化工计算与软件应用(包宗宏)0前言
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化工计算与软件应用(包宗宏)2
OVHD
FEED
COLUMN
5000 lbmol/hr
10 mole % acetone
90 mole % water
BTMS
南
京 工
Specification: 99.5 mole % acetone recovery
业
大 学
Ideal
Equation of
Activity Coefficient
“App”文件夹：对对 子各于 组电分种解，化质各过级工程电过，离数过程据程完包的文反整件应模中方包程拟含式的了、体化文系学件中 反的 应；全 平部 衡分 常子 数组 与分 各与 离离 子
对的二元交互作用参数。以软件自带的“.bkp” 数据包文件作为模
拟计算的起点，可以免除物性方法选择、反应方程式输入等步骤，
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2.1.4 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。ASPEN PLUS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 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 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。
(2)选定计算基准。温度的因次可采用“℃”或“K”，压力 的因次可采用“kPa”、“atm” 或其它，压力基准可选用绝对压 力或表压。
物流量的计算基准可选质量基准、摩尔基准、体积基准。对
南 京
于连续生产，以“s、h、d”作为投料量或产品量的时间基准。
工 业
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
包
Approach State Approach Model Approach
化工计算与软件应用设备工艺计算.pptx
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南京工业大学 包宗宏
4.1 塔设备 ASPEN PLUS 软件中的填料设计（Pack sizing）功能，计 算选用某种填料时的塔径，共有40种填料供选用，包括 5 种典型的散堆填料和 5 种典型的规整填料。
5 种典型的散堆填料是： ①拉西环（RASCHIG）； ②鲍尔环（PALL）； ③阶梯环（CMR）； ④矩鞍环（INTX）； ⑤超级环（SUPER RING）。
⑶填料塔设计。使用SULZER公司的MELLAPAK-250X型 波纹板规整填料，设等板高度0.3 m，求两段塔径、压降和塔 板上的水力学数据；
⑷筛板塔设计。进行筛板塔设计计算，设筛孔直径8 mm，
板间距600 mm，堰高50 mm，降液管底隙50 mm，求两段塔径
、压降和塔板上的水力学数据。
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4.2 换热器
南京工业大学 包宗宏
10
4.2 换热器
ASPEN ONE工程套件中的“Exchanger Design and Rating” 软 件中还有7种换热器模型： ①Aspen Air Cooled Exchanger (formerly Aspen ACOL+)； ②Aspen Fired Heater (formerly Aspen FiredHeater)； ③Aspen Plate Fin Exchanger； ④Aspen Shell and Tube Exchanger (formerly Aspen TASC+)； ⑤Aspen Shell and Tube Mechanical (formerly Aspen Teams)； ⑥Aspen Plate Exchanger (formerly Aspen Plate+)； ⑦Aspen HTFS Research Network。
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4.1 塔设备 ASPEN PLUS 软件中的填料设计（Pack sizing）功能，计 算选用某种填料时的塔径，共有40种填料供选用，包括 5 种典型的散堆填料和 5 种典型的规整填料。
5 种典型的散堆填料是： ①拉西环（RASCHIG）； ②鲍尔环（PALL）； ③阶梯环（CMR）； ④矩鞍环（INTX）； ⑤超级环（SUPER RING）。
⑶填料塔设计。使用SULZER公司的MELLAPAK-250X型 波纹板规整填料，设等板高度0.3 m，求两段塔径、压降和塔 板上的水力学数据；
⑷筛板塔设计。进行筛板塔设计计算，设筛孔直径8 mm，
板间距600 mm，堰高50 mm，降液管底隙50 mm，求两段塔径
、压降和塔板上的水力学数据。
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4.2 换热器
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4.2 换热器
ASPEN ONE工程套件中的“Exchanger Design and Rating” 软 件中还有7种换热器模型： ①Aspen Air Cooled Exchanger (formerly Aspen ACOL+)； ②Aspen Fired Heater (formerly Aspen FiredHeater)； ③Aspen Plate Fin Exchanger； ④Aspen Shell and Tube Exchanger (formerly Aspen TASC+)； ⑤Aspen Shell and Tube Mechanical (formerly Aspen Teams)； ⑥Aspen Plate Exchanger (formerly Aspen Plate+)； ⑦Aspen HTFS Research Network。
Aspen plus 化工物性数据和相平衡数据的查询与估算
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南 京 工 业 大 学 包 宗 宏
1.2 纯物质的物性估算 1.2.2 与温度相关的热力学性质 理想气体热容：PCES用用多项式(式1-3)、Benson 方法和 Joback 方法估算，温度范围280-1100K，误差< 2%; 临界温度以下纯组分液体热容和液体焓：PCES用DIPPR、 PPDS、IK-CAPE、NIST等关联式计算； 液体摩尔体积: PCES用带有RKTZRA参数的Rackett模型方程 (式1-5)估算; 液体蒸汽压: 数据库组分用扩展Antoine方程(式1-6)进行估算， 非数据库组分采用Riedel、Li-Ma、Mani三种方法估计； 汽化潜热: 数据库组分用Clausius-Clapeyron 方程和Watson方 程(式1-7)估算，非数据库组分用Vetere、Gani、Ducros、 Li-Ma等化合物官能团贡献方法进行估算，Vetere方法的平 均误差为1.6%，Li-Ma方法平均误差为1.05%。
南 京 工 业 大 学 包 宗 宏
3
1.1 化工物性数据的查询 1.1.1从文献中查找 1.1.1.1 中文工具书 ⑴ 化工辞典，王箴主编，化学 工业出版社出版. 最新版本是2000年出的第4版， 共收词16000余条。
南 京 工 业 大 学 包 宗 宏
4
1.1.1从文献中查找 1.1.1.1 中文工具书 ⑵ 石油化工基础数据手册,卢焕章 主编，化学工业出版社1982. 共两篇，第一篇介绍各种化工介质 物理、化学性质和数据的计算方 法；第二篇将387个化合物的各 种数据列成表格．以供查阅。 这些数据包括临界参数，及其在一 定温度、压力范围内的饱和蒸汽 压、汽化热、热容、密度、粘度、 导热系数、表面张力、压缩因子、 偏心因子等16个物理参数。 1993年,化学工业出版社出版了由 马沛生主编的石油化工基础数据 手册续编，包含552个新化合物 的21项物性。
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1.2 纯物质的物性估算 1.2.2 与温度相关的热力学性质 理想气体热容：PCES用用多项式(式1-3)、Benson 方法和 Joback 方法估算，温度范围280-1100K，误差< 2%; 临界温度以下纯组分液体热容和液体焓：PCES用DIPPR、 PPDS、IK-CAPE、NIST等关联式计算； 液体摩尔体积: PCES用带有RKTZRA参数的Rackett模型方程 (式1-5)估算; 液体蒸汽压: 数据库组分用扩展Antoine方程(式1-6)进行估算， 非数据库组分采用Riedel、Li-Ma、Mani三种方法估计； 汽化潜热: 数据库组分用Clausius-Clapeyron 方程和Watson方 程(式1-7)估算，非数据库组分用Vetere、Gani、Ducros、 Li-Ma等化合物官能团贡献方法进行估算，Vetere方法的平 均误差为1.6%，Li-Ma方法平均误差为1.05%。
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1.1 化工物性数据的查询 1.1.1从文献中查找 1.1.1.1 中文工具书 ⑴ 化工辞典，王箴主编，化学 工业出版社出版. 最新版本是2000年出的第4版， 共收词16000余条。
南 京 工 业 大 学 包 宗 宏
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1.1.1从文献中查找 1.1.1.1 中文工具书 ⑵ 石油化工基础数据手册,卢焕章 主编，化学工业出版社1982. 共两篇，第一篇介绍各种化工介质 物理、化学性质和数据的计算方 法；第二篇将387个化合物的各 种数据列成表格．以供查阅。 这些数据包括临界参数，及其在一 定温度、压力范围内的饱和蒸汽 压、汽化热、热容、密度、粘度、 导热系数、表面张力、压缩因子、 偏心因子等16个物理参数。 1993年,化学工业出版社出版了由 马沛生主编的石油化工基础数据 手册续编，包含552个新化合物 的21项物性。
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5000 lbmol/hr 10 mole % acetone 90 mole % water 南 京 工 业 大 学
BTMS
Specification: 99.5 mole % acetone recovery
包 宗 宏 Predicted number of stages required
“Elecins”文件夹：综合过程数据包与电解质过程数据包，包含 93个电解质过程的“.bkp” 数据包文件；
“Datapkg” 文件夹：包含了15个综合化工过程的“.bkp” 数据包 文件。 18/40
2.1.4 用软件进行物料衡算与能量衡算的要点 (7)学会判断计算结果的正确性。当一个模拟过程运算正常收 敛后，软件状态栏上提示 “Results Available”，表示计算有了 结果，这并不表示结果正确。 结果是否正确，不能指望模拟软件提供结论, 而应依靠自己的 判断。判断的基础是运算操作者对模拟过程的细致了解、化工 专业知识的深刻领会、模拟过程工业背景的熟悉程度、工业装 置的现场操作数据等综合评价。
连续流动系统的总能量衡算式是柏努利方程式，即：
南 京 工 业 大 学
在进行设备的能量衡算时，位能变化、动能变化、外功等项 包 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 宗 宏 量衡算。
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2.1.3 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 和生产时间(即年生产时数)、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 理化学常数等。 (2)选定计算基准。温度的因次可采用“℃”或“K”，压力 的因次可采用“kPa”、“atm” 或其它，压力基准可选用绝对压 力或表压。 物流量的计算基准可选质量基准、摩尔基准、体积基准。对 南 京 于连续生产，以“s、h、d”作为投料量或产品量的时间基准。 工 业 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 大 学 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 包 基准，对气体物料进行计算时，一般选体积作为计算基准。
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5000 lbmol/hr 10 mole % acetone 90 mole % water 南 京 工 业 大 学
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Specification: 99.5 mole % acetone recovery
包 宗 宏 Predicted number of stages required
“Elecins”文件夹：综合过程数据包与电解质过程数据包，包含 93个电解质过程的“.bkp” 数据包文件；
“Datapkg” 文件夹：包含了15个综合化工过程的“.bkp” 数据包 文件。 18/40
2.1.4 用软件进行物料衡算与能量衡算的要点 (7)学会判断计算结果的正确性。当一个模拟过程运算正常收 敛后，软件状态栏上提示 “Results Available”，表示计算有了 结果，这并不表示结果正确。 结果是否正确，不能指望模拟软件提供结论, 而应依靠自己的 判断。判断的基础是运算操作者对模拟过程的细致了解、化工 专业知识的深刻领会、模拟过程工业背景的熟悉程度、工业装 置的现场操作数据等综合评价。
连续流动系统的总能量衡算式是柏努利方程式，即：
南 京 工 业 大 学
在进行设备的能量衡算时，位能变化、动能变化、外功等项 包 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 宗 宏 量衡算。
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2.1.3 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 和生产时间(即年生产时数)、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 理化学常数等。 (2)选定计算基准。温度的因次可采用“℃”或“K”，压力 的因次可采用“kPa”、“atm” 或其它，压力基准可选用绝对压 力或表压。 物流量的计算基准可选质量基准、摩尔基准、体积基准。对 南 京 于连续生产，以“s、h、d”作为投料量或产品量的时间基准。 工 业 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 大 学 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 包 基准，对气体物料进行计算时，一般选体积作为计算基准。
Aspen 设备工艺计算
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南 京 工 业 大 学 包 宗 宏
4.3.1 釜式反应器 例4-4．用釜式反应器合成乙酸乙酯。 正反应方程式: CH3CH2OH + CH3COOH → CH3CH2COOCH3 + H2O 5.95 107 8 r1 k1 Cethanol Cacid 1.9 10 exp( )Cethanol Cacid RT 逆反应方程式 : CH3CH2COOCH3 + H2O → CH3CH2OH + CH3COOH
化工计算与软件应用
第四章 设备工艺计算
1
化工流程设计、物料衡算、热量衡算完成之后，化工工艺 设计的另一重要工作是进行设备的工艺计算、选型与核算， 为车间布置设计、施工图设计及非工艺设计项目提供依据。 设备的工艺计算、选型与核算知识与方法在多门化工专业 基础课程中都有介绍，这些基础知识将有助于人们更好地使 用ASPEN PLUS 软件进行化工设备的工艺计算。
4.3.1 釜式反应器 解：
南 京 工 业 大 学 包 宗 宏
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4.3.2 管式反应器 管式反应器的特点是传热面积大，传热系数较高，反应可以 连续化，流体流动快，物料停留时间短，可以控制一定的温度 梯度和浓度梯度。根据不同的化学反应，可以有直径和长度千 差万别的型式。此外，由于管式反应器直径较小(相对于反应 釜)因而能耐高温、高压。由于管式反应器结构简单，产品稳 定，它的应用范围越来越广。 管式反应器可以用于连续生产，也可以用于间歇操作，反应 南 京 物不返混，管长和管径是反应器的主要指标，反应时间是管长 工 业 的函数，管径决定于物料的流量，反应物浓度在管长轴线上， 大 浓度梯度分布，不随时间变化。 学
4.3 反应器 对于存在化学反应的化工过程，反应器是整个化工工艺流程 的核心，是化工装置的关键设备，反应物在反应器内通过化学 反应转化为目标产物。由于化学反应种类繁多、机理各异，反 应器的类型和结构也差异很大。反应器操作性能的优良与否， 与设计过程息息相关。 反应工程课程对反应器的基础理论、设计方程等均进行了详 细地介绍。这些基础理论不仅是手工设计反应器的依据，也是 南 京 编制各种模拟软件的依据。由于涉及反应器的各种设计方程异 工 业 常繁复，手工计算往往令人望而却步，或是采用简化方法进行。 大 学 现在各种模拟软件的普及，为反应器的严格设计计算提供了条 包 件。
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4.3.1 釜式反应器 例4-4．用釜式反应器合成乙酸乙酯。 正反应方程式: CH3CH2OH + CH3COOH → CH3CH2COOCH3 + H2O 5.95 107 8 r1 k1 Cethanol Cacid 1.9 10 exp( )Cethanol Cacid RT 逆反应方程式 : CH3CH2COOCH3 + H2O → CH3CH2OH + CH3COOH
化工计算与软件应用
第四章 设备工艺计算
1
化工流程设计、物料衡算、热量衡算完成之后，化工工艺 设计的另一重要工作是进行设备的工艺计算、选型与核算， 为车间布置设计、施工图设计及非工艺设计项目提供依据。 设备的工艺计算、选型与核算知识与方法在多门化工专业 基础课程中都有介绍，这些基础知识将有助于人们更好地使 用ASPEN PLUS 软件进行化工设备的工艺计算。
4.3.1 釜式反应器 解：
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4.3.2 管式反应器 管式反应器的特点是传热面积大，传热系数较高，反应可以 连续化，流体流动快，物料停留时间短，可以控制一定的温度 梯度和浓度梯度。根据不同的化学反应，可以有直径和长度千 差万别的型式。此外，由于管式反应器直径较小(相对于反应 釜)因而能耐高温、高压。由于管式反应器结构简单，产品稳 定，它的应用范围越来越广。 管式反应器可以用于连续生产，也可以用于间歇操作，反应 南 京 物不返混，管长和管径是反应器的主要指标，反应时间是管长 工 业 的函数，管径决定于物料的流量，反应物浓度在管长轴线上， 大 浓度梯度分布，不随时间变化。 学
4.3 反应器 对于存在化学反应的化工过程，反应器是整个化工工艺流程 的核心，是化工装置的关键设备，反应物在反应器内通过化学 反应转化为目标产物。由于化学反应种类繁多、机理各异，反 应器的类型和结构也差异很大。反应器操作性能的优良与否， 与设计过程息息相关。 反应工程课程对反应器的基础理论、设计方程等均进行了详 细地介绍。这些基础理论不仅是手工设计反应器的依据，也是 南 京 编制各种模拟软件的依据。由于涉及反应器的各种设计方程异 工 业 常繁复，手工计算往往令人望而却步，或是采用简化方法进行。 大 学 现在各种模拟软件的普及，为反应器的严格设计计算提供了条 包 件。
化工计算与软件应用(包宗宏)2
大 学 包 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 宗 宏 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。
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Case Study - Acetone Recovery Correct choice of physical property models and accurate physical property parameters are essential for obtaining accurate simulation results.
包 宗 宏
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2.1.4 用软件进行物料衡算与能量衡算的要点 每个数据包文件对模拟体系的组分、工艺条件、
物性方法已经确定，尤其是包含了针对该体系 (6)尽量使用软件自带的过程数据包。在软件安装目录中，有 的热力学基础数据，部分还包含了动力学数据。
一个“GUI”文件夹，包含了多个软件模拟计算例题的子文件夹。 “App”文件夹：对各种化工过程完整模拟的文件； 子组分，各级电离过程的反应方程式、化学反应平衡常数与各离子
连续流动系统的总能量衡算式是柏努利方程式，即：
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在进行设备的能量衡算时，位能变化、动能变化、外功等项 包 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 宗 宏 量衡算。
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2.1.3 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 和生产时间(即年生产时数)、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 理化学常数等。 (2)选定计算基准。温度的因次可采用“℃”或“K”，压力 的因次可采用“kPa”、“atm” 或其它，压力基准可选用绝对压 力或表压。 物流量的计算基准可选质量基准、摩尔基准、体积基准。对 南 京 于连续生产，以“s、h、d”作为投料量或产品量的时间基准。 工 业 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 大 学 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 包 基准，对气体物料进行计算时，一般选体积作为计算基准。
结果的准确性、可靠性和模拟成功与否。
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Case Study - Acetone Recovery Correct choice of physical property models and accurate physical property parameters are essential for obtaining accurate simulation results.
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2.1.4 用软件进行物料衡算与能量衡算的要点 每个数据包文件对模拟体系的组分、工艺条件、
物性方法已经确定，尤其是包含了针对该体系 (6)尽量使用软件自带的过程数据包。在软件安装目录中，有 的热力学基础数据，部分还包含了动力学数据。
一个“GUI”文件夹，包含了多个软件模拟计算例题的子文件夹。 “App”文件夹：对各种化工过程完整模拟的文件； 子组分，各级电离过程的反应方程式、化学反应平衡常数与各离子
连续流动系统的总能量衡算式是柏努利方程式，即：
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在进行设备的能量衡算时，位能变化、动能变化、外功等项 包 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 宗 宏 量衡算。
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2.1.3 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 和生产时间(即年生产时数)、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 理化学常数等。 (2)选定计算基准。温度的因次可采用“℃”或“K”，压力 的因次可采用“kPa”、“atm” 或其它，压力基准可选用绝对压 力或表压。 物流量的计算基准可选质量基准、摩尔基准、体积基准。对 南 京 于连续生产，以“s、h、d”作为投料量或产品量的时间基准。 工 业 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 大 学 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 包 基准，对气体物料进行计算时，一般选体积作为计算基准。
化工计算与软件应用(包宗宏)2讲解
宗 宏
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2.1.3 衡算的基本步骤 (3)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 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， 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。
连续流动系统的总能量衡算式是柏努利方程式，即：
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在进行设备的能量衡算时，位能变化、动能变化、外功等项 包 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 宗 宏 量衡算。
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2.1.3 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 和生产时间(即年生产时数)、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 理化学常数等。 (2)选定计算基准。温度的因次可采用“℃”或“K”，压力 的因次可采用“kPa”、“atm” 或其它，压力基准可选用绝对压 力或表压。 物流量的计算基准可选质量基准、摩尔基准、体积基准。对 南 京 于连续生产，以“s、h、d”作为投料量或产品量的时间基准。 工 业 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 大 学 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 包 基准，对气体物料进行计算时，一般选体积作为计算基准。
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第二章 物料衡算与能量衡算
1
南 京 工 业 大 学 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 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。 物料衡算的结果也是能量衡算的依据，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， 控制能量的供给速率和放热速率，进—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。 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。 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能 量衡算的基本规则，把规则应用于软件的操作之中，软件计 算结果才可能合理与可行。
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2.1.3 衡算的基本步骤 (3)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 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， 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。
连续流动系统的总能量衡算式是柏努利方程式，即：
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在进行设备的能量衡算时，位能变化、动能变化、外功等项 包 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 宗 宏 量衡算。
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2.1.3 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 和生产时间(即年生产时数)、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 理化学常数等。 (2)选定计算基准。温度的因次可采用“℃”或“K”，压力 的因次可采用“kPa”、“atm” 或其它，压力基准可选用绝对压 力或表压。 物流量的计算基准可选质量基准、摩尔基准、体积基准。对 南 京 于连续生产，以“s、h、d”作为投料量或产品量的时间基准。 工 业 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 大 学 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 包 基准，对气体物料进行计算时，一般选体积作为计算基准。
化工计算与软件应用
第二章 物料衡算与能量衡算
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南 京 工 业 大 学 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 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。 物料衡算的结果也是能量衡算的依据，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， 控制能量的供给速率和放热速率，进—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。 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。 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能 量衡算的基本规则，把规则应用于软件的操作之中，软件计 算结果才可能合理与可行。
化工设计竞赛经验分享和竞赛指导
听听前辈声音，您还敢参加大学生全国化工设计竞赛么？之“三井杯”化工设计竞赛经验分享“三井杯”全国大学生化工设计竞赛至今已经举办了九届，从最初几个学校的参与到如今五个赛区二百多所高校参与，化工设计竞赛已经被大家所认可。
作为一名曾经两度参与此竞赛的成员，写出一些经验的分享，希望可以为准备参加这个竞赛的同学们提供一个参考。
1、比赛认知参与任何比赛都要先了解这个比赛的核心宗旨是什么，如果不知道比赛的核心宗旨那么怎么会取得一个理想的成绩？化工设计竞赛要求同学设计出一套工艺，并通过流程计算、设备计算、图纸绘制等一系列软件进行模拟、绘图等，最后做出文字材料。
化工设计竞赛全流程可以看作为简单的工艺包设计，因此就需要参与的同学去接触了解如何进行工程设计，而不是天马行空的任由自己的想法去完成这个竞赛。
2、组队成员很多同学都在纠结如何去进行组队，比赛需要团队成员的共同努力，因此在选取队员的时候首先应该明确他是否有能力、有毅力来坚持做完这个比赛。
在化工设计竞赛这条路上走过来的学长们有共同的体会，做比赛是一件枯燥、需要耐心的事情。
有很多团队因为其中成员的退出导致最后团队的瓦解，因此希望同学们能够在组队时认真挑选成员。
当然，这个比赛建议跨学科组队，因为需要进行工艺设计、设备设计、图纸绘制、经济概算等多方面任务，就需要相关专业的同学来完成相应的工作。
3、赛前准备很多的同学都在问要参加这个比赛都需要准备什么，都需要掌握哪些知识，都需要学习哪些软件。
借鉴了许多化工大拿的经验分享，在这个浮躁的时代，作为大学生更应该去将基础做好，不要好高骛远，更不能丢下基本原理去胡乱设计。
很多学生为了尽快的做出计算模型取得一个所谓的“无错误、无警告”的结果而忽略了化工最基本原理。
软件只是一个计算机辅助工具，它没有真正的“认知”，当你对其进行赋值后，它必然会给你一个结果，而其真正的准确与否软件无法辨别。
当你赋予不同的参数条件，软件都会为你“忠心耿耿”的计算，无论你在设计精馏塔塔压是一个大气压还是一百个大气压，只要它在计算上能通过，就是无错误的。
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学习一个软件的操作并不难，而正确使用软件并不容易。
把所学的化工基础知识用于软件的操作过程、对软件中间计算 数据分析、对计算结果正确性的评判，这才是难点所在。
前言
2012‘中国石化-三井化学杯’第六届全国大学生化工设计竞赛 特等奖作品 年产4万吨异丁烯和年产2.5万吨1-丁烯项目 ----南京工业大学 Nan King团队 工艺模拟流程
针对此背景，本课程以Aspen Plus 及其系列软件为计算工具， 以实例为线索，侧重于介绍如何应用化工专业知识结合软件求 解化工计算中的一般问题，包括化工物性数据、相平衡数据的 查询与估算、物料衡算与热量衡算、节能分离技术应用、设备 工艺计算、综合流程模拟等内容。
前言
讲义中的例题与习题来源于：
化工分离工程、化工设计等课程的例题与习题；
主要内容
第三章 节能分离过程 ❖ 3.1 流体换热与热集成网络 ❖ 3.2 蒸汽优化配置 ❖ 3.3 多效蒸发 ❖ 3.4 精馏过程 第四章 设备工艺计算 ❖ 4.1 塔设备 ❖ 4.2 换热器 ❖ 4.3 反应器 ❖ 4.4 流体输送设备
❖
主要内容
第五章 工业装置流程模拟 ❖ 5.1 混酸过程 ❖ 5.2 环己烷、环己酮、环己醇混合物的高效分离过程 ❖ 5.3 75 kt/h丙烯腈工艺废水四效蒸发浓缩过程 ❖ 5.4 300 kt/a规模硫磺制酸过程
论板的精馏塔时，需要求解N(2C+3)维非线性方程组。
软件系统功能这些齐计全算，工作规量模巨大庞，大手，工难可以应完用成。于化工，炼油，石油化 工，气体加工，煤炭，医药，冶金，环境保护，动力，节能， 食品等许多工业领域。可以毫不夸张地说，使用模拟软件的水 平，反映了一个人化工计算能力的水平。
前言
化学工程与工艺专业的大四年级本科生、参加卓越工程师计划 的学生已经学完了专业基础课程和部分专业课程，对化学工程 的基础理论知识已有一定的掌握，但综合应用各门课程的知识 去研究、分析实际化工问题仍需要一定训练，化工计算是一个 很好的训练途径，同时又是一项实用的专业技能。
本科生、研究生毕业论文的课题。
本讲义的例题与习题涵盖了化工设计过程中常见的一 般计算问题，读者可以在学习例题、完成习题的基础 上举一反三，以解决化工设计、技术改造中的其它问 题。
前言
参加本课程学习的学生，要求具备物理化学、化工原理、化工 热 力 学 、 化 工 反 应 工 程 、 分 离 工 程 、 化 工 设 计 、 ASPEN PLUS软件入门等课程知识，能够灵活地应用这些知识对软件 计算过程中、计算结束后的数据进行分析。
小型、微型数字计算机开始普及，人们可以自具己，人们可以对一些简化、理
动手编制一些小型的、独立的汇编语言程序，想求的数学模型进行求解，再借
解一些复杂一点的、手工难以计算的化工计算助问于实际工作经验，工程师们
题，比如固2定0世床反纪应7器0的年温代度以分布前、泡点法精进馏行化工厂的设计计算。
塔人适核的用算知于等识个。与人在经与此验小阶，范段编围，制。编的美的发制程国过展计序、程、算也加稳更程缺拿态新序乏大、、往普、动融往遍英态合依性国模，赖，的拟其个只一软功些件能公， 越司这来开些越发软强了件大基经，于过应流不用程断范图的围
前言 2012‘中国石化-三井化学杯’第六届全国大学生化工设计竞赛
特等奖作品 11万吨MTBE合成与裂解联合项目
----浙江大学 三三二二团队 工艺模拟流程3
前言
2012‘南京工业大学校级优秀毕业论文 300 kt/a硫磺制酸装置---081025 工艺模拟流程
主要内容
第一章 化工物性数据和相平衡数据的查询与估算 ❖ 1.1 化工物性数据的查询 ❖ 1.2 纯物质的物性估算 ❖ 1.3 混合物的物性估算 ❖ 1.4 相平衡数据查询与使用 第二章 物料衡算与能量衡算 ❖ 2.1 衡算方法 ❖ 2.2 简单物理过程 ❖ 2.3 设备组合过程 ❖ 2.4 含化学反应过程 ❖ 2.5 含循环流过程 ❖ 2.6 分离复杂组成混合物
化工计算与软件应用
前言
化工计算是化学工程与工艺专业学生的一门专业技术课程， 一般包括物性数据的计算与估算、物料衡算和热量衡算、设备 工艺计算、稳态过程物能联合衡算等。
化工计算目的
一是取得设备设计所需要的数据.
二是为流程单元操作的调节和生产过程的 控制提供依据.
三是掌握原材料消耗量，中间产品和产品的 生成量，估计能量以及水、电、蒸汽等动力 消耗以及对生产操作进行经济分析.
计算工具 发展沿革
越来越广泛，准确性、实用性越来越好，其最具代
20世纪70年表PL代性US的以化软后工件流就程是模美拟国软A件sp。enTech公司的ASPEN
20世纪80年代以后
前言
化工过程涉及的计算问题大多较繁杂，求解大型非线性方程 组、常微分方程组或偏微分方程组、大型矩阵司空见惯。
古人说，“工例如欲，善对其含C事个，组分必的先混利合物其进器行绝”热。闪化蒸计工算流时程，涉模及拟到软件就 是化工计算的的行J超有ac越o力b函ia数利n偏的器导偏,数导矩它数阵计用共算严有。(格2C和+2)最2个新元素的，计每算个元方素法都要，进提供近 似准确的单元操作模型，进行单元和全过程的计算，还可以评 估已有装置的用N优ap化hta操li—作Sa或ndh新olm建同、时改校正建法装计置算含的C优个组化分设、计N块。理
前言
在化工厂设计时，化工计算是工厂或车间设计由定性规划转 入定量计算的第一步；
在现有装置进行技术改造时，对存在问题进行评价和对生产 流程的经济性评价也是必不可少的；
开设化工计算课程，可以训练学生的运算能力以及将化工理 论基础知识运用于工程实际的能力。
前言
化工计算的工具是计算尺、计
算‘中国石化-三井化学杯’第六届全国大学生化工设计竞赛
特等奖作品 11万吨MTBE合成与裂解联合项目
----浙江大学 三三二二团队 工艺模拟流程1
前言 2012‘中国石化-三井化学杯’第六届全国大学生化工设计竞
赛特等奖作品 11万吨MTBE合成与裂解联合项目
----浙江大学 三三二二团队 工艺模拟流程2
把所学的化工基础知识用于软件的操作过程、对软件中间计算 数据分析、对计算结果正确性的评判，这才是难点所在。
前言
2012‘中国石化-三井化学杯’第六届全国大学生化工设计竞赛 特等奖作品 年产4万吨异丁烯和年产2.5万吨1-丁烯项目 ----南京工业大学 Nan King团队 工艺模拟流程
针对此背景，本课程以Aspen Plus 及其系列软件为计算工具， 以实例为线索，侧重于介绍如何应用化工专业知识结合软件求 解化工计算中的一般问题，包括化工物性数据、相平衡数据的 查询与估算、物料衡算与热量衡算、节能分离技术应用、设备 工艺计算、综合流程模拟等内容。
前言
讲义中的例题与习题来源于：
化工分离工程、化工设计等课程的例题与习题；
主要内容
第三章 节能分离过程 ❖ 3.1 流体换热与热集成网络 ❖ 3.2 蒸汽优化配置 ❖ 3.3 多效蒸发 ❖ 3.4 精馏过程 第四章 设备工艺计算 ❖ 4.1 塔设备 ❖ 4.2 换热器 ❖ 4.3 反应器 ❖ 4.4 流体输送设备
❖
主要内容
第五章 工业装置流程模拟 ❖ 5.1 混酸过程 ❖ 5.2 环己烷、环己酮、环己醇混合物的高效分离过程 ❖ 5.3 75 kt/h丙烯腈工艺废水四效蒸发浓缩过程 ❖ 5.4 300 kt/a规模硫磺制酸过程
论板的精馏塔时，需要求解N(2C+3)维非线性方程组。
软件系统功能这些齐计全算，工作规量模巨大庞，大手，工难可以应完用成。于化工，炼油，石油化 工，气体加工，煤炭，医药，冶金，环境保护，动力，节能， 食品等许多工业领域。可以毫不夸张地说，使用模拟软件的水 平，反映了一个人化工计算能力的水平。
前言
化学工程与工艺专业的大四年级本科生、参加卓越工程师计划 的学生已经学完了专业基础课程和部分专业课程，对化学工程 的基础理论知识已有一定的掌握，但综合应用各门课程的知识 去研究、分析实际化工问题仍需要一定训练，化工计算是一个 很好的训练途径，同时又是一项实用的专业技能。
本科生、研究生毕业论文的课题。
本讲义的例题与习题涵盖了化工设计过程中常见的一 般计算问题，读者可以在学习例题、完成习题的基础 上举一反三，以解决化工设计、技术改造中的其它问 题。
前言
参加本课程学习的学生，要求具备物理化学、化工原理、化工 热 力 学 、 化 工 反 应 工 程 、 分 离 工 程 、 化 工 设 计 、 ASPEN PLUS软件入门等课程知识，能够灵活地应用这些知识对软件 计算过程中、计算结束后的数据进行分析。
小型、微型数字计算机开始普及，人们可以自具己，人们可以对一些简化、理
动手编制一些小型的、独立的汇编语言程序，想求的数学模型进行求解，再借
解一些复杂一点的、手工难以计算的化工计算助问于实际工作经验，工程师们
题，比如固2定0世床反纪应7器0的年温代度以分布前、泡点法精进馏行化工厂的设计计算。
塔人适核的用算知于等识个。与人在经与此验小阶，范段编围，制。编的美的发制程国过展计序、程、算也加稳更程缺拿态新序乏大、、往普、动融往遍英态合依性国模，赖，的拟其个只一软功些件能公， 越司这来开些越发软强了件大基经，于过应流不用程断范图的围
前言 2012‘中国石化-三井化学杯’第六届全国大学生化工设计竞赛
特等奖作品 11万吨MTBE合成与裂解联合项目
----浙江大学 三三二二团队 工艺模拟流程3
前言
2012‘南京工业大学校级优秀毕业论文 300 kt/a硫磺制酸装置---081025 工艺模拟流程
主要内容
第一章 化工物性数据和相平衡数据的查询与估算 ❖ 1.1 化工物性数据的查询 ❖ 1.2 纯物质的物性估算 ❖ 1.3 混合物的物性估算 ❖ 1.4 相平衡数据查询与使用 第二章 物料衡算与能量衡算 ❖ 2.1 衡算方法 ❖ 2.2 简单物理过程 ❖ 2.3 设备组合过程 ❖ 2.4 含化学反应过程 ❖ 2.5 含循环流过程 ❖ 2.6 分离复杂组成混合物
化工计算与软件应用
前言
化工计算是化学工程与工艺专业学生的一门专业技术课程， 一般包括物性数据的计算与估算、物料衡算和热量衡算、设备 工艺计算、稳态过程物能联合衡算等。
化工计算目的
一是取得设备设计所需要的数据.
二是为流程单元操作的调节和生产过程的 控制提供依据.
三是掌握原材料消耗量，中间产品和产品的 生成量，估计能量以及水、电、蒸汽等动力 消耗以及对生产操作进行经济分析.
计算工具 发展沿革
越来越广泛，准确性、实用性越来越好，其最具代
20世纪70年表PL代性US的以化软后工件流就程是模美拟国软A件sp。enTech公司的ASPEN
20世纪80年代以后
前言
化工过程涉及的计算问题大多较繁杂，求解大型非线性方程 组、常微分方程组或偏微分方程组、大型矩阵司空见惯。
古人说，“工例如欲，善对其含C事个，组分必的先混利合物其进器行绝”热。闪化蒸计工算流时程，涉模及拟到软件就 是化工计算的的行J超有ac越o力b函ia数利n偏的器导偏,数导矩它数阵计用共算严有。(格2C和+2)最2个新元素的，计每算个元方素法都要，进提供近 似准确的单元操作模型，进行单元和全过程的计算，还可以评 估已有装置的用N优ap化hta操li—作Sa或ndh新olm建同、时改校正建法装计置算含的C优个组化分设、计N块。理
前言
在化工厂设计时，化工计算是工厂或车间设计由定性规划转 入定量计算的第一步；
在现有装置进行技术改造时，对存在问题进行评价和对生产 流程的经济性评价也是必不可少的；
开设化工计算课程，可以训练学生的运算能力以及将化工理 论基础知识运用于工程实际的能力。
前言
化工计算的工具是计算尺、计
算‘中国石化-三井化学杯’第六届全国大学生化工设计竞赛
特等奖作品 11万吨MTBE合成与裂解联合项目
----浙江大学 三三二二团队 工艺模拟流程1
前言 2012‘中国石化-三井化学杯’第六届全国大学生化工设计竞
赛特等奖作品 11万吨MTBE合成与裂解联合项目
----浙江大学 三三二二团队 工艺模拟流程2