物料衡算与能量衡算培训课件(PPT48张).ppt

1、1化工计算与软件应用化工计算与软件应用第二章第二章 物料衡算与能量衡算物料衡算与能量衡算南京工业大学南京工业大学 包宗宏包宗宏物料衡算是化工生产过程中，用以确定物料比例和物料转物料衡算是化工生产过程中，用以确定物料比例和物料转变定量关系的计算过程，这是化工工艺计算中最基本、最重变定量关系的计算过程，这是化工工艺计算中最基本、最重要的内容之一。要的内容之一。物料衡算的结果也是能量衡算的依据物料衡算的结果也是能量衡算的依据，掌握物料带入或带掌握物料带入或带出体系的能量多少，以计算化工过程需要提供或移除的热量，出体系的能量多少，以计算化工过程需要提供或移除的热量，控制能量的供给速率和放热速率，进控制

2、能量的供给速率和放热速率，进步算出物质之间交换步算出物质之间交换的热量以及整个过程的热量分布情况。的热量以及整个过程的热量分布情况。 因此，物料衡算与能量衡算是进行化工工艺设计、过因此，物料衡算与能量衡算是进行化工工艺设计、过程经济评价、节能分析以及过程最优化的基础。程经济评价、节能分析以及过程最优化的基础。 在用化工模拟软件进行流程的物料衡算与能量衡算时，在用化工模拟软件进行流程的物料衡算与能量衡算时，虽然可以大大提高计算的速率，但仍然需要遵守物料衡算与虽然可以大大提高计算的速率，但仍然需要遵守物料衡算与能量衡算的基本规则，把规则应用于软件的操作之中，软件能量衡算的基本规则，把规则应用于软件

3、的操作之中，软件计算结果才可能合理与可行。计算结果才可能合理与可行。南京工业大学南京工业大学 包宗宏包宗宏2.1 衡算方法衡算方法2.1.1基本概念基本概念物料平衡的理论依据是质量守恒定律，即在一个孤立体系中物料平衡的理论依据是质量守恒定律，即在一个孤立体系中不论物质发生任何变化不论物质发生任何变化(不包括核反应不包括核反应)它的质量始终保持不变。它的质量始终保持不变。在化工过程中，能量衡算是根据能量守恒定律，利用能量传在化工过程中，能量衡算是根据能量守恒定律，利用能量传递和转化的规则，以确定能量比例和能量转变定量关系的过程。递和转化的规则，以确定能量比例和能量转变定量关系的过程。能量衡算的理

4、论依据是热力学第一定律，即体系的能量总变化能量衡算的理论依据是热力学第一定律，即体系的能量总变化(E)等于体系所吸收的热减去环境对体系所做的功。等于体系所吸收的热减去环境对体系所做的功。 简单化工操作单元的能量衡算可以手工进行，复杂化工流程简单化工操作单元的能量衡算可以手工进行，复杂化工流程的能量衡算手工计算非常困难，而任何情况下使用模拟软件进的能量衡算手工计算非常困难，而任何情况下使用模拟软件进行化工过程的能量衡算都是很方便的。行化工过程的能量衡算都是很方便的。 南京工业大学南京工业大学 包宗宏包宗宏2.1.2 衡算方程式衡算方程式 化工工艺计算中的物料平衡是指化工工艺计算中的物料平衡是指“

5、在单位时间内进入衡算系在单位时间内进入衡算系统的全部物料质量，必定等于离开该系统的全部物料质量、加统的全部物料质量，必定等于离开该系统的全部物料质量、加上损失掉与积累起来的物料质量。上损失掉与积累起来的物料质量。” 连续流动系统的总能量衡算式是柏努利方程式，即：连续流动系统的总能量衡算式是柏努利方程式，即： 在进行设备的能量衡算时，位能变化、动能变化、外功等项在进行设备的能量衡算时，位能变化、动能变化、外功等项相对较小，可忽略不计，因此稳流系统总能量衡算可简化为热相对较小，可忽略不计，因此稳流系统总能量衡算可简化为热量衡算量衡算。南京工业大学南京工业大学 包宗宏包宗宏2.1.3 衡算的基本步骤

6、衡算的基本步骤 (1)收集数据资料。一般需要收集的数据和资料包括生产规模收集数据资料。一般需要收集的数据和资料包括生产规模和生产时间和生产时间(即年生产时数即年生产时数)、有关的定额、收率、转化率、原、有关的定额、收率、转化率、原料、辅助材料、产品、中间产品的规格、与过程计算有关的物料、辅助材料、产品、中间产品的规格、与过程计算有关的物理化学常数等。理化学常数等。 (2)选定计算基准。温度的因次可采用选定计算基准。温度的因次可采用“”或或“K”，压力，压力的因次可采用的因次可采用“kPa”、“atm” 或其它，压力基准可选用绝对压或其它，压力基准可选用绝对压力或表压。力或表压。 物流量的计算基

7、准可选质量基准、摩尔基准、体积基准。对物流量的计算基准可选质量基准、摩尔基准、体积基准。对于连续生产，以于连续生产，以“s、h、d”作为投料量或产品量的时间基准作为投料量或产品量的时间基准。 用模拟软件进行衡算时，以单位时间的投料量为起点进行计用模拟软件进行衡算时，以单位时间的投料量为起点进行计算比较方便。当系统介质为固体或液体时，一般以质量为计算算比较方便。当系统介质为固体或液体时，一般以质量为计算基准，对气体物料进行计算时，一般选体积作为计算基准。基准，对气体物料进行计算时，一般选体积作为计算基准。南京工业大学南京工业大学 包宗宏包宗宏2.1.3 衡算的基本步骤衡算的基本步骤 (3)确定化

8、学反应方程式。列出各个过程的主、副化学反应确定化学反应方程式。列出各个过程的主、副化学反应方程式，明确反应和变化前后的物料组成及各个组分之间的定方程式，明确反应和变化前后的物料组成及各个组分之间的定量关系，若计算反应器大小，还需要掌握反应动力学数据。量关系，若计算反应器大小，还需要掌握反应动力学数据。 (4)确定计算任务。根据工艺流程示意图和化学反应方程式，确定计算任务。根据工艺流程示意图和化学反应方程式，分析物流热流经过每一过程、每一设备在数量、组成、及物流分析物流热流经过每一过程、每一设备在数量、组成、及物流热流走向所发生的变化热流走向所发生的变化。 (5)画出工艺流程示意图。着重考虑物流

9、热流的流向，对设画出工艺流程示意图。着重考虑物流热流的流向，对设备的外形、尺寸、比例等并不严格要求，与物料、能量衡算有备的外形、尺寸、比例等并不严格要求，与物料、能量衡算有关内容必须无一遗漏，所有物流热流管线均须画出。关内容必须无一遗漏，所有物流热流管线均须画出。南京工业大学南京工业大学 包宗宏包宗宏2.1.3 衡算的基本步骤衡算的基本步骤 (6) 根据工艺流程图抽象出模拟流程。根据工艺流程图抽象出模拟流程。要要充分理解基本工艺充分理解基本工艺路线，明确本流程的主干与枝干，选择软件中合适的模块、或路线，明确本流程的主干与枝干，选择软件中合适的模块、或模块组合构成软件模拟流程，以反映流程的模拟需

10、求。模块组合构成软件模拟流程，以反映流程的模拟需求。 (7)校核计算结果。当计算全部完成后，对计算结果进行整校核计算结果。当计算全部完成后，对计算结果进行整理，编制物料热量平衡表或绘制物料流程图。通过物料热量平理，编制物料热量平衡表或绘制物料流程图。通过物料热量平衡表可以直接检查计算是否准确，分析结果组成是否合理，并衡表可以直接检查计算是否准确，分析结果组成是否合理，并易于发现存在问题，从而判断其合理性，提出改进方案。易于发现存在问题，从而判断其合理性，提出改进方案。南京工业大学南京工业大学 包宗宏包宗宏2.1.4 用软件进行物料衡算与能量衡算的要点用软件进行物料衡算与能量衡算的要点 (1)

11、选择合适的因次模板。因次模板是选择合适的因次模板。因次模板是ASPEN PLUS软件为软件为不同工艺过程编制的因次集，分为普通模拟过程与石油加工过不同工艺过程编制的因次集，分为普通模拟过程与石油加工过程两大类，每大类又含有若干套，每套都包含英制与公制两种程两大类，每大类又含有若干套，每套都包含英制与公制两种因次集，如表因次集，如表2-1。南京工业大学南京工业大学 包宗宏包宗宏2.1.4 用软件进行物料衡算与能量衡算的要点用软件进行物料衡算与能量衡算的要点 (2) 选择合适的物性计算方法。选择合适的物性计算方法。ASPEN PLUS软件把模拟计软件把模拟计算一个流程所需要的热力学性质与传递性质的

12、计算方法与计算算一个流程所需要的热力学性质与传递性质的计算方法与计算模型都组合在一起，称之为性质方法，每种性质方法以其中主模型都组合在一起，称之为性质方法，每种性质方法以其中主要的热力学模型冠名，软件中共有要的热力学模型冠名，软件中共有80多种性质方法供操作者选多种性质方法供操作者选择使用。针对不同的模拟体系，选择合适的性质方法用于模拟择使用。针对不同的模拟体系，选择合适的性质方法用于模拟过程是获得正确计算结果的前提。过程是获得正确计算结果的前提。 几乎所有的单元操作模型都需要热力学性质与传递性质的计算几乎所有的单元操作模型都需要热力学性质与传递性质的计算, 其中主要有逸度系数、相平衡常数、焓

13、、熵、其中主要有逸度系数、相平衡常数、焓、熵、Gibbs自由能、自由能、密度、粘度、导热系数、扩散系数、表面张力等。密度、粘度、导热系数、扩散系数、表面张力等。 没有任何一个热力学模型与传递模型能适用于所有的物系和所没有任何一个热力学模型与传递模型能适用于所有的物系和所有的过程。因此，性质方法的恰当选择和正确使用决定着计算有的过程。因此，性质方法的恰当选择和正确使用决定着计算结果的准确性、可靠性和模拟成功与否。结果的准确性、可靠性和模拟成功与否。南京工业大学南京工业大学 包宗宏包宗宏Case Study - Acetone Recovery Correct choice of physical

14、 property models and accurate physical property parameters are essential for obtaining accurate simulation results.IdealApproachEquation ofState ApproachActivity CoefficientModel ApproachPredicted number of stagesrequired11742Approximate cost in dollars520,000390,000880,000FEEDOVHDBTMSCOLUMN5000 lbm

15、ol/hr10 mole % acetone90 mole % waterSpecification: 99.5 mole % acetone recovery常见有机化合物极性增加顺序：常见有机化合物极性增加顺序：南京工业大学南京工业大学 包宗宏包宗宏模拟模拟体系体系含极性物质含极性物质不含极性物质不含极性物质全是真实组分全是真实组分含虚拟组分含虚拟组分PR, LK-PLOCK, PR-BM, PKS, RKS-BM及其衍生方程及其衍生方程CHAO-SEA, GRAYSON, BK10P0.1MPa真空真空 BK10, IDEAL南京工业大学南京工业大学 包宗宏包宗宏模拟模拟体系体系含极性物

16、质含极性物质不含极性物质不含极性物质不含电解质不含电解质含电解质含电解质PSRK, PR, RKS及其衍生方程及其衍生方程ELECNRTL, PITZER及其衍生方程及其衍生方程P1MPaP1MPaP0.996VCM0.990南京工业大学南京工业大学 包宗宏包宗宏2.6 分离复杂组成混合物分离复杂组成混合物原油是烃类化合物和杂质组成的宽沸程的混合物，其组成原油是烃类化合物和杂质组成的宽沸程的混合物，其组成复杂难以定量分析，经过多级蒸馏可分离得到各种各样的石油复杂难以定量分析，经过多级蒸馏可分离得到各种各样的石油产品。产品。与普通物料的蒸馏一样，原油蒸馏也是利用原油中各组分与普通物料的蒸馏一样，

17、原油蒸馏也是利用原油中各组分相对挥发度的不同而实现各馏分的分离。但原油是复杂烃类混相对挥发度的不同而实现各馏分的分离。但原油是复杂烃类混合物，各种烃合物，各种烃(以及烃与烃形成的共沸物以及烃与烃形成的共沸物)的沸点由低到高几乎的沸点由低到高几乎是连续分布的，不能按常规方法定义确切的全组成分布，常用是连续分布的，不能按常规方法定义确切的全组成分布，常用表征油品性质的方法有三个特征值和三条蒸馏曲线。表征油品性质的方法有三个特征值和三条蒸馏曲线。三个特征值分别是油品的平均分子量、密度（或三个特征值分别是油品的平均分子量、密度（或API密度密度）和特性因素）和特性因素K值（值（UOP K值）；值）；三

18、条蒸馏曲线分别是实沸点蒸馏曲线（三条蒸馏曲线分别是实沸点蒸馏曲线（TBP）、恩氏蒸馏）、恩氏蒸馏曲线（曲线（ASTM D86）和平衡气化曲线（）和平衡气化曲线（ASTM D1160）。）。南京工业大学南京工业大学 包宗宏包宗宏2.6 分离复杂组成混合物分离复杂组成混合物原油是复杂烃类混合物，各种烃原油是复杂烃类混合物，各种烃(以及共沸物以及共沸物)的沸点由低到高的沸点由低到高几乎是连续分布的，一般是根据产品要求按沸点范围分割成几乎是连续分布的，一般是根据产品要求按沸点范围分割成轻重不同的馏分，因此，原油蒸馏塔特点为：轻重不同的馏分，因此，原油蒸馏塔特点为：有多个侧线出料口，原油蒸馏各馏分的分离

19、精确度不要求像有多个侧线出料口，原油蒸馏各馏分的分离精确度不要求像纯化合物蒸馏那样高，纯化合物蒸馏那样高，有有多个侧多个侧线线口口(一般有一般有34个个)。提浓段很短。原油蒸馏塔底物料很重，不宜在塔底供热。但提浓段很短。原油蒸馏塔底物料很重，不宜在塔底供热。但通常在塔底通入过热水蒸气，使较轻馏分蒸发，一般提浓段通常在塔底通入过热水蒸气，使较轻馏分蒸发，一般提浓段只有只有34块塔板。块塔板。中段回流。原油各馏分的平均沸点相差很大，造成原油蒸馏中段回流。原油各馏分的平均沸点相差很大，造成原油蒸馏塔内蒸气负荷和液体负荷由下向上递增。为使负荷均匀并回塔内蒸气负荷和液体负荷由下向上递增。为使负荷均匀并回

20、收高温下的热量，采用中段回流取热收高温下的热量，采用中段回流取热(即在塔中部抽出液体即在塔中部抽出液体,经换热冷却回收热量后再送回塔内经换热冷却回收热量后再送回塔内)。通常采用。通常采用23个中段个中段回流。回流。南京工业大学南京工业大学 包宗宏包宗宏2.6 分离复杂组成混合物分离复杂组成混合物例例2-22. 原油初馏塔模拟计算。原油初馏塔模拟计算。求输出物料的标准体积流率、求输出物料的标准体积流率、API密度、密度、60 F时的密度、以液体时的密度、以液体体积为基准的实沸点曲线、体积为基准的实沸点曲线、ASTM D86蒸馏曲线、蒸馏曲线、ASTM D1160蒸馏曲线。蒸馏曲线。1.5105

21、bbl/d，93, 4.1 bar, API 33.4204 、4.1 bar,2270 kg/h。232.2 ，3.45 barN=81、最孤独的时光，会塑造最坚强的自己。2、把脸一直向着阳光，这样就不会见到阴影。3、永远不要埋怨你已经发生的事情，要么就改变它，要么就安静的接受它。4、不论你在什么时候开始，重要的是开始之后就不要停止。5、通往光明的道路是平坦的，为了成功，为了奋斗的渴望，我们不得不努力。6、付出了不一定有回报，但不付出永远没有回报。7、成功就是你被击落到失望的深渊之后反弹得有多高。8、为了照亮夜空，星星才站在天空的高处。9、我们的人生必须励志，不励志就仿佛没有灵魂。10、拼尽

22、全力，逼自己优秀一把，青春已所剩不多。11、一个人如果不能从内心去原谅别人，那他就永远不会心安理得。12、每个人心里都有一段伤痕，时间才是最好的疗剂。13、如果我不坚强，那就等着别人来嘲笑。14、早晨给自己一个微笑，种下一天旳阳光。15、没有爱不会死，不过有了爱会活过来。16、失败的定义：什么都要做，什么都在做，却从未做完过，也未做好过。17、当我微笑着说我很好的时候，你应该对我说，安好就好。18、人不仅要做好事，更要以准确的方式做好事。19、我们并不需要用太华丽的语言来包裹自己，因为我们要做最真实的自己。20、一个人除非自己有信心，否则无法带给别人信心。21、为别人鼓掌的人也是在给自己的生命

23、加油。22、失去金钱的人损失甚少，失去健康的人损失极多，失去勇气的人损失一切。23、相信就是强大，怀疑只会抑制能力，而信仰就是力量。24、那些尝试去做某事却失败的人，比那些什么也不尝试做却成功的人不知要好上多少。25、自己打败自己是最可悲的失败，自己战胜自己是最可贵的胜利。26、没有热忱，世间便无进步。27、失败并不意味你浪费了时间和生命，失败表明你有理由重新开始。28、青春如此华美，却在烟火在散场。29、生命的道路上永远没有捷径可言，只有脚踏实地走下去。30、只要还有明天，今天就永远是起跑线。31、认真可以把事情做对，而用心却可以做到完美。32、如果上帝没有帮助你那他一定相信你可以。33、只

24、要有信心，人永远不会挫败。34、珍惜今天的美好就是为了让明天的回忆更美好。35、只要你在路上，就不要放弃前进的勇气，走走停停的生活会一直继续。36、大起大落谁都有拍拍灰尘继续走。37、孤独并不可怕，每个人都是孤独的，可怕的是害怕孤独。38、宁可失败在你喜欢的事情上，也不要成功在你所憎恶的事情上。39、我很平凡，但骨子里的我却很勇敢。40、眼中闪烁的泪光，也将化作永不妥协的坚强。41、我不去想是否能够成功，既然选了远方，便只顾风雨兼程。42、宁可自己去原谅别人，莫等别人来原谅自己。43、踩着垃圾到达的高度和踩着金子到达的高度是一样的。44、每天告诉自己一次：我真的很不错。45、人生最大的挑战没过

25、于战胜自己！46、愚痴的人，一直想要别人了解他。有智慧的人，却努力的了解自己。47、现实的压力压的我们喘不过气也压的我们走向成功。48、心若有阳光，你便会看见这个世界有那么多美好值得期待和向往。49、相信自己，你能作茧自缚，就能破茧成蝶。50、不能强迫别人来爱自己，只能努力让自己成为值得爱的人。51、不要拿过去的记忆，来折磨现在的自己。52、汗水是成功的润滑剂。53、人必须有自信，这是成功的秘密。54、成功的秘密在于始终如一地忠于目标。55、只有一条路不能选择那就是放弃。56、最后的措手不及是因为当初游刃有余的自己57、现实很近又很冷，梦想很远却很温暖。58、没有人能替你承受痛苦，也没有人能抢

26、走你的坚强。59、不要拿我跟任何人比，我不是谁的影子，更不是谁的替代品，我不知道年少轻狂，我只懂得胜者为。60、如果你看到面前的阴影，别怕，那是因为你的背后有阳光。61、宁可笑着流泪，绝不哭着后悔。62、觉得自己做得到和做不到，只在一念之间。63、跌倒，撞墙，一败涂地，都不用害怕，年轻叫你勇敢。64、做最好的今天，回顾最好的昨天，迎接最美好的明天。65、每件事情都必须有一个期限，否则，大多数人都会有多少时间就花掉多少时间。66、当你被压力压得透不过气来的时候，记住，碳正是因为压力而变成闪耀的钻石。67、现实会告诉你，不努力就会被生活给踩死。无需找什么借口，一无所有，就是拼的理由。68、人生道路

27、，绝大多数人，绝大多数时候，人都只能靠自己。69、不是某人使你烦恼，而是你拿某人的言行来烦恼自己。70、当一个人真正觉悟的一刻，他放弃追寻外在世界的财富，而开始追寻他內心世界的真正财富。71、失败并不意味你浪费了时间和生命，失败表明你有理由重新开始。72、人生应该树立目标，否则你的精力会白白浪费。73、山涧的泉水经过一路曲折，才唱出一支美妙的歌。74、时间告诉我，无理取闹的年龄过了，该懂事了。75、命运是不存在的，它不过是失败者拿来逃避现实的借口。76、人总是在失去了才知道珍惜！77、要铭记在心：每天都是一年中最美好的日子。78、生活远没有咖啡那么苦涩，关键是喝它的人怎么品味！每个人都喜欢和向

28、往随心所欲的生活，殊不知随心所欲根本不是生活。79、别拿自己的无知说成是别人的愚昧！80、天空的高度是鸟儿飞出来的，水无论有多深是鱼儿游出来的。81、思想如钻子，必须集中在一点钻下去才有力量。82、如果我坚持什么，就是用大炮也不能打倒我。83、我们要以今天为坐标，畅想未来几年后的自己。84、日出时，努力使每一天都开心而有意义，不为别人，为自己。85、有梦就去追，没死就别停。86、今天不为学习买单，未来就为贫穷买单。87、因为一无所有这才是拼下去的理由。88、只要我还有梦，就会看到彩虹!89、你既认准这条路，又何必在意要走多久。90、尽管社会是这样的现实和残酷，但我们还是必须往下走。91、能把在面前行走的机会抓住的人，十有八九都会成功。92、你能够先知先觉地领导产业，后知后觉地苦苦追赶，或不知不觉地被淘汰。93、强烈的信仰会赢取坚强的人，然后又使他们更坚强。94、人生，不可能一帆风顺，有得就有失，有爱就有恨，有快乐就会有苦恼，有生就有死，生活就是这样。95、好习惯的养成，在于不受坏习惯的诱惑。96、凡过于把幸运之事归功于自我的聪明和智谋的人多半是结局很不幸的。97、如果我们一直告诫自己要开心过每一天，就是说我们并不开心。98、天气影响身体，身体决定思想，思想左右心情。99、不论你在什么时候结束，重要的是结束之后就不要悔恨。100、只要还有明天，今天就永远是起跑线。