物料衡算和能量衡算培训课程

,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,*,第三章,物料衡算与能量衡算,1,一般表示式为,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,第一节 连续过程的物料衡算,2,物料平衡形式,总平衡式,*总质量平衡式,总摩尔平衡式,组分平衡式,组分质量平衡式,组分摩尔平衡式,元素原子平衡式,*元素原子质量平衡式,*元素原子摩尔平衡式,第三章 物料衡算与能量衡算,3,物料衡算的基本步骤,画出流程示意图, 列出已知数据, 列出由物料平衡所需求解的问题, 决定系统的边界, 写出主、副产品的化学反应方程式,约束条件,选择计算基准, 进行物料平衡计算, 列出物料和能量平衡表，并进行校核, 结论,第三章 物料衡算与能量衡算,4,关于基准,时间基准,连续（小时，天,）,间歇（釜，批,）, 质量基准,kg,，,mol,，,kmol ,体积基准,m,3,（,STP,）, 干湿基准,干基（不含水），湿基（含水）,例：,100kg,湿物料，其中含水,10kg,，,按 湿基：含水率为,10%,；,若按 干基：含水率为,10/(100-10)100%=11.11%,第三章 物料衡算与能量衡算,5,例：,C,3,H,8,+ 5O,2,= 3CO,2,+ 4H,2,O,每,100kmol,燃烧产物需要多少摩尔空气？,1.,基准：,1kmol,原料气,C,3,H,8,燃烧用氧,5kmol,；,实际供氧,51.25 = 6.25kmol,；,供给空气量,29.76kmol,；,其中氮气量,23.51kmol,；,产生：,CO,2,3kmol,；,H,2,O 4kmol,；,O,2,1.25kmol,；,N,2,23.51kmol,；,合计,31.76kmol,；,x,=,= 93.7kmol,第三章 物料衡算与能量衡算,6,2.,基准：,1kmol,空气,实际耗氧,0.21/1.25 = 0.168 kmol,；,燃烧,C,3,H,3,0.168/5 = 0.0336 kmol,；,供给空气量,1kmol,；,其中氮气量,0.79kmol,；,产生：,CO,2,0.101kmol,；,H,2,O 0.135kmol,；,O,2,0.042kmol,；,N,2,0.79kmol,；,合计,1.068kmol,；,x,=,= 93.7kmol,第三章 物料衡算与能量衡算,例：,C,3,H,8,+ 5O,2,= 3CO,2,+ 4H,2,O,每,100kmol,燃烧产物需要多少摩尔空气？,7,（,3,）基准：,100kmol,烟道气,以元素平衡法：,C,3,H,8,+ 5O,2,= 3CO,2,+ 4H,2,O,预设：,空气量,A,；,C,3,H,8, B,；,N,2, N,；,过量,O,2, M,；,CO,2, P,；,H,2,O Q,。,第三章 物料衡算与能量衡算,例：,C,3,H,8,+ 5O,2,= 3CO,2,+ 4H,2,O,每,100kmol,燃烧产物需要多少摩尔空气？,8,（,3,）基准：,100kmol,烟道气,以元素平衡法：,C,3,H,8,+ O,2,CO,2,+ H,2,O,C,平衡,3B = P,；,H,2,平衡,4B = Q,；,O,2,平衡,0.21A = M + Q/2 + P,；,N,2,平衡,0.79A = N,；,烟道气总量,N + M + P + Q = 100,；,过剩氧气,0.21A,（,0.25/1.25,）,= M,解出：空气量,A = 93.7kmol,；,C,3,H,8,B = 3.148kmol,；,N,2,N = 74.02kmol,；,O,2,M = 3.935 kmol,；,CO,2,P = 9.445 kmol,；,H,2,O Q = 12.59 kmol,。,第三章 物料衡算与能量衡算,例：,C,3,H,8,+ 5O,2,= 3CO,2,+ 4H,2,O,每,100kmol,燃烧产物需要多少摩尔空气？,空气量,A,；,C,3,H,8, B,；,N,2, N,；,过量,O,2, M,；,CO,2, P,；,H,2,O Q,。,9,物料平衡计算的条件,.,方程式, 物料平衡方程式, 物流约束式,构成物流各组分的分率之和等于,1,第三章 物料衡算与能量衡算,10,2.,变量,有,N,s,股物流，,N,c,个组分数，,N,p,个设备参数,总变量数：,N,v,= N,s,（,N,c,+1,）,+ N,p,设计变量？,操作变量？,第三章 物料衡算与能量衡算,11,转化率,转化率,=,选择性,选择性,=,x,A,=,=,第三章 物料衡算与能量衡算,有化学反应的物料衡算,12,产率,产率,=,转化率,选择性,=,=,x,A,=,第三章 物料衡算与能量衡算,13,无化学反应的物料衡算,料浆 滤饼,90%,固体,F,1,=2000kg/h,过滤机,F,3,=,？,kg/h 10%,液体,75%,液体,25%,固体,滤液,F,2,=,？,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,总平衡式 输入的料浆,=,输出的滤液,+,输出的滤饼,F,1,= F,2,+F,3,液体平衡式,F,1,x,11,= F,2,x,21,+F,3,x,31,第三章 物料衡算与能量衡算,15,精馏过程,馏出液,F,3,乙醇,水,24%,F,1,料液 苯,75%,乙醇,40%,水,60%,F,2,苯,乙醇产品,F,4,=1000kg/h,三个未知数需三个方程,总物料平衡式,F,1,+ F,2,= F,3,+ F,4,组分物料平衡式,苯平衡,F,2,=0.75 F,3,水平衡,0.6F,1,= 0.24F,3,醇平衡 （,1,0.6,）,F,1,第三章 物料衡算与能量衡算,16,2.3,精馏计算,主要内容及要求：,学习并掌握多组分平衡级理论模型的建立及求,解，熟练掌握精馏的简捷计算方法，掌握精馏塔,内的流率、浓度和温度分布特点。,重点：,三对角线矩阵方程的托马斯法、泡点法（,BP,法）,精馏的简捷计算方法,2.3,精馏计算,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：,（,1,）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，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,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，以及冷凝器和再沸器的热负荷。,两种计算所用数学模型相同。,2.3.1,精馏的稳态数学模型,MESH,方程,组分物料衡算方程,(M),：,相平衡关联方程,(E),：,归一化方程,(S),：,热量衡算方程,(H),：,u,、,l,、,w,、,v,、,f,分别代表,i,组分的摩尔流率，,H,、,h,分别为汽、液相摩尔焓。,j=1,时，为冷凝器， ；,j=N,时，为再沸器,2.3.2,稳态模型算法概述,（,1,）除,MESH,方程还需要的方程,平衡常数关联方程：,焓计算方程：,侧线组分摩尔流率：,（,2,）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),Nc,Nc,3N,N,Nc,N,N,(N-1)c,(N-1)c,l,ij,v,ij,u,ij,w,ij,K,ij,f,ij,F,j,h,Fj,Q,j,Nc,Nc,(N-1)c,(N-1)c,Nc,Nc,N,N,N,L,j,V,j,U,j,W,j,p,j,T,j,h,j,H,j,塔板数,N,N,N,N-1,N-1,N,N,N,N,1,总 计,方程总数,(5c+6)N-2c,变量总数,(6c+11)N-2c-1,模型自由度： 自由度,=,变量个数,-,方程个数,=(c+5)N-1,所以，计算时必须先指定,(c+5)N-1,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。,2.3.2,稳态模型算法概述,对操作型问题可以指定以下变量,：,(c+5)N-1,1,、进料信息：,f,ij,、,h,Fj,N,（,c+1,）个,2,、各级压力：,P,j,N,个,3,、各级侧线采出：,U,j,、,W,j,2,（,N,1,）个,4,、各级换热：,Q,j,N-2,个,5,、回流比,R,、,V,1,（即,D,V,）和级数,N,：,3,个,未知量：,1,、液相流率：,l,i,j,、,L,j,N(c+1),个,2,、气相流率：,v,i,j,、,V,j,N(c+1),个,3,、各级温度：,T,j,N,个,4,、,Q,1,、,Q,N,以及,K,ij,、,h,j,、和,H,j,N(c+2)+2,有唯一解,2.3.2,稳态模型算法概述,2.3.2,稳态模型算法概述,（,3,）迭代算法的选择, 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代变量算得。, 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干组，分别对每个组进行迭代计算。, 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。,2.3.3,三对角线矩阵算法,一、王,-,亨克解法,泡点,(BP),法,将,MESH,方程分成三块,，,M+E,方程，,S,方程，,H,方程；,M+E,方程，,S,方程，内层迭代求解，与,l,ij,，,T,j,匹配；,H,方程在外层迭代求解，与,L,j,(V,j,),匹配。,收敛判据：,内层：,10,-4,外层：,j,-L,j,2,(0.001),j,l,ij,0,2.3.3,三对角线矩阵算法,王亨克法的计算框图,W-H,的求解方法,:1) ME,方程,将,MESH,方程中的,E,方程代入,M,方程，消去,v,ij,整理得：,令,简化得：,当,j=1,时，,l,i,0,=0,，则 ；,当,j=N,时，,l,i,N+1,=0,，则,于是，,N,块板构成的方程组成三对角线方程组：,2.3.3,三对角线矩阵算法,由,M,和,E,方程得到的三对角线方程组：,利用高斯消去法解,c,个上述,ME,方程；可得所有板上的,l,ij,2.3.3,三对角线矩阵算法,2),利用高斯消去法解,c,个,ME,方程；,当全部解出后，可得所有板上、所有组分的,l,ij,，,然后用硬性归一的方法得到,x,ij,。即 ：,x,ij,=,/,l,ij,3),利用泡点方程,(S,方程,),计算各板的温度,4),并用各板的,max,10,-4,作为内层迭代收敛判据。,l,ij,i,l,ij,j,l,ij,j,2.3.3,三对角线矩阵算法,5,）利用方程和总物料衡算方程计算各板的,L,j,和,V,j,H,方程,板的总物料衡算方程 ：,若各板的,j,-L,j,2,(0.001),，整个模拟计算完成；否则以新的,L,j,(V,j,),，重新回到内层迭代计算，直至外层收敛。,0,W-H,三对角线算法的特点,1),内层迭代变量为,T,j,，外层迭代变量是,L,j,。,2),液相组成是用硬性归一办法得到。,3),用直接迭代法将新值代替旧值。,4),用泡点计算得到各板的温度，故称之为泡点,(BP),法。,5),适用于待分离混合物中各组分的沸点相差不大的物,系，即精馏计算。,2.3.3,三对角线矩阵算法,二、流率加和求解法（,SR,法）,BP,法与,SR,法的算法特点及适用场合,BP,法：,内层泡点方程求温度，外层热量衡算求汽液流率，,适用于窄沸程的精馏；,SR,法：,内层流率加和求汽液流率，外层热量衡算求温度，,适用于宽沸程的吸收。,三对角线矩阵算法的优缺点：,优点：非理想性不强的物系，具有相当快的收敛速度；,缺点：非理想性强的物系，计算振荡或发散。,2.3.4,全变量迭代法,关键点：,（,1,）构建,M,方程剩余函数,M,ij,；,（,2,）构建,H,方程剩余函数,E,j,；,（,3,）构建汽相摩尔流率剩余函数,Q,ij,；,（,4,）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的雅可比矩阵 ；,（,6,）用牛顿,-,拉夫森方法迭代求解全塔变量。,第二节 车 间（装 置） 的 物 料 衡 算,教学内容：,结合具体实例，理解一个完整的化工过程的物料衡算方法和步骤。,重点和难点：,重点,掌握一个完整的化工过程的物料衡算的基准和思路。,难点,是对一个完整的化工过程的物料衡算时应选择什么物流作衡算基准，如何列出平衡表达式。,34,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生，部分产品的循环（如回流），物料衡算比较复杂。,1.,单元模块,计算步骤,:,过程整体分析,;,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量,;,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,35,1.,循环过程,(,两种解法）,（,1,）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,）代数法,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,第三节 化学反应过程的能量衡算,教学内容：,结合具体实例，理解以反应热效应为基础和以生成热为基础两种反应过程能量衡算方法,的计算原理和计算方法。,重点和难点：,重点,掌握两种衡算方法的衡算基准和计算方法。,难点,是热量衡算的基准，包括温度、压力和相态，以及有相变时其热量的正负符号的取,向。,第三章 物料衡算与能量衡算,37,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,第三章 物料衡算与能量衡算,q w,T,2,U p,2,u,2,T,1,U,2,p,1,u,1,Z Z,2,U,1,Z,1,39,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 + w,40,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,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,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,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,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,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：,Q,1,+ Q,r,+ Q,t,= Q,2,+ Q,损,物料的热量用热容的计算式为：,用热焓计算式为：,46,第四节 计算机在物料衡算与能量衡算中的应用,教学内容：,上机通过一个实例，了解流程模拟软件的种类和功能，以及用,ChemCAD,进行物料衡算,和热量衡算的步骤和方法。,重点和难点：,重点,掌握用,ChemCAD,进行物料衡算的步骤和方法。,难点,是设备、热力学方法的定义，模拟反应器的选择和参数的输入，以及换热过程和分离过程的模型选择和参数的输入。,47,一、流程模拟软件,(,一,)aspenONE,工程与创新解决方案,(,二,)PRO/,(,三,)VMGSim,；,VMGThermo,(,四,)Chem CAD,(,五,)ECSS,工程化学模拟系统,-,化工之星,48,二、用,Chem CAD,进行物料衡算与能量衡算,(,一,) Chem CAD,简介,1,、,ChemCAD,的程序界面,49,2,、,ChemCAD,的的运行环境和文件管理,50,1,、初定工艺方案，进行必要的设置,(,二,),用,Chem CAD,进行物料衡算与能量衡算,51,52,2,、绘制过程流程图,53,54,3,、定义系统物料组成和热力学方法,55,56,57,4,、定义流股和设备,58,59,60,5,、运行模拟和模拟结果,61,62,ChemCAD,计算输出结果,63,