骤的物料衡算可按顺序依次进行，每次可取一个单元但是，如果有循环的话，由于循环量并行，每次可取一个单元但是，如果有循环的话，由于循环量并不知道，所以逐次计算并不能计算出循环量。其解法有二：不知道，所以逐次计算并不能计算出循环量。其解法有二：代数法：代数法：在循环存在时，列出物料平衡方程式，并求解。一般方在循环存在时，列出物料平衡方程式，并求解。一般方程式中以循环量作为未知数，用联立方程式的方法进行求解。程式中以循环量作为未知数，用联立方程式的方法进行求解。迭代迭代法：法：假定一个循环量估计值进行计算，将估计值与计算
33、值假定一个循环量估计值进行计算，将估计值与计算值比较，若不符，重新假定一个估计值，一直计算到估计值与计算比较，若不符，重新假定一个估计值，一直计算到估计值与计算值之差在一定的误差范围内。值之差在一定的误差范围内。联立方程法：联立方程法：化工设计电子课件迭代法求解循环问题迭代法求解循环问题序贯模块法序贯模块法 今有一反应器今有一反应器/分离器系统，它将分离器系统，它将100kmol/h的组分的组分A转化为等物转化为等物质的量的质的量的B。每一单程有。每一单程有80%的的A被转化，在分离器内没有物质的被转化，在分离器内没有物质的变化，分离后的变化，分离后的98%的的A和和1%的的B再循环。再循环。
34、化工设计电子课件化工设计电子课件化工设计电子课件例：丙烷在催化反应器中脱氢生成丙烯，其反应式为：例：丙烷在催化反应器中脱氢生成丙烯，其反应式为：C3H8 C3H6+H2丙烷的总转化率为丙烷的总转化率为95%，反应生成物经分离器分成产，反应生成物经分离器分成产物物P和循环物料和循环物料R，产品中含有，产品中含有C3H8、C3H6及及H2，其，其中中C3H8的量为未反应的量为未反应C3H8的的0.555%，循环物料中含，循环物料中含有有C3H8和和C3H6，其中，其中C3H6的量是产品中的量是产品中C3H6的的5%，试计算产品组成、循环物料组成和单程转化率。试计算产品组成、循环物料组成和单程转化率
35、。化工设计电子课件序号序号名称名称规格规格消耗定额（公斤消耗定额（公斤/公斤产品）公斤产品）备注备注物料衡算汇总表物料衡算汇总表(1)(1)产品消耗定额产品消耗定额产品消耗定额产品消耗定额化工设计电子课件序号序号名称名称规格规格单位单位年需求量年需求量备注备注123主要原料、辅助材料的品种、规格及年需求量主要原料、辅助材料的品种、规格及年需求量(2)(2)原辅材料需求一览表原辅材料需求一览表化工设计电子课件4.2 能量衡算能量衡算化工生产中，需要通过能量衡算解决的问题：化工生产中，需要通过能量衡算解决的问题：确定物料输送机械和其他操作机械所需确定物料输送机械和其他操作机械所需功率功率。确定各单
36、元过程所需确定各单元过程所需热量或冷量热量或冷量及其及其传递速率传递速率。化学反应所需的化学反应所需的放热速率放热速率和和供热速率供热速率。做好做好余热综合利用余热综合利用。能量衡算的基本方程式能量衡算的基本方程式在物料衡算基础上进行能量衡算，能量衡算的步骤与物料衡算相同。在物料衡算基础上进行能量衡算，能量衡算的步骤与物料衡算相同。根据热力学第一定律，能量衡算方程可写为：根据热力学第一定律，能量衡算方程可写为：Q+W=E=Ek+Ep+U W=Wt+Ws，Wt为流动功，为流动功，Ws为轴功为轴功；化工设计电子课件1.封闭体系的能量衡算方程封闭体系的能量衡算方程封闭体系特点：封闭体系特点：与环境只
37、有能量交换，而无物质交换，如与环境只有能量交换，而无物质交换，如间歇操作间歇操作过过程，体系物质的程，体系物质的动能、位能、压力能无变化动能、位能、压力能无变化，则：，则：U=Q+W若体系与环境没有功的交换，即若体系与环境没有功的交换，即W=0，则：，则：Q=U2.流动体系的能量衡算方程流动体系的能量衡算方程物料连续通过边界进出物料连续通过边界进出能量输入速率能量输入速率-能量输出速率能量输出速率=能量积累速率能量积累速率连续稳定流动过程的总能量衡算方程为：连续稳定流动过程的总能量衡算方程为：WQpvuzgU)(212sWQuzgH221化工设计电子课件3.热量衡算式及说明热量衡算式及说明 热
38、量衡算式热量衡算式 在反应器、蒸馏塔、蒸发器、换热器等化工设备中，在反应器、蒸馏塔、蒸发器、换热器等化工设备中，W、Ek、Ez与与Q、U和和 H的相比，可以忽略。的相比，可以忽略。总能量衡算式为：总能量衡算式为：封闭体系封闭体系 Q=U 敞开体系敞开体系 Q=H 对这些设备做能量衡算的实质就是进行热量衡算。对这些设备做能量衡算的实质就是进行热量衡算。连续稳定流动体系的热量衡算：连续稳定流动体系的热量衡算：Q=H1 H2 或或 Q=U1 U2实际计算时，还常使用下式：实际计算时，还常使用下式：Qin=QoutQ1+Q2+Q3=Q4+Q5+Q6Q1物料带入热量；物料带入热量；Q2加热介质供给或输出
39、的热量，输入为正，输出为负；加热介质供给或输出的热量，输入为正，输出为负；化工设计电子课件Q3过程的热效应，吸正放负；过程的热效应，吸正放负；Q4物料带出热量；物料带出热量；Q5消耗在加热设备各部件上的热量；消耗在加热设备各部件上的热量；Q6设备向四周的散热损失；设备向四周的散热损失；热量衡算的步骤热量衡算的步骤 建立单位时间为基准的建立单位时间为基准的物料流程图或物料平衡表物料流程图或物料平衡表。选定选定计算基准温度和计算相态计算基准温度和计算相态：可选：可选0(273K)、25(298K)或其或其他温度作为基准温度。他温度作为基准温度。在物料流程图上标明已知温度、压力、相态等条件，查出或计
40、算在物料流程图上标明已知温度、压力、相态等条件，查出或计算每每个物料的焓值，标注在图上个物料的焓值，标注在图上。列出列出热量衡算式热量衡算式，用数学方法求解。，用数学方法求解。当生产过程及物料组成较复杂时，可列出当生产过程及物料组成较复杂时，可列出热量衡算表热量衡算表。化工设计电子课件4.机械能衡算式机械能衡算式连续稳定流动过程的总能量衡算方程为：连续稳定流动过程的总能量衡算方程为：sWQuzgH221 在一些单元操作中，在一些单元操作中，Q、U与动能和位能变化及外功相比，相对与动能和位能变化及外功相比，相对较小，如流体流入流出贮罐、贮槽、工艺设备、输送设备、废料排放，较小，如流体流入流出贮罐
41、、贮槽、工艺设备、输送设备、废料排放，管道流动等过程。管道流动等过程。单位质量不可压缩流体流动时的机械能衡算式：单位质量不可压缩流体流动时的机械能衡算式：efhhpuzg/2/2化工设计电子课件4.3 化工模拟软件在化工设计中的应用化工模拟软件在化工设计中的应用 计算机用于化工设计的主要环节：计算机用于化工设计的主要环节：物性数据检索物性数据检索(物理性质、热力学性质数据物理性质、热力学性质数据)；化工过程模拟设计化工过程模拟设计(CAPD)；计算机辅助绘图设计计算机辅助绘图设计(CAD)；计算机辅助工程计算机辅助工程(CAE)等等 目前用的较多的目前用的较多的化工流程模拟计算软件化工流程模拟
42、计算软件有有PRO/II、HYSYS、ASPEN PLUS等。等。PRO/II 流程模拟软件流程模拟软件PRO/II 由美国模拟科学（由美国模拟科学（SIMSCI）公司研发提供的。是目前石）公司研发提供的。是目前石油化工行业油化工行业最全面的流程模拟软件最全面的流程模拟软件，已被广泛地应用于化学过程的严，已被广泛地应用于化学过程的严格的质量和能量平衡。格的质量和能量平衡。化工设计电子课件西安石油大学西安石油大学2006年也购买了该软件，年也购买了该软件，20个用户终端。个用户终端。PRO/II流程模拟软件功能特点流程模拟软件功能特点适用行业：适用行业：油油/气加工、炼油、化工、化学工程、建筑、
43、聚合物、精气加工、炼油、化工、化学工程、建筑、聚合物、精细化工细化工/制药制药模拟应用：模拟应用：新工艺设计、评估改变的装置配置、改进现有装置、消除新工艺设计、评估改变的装置配置、改进现有装置、消除装置工艺瓶颈、优化和改进装置产量和效益。装置工艺瓶颈、优化和改进装置产量和效益。组份数据库：组份数据库：2000多纯组分库、多纯组分库、1900多组分多组分/种类电解质库等。种类电解质库等。混合物数据：混合物数据：用于用于3000多多VLE二元作用参数、二元作用参数、2200在线共沸混合物用在线共沸混合物用于参数估算、专用数据包等。于参数估算、专用数据包等。热力学计算方法：热力学计算方法：60多个热
44、力学模型。多个热力学模型。热力学数据：热力学数据：特殊包：胺，乙二醇，酒精；超过特殊包：胺，乙二醇，酒精；超过5000个二元交互参数；个二元交互参数；专用的水溶性数据；超过专用的水溶性数据；超过550个个Henry系数；二元交互参数预测；热系数；二元交互参数预测；热力学数据回归。力学数据回归。化工设计电子课件设计化工单元操作：设计化工单元操作：闪蒸罐，间歇精馏器，蒸馏器，液液抽提精闪蒸罐，间歇精馏器，蒸馏器，液液抽提精馏器，侧线塔，压缩机，结晶器，旋流器，减压设备，溶解器，膨馏器，侧线塔，压缩机，结晶器，旋流器，减压设备，溶解器，膨胀机，闪蒸，带有固体的闪蒸，胀机，闪蒸，带有固体的闪蒸，LNG
45、多股流换热器，精确核算型换多股流换热器，精确核算型换热器，简单换热器，严格空冷器模型，加热热器，简单换热器，严格空冷器模型，加热/冷却曲线，混合器，相冷却曲线，混合器，相包络，管道，聚合物反应器，泵，回流泵，阀，刮膜式蒸发器，平包络，管道，聚合物反应器，泵，回流泵，阀，刮膜式蒸发器，平衡反应器，转换反应器，吉布斯反应器，塞流反应器，平推流反应衡反应器，转换反应器，吉布斯反应器，塞流反应器，平推流反应器，全混流反应器，器，全混流反应器，间歇式反应器，固态颗粒分离器，分裂器，单间歇式反应器，固态颗粒分离器，分裂器，单变量控制器，多变量的控制器，物流计算器，流程优化器，过程数变量控制器，多变量的控制
46、器，物流计算器，流程优化器，过程数据，用户自定义操作单元，据，用户自定义操作单元，(电解质模块，电解质模块，SIMSCI外接的模块外接的模块)等。等。用户扩展功能：用户扩展功能：用户自定义物流属性包；增加用户组份数据；增加用户自定义物流属性包；增加用户组份数据；增加热力学计算方法；增加自定义操作单元模块热力学计算方法；增加自定义操作单元模块120个；增加自定义计算个；增加自定义计算模型模型7个；增加自定义电解质模型个；增加自定义电解质模型20个等。个等。分析工具：分析工具：工况研究、优化器、单相变量控制器、多相变量控制器、工况研究、优化器、单相变量控制器、多相变量控制器、加热加热/冷却曲线等。
47、冷却曲线等。化工设计电子课件二、三种化工模拟软件的对比二、三种化工模拟软件的对比一般认为，一般认为，PROII在炼油工业应用更为准确些，因其数据库中有不少在炼油工业应用更为准确些，因其数据库中有不少经验数据；而经验数据；而ASPEN在化工领域表现更好。在化工领域表现更好。HYSYS主要用于天然气的加工处理及炼油工业。主要用于天然气的加工处理及炼油工业。Aspen plus 计算较准确，数据库比较完善。不过由于它考虑的方面非计算较准确，数据库比较完善。不过由于它考虑的方面非常全面，所以学起来比较费劲。常全面，所以学起来比较费劲。三、化工模拟软件存在问题三、化工模拟软件存在问题还还没有成熟的化工软
48、化没有成熟的化工软化可用于石油化工过程部分主要装置的模拟（如可用于石油化工过程部分主要装置的模拟（如催化裂化、加氢裂化的反应部分）。催化裂化、加氢裂化的反应部分）。国际上大的从事流程模拟的公司在模型上国际上大的从事流程模拟的公司在模型上实行技术封锁实行技术封锁，我国的石化，我国的石化企业企业长期几乎完全依赖外国相关产品长期几乎完全依赖外国相关产品，现有产品价格昂贵。，现有产品价格昂贵。化工设计电子课件现有产品主要集中在比较成熟的精馏过程的建模和优化，在其他一现有产品主要集中在比较成熟的精馏过程的建模和优化，在其他一些主要装置，如反应器、反应精馏、聚合等过程还没有模型或只有些主要装置，如反应器、反应精馏、聚合等过程还没有模型或只有简单的模型，对石化企业好设计部门来说，花巨资购买的软件只能简单的模型，对石化企业好设计部门来说，花巨资购买的软件只能在某些装置上使用。在某些装置上使用。开发出针对我国石化企业，覆盖主要生产装置的流程模拟、过程控开发出针对我国石化企业，覆盖主要生产装置的流程模拟、过程控制好过程优化软件将具有很强的市场竞争力。制好过程优化软件将具有很强的市场竞争力。
