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1、3.物料衡算与能量衡算物料衡算与能量衡算本章主要内容本章主要内容n物料衡算n热量衡算n运用计算软件进行化工工艺计算物料衡算的定义物料衡算的定义n运用能量守恒定律，对生产过程或设备进行研究，计算输入或输出的物流量及组分等。是工艺设计的基础！是工艺设计的基础！3.1 物料衡算物料衡算3.1.1基本原理nA.物料衡算的目的nB.物料衡算的依据nC.物料衡算基准nD.物料衡算程序A.物料衡算的目的物料衡算的目的（1）原材料消耗定额原材料消耗定额，判断是否达到设计要求。n（2）各设备的输入及输出的物流量，摩尔分率组成及其他组成，并列表，在此基础上进进行设备的选型及设计行设备的选型及设计，并确定三废排放位
2、置、数量及组成，有利于进一步提出三废治理的方法。n（3）作为热量计算的依据热量计算的依据。n（4）根据计算结果绘出物流图，可进行管路管路设计及材质、仪表及自控设计设计及材质、仪表及自控设计的选取等。B.物料衡算的依据物料衡算的依据n（1）设计任务书设计任务书中确定的技术方案、产品生中确定的技术方案、产品生产能力、年工作时间及操作方法。产能力、年工作时间及操作方法。n（2）建设单位或研究单位所提供的要求、设建设单位或研究单位所提供的要求、设计参数及实验室试验或中试等数据计参数及实验室试验或中试等数据，主要有：，主要有：a）化工单元过程的主要化学反应方程式、反化工单元过程的主要化学反应方程式、反应
3、物配比、转化率、选择性、总收率、催化剂应物配比、转化率、选择性、总收率、催化剂状态及加入配比量、催化剂是否回收使用、安状态及加入配比量、催化剂是否回收使用、安全性能（爆炸上下限）等。全性能（爆炸上下限）等。b)原料及产品的分离方式，各步的回收率，采原料及产品的分离方式，各步的回收率，采用物料分离剂时，加入分离剂的配比。用物料分离剂时，加入分离剂的配比。c)特殊化学品的物性，如沸点、熔点、饱和蒸特殊化学品的物性，如沸点、熔点、饱和蒸汽压、闪点等。汽压、闪点等。n（3）工艺流程示意图工艺流程示意图C.物料衡算基准物料衡算基准n时间基准时间基准n质量基准质量基准n体积基准体积基准n干湿基准干湿基准（
4、1）时间基准）时间基准n对于对于连续生产连续生产，以一段时间间隔作为计，以一段时间间隔作为计算基准，如算基准，如1秒、秒、1小时、小时、1天等的天等的投料量投料量或产品量或产品量。这种基准可直接联系到生产。这种基准可直接联系到生产规模和设备设计计算，如年产规模和设备设计计算，如年产300万吨乙万吨乙烯装置，年操作时间为烯装置，年操作时间为8000h，每小时的每小时的平均产量为平均产量为37.5t。对对间歇生产间歇生产，一般可，一般可以一釜或一批料的生产周期作为基准。以一釜或一批料的生产周期作为基准。（2）质量基准）质量基准n当系统介质为当系统介质为液、固相液、固相时，选择一定时，选择一定质质量
5、的原料或产品作为计算基准量的原料或产品作为计算基准是合适的。是合适的。如以煤、石油、矿石为原料的化工过程如以煤、石油、矿石为原料的化工过程采用一定量的原料，例如：采用一定量的原料，例如：1kg、1000kg等作基准。如果所用原料或产品等作基准。如果所用原料或产品系系单一化合物单一化合物，或者由已知组成百分数，或者由已知组成百分数和组分分子量的和组分分子量的多组分多组分组成，那么用物组成，那么用物质的质的量（摩尔）作基准量（摩尔）作基准更方便。更方便。（3）体积基准）体积基准n对对气体物料气体物料进行衡算时选用进行衡算时选用体体积基准积基准。这时应将实际情况下。这时应将实际情况下的体积的体积换算
6、换算为标准状态下的体为标准状态下的体积，即标准体积，用积，即标准体积，用m3（STP）表示。表示。（4）干湿基准）干湿基准n生产中的物料，不论是气态、液生产中的物料，不论是气态、液态和固态，均含有一定的水分，态和固态，均含有一定的水分，因而在选用基准时就有算不算水因而在选用基准时就有算不算水分在内的问题。不计算水分在内分在内的问题。不计算水分在内的称为干基，否则为湿基。的称为干基，否则为湿基。物料衡算的程序物料衡算的程序1n（1）确确定定衡衡算算的的对对象象、体体系系与与环环境境，并并画画出出计计算算对对象象的的草草图图。对对于于整整个个生生产产流流程程，要要画画出出物物料料流流程程示示意意图
7、图（或或流流程程框框图图）。绘绘制制物物料料流流程程图图时时，要要着着重重考考虑虑物物料料的的种种类类和和走走向向，输输入入和输出要明确和输出要明确n（2）确确定定计计算算任任务务，明明确确哪哪些些是是已已知知项项，哪哪些些是是待待求求项项，选选择择适适当当的的数数学学公公式式，力力求求计计算算方法简便方法简便n（3）确定过程所涉及的组分）确定过程所涉及的组分n（4 4）对物流流股进行编号，并标注物流变量）对物流流股进行编号，并标注物流变量物料衡算的程序2n（5）收集数据资料n（6）列出物料衡算方程n（7）列出过程的全部独立物料平衡方程式及其他相关约束式n（8）选择计算基准n（9）统计变量个数
8、与方程个数，确定设计变量的个数及全部设计变量n（10）整理计算结果 n（11）绘制物料流程图(5)收集数据资料na）生产规模和生产时间。生产规模为设计任务中所规定，生产时间指全年的有效生产天数nb）有关的定额和技术指标。这类数据通常指产品单耗、配料比、循环比、固液比、汽液比、回流比、利用率、转化率、选择性、单程收率、总收率等。有些数据由经验确定。nc）原辅材料、产品、中间产品的规格，包括原料的有效成分和杂质含量，气体或液体混合物的组成等。nd）与过程有关的物理化学参数。列出物料衡算方程即：（Fi-F0）+（Dp-Dr）W（3-1）进入过程单元的物料量Fi流出过程单元的物料量Fo在过程单元内生成
9、的物料量Dp在过程单元内消耗的物料量Dr过程单元内积累的物料量W物料衡算方程的简化形式n稳定操作过程（Fi-F0）+（Dp-Dr）0n系统内无化学反应（Fi-F0）Wn系统内无化学反应的稳定操作过程（Fi-F0）0原材料消耗一览表序号原料名称单位规格成品消耗定额（单耗2）每小时消耗量每年消耗量备注1尿素t含氨量46.32.31.75108002液氨t99.50.20.14710703催化剂t0.01604道生1kg工业级0.2251.355氮气m3(STP)99.53630m3/h21.61040.4Mpa6熔盐kg工业级0.321.97燃料油t0.8150.6649108包装袋套450800
10、4033.3240103物料衡算举例nA无化学反应过程的物料衡算nB有化学反应的物料衡算nC带循环和旁路过程的物料衡算A无反应过程的物料衡算n在系统中，物料没有发生化学反应的过程，称为无反应过程。这类过程通常又称为化工单元操作，诸如流体输送、粉碎、换热、混合、分离（吸收、精馏、萃取、结晶、过滤、干燥）等。例题3-1n设计一套从气体中回收丙酮的装置系统，并计算回收丙酮的费用。系统的流程框图如图3-1所示，要求由已知的条件，列出各物流的流率（kg/h）,以便能确定设备的大小，并计算蒸馏塔的进料组分。流程图图3.1水已知物料参数表组成kmolkg质量，（mol）%丙酮1.5872.95空气98.52
11、86097.05总计1002947100.00例题3-1解n可列出总物料平衡式：1200+F2=F3+F4+F5n各组分平衡式：丙酮0.0295F2=0.99F4+0.05F5水1200=0.01F4+0.95F5空气0.9705F2=F3补充数据n（1）每小时进入系统的气体混合物，离开系统的产品或废液的物流量n（2）进入蒸镏塔的组分B有反应的物料衡算（1）直接计算法；（2）利用反应速率进行物料衡算；计算方法（3）元素平衡；（4）以化学平衡进行衡算；（5）以结点进行衡算；（6）利用联系组分进行衡算。新物质生成新物质生成,转化率产转化率产率率,反应速率反应速率,化学计化学计量过量量过量例题3-2
12、n年产300t对-硝基乙苯工段物料衡算，原料乙苯纯度95，硝化混酸组成为：HNO332%，H2SO456%，H2O12%。粗乙苯与混酸质量比1：1.885。对硝基乙苯收率50，硝化产物为硝基乙苯的混合物，其比例对：邻：间0.5：0.44：0.06。配置混酸所用的原料：H2SO493%，HNO396及H2O，年工作日300天，假设转化率为100，间歇生产。解：（1）画出流程示意图，确定计算范围。图3.2（2）原料乙苯量1G1G2G3G4G5M：106.1763151.1718.02基准：间歇生产，以每天生产的kg为基准（2）原料乙苯量2n对硝基乙苯：G3=1000kgn乙苯量：G1=1404.6
13、kgn原料乙苯量：1404.6/0.951478.6kgn杂质量：1478.6-1404.674kg（3）配酸酸量n混酸量：1478.61.855=2742.8kgn纯HNO3量：2742.80.32877.7kgn96%HNO3量：877.7/0.96=914.3kgn纯H2SO4量：2742.80.56=1536kgn93%H2SO4量：1563/0.93=1651.6kgn加水量：2742.8-914.3-1651.6176.9kg（4）硝化已知转化率为100，G3：G4：G5=0.5：0.44：0.06n硝化物产量：1999.7kg其中硝基乙苯：对位：1999.90.51000kg邻位
14、：1999.90.44880kg间位：1999.7-1000-880=119.7kg废酸量nHNO3消耗量：63833.5kgnH2O生成量：18.02238.4kgn废酸中HNO3量：877.7-833.544.2kgnH2SO4量：1536kgnH2O量：329.1+238.4567.5kgn废酸总量：44.2+1536+567.52147.7kgn废酸组成：HNO32.06，H2SO471.52%，H2O26.42%表3-2硝化过程的物料衡算表输入输出组分质量，kg/d组分质量，kg/dHNO3877.7HNO344.2H2SO41536H2SO41536H2O329.1H2O567.5
15、C6H5-C2H51404.6C6H5-C2H5硝基乙苯对位邻位间位1000880119.7杂质74杂质74合计4221.4合计4221.4例3-3n合成氨原料气中的CO通过变换反应器而除去，如图3-3所示。在反应器1中大部分转化，反应器2中完全脱去。原料气是由发生炉煤气（78N2，20CO，2CO2）和水煤气（50%H2，50CO）混合而成的半水煤气。在反应器中与水蒸汽发生反应。得到物流中与之比为：，假定水蒸汽流率是原料气总量（干基）的两倍，同时反应器1中CO的转化率为80%,试计算中间物流（4）的组成。图33解n基准：物流1为100mol/h；正反应的反应速率为r（mol/h）（1）过程先
16、由总单元过程摩尔衡算式进行计算，总衡算式为：nN2衡算F5，N2=0.7810078mol/hnCO平衡00.2100+0.5F2rnH2O平衡F5,H2OF3rnCO2平衡F5,CO20.02100+rnH2平衡F5,H20.5F2+rn已知H2与N2之比为3：1F5,H23F5,N2378234mol/hn原料气（干基）与水蒸汽之比为1：2F32（F1+F2）n将H2和CO平衡式相加，消去r，得：F2234-20214mol/hn将F2值代入CO平衡式中，得：r20+107127mol/hF32（100+214）628mol/hn最后，由CO2和H2O平衡得：F5,CO2129mol/h；
17、F5,H2O628-127501mol/h（2）计算反应器1的反应速率，然后计算物流4的组成n由反应速率的定义式得：r式中为I物质的转化率。已知反应器1中CO的转化率为0.80，由此得反应器1的反应速率：r0.80.2100+0.5214101.6mol/h物流4中每一物流的流率已知r后，物流4中每一物流的流率可以用物料衡算求得，即：nN2平衡：F4,N20.7810078mol/hnCO平衡：F4,co127r25.4mol/hnH2O平衡：F4,H2O628r526.4mol/hnCO2平衡：F4,CO22+r103.6mol/hnH2平衡：F4,H2107+r208.6mol/h物流4的
18、组成（摩尔分率）为：N2：0.083；CO：0.027；H2O：0.559；CO2：0.110；H2：0.221。C带循环和旁路过程的物料衡算带循环和旁路过程的物料衡算（1）试差法试差法。估计循环流量，并继续计算至循环回流的那一点。将估计值与计算值进行比较，并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。（2）代数解法。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流量作为未知数，应用联立方程的方法进行求解。n在只有一个或两个循环物流的简单情况，在只有一个或两个循环物流的简单情况，只要计算基准及系统边界选择适当，计只要计算基准及系统边界选择适当，计算常可简化
19、算常可简化。一般在衡算时，先进行总。一般在衡算时，先进行总的过程衡算，再对循环系统，列出方程的过程衡算，再对循环系统，列出方程式求解。对于这类物料衡算，计算系统式求解。对于这类物料衡算，计算系统选取得好坏是关键的解题技巧。选取得好坏是关键的解题技巧。例3-4nK2CrO4从水溶液重结晶处理工艺是将每小时4500mol含33.33（mol）的K2CrO4新鲜溶液和另一股含36.36（mol）K2CrO4的循环液合并加入至一台蒸发器中，蒸发温度为120，用0.3MPa的蒸汽加热。从蒸发器放出的浓缩料液含49.4（mol）K2CrO4进入结晶槽，在结晶槽被冷却，冷至40，用冷却水冷却（冷却水进出口温
20、差5）。然后过滤，获得含K2CrO4结晶的滤饼和含36.36（mol）K2CrO4的滤液（这部分滤液即为循环液），滤饼中的K2CrO4占滤饼总物质的量的95。K2CrO4的分子量为195。试计算：蒸发器蒸发出水的量；K2CrO4结晶的产率；循环液（mol）/新鲜液（mol）的比率；蒸发器和结晶器的投料比（mol）。解：n为了明确理解该重结晶处理工艺，先画出流程框图，如图示。将每一流股编号且分析系统：图34n基准：4500mol/h新鲜原料，以K表示K2CrO4，W表示H2O。设：F1进入蒸发器的新鲜物料量（mol/h）；F2进入蒸发器的循环物料量即滤液量（mol/h）；F3新鲜液和循环液混合后
21、的物料量（mol/h）；F4出蒸发器的物料量（mol/h）；F5结晶过滤后的滤饼总量（mol/h）；F6蒸发器蒸出的水量（mol/h）；Pc结晶过滤后滤饼中K的物质量（mol/h）；Ps结晶过滤后滤饼中滤液的物质量（mol/h）；x3新鲜液和循环液混合后的K2CrO4组成(mol/h）。n从已知条件可看出，滤饼里的溶液和结晶固体之间存在如下的关系（mol）：Ps=0.05（Pc+Ps）Ps=0.05263Pcn对系统1物质K平衡：0.3333F1=Pc+0.3636Ps联立解得：Pc=1472molK2CrO4/h，Ps=77.5mol溶液/hnH2O物料平衡：F1（1-0.3333）=F6+
22、F50.05（1-0.3636）得：F6=2950.8mol/hn结晶过滤的总物料平衡：F4=Pc+Ps+F2F4=F2+1549.5n结晶器水的平衡：F4（1-0.494）=（F2+1549.50.05）（1-0.3636）联立求解得：F2=5634.6mol/h；F4=7184mol/h则：循环液/新鲜料液5634.6/71841.25最后，通过混合点系统3的物料平衡或蒸发器的物料平衡求出F3。n混合点的物料平衡：（F1+F2）F3得：F3=10134.6mol/hn由蒸发器的物料平衡可校核F3的计算是否正确：F3=F4+F6因此，设计的蒸发器与结晶槽的投料比为：F3/F4=10134.6
23、/7184=1.413.2热量衡算热量衡算n3.2.1基本原理n3.2.2加热剂与冷却剂n3.2.3热量衡算中的几个问题n3.2.4热量衡算举例3.2.1基本原理基本原理n能量衡算的基本方程式n热量计算中各种热量的说明依据n能量衡算是以热力学第一定律为依据，能量是热能、电能、化学能、动能、辐射能的总称。化工生产中最常用的能量形式为热能，故化工设计中经常把能量设计称为热量计算。目的目的n通过热量衡算可通过热量衡算可确定确定传热设备的传热设备的热负荷热负荷，以此，以此为依据设计传热设备的形式、尺寸、传热面积为依据设计传热设备的形式、尺寸、传热面积等，并为反应器、结晶器、塔式设备、输送设等，并为反应
24、器、结晶器、塔式设备、输送设备、压缩系统、分离及各种控制仪表等提供参备、压缩系统、分离及各种控制仪表等提供参数，以确定单位产品的能耗指标；同时也为非数，以确定单位产品的能耗指标；同时也为非工艺专业（热工、电、给水、冷暖）设计提供工艺专业（热工、电、给水、冷暖）设计提供设计条件作准备。设计条件作准备。步骤步骤n热量衡算的一般步骤与物料衡算相同，热量衡算的一般步骤与物料衡算相同，亦包括划分系统、画出流程简图、列写亦包括划分系统、画出流程简图、列写方程式与约束式，求解方程组及结果整方程式与约束式，求解方程组及结果整理等若干步骤。理等若干步骤。A.能量衡算的基本方程式根据热力学第一定律，能量衡算方程式
25、的一般形式为：nEQ+W（3-7）式中，E体系总能量变化；Q体系从环境中吸收的能量；W环境对体系所做的功。能量衡算的基本方程式2n在热量衡算中，如果无轴功条件下，进入系统加热量与离开系统的热量应平衡，即在实际应用中对传热设备的热量衡算可表示为：Q进Q出（3-8）Q1+Q2+Q3Q4+Q5+Q6（3-9）n式中：Q1所处理的物料带到设备中去的热量（KJ）；nQ2由加热剂（或冷却剂）传给设备的热量或加热与冷却物质所需的热量（KJ）;符号规定，输入（加热）为“+”，输出（冷却）为“-”。nQ3过程的热效应（kJ）；符号规定，放热为“-”，吸热为“+”，应注意Q=H。nQ4反应产物由设备中带出的热量（
26、kJ）；nQ5消耗在加热设备各个部件上的热量（kJ）；nQ6设备向四周散失的热量（kJ）。B热量计算中各种热量的说明n（1）计算基准，可取任何温度，对有化学反应的过程，一般取25作为计算基准。n（2）物料的显热可用焓值或比热进行计算，在化工计算中常用恒压热容Cp，由于比热容是温度的函数，常用幂次方程式表示，因此其计算式可表示为：Qn（3-10）式中：n物料量（mol）；Cp物料比热容（kJ/mol）,Cp=a+bT+cT2+dT3+eT4T温度（），T2为物料温度，T1为基准温度。n（3）关于Q2热负荷的计算。对于间歇操作，各段时间操作情况不一样，则应分段作热量平衡，求出各不同时间的Q2，然后
27、得到最大需要量。n（4）Q3为过程的热效应，包括过程的状态热（相变化产生的热）和化学反应热。相变化一般可由手册查阅，对无法查阅的汽化热可由特鲁顿法则估算，反应热由生成热和燃烧热计算。B热量计算中各种热量的说明2n（5）设备加热所需热量Q5在稳定操作过程中不出现，在间歇操作的升温降温阶段也有设备的升温降温热产生，可用下式计算：Q5=GCp（t2t1）（3-11）式中：G设备各个部件重量；Cp各部件热容（kJ/kg）t2设备各部件加热后温度；t1设备各部件加热前温度；设备加热前的温度t1可取为室温，加热终了时的温度取加热剂一侧（高温th）与被处理一侧（低温te）温度的算术平均值：t2=（th+te
28、）/2B热量计算中各种热量的说明3n（6）设备向四周散失的热量Q6可由下式计算得：Q6=FT（twt）10-3（3-12）其中：F设备散热表面积m2；T散热表面向四周围介质的联合给热系数。W/m2；tw散热表面的温度（有隔热层时应为绝热层外表温度，一般取50），；t周围介质温度，；散热持续的时间，s。B热量计算中各种热量的说明4B热量计算中各种热量的说明5n绝热层外空气自然对流当tw5m/s时，T6.7u0.78（3-16）3.2.2加热剂与冷却剂nA.加热剂的选择要求nB.加热剂和冷却剂nC.加热剂和冷却剂的用量nD.热量衡算结果整理A.加热剂的选择要求n在较低压力下可达到较高温度；n化学稳
29、定性高；n没有腐蚀作用；n热容量大；n冷凝热大；n无火灾或爆炸危险性；n无毒性；n价廉；n温度易于调节。B.加热剂和冷却剂序号加热剂冷却剂使用温度范围给热系数w/(m2)优缺点及使用场合1热水40100501400对于热敏性的物料用热水加热较为保险,但传热情况不及蒸汽好,且本身易冷却,不易调节2饱和蒸汽1001803003200冷凝潜热大,热利用率高,温度易于调节控制,如用中压或高压蒸汽,使用温度还可提高3过热蒸汽180300可用于需较高温度的场合,但传热效果比蒸汽低的多,且不易调节,较少使用4导热油18025058175不需加热即可得到较高温度,使用方便,加热均匀5道生液1802501104
30、50为C6H5-C6H526.5%与C6H5-O-C6H573.5%的混合物,加热均匀,温度范围广,易于调节,蒸汽冷凝潜热大,热效率高,需道生炉及循环装置6道生蒸汽2503503406807烟道气50010001250可用煤、煤气或燃油燃烧得到，可得到较高温度，特别适用于直接加热空气的场合8电加热500设备简单、干净、加热快，温度高，易于调节。但成本高，适用于用量不太大、要求高的场合。9熔盐400540NaNO240%；KNO353%NaNO37%的混合物。可用于需高温的工业生产。但本身熔点高，管道和换热器都需要保温。传热系数高，蒸汽压低，稳定。10冷却水3020是最普遍的保温剂，使用设备简单
31、，控制方便，廉价11冰030大多用于染料工业中直接防于锅内调节反应，稳定效果较好，但会使反应液冲淡，并使反应锅体积增大12冷冻盐水-1530使用方便，冷却效果好，但需冷却系统，投资大，一般用于冷却水无法达到的低温冷却。C.加热剂和冷却剂的用量1n（1）直接蒸汽加热时的蒸汽用量：G=Q2/（H CPtK）（3-17）式中：G蒸汽消耗量（Kg）；Q2由加热剂传给设备或物料加热所需的热量（KJ）；H蒸汽加热焓量（KJ/Kg）；tK被加热液体的最终温度（）；CP被加热液体的比热容（KJ/Kg）。n为简化起见，通常蒸汽加热时的蒸汽用量计算仅考虑蒸汽放出的冷凝热。n（2）间接蒸汽加热时的蒸汽的用量：G=Q
32、2/（H CPtn）（3-18）式中：G蒸汽消耗量（Kg）；Q2由加热剂传给设备或物料加热所需的热量（KJ）；H蒸汽加热焓量（KJ/Kg）；tn冷凝水的最终温度（）；CP被加热液体的比热容（KJ/Kg）。C.加热剂和冷却剂的用量2n（3）燃料消耗量：M=Q2/TQP（3-19）式中：W冷却剂消耗量Q2由加热剂传给设备或物料加热所需的热量（KJ）；T炉子的热效率；QP燃料的热值（KJ/Kg）。C.加热剂和冷却剂的用量3n（4）冷却剂消耗量WQ2/Cp（tKtH）（3-20）式中：W冷却剂消耗量（kg）；Q2由加热剂传给设备或物料冷却所需的热量（kJ）；Cp冷却剂的比热容（kJ/kg）；tk放出的
33、冷却剂的平均温度（）；tH冷却剂的最初温度（）。C.加热剂和冷却剂的用量4C.加热剂和冷却剂的用量5n（5）电能消耗量EQ2/860（3-21）式中：E电能消耗量（kWh）；Q2由加热剂传热设备或物料所需的热量（kJ）；电热装置的电工效率，一般取0.850.95。D热量衡算结果整理n通过热量衡算以及加热剂、冷却剂等的用量计算，结合设备计算与设备操作时间安排（在间歇操作中此项显得特别重要）等工作，即可求出生成某产品的整个装置的动力消耗及每吨产品的动力消耗定额，由此可得动力消耗的每小时最大用量，每昼夜用量和年消耗量，并列表将计算结果汇总表3-4动力消耗一览表序号动力名称单位规格成品消耗定额（单耗/
34、t）每小时消耗量每年消耗量使用情况1蒸汽t0.2MPa0.040.064302.4采暖（150d/a）2蒸汽t0.8MPa2.140.756840连续3电kWh380V6909404.33106连续4电kWh6000V5804203.60106连续5循环水m35温差852.66772.12104连续6软水m3工业级52.515600连续7空气0.70.8MPa46.81536（m3/d）3.61105连续3.2.3热量衡算中的几个问题n有效平均温差n壁温的确定A.有效平均温差n有效平均温差是传热的平均推动力。它是换热器计算中的一个重要参数。应注意有效平均温差不一定等于对数平均温差，只是在一个特
35、定的条件下才等于对数平均温差。n（1）列管式换热器两换热介质纯逆流流向时，有效平均温差等于对数平均温差。如图（a）所示。n(2)列管式换热器两换热介质纯并流流向时,有效温度等于对数平均温差.如图(b)所示。n（3）其他流向，如图所示的二管程换热器，有效平均差为：其中：为校正系数，校正系数1，应尽量控制在0.8以上。（4）反应釜间歇冷却过程n这种间歇过程的有效平均温度差和冷却剂的最终温度从过程开始到结束在不断变化，因此既不能用起始状态的有效平均温差，也不能用终止状态的有效平均温差来代表整个过程的有效平均温差。这时可用一个经验公式求得较为合理的有效平均温差。反应釜加热与冷却图3-7间歇冷却图3-8
36、间歇加热有效平均温差经验公式（冷却）（3-25）（3-26）A冷却剂的平均最终温度：t2Cp=t1+tm，有效lnA（5）反应釜间歇加热过程n这种间歇过程的有效平均温差和加热剂的最终温度从过程开始到结束在不断变化，因此既不能用起始状态的有效平均温差，也不能用终止状态的有效平均温差来代表整个过程的有效平均温差。这时可用一个经验公式求得较为合理的有效平均温差。有效平均温差经验公式（加热）（3-27）（3-28）加热剂的平均最终温度：T2Cp=T1-tm,有效lnAAB.壁温的确定n在换热设备的设计计算时，壁温的确定是很重要的。在计算总的传热系数和计算散热时需要确定壁温。冷壁温示意图3-9n热流体侧
37、壁温：tw1t1K（t1t2）/1（3-29）n冷流体侧壁温：tw2t2+K（t1t2）/2（3-30）式中:k总传热系数，w/(m20C)1热流体到器壁的给热系数，W/(m2。0C)2冷流体到器壁的给热系数，W/(m2。0C)t1热流体温度，0Ct2冷流体温度，0Cn器壁平均温度tw=(tw1+tw2)/2n一般金属器壁tw=tw1=tw2n当：1=2时tw=(t1+t2)/2n12时tw=t1，k2n12时tw=t2，k1n故壁温接近于值较大侧流体的温度。粗估壁温为：tw=（1t1+2t2）/(1+2)3.2.4热量衡算举例n例3-5化工生产中常以煤或重油为燃料，在锅炉内燃烧产生蒸汽。试计
38、算锅炉中：（1）燃煤锅炉中，每吨煤燃烧产生的蒸汽量；（2）燃油锅炉中，每吨重油燃烧产生的蒸汽量。解：从锅炉手册中查到，我国国产煤的平均燃烧热为：23012KJ/kg;重油的平均燃烧热33472KJ/kg。n由热量平衡可知：Q煤=n蒸汽H蒸汽即n蒸汽=Q煤/H蒸汽压力为1.3MPa饱和水蒸气的汽化热为1976.70KJ/kg，锅炉效率按60%计。n每吨煤的产蒸汽量：n蒸汽=Q煤/H蒸汽=2301260%/1976.7=6.98t/t煤n每吨重油的产蒸汽量：n蒸汽=Q重油/H蒸汽=3347260%/197607=10.16t/t重油例3-6n在0.2MPa、5000C下含苯蒸汽通过两个换热器（换热
39、器1、换热器2）后被冷却至2000C。其中在换热器2中锅炉给水由750C、5MPa被加热至饱和，由气液分离器出来的饱和水在换热器1中被加热至沸腾。该蒸汽混合物与换热器2出来的饱和水在混合器中混合，然后进入气液分离器分离出饱和蒸汽。如果通过换热器1的水量为通过换热器2的水量的12倍，求换热器1所产生的蒸汽量和每摩尔工艺物流所产生的蒸汽量。图3.10流程框图n解：这是一个无化学反应的多单元系统，每股物流中仅含有一种物质。因为苯的沸点为800C，所以含苯工艺物流是以气相通过。已知物流1、2和6是液相，5是气相，3和4是气液混合物。n根据对本过程分析，其计算顺序为：总过程热交换器2热交换器1气液分离器
40、能量衡算能量衡算能量衡算物料、能量衡算（1）物料衡算方程n总平衡F1=F5n分离器平衡F3=F5+F6n混合器平衡F3=F4+F2=F6+F1实际上总平衡式为分离器和混合器平衡式的总和。n基准，选物流F7为100mol/h（2）热量衡算方程na)总平衡F1hv(饱和,5MPa)-hl(750C,5MPa)=F7hv（5000C,0.2MPa）-hv(2000C,0.2MPa)CPV(苯)=18.587-1.17410-2T+1.27510-3T2-2.08010-6T3+1.05310-9T4F1=b)换热器2的平衡F1hv(饱和，5MPa)-hl(750C,5MPa)=F7hv（5000C，
41、0.2MPa）-hv(2000C,0.2MPa)=F7=16.31KJ.mol=n先用值估计T,即：=160.9J.mol/K=即：T=574.5K然后以此作为初值，用下式作迭代计算。nT=473.15+迭代计算结果迭代次数012345T/K574.5674.98586.02586.58 586.65 586.61因此得到换热器1和换热器2间（即F8处）苯物流的温度为586.61K（313.460C）c)换热器1的平衡F7hv(5000C,0.2MPa)-hv(2000C,0.2MPa)=12F1h混(饱和,5MPa)-hl(饱和,5MPa)H混(饱和,5MPa)=hl(饱和,5MPa)+=1
42、154.5+100*31.96/12*1.95=12.91kg/kg设水蒸气质量百分比为w，则：1291.15=2794.2w+1154.5(1-w)即：w=0.08334d)气液分离器的物料平衡核算nF3=F6+F5=12F1+F1=13*1.95=25.337kg/hnF5hV(饱和,5MPa)+F6hL(饱和,5MPa)=F3h混,3(饱和,5MPa)n13*1.95h混,3=1.95hV(饱和,5MPa)+12*1.95hL(饱和,5MPa)nh混,3=1/13hV+12/13hL=whV+(1-w)hLw=0.07692nF5中的蒸汽量为：wF3=0.0769225.337=1.95
43、kg/h=0.0195kg/(mol工艺气)3.3运用计算软件进行化工工艺计算3.3.1 概述概述n计算机技术的迅速发展使原来复杂、繁琐、费时的化工工艺计算变得简便快捷，许多原来无法直接进行，只能简化近似的计算变得可能和精确，通过对模拟计算中模块的正确选择，可同时完成物料衡算和能量衡算。n计算机用于化工设计主要有：物性数据检索、化工过程模拟设计（CAPD）、计算机辅助绘图设计（CAD）、计算机辅助工程（CAE）等。A.流程模拟软件n目前，常用商业化化工模拟计算软件有：ASPENPLUS、PRO/、FLOWTRAN、ESIGN和HYSYS。（1）ASPENPLUSnASPENPLUS(Advan
44、cedSystemforProcessEngineering)模拟系统是1976年美国麻省理工学院（MIT）设计。它可用于计算稳态过程的物料平衡、能量平衡和设备尺寸，并对过程投资进行经济成本分析。（2）PRO/系列软件nPRO/系列软件是美国SimulationSciences.Inc.开发的流程模拟应用软件。n它具有很广泛的功能：设计新工艺；估算新工厂的投资；旧厂挖潜改造；环境评估；工厂事故诊断；工厂收率与利润的优化与提高等。nPRO/采用最优化方法自动排序的序贯模块法，迭代过程选用Wegstein加速和Broyden加速，整个过程收敛加快。n含有丰富的单元操作模型，有前馈、反馈和多变量控制
45、等多种控制方法。n它的热力学模型包括状态方程、密度模型、气液平衡常数和活度系数等。n物性数据齐全，包括组分数据库、混合数据、二元参数数据及系统对数据的准备、确认和回归等。n另外，PRO/的输入/输出系统清晰明确，操作简便。（3）FLOWTRANnFLOWTRAN是由美国孟山都公司开发的一套流程模拟软件，它采用序贯模块法设计，含有设备规格及费用设计子程序，实际应用性强。B单元过程计算软件n由北京石油化工学院开发的“化工过程计算软件”、青岛化工学院开发的工程化学模拟系统“化工之星”等C绘图设计软件AutoCAD,PIPING,PDMS,AUTOPLANT等3.3.2化工过程模拟软件的应用n以PRO
46、/软件为例，说明化工过程的模拟计算：即物料衡算和热量衡算的基本过程和步骤，简要介绍一些单元过程的模拟计算。A.基本步骤n确定过程计算所涉及的物质，由物质输入窗口从数据库中选取所需物质或自定义库中缺损物质n如有自定义物质，由物质结构窗口从数据库中选择构造自定义物质n通过单位尺度窗口，确定用户所需的物理量的单位n选择适当的热力学估算方法n分析实际过程，选择适当的模拟计算单元，连接各物流，构造模拟计算流程。n根据各单元模块的特点，拟计算流程有时与实际流程不完全相同。对各输入、输出物流进行命名，以方便对输出结果的阅读A.基本步骤2n输入物流参数n输入各单元操作参数n对复杂流程（带回路的）确定合理的切断流，给出初值n进行模拟计算，查看输出结果n查看输出文件得到模拟计算结果。若计算不收敛，查找原因，进行调整计算实例略