化工設計第三章-物料和能量衡算課件

1、第三章 化工計算基本要求:( 1 ）掌握化工過程的特點( 2 ）熟練應用化工基礎數據 ( 3 ）熟練掌握化工過程的物料衡算 ( 4 ）熟練掌握化工過程的能量衡算化工計算應用守恒定律來研究化工過程的物料衡算和能量衡算問題。守恒定律化工過程方面的基礎知識第一節(jié) 化工過程及過程參數一、 化工過程所謂化工過程，是指由原料經化學處理和物理處理加工成化學產品或中間產品的生產過程。它包括許多工序，每個工序又由若干個或若干組設備（如反應器、蒸餾塔、吸收塔、干燥塔，分離器、換熱器及輸送設備等等）組合而成。物料通過各設備時，完成某種化學或物理處理，最終成為合格的產品。在不同的生產過程中，有一些具有共性的物理操作，

2、它們不改變物料的化學性質，只改變物料的物理性質，這類操作被稱為單元操作，如流體輸送、傳熱、蒸餾、干燥、蒸發(fā)、結晶、萃取、吸收、吸附、過濾及破碎等操作?；み^程中還包括一些改變物料的化學性質的反應過程，如氫與氮合成氨反應、乙烯氧化成環(huán)氧乙烷反應等等?；み^程就是由反應過程和若干個單元操作組合而成的一個系統。 化工過程的類型 根據其操作方式分 間歇操作 原料一次加入過程產品一次排出 連續(xù)操作 原料連續(xù)加入過程產品連續(xù)排出 半連續(xù)操作 原料一次加入過程產品連續(xù)排出 或原料連續(xù)加入過程產品一次排出根據操作狀態(tài)分 穩(wěn)定狀態(tài)操作（定態(tài)操作）過程參數=f(x、y、z) 不穩(wěn)定狀態(tài)操作（非定態(tài)操作）過程參數=

3、f(x、y、z、t)二、化工過程基本參數過程參數即化工生產過程中影響過程運行和狀態(tài)的物理量。一）溫度 表示物體冷熱程度的物理量。溫標。 1、攝氏溫標， 水的正常冰點：0 水的正常沸點：100 其間均分100等份 其單位為 2、開爾文溫標，K3 華氏溫標, 水鹽混合物的溫度：0 健康人的血液溫度：96 水的正常冰點：32,水的正常沸點：212 其間均分180等份 其單位為4、蘭金溫標，R 與開氏溫標相似，也是以最低理論溫度為0度的一種絕對溫標。 其0度為-459、58（-460），所以0即460。四種溫度的關系二）壓力(壓強）三）流量四）組成三、 化工過程開發(fā)化工過程開發(fā)是指一個化學反應從實驗室

4、過渡到第一套生產裝置的全部過程。（開發(fā)的成果要以基礎設計形式出現）化工過程開發(fā)，首先是決定化學反應的可能性、轉化率及反應速度是否具有工業(yè)價值，產物分離的難易程度以及機械、設備、材料是否可行。當然，最終取決于是否有經濟效益。四、化工基礎數據“化工基礎數據”，又被稱作“物化數據”或“物性數據”。是由物料本身的物理化學性質所決定的?；せA數據包括很多，現將常用的一些化工基礎數據大致歸納成以下幾類 :( l ）基本物性數據 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、氣一液平衡關系等。 ( 2 ）熱力學物性數據 如內能、焓、嫡、熱容、相變熱、自由能、自由焓

5、等。( 3 ）化學反應和熱化學數據 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。( 4 ）傳遞參數 如粘度、擴散系數、導熱系數等。數據的獲?。? 、查手冊或文獻資料常用物質的物性數據可從化學化工類手冊或專業(yè)性的化工手冊 中查到。（收集了許多物質的物性數據及圖表 ）化學工程手冊， 化學工程手冊 編輯委員會，化學工業(yè)出版社，1980化工工藝設計手冊，國家醫(yī)藥管理局上海醫(yī)藥設計院編，化學工業(yè)出版社，1986化工工藝算圖，吉林化學工業(yè)公司設計院等編，化學工業(yè)出版社，1982 2 、估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。但是，往往由于缺乏計算所需的一些分子性質（

6、偶極矩、極化率、原子間距離等）的數據而無法計算，或者即使知道這些數據，計算也很復雜。因此，許多研究人員做了不少工作，建立了理論與經驗相結合的方法，來計算各種物質的物性數據。這些方法僅從一個化合物二、三種數據就能估算出該化合物的其他物性數據來。基團貢獻法3 、用實驗直接測定實驗直接測定。以上三種數據來源，從手冊或文獻中查得數據最方便，但往往有時數據不夠完整，也會出現一些錯誤。用一些理論的、半經驗的和經驗的公式估算，也是一種簡便的方法。當手冊或文獻中無法查得時，可以進行估算。直接用實驗測定得到的數據最可靠，只是實驗比較費時間又花錢。但是，如果查不到有關數據，而用公式估算得到的結果精度又不夠時，則必

7、須用實驗進行測定。4、計算機檢索近年來，隨著電子計算機的迅速發(fā)展，應用計算機儲存、檢索和推算物性數據。 一些大型化工企業(yè)、研究部門和高等院校都相應建立了物性數據庫，以便于通過計算機自動檢索或估算所要求的數據，而不必自行查找或計算，大大節(jié)省了時間和精力?；の镄詳祿?美國，CINDAS(14000) 北京化工大學，大型化工物性數據庫CEPPDS(3417) 第二節(jié) 物料衡算物料衡算是化工計算中最基本、最重要的內容之一，它是能量衡算的基礎。設計或研究一個化工過程，或對者某生產過程進行分析，需要了解能量的分布情況，都必須在物料衡算的基礎上，才能進一步算出物質之間交換的能量以及整個過程的能量分布情況

8、。物料衡算和能量衡算是進行化工工藝設計、過程經濟評價、節(jié)能分析以及過程最優(yōu)化的基礎。物料衡算有兩種情況:一種是對已有的生產設備或裝置，利用實際測定的數據，算出另一些不能直接測定的物料量。用此計算結果，對生產情況進行分析、作出判斷、提出改進措施。（一般的作業(yè)）另一種是設計一種新的設備或裝置，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。（設計）一、物料衡算的依據質量守恒定律 即在一個孤立物系中，不論物質發(fā)生任何變化，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）。質量守恒（不是摩爾守恒、體積

9、守恒）二、物料衡算式物料衡算是研究某一個體系內進、出物料量及組成的變化。所謂體系就是物料衡算的范圍，它可以根據需要選定。體系可以是一個設備或幾個設備，也可以是一個單元操作或整個化工過程。進行物料衡算時，必須首先確定衡算的體系。對某一個體系，輸入體系的物料量應該等于輸出物料量與體系內積累量之和 。連續(xù)過程的物料衡算式 一般表示式為： 系統中積累 = 輸入 輸出 + 生成 消耗穩(wěn)態(tài)過程時 輸入 = 輸出 生成 + 消耗無化學反應的穩(wěn)態(tài)過程 輸入 = 輸出 物料平衡形式 總平衡式 *總質量平衡式 總摩爾平衡式 組分平衡式 組分質量平衡式 組分摩爾平衡式 元素原子平衡式 *元素原子質量平衡式 *元素原

10、子摩爾平衡式三、 物料衡算的基本方法進行物料衡算時，為了能順利地解題，避免錯誤，必須掌握解題技巧，按正確的解題方法和步驟進行。這樣才能獲得準確的計算結果。 l 、衡算范圍 指定的任何空間范圍。它可是一個設備、一個單元或整個過程。根據給定的條件畫出流程簡圖（過程示意圖或衡算范圍）。圖中用簡單的方框表示過程中的設備，用線條和箭頭表示每個流股的途徑和流向。并標出每個流股的已知變量（如流量、組成）及單位。對一些未知的變量，可用符號表示。 2、衡算對象 參加過程的全部物料。 對無化學反應：可選任一物料 對有化學反應：未發(fā)生變化的物質3 、計算基準及其選擇原則上計算基準是任意選擇。但是，計算基準選擇得恰當

11、，可以使計算簡化，避免錯誤。對于不同化工過程，采用什么基準適宜，需視具體情況而定，不能作硬性規(guī)定。根據不同過程的特點，選擇計算基準時注意以下幾點：( l ）應選擇已知變量數最多的流股作為計算基準。( 2 ）對液體或固體的體系，常選取單位質量作基準。( 3 ）對連續(xù)流動體系，用單位時間作計算基準有時較方便。( 4 ）對于氣體物料，如果環(huán)境條件（如溫度、壓力）已定，則可選取體積作基準。 具體： 時間基準 連續(xù)（小時，天） 間歇（釜，批） 質量基準 kg，mol， kmol 體積基準 m3（STP），Nm3 干濕基準 干基（不含水），濕基（含水）4 、物料衡算的程序（步驟） ( l ）搜集計算數據。

12、( 2 ）畫出物料流程簡圖。( 3 ）確定衡算體系。( 4 ）寫出化學反應方程式，包括主反應 和副反應，標出有用的分子量。 ( 5 ）選擇計算基準，并在流程圖上注明所選的基準值。( 6 ）列出物料衡算式，然后用數學方法求解。 (7）校核計算結果。(數據歸一） ( 8 ）將計算結果列成輸入一輸出物料表（物料平衡表）。（三線表、表頭名稱、基準）四、 無化學反應過程的物料衡算在化工過程中，只有物理變化不發(fā)生化學反應的單元操作如混合、蒸餾、蒸發(fā)、干燥、吸收、結晶、萃取等，這些過程都可以根據物料衡算式，直接列出總物料和各組分的衡算式，再用代數法求解。一）、簡單過程的物料衡算簡單過程是指僅有一個設備或一個

13、單元操作的過程。設備邊界就是體系邊界。 ( 1 ）畫出物料流程簡圖。( 2）選擇基準。( 3）列物料衡算式，求解。 ( 4）校核計算結果。 ( 5）將計算結果列成輸入一輸出物料表（物料平衡 表）。（要求：畫出物料流程簡圖、列出物料平衡表并進行核算）二）、有多個設備過程的物料衡算五、有化學反應過程的物料衡算有化學反應的過程，物料中的組分變化比較復雜。工業(yè)上的化學反應，各反應物的實示用量，并不等于化學反應式中的理論量。為了使所需的反應順利進行，或使其中較昂貴的又應物全部轉化，常常使價格較低廉的一些反應物用量過量。一）、反應轉化率、選擇性及收率等概念l 、限制反應物 化學反應原料不按化學計量比配料時

14、，其中以最小化學計量數存在的反應物稱為限制反應物。2 、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，該反應物稱為過量反應物。 3 、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。4 、轉化率（x ） 某一反應物反應掉的量占其輸入量的百分數。5 、選擇性（S ） 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分數 轉化率與選擇性是反應過程的兩個主要技術指標。6 、收率（Y ） 目的產物的量除以反應物（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）或質量進行計算。 轉化率、選擇性與收率三者之間的關系

15、 : Y = S x順酐的選擇性：S=Y/x(3.49%)/(96.82%)=3.6%3.23%二）、一般反應過程的物料衡算對有化學反應過程的物料衡算，由于各組分在過程中發(fā)生了化學反應，因此就不能簡單地列組分的衡算式，必須考慮化學反應中生成或消耗的量，應該根據化學反應式，列衡算方程。對一般的反應過程，可用下列幾種方法求解。1、直接求解法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，這類問題比較簡單，通?？筛鶕瘜W反應式直接求解，不必列出衡算式。直接求解法也稱化學計量法2、元素衡算法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，而是按照元素種類被轉化及重新

16、組合的概念表示為： 輸入（某種元素）=輸出（同種元素）對反應過程中化學反應很復雜，無法用一、兩個反應式表示的物料衡算題，可以列出元素衡算式，用代數法求解。3、“聯系組分”法“聯系組分”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，在整個反應過程中，它的數量不變。如果體系中存在聯系組分，那么輸入物料和輸出物料之間就可以根據聯系組分的含量進行關聯。 三）、復雜過程的物料衡算復雜過程不是指過程或設備多而是具有循環(huán)、排放及旁路的過程。在化工過程中具有循環(huán)、排放及旁路的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選擇合適的衡算體系，列出一般過程物料衡算式

17、再加上結點關系求解。第三節(jié) 能量衡算在化工生產中，能量的消耗是一項重要的技術經濟指標，它是衡量工藝過程、設備設計、操作制度是否先進合理的主要指標之一。能量衡算的基礎是物料衡算，只有在進行完備的物料衡算后才能作出能量衡算。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，即由裝置或設備進出口物料的量和溫度，以及其它各項能量，求出裝置或設備的能量利用情況；另一種是在設計新裝置或設備時，根據已知的或可設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熱量。一、能量衡算的依據能量守恒定律 輸入能量+生成能量=

18、消耗能量+積累能量+輸出能量二、總能量衡算方程式1、連續(xù)穩(wěn)態(tài)流動過程 能量輸入速率-能量輸出速率 =能量積累速率 H+ Ek+ Ep=Q+W Q-輸入體系的熱量 W-輸入體系的總功在實際中，上式視不同情況而有不同的形式： 1）絕熱過程 Q=0，動、位能差可忽略 H=W 即用焓差計算環(huán)境向體系作功 2）無作功過程（多數化工操作過程） W=0，動、位能差可忽略 H=Q 3）無功、熱傳遞過程 Q=0， W=0，動、位能差可忽略 H=0（焓平衡）2、間歇過程 間歇過程（封閉體系）中，因體系與環(huán)境間沒有物質交換，但有能量的交換。間歇過程無流動功， （pv）=0則能量衡算式為: U+ Ek+ Ep=Q+W

19、一般間歇操作，動、位能差=0，則 U=Q+W三、能量衡算總能量衡算在化工計算時分熱量衡算和機械能衡算。1、對有些化工過程如流體流動過程，此時傳熱量內能的變化較其他小，次要。故總能量衡算變?yōu)闄C械能衡算。化工原理中的流體流動柏努力方程。2、更多化工過程中如反應器、蒸餾塔、蒸發(fā)器、換熱器等中，功、動能、位能變化較之傳熱、內能和焓的變化，是可以忽略。此時（無外功W=0）總能量衡算簡化為熱量衡算。 Q=H= H2 H1（敞開體系） 或Q= U= U2 U1（封閉體系）由于實際應用時，進出設備的物料不止一個，因此： Q= H2 H1熱量衡算（化工中的能量衡算）1、熱量衡算式一般化工過程的能量衡算指熱量衡算

20、（無外功W=0）： Q=H= H2 H1（敞開體系） Q= H2 H1 2、熱量衡算的基本方法和步驟 建立以單位時間為基準的物料流程圖（或平衡表）。也可以100mol 或100kmol 原料為基準，但前者更常用。 在物料流程框圖上標明已知溫度、壓力、相態(tài)等條件，并查出或計算出每個物料組分的焓值，于圖上注明。 選定計算基準（溫度和相態(tài)）。這是人為選定的計算基準，即輸入體系的熱量和由體系輸出的熱量應該有同一的比較基準，可選0 （273K ）、25（298K ）或其它溫度作為基準溫度。由于手冊、文獻上查到的熱力學數據大多是298K 時的數據，故選298K 為基準溫度，計算比較方便。同時相態(tài)的確定也是

21、很重要的。 列出熱量衡算式，然后用數學方法求解未知值。 當生產過程及物料組成較復雜時，可以列出熱量衡算表。水蒸氣動能： 17atm的v=0.1166m3/kg u = 202m/s Ek=1/2(295)(202)2 =6.021000kJ/min Q=7.6110(5)+6.0210(3) =7.6710(5) kJ/min動能占總能量的6.0210(3)/7.6110(5)=0.78%故本題可視為單純的熱量衡算。一）無化學反應過程的熱量衡算 無化學反應過程的能量衡算，一般指進出過程物料的焓差熱量衡算。 由于焓是狀態(tài)函數，所以一個過程H ，可以用假想的，由始態(tài)到終態(tài)幾個階段代替原過程，每一階

22、段的Hi之和即為全過程的H 。 途經各個階段的類型有5種，即 ： 恒T 時P 的變化 恒P 時T 的變化 恒T 恒P時相態(tài) 的變化 兩物質在恒T 恒P時混合和分離 恒T 恒P時的反應過程前4種已學（無相變、有相變、混合熱等的計算）下面重點講反應過程的熱量衡算。二）有化學反應過程的熱量衡算 化學反應過程也常伴隨有大量的熱效應吸熱或放熱。為了使反應溫度得到控制，必須自反應體系排走或向反應供給熱量，即反應器也須有供給或冷卻用的換熱設備，這些都需進行反應過程的熱量衡算。1、反應熱及其表示1）恒壓反應熱 反應物按化學計量式完全反應，物料在反應前后的焓差稱為恒壓反應熱或反應熱，以Hr表示。 根據熱力學第一

23、定律，若過程進行時只做膨脹功，則Hr就是恒壓熱，即 Qp=Hr注意：一定的Hr值是對一定的反應式而言的。如果uA是反應物或生成物A的化學計量系數，nA為溫度時所消耗而成生成的A的摩爾數，則化學反應的總焓差為： H= nA Hr/ uA2）恒容反應熱 在恒T恒V下，反應物在溫度T時按化學計量系數完全反應后內能的變化，即為恒容反應熱或恒容熱 Qv= Ur Qp與Qv的關系：若果ui是氣態(tài)反應物或生成物i的化學計量系數，且氣體為理想氣體，設液、固容積變化可忽略，則 Ur=Hr nRT 2、反應熱的計算 反應熱來源：實測 由已有數據估算（蓋斯定律）由標準生成熱Hf計算標準反應熱Hr1）標準生成熱Hf 在1atm、25由穩(wěn)定的單質生成1mol化合物的恒壓反應熱