第二章 工藝計算

1、第二章第二章工藝計算工藝計算第一節(jié)第一節(jié)化工過程及過程參數(shù)化工過程及過程參數(shù)(一一) 化工過程化工過程 指由原料經(jīng)化學處理和物理處理加工成化學產(chǎn)品或中間產(chǎn)指由原料經(jīng)化學處理和物理處理加工成化學產(chǎn)品或中間產(chǎn)品的生產(chǎn)過程。它包括許多工序，每個工序又由若干個或若干品的生產(chǎn)過程。它包括許多工序，每個工序又由若干個或若干組設(shè)備（如反應(yīng)器、蒸餾塔、吸收塔、干燥塔，分離器、換熱組設(shè)備（如反應(yīng)器、蒸餾塔、吸收塔、干燥塔，分離器、換熱器及輸送設(shè)備等等）組合而成。物料通過各設(shè)備時，完成某種器及輸送設(shè)備等等）組合而成。物料通過各設(shè)備時，完成某種化學或物理處理，最終成為合格的產(chǎn)品?；瘜W或物理處理，最終成為合格的產(chǎn)品。

2、 化工過程中的各種設(shè)備所進行的主要操作可歸納為下列幾化工過程中的各種設(shè)備所進行的主要操作可歸納為下列幾類：類： 1.化學反應(yīng)化學反應(yīng)；2.分離或提純分離或提純；3.改變溫度改變溫度；4.改變壓力改變壓力，5.混合等混合等。( (二二) 過程參數(shù)過程參數(shù) 在化工生產(chǎn)過程中，能影響過程運行和狀態(tài)的物理量，如在化工生產(chǎn)過程中，能影響過程運行和狀態(tài)的物理量，如溫度、溫度、壓力、流量及物料的百分組成或濃度等壓力、流量及物料的百分組成或濃度等，在指定條件下它的數(shù)值恒，在指定條件下它的數(shù)值恒定，條件改變其數(shù)值也隨之變化，這些物理量稱為過程參數(shù)。這些定，條件改變其數(shù)值也隨之變化，這些物理量稱為過程參數(shù)。這些參

3、數(shù)常作為控制生產(chǎn)過程的主要指標。參數(shù)常作為控制生產(chǎn)過程的主要指標。 進行化工計算時，上述參數(shù)是基本數(shù)據(jù)，可以直接測定。對一進行化工計算時，上述參數(shù)是基本數(shù)據(jù)，可以直接測定。對一些不易直接測定的參數(shù)，可找出與容易測定的參數(shù)之間的關(guān)系，通些不易直接測定的參數(shù)，可找出與容易測定的參數(shù)之間的關(guān)系，通過計算求得，有時也可以根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)選定。過計算求得，有時也可以根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)選定。(三三)化工基礎(chǔ)數(shù)據(jù)化工基礎(chǔ)數(shù)據(jù)(1) (1) 基本物性數(shù)據(jù)基本物性數(shù)據(jù)如臨界常數(shù)（臨界壓力、臨界溫度、臨界如臨界常數(shù)（臨界壓力、臨界溫度、臨界體積）、密度或比容、狀態(tài)方程參數(shù)、壓縮系數(shù)、蒸氣壓、體積）、密度或比容、狀態(tài)方程參數(shù)

4、、壓縮系數(shù)、蒸氣壓、氣一液平衡關(guān)系等。氣一液平衡關(guān)系等。(2 )(2 )熱力學物性數(shù)據(jù)熱力學物性數(shù)據(jù)如內(nèi)能、焓、熵、熱容、相變熱、自由如內(nèi)能、焓、熵、熱容、相變熱、自由能、自由焓等。能、自由焓等。(3) (3) 化學反應(yīng)和熱化學數(shù)據(jù)化學反應(yīng)和熱化學數(shù)據(jù)如反應(yīng)熱、生成熱、燃燒熱、反如反應(yīng)熱、生成熱、燃燒熱、反應(yīng)速度常數(shù)、活化能，化學平衡常數(shù)等。應(yīng)速度常數(shù)、活化能，化學平衡常數(shù)等。(4) (4) 傳遞參數(shù)傳遞參數(shù)如粘度、擴散系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)等。如粘度、擴散系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)等。通常這些數(shù)據(jù)可用下列方法得到：通常這些數(shù)據(jù)可用下列方法得到： 1 1、查手冊或文獻資料、查手冊或文獻資料 2 2、估算。可以應(yīng)用

5、物理和化學的一些基本定律計算各種、估算。可以應(yīng)用物理和化學的一些基本定律計算各種物質(zhì)的性質(zhì)參數(shù)。物質(zhì)的性質(zhì)參數(shù)。 3 3、用實驗直接測定。、用實驗直接測定。（一）物料衡算的基本方法（一）物料衡算的基本方法第二節(jié)第二節(jié)物物料料衡衡算算2 2、物料衡算式、物料衡算式q物料衡算是研究某一個體系內(nèi)進、出物料量及物料衡算是研究某一個體系內(nèi)進、出物料量及組成的變化組成的變化所謂體系就是物料衡算的范圍，它可以根據(jù)實所謂體系就是物料衡算的范圍，它可以根據(jù)實際需要人為的選定。體系可以是一個設(shè)備或幾個際需要人為的選定。體系可以是一個設(shè)備或幾個設(shè)備，也可以是一個單元操作或整個化工過程。設(shè)備，也可以是一個單元操作或整

6、個化工過程。進行物料衡算時，必須首先確定衡算的體系。進行物料衡算時，必須首先確定衡算的體系。根據(jù)質(zhì)量守恒定律，對某一個體系，輸入體系的根據(jù)質(zhì)量守恒定律，對某一個體系，輸入體系的物料量應(yīng)該等于輸出物料量與體系內(nèi)積累量之和。物料量應(yīng)該等于輸出物料量與體系內(nèi)積累量之和。所以，物料衡算的基本關(guān)系式應(yīng)該表示為：所以，物料衡算的基本關(guān)系式應(yīng)該表示為： 式中生成或消耗是因反應(yīng)而生成或消耗的量；積累式中生成或消耗是因反應(yīng)而生成或消耗的量；積累項可正可負。當積累項不為零時，稱為非穩(wěn)定過程；項可正可負。當積累項不為零時，稱為非穩(wěn)定過程；積累項為零時積累項為零時, ,稱為穩(wěn)定過程。稱為穩(wěn)定過程。p 對無反應(yīng)的穩(wěn)定過

7、程對無反應(yīng)的穩(wěn)定過程: : 輸入輸入= =輸出輸出體系中積累體系中積累= =輸入輸出輸入輸出+ +生成消耗生成消耗p 穩(wěn)定過程穩(wěn)定過程: : 輸入輸入= =輸出生成輸出生成+ +消耗消耗 如圖，共有三個流股，進料如圖，共有三個流股，進料F F及出料及出料P P和和WW。有兩個。有兩個組分。每個流股的流量及組成如圖所示。圖中組分。每個流股的流量及組成如圖所示。圖中x x為為質(zhì)量分數(shù)。質(zhì)量分數(shù)?？闪谐鑫锪虾馑闶剑嚎闪谐鑫锪虾馑闶剑嚎偽锪虾馑闶娇偽锪虾馑闶?F = P + W F = P + W每種組分衡算式每種組分衡算式 Fx Fxf1f1 = Px = Pxp1p1 + + WxWxw1w1 F

8、x Fxf2f2 = Px = Pxp2p2 + + WxWxw2w2123FPWf1f2p1p2w1w2xxxxxx無化學反應(yīng)的連續(xù)過程物料衡算過 程3 3、物料衡算的基準、物料衡算的基準q基準選得適當可是計算簡化。究竟采用什么作基準視具基準選得適當可是計算簡化。究竟采用什么作基準視具體情況而定，不宜硬性規(guī)定，可建議：體情況而定，不宜硬性規(guī)定，可建議：以以1t 1t產(chǎn)品為基準產(chǎn)品為基準以以1mol1mol某反應(yīng)物為基準某反應(yīng)物為基準在連續(xù)操作中，以單位時間，即在連續(xù)操作中，以單位時間，即/h/h或或kmol/hkmol/h作基準；作基準；在間歇操作中，以在間歇操作中，以/ /批為基準批為基準

9、有化學變化的過程，適宜采用重量作基準；無化學變化有化學變化的過程，適宜采用重量作基準；無化學變化的過程，以重量或的過程，以重量或kmol/hkmol/h為基準為基準對于液固系統(tǒng)常用單位質(zhì)量作基準，而液相常用單位體對于液固系統(tǒng)常用單位質(zhì)量作基準，而液相常用單位體積作基準積作基準q例例: :某尿素廠的生產(chǎn)能力為某尿素廠的生產(chǎn)能力為6 6萬萬t t尿素尿素/a,/a,年操作日年操作日300d300d，尿素的氨耗為尿素的氨耗為0.6t0.6t氨氨/t/t尿素，生產(chǎn)過程的氨損失按尿素，生產(chǎn)過程的氨損失按5%5%考慮，考慮，已知以已知以1t1t氨為基準的某股氣體的組成和量如下表所示。氨為基準的某股氣體的組

10、成和量如下表所示。組成組成CO2COH2N2CH4合計合計(mol)28.561.252.6117.050.575100kmol54.302.29100.0432.431.093190.99求：列出該股氣體的組成和流量表？求：列出該股氣體的組成和流量表？以以1t氨為基準的各組分的氨為基準的各組分的kmol量乘以量乘以5.25所得結(jié)果為流量。所得結(jié)果為流量。氣體的流量和組成如下表所示氣體的流量和組成如下表所示:組成組成CO2COH2N2CH4合計合計(mol)28.561.252.6117.050.575100kmol/h285.112.02525.2170.25.74998.3解解: :小時產(chǎn)

11、量為小時產(chǎn)量為 600000.61.0530024 =5.25t/h（二）無化學反應(yīng)的物料衡算（二）無化學反應(yīng)的物料衡算1 1、簡單過程的物料衡算簡單過程的物料衡算2 2、多單元系統(tǒng)多單元系統(tǒng)在化工過程中，一些只有物理變化，不在化工過程中，一些只有物理變化，不發(fā)生化學反應(yīng)的單元操作，如混合、蒸餾、發(fā)生化學反應(yīng)的單元操作，如混合、蒸餾、蒸發(fā)、干燥、吸收、結(jié)晶、萃取等。蒸發(fā)、干燥、吸收、結(jié)晶、萃取等。p這些過程都可以根據(jù)物料衡算式，列出這些過程都可以根據(jù)物料衡算式，列出總物料和各組分的衡算式，再用代數(shù)法求總物料和各組分的衡算式，再用代數(shù)法求解。解。1、簡單過程的物料衡算、簡單過程的物料衡算p簡單過

12、程是指僅有一個設(shè)備或一個單元簡單過程是指僅有一個設(shè)備或一個單元操作或整個過程簡化成一個設(shè)備的過程。操作或整個過程簡化成一個設(shè)備的過程。這種過程的物料衡算比較簡單，在物料流這種過程的物料衡算比較簡單，在物料流程簡圖中，設(shè)備邊界就是體系邊界。程簡圖中，設(shè)備邊界就是體系邊界。下面舉例說明計算步驟和計算方法。下面舉例說明計算步驟和計算方法。p一種廢酸，組成為一種廢酸，組成為2323( (質(zhì)量質(zhì)量)HNO)HNO3 3，5757H H2 2SOSO4 4和和2020H H2 2O O，加入，加入9393的的H H2 2SOSO4 4及及9090的的濃濃HNOHNO3 3，要求混合成，要求混合成2727H

13、NOHNO3 3及及6060H H2 2SOSO4 4的的混合酸，計算所需廢酸及加入濃酸的數(shù)量。混合酸，計算所需廢酸及加入濃酸的數(shù)量。解：設(shè)解：設(shè)x為廢酸量，為廢酸量，kg；y為濃為濃H2SO4量，量，kg；z為濃為濃HNO3量量,；畫物料流程簡圖畫物料流程簡圖0.570.20z kg0.23y kg0.600.130.270.070.930.900.10混合過程廢酸 x kg混合酸3ONHOS2HH24OHNO322HHOOS4H S24OOH23ONH2H O選擇基準選擇基準:可以選廢酸或濃酸的量為基準，也可以用可以選廢酸或濃酸的量為基準，也可以用混合酸的量為基準，因為四種酸的組成均已知，

14、選任何一混合酸的量為基準，因為四種酸的組成均已知，選任何一種作基準計算都很方便。種作基準計算都很方便。列物料衡算式，該體系有列物料衡算式，該體系有3種組分，可以列出種組分，可以列出3個獨個獨立方程，所以能求出立方程，所以能求出3個未知量。個未知量?；鶞剩夯鶞剩?00kg混合酸混合酸總物料衡算式總物料衡算式x+y+z=100(1)H2SO4的衡算式的衡算式0.57x+0.93y=1000.6=60(2)HNO3的衡算式的衡算式0.23x+0.90z=1000.27=27(3)解解(1)，(2)，(3)方程，得方程，得x=41.8kg廢酸廢酸y = 39kg濃濃H2SO4z = 19.2kg濃濃H

15、NO3即由即由41.8kg廢酸、廢酸、39kg濃濃H2SO4和和19.2kg濃濃HNO3可以混可以混合成合成100kg混合酸。混合酸。2、多單元系統(tǒng)、多單元系統(tǒng)對有多個設(shè)備的過程，進行物料衡算時，對有多個設(shè)備的過程，進行物料衡算時，可以劃分多個衡算體系。此時，必須選擇可以劃分多個衡算體系。此時，必須選擇恰當?shù)暮馑泱w系，這是很重要的步驟。不恰當?shù)暮馑泱w系，這是很重要的步驟。不然會使計算繁瑣，甚至無法求解。然會使計算繁瑣，甚至無法求解。p 造紙廠的堿回收工序有一個四效蒸發(fā)器造紙廠的堿回收工序有一個四效蒸發(fā)器, ,供供料方式為料方式為,蒸發(fā)器的總處理蒸發(fā)器的總處理量為量為8000080000/h/h

16、造紙廢液造紙廢液( (黑液黑液) )。計算總蒸計算總蒸發(fā)水量和每一效蒸發(fā)器的蒸發(fā)水量。發(fā)水量和每一效蒸發(fā)器的蒸發(fā)水量。四效蒸發(fā)系統(tǒng)的物料平衡四效蒸發(fā)系統(tǒng)的物料平衡四效蒸發(fā)系統(tǒng)的物料衡算過程四效蒸發(fā)系統(tǒng)的物料衡算過程將整個系統(tǒng)簡化為一個單元，可計算出總蒸發(fā)量將整個系統(tǒng)簡化為一個單元，可計算出總蒸發(fā)量 FX進進=（F進進-W）X出出）（出進進XXFW1則總蒸發(fā)水量為則總蒸發(fā)水量為hkgW/600006015180000）（總四效蒸發(fā)系統(tǒng)的物料衡算過程四效蒸發(fā)系統(tǒng)的物料衡算過程第三效蒸發(fā)水量為第三效蒸發(fā)水量為則第則第效的蒸發(fā)水量效的蒸發(fā)水量W為為hkgW/12600)8 .17151 (80000進

17、入第進入第的料液量的料液量80000-12600=67400kg/hhkg /14300)6 .228 .171 (67400類推得：類推得：15000kg/h18100kg/h（三）反應(yīng)過程的物料衡算（三）反應(yīng)過程的物料衡算1、直接計算法、直接計算法在物料衡算中，根據(jù)化學反應(yīng)式，運用化學在物料衡算中，根據(jù)化學反應(yīng)式，運用化學計量系數(shù)進行計算的方法，稱為直接計算法。計量系數(shù)進行計算的方法，稱為直接計算法。p甲醇氧化制甲醛，其反應(yīng)過程為甲醇氧化制甲醛，其反應(yīng)過程為 CHCH3 3OH + 1/2OOH + 1/2O2 2 HCHO + H HCHO + H2 2O O反應(yīng)物及生成物均為氣態(tài)。甲醇

18、的轉(zhuǎn)化率為反應(yīng)物及生成物均為氣態(tài)。甲醇的轉(zhuǎn)化率為7575，若使用，若使用5050的過量空氣，試計算反應(yīng)的過量空氣，試計算反應(yīng)后氣體混合物的摩爾組成。后氣體混合物的摩爾組成。解：畫出流程示意圖，如下圖：解：畫出流程示意圖，如下圖：催化反應(yīng)器催化反應(yīng)器CH3OH空氣空氣CH3OHHCHOH2OO2N2（過量（過量50%)50%)基準：基準：1molCH3OH根據(jù)反應(yīng)式，需氧根據(jù)反應(yīng)式，需氧0.5氧入氧入=0.51.5=0.75氮入氮出氮入氮出0.75(79/21)=2.82 反應(yīng)的甲醇量反應(yīng)的甲醇量0.751=0.75甲醛的出量甲醛的出量0.75甲醇的出量甲醇的出量10.75=0.25氧的出量氧的

19、出量0.750.750.5=0.375水的出量水的出量0.75p計算結(jié)果如下表：計算結(jié)果如下表：組分組分CH3OHHCHOH2OO2N2總計總計mol0.2500.7500.7500.3752.8204.945摩爾分數(shù)（）摩爾分數(shù)（）5.015.215.27.657.0100.0、元素衡算法、元素衡算法元素衡算是物料衡算的一種重要形式。在作元素衡算是物料衡算的一種重要形式。在作這類衡算時，并不需要考慮具體的化學反應(yīng)，這類衡算時，并不需要考慮具體的化學反應(yīng)，而是按照元素種類被轉(zhuǎn)化及重新組合的概念而是按照元素種類被轉(zhuǎn)化及重新組合的概念表示為：表示為： 輸入輸入( (某種元素某種元素) )輸出輸出(

20、 (同種元素同種元素) )對反應(yīng)過程中化學反應(yīng)很復(fù)雜，無法用一、對反應(yīng)過程中化學反應(yīng)很復(fù)雜，無法用一、兩個反應(yīng)式表示的物料衡算，可以列出元素兩個反應(yīng)式表示的物料衡算，可以列出元素衡算式，用代數(shù)法求解。衡算式，用代數(shù)法求解。C3H8+5O2 3CO2+4H2O基準：基準：100mol煙道氣：煙道氣：設(shè)：設(shè)：N-煙道氣中煙道氣中N2的的molQ-煙道氣中煙道氣中H2O,molM-煙道氣中煙道氣中O2的的molA-輸入輸入空氣空氣molP-煙道氣中煙道氣中CO2的的molB-輸入丙烷，輸入丙烷，mol列平衡式：列平衡式：C平衡：平衡：P=3BN2平衡平衡:0.79A=NH2平衡：平衡：Q=4B過剩氧

21、氣過剩氧氣:0.21A0.25/1.25=MO2平衡：平衡：0.21A=M+P+1/2Q煙道氣總量煙道氣總量:N+M+P+Q=100o丙烷充分燃燒時，要供給的空氣量為理論量的丙烷充分燃燒時，要供給的空氣量為理論量的125%125%，問每，問每10mol10mol燃燒產(chǎn)物，需多少燃燒產(chǎn)物，需多少molmol的空氣？反的空氣？反應(yīng)：應(yīng)：燃燃燒燒丙烷丙烷空氣空氣（O2N2）CO2H2OO2N2、用聯(lián)系組分作衡算、用聯(lián)系組分作衡算p“聯(lián)系組分聯(lián)系組分”是指隨物料輸入體系，但完全不參是指隨物料輸入體系，但完全不參加反應(yīng)，又隨物料從體系輸出的組分，在整個反加反應(yīng)，又隨物料從體系輸出的組分，在整個反應(yīng)過程中

22、，它的數(shù)量不變。應(yīng)過程中，它的數(shù)量不變。如果體系中存在聯(lián)系組分，那么輸入物料和輸出如果體系中存在聯(lián)系組分，那么輸入物料和輸出物料之間就可以根據(jù)聯(lián)系組分的含量進行關(guān)聯(lián)。物料之間就可以根據(jù)聯(lián)系組分的含量進行關(guān)聯(lián)。例如，例如，F(xiàn) F、P P分別為輸入、輸出物料，分別為輸入、輸出物料，T T為聯(lián)系組分。為聯(lián)系組分。T T在在F F中的質(zhì)量分數(shù)為中的質(zhì)量分數(shù)為X XFTFT，在，在P P中的質(zhì)量分數(shù)為中的質(zhì)量分數(shù)為X XPTPT，則則F F與與P P之間的關(guān)系為：之間的關(guān)系為：FXFT=PXPT、以節(jié)點進行計算、以節(jié)點進行計算q以流程中某一點的匯聚或分支處的交點，即節(jié)點來進以流程中某一點的匯聚或分支處的

23、交點，即節(jié)點來進行計算可使計算簡化，如原料加入到循環(huán)系統(tǒng)中、物料行計算可使計算簡化，如原料加入到循環(huán)系統(tǒng)中、物料的混合、溶液的配制以及精流塔塔頂回流和產(chǎn)品取出等，的混合、溶液的配制以及精流塔塔頂回流和產(chǎn)品取出等，均需采用節(jié)點來進行計算。均需采用節(jié)點來進行計算。 節(jié)點節(jié)點分流分流B分流分流C分流分流A 節(jié)點節(jié)點ABC節(jié)點示意圖節(jié)點示意圖、復(fù)雜反應(yīng)體系所有產(chǎn)物或副產(chǎn)物各自的收率、復(fù)雜反應(yīng)體系所有產(chǎn)物或副產(chǎn)物各自的收率作物料作物料轉(zhuǎn)化率轉(zhuǎn)化率對于一個系統(tǒng)，轉(zhuǎn)化率是原料中某一反應(yīng)物參加化對于一個系統(tǒng)，轉(zhuǎn)化率是原料中某一反應(yīng)物參加化學反應(yīng)的量占其通入系統(tǒng)總量的百分數(shù)，它表示了化學反應(yīng)的量占其通入系統(tǒng)總量

24、的百分數(shù)，它表示了化學反應(yīng)進行的程度。學反應(yīng)進行的程度。對反應(yīng)物對反應(yīng)物A而言，其轉(zhuǎn)化率而言，其轉(zhuǎn)化率XA的的數(shù)學表達式為：數(shù)學表達式為：式中式中通入系統(tǒng)的反應(yīng)物通入系統(tǒng)的反應(yīng)物A的量，的量，mol；反應(yīng)后離開系統(tǒng)的反應(yīng)物反應(yīng)后離開系統(tǒng)的反應(yīng)物A的量，的量，mol。%10000AAAANNNX0ANAN量輸入到反應(yīng)器的反應(yīng)物應(yīng)物量量從反應(yīng)器輸出的反輸入到反應(yīng)器的反應(yīng)物100%100輸入到過程的反應(yīng)物量從過程輸出的反應(yīng)物量輸入到過程的反應(yīng)物量總轉(zhuǎn)化率%100通入的反應(yīng)物量量平衡時反應(yīng)掉的反應(yīng)物平衡轉(zhuǎn)化率數(shù)限制反應(yīng)物的化學計量計量數(shù)數(shù)限制反應(yīng)物的化學過量反應(yīng)物的化學計量100反應(yīng)所需的理論量反應(yīng)所

25、需的理論量反應(yīng)物的實際投料量過量100（四）循環(huán)過程的物料衡算（四）循環(huán)過程的物料衡算例如在生產(chǎn)例如在生產(chǎn) 中一般將未反應(yīng)的原料與產(chǎn)品先分中一般將未反應(yīng)的原料與產(chǎn)品先分離，后循環(huán)返回原料進口處，與新原料一起再進離，后循環(huán)返回原料進口處，與新原料一起再進入反應(yīng)器反應(yīng)。入反應(yīng)器反應(yīng)。例如苯直接加氫轉(zhuǎn)化環(huán)己烷中的循環(huán)過程：例如苯直接加氫轉(zhuǎn)化環(huán)己烷中的循環(huán)過程：新鮮新鮮2純純C6H6循環(huán)循環(huán)280%220%C6H6產(chǎn)物產(chǎn)物3%H2在沒有循環(huán)時，一系列單元步驟的物料衡算可按在沒有循環(huán)時，一系列單元步驟的物料衡算可按順序依次進行，每次可取一個單元但是，如果有順序依次進行，每次可取一個單元但是，如果有循環(huán)的

26、話，由于循環(huán)量并不知道，所以逐次計算并循環(huán)的話，由于循環(huán)量并不知道，所以逐次計算并不能計算出循環(huán)量。其解法有二：不能計算出循環(huán)量。其解法有二：試差法試差法：假定一個循環(huán)量估計值進行計算，將估：假定一個循環(huán)量估計值進行計算，將估計值與計算值比較，若不符，重新假定一個估計值計值與計算值比較，若不符，重新假定一個估計值，一直計算到估計值與計算值之差在一定的誤差范，一直計算到估計值與計算值之差在一定的誤差范圍內(nèi)。圍內(nèi)。代數(shù)解法代數(shù)解法：在循環(huán)存在時，列出物料平衡方程式：在循環(huán)存在時，列出物料平衡方程式，并求解。一般方程式中以循環(huán)量作為未知數(shù)，應(yīng)，并求解。一般方程式中以循環(huán)量作為未知數(shù)，應(yīng)用聯(lián)立方程式的

27、方法進行求解。用聯(lián)立方程式的方法進行求解。苯直接加氫轉(zhuǎn)化環(huán)己烷中的循環(huán)過程的衡算苯直接加氫轉(zhuǎn)化環(huán)己烷中的循環(huán)過程的衡算解：解：反應(yīng)為：反應(yīng)為：C6H6+3H2C6H12基準：基準：100kmol/h環(huán)己烷環(huán)己烷查苯的總轉(zhuǎn)化率為查苯的總轉(zhuǎn)化率為99%則生產(chǎn)則生產(chǎn)100kmol/h環(huán)己烷需苯環(huán)己烷需苯1000.99=101.01kmol/h未反應(yīng)的苯為未反應(yīng)的苯為101.01-100=1.01kmol/h產(chǎn)物中含產(chǎn)物中含H2,設(shè)含量為設(shè)含量為nH23 . 001. 110022HHnnhKmolnH/12. 32總產(chǎn)量總產(chǎn)量100+1.01+3.12=104.13kmol/h其摩爾分數(shù)為其摩爾分數(shù)

28、為96. 0126HCx01. 066HCx03. 02HxH2的進料率為的進料率為10033.12=303.12kmol/h苯的進料率為苯的進料率為101.01kmol/h設(shè)設(shè)H2循環(huán)量為循環(huán)量為R2 . 012.30301.10101.101RR=100.92kmol/h序號序號 名稱名稱 規(guī)格規(guī)格 消耗定額消耗定額（公斤（公斤/公斤產(chǎn)品）公斤產(chǎn)品）備注備注物料衡算匯總表物料衡算匯總表(1) 產(chǎn)品消耗定額產(chǎn)品消耗定額產(chǎn)品消耗定額產(chǎn)品消耗定額序序號號名稱名稱規(guī)格規(guī)格單位單位年需求量年需求量備注備注123主要原料、輔助材料的品種、規(guī)格及年需求量主要原料、輔助材料的品種、規(guī)格及年需求量(2)原輔

29、材料需求一覽表原輔材料需求一覽表 在化工工藝計算中，根據(jù)在化工工藝計算中，根據(jù)能量守恒原能量守恒原理，理，有以下幾種狀態(tài)：有以下幾種狀態(tài)： 當過程有化學反應(yīng)時：當過程有化學反應(yīng)時：熱量進入率熱量進入率熱量流出率熱量流出率反應(yīng)熱生成率反應(yīng)熱生成率反應(yīng)熱消耗率反應(yīng)熱消耗率熱量積累率熱量積累率+=-第二節(jié)第二節(jié)熱量衡算熱量衡算 當過程沒有化學反應(yīng)時：當過程沒有化學反應(yīng)時： 熱量進入率熱量流出率熱量積累率熱量進入率熱量流出率熱量積累率 當過程沒有化學反應(yīng)，且處于穩(wěn)定狀態(tài)當過程沒有化學反應(yīng)，且處于穩(wěn)定狀態(tài)時：時： 熱量進入率熱量流出率熱量進入率熱量流出率 1.能源的選擇能源的選擇 能源的選擇在化工設(shè)計過

30、程中能源的選擇主能源的選擇在化工設(shè)計過程中能源的選擇主要為熱源與冷源的選擇。要為熱源與冷源的選擇。 常用的熱源為：熱水、蒸汽包括低壓、中壓、常用的熱源為：熱水、蒸汽包括低壓、中壓、高壓、過熱蒸汽、導(dǎo)熱油、道生（聯(lián)苯與二高壓、過熱蒸汽、導(dǎo)熱油、道生（聯(lián)苯與二苯醚的混合物）液體、道生蒸汽、煙道氣、苯醚的混合物）液體、道生蒸汽、煙道氣、電、溶鹽電、溶鹽（NaNO2,40%;KNO3,53%;NaNO3,7%）等。）等。 常用的冷源為：冷凍鹽水、液氨、液體乙烯、常用的冷源為：冷凍鹽水、液氨、液體乙烯、常溫水、地下水等。常溫水、地下水等。 2.熱量衡算的步驟熱量衡算的步驟 2.1熱量衡算需要收集的資料熱

31、量衡算需要收集的資料 （1）要求控制的溫度與時間參數(shù)）要求控制的溫度與時間參數(shù) （2）計算所用的物性數(shù)據(jù)，如比熱、潛熱、溶解）計算所用的物性數(shù)據(jù)，如比熱、潛熱、溶解熱、結(jié)晶熱、生成熱及燃燒熱等熱、結(jié)晶熱、生成熱及燃燒熱等 （3）計算加熱、冷卻、冷凝和冷凍用的熱力學數(shù)）計算加熱、冷卻、冷凝和冷凍用的熱力學數(shù)據(jù)據(jù) （4）計算流體流動過程中所需參數(shù)，如粘度、密）計算流體流動過程中所需參數(shù)，如粘度、密度、壓力、流量、時間等度、壓力、流量、時間等 （5）計算傳熱用的導(dǎo)熱系數(shù)、給熱系數(shù)、傳熱系）計算傳熱用的導(dǎo)熱系數(shù)、給熱系數(shù)、傳熱系數(shù)及散熱損失數(shù)據(jù)等數(shù)及散熱損失數(shù)據(jù)等 （6）熱量計算公式）熱量計算公式 2

32、.2熱量衡算的基準熱量衡算的基準 在熱量衡算過程中經(jīng)常采用設(shè)備在熱量衡算過程中經(jīng)常采用設(shè)備1hr的進料的進料量作為計算熱量的基準。量作為計算熱量的基準。 熱量衡算過程中注意點：熱量衡算過程中注意點： （1）單位統(tǒng)一）單位統(tǒng)一在收集的數(shù)據(jù)中，在計算時在收集的數(shù)據(jù)中，在計算時要注意各個數(shù)據(jù)的單位要統(tǒng)一要注意各個數(shù)據(jù)的單位要統(tǒng)一 （2）相態(tài)變化）相態(tài)變化在計算時要注意物料的相態(tài)在計算時要注意物料的相態(tài)是否發(fā)生變化是否發(fā)生變化 （3）適宜的）適宜的K值值在計算時要注意在計算時要注意K值的選擇值的選擇要恰當要恰當 （4）適當?shù)模┻m當?shù)膖t的確定要合適的確定要合適 2.3熱量衡算的步驟熱量衡算的步驟 （1

33、）對單元設(shè)備進行熱量衡算，求出設(shè)）對單元設(shè)備進行熱量衡算，求出設(shè)備的有效熱負荷。備的有效熱負荷。 （2）由熱負荷確定加熱劑或冷卻劑的用）由熱負荷確定加熱劑或冷卻劑的用量，計算設(shè)備的傳熱面積。量，計算設(shè)備的傳熱面積。 （3）列出熱量平衡表，檢查熱量是否平）列出熱量平衡表，檢查熱量是否平衡衡 （4）列出加熱劑與冷卻的用量）列出加熱劑與冷卻的用量 （5）列出用電所需功率）列出用電所需功率 3. 3. 熱量衡算的基本關(guān)系式熱量衡算的基本關(guān)系式 熱量衡算是能量守恒定律的應(yīng)用：熱量衡算是能量守恒定律的應(yīng)用： 進進出出 化工過程中的熱量衡算通式為：化工過程中的熱量衡算通式為： Q Q1 1+Q+Q2 2+Q

34、+Q3 3=Q=Q4 4+Q+Q5 5+Q+Q6 6 Q Q1 1- -物料帶入過程或設(shè)備中的熱量（物料帶入過程或設(shè)備中的熱量（kJkJ） Q Q2 2- -加熱劑（或冷卻劑）帶入過程或設(shè)備中的熱量（加熱劑（或冷卻劑）帶入過程或設(shè)備中的熱量（kJkJ） Q Q3 3- -過程的熱效應(yīng)（過程的熱效應(yīng)（kJkJ） Q Q4 4- -產(chǎn)物從過程或設(shè)備中帶出的熱量（產(chǎn)物從過程或設(shè)備中帶出的熱量（kJkJ） Q Q5 5- -消耗在過程或設(shè)備中的熱量（消耗在過程或設(shè)備中的熱量（kJkJ） Q Q6 6 設(shè)備的熱損失（設(shè)備的熱損失（kJkJ）-熱量衡算按能量守恒定律，在無軸功的條件下，進入系統(tǒng)的熱量與離開

35、熱量應(yīng)該平衡，在實際中對傳熱設(shè)備的熱量衡算可由下式表示： Q1Q2Q3Q4Q5+Q6熱量衡算計算方法熱量衡算計算方法 所處理的物料所處理的物料帶入設(shè)備中的帶入設(shè)備中的熱量（熱量（KJKJ）加熱劑或冷卻加熱劑或冷卻劑與設(shè)備和物劑與設(shè)備和物料傳遞的熱量料傳遞的熱量過程的熱效應(yīng)過程的熱效應(yīng)設(shè)備各部件所設(shè)備各部件所消耗的熱量消耗的熱量（KJKJ）離開設(shè)備物離開設(shè)備物料帶走的熱料帶走的熱量（量（KJKJ）設(shè)備向四周散失的熱量，又稱熱損失（KJ）熱量衡算的時間基準可與物料衡算相同，即對間歇生產(chǎn)可以每日或每批處理物料作基準。對連續(xù)生產(chǎn)以每小時作基準。但不管是間歇還是連續(xù)生產(chǎn)，計算傳熱面積的熱負荷，必須以每小

36、時作基準，而該時間必須是穩(wěn)定傳熱時間。熱量衡算溫度基準，一般規(guī)定以25或0，也可以進料溫度作基準。u從式中可得： Q2Q4Q5Q6Q1Q3 熱量衡算計算方法熱量衡算計算方法 加熱劑或冷卻加熱劑或冷卻劑與設(shè)備和物劑與設(shè)備和物料傳遞的熱量料傳遞的熱量（1 1）QQ1與與QQ4計算計算 Q1（Q4）GiCPI(tto) 式中 Gi-物料質(zhì)量（kg）； CPI-物料平均等壓比熱容（KJ/kg）； t-物料的溫度（）； to-計算基準溫度（）。 Gi的數(shù)值可由物料衡算結(jié)果而定，t 的數(shù)值由生產(chǎn)工藝確定，CPI則可從手冊中查得，或用估算法得到。熱量衡算計算方法熱量衡算計算方法 （2 2）QQ5 5計算計算

37、u消耗在加熱或冷卻設(shè)備上的熱量可按下式計算：消耗在加熱或冷卻設(shè)備上的熱量可按下式計算：QQ5 5G Gi iC CPIPI(t (t2 2t t1 1) ) u式中式中 G Gi- i-設(shè)備各部件的質(zhì)量（設(shè)備各部件的質(zhì)量（kgkg） C CPIPI-設(shè)備各部件的比熱容設(shè)備各部件的比熱容kJ/(kg)kJ/(kg) t t1 1-設(shè)備各部件的初溫度（設(shè)備各部件的初溫度（） t t2 2-設(shè)備各部件的終溫度（設(shè)備各部件的終溫度（）熱量衡算計算方法熱量衡算計算方法 （3 3）QQ6 6計算計算u設(shè)備向四周散失的熱量Q6 6可按下式計算： Q6 6At t(twzwz t0 0)10-3 式中 A-設(shè)

38、備散熱表面積（m2）；t t-散熱表面向周圍介質(zhì)的聯(lián)合給熱系數(shù)W/(m2)；twzwz-器壁向四周散熱的表面溫度（）；to o-周圍介質(zhì)溫度（）；-過程連續(xù)時間（s）。熱量衡算計算方法熱量衡算計算方法 （4 4）過程熱效應(yīng)）過程熱效應(yīng)QQ3 3計算計算u過程熱效應(yīng)可分為兩類，一類是化學過程熱效應(yīng)即化過程熱效應(yīng)可分為兩類，一類是化學過程熱效應(yīng)即化學反應(yīng)熱效應(yīng)，另一類是物理過程熱效應(yīng)，即物理狀學反應(yīng)熱效應(yīng)，另一類是物理過程熱效應(yīng)，即物理狀態(tài)變化熱，如溶解、結(jié)晶、蒸發(fā)、冷凝、熔融、升華態(tài)變化熱，如溶解、結(jié)晶、蒸發(fā)、冷凝、熔融、升華及濃度變化等吸入或放出熱量。純物理過程無化學反及濃度變化等吸入或放出熱

39、量。純物理過程無化學反應(yīng)熱效應(yīng)，但物料經(jīng)歷化學變化過程，除化學反應(yīng)熱應(yīng)熱效應(yīng)，但物料經(jīng)歷化學變化過程，除化學反應(yīng)熱效應(yīng)外，往往伴隨著物料狀態(tài)變化熱效應(yīng)，則兩者應(yīng)效應(yīng)外，往往伴隨著物料狀態(tài)變化熱效應(yīng)，則兩者應(yīng)結(jié)合在一起考慮，可用下式計算：結(jié)合在一起考慮，可用下式計算： QQ3 3QQr rQQp p 式中式中 QQr r-化學反應(yīng)熱效應(yīng)（化學反應(yīng)熱效應(yīng)（kJkJ）；）； QQp p-物理過程熱效應(yīng)（物理過程熱效應(yīng)（kJkJ）。）。熱量衡算計算方法熱量衡算計算方法 4.加熱劑與冷卻劑用量的計算加熱劑與冷卻劑用量的計算 熱量衡算的結(jié)果，可以確定輸入或移熱量衡算的結(jié)果，可以確定輸入或移走的熱量，從而求

40、出加熱劑或冷卻劑的走的熱量，從而求出加熱劑或冷卻劑的用量、傳熱面積的大小等。用量、傳熱面積的大小等。 輸入到設(shè)備中或從設(shè)備中移走的熱量，輸入到設(shè)備中或從設(shè)備中移走的熱量，在不同的情況下是有差異的。在不同的情況下是有差異的。 （1）直接蒸汽加熱時的蒸汽消耗量直接蒸汽加熱時的蒸汽消耗量 G=Q/(HCptk) 式中：式中：G蒸汽消耗量（蒸汽消耗量（kg） Q蒸汽傳給物料的熱量（蒸汽傳給物料的熱量（kJ） H蒸汽熱焓量（蒸汽熱焓量（kJ/kg） Cp被加熱液體的比熱容（被加熱液體的比熱容（kJ/kg） tk被加熱液體的最終溫度（被加熱液體的最終溫度（） 為簡化起見，通常蒸汽加熱時的蒸汽用量計算為簡化

41、起見，通常蒸汽加熱時的蒸汽用量計算僅考慮蒸汽放出的冷凝熱。僅考慮蒸汽放出的冷凝熱。 （2）間接蒸汽加熱室蒸汽的消耗量間接蒸汽加熱室蒸汽的消耗量 G=Q/(HCptn) 式中：式中：G蒸汽消耗量（蒸汽消耗量（kg） Q蒸汽傳給物料的熱量（蒸汽傳給物料的熱量（kJ） H蒸汽熱焓量（蒸汽熱焓量（kJ/kg） Cp被加熱液體的比熱容（被加熱液體的比熱容（kJ/kg） tn冷凝水的最終溫度（冷凝水的最終溫度（） （3）燃料的消耗量燃料的消耗量 M=Q/(TQP) 式中：式中：M燃料的消耗量（燃料的消耗量（kg） Q由燃料提供給物料的熱量（由燃料提供給物料的熱量（kJ） T爐子的熱效率，從相關(guān)的手冊中查取

42、爐子的熱效率，從相關(guān)的手冊中查取 QP燃料的熱值（燃料的熱值（kJ/kg） 木料約為木料約為12000kJ/kg； 煤為煤為1600025000kJ/kg； 液體燃料約為液體燃料約為40000kJ/kg； 煤氣約為煤氣約為1500020000kJ/m3； 天然氣約為天然氣約為33000kJ/m3； 裂解氣裂解氣4600kJ/m3。 （4）冷卻劑的消耗量冷卻劑的消耗量 包括水、冷凍鹽水、空氣氣等包括水、冷凍鹽水、空氣氣等 W=Q/CP(tKtH) 式中式中W冷卻劑的消耗量（冷卻劑的消耗量（kg） Q物料冷卻所需要的熱量（物料冷卻所需要的熱量（kJ） CP冷卻劑的比熱容（冷卻劑的比熱容（kJ/kg

43、） tK冷卻劑最終的溫度（冷卻劑最終的溫度（） tH冷卻劑最初的溫度（冷卻劑最初的溫度（） （5）電能的消耗量電能的消耗量 E=Q/860 式中：式中：E電能的消耗量（電能的消耗量（kwh） Q物料加熱所需要的熱量（物料加熱所需要的熱量（kJ） 860換算系數(shù)，換算系數(shù)，1kwh=3600kJ=860kw 電熱裝置的電工效率，一般取電熱裝置的電工效率，一般取0.850.95 （6）壓縮空氣的消耗量壓縮空氣的消耗量 一般壓縮空氣的消耗量均折算成每單一般壓縮空氣的消耗量均折算成每單位時間耗用常壓空氣的體積，以位時間耗用常壓空氣的體積，以m3/h(1.013x105Pa)表示，因此，在計算表示，因此

44、，在計算中只需求出壓縮空氣的體積與壓力。中只需求出壓縮空氣的體積與壓力。 壓送液體物料時壓縮空氣的消耗量壓送液體物料時壓縮空氣的消耗量 在生產(chǎn)過程中有兩種情況：在生產(chǎn)過程中有兩種情況： a.設(shè)備中的液體在一次操作中全部壓送完設(shè)備中的液體在一次操作中全部壓送完 一批操作：一批操作： Va=VAP/(9.807x104)m3/一批操作一批操作 式中式中:Va一批操作所消耗的壓縮空氣量一批操作所消耗的壓縮空氣量 （已折算成（已折算成1.013x105Pa） VA設(shè)備容積（設(shè)備容積（m3） P壓縮空氣在設(shè)備內(nèi)建立的壓力壓縮空氣在設(shè)備內(nèi)建立的壓力(Pa) 9.807x104Pa=kg/cm2 每晝夜：每

45、晝夜： Vc=VAPa/(9.807x104)m3/d 式中：式中：a每晝夜壓送批數(shù)每晝夜壓送批數(shù) 每小時：每小時： Vh=VAP/(9.807x104x)m3/h 式中：式中：每次壓送時間（每次壓送時間（h） b.設(shè)備中的液體進壓出一部分，不完全設(shè)備中的液體進壓出一部分，不完全壓空時：壓空時： 一批操作：一批操作： Va=(VA(2-)+VL)P/(2x9.807x104)m3/一一批操作批操作 式中：式中：設(shè)備裝料系數(shù)設(shè)備裝料系數(shù) VL一次壓出的液體體積（一次壓出的液體體積（m3） 每晝夜：每晝夜： VC=(VA(2-)+VL)Pa/(2x9.807x104)m3/d 每小時：每小時： Vh=(VA(2-)+VL)P/(2x9.807x104x)m3/h某化工廠年產(chǎn)某化工廠年產(chǎn)3000t31%的鹽酸的鹽酸,其工藝流程如下圖所示其工藝流程如下圖所示:（一）能量衡算示例（一）能量衡算示例1、已知條件、已知條件要求對冷卻器和膜式吸收器作熱量衡算要求對冷卻器和膜式吸收器作熱量衡算、熱量衡算、熱量衡算鹽酸生產(chǎn)的物料平衡如圖所示（鹽酸生產(chǎn)的物料平衡如圖所示（31%鹽酸鹽酸/h為基準）為基準）p 熱量衡算的基準：熱量衡算的基準：0 0冷卻部分熱量計算冷卻部分熱量計算冷冷HCl冷冷卻器熱量衡算圖卻器熱量衡算圖HCl熔解熱熔解熱Q2鹽酸帶出熱量鹽酸帶出