物料衡算和能量衡算培训课程课件

路漫漫其悠远路漫漫其悠远少壮不努力，老大徒悲伤少壮不努力，老大徒悲伤少壮不努力，老大徒悲伤少壮不努力，老大徒悲伤2024/7/8物料衡算和能量衡算培物料衡算和能量衡算培训课程训课程路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂一般表示式为系统中积累=输入输出+生成消耗稳态过程时输入=输出生成+消耗无化学反应的稳态过程输入=输出第三章 物料衡算与能量衡算第一第一节节 连续过连续过程的物料衡算程的物料衡算2路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂物料平衡形式物料平衡形式 总平衡式总平衡式 *总质量平衡式总质量平衡式 总摩尔平衡式总摩尔平衡式 组分平衡式组分平衡式 组分质量平衡式组分质量平衡式 组分摩尔平衡式组分摩尔平衡式 元素原子平衡式元素原子平衡式 *元素原子质量平衡式元素原子质量平衡式 *元素原子摩尔平衡式元素原子摩尔平衡式第三章 物料衡算与能量衡算3路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂物料衡算的基本步骤 画出流程示意图画出流程示意图 列出已知数据列出已知数据 列出由物料平衡所需求解的问题列出由物料平衡所需求解的问题 决定系统的边界决定系统的边界 写出主、副产品的化学反应方程式写出主、副产品的化学反应方程式 约束条件约束条件 选择计算基准选择计算基准 进行物料平衡计算进行物料平衡计算 列出物料和能量平衡表，并进行校核列出物料和能量平衡表，并进行校核 结论结论第三章 物料衡算与能量衡算4路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂关于基准 时间基准时间基准 连续（小时，天连续（小时，天）间歇（釜，批间歇（釜，批）质量基准质量基准 kg kg，molmol，kmol kmol 体积基准体积基准 m m3 3（STPSTP）干湿基准干湿基准 干基（不含水），湿基（含水）干基（不含水），湿基（含水）例：例：100kg100kg湿物料，其中含水湿物料，其中含水10kg10kg，按按 湿基：含水率为湿基：含水率为10%10%；若按若按 干基：含水率为干基：含水率为 10/(100-10)100%=11.11%10/(100-10)100%=11.11%第三章 物料衡算与能量衡算5路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂 例：例：C C3 3H H8 8+5O+5O2 2=3CO=3CO2 2+4H+4H2 2O O每每100kmol100kmol燃烧产物需要多少摩尔空气？燃烧产物需要多少摩尔空气？1.1.基准：基准：1kmol1kmol原料气原料气C C3 3H H8 8燃燃烧烧用用氧氧 5kmol5kmol；实际供氧实际供氧 51.25=6.25kmol 51.25=6.25kmol；供供给给空空气气量量 29.76kmol29.76kmol；其其中中氮氮气气量量 23.51kmol23.51kmol；产产生生：COCO2 2 3kmol3kmol；H H2 2O O 4kmol4kmol；O O2 2 1.25kmol1.25kmol；N N2 2 23.51kmol23.51kmol；合计合计 31.76kmol31.76kmol；x=93.7kmol第三章 物料衡算与能量衡算6路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂2.2.基准：基准：1kmol1kmol空气空气实际耗氧实际耗氧 0.21/1.25 0.21/1.25=0.168 kmol=0.168 kmol；燃烧燃烧C C3 3H H3 3 0.168/5=0.0336 kmol0.168/5=0.0336 kmol；供给空气量供给空气量 1kmol1kmol；其中氮气量其中氮气量 0.79kmol0.79kmol；产生：产生：COCO2 2 0.101kmol0.101kmol；H H2 2O O 0.135kmol0.135kmol；O O2 2 0.042kmol0.042kmol；N N2 2 0.79kmol0.79kmol；合计合计 1.068kmol1.068kmol；x=93.7kmol第三章 物料衡算与能量衡算 例：例：C3H8+5O2=3CO2+4H2O每每100kmol燃燃烧烧产产物物需需要要多多少少摩摩尔尔空空气气？7路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂（3 3）基准：）基准：100kmol100kmol烟道气烟道气以元素平衡法：以元素平衡法：C C3 3H H8 8+5O+5O2 2=3CO=3CO2 2+4H+4H2 2O O预设：预设：空气量空气量 A A；C C3 3H H8 8 B B；N N2 2 N N；过量过量O O2 2 M M；CO CO2 2 P P；H H2 2O Q O Q。第三章 物料衡算与能量衡算 例：例：C3H8+5O2=3CO2+4H2O每每100kmol燃燃烧烧产产物物需需要要多多少少摩摩尔尔空空气气？8路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂（3 3）基准：）基准：100kmol100kmol烟道气烟道气以元素平衡法：以元素平衡法：C C3 3H H8 8+O+O2 2 CO CO2 2+H+H2 2O OC C平衡平衡 3B=P 3B=P；H H2 2平衡平衡 4B=Q 4B=Q；O O2 2平衡平衡 0.21A=M+Q/2+P 0.21A=M+Q/2+P；N N2 2平衡平衡 0.79A=N 0.79A=N；烟道气总量烟道气总量 N+M+P+Q=100 N+M+P+Q=100；过剩氧气过剩氧气 0.21A 0.21A（0.25/1.250.25/1.25）=M=M解出：空气量解出：空气量 A=A=93.7kmol93.7kmol；C C3 3H H8 8 B=3.148kmolB=3.148kmol；N N2 2 N=74.02kmolN=74.02kmol；O O2 2 M=3.935 kmolM=3.935 kmol；COCO2 2 P=9.445 kmol P=9.445 kmol；H H2 2O O Q=12.59 kmolQ=12.59 kmol。第三章 物料衡算与能量衡算 例：例：C3H8+5O2=3CO2+4H2O每每100kmol燃燃烧烧产产物物需需要要多多少少摩摩尔尔空空气气？空气量空气量 A A；C C3 3H H8 8 B B；N N2 2 N N；过过量量O O2 2 M M；COCO2 2 P P；H H2 2O Q O Q。9路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂物料平衡计算的条件.方程式方程式 物料平衡方程式物料平衡方程式 物流约束式物流约束式构成物流各组分的分率之和等于构成物流各组分的分率之和等于1 1第三章 物料衡算与能量衡算10路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂2.2.变量变量有有N Ns s股物流，股物流，N Nc c个组分数，个组分数，N Np p个设备参数个设备参数总变量数：总变量数：N Nv v=N=Ns s（N Nc c+1+1）+N+Np p 设计变量？设计变量？操作变量？操作变量？第三章 物料衡算与能量衡算11路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂 转化率转化率=选择性选择性=xA=第三章 物料衡算与能量衡算有化学反应的物料衡算12路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂 产率产率=转化率选择性 =xA=第三章 物料衡算与能量衡算13路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂无化学反应的物料衡算 料浆 滤饼 90%固体 F1=2000kg/h 过滤机 F3=？kg/h 10%液体 75%液体 25%固体 滤液 F2=？kg/h 1%固体 99%液体例：过滤过程第三章 物料衡算与能量衡算14路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂总平衡式 输入的料浆=输出的滤液+输出的滤饼 F1=F2+F3液体平衡式 F1x11=F2x21+F3x31第三章 物料衡算与能量衡算15路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂精馏过程 馏出液 F3 乙醇 水 24%F1 料液 苯 75%乙醇 40%水 60%F2 苯 乙醇产品 F4=1000kg/h三个未知数需三个方程总物料平衡式 F1+F2=F3+F4 组分物料平衡式苯平衡 F2=0.75 F3 水 平 衡 0.6F1=0.24F3 醇 平 衡 （10.6）F1第三章 物料衡算与能量衡算16路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂主要内容及要求：主要内容及要求：学学学学习习习习并掌握多并掌握多并掌握多并掌握多组组组组分平衡分平衡分平衡分平衡级级级级理理理理论论论论模型的建立及求模型的建立及求模型的建立及求模型的建立及求 解，熟解，熟解，熟解，熟练练练练掌握精掌握精掌握精掌握精馏馏馏馏的的的的简简简简捷捷捷捷计计计计算方法，掌握精算方法，掌握精算方法，掌握精算方法，掌握精馏馏馏馏塔塔塔塔 内的流率、内的流率、内的流率、内的流率、浓浓浓浓度和温度分布特点。度和温度分布特点。度和温度分布特点。度和温度分布特点。重点：重点：三三三三对对对对角角角角线线线线矩矩矩矩阵阵阵阵方程的托方程的托方程的托方程的托马马马马斯法、泡点法（斯法、泡点法（斯法、泡点法（斯法、泡点法（BPBP法）法）法）法）精精精精馏馏馏馏的的的的简简简简捷捷捷捷计计计计算方法算方法算方法算方法路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂精馏计算的基本概念精馏计算的基本概念精馏计算分为设计型计算和操作型计算：精馏计算分为设计型计算和操作型计算：（1）设计型计算）设计型计算 给定进料状况，指定操作压力，计算在达到分离要求的前提下，给定进料状况，指定操作压力，计算在达到分离要求的前提下，经济合理的回流比、理论塔板数和最佳进料位置。经济合理的回流比、理论塔板数和最佳进料位置。（2）操作型计算）操作型计算 给定操作压力、进料状况、进料位置、塔板数、回流比、一端给定操作压力、进料状况、进料位置、塔板数、回流比、一端产品量，计算确定产品组成、各板上的浓度和温度，以及冷凝产品量，计算确定产品组成、各板上的浓度和温度，以及冷凝器和再沸器的热负荷。器和再沸器的热负荷。两种计算所用数学模型相同。两种计算所用数学模型相同。路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂MESH方程方程组分物料衡算方程组分物料衡算方程(M)：相平衡关联方程相平衡关联方程(E)：归一化方程归一化方程(S)：热量衡算方程热量衡算方程(H)：u、l、w、v、f 分别代表分别代表i组分的摩尔流率，组分的摩尔流率，H、h分别为汽、液相摩尔焓。分别为汽、液相摩尔焓。j=1时，为冷凝器，时，为冷凝器，；j=N时，为再沸器时，为再沸器路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂（1）除）除MESH方程还需要的方程方程还需要的方程 平衡常数关联方程：平衡常数关联方程：焓计算方程：焓计算方程：侧线组分摩尔流率：侧线组分摩尔流率：路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂（2）模型自由度分析）模型自由度分析方程编号方程个数变量变量个数变量变量个数(2-102)(2-103)(2-104)(2-105)(2-106)(2-107)(2-108)(2-109)(2-110)NcNc3NNNcNN(N-1)c(N-1)clijvijuijwijKijfijFjhFjQjNcNc(N-1)c(N-1)cNcNcNNNLjVjUjWjpjTjhjHj塔板数NNNN-1N-1NNNN1总 计方程总数(5c+6)N-2c变量总数(6c+11)N-2c-1模型自由度：模型自由度：自由度自由度=变量个数变量个数-方程个数方程个数=(c+5)N-1 所以，计算时必须先指定所以，计算时必须先指定(c+5)N-1个变量方程才有定解。个变量方程才有定解。由于模型方程组为非线性的，通常需要迭代求解。由于模型方程组为非线性的，通常需要迭代求解。路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂对对操作型操作型问题问题可以指定以下可以指定以下变变量量：(c+5)N-11、进进料信息：料信息：fij、hFj N（c+1）个）个2、各、各级压级压力：力：Pj N个个3、各、各级侧线级侧线采出：采出：Uj、Wj 2（N1）个）个4、各、各级换热级换热：Qj N-2个个5、回流比、回流比R、V1（即（即DV）和）和级级数数N：3个个 未知量：未知量：1、液相流率：、液相流率：li,j、Lj N(c+1)个个2、气相流率：、气相流率：vi,j、Vj N(c+1)个个3、各、各级级温度：温度：Tj N个个4、Q1、QN以及以及Kij、hj、和、和Hj N(c+2)+2有唯一解有唯一解 2.3.2 稳态模型算法概述路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂（3）迭代算法的选择）迭代算法的选择 迭代变量的选择迭代变量的选择 选择易收敛的变量作迭代变量，其余变量的值可从迭选择易收敛的变量作迭代变量，其余变量的值可从迭代变量算得。代变量算得。迭代算法的组织迭代算法的组织 整体迭代：将所有方程构成一个整体，每一轮迭代都整体迭代：将所有方程构成一个整体，每一轮迭代都计算一遍所有方程。计算一遍所有方程。分割迭代：将方程组中的方程按关联性的强弱分成若分割迭代：将方程组中的方程按关联性的强弱分成若干组，分别对每个组进行迭代计算。干组，分别对每个组进行迭代计算。迭代过程的控制迭代过程的控制 通常用摩尔流率的归一来修正和加速迭代进程。通常用摩尔流率的归一来修正和加速迭代进程。路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂一、王一、王-亨克解法亨克解法泡点泡点(BP)法法 将将MESH方程分成三方程分成三块块，M+E方程，方程，S方程，方程，H 方程；方程；M+E方程，方程，S方程，内方程，内层层迭代求解，与迭代求解，与lij，T Tj j匹配；匹配；H方程在外方程在外层层迭代求解，与迭代求解，与Lj j(Vj j)匹配。匹配。收收敛敛判据：判据：内内层层：10-4 外外层层：j-Lj 2(0.001)jlij0路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂王亨克法的计算框图王亨克法的计算框图 路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂将将MESH方程中的方程中的E方程代入方程代入M方程，消去方程，消去vij整理得：整理得：令令简化得：简化得：当当j=1时，时，li,0=0，则，则 ；当当j=N时，时，li,N+1=0，则，则于是，于是，N块板构成的方程组成三对角线方程组：块板构成的方程组成三对角线方程组：路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂由由M和和E方程得到的三对角线方程组：方程得到的三对角线方程组：利用高斯消去法解利用高斯消去法解c个上述个上述ME方程；可得所有板上的方程；可得所有板上的lij 路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂2)利用高斯消去法解利用高斯消去法解c个个ME方程；方程；当全部解出后，可得所有板上、所有当全部解出后，可得所有板上、所有组组分的分的lij，然后用硬性然后用硬性归归一的方法得到一的方法得到 xij。即。即：xij=/lij3)利用泡点方程利用泡点方程(S方程方程)计计算各板的温度算各板的温度 4)并用各板的并用各板的 max10-4 作作为为内内层层迭代收迭代收敛敛判据。判据。lijilijjlijj路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂5）利用方程和总物料衡算方程计算各板的）利用方程和总物料衡算方程计算各板的 Lj和和VjH方程方程板的总物料衡算方程板的总物料衡算方程：若各板的若各板的 j-Lj 2(0.001)，整个模拟计算完成；否则以新，整个模拟计算完成；否则以新的的Lj(Vj)，重新回到内层迭代计算，直至外层收敛。，重新回到内层迭代计算，直至外层收敛。0路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂1)内内层层迭代迭代变变量量为为Tj，外，外层层迭代迭代变变量是量是Lj。2)液相液相组组成是用硬性成是用硬性归归一一办办法得到。法得到。3)用直接迭代法将新用直接迭代法将新值值代替旧代替旧值值。4)用泡点用泡点计计算得到各板的温度，故称之算得到各板的温度，故称之为为泡点泡点(BP)法。法。5)适用于待分离混合物中各适用于待分离混合物中各组组分的沸点相差不大的物分的沸点相差不大的物 系，即精系，即精馏计馏计算。算。路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂二、流率加和求解法（二、流率加和求解法（SR法）法）路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂 BP法：法：内内层层泡点方程求温度，外泡点方程求温度，外层热层热量衡算求汽液流率，量衡算求汽液流率，适用于窄沸程的精适用于窄沸程的精馏馏；SR法：法：内内层层流率加和求汽液流率，外流率加和求汽液流率，外层热层热量衡算求温度，量衡算求温度，适用于适用于宽宽沸程的吸收。沸程的吸收。三三对对角角线线矩矩阵阵算法的算法的优优缺点：缺点：优优点：非理想性不点：非理想性不强强的物系，具有相当快的收的物系，具有相当快的收敛敛速度；速度；缺点：非理想性缺点：非理想性强强的物系，的物系，计计算振算振荡荡或或发发散。散。路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂关键点：关键点：（1）构建）构建M方程剩余函数方程剩余函数Mij；（2）构建）构建H方程剩余函数方程剩余函数Ej；（3）构建汽相摩尔流率剩余函数）构建汽相摩尔流率剩余函数Qij；（4）建立全塔剩余函数矩阵）建立全塔剩余函数矩阵 ；（5）求出反映全塔变量和全塔剩余函数关系）求出反映全塔变量和全塔剩余函数关系的雅可比矩阵的雅可比矩阵 ；（6）用牛顿）用牛顿-拉夫森方法迭代求解全塔变量。拉夫森方法迭代求解全塔变量。路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂教学内容：教学内容：结结合具体合具体实实例，理解一个完整的化工例，理解一个完整的化工过过程的物料衡程的物料衡算方法和步算方法和步骤骤。重点和重点和难难点：点：重点重点掌握一个完整的化工掌握一个完整的化工过过程的物料衡算的基准和程的物料衡算的基准和思路。思路。难难点点是是对对一个完整的化工一个完整的化工过过程的物料衡算程的物料衡算时应选择时应选择什么物流作衡算基准，如何列出平衡表达式。什么物流作衡算基准，如何列出平衡表达式。34路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂 在一个车间（装置）中物料的添加和在一个车间（装置）中物料的添加和分离比较频繁，并且经常伴随着化学反应的发分离比较频繁，并且经常伴随着化学反应的发生，部分产品的循环（如回流），物料衡算比生，部分产品的循环（如回流），物料衡算比较复杂。较复杂。1.1.单元模块单元模块 计算步骤计算步骤:过程整体分析过程整体分析;写出各单元的方程式和约束式写出各单元的方程式和约束式;列出所有的变量，并选好所需的设计变列出所有的变量，并选好所需的设计变量量;应用单元模块法求解联立方程组。应用单元模块法求解联立方程组。第三章 物料衡算与能量衡算35路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂1.1.循环过程循环过程(两种解法）两种解法）（1 1）试差法）试差法 估计循环流量，并继续计算至循环回流估计循环流量，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，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。值与计算值之差在一定的误差范围内。（2 2）代数法）代数法 列出物料平衡方程式，并求解。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，应一般方程式中以循环量作为未知数，应用联立方程的方法进行求解。用联立方程的方法进行求解。第三章 物料衡算与能量衡算36路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂教学内容：教学内容：结结合具体合具体实实例，理解以反例，理解以反应热应热效效应为应为基基础础和以和以生成生成热为热为基基础础两种反两种反应过应过程能量衡算方法程能量衡算方法的的计计算原理和算原理和计计算方法。算方法。重点和重点和难难点：点：重点重点掌握两种衡算方法的衡算基准和掌握两种衡算方法的衡算基准和计计算方法。算方法。难难点点是是热热量衡算的基准，包括温度、量衡算的基准，包括温度、压压力和相力和相态态，以及有相，以及有相变时变时其其热热量的正量的正负负符号的取符号的取向。向。第三章 物料衡算与能量衡算37路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂第三章 物料衡算与能量衡算能量衡算的基本概念 一、能量守恒定律 输入能量+生成能量=消耗能量+积累能量+输出能量 二、能量衡算方程 1.封闭体系 E=Q+W 2.流动体系能量输入速率-能量输出速率=能量积累速率38路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂第三章 物料衡算与能量衡算 q w T2 U p2 u2 T1 U2 p1 u1 Z Z2 U1 Z1 39路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂第三章 物料衡算与能量衡算（2）封闭体系=q+w（3）孤立体系=0稳态过程的敞开体系=q+w40路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂第三章 物料衡算与能量衡算三、能量衡算的一般方法 正确绘制系统示意图，标明已知条件和物料状态；确定各组分的热力学数据；选择计算基准（大部分在物料衡算的基础上进行）；同时，还要选取热力学函数的基准态。列出能量衡算方程式，进行求解。41路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂第三章 物料衡算与能量衡算化学反应过程的能量衡算一、反应热 在化学反应中放出的热量取决于反应条件。在标准条件下，纯组分、压力为0.1MPa、温度为25（并非一定需要），反应进行时放出的热量称为标准反应热。基准=-56.68 kJ/mol 42路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂第三章 物料衡算与能量衡算（1）标准生成热 在标准状态下，由构成组成的元素生成1mol组分时的焓差。任何反应的标准反应热可以由反应物和生成物的生成热计算得到。反之，组分的生成热也可以由反应热计算得到。43路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂第三章 物料衡算与能量衡算由于物质本身的热函是无法测定的，一般所能测定的是物质热函的变化量，因此人为地规定在标准状态下，元素生成热取为零。标准反应热和生成热之间的关系44路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂第三章 物料衡算与能量衡算（2）标准燃烧热 组分和氧完全燃烧的标准反应热由燃烧热计算反应热的一般表达式:45路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂第三章 物料衡算与能量衡算二、化学反应过程的能量衡算 简单化学反应过程的能量平衡：Q1+Qr+Qt=Q2+Q损损 物料的热量用热容的计算式为：用热焓计算式为：46路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂教学内容：教学内容：上机通上机通过过一个一个实实例，了解流程模例，了解流程模拟软拟软件的种件的种类类和功能，和功能，以及用以及用ChemCAD进进行物料衡算行物料衡算和和热热量衡算的步量衡算的步骤骤和方法。和方法。重点和重点和难难点：点：重点重点掌握用掌握用ChemCAD进进行物料衡算的步行物料衡算的步骤骤和方法。和方法。难难点点是是设备设备、热热力学方法的定力学方法的定义义，模，模拟拟反反应应器的器的选择选择和参数的和参数的输输入，以及入，以及换热过换热过程和分离程和分离过过程的模型程的模型选选择择和参数的和参数的输输入。入。47路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂一、流程模一、流程模拟软拟软件件(一一)aspenONE 工程与工程与创创新解决方案新解决方案(二二)PRO/(三三)VMGSim；VMGThermo(四四)Chem CAD(五五)ECSS工程化学模工程化学模拟拟系系统统-化工之星化工之星 48路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂(一一)Chem CAD简简介介1、ChemCAD的程序界面的程序界面49路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂 2、ChemCAD的的运行环境和文件管理 50路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂(二二)用用Chem CAD进进行物料衡算与能量衡算行物料衡算与能量衡算51路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂52路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂2、绘制过程流程图53路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂54路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂3、定、定义义系系统统物料物料组组成和成和热热力学方法力学方法55路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂56路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂57路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂4、定义流股和设备58路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂59路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂60路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂5、运行模拟和模拟结果61路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂62