1、物料、热量衡算,3.工艺计算（物料衡算、热量衡算、设备选型计算）,3.1 物料衡算 1、物料衡算的作用1）操作型计算：装置已建，分析生产能力，挖掘潜力，技改。2）设计型计算：根据生产任务，设计计算，为热量衡算、设备选型计算提供条件 2、物料衡算的类型1）间歇操作物料衡衡算2）连续操作物料称衡算3）循环过程物料衡算,3、物料衡算通式（质量守恒定律） 单位时间内进入系统的全部物料质量 单位时间内离开系统的全部物料质量单位时间内过程中的损失量单位时间内系统内的积累,一、物料衡算的方法和步骤 1、画出物料衡算示意图标明各股物料的进出方向、数量、组成以及温度、压力等 操作条件，待求的未知数据也应以适当的
2、符号表示。 2、写出主、副反应式 3、确定计算任务 4、收集数据资料生产规模、生产时间、原料、助剂、中间产物和产品的规格和组成 及有关的理化常数 5、选定计算基准（为了简化计算） 6、展开计算 7、整理计算结果，画出物料衡算一览表 8、绘制物料流程图，并编入设计文件,生产过程的常用指标,1、生产能力 2、转化率 3、产率（选择性） 4、收率 5、消耗定额,一、生产能力化工装置在单位时间内生产的产品量或在单位时间内处理的原料量，称为生产能力。其单位为 kgh，td，kta，Mta等。化工装置在最佳条件下可以达到的最大生产能力称为设计能力。 二、转化率转化率是原料中某一反应物转化掉的量（摩尔）与初
3、始反应物的量（摩尔）的比值，它是化学反应进行程度的一种标志工业生产中有单程转化率和总转化率，其表达式为：,单程转化率 100% 100%例： 以乙烷为裂解原料生产乙烯，在一定的生产条件下， 通入裂解炉的乙烷量为7000kg/h，反应后，尾气中含乙烷 2450kg/h，求乙烷的转化率。解：单程转化率 100% 100%65%,（1）单程转化率,对于有循环和旁路的生产过程，常用总转化率。总转化率 100%例：用乙烷作原料裂解生产乙烯，通入裂解炉的新鲜原料 乙烷为5000 kg/h ，裂解气分离后，没有反应的乙烷2000kg/h又 返回了裂解炉进行反应，最终分析裂解气中含乙烷1500 kg/h， 求
4、乙烷的总转化率。 解：总转化率 100% 100%70%,（2）总转化率,产率表示了参加主反应的原料量与参加反应的原料量之间 的数量关系。 即参加反应的原料有一部分被副反应消耗掉了，而没有生成 目的产物。产率越高，说明参加反应的原料生成的目的产物 越多。产率 100%,3产率（或选择性）,例：用乙烷作裂解原料生产乙烯，在一定的生产条件 下，通入裂解炉的乙烷量为7000kg/h，反应后，尾气中含乙 烷2450kg/h，得到乙烯量为3332 kg/h，求乙烯的产率。 解：C2H6 C2H4 + H2 30 28X 3332 生成目的产物所消耗的原料量X3332 3570 kg/h产率 100% 1
5、00%78.5%,表示进入反应器的原料与生成目的产物所消耗的原料之间的数量关系。 收率越高，说明进入反应器的原料中，消耗在生产目的产物上的数量越多。收率也有单程收率和总收率之分。单程收率 100%总收率 100% 例：条件同上例，求乙烯的收率。解：单程收率 100% 100%51%,4收率,消耗定额是指生产单位产品所消耗的原料量，即每生产一 吨100%的产品所需要的原料数量。消耗定额 例：以乙烷为原料裂解生产乙烯，通入反应器的乙烷为 7000 kg/h ，参加反应的乙烷量为4550 kg/h，没有参加反应 的乙烷的5%损失掉，其余都循环回裂解炉。得到乙烯 3332kg/h，求乙烯的原料消耗定额
6、。解：消耗的原料量455024505%4550122.54672.5kg/h 消耗定额 1.4,5消耗定额,二、间歇过程的物料衡算按物料衡算的步骤进行，同时要注意建立时间平衡关系。例：丙烷充分燃烧时，要供入的空气量为理论量的125%，反应式为：C3H85O23CO24H2O问每100摩尔燃烧产物需要多少摩尔空气？ 解：（1）画出物料流程图（2）选定基准，以1mol丙烷为基准（3）展开计算 由题意知氧气供入量为51.256.25mol则：空气供入量为6.25/0.2129.76mol氮气量为29.760.7923.51mol则：29.76mol空气所生成的燃烧气为:23.51+(3+4)+(6.
7、25-5)=31.76mol所以，100mol燃烧气所需空气量为:100/31.76 * 29.76= 93.7mol,例：在间歇釜式反应器中用浓硫酸磺化甲苯生产对甲苯磺酸.试对该过程进行物料衡算。已知每批操作的投料量为：甲苯1000kg，纯度999(质量百分比，下同)；浓硫酸1100kg，纯度98；甲苯的转化率为98，生成对甲苯磺酸的选择性为82，生成邻甲苯磺酸的选择性为9.2，生成间甲苯磺酸的选择性为8.8；物料中的水约90经连续脱水器排出。此外，为简化计算，假设原料中除纯品外都是水，且在磺化过程中无物料损失。,解：以间歇釜式反应器为衡算范围，绘出物料衡箅示意图物料衡算的目的就是确定各股物
8、料的数量和组成。对于间歇操作过程，常以单位时间间隔(一个操作周期)内的投料量为基准进行物料衡算。 进料：原料甲苯中的甲苯量为： 1000kg0.999 = 999kg原料甲苯中的水量为： 1000 kg999kg =1kg浓硫酸中的硫酸量为： 1100kg981078kg浓硫酸中的水量为： 1100kg1078kg22kg进料总量为： 1000kg+1100kg = 2100kg其中含甲苯999kg，硫酸1078kg，水23kg。 出料：反应消耗的甲苯量为： 999kg98=979kg未反应的甲苯量为： 999kg 979kg =20kg,磺化液总量为： 1500.8+168.4+161.1+
9、20+35.2+21.4=1906.9(kg) 根据物料衡算结果，编制甲苯磺化过程的物料平衡表。,三、连续过程的物料衡算 1.直接求算法适用于化学反应过程较简单的反应，一般情况下，通过化学计量系数来直接求取。 2.利用结点进行衡算3.利用联系组分进行物料衡算不参加反应的组分常被作为联系组分，可以极大的简化计算过程。,求算下图所示的各流股的量及塔2的入料组成,解：属复杂过程物料衡算。选取两个衡算体：I为总体系衡算，II为精馏塔2衡算,衡算体I,衡算体II,结果：S2=520mol/h, S4=150mol/h, S5=330mol/h ；S3=480mol/h, X3B=0.0125, X3T=
10、0.5925, X3X=0.395,任务3：1000t/a硝基氯苯生产装置，每年需要用1002吨、含46%硝酸的混酸作为硝化剂。现请你为1000t/a硝基氯苯生产装置混酸配制工段进行物料衡算：原料：硝酸98% ，硫酸92.5%,69%硫酸废酸要求：混酸组成硫酸46%，硝酸46%，水8%,四、循环过程的物料衡算循环过程衡算方法通常有代数法、试差法、循环系数法当原料、产品和循环流的组成已知时，采用代数法较为简便。当未知数多于所能列出的方程数时，可用试差法求解见教材P31例,在2MPa和240oC条件下，用纯氧氧化乙烯生产环氧乙烷，已知原料混合气含乙烯15%（mol分率），流量15000kmol/h
11、，反应器出口含环氧乙烷1.4%（mol分率），乙烯13% （mol分率） ，流量14500kmol/h，求（1）乙烯转化率和环氧乙烷的收率;（2）若处理气量不变，产品经分离后60%未反应的乙烯返回反应器循环，则乙烯总转化率和环氧乙烷的总收率分别是多少？,反应器,分离,60%未反应乙烯循环利用,新鲜气,解 化学反应式 C2H4+0.5O2=CH2OCH2（1）乙烯转化率和环氧乙烷的收率（无循环）,反应器,（2）60%未反应乙烯循环时，乙烯总转化率和环氧乙烷的 总收率计算,合成氨工段计算,氨 合 成 塔,冷 凝,排放,产品V4,循 环,新鲜原料F 1000Nm3,塔入口气V2 NH3 2.5mol
12、%,塔出口气V3 NH3 11mol%,H2 73.729% N2 24.558% CH4 1.420% Ar 0.293%,放空气V1 Ar+CH4 19.296% NH3 11%,V1信息？ V2信息？ V3信息？ V4的信息？,化学反应式 0.5N2+1.5H2=NH3,1. V1信息： 惰性气体衡算：得到V1=88.775Nm3 因为H2与N2按照3：1的比例消耗，进料比为3：1，根据出口气体的组成可以计算出（H2N2）摩尔比为10.110.192960.69704，从而根据组分的两两比例分别计算出V1组成：,2. V4的信息（体积平衡）： 氨的合成为变体积反应过程，反应前后的体积变化
13、数为2即每生成1份氨，体积缩小1份，而反应生成的氨量= (V4+0.11V1) 。据此可以计算出气体氨物流量P F-(V4+0.11V1)=V1+V4 V4=450.73Nm3 3. V2与V3信息（体积平衡和氨平衡）：反应减少体积V2-V3=(V4+0.11V1)-(1) 氨平衡计算：0.11V3-0.025V2=V4+0.11V1-(2) 计算（1）、（2）得出： V2=6013.6Nm3V3=5555.024Nm3,4. 合成塔进口物流信息（结点元素平衡）： 按照以上思路，以合成塔为物料衡算体系，分别对H2、N2、CH4、Ar进行物料衡算即可得出V2的组成信息。如：H2的元素平衡 入塔(
14、合成塔)H2量=新鲜气带入H2量+循环H2量=新鲜气带入H2量+(出塔H2量-放空气H2量)=0.73729F+0.52278(V3-V4 ) -V1)=0.737291000+0.52278(5553.024-450.73-88.755)=3358.26Nm3,问题1配制混酸（硝酸+硫酸）过程中，为防止硝酸分解，温度不宜超过40，需要冷却。已知采用硝酸98%，硫酸92.5%，含69%硫酸的硝化废酸为原料配制组成为硫酸46%，硝酸46%，水8%的混酸1kg，会放出热量15kj热量。冷却介质为水。设环境温度为20 。问：配制450kg这种混酸，需要多少冷却水量。（时间20分钟）问题2：芳香烃硝化
15、生产中一般需要先加热，达到反应温度（一般50-60 ），当反应启动后，由于硝化反应是强放热反应，必须通冷却水进行冷却，否则可能产生爆炸事故。那么，反应釜夹套的换热面积是否能满足？加热是需要多少热量？若用120 水蒸汽加热，又需要多少蒸汽？冷却时，需要多少冷却水量？,3.2 热量衡算 一、目的和任务 1、确定加热剂或冷却剂的消耗量 2、计算换热面积，选型换热设备的工艺尺寸 3、综合利用能量 二、形式 1、单元设备的热量衡算 2、系统热量平衡计算,三、单元设备的热量衡算 1、热量衡算方程式Q1Q2Q3QQQQ1所处理的各股物料带入设备的热量Q2由加热剂（或冷却剂）传给设备和物料的热量Q3各种热效应
16、（反应热、溶解热、稀释热、相变热等）Q离开设备各股物料带走的热量Q加热设备消耗的量Q设备的热损失,a. 各种物料代入热量Q1micpiti b. 传热剂向设备传入或传出的热量Q2的计算（计算目标）Q2为正-表示设备需要加热Q2为负-表示需从设备内部取出热量 c.过程热效应Q3的计算物性数据求取或查取或实际生产中获取化学反应热计算？溶解热计算？稀释热计算？,2、各种热量计算,例：98%硫酸的稀释热经验公式,d.离开物料带走的热量QQmicpiti e.加热设备消耗的热量Q的计算Qmwcpwtwtw设备各部分加热前后的平均温差 f. 热损失QAT（twt0）A 散热表面积T_散热表面对周围介质的传
17、热系数tw设备壁的表面温度t0周围介质的温度 过程持续时间难以计算时： Q10% Q2,2、各种热量计算,注意事项 1、热效应有吸热和放热，Q损有热损和冷损，所以有正负之分 2、收集的数据要可靠 3、间歇操作的Q2常用KJ/每台为计算基准.连续过程为KJ/h,3、载热剂用量的计算： 1、间接加热时，水蒸汽耗量的计算mp=Q2/(-cpt)=Q2/r 2、燃料消耗量的计算mB=Q2 / QT 3、电能耗量的计算E=Q2 / 860 4、冷却剂消耗量的计算 mW=Q2/cp (t2-t1) 5、传热面积的计算Q2=K A tm 注意：连续过程按上式计算间歇过程计算载热剂总消耗量，用上式。计算载热剂
18、流量、设备传热面积时，上式的Q2需是最大阶段传热速率。,最大阶段的传热速率Q2 ：比较预热阶段的传热速率、反应阶段的传热速率 间歇反应：Q2=KA tm；Q2= Q2/T (Q2最大阶段的传热量、T时间）水蒸汽流量的计算Vp=Q2 /(-cpt),4、衡算方法与步骤 （1）明确衡算目的 （2）画出单元设备的物料流向及变化意图 （3）根据物料流向及变化，列出热量衡算方程式 （4）搜集有关数据（物料数据，定压比热、相变热、反应热等热力学数据等） （5）确定计算基准温度（一般以273K和298K为基准温度)，基准相态（6）实行衡算过程 （7）编制热量衡算表,四、系统热量平衡计算 1、系统热量平衡的作
19、用 1）求算出能量比综合利用率 2）检验能量回收的合理性 3）求算消耗定额 2、系统热量平衡计算步骤,例：已知加入甲苯和浓硫酸的温度均为30，脱水器的排水温度为65，磺化液的出料温度为140，甲苯与硫酸的标准化学反应热为117.2kJmol-1(放热)，设备(包括磺化釜、回流冷凝器和脱水器，下同)升温所需的热量为1.3105kJ，设备表面向周围环境的散热量为6.2104kJ，回流冷凝器中冷却水移走的热量共9.8105 kJ。上题物料数据。试对甲苯磺化过程进行热量衡算。,有关热力学数据为：原料甲苯的定压比热为1.71 kJ/(kg)；98硫酸的定压比热为1.47 kJ/(kg) ；磺化液的平均定
20、压比热为1.59 kJ/(kg) ；水的定压比热为4.18 kJ/(kg) 。,解：对甲苯磺化过程进行热量衡算的目的是为了确定磺化过程中的补充加热量。甲苯磺化装置(包括磺化釜、回流冷凝器和脱水器等)作为衡算对象。此时，输入及输出磺化装置的物料还应包括进、出回流冷凝器的冷却水，其带出和带入热量之差即为回流冷凝器移走的热量。若将反应热效应作为输入热量来考虑，则可绘出示意图。,（反应热+稀释热）,根据热量衡算结果，编制甲苯磺化过程的热量平衡表：,有关热力学数据为：原料甲苯的定压比热为1.71 kJ/(kg)；98硫酸的定压比热为1.47 kJ/(kg) ；磺化液的平均定压比热为1.59 kJ/(kg) ；水的定压比热为4.18 kJ/(kg) 。,（反应热+稀释热+蒸发热）,思考：反应釜传热面积如何计算？加热蒸汽的管径选多大？,任务5配制混酸（硝酸+硫酸）过程中，为防止硝酸分解，温度不宜超过40，需要冷却。已知采用硝酸98%，硫酸92.5%，含69%硫酸的硝化废酸为原料配制组成为硫酸46%，硝酸46%，水8%的混酸1kg，会放出热量15kj热量。冷却介质为水。设环境温度为20 。 问：配制450kg这种混酸，要求在20分钟内完成，需要多少冷却水量。,
