物料衡算和能量横算
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化工基础数据包括很多,现将常用的一些化工基础数据 大致归纳成以下几类: ❖ (1) 基本物性数据—如临界常数(临界压力、临界温度、临 界体积)、密度或比容、状态方程参数、压缩系数、蒸气压、 气一液平衡关系等。 ❖ (2 )热力学物性数据—如内能、焓、熵、热容、相变热、自 由能、自由焓等。 ❖ (3) 化学反应和热化学数据—如反应热、生成热、燃烧热、 反应速度常数、活化能,化学平衡常数等。 ❖ (4) 传递参数—如粘度、扩散系数、导热系数等。
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由计算结果可以看出,当加入的空气量是29.76mol时,可产生 烟道气31.76mol,所以产生100mol烟道气(燃烧产物所需要的 空气量为100/31.76*29.73mol)
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由计算结果可以看出来,每加入1mol空气可以产生1.0674 mol的燃烧产物,所以产生100mol燃烧产物需要的空气量为 100/1.0674=93.7mol。
①稳定操作过程( Fi-Fo)+ (Dp- Dr )= 0 ②系统内无化学反应:Fi-Fo = W ③系统内无化学反应的稳态操作过程: Fi-Fo =0 对于没有化学反应的过程,一般上列写各组分的衡
算方程,只有涉及化学反应量,才列写出各元素的衡算 方程。
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2、物料衡算基准
1)化工过程的类型
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物料衡算和能量衡算
❖ 1.物料衡算的基本方法和程序 ❖ 2.简单的物料衡算 ❖ 3.带有循环流的物料衡算 ❖ 4.热量横算(自学)
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第一节 物料衡算的基本方法和程序
一、物料衡算的基本方法 1、物料平衡方程
理论依据:质量守恒定律
进入过
流出过
在过程
在过程 过程单
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❖ 作业:物料衡算的基本程序是什么?
❖
物料衡算过程中怎样确定设计变量的
数目?
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❖ (9)整理并校核计算结果,当计算完成后, 对计算结果进行整理,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。
连续操作过程:在整个操作期间,原料不断稳 定地输入生产设备,同时不断从设备排出同样 数量(总量)的物料。设备的进料和出料是连 续流动的,即为连续操作过程。在整个操作期 间,设备内各部分组成与条件不随时间而变化。
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半连续操作过程:操作时物料一次输入或分批输入, 而出料是连续的,或连续输入物料,而出料是一次或 分批的。
程单元 的物料
- 程单元
的物料
+ 单元内
生成的
- 单元内
消耗的
=
元内累 积的物
量
量
物料量 物料量 料量
(Fi)
(Fo)
(Dp)
( Dr )
(W)
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即 : ( Fi-Fo)+ (Dp- Dr )= W 上式:即可对总物料,也可以对其中任一组分或元
素列出。 在下列情况下上式可简化为:
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③、原辅材料厂、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。
④、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,粘度、扩散参数 等
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(6)列出过程的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,明确反 应前后的物料组成和各组分之间的定 量关系,必要时还应指出其转化率和 选择性,为计算作准备。
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约束式可分为两类:
(Ⅰ)分数约束式 当物流的组成用摩尔分数或质量分数表示时,
用下式成立
∑xij=1(i=1,2,……Ns) (j=1,2,……Nc)
式中: xij —— 第j组分在第i股流中的摩尔分数(或质
量分数); Ns —— 物流的股数; Nc —— 物流的组分数。
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化工过程操作状态不同,其物料或能量衡算 的方程亦有差别。
化工过程根据其操作方式可以分成间歇操作、 连续操作以及半连续操作三类。或者将其分为稳 定状态操作和不稳定状态操作两类。在对某个化 工过程作物料或能量衡算时,必须先了解生产过 程的类别。
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间歇操作过程:原料在生产操作开始时一次加 入,然后进行反应或其他操作,一直到操作完 成后,物料一次排出,即为间歇操作过程。此 过程的特点是在整个操作时间内,再无物料进 出设备,设备中各部分的组成、条件随时间而 不断变化(如:萃取过程、过滤过程)。
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(Ⅱ)设备约束式 常见的设备约束式有:
①、进料比(或任何两股物流的量之比)为一常数; ②、两股物流具有相同的组成(如分流器); ③、相平衡常关系式; C(π-1) ④、化学平衡关系式; ⑤、化学反应过程中的转化率、选择性或其他限度。 ⑥、物料平衡式 C ⑦、能量平衡式 1
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二、物料衡算的基本程序
在进行物料衡算时,为了避免错误,便于 检查核对时,必须采取正确的步骤进行计算, 使之做到条理分明清晰,计算迅速,结果准 确,一般程序如下:
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(1) 确定衡算对象和范围(如:一个单元,一套装 置或一个系统),并画出计算对象的草图,对于整个 工艺流程,要画出物料流程示意图(方框图即可)绘 制物料流程草图时,要注意物料种类和走向,输入和 输出要明确表示出来。 (2) 确定计算任务,明确什么是已知项,什么是待 求项,选择适当的数学公式,力求计算方法简便。 (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。
第三章物料衡算和能量衡算
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第三章 物料衡算和能量衡算
教学内容:主要讲物料衡算中基本衡 算思路,掌握衡算方法。
教学重点:物料衡算的基本方法与思 路 教学难点:化工流程的物料衡算与带 有循环流的物料衡算 教学课时:8-10学时 教学方法:课堂讲授(多媒体、板书)
化工过程的物料衡算和能量衡算,是利用物理与化学 的基本定律,对化工过程单元系统的物料平衡与能量平衡 进行定量计算。通过计算解决以下问题:
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综上所述步骤,可归纳如下:
①、陈述的问题; ②、列出可获得的数据; ③、画出衡算方框图; ④、对物流流股及各组分编号; ⑤、确定衡算范围; ⑥、建立系统各参数的基准; ⑦、建立各组分和总物料的衡算方程; ⑧、解析方程; ⑨、校核计算结果; ⑩、绘制物料流程图,编写物流表。
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2)物料衡算基准的选择
物料衡算过程,必须选择计算基准,并在整个运 算中保持一致。若基准选的好,可使计算变得简单。 一般计算过程的基准有以下几种:
①时间基准 对于连续操作过程,选用单位时间作为基 准是很自然的,单位时间可取1d、1h或1s等等。此时 得到的物料流量可以直接与设备或管道尺寸相联系。
❖ Ne:方程的个数(约束关系式数目)。
❖ Nd:设计变量的个数(已知流股变量数)。
❖ 如果系统与环境间有能量交换的话则Nv应增加描述能量 交换的变量数,如果有一股热量交换时应该增加一个变量数,
如果有两股变量交换时应该增加两股变量数。
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❖ 进行化工过程设计,要确定各个物理量的数值,如进料 流率、浓度、温度、压力、热负荷、机械功的输入和输出, 传热面积的大小及理论塔板数等,这些物理量都是相互关联 相互制约的,因此设计者只能规定其中若干变量的数值,这 些变量称为设计变量。如果设计过程中给定数值的物理量少 于设计变量的数目,设计就不会有结果;反之,给定数值的 物理量数目过多设计也无法进行。
1、找出主副产品的生成量、废物的排出量。 2、确定原材料消耗定额。 3、确定各物流的流量、组成和状态。 4、确定流程内物质转换与能量传递情况。
从而为,设备选型以及设备尺寸,管路设施与公用工 程提供依据。
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化工过程有许多输入流股和输出流股, 本章内容是讲授确定这些流股的策略与方法, 物料衡算与热量横算是化工工程师接触最频 繁的计算。
②批量基准 对于间歇操作,按投入物料的数量为基准, 最方便,即以一批/次作为基准。
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③质量基准 取已知变量最多(或未知变量最少)的 物流作为基准最为合适。
例如:可取某一基准物流的质量为100Kg,然后 计算其他物流的质量。若已知进料质量百分比组成, 则选100Kg进料或者100g进料为基准,若已知出料质量百分 组成,则选100Kg进料或者100g 出料为基准。 ④物质的量基准 对于有化学反应的过程,因化学反
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(7)选择计算基准 (8)独立的总物流变量个数与方程个数,确定设 计变量和个数及全部设计变量。
在统计变量个数时,如果在每个单元的全部物
流中都含有全部的组分Nc个,则对其中任一流股i 有Nc个摩尔分数或者质量分数,还有流量Fi,每 股物流计Nc+1个物流变量。设共有Ns股物流,则 总的物流变量个数为Nv=Ns(Nc+1),当一个或多 个组分从流股中消失的时候,上式不再适用,必须 逐股计算,获得Nv进而计算设计变量。
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