第三章化工計算ppt課件

1、第三章第三章化工計算化工計算第一節(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)應(yīng)用守恒定律來研究化工過程的物料衡算和能量應(yīng)用守恒定律來研究化工過程的物料衡算和能量衡算問題。衡算問題?；み^程基礎(chǔ)知識主要內(nèi)容包括：化工過程基礎(chǔ)知識主要內(nèi)容包括：主要任務(wù)：主要任務(wù)：化工過程；化工過程；化工工藝流程；化工工藝流程；化工過程開發(fā)；化工過程開發(fā)；化工過程基本參數(shù)化工過程基本參數(shù)溫度、壓力溫度、壓力、流量、化學(xué)組成等基本概念。、流量、化學(xué)組成等基本概念?；み^程化工過程所謂化工過程，是指由原料經(jīng)化學(xué)處理和物理處理加所謂化工過程，是指由原料經(jīng)化學(xué)處理和物理處理加工成化學(xué)產(chǎn)品或中間產(chǎn)品的生產(chǎn)過程。它包括許多工工

2、成化學(xué)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組設(shè)備如反應(yīng)器、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、換熱器及輸送設(shè)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，完成某種化備等等組合而成。物料通過各設(shè)備時，完成某種化學(xué)或物理處理，最終成為合格的產(chǎn)品。學(xué)或物理處理，最終成為合格的產(chǎn)品。主要操作可歸納為下列幾類：主要操作可歸納為下列幾類：1.化學(xué)反應(yīng)；化學(xué)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.混合混合1、化學(xué)反應(yīng)。、化學(xué)反應(yīng)?；瘜W(xué)反應(yīng)是整個化工過程的核心。

3、一種化學(xué)反應(yīng)是否能化學(xué)反應(yīng)是整個化工過程的核心。一種化學(xué)反應(yīng)是否能在工業(yè)上付諸實現(xiàn)取決于許多因素，如平衡收率即反在工業(yè)上付諸實現(xiàn)取決于許多因素，如平衡收率即反應(yīng)系統(tǒng)達到平衡狀態(tài)時，加入的原料轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品的數(shù)量應(yīng)系統(tǒng)達到平衡狀態(tài)時，加入的原料轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品的數(shù)量）、反應(yīng)速度、控制或減少副反應(yīng)的可能性等。）、反應(yīng)速度、控制或減少副反應(yīng)的可能性等。分離過程通常只是一種物理過程，不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。分離過程通常只是一種物理過程，不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。它是利用物質(zhì)在相變化過程中某些物理性質(zhì)如沸點它是利用物質(zhì)在相變化過程中某些物理性質(zhì)如沸點、熔點、溶解度等的差異來進行的。如蒸餾是基于、熔點、溶解度等的差異來進行的。如蒸餾

4、是基于不同組分揮發(fā)度或沸點的不同；結(jié)晶是基于熔點或溶不同組分揮發(fā)度或沸點的不同；結(jié)晶是基于熔點或溶解度的不同；溶劑萃取是基于一種物質(zhì)在兩種互不相解度的不同；溶劑萃取是基于一種物質(zhì)在兩種互不相溶的液體中溶解度的不同等。溶的液體中溶解度的不同等。2、分離或提純。、分離或提純?；どa(chǎn)中的分離過程就是將兩種或兩種以上組分化工生產(chǎn)中的分離過程就是將兩種或兩種以上組分的混合物分成純的或比較純的組分。由于生產(chǎn)中的的混合物分成純的或比較純的組分。由于生產(chǎn)中的化學(xué)反應(yīng)過程常常存在副反應(yīng)、反應(yīng)不完全或使用化學(xué)反應(yīng)過程常常存在副反應(yīng)、反應(yīng)不完全或使用溶劑等方面原因，使原料經(jīng)反應(yīng)后得到的產(chǎn)物往往溶劑等方面原因，使原

5、料經(jīng)反應(yīng)后得到的產(chǎn)物往往不是一種純的產(chǎn)物，而是幾種組分的混合物，必須不是一種純的產(chǎn)物，而是幾種組分的混合物，必須經(jīng)分離或提純后，才能成為較純的產(chǎn)品。經(jīng)分離或提純后，才能成為較純的產(chǎn)品。3、改變溫度。、改變溫度?；瘜W(xué)反應(yīng)速度和收率、物質(zhì)的相態(tài)變化如蒸氣的冷化學(xué)反應(yīng)速度和收率、物質(zhì)的相態(tài)變化如蒸氣的冷凝、液體的氣化或凝固、固體的熔化等以及物質(zhì)的凝、液體的氣化或凝固、固體的熔化等以及物質(zhì)的其他物理性質(zhì)變化如粘度、溶解度、表面張力等其他物理性質(zhì)變化如粘度、溶解度、表面張力等等均與溫度有密切的關(guān)系，改變溫度可調(diào)節(jié)以上各性等均與溫度有密切的關(guān)系，改變溫度可調(diào)節(jié)以上各性質(zhì)達到所需的要求。質(zhì)達到所需的要求。物

6、質(zhì)的加熱都要消耗能量。所以，回收熱量使熱量充物質(zhì)的加熱都要消耗能量。所以，回收熱量使熱量充分利用，是化工廠提高經(jīng)濟效益的一個重要措施。例分利用，是化工廠提高經(jīng)濟效益的一個重要措施。例如，要將原科加熱到反應(yīng)溫度則需要熱量。而反應(yīng)器如，要將原科加熱到反應(yīng)溫度則需要熱量。而反應(yīng)器排出的是熱的產(chǎn)物，此部分熱量可回收利用，這就可排出的是熱的產(chǎn)物，此部分熱量可回收利用，這就可以把原料先與熱的反應(yīng)產(chǎn)物進行換熱，回收部分熱量以把原料先與熱的反應(yīng)產(chǎn)物進行換熱，回收部分熱量，然后再將其加熱到反應(yīng)溫度。，然后再將其加熱到反應(yīng)溫度。4、改變壓力。、改變壓力。化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)物或生成物中如有氣體時，改變壓化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)物

7、或生成物中如有氣體時，改變壓力對平衡收率有影響。例如，合成氨反應(yīng)力對平衡收率有影響。例如，合成氨反應(yīng)N23H22NH3，壓力增高，氨的平衡產(chǎn)率就增加。除此，壓力增高，氨的平衡產(chǎn)率就增加。除此之外物質(zhì)的相態(tài)變化，如蒸氣冷凝或液體氣化等與之外物質(zhì)的相態(tài)變化，如蒸氣冷凝或液體氣化等與壓力亦有密切關(guān)系。當(dāng)用泵或壓縮機輸送流體時，壓力亦有密切關(guān)系。當(dāng)用泵或壓縮機輸送流體時，壓力用于克服設(shè)備和管線中的阻力。壓力用于克服設(shè)備和管線中的阻力。5、混合。、混合?；旌鲜桥c分離相反的一個過程。在化工生產(chǎn)中，常常混合是與分離相反的一個過程。在化工生產(chǎn)中，常常需要將兩種或兩種以上物質(zhì)混合在一起。通常，混合需要將兩種或兩

8、種以上物質(zhì)混合在一起。通常，混合不消耗能量，只有為了加速混合使用攪拌器時，才消不消耗能量，只有為了加速混合使用攪拌器時，才消耗少量能量。耗少量能量?；み^程中的每一個設(shè)備進行上述一種或幾種操作。設(shè)化工過程中的每一個設(shè)備進行上述一種或幾種操作。設(shè)計化工過程，就是設(shè)計以上一系列操作，將其適當(dāng)?shù)?、計化工過程，就是設(shè)計以上一系列操作，將其適當(dāng)?shù)?、合理地組合起來，以改變原料的化學(xué)和物理性質(zhì)，使之合理地組合起來，以改變原料的化學(xué)和物理性質(zhì)，使之能夠生產(chǎn)合格的產(chǎn)品。把完成這些操作的設(shè)備串連組合能夠生產(chǎn)合格的產(chǎn)品。把完成這些操作的設(shè)備串連組合起來，就成為一個化工過程。起來，就成為一個化工過程?；すに嚵鞒袒?/p>

9、工藝流程工藝流程圖能簡明、扼要的表明化工產(chǎn)品的生產(chǎn)工序工藝流程圖能簡明、扼要的表明化工產(chǎn)品的生產(chǎn)工序，看來一目了然。從工藝流程圖可以初步了解生產(chǎn)方，看來一目了然。從工藝流程圖可以初步了解生產(chǎn)方法、生產(chǎn)過程以及各主要物料的來龍去脈。在解物料法、生產(chǎn)過程以及各主要物料的來龍去脈。在解物料和能量衡算題時，也需要用圖來表示各設(shè)備之間的物和能量衡算題時，也需要用圖來表示各設(shè)備之間的物料關(guān)系。料關(guān)系。13化工過程開發(fā)化工過程開發(fā)化工過程開發(fā)是指一個化學(xué)反應(yīng)從實驗室過渡到第化工過程開發(fā)是指一個化學(xué)反應(yīng)從實驗室過渡到第一套生產(chǎn)裝置的全部過程。一套生產(chǎn)裝置的全部過程?；み^程開發(fā)，首先是決定子化學(xué)反應(yīng)的可能性、

10、化工過程開發(fā)，首先是決定子化學(xué)反應(yīng)的可能性、轉(zhuǎn)化率及反應(yīng)速度是否具有工業(yè)價值，產(chǎn)物分離的轉(zhuǎn)化率及反應(yīng)速度是否具有工業(yè)價值，產(chǎn)物分離的難易程度以及機械、設(shè)備、材料是否可行。當(dāng)然，難易程度以及機械、設(shè)備、材料是否可行。當(dāng)然，最終取決于是否有經(jīng)濟效益。最終取決于是否有經(jīng)濟效益?；み^程開發(fā)的第一步就是要設(shè)計一個流程圖。由化工過程開發(fā)的第一步就是要設(shè)計一個流程圖。由于化學(xué)反應(yīng)或產(chǎn)物的分離可用不同的方法來完成，于化學(xué)反應(yīng)或產(chǎn)物的分離可用不同的方法來完成，因此，設(shè)計流程時，必須選擇一個安全、可靠、經(jīng)因此，設(shè)計流程時，必須選擇一個安全、可靠、經(jīng)擠效益高的最佳方案。擠效益高的最佳方案。14過程參數(shù)過程參數(shù)在化

11、工生產(chǎn)過程中，能影響過程運行和狀態(tài)的物理量在化工生產(chǎn)過程中，能影響過程運行和狀態(tài)的物理量，如溫度、壓力、流量及物料的百分組成或濃度等，如溫度、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)值恒定，條件改變其數(shù)值也隨之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)。這些參數(shù)也常作為變化，這些物理量稱為過程參數(shù)。這些參數(shù)也常作為控制生產(chǎn)過程的主要指標?？刂粕a(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)

12、之間的關(guān)系，通過計算求得，有時也可以根據(jù)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。經(jīng)驗數(shù)據(jù)選定。第二節(jié)第二節(jié)化工基礎(chǔ)數(shù)據(jù)化工基礎(chǔ)數(shù)據(jù)在化工計算以及化工工藝和設(shè)備設(shè)計中，必不可少在化工計算以及化工工藝和設(shè)備設(shè)計中，必不可少地要用到有關(guān)化合物的物性數(shù)據(jù)。地要用到有關(guān)化合物的物性數(shù)據(jù)?；せA(chǔ)數(shù)據(jù)包括很多，現(xiàn)將常用的一些化工基化工基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括很多，現(xiàn)將常用的一些化工基礎(chǔ)數(shù)據(jù)大致歸納成以下幾類：礎(chǔ)數(shù)據(jù)大致歸納成以下幾類：(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)、壓縮度、臨界體積）、密度或比容、狀態(tài)方程參

13、數(shù)、壓縮系數(shù)、蒸氣壓、氣一液平衡關(guān)系等。系數(shù)、蒸氣壓、氣一液平衡關(guān)系等。(2)熱力學(xué)物性數(shù)據(jù)熱力學(xué)物性數(shù)據(jù)如內(nèi)能、焓、熵、熱容、相變?nèi)鐑?nèi)能、焓、熵、熱容、相變熱、自由能、自由焓等。熱、自由能、自由焓等。(3)化學(xué)反應(yīng)和熱化學(xué)數(shù)據(jù)化學(xué)反應(yīng)和熱化學(xué)數(shù)據(jù)如反應(yīng)熱、生成熱、燃如反應(yīng)熱、生成熱、燃燒熱、反應(yīng)速度常數(shù)、活化能，化學(xué)平衡常數(shù)等。燒熱、反應(yīng)速度常數(shù)、活化能，化學(xué)平衡常數(shù)等。(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、查手冊或文獻資料、查手冊或文獻資料有關(guān)常用物質(zhì)的物性數(shù)據(jù)，前人已系統(tǒng)地進行歸納

14、有關(guān)常用物質(zhì)的物性數(shù)據(jù)，前人已系統(tǒng)地進行歸納總結(jié)，從表格或圖的形式表示。這些致?lián)蓮挠嘘P(guān)總結(jié)，從表格或圖的形式表示。這些致?lián)蓮挠嘘P(guān)的化學(xué)化工類手冊或?qū)I(yè)性的化工手冊中查到。的化學(xué)化工類手冊或?qū)I(yè)性的化工手冊中查到。2、估算?？梢詰?yīng)用物理和化學(xué)的一些基本定律計算、估算?？梢詰?yīng)用物理和化學(xué)的一些基本定律計算各種物質(zhì)的性質(zhì)參數(shù)。各種物質(zhì)的性質(zhì)參數(shù)。3、用實驗直接測定。、用實驗直接測定。近年來，隨著電子計算機的迅速發(fā)展，應(yīng)用計算機近年來，隨著電子計算機的迅速發(fā)展，應(yīng)用計算機儲存、檢索和推算物性數(shù)據(jù)日益增多。一些大型化儲存、檢索和推算物性數(shù)據(jù)日益增多。一些大型化工企業(yè)、研究部門和高等院校都相應(yīng)建立了物

15、性數(shù)工企業(yè)、研究部門和高等院校都相應(yīng)建立了物性數(shù)據(jù)庫，以便于通過計算機自動檢索或估算所要求的據(jù)庫，以便于通過計算機自動檢索或估算所要求的數(shù)據(jù)，而不必自行查找或計算，大大節(jié)省了時間和數(shù)據(jù)，而不必自行查找或計算，大大節(jié)省了時間和精力。精力。第三節(jié)第三節(jié)物料衡算物料衡算物料衡算是化工計算中最基本、也是最重要的內(nèi)容物料衡算是化工計算中最基本、也是最重要的內(nèi)容之一，它是能量衡算的基礎(chǔ)。一般在物料衡算之后之一，它是能量衡算的基礎(chǔ)。一般在物料衡算之后，才能計算所需要提供或移走的能量。，才能計算所需要提供或移走的能量。物料衡算的分類：物料衡算的分類：一、對已有的生產(chǎn)設(shè)備或裝置，利用實際測定的數(shù)一、對已有的生產(chǎn)

16、設(shè)備或裝置，利用實際測定的數(shù)據(jù)，算出另一些不能直接測定的物料量。用此計算據(jù)，算出另一些不能直接測定的物料量。用此計算結(jié)果，對生產(chǎn)情況進行分析、作出判斷、提出改進結(jié)果，對生產(chǎn)情況進行分析、作出判斷、提出改進措施。措施。二、是設(shè)計一種新的設(shè)備或裝置，根據(jù)設(shè)計任務(wù)，二、是設(shè)計一種新的設(shè)備或裝置，根據(jù)設(shè)計任務(wù)，先作物料衡算，求出進出各設(shè)備的物料量，然后再先作物料衡算，求出進出各設(shè)備的物料量，然后再作能量衡算，求出設(shè)備或過程的熱負荷，從而確定作能量衡算，求出設(shè)備或過程的熱負荷，從而確定設(shè)備尺寸及整個工藝流程。設(shè)備尺寸及整個工藝流程。一、一、物料衡算式物料衡算式1、化工過程的類型、化工過程的類型根據(jù)其操作

17、方式分：根據(jù)其操作方式分：（1）、間歇操作）、間歇操作（2）、連續(xù)操作）、連續(xù)操作（3）、半連續(xù)操作）、半連續(xù)操作或者分為：或者分為：（1）、穩(wěn)定狀態(tài)操作）、穩(wěn)定狀態(tài)操作（2）、不穩(wěn)定狀態(tài)操作兩類。）、不穩(wěn)定狀態(tài)操作兩類。聞歇操作過程：聞歇操作過程：原料在生產(chǎn)操作開始時一次加入，然后進行反應(yīng)或其原料在生產(chǎn)操作開始時一次加入，然后進行反應(yīng)或其他操作，一直到操作完成后，物料一次排出，即為間他操作，一直到操作完成后，物料一次排出，即為間歇操作過程。此過程的特點是在整個操作時間內(nèi)，再歇操作過程。此過程的特點是在整個操作時間內(nèi)，再無物料進出設(shè)備，設(shè)備中各部分的組成、條件隨時間無物料進出設(shè)備，設(shè)備中各部分

18、的組成、條件隨時間而不斷變化。而不斷變化。連續(xù)操作過程：連續(xù)操作過程：在整個操作期間，原料不斷穩(wěn)定地輸入生產(chǎn)設(shè)備，同在整個操作期間，原料不斷穩(wěn)定地輸入生產(chǎn)設(shè)備，同時不斷從設(shè)備排出同樣數(shù)量總量的物料。設(shè)備的時不斷從設(shè)備排出同樣數(shù)量總量的物料。設(shè)備的進料和出料是連續(xù)流動的，即為連續(xù)操作過程。在整進料和出料是連續(xù)流動的，即為連續(xù)操作過程。在整個操作期間，設(shè)備內(nèi)各部分組成與條件不隨時間而變個操作期間，設(shè)備內(nèi)各部分組成與條件不隨時間而變化。化。半連續(xù)操作過程：半連續(xù)操作過程：操作時物料一次輸入或分批輸入，而出料是連續(xù)的，操作時物料一次輸入或分批輸入，而出料是連續(xù)的，或連續(xù)輸入物料，而出料是一次或分批的。

19、或連續(xù)輸入物料，而出料是一次或分批的。穩(wěn)定狀態(tài)操作：穩(wěn)定狀態(tài)操作：就是整個化工過程的操作條件如溫度、壓力、物料就是整個化工過程的操作條件如溫度、壓力、物料量及組成等如果不隨時間而變化，只是設(shè)備內(nèi)不同量及組成等如果不隨時間而變化，只是設(shè)備內(nèi)不同點有差別，這種過程稱為穩(wěn)定狀態(tài)操作過程，或稱穩(wěn)點有差別，這種過程稱為穩(wěn)定狀態(tài)操作過程，或稱穩(wěn)定過程。定過程。不穩(wěn)定狀態(tài)操作：不穩(wěn)定狀態(tài)操作：如果操作條件隨時間而不斷變化的，則稱為不穩(wěn)定狀如果操作條件隨時間而不斷變化的，則稱為不穩(wěn)定狀態(tài)操作過程，或稱不穩(wěn)定過程。態(tài)操作過程，或稱不穩(wěn)定過程。間歇過程及半連續(xù)過程是不穩(wěn)定狀態(tài)操作。間歇過程及半連續(xù)過程是不穩(wěn)定狀態(tài)

20、操作。連續(xù)過程在正常操作期間，操作條件比較穩(wěn)定，連續(xù)過程在正常操作期間，操作條件比較穩(wěn)定，此時屬穩(wěn)定狀態(tài)操作此時屬穩(wěn)定狀態(tài)操作在開、停工期間或操作條件變化和出現(xiàn)故障時，在開、停工期間或操作條件變化和出現(xiàn)故障時，則屬不穩(wěn)定狀態(tài)操作。則屬不穩(wěn)定狀態(tài)操作。2、物料衡算式、物料衡算式物料衡算的基本關(guān)系式物料衡算的基本關(guān)系式物料量積累的物料量輸出的物料量輸入的物料量積累的物料量輸出的消耗的物料量反應(yīng)生成或物料量輸入的如果體系內(nèi)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，則對任一個組分或任一種元如果體系內(nèi)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，則對任一個組分或任一種元素作衡算時，必須把反應(yīng)消耗或生成的量亦考慮在內(nèi)。素作衡算時，必須把反應(yīng)消耗或生成的量亦考慮在內(nèi)

21、。列物料衡算式時應(yīng)注意，物料平衡是指質(zhì)量平衡，不列物料衡算式時應(yīng)注意，物料平衡是指質(zhì)量平衡，不是體積或物質(zhì)的量是體積或物質(zhì)的量(摩爾數(shù)摩爾數(shù))平衡。若體系內(nèi)有化學(xué)反平衡。若體系內(nèi)有化學(xué)反應(yīng)，則平衡式中各項用摩爾應(yīng)，則平衡式中各項用摩爾/時為基準時，必須考慮時為基準時，必須考慮反應(yīng)式中的化學(xué)計量系數(shù)。因為反應(yīng)前后物料中的分反應(yīng)式中的化學(xué)計量系數(shù)。因為反應(yīng)前后物料中的分子數(shù)不守恒。子數(shù)不守恒。如圖，表示無化學(xué)反應(yīng)的連續(xù)過程物料流程。圖中方如圖，表示無化學(xué)反應(yīng)的連續(xù)過程物料流程。圖中方框表示一個體系，虛線表示體系邊界。共有三個流股框表示一個體系，虛線表示體系邊界。共有三個流股，進料，進料F及出料及出

22、料P和和W。有兩個組分。每個流股的流。有兩個組分。每個流股的流量及組成如圖所示。圖中量及組成如圖所示。圖中x為質(zhì)量分數(shù)。為質(zhì)量分數(shù)。123FPWf1f2p1p2w1w2xxxxxx無化學(xué)反應(yīng)的連續(xù)過程物料衡算過 程可列出物料衡算式：可列出物料衡算式：總物料衡算式總物料衡算式每種組分衡算式每種組分衡算式222111wpfwpfxWxPxFxWxPxFWPF二、物料衡算的基本方法二、物料衡算的基本方法1、畫物料流程簡圖。、畫物料流程簡圖。2、計算基準及其選擇。、計算基準及其選擇。3、物料衡算的步驟、物料衡算的步驟常用基準：常用基準：a、時間基準、時間基準b、批量基準、批量基準c、質(zhì)量基準、質(zhì)量基準

23、計算步驟如下：計算步驟如下：(1)搜集計算數(shù)據(jù)。搜集計算數(shù)據(jù)。(2)畫出物料流程簡圖。畫出物料流程簡圖。(3)確定衡算體系。確定衡算體系。(4)寫出化學(xué)反應(yīng)方程式，包括主反應(yīng)和副反應(yīng)，標寫出化學(xué)反應(yīng)方程式，包括主反應(yīng)和副反應(yīng)，標出有用的分子量。出有用的分子量。(5)選擇合適的計算基準，并在流程圖上注明所選的選擇合適的計算基準，并在流程圖上注明所選的基準值?；鶞手怠?6)列出物料衡算式，然后用數(shù)學(xué)方法求解。列出物料衡算式，然后用數(shù)學(xué)方法求解。(7)將計算結(jié)果列成輸入輸出物料表將計算結(jié)果列成輸入輸出物料表(物料平衡表物料平衡表)。(8)校核計算結(jié)果校核計算結(jié)果第四節(jié)第四節(jié)能量衡算能量衡算在化工生產(chǎn)

24、中，能量的消耗是一項重要的技術(shù)經(jīng)濟在化工生產(chǎn)中，能量的消耗是一項重要的技術(shù)經(jīng)濟指標，它是衡量工藝過程、設(shè)備設(shè)計、操作制度是指標，它是衡量工藝過程、設(shè)備設(shè)計、操作制度是否先進合理的主要指標之一。否先進合理的主要指標之一。能量衡算有兩種類型的問題，一種是先對使用中的裝能量衡算有兩種類型的問題，一種是先對使用中的裝置或設(shè)備，實際測定一些能量，通過衡算計算出另外置或設(shè)備，實際測定一些能量，通過衡算計算出另外一些難以直接測定的能量，由此作出能量方面的評價一些難以直接測定的能量，由此作出能量方面的評價，即由裝置或設(shè)備進出口物料的量和溫度，以及其它，即由裝置或設(shè)備進出口物料的量和溫度，以及其它各項能量，求出

25、裝置或設(shè)備的能量利用情況；另一類各項能量，求出裝置或設(shè)備的能量利用情況；另一類是在設(shè)計新裝置或設(shè)備時，根據(jù)已知的或可設(shè)定的物是在設(shè)計新裝置或設(shè)備時，根據(jù)已知的或可設(shè)定的物料量求得未知的物料量或溫度，和需要加入或移出的料量求得未知的物料量或溫度，和需要加入或移出的熱量。熱量。能量衡算的基本概念能量衡算的基本概念動能動能Ek）運動著的流體具有動能；運動著的流體具有動能；位能位能EP）物體自某一基準面移高到一定距物體自某一基準面移高到一定距離，由于這種位移而具有的能量。離，由于這種位移而具有的能量。靜壓能靜壓能Ez流體由于一定的靜壓強而具有的流體由于一定的靜壓強而具有的能量。能量。內(nèi)能內(nèi)能U）內(nèi)能是

26、指物體除了宏觀的動能和內(nèi)能是指物體除了宏觀的動能和位能外所具有的能量。位能外所具有的能量。一、能量的形式一、能量的形式二、幾個與能量衡算有關(guān)的重要物理量二、幾個與能量衡算有關(guān)的重要物理量1、熱量、熱量Q）溫度不同的兩物體相接觸或靠近，熱量從熱溫溫度不同的兩物體相接觸或靠近，熱量從熱溫度高的物體向冷溫度低的物體流動，這種度高的物體向冷溫度低的物體流動，這種由于溫度差而引起交換的能量，稱為熱量。由于溫度差而引起交換的能量，稱為熱量。因此對于熱量要明確兩點：因此對于熱量要明確兩點：第一，熱量是一種能量的形式，是傳遞過程中的第一，熱量是一種能量的形式，是傳遞過程中的能量形式；能量形式；第二，一定要有溫

27、度差或溫度梯度，才會有熱量第二，一定要有溫度差或溫度梯度，才會有熱量的傳遞。的傳遞。2、功、功W）功是力與位移的乘積。在化工中常見的有體積功體功是力與位移的乘積。在化工中常見的有體積功體系體積變化時，由于反抗外力作用而與環(huán)境交換的功系體積變化時，由于反抗外力作用而與環(huán)境交換的功）、流動功物系在流動過程中為推動流體流動所需）、流動功物系在流動過程中為推動流體流動所需的功以及旋轉(zhuǎn)軸的機械功等。以環(huán)境向體系作功為的功以及旋轉(zhuǎn)軸的機械功等。以環(huán)境向體系作功為正、反之為負。正、反之為負。3、焓、焓(H)它的定義是：它的定義是：HUPV dPPHdTTHdHTP對對H全微分：全微分：在多數(shù)實際場合，上式右

28、邊第二項可忽略，在多數(shù)實際場合，上式右邊第二項可忽略，因此焓差可表示成因此焓差可表示成2112TTpdTCHH4、熱容、熱容熱容是一定量的物質(zhì)改變一定的溫度所需要的熱量熱容是一定量的物質(zhì)改變一定的溫度所需要的熱量，可以看作是溫度差，可以看作是溫度差T和引起溫度變化的熱量和引起溫度變化的熱量Q之之間的比例常數(shù)，即間的比例常數(shù)，即QmCT二、二、能量衡算的基本方法及步驟能量衡算的基本方法及步驟根據(jù)能量守恒原理，能量衡算的基本方法可表示為：根據(jù)能量守恒原理，能量衡算的基本方法可表示為：輸入的能量輸入的能量一一輸出的能量輸出的能量積累的能量積累的能量1、總能量衡算、總能量衡算a、連續(xù)穩(wěn)定流動過程的總能

29、量衡算、連續(xù)穩(wěn)定流動過程的總能量衡算H +Ek + EP Q + W b、間歇過程的總能量衡算間歇過程的總能量衡算U +Ek + EP Q + Wc、一般間歇操作，能量、位能差項等于零，、一般間歇操作，能量、位能差項等于零，即即Ek0，EP0，所以上式又可簡化為，所以上式又可簡化為U Q + W 2、熱量衡算、熱量衡算l熱量衡算式熱量衡算式Q = H = H1 H2 Q = U = U1 U2 (間歇過程間歇過程) 熱量衡算就是計算在指定的條件下進出物料的焓差，從熱量衡算就是計算在指定的條件下進出物料的焓差，從而確定過程傳遞的熱量。在實際計算時，由于進出設(shè)備而確定過程傳遞的熱量。在實際計算時，

30、由于進出設(shè)備的物料不止一個，因此可改寫為：的物料不止一個，因此可改寫為：Q =H1 H2 或或 Q = U1 U2 l熱量衡算的基本方法及步驟熱量衡算的基本方法及步驟熱量衡算有兩種情況：熱量衡算有兩種情況：一種是在設(shè)計時，根據(jù)給定的進出物料量及已知溫度一種是在設(shè)計時，根據(jù)給定的進出物料量及已知溫度求另一殷物料的未知物料量或溫度，常用于計算換熱求另一殷物料的未知物料量或溫度，常用于計算換熱設(shè)備的蒸汽用量或冷卻水用量。設(shè)備的蒸汽用量或冷卻水用量。另一種是在原有的裝置上，對某個設(shè)備，利用實際測另一種是在原有的裝置上，對某個設(shè)備，利用實際測定有時也要作一些相應(yīng)的計算的數(shù)據(jù)，計算出另定有時也要作一些相應(yīng)

31、的計算的數(shù)據(jù)，計算出另一些不能或很難直接測定的熱量或能量，由此對設(shè)備一些不能或很難直接測定的熱量或能量，由此對設(shè)備作出能量上的分析。作出能量上的分析。如根據(jù)各股物料進出口量及溫度，找出該設(shè)備的熱利如根據(jù)各股物料進出口量及溫度，找出該設(shè)備的熱利用和熱損失情況。熱量衡算也需要確定基準，畫出流用和熱損失情況。熱量衡算也需要確定基準，畫出流程圖，列出熱量衡算表等。程圖，列出熱量衡算表等。3、機械能衡算、機械能衡算在反應(yīng)器、蒸餾塔、蒸發(fā)器、換熱器等化工設(shè)備中在反應(yīng)器、蒸餾塔、蒸發(fā)器、換熱器等化工設(shè)備中，功、動能、位能的變化，較之傳熱量、內(nèi)能和焓，功、動能、位能的變化，較之傳熱量、內(nèi)能和焓的變化，是可以忽

32、略的。因此作這些設(shè)備的能量衡的變化，是可以忽略的。因此作這些設(shè)備的能量衡算時，總能量衡算式可以簡成算時，總能量衡算式可以簡成Q=U(封閉體系或封閉體系或Q=H(敞開體系）。敞開體系）。但在另一類操作中，情況剛好相反，即傳熱量、內(nèi)能但在另一類操作中，情況剛好相反，即傳熱量、內(nèi)能的變化與動能變化、位能變化、功相比，卻是次要的的變化與動能變化、位能變化、功相比，卻是次要的了。這些操作大多是流體流入流出貯罐、貯槽、工藝了。這些操作大多是流體流入流出貯罐、貯槽、工藝設(shè)備、輸送設(shè)備、廢料排放設(shè)備?；蛟谶@些設(shè)備之間設(shè)備、輸送設(shè)備、廢料排放設(shè)備?；蛟谶@些設(shè)備之間流動。流動。連續(xù)穩(wěn)定流動過程總能量衡算式：連續(xù)穩(wěn)

33、定流動過程總能量衡算式：Hu2/2gZ(PV)QW1千克不可壓縮流體流動時的機械能衡算式：千克不可壓縮流體流動時的機械能衡算式：P/u2/2gZFW 43無化學(xué)反應(yīng)過程的能量衡算無化學(xué)反應(yīng)過程的能量衡算無化學(xué)反應(yīng)過程的能量衡算，一般應(yīng)用于計算指定條無化學(xué)反應(yīng)過程的能量衡算，一般應(yīng)用于計算指定條件下進出過程物料的燴差，用來確定過程的熱量。件下進出過程物料的燴差，用來確定過程的熱量。為了計算一個過程的為了計算一個過程的AH，可以用假想的、由始態(tài)到，可以用假想的、由始態(tài)到終態(tài)幾個階段來代替原過程，這些階段的焓變應(yīng)該是終態(tài)幾個階段來代替原過程，這些階段的焓變應(yīng)該是可以計算的，所需的數(shù)據(jù)也可以得到的。由

34、于焓是狀可以計算的，所需的數(shù)據(jù)也可以得到的。由于焓是狀態(tài)函數(shù)，所以每一階段的態(tài)函數(shù)，所以每一階段的H之和即為全過程的之和即為全過程的H。1、無相變的變溫變壓過程、無相變的變溫變壓過程21TTvvdTCnUQ21TTppdTCnHQ2、相變過程的能量衡算、相變過程的能量衡算汽化和冷凝、熔化和凝固、升華和凝華這類相變過程汽化和冷凝、熔化和凝固、升華和凝華這類相變過程往往伴有顯著的內(nèi)能和燴的變化，這種變化常成為過往往伴有顯著的內(nèi)能和燴的變化，這種變化常成為過程熱量的主體，不容忽視。程熱量的主體，不容忽視。在恒定的溫度和壓力下，單位質(zhì)量或摩爾的物質(zhì)發(fā)生在恒定的溫度和壓力下，單位質(zhì)量或摩爾的物質(zhì)發(fā)生相的

35、變化時的焓變稱為相變熱。例如相的變化時的焓變稱為相變熱。例如100oC、latm時時液體水轉(zhuǎn)變成水汽的焓變液體水轉(zhuǎn)變成水汽的焓變H等于等于40.6kJ/mol，稱為在，稱為在該溫度和壓力下水的汽化潛熱。該溫度和壓力下水的汽化潛熱。三種相變的相變熱定義如下：三種相變的相變熱定義如下：汽化潛熱汽化潛熱(Hv當(dāng)當(dāng)T和和P不變，單位數(shù)量的液不變，單位數(shù)量的液體汽化所需的熱量。體汽化所需的熱量。熔化潛熱熔化潛熱(Hm)當(dāng)當(dāng)T和和P不變，單位數(shù)量的固不變，單位數(shù)量的固體熔化所需的熱量。體熔化所需的熱量。升華潛熱升華潛熱(Ht當(dāng)當(dāng)T和和P不變，單位數(shù)量的固不變，單位數(shù)量的固體氣化所需的熱量。體氣化所需的熱量

36、。44化學(xué)反應(yīng)過程的能量衡算化學(xué)反應(yīng)過程的能量衡算化學(xué)反應(yīng)過程通常都伴隨較大的熱效應(yīng)化學(xué)反應(yīng)過程通常都伴隨較大的熱效應(yīng)吸收吸收熱量或放出熱量。為了使反應(yīng)溫度得到控制，必?zé)崃炕蚍懦鰺崃?。為了使反?yīng)溫度得到控制，必須自反應(yīng)體系排走熱量或向反應(yīng)體系供給熱量，須自反應(yīng)體系排走熱量或向反應(yīng)體系供給熱量，即反應(yīng)器必須有供熱或冷卻用的換熱設(shè)備，這種即反應(yīng)器必須有供熱或冷卻用的換熱設(shè)備，這種措施不但成為反應(yīng)能否進行的關(guān)鍵，也與能量的措施不但成為反應(yīng)能否進行的關(guān)鍵，也與能量的合理利用有密切關(guān)系。合理利用有密切關(guān)系。這里主要討論反應(yīng)熱的計算方法，反應(yīng)熱可用生成熱這里主要討論反應(yīng)熱的計算方法，反應(yīng)熱可用生成熱或燃燒熱來計算，所以先要討論燃燒熱和生成熱，及或燃燒熱來計算，所以先要討論燃燒熱和生成熱，及其用于反應(yīng)熱的計算，然后將反應(yīng)熱結(jié)合到能量衡算