,化工设计电子课件,化工设计,第四章 物料衡算与能量衡算,Chart4 materiel balance and energy balance,4.1,物料衡算,4.2,能量衡算,4.3,化工模拟软件在化工设计中的应用,4.1,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。,通过物料衡算解决以下问题：,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；,在物料衡算基础做能量衡算，计算蒸汽、水、电、煤或其他燃料的消耗定额。,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计等方面提供依据。,一、物料衡算依据,1.,理论依据,质量守恒定律,物料衡算范围,单元操作的物料衡算,化工设备设计的前提,化工过程的物料衡算,化工过程设计的前提,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,对稳定操作过程，积累量,=0,输入量,-,输出量,+,生成量,-,消耗量,=0,对无化学反应的过程：,输入量输出量积累量,对无化学反应的稳定操作过程：,输入量输出量,对有化学反应的过程,：总物料衡算,+,元素衡算式,2.,数据基础,(1),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,位的要求,、设计参数、小试及中试数据：,化工单元过程的,化学反应式,、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；,原料及产品的分离方式,，分离剂的用量，各步的回收率；,特殊化学品的物性,：沸点、熔点、饱和蒸汽压、闪点等。,(3),工艺流程示意图。,二、物料衡算基准,物料衡算时须,选择计算基准,，并在计算过程中,保持一致,。,一般计算过程的基准有以下几种：,(1),时间基准,对连续生产过程，常以单位时间,(,如,d,、,h,、,s,）的投料量或产品量为计算基准。,(2),批量基准,以每批操作或一釜料的生产周期为基准。,(3),质量基准,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。,(4),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的，用物质的量基准更方便。,(5),标准体积基准：,对气体物料进行衡算，可采用标准体积基准，,Nm,3,(STP),，既排除,T,、,p,的影响，又可直接换算为摩尔。,(6),干湿基准：,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。,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。,三、物料衡算的基本程序,(1),确定,衡算对象和范围,，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。,(2),确定,计算任务,，明确已知项、待求项，选择数学公式，力求使计算方法简化。,(3),确定过程所,涉及的组分,，并对所有组分依次编号。,(4),对物流的,流股进行编号,，并标注物流变量。,(5),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参数）：,生产规模,（设计任务所规定，,t/,年）和,生产时间,（指全年有效生产天数,300330,天,/,年，计约,8000h,）。,有关定额的技术指标,，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。,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,，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。,约束式,分数约束式,设备约束式,进料配比为一常数；,分流器出口物流具有相同的组成；,相平衡常数；,化学反应平衡常数；,化学反应的转化率、选择性或其他限度。,(7),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。,(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文件。,三、物料衡算举例,P33,例,3-13-4,自学,4.2,能量衡算,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,功率,。,确定各单元过程所需,热量或冷量,及其,传递速率,。,化学反应所需的,放热速率,和,供热速率,。,做好,余热综合利用,。,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。,根据热力学第一定律，能量衡算方程可写为：,Q,+,W,=,E,=,E,k,+,E,p,+,U,W=W,t,+W,s,，,W,t,为流动功，,W,s,为轴功,；,1.,封闭体系的能量衡算方程,封闭体系特点：,与环境只有能量交换，而无物质交换，如,间歇操作,过程，体系物质的,动能、位能、压力能无变化,，则：,U,=,Q,+,W,若体系与环境没有功的交换，即,W,=0,，则：,Q,=,U,2.,流动体系的能量衡算方程,物料连续通过边界进出,能量输入速率,-,能量输出速率,=,能量积累速率,连续稳定流动过程的总能量衡算方程为：,3.,热量衡算式及说明,热量衡算式,在反应器、蒸馏塔、蒸发器、换热器等化工设备中，,W,、,E,k,、,E,z,与,Q,、,U,和,H,的相比，可以忽略。,总能量衡算式为：,封闭体系,Q=U,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。,连续稳定流动体系的热量衡算：,Q=,H,1,H,2,或,Q=,U,1,U,2,实际计算时，还常使用下式：,Q,in,=,Q,out,Q,1,+,Q,2,+,Q,3,=,Q,4,+,Q,5,+,Q,6,Q,1,物料带入热量；,Q,2,加热介质供给或输出的热量，输入为正，输出为负；,Q,3,过程的热效应，吸正放负；,Q,4,物料带出热量；,Q,5,消耗在加热设备各部件上的热量；,Q,6,设备向四周的散热损失；,热量衡算的步骤,建立单位时间为基准的,物料流程图或物料平衡表,。,选定,计算基准温度和计算相态,：可选,0(273K),、,25(298K),或其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，查出或计算,每个物料的焓值，标注在图上,。,列出,热量衡算式,，用数学方法求解。,当生产过程及物料组成较复杂时，可列出,热量衡算表,。,4.,机械能衡算式,连续稳定流动过程的总能量衡算方程为：,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，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：,4.3,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：,物性数据检索,(,物理性质、热力学性质数据,),；,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,目前用的较多的,化工流程模拟计算软件,有,PRO/II,、,HYSYS,、,ASPEN PLUS,等。,PRO/II,流程模拟软件,PRO/II,由美国模拟科学（,SIMSCI,）公司研发提供的。是目前石油化工行业,最全面的流程模拟软件,，已被广泛地应用于化学过程的严格的质量和能量平衡。,西安石油大学,2006,年也购买了该软件，,20,个用户终端。,PRO/II,流程模拟软件功能特点,适用行业：,油,/,气加工、炼油、化工、化学工程、建筑、聚合物、精细化工,/,制药,模拟应用：,新工艺设计、评估改变的装置配置、改进现有装置、消除装置工艺瓶颈、优化和改进装置产量和效益。,组份数据库：,2000,多纯组分库、,1900,多组分,/,种类电解质库等。,混合物数据：,用于,3000,多,VLE,二元作用参数、,2200,在线共沸混合物用于参数估算、专用数据包等。,热力学计算方法：,60,多个热力学模型。,热力学数据：,特殊包：胺，乙二醇，酒精；超过,5000,个二元交互参数；专用的水溶性数据；超过,550,个,Henry,系数；二元交互参数预测；热力学数据回归。,设计化工单元操作：,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，膨胀机，闪蒸，带有固体的闪蒸，,LNG,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,/,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，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，过程数据，用户自定义操作单元，,(,电解质模块，,SIMSCI,外接的模块,),等。,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；增加自定义计算模型,7,个；增加自定义电解质模型,20,个等。,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、加热,/,冷却曲线等。,二、三种化工模拟软件的对比,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经验数据；而,ASPEN,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。,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常全面，所以学起来比较费劲。,三、化工模拟软件存在问题,还,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,实行技术封锁,，我国的石化企业,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。,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。,