物料衡算與能量衡算

1、第四章第四章 物料衡算物料衡算物料衡算的定義物料衡算的定義n計算計算輸入或輸出的物流量及組分輸入或輸出的物流量及組分等。等。 是工藝設計的基礎！是工藝設計的基礎！ 物料衡算的理論依據是質量守恒定律，即物料衡算的理論依據是質量守恒定律，即在一個孤立物系中，不論物質發(fā)生任何變化，在一個孤立物系中，不論物質發(fā)生任何變化，它的質量始終不變（不包括核反應，因為核反它的質量始終不變（不包括核反應，因為核反應能量變化非常大，此定律不適用）。應能量變化非常大，此定律不適用）。n設計一種新的設備或裝置，必須根據設計任務，設計一種新的設備或裝置，必須根據設計任務，先作物料衡算，求出進出各設備的物料量，然后先作物料

2、衡算，求出進出各設備的物料量，然后再作能量衡算，求出設備或過程的熱負荷，從而再作能量衡算，求出設備或過程的熱負荷，從而確定設備尺寸及整個工藝流程。確定設備尺寸及整個工藝流程。物料衡算物料衡算與與熱量衡算熱量衡算計算是化工工藝設計中最計算是化工工藝設計中最基本，也是最主要的計算內容。基本，也是最主要的計算內容。物料衡算是熱物料衡算是熱量衡算的基礎。量衡算的基礎。4.1 物料衡算的基本方法物料衡算的基本方法4.1.1 物料衡算進行的主要步驟物料衡算進行的主要步驟n（1）確定衡算的范圍（對象、體系與環(huán)境），并畫出）確定衡算的范圍（對象、體系與環(huán)境），并畫出物料衡算物料衡算方框圖方框圖。對于整個生產流

3、程，要畫出物料流。對于整個生產流程，要畫出物料流程示意圖（或流程程示意圖（或流程方方框圖）。繪制物料流程圖時，要框圖）。繪制物料流程圖時，要著重考慮物料的著重考慮物料的種類和走向種類和走向，輸入和輸出輸入和輸出要明確。要明確。n（2）寫出化學反應方程式，包括主反應和副反應。）寫出化學反應方程式，包括主反應和副反應。（計算分子量）（計算分子量）n（3）確定計算任務，確定過程所涉及的組分，明確哪）確定計算任務，確定過程所涉及的組分，明確哪些是已知項，哪些是待求項，如些是已知項，哪些是待求項，如年產量、生產能力、年產量、生產能力、年工作日、產率、產品純度要求等。年工作日、產率、產品純度要求等。 要進

4、行衡算計算，就要確定衡算的范圍?；ち鞒淘O計衡算要進行衡算計算，就要確定衡算的范圍。化工流程設計衡算的范圍可能有如下幾種情況：的范圍可能有如下幾種情況：a、流程中某一個單元設備；、流程中某一個單元設備；b、流程中某幾個單元設備組合的子流程；、流程中某幾個單元設備組合的子流程；c、整個流程。、整個流程。衡算計算范圍示意圖：衡算計算范圍示意圖：邊界線（邊界線（Boundary Line）圍起來的區(qū)域構成衡算范圍。）圍起來的區(qū)域構成衡算范圍。n（2）寫出化學反應方程式，包括主反應和副反）寫出化學反應方程式，包括主反應和副反應。（計算分子量）應。（計算分子量）n（3）確定計算任務，確定過程所涉及的組分

5、，）確定計算任務，確定過程所涉及的組分，明確哪些是已知項，哪些是待求項，如明確哪些是已知項，哪些是待求項，如年產量、年產量、生產能力、年工作日、產率、產品純度要求等。生產能力、年工作日、產率、產品純度要求等。n（4）選擇計算基準選擇計算基準n（5）收集計算需要數據資料）收集計算需要數據資料n（6）列出）列出物料衡算方程式物料衡算方程式,進行物料衡算進行物料衡算n列出過程的全部獨立物料平衡方程式及其他相列出過程的全部獨立物料平衡方程式及其他相關約束式關約束式,當未知變量數等于獨立方程個數，可當未知變量數等于獨立方程個數，可以用代數法求解。當未知變量數多于獨立方程以用代數法求解。當未知變量數多于獨

6、立方程個數，只能采用試差法或計算機來解題。個數，只能采用試差法或計算機來解題。n（7）將物料衡算結果列成輸入輸出物料表）將物料衡算結果列成輸入輸出物料表(物物料平衡表料平衡表)，畫出物料平衡圖。，畫出物料平衡圖。 校核計算結果。校核計算結果。4.1.2 物料衡算式物料衡算式n進行物料衡算時，根據質量守恒定律，對進行物料衡算時，根據質量守恒定律，對某一個衡算體系，物料衡算的基本關系式某一個衡算體系，物料衡算的基本關系式應該表示為：應該表示為：n進行物料、能量衡算時，必須選擇一個計算基進行物料、能量衡算時，必須選擇一個計算基準。從原則上說選擇任何一種計算基準，都能準。從原則上說選擇任何一種計算基準

7、，都能得到正確的解答。但是，計算基準選擇得恰當，得到正確的解答。但是，計算基準選擇得恰當，可以使計算簡化，避免錯誤?？梢允褂嬎愫喕?，避免錯誤。n根據過程特點，計算基準一般可以從以下幾個根據過程特點，計算基準一般可以從以下幾個方面考慮：方面考慮：4.1.3 物料衡算的基準物料衡算的基準當已知進料（出料）時，則用當已知進料（出料）時，則用100Kmol或或100Kg進料（出料）進料（出料）作基準作基準4.2 物料計算中用到的基本量物料計算中用到的基本量n4.2.1 流體的流量和流速流體的流量和流速n4.2.2 摩爾分數和質量分數摩爾分數和質量分數n4.2.3 混合物的平均分子量混合物的平均分子量n

8、4.2.4 氣體的體積氣體的體積n4.2.5 氣體的密度氣體的密度n4.2.6 液體的密度液體的密度n4.2.7 物質的飽和蒸汽壓物質的飽和蒸汽壓n4.2.8 溶液上方蒸汽中各組分的分壓溶液上方蒸汽中各組分的分壓n4.2.9 轉化率、收率和選擇性轉化率、收率和選擇性n4.2.10 汽液平衡常數汽液平衡常數n化工基礎數據化工基礎數據n(1) 基本物性數據基本物性數據如臨界常數（臨界壓力、臨界溫度、臨界體如臨界常數（臨界壓力、臨界溫度、臨界體積）、密度或比容、狀態(tài)方程參數、壓縮系數、蒸氣壓、氣一積）、密度或比容、狀態(tài)方程參數、壓縮系數、蒸氣壓、氣一液平衡關系等。液平衡關系等。n(2 )熱力學物性數

9、據熱力學物性數據如內能、焓、熵、熱容、相變熱、自由能、如內能、焓、熵、熱容、相變熱、自由能、自由焓等。自由焓等。n(3) 化學反應和熱化學數據化學反應和熱化學數據如反應熱、生成熱、燃燒熱、反應如反應熱、生成熱、燃燒熱、反應速度常數、活化能，化學平衡常數等。速度常數、活化能，化學平衡常數等。n(4) 傳遞參數傳遞參數如粘度、擴散系數、導熱系數等。如粘度、擴散系數、導熱系數等。n通常這些數據可用下列方法得到：通常這些數據可用下列方法得到：n 1、查手冊或文獻資料、查手冊或文獻資料n 2、計算?？梢詰梦锢砗突瘜W的一些基本定律計算各種物質、計算。可以應用物理和化學的一些基本定律計算各種物質的性質參數

10、（如經驗公式）。的性質參數（如經驗公式）。n 3、用實驗直接測定。、用實驗直接測定。4.3 4.3 物理過程的物料衡算物理過程的物料衡算n 在系統(tǒng)中，物料沒有發(fā)生化學反應的過程，在系統(tǒng)中，物料沒有發(fā)生化學反應的過程，稱稱 為無反應過程。這類過程通常又稱為化工單為無反應過程。這類過程通常又稱為化工單元操作，諸如流體輸送、粉碎、換熱、混合、元操作，諸如流體輸送、粉碎、換熱、混合、分離（吸收、精餾、萃取、結晶、過濾、干燥）分離（吸收、精餾、萃取、結晶、過濾、干燥）等。等。n 這種過程的物料衡算比較簡單，在物料流程簡圖中，設備邊界就是衡算體系邊界。 n 對有多個設備的過程，進行物料衡算時，可以劃分多個

11、衡算體系。此時，必須選擇恰當的衡算體系，這是很重要的步驟。不然會使計算繁瑣，甚至無法求解。 4.3.1 混合過程混合過程n例例1 一種廢酸，組成為一種廢酸，組成為23(質量質量)HNO3，57H2SO4和和20H2O，加入，加入93的濃的濃H2SO4及及90的的濃濃HNO3，要求混合成，要求混合成27HNO3及及60H2SO4的混的混合酸，計算所需廢酸及加入濃酸的質量。合酸，計算所需廢酸及加入濃酸的質量。 總式總式 x+y+z=100 (1) 硫酸衡算式硫酸衡算式 0.57x+0.93y=60 (2)4.3.2 連續(xù)蒸餾過程連續(xù)蒸餾過程例例14.3.3 增濕增濕4.3.4 氣體混合物的部分冷凝

12、氣體混合物的部分冷凝4.3.5 液體混合物的部分氣化液體混合物的部分氣化4.3.6 閃蒸閃蒸4.3.7 物理吸收物理吸收*/4.3.8 提濃提濃4.3.9 脫水脫水4.4 用元素的原子平衡的方法作物料衡算用元素的原子平衡的方法作物料衡算n元素衡算是物料衡算的一種重要形式。在作這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，而類衡算時，并不需要考慮具體的化學反應，而是按照元素種類被轉化及重新組合的概念表示是按照元素種類被轉化及重新組合的概念表示為：為：n輸入輸入(某種元素某種元素)輸出輸出(同種元素同種元素)n對反應過程中化學反應很復雜，無法用一、兩對反應過程中化

13、學反應很復雜，無法用一、兩個反應式表示（無法寫出）的物料衡算題，可個反應式表示（無法寫出）的物料衡算題，可以列出元素衡算式，用代數法求解。以列出元素衡算式，用代數法求解。丙烷丙烷A=93.76molB=3.148mol4.5 直接使用反應計量方程式作物料衡算直接使用反應計量方程式作物料衡算n直接求解法直接求解法n有些化學反應過程的物料衡算，有時只有些化學反應過程的物料衡算，有時只含一個未知量或組成，這類問題比較簡含一個未知量或組成，這類問題比較簡單，通?？筛鶕瘜W反應式直接求解，單，通常可根據化學反應式直接求解，不必列出衡算式。不必列出衡算式。4.6 利用聯(lián)系物料作物料衡算利用聯(lián)系物料作物料衡

14、算n“聯(lián)系組分聯(lián)系組分”是指隨物料輸入體系，但完全是指隨物料輸入體系，但完全不參加反應，又隨物料從體系輸出的組分，不參加反應，又隨物料從體系輸出的組分，在整個反應過程中，它的數量不變（在整個反應過程中，它的數量不變（惰性組惰性組分分）。）。n如果體系中存在聯(lián)系組分，那么輸入物料和如果體系中存在聯(lián)系組分，那么輸入物料和輸出物料之間就可以根據聯(lián)系組分的含量進輸出物料之間就可以根據聯(lián)系組分的含量進行關聯(lián)。行關聯(lián)。 n用聯(lián)系組分作衡算，尤其是對含未知量較多用聯(lián)系組分作衡算，尤其是對含未知量較多的物料衡算，可以使計算簡化。的物料衡算，可以使計算簡化。N4.7 復雜反應體系使用產物、副產物各自的收率復雜反

15、應體系使用產物、副產物各自的收率數據作物料衡算數據作物料衡算n.反應轉化率、選擇性及收率等概念反應轉化率、選擇性及收率等概念n（1）限制反應物：化學反應原料不按化學計量比配料）限制反應物：化學反應原料不按化學計量比配料時，其中以最小化學計量數存在的反應物稱為限制反應時，其中以最小化學計量數存在的反應物稱為限制反應物。物。n（2）過量反應物：不按化學計量比配料的原料中，某）過量反應物：不按化學計量比配料的原料中，某種反應物的量超過限制反應物完全反應所需的理論量，種反應物的量超過限制反應物完全反應所需的理論量，該反應物稱為過量反應物。該反應物稱為過量反應物。 n（3）過量百分數：過量反應物超過限制

16、反應）過量百分數：過量反應物超過限制反應物所需理論量的部分占所需理論量的百分數。物所需理論量的部分占所需理論量的百分數。 過量100tteNNN（4）轉化率（以）轉化率（以x表示）：某一反應物反應掉表示）：某一反應物反應掉的量占其輸入量的百分數。的量占其輸入量的百分數。應用時必須指明某個反應物的轉化率。若沒有應用時必須指明某個反應物的轉化率。若沒有指明時，則往往是指限制反應物的轉化率。指明時，則往往是指限制反應物的轉化率。 %100121AAAANNNxn（5）選擇性（以）選擇性（以S表示）：反應物反應成目表示）：反應物反應成目的產物所消耗的量占反應物反應掉的量的百的產物所消耗的量占反應物反應

17、掉的量的百分數。分數。n若反應物為若反應物為A，生成的目的產物為，生成的目的產物為D， n轉化率與選擇性是反應過程的兩個主要技術轉化率與選擇性是反應過程的兩個主要技術指標。指標。 %10021AADNNdaNSn（6）收率（以）收率（以Y表示）：目的產物的量除以表示）：目的產物的量除以反應物（通常指限制反應物）輸入量，以百反應物（通常指限制反應物）輸入量，以百分數表示。它可以用物質的量（摩爾數）或分數表示。它可以用物質的量（摩爾數）或質量進行計算。質量進行計算。 %1001ADDNdaNY轉化率、選擇性與收率三者之間的關系為轉化率、選擇性與收率三者之間的關系為Y = Sx例題分析見教材P161

18、4.8 帶有物料循環(huán)流程的物料衡算n 這類過程的物料衡算與以上介紹的方法相類這類過程的物料衡算與以上介紹的方法相類似，只是需要先根據已知的條件及所求的未知量似，只是需要先根據已知的條件及所求的未知量選擇合適的選擇合適的衡算體系衡算體系，列出物料衡算式再求解。，列出物料衡算式再求解。如果存在如果存在聯(lián)系組分聯(lián)系組分，則可以利用聯(lián)系組分計算。，則可以利用聯(lián)系組分計算。 例題分析見教材P165p80(代數解法代數解法)n試差法試差法。估計循環(huán)流量，并繼續(xù)計算至循環(huán)回流的那一。估計循環(huán)流量，并繼續(xù)計算至循環(huán)回流的那一點。將估計值與計算值進行比較，并重新假定一個估計值，點。將估計值與計算值進行比較，并重

19、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圍內。一直計算到估計值與計算值之差在一定的誤差范圍內。n3、在只有一個或兩個循環(huán)物流的簡單情況，、在只有一個或兩個循環(huán)物流的簡單情況，只要計算基準及系統(tǒng)邊界選擇適當，計算常只要計算基準及系統(tǒng)邊界選擇適當，計算?？珊喕Ｒ话阍诤馑銜r，先進行總的過程衡可簡化。一般在衡算時，先進行總的過程衡算，再對循環(huán)系統(tǒng)，列出方程式求解。對于算，再對循環(huán)系統(tǒng)，列出方程式求解。對于這類物料衡算，衡算系統(tǒng)選取得好壞是關鍵這類物料衡算，衡算系統(tǒng)選取得好壞是關鍵的解題技巧。的解題技巧。4.9 多步串聯(lián)過程的物料衡算n一般是按照生產過程的順序從前向后依次計算。例題

20、分析見教材P168例題4n合成氨原料氣中的合成氨原料氣中的CO通過變換反應器而除去，如圖通過變換反應器而除去，如圖3-3所示。在反應器所示。在反應器1中大部分轉化，反應器中大部分轉化，反應器2中完全中完全脫去。原料氣是由發(fā)生爐煤氣（脫去。原料氣是由發(fā)生爐煤氣（78N2，20CO，2CO2）和水煤氣（）和水煤氣（50%H2，50CO）混合而成的）混合而成的半水煤氣。在反應器中與水蒸汽發(fā)生反應。得到物流半水煤氣。在反應器中與水蒸汽發(fā)生反應。得到物流中中 與與之比為：，假定水蒸汽流率是原料氣總之比為：，假定水蒸汽流率是原料氣總量（干基）的兩倍，同時反應器量（干基）的兩倍，同時反應器1中中CO的轉化率

21、為的轉化率為80%, 試計算中間物流（試計算中間物流（4）的組成。）的組成。圖33 N2 78%,CO 20%CO2 2%， F1H2 50%， CO 50% F2F3反 應 器 1反 應 器 2F4N2， H2， H2OCO,CO2F5N2,CO2H2,H2OH2OCO + H2OCO2 + H2解n基準：物流基準：物流1為為100mol/h；正反應的反應速率為；正反應的反應速率為r（mol/h）（1）過程先由總單元過程摩爾衡算式進行計算，總）過程先由總單元過程摩爾衡算式進行計算，總衡算式為：衡算式為：nN2衡算衡算 F5，N2 =0.7810078mol/hnCO平衡平衡 00.2100+

22、0.5F2 rnH2O平衡平衡 F5,H2OF3 rnCO2平衡平衡 F5,CO20.02100 + rnH2平衡平衡 F5,H20.5F2 + rn已知已知H2與與N2之比為之比為3：1 F5,H23F5,N2378234mol/hn原料氣（干基）與水蒸汽之比為原料氣（干基）與水蒸汽之比為1：2 F32（F1 + F2）n將將H2和和CO平衡式相加，消去平衡式相加，消去r，得：，得： F2234 - 20214mol/hn將將F2值代入值代入CO平衡式中，得：平衡式中，得： r20 + 107127mol/h F32（100 + 214）628mol/hn最后，由最后，由CO2和和H2O平衡

23、得：平衡得： F5,CO2129mol/h；F5,H2O628-127501mol/h（2）計算反應器）計算反應器1的反應速率，然后計算物流的反應速率，然后計算物流4的組的組成成n由反應速率的定義式得：由反應速率的定義式得： r 式中式中 為為I物質的轉化率。物質的轉化率。已知反應器已知反應器1中中CO的轉化率為的轉化率為0.80，由此得反應器，由此得反應器1的反的反應速率：應速率： r 0.80.2100 + 0.5214 101.6mol/hiiiFF/,輸入輸出iiiF/,輸入i/,輸入F物流4中每一物流的流率已知已知r后，物流后，物流4中每一物流的流率可以用物料衡算求得，中每一物流的流

24、率可以用物料衡算求得，即：即：nN2平衡：平衡： F4,N20.7810078mol/hnCO平衡：平衡： F4,co127 r25.4mol/hnH2O平衡：平衡： F4,H2O628 r526.4mol/hnCO2平衡：平衡： F4,CO22 + r103.6mol/hnH2平衡：平衡： F4,H2107 + r208.6mol/h 物流物流4的組成（摩爾分率）為：的組成（摩爾分率）為： N2：0.083；CO：0.027；H2O：0.559；CO2：0.110；H2：0.221。 例題5nK2CrO4從水溶液重結晶處理工藝是將每小時從水溶液重結晶處理工藝是將每小時4500mol含含33.

25、33（mol）的）的K2CrO4新鮮溶液和另一股含新鮮溶液和另一股含36.36（mol）K2CrO4的循環(huán)液合并加入至一臺蒸發(fā)器中，蒸發(fā)溫度為的循環(huán)液合并加入至一臺蒸發(fā)器中，蒸發(fā)溫度為120，用，用0.3MPa的蒸汽加熱。從蒸發(fā)器放出的濃縮料液含的蒸汽加熱。從蒸發(fā)器放出的濃縮料液含49.4（mol）K2CrO4進入結晶槽，在結晶槽被冷卻，冷至進入結晶槽，在結晶槽被冷卻，冷至40，用冷卻水冷，用冷卻水冷卻（冷卻水進出口溫差卻（冷卻水進出口溫差5）。然后過濾，獲得含）。然后過濾，獲得含K2CrO4結晶的結晶的濾餅和含濾餅和含36.36（mol）K2CrO4的濾液（這部分濾液即為循環(huán)的濾液（這部分濾

26、液即為循環(huán)液），濾餅中的液），濾餅中的K2CrO4占濾餅總物質的量的占濾餅總物質的量的95。K2CrO4的分的分子量為子量為195。試計算：。試計算： 蒸發(fā)器蒸發(fā)出水的量；蒸發(fā)器蒸發(fā)出水的量； K2CrO4結晶的產率；結晶的產率； 循環(huán)液（循環(huán)液（mol）/新鮮液（新鮮液（mol）的比率；）的比率； 蒸發(fā)器和結晶器的投料比（蒸發(fā)器和結晶器的投料比（mol）。）。解：n為了明確理解該重結晶處理工藝，先畫出流程框圖，如圖示。將每一流股編號且分析系統(tǒng)：圖34n基準：基準：4500mol/h新鮮原料，以新鮮原料，以K表示表示K2CrO4，W表表示示H2O。設：設：F1進入蒸發(fā)器的新鮮物料量（進入蒸發(fā)器

27、的新鮮物料量（mol/h）；）；F2進入蒸發(fā)器的循環(huán)物料量即濾液量（進入蒸發(fā)器的循環(huán)物料量即濾液量（mol/h）；）；F3新鮮液和循環(huán)液混合后的物料量（新鮮液和循環(huán)液混合后的物料量（mol/h）；）；F4出蒸發(fā)器的物料量（出蒸發(fā)器的物料量（mol/h）；）；F5結晶過濾后的濾餅總量（結晶過濾后的濾餅總量（mol/h）；）；F6蒸發(fā)器蒸出的水量（蒸發(fā)器蒸出的水量（mol/h）；）；Pc結晶過濾后濾餅中結晶過濾后濾餅中K的物質量（的物質量（mol/h）；）；Ps結晶過濾后濾餅中濾液的物質量（結晶過濾后濾餅中濾液的物質量（mol/h）；）； x3新鮮液和循環(huán)液混合后的新鮮液和循環(huán)液混合后的K2CrO

28、4組成組成(mol/h）。）。 n從已知條件可看出，濾餅里的溶液和結晶固體之間存在如下的從已知條件可看出，濾餅里的溶液和結晶固體之間存在如下的關系（關系（mol）：）： Ps = 0.05 （Pc+Ps） Ps = 0.05263Pcn對系統(tǒng)對系統(tǒng)1物質物質K平衡：平衡： 0.3333F1 = Pc + 0.3636Ps 聯(lián)立解得：聯(lián)立解得：Pc=1472mol K2CrO4/h，Ps=77.5mol 溶液溶液/hnH2O物料平衡：物料平衡： F1（1-0.3333）=F6 + F5 0.05（1-0.3636） 得：得：F6 = 2950.8mol/hn結晶過濾的總物料平衡： F4 = Pc

29、 + Ps + F2 F4 = F2 + 1549.5n結晶器水的平衡： F4（1-0.494）= （F2 + 1549.50.05）（1-0.3636） 聯(lián)立求解得：F2 = 5634.6mol/h；F4 = 7184mol/h 則：循環(huán)液/新鮮料液5634.6/71841.25 最后，通過混合點系統(tǒng)3的物料平衡或蒸發(fā)器的物料平衡求出F3。n混合點的物料平衡：（F1 + F2）F3 得：F3 =10134.6mol/hn由蒸發(fā)器的物料平衡可校核F3的計算是否正確：F3 =F4 + F6 因此，設計的蒸發(fā)器與結晶槽的投料比為：F3 / F4 = 10134.6/7184 = 1.41作業(yè)題n1

30、、物料衡算的方法和基本步驟有哪些？、物料衡算的方法和基本步驟有哪些？2、丙烷充分燃燒時要使空氣過量、丙烷充分燃燒時要使空氣過量25%，燃，燃燒反應為燒反應為C3H8+5O2=3CO2+4H2O求每求每100moL燃燒產物（煙道氣）需要加入燃燒產物（煙道氣）需要加入多少丙烷和空氣？（元素衡算法）多少丙烷和空氣？（元素衡算法）n3、某廠用空氣氧化鄰二甲苯生產苯酐。原料、某廠用空氣氧化鄰二甲苯生產苯酐。原料流量為：流量為：205Kg/h鄰二甲苯，鄰二甲苯，4500m3（STP）/H空氣。從反應計量關系可知，生成空氣。從反應計量關系可知，生成1mOL的的苯酐需要反應掉苯酐需要反應掉1mOL鄰二甲苯。經

31、化驗得到鄰二甲苯。經化驗得到反應器出口組成如下反應器出口組成如下組成 苯酐順酐鄰二甲苯O2N2其它合計%（mOL0.650.040.0316.58784.7100n試計算試計算（1）鄰二甲苯的轉化率，苯酐的收率、反應鄰二甲苯的轉化率，苯酐的收率、反應的選擇性；（的選擇性；（2）苯酐的年產量（年工作日）苯酐的年產量（年工作日330天）天）（用聯(lián)系組分衡算法）（用聯(lián)系組分衡算法）n4、作氨合成系統(tǒng)的物料衡算。已知（、作氨合成系統(tǒng)的物料衡算。已知（1）新鮮原料氣）新鮮原料氣組成如下組成如下n（2）氨合成塔入口氣體含氨）氨合成塔入口氣體含氨2.5%（摩爾分數）（摩爾分數）n（3）氨合成塔出口氣體含氨）

32、氨合成塔出口氣體含氨11%；n（4）放空氣中（）放空氣中（Ar+CH4）的含量為）的含量為19.296%；n（5）忽略氣體在液氨中的溶解；）忽略氣體在液氨中的溶解；n（6）氨合成塔出口氣體含氨量與放空氣中氨的含量）氨合成塔出口氣體含氨量與放空氣中氨的含量近似相等。近似相等。組成H2N2CH3Ar合計%（mOL73.729 24.558 1.4200.293100n5、有一個蒸餾塔，輸入和輸出物料量及組成如有一個蒸餾塔，輸入和輸出物料量及組成如下圖。輸入物料中下圖。輸入物料中A組分的組分的98。7自塔頂蒸出。自塔頂蒸出。求每千克輸入物料可得到塔頂餾出物求每千克輸入物料可得到塔頂餾出物2的量及其組

33、的量及其組成。成。 餾塔蒸冷凝器123進料100kg/hC 0.50B 0.30A 0.20塔底產物 W kg/hC 0.94B 0.055A 0.005餾出物 P kg/hA ?C 1-A-BB ?第五章第五章 熱量衡算熱量衡算n主要內容主要內容n1、熱量衡算熱量衡算基本原理、基本原理、方法方法和步驟；和步驟；n2 、加熱劑與冷卻劑；、加熱劑與冷卻劑； 3、熱量衡算舉例、熱量衡算舉例 。5.1 熱量衡算在化工設計工作中的意義熱量衡算在化工設計工作中的意義n能量衡算的基礎是物料衡算，只有在進行完能量衡算的基礎是物料衡算，只有在進行完整的物料衡算后才能作出能量衡算。而物料整的物料衡算后才能作出能

34、量衡算。而物料衡算和能量衡算又是設備計算的基礎。衡算和能量衡算又是設備計算的基礎。n化工設計中的能量衡算主要是熱量衡算。化工設計中的能量衡算主要是熱量衡算。n通過熱量衡算可確定傳熱設備的通過熱量衡算可確定傳熱設備的熱負荷、反熱負荷、反應器的換熱量、設備進出口溫度等，應器的換熱量、設備進出口溫度等，以此為以此為依據計算依據計算傳熱面積換熱設備的蒸汽用量或冷傳熱面積換熱設備的蒸汽用量或冷卻水用量、以及傳熱設備的形式、尺寸等卻水用量、以及傳熱設備的形式、尺寸等，并為反應器、結晶器、塔式設備、輸送設備、并為反應器、結晶器、塔式設備、輸送設備、壓縮系統(tǒng)、分離及各種控制儀表等提供參數，壓縮系統(tǒng)、分離及各種

35、控制儀表等提供參數，以確定單位產品的能耗指標；同時也為非工以確定單位產品的能耗指標；同時也為非工藝專業(yè)（熱工、電、給水、冷暖）藝專業(yè)（熱工、電、給水、冷暖）設計提供設計提供設計條件設計條件作準備。作準備。 5.2 熱量衡算的基本方法熱量衡算的基本方法n 能量衡算是能量守恒定律的應用，能量是熱能、能量衡算是能量守恒定律的應用，能量是熱能、電能、化學能、動能、輻射能的總稱。電能、化學能、動能、輻射能的總稱?；どa中最化工生產中最常用的能量形式為熱能常用的能量形式為熱能，故化工設計中經常把能量衡，故化工設計中經常把能量衡算稱為熱量計算。算稱為熱量計算。 n 熱量衡算的一般步驟與物料衡算相同，亦包括

36、熱量衡算的一般步驟與物料衡算相同，亦包括畫出畫出流程簡圖、劃分衡算系統(tǒng)、列寫衡算方程式與約束式，流程簡圖、劃分衡算系統(tǒng)、列寫衡算方程式與約束式，求解方程組及結果整理等若干步驟。求解方程組及結果整理等若干步驟。 5.2.1 熱量衡算的基本關系式熱量衡算的基本關系式熱量衡算的基本關系式熱量衡算的基本關系式5.2.2 熱量的計算方法熱量的計算方法n根根據能量守恒原理，能量衡算的基本方法可表示為：根根據能量守恒原理，能量衡算的基本方法可表示為：n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n總能量衡算總能量衡算n 連續(xù)流動過程的總能量衡算（熱力學第一定律）連續(xù)流動過程的總能量

37、衡算（熱力學第一定律）nQ + W H +Ek + EP 或或Q + W= H +gz+ u2/2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離，由物體自某一基準面移高到一定距離，由 于這種于這種位移而具有的能量。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能量。）流體由于一定的靜壓強而具有的能量。 內能（內能（U） 內能是指物體除了宏觀的動能和位能外所具有內能是指物體除了宏觀的動能和位能外所具有的能量。的能量。焓焓(H) HUPV對于純物質，焓可表示成溫度和壓力的函數：對于純物質，焓可表示成溫度和壓

38、力的函數：H=H(T，P)H-H-單位質量流體的單位質量流體的焓變。焓變。n在進行設備熱量衡算時，位能變化，動能變在進行設備熱量衡算時，位能變化，動能變化，外功變化都相對較小，可忽略不計，簡化，外功變化都相對較小，可忽略不計，簡化化Q= Hn H=Hin-Hout 熱量衡算就是計算在指定的條件下熱量衡算就是計算在指定的條件下進出物料進出物料的總焓變，的總焓變，從而確定過程傳遞的熱量。在實際從而確定過程傳遞的熱量。在實際計算時，由于進出設備的物料不止一個，因此計算時，由于進出設備的物料不止一個，因此可改寫為：可改寫為： Q =H1 H2 n另外在熱量衡算中，如果無軸功條件下（其它能量變另外在熱量

39、衡算中，如果無軸功條件下（其它能量變化忽略不計），進入系統(tǒng)加熱量與離開系統(tǒng)的熱量應化忽略不計），進入系統(tǒng)加熱量與離開系統(tǒng)的熱量應平衡，即在實際應用中對傳熱設備的熱量衡算也可表平衡，即在實際應用中對傳熱設備的熱量衡算也可表示為：示為：n Q進進 Q出出 n Q1 + Q2 + Q3 Q4 + Q5 + Q6 + Q7n式中：式中：Q1 所處理的物料帶到設備中去的熱量；所處理的物料帶到設備中去的熱量；n Q2 過程放出的熱量；過程放出的熱量；nQ3 由加熱劑傳給設備的熱量；n Q4 物料由設備中帶出的熱量；n Q5 冷卻劑帶出的熱量；n Q6 過程吸收的熱量；n Q7 設備向四周散失的熱量。n5.

40、2.2 熱量的計算方法熱量的計算方法n（1）等壓條件下，在沒有化學反應和聚集狀態(tài)變化）等壓條件下，在沒有化學反應和聚集狀態(tài)變化時，物質溫度從時，物質溫度從T1變化到變化到T2時，過程時，過程顯熱顯熱在化工計在化工計算中常用恒壓熱容算中常用恒壓熱容Cp，由于比熱容是溫度的函數，常，由于比熱容是溫度的函數，常用冪次方程式表示，因此其計算式可表示為：用冪次方程式表示，因此其計算式可表示為： Q n 式中：式中：n物料量（物料量（mol）；）； Cp物料比熱容（物料比熱容（kJ/ mol）,Cp =a + bT + cT2 + dT3 + eT4 T溫度（溫度（）或）或(k)，21TTpdTC也可以用

41、下式表示：也可以用下式表示： Q n Cpm（ T2- T1） Cpm 物料平均定壓比熱容（物料平均定壓比熱容（kJ/ mol）（2）計算過程的焓變）計算過程的焓變n Q = Hn可設計途徑計算焓差可設計途徑計算焓差（ H只與始態(tài)和終態(tài)有關，與只與始態(tài)和終態(tài)有關，與過程無關）過程無關）5.2.3 熱量衡算的基準熱量衡算的基準n 熱量衡算的基準：熱量衡算的基準：數量基準數量基準、溫度基準溫度基準和和相態(tài)基準相態(tài)基準。n數量基準是指選那個量作基準來衡算熱量。對于連續(xù)操數量基準是指選那個量作基準來衡算熱量。對于連續(xù)操作一般以單位時間作一般以單位時間進料量（即進料速率）為基準進料量（即進料速率）為基準

42、1Kmol/h、1Kg/h。n 溫度相態(tài)的基準溫度相態(tài)的基準(任意規(guī)定），溫度（任意規(guī)定），溫度（298K）和相態(tài)）和相態(tài)基準的確定才能從有關手冊中查得相關的熱力學數據以基準的確定才能從有關手冊中查得相關的熱力學數據以便用于衡算。便用于衡算。同一物料，進出口的基準態(tài)必須相同。同一物料，進出口的基準態(tài)必須相同。5.3 熱量衡算中使用的基本數據熱量衡算中使用的基本數據n(1 )熱力學物性數據熱力學物性數據如內能、焓、熵、熱容、相變熱、如內能、焓、熵、熱容、相變熱、自由能、自由焓等。自由能、自由焓等。n(2) 化學反應和熱化學數據化學反應和熱化學數據如反應熱、生成熱、燃燒如反應熱、生成熱、燃燒熱等。

43、熱等。n通常這些數據可用下列方法得到：通常這些數據可用下列方法得到：n 1、查手冊或文獻資料。、查手冊或文獻資料。n 2、計算?？梢詰梦锢砗突瘜W的一些基本定律計算、計算?？梢詰梦锢砗突瘜W的一些基本定律計算各種物質的性質參數。各種物質的性質參數。n 3、用實驗直接測定。舉例見教材、用實驗直接測定。舉例見教材5.3.15.3.35.3.45.4 一些物質的熱力學性質圖一些物質的熱力學性質圖n焓溫圖焓溫圖(H-T)n溫熵圖溫熵圖(T-S)n蒸汽的焓熵圖蒸汽的焓熵圖(H-S)n溶液焓濃圖溶液焓濃圖n壓焓圖壓焓圖(P-H)5.5 物理過程的熱量衡算物理過程的熱量衡算5.5.1 氣化氣化5.5.2 分

44、流分流5.5.3 溶液稀釋溶液稀釋5.5.4 增濕增濕5.5.5 非等溫吸收非等溫吸收5.5.6 連續(xù)蒸餾連續(xù)蒸餾5.5.7 提濃提濃n無化學反應過程的能量衡算，一般應用于計算指無化學反應過程的能量衡算，一般應用于計算指定條件下進出過程物料的焓差，用來確定過程的定條件下進出過程物料的焓差，用來確定過程的熱量，進而計算冷卻或加熱介質的用量和溫差。熱量，進而計算冷卻或加熱介質的用量和溫差。n為了計算一個過程的為了計算一個過程的H ，可以用，可以用假想的、由始假想的、由始態(tài)到終態(tài)幾個階段來代替原過程，這些階段的焓態(tài)到終態(tài)幾個階段來代替原過程，這些階段的焓變應該是可以計算的，變應該是可以計算的，所需的

45、數據也可以得到的。所需的數據也可以得到的。由于焓是狀態(tài)函數，由于焓是狀態(tài)函數， H與過程無關，只與始終與過程無關，只與始終狀態(tài)有關。狀態(tài)有關。所以每一階段的所以每一階段的 H之和即為全過程之和即為全過程的的H。HH1+H2n途徑中各個階段的類型，一般有下面五種：途徑中各個階段的類型，一般有下面五種：n（1）恒溫時壓力的變化；）恒溫時壓力的變化；n（2）恒壓時溫度的變化；）恒壓時溫度的變化；n（3）恒壓恒溫時相態(tài)的變化；（相變熱）恒壓恒溫時相態(tài)的變化；（相變熱）n（4）兩個或兩個以上物質在恒壓恒溫的混合和）兩個或兩個以上物質在恒壓恒溫的混合和分離；分離；n（5）恒溫恒壓時的化學反應過程。（如有化

46、學）恒溫恒壓時的化學反應過程。（如有化學反應）反應）n相變熱相變熱n 汽化和冷凝、熔化和凝固、升華和凝華等汽化和冷凝、熔化和凝固、升華和凝華等相變過程往往伴有顯著的內能和焓的變化，相變過程往往伴有顯著的內能和焓的變化， 在恒定的溫度和壓力下，單位質量或摩爾的在恒定的溫度和壓力下，單位質量或摩爾的物質發(fā)生相的變化時的焓變稱為相變熱。例物質發(fā)生相的變化時的焓變稱為相變熱。例如如100oC、latm時液體水轉變成水汽的焓變時液體水轉變成水汽的焓變H等于等于40.6kJ/mol，稱為在該溫度和壓力下水的，稱為在該溫度和壓力下水的汽化潛熱。汽化潛熱。相變熱獲得方法：相變熱獲得方法：n純物質正常沸點（熔點

47、）相變熱查手冊。純物質正常沸點（熔點）相變熱查手冊。n設計途徑求算。設計途徑求算。n用經驗方程計算相變熱。用經驗方程計算相變熱。n 例例 在一熱交換器中用壓強為在一熱交換器中用壓強為136kpa的飽和蒸汽加熱的飽和蒸汽加熱 298k的空的空氣，空氣流量為氣，空氣流量為1kg/s，蒸汽的流量為，蒸汽的流量為0.01kg/s，冷凝水在飽和溫，冷凝水在飽和溫度度381K下排出。若取空氣的平均比熱為下排出。若取空氣的平均比熱為1.005kJ/kgk，試計算空，試計算空氣出口溫度（熱損失忽略不計）。氣出口溫度（熱損失忽略不計）。 n解：過程如圖示：解：過程如圖示：數量基準數量基準 每秒鐘蒸汽、空氣的流量

48、每秒鐘蒸汽、空氣的流量溫度基準溫度基準 取進口空氣溫度取進口空氣溫度298K，因而其焓為零，即，因而其焓為零，即H冷空氣冷空氣 =0 壓強為壓強為136kpa的飽和蒸汽，查得其焓的飽和蒸汽，查得其焓H蒸汽蒸汽.281K =2690KJ/kg，同時查得，同時查得H 冷凝水冷凝水281K =452.9KJ/kg衡算范圍衡算范圍 封閉虛線所示范圍封閉虛線所示范圍n 對此連續(xù)穩(wěn)定過程對此連續(xù)穩(wěn)定過程 Q入入=Q出出 其中：其中： Q入入=Q蒸汽蒸汽 + Q冷空氣冷空氣=0.001H蒸汽蒸汽 +1 H冷空氣冷空氣Q出出=Q熱空氣熱空氣 + Q冷凝水冷凝水=11.005（T-298） + 0.001 H冷

49、凝水冷凝水 T：熱空氣溫度：熱空氣溫度 將數據代入解得將數據代入解得T=320.3K5.6 伴有化學反應過程的熱量衡算伴有化學反應過程的熱量衡算進口溫度，反應前物料進口溫度，反應前物料出口溫度，反應后物料出口溫度，反應后物料反應前物料反應前物料反應后物料，反應后物料，25Cn若已知反應溫度下的反應熱數據，則仍若已知反應溫度下的反應熱數據，則仍可按假設的熱力學途徑進行，只是溫度可按假設的熱力學途徑進行，只是溫度為反應溫度，且在計算反應焓變?yōu)榉磻獪囟?，且在計算反應焓變H2時，時，應使用反應溫度下的反應熱數據。應使用反應溫度下的反應熱數據。5.7 化工生產常用熱載體n在較低壓力下可達到較高溫度；在較

50、低壓力下可達到較高溫度；n化學穩(wěn)定性高；化學穩(wěn)定性高；n沒有腐蝕作用；沒有腐蝕作用；n熱容量大；熱容量大；n冷凝熱大；冷凝熱大；n無火災或爆炸危險性；無火災或爆炸危險性；n無毒性；無毒性；n價廉；價廉；n溫度易于調節(jié)。溫度易于調節(jié)。加熱劑的選擇要求加熱劑的選擇要求加熱劑加熱劑 和冷卻劑和冷卻劑序序號號加熱劑加熱劑冷卻劑冷卻劑使用溫度使用溫度范圍范圍給熱系數給熱系數w/( m2)優(yōu)缺點及使用場合優(yōu)缺點及使用場合1熱水熱水40100501400對于對于熱敏性的物料用熱水加熱較為保險熱敏性的物料用熱水加熱較為保險,但傳熱情況不及蒸汽好但傳熱情況不及蒸汽好,且本身易且本身易冷卻冷卻,不易調節(jié)不易調節(jié)2

51、飽和蒸汽飽和蒸汽1001803003200冷凝潛熱大冷凝潛熱大,熱利用率高熱利用率高,溫度易于調節(jié)控制溫度易于調節(jié)控制,如用中壓或高壓蒸汽如用中壓或高壓蒸汽,使用溫度使用溫度還可提高還可提高3過熱蒸汽過熱蒸汽180300可用于需較高溫度的場合可用于需較高溫度的場合,但傳熱效果比蒸汽低的多但傳熱效果比蒸汽低的多,且不易調節(jié)且不易調節(jié),較少使用較少使用4導熱油導熱需加熱即可得到較高溫度不需加熱即可得到較高溫度,使用方便使用方便,加熱均勻加熱均勻5道生液道生液180250110450為為C6H5- C6H526.5%與與C6H5-O- C6H573.5%的混合物的混合物,加

52、熱均勻加熱均勻,溫度范圍廣溫度范圍廣,易于調節(jié)易于調節(jié),蒸汽冷凝潛熱大蒸汽冷凝潛熱大,熱效率高熱效率高,需道生爐及循環(huán)裝置需道生爐及循環(huán)裝置6道生蒸汽道生蒸汽2503503406807煙道氣煙道氣50010001250可用煤、煤氣或燃油燃燒得到，可得到較高溫度，特別適用于直接加熱空可用煤、煤氣或燃油燃燒得到，可得到較高溫度，特別適用于直接加熱空氣的場合氣的場合8電加熱電加熱500設備簡單、干凈、加熱快，溫度高，易于調節(jié)。但成本高，適用于用量不設備簡單、干凈、加熱快，溫度高，易于調節(jié)。但成本高，適用于用量不太大、要求高的場合。太大、要求高的場合。9熔鹽熔鹽400540NaNO240%；KNO35

53、3% NaNO37%的混合物?？捎糜谛韪邷氐墓I(yè)生產。的混合物。可用于需高溫的工業(yè)生產。但本身熔點高，管道和換熱器都需要保溫。傳熱系數高，蒸汽壓低，穩(wěn)定。但本身熔點高，管道和換熱器都需要保溫。傳熱系數高，蒸汽壓低，穩(wěn)定。10冷卻水冷卻水3020是最普遍的保溫劑，使用設備簡單，控制方便，廉價是最普遍的保溫劑，使用設備簡單，控制方便，廉價11冰冰030大多用于染料工業(yè)中直接防于鍋內調節(jié)反應，穩(wěn)定效果較好，但會使反應大多用于染料工業(yè)中直接防于鍋內調節(jié)反應，穩(wěn)定效果較好，但會使反應液沖淡，并使反應鍋體積增大液沖淡，并使反應鍋體積增大12冷凍鹽水冷凍鹽水-1530使用方便，冷卻效果好，但需冷卻系統(tǒng)，投資

54、大，一般用于冷卻水無法達使用方便，冷卻效果好，但需冷卻系統(tǒng)，投資大，一般用于冷卻水無法達到的低溫冷卻。到的低溫冷卻。5.8 冷凍劑和載冷體冷凍劑和載冷體5.8.1 冷凍劑冷凍劑n（1 ）氨）氨n（2 ）二氧化碳）二氧化碳n（3）氟利昂）氟利昂n（4）乙烯、丙稀等）乙烯、丙稀等5.8.2 載冷體載冷體n（1）冷凍鹽水）冷凍鹽水n（2）氯化鈉）氯化鈉n（3 ）氯化鈣）氯化鈣n（4 ）氯化鎂）氯化鎂 5.9 加熱劑和冷卻劑的用量的計算加熱劑和冷卻劑的用量的計算 n（1）直接蒸汽加熱時的蒸汽用量：）直接蒸汽加熱時的蒸汽用量： W = Q2/（H CPtK） （3-17） 式中：式中：W蒸汽消耗量（蒸汽消耗量（Kg）；）； Q由加熱劑傳給設備或物料加熱所需的熱量由加熱劑傳給設備或物料加熱所需的熱量（KJ）；）； H蒸汽加熱焓量（蒸汽加熱焓量（KJ/Kg）；）； tK被加熱液體的最終溫度（被加熱液體的最終溫度（）；）； CP被加熱液體的比熱容（被加熱液體的比熱容（KJ/Kg）。）。n為簡化起見，通常蒸汽加熱時的蒸汽用量計算僅考慮為簡化起見，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。蒸汽放出的冷凝熱。n（2）間接蒸汽加熱時的蒸汽的用量