化工設(shè)計(jì)第三章-物料和能量衡算課件

第三章化工計(jì)算基本要求:

(1）掌握化工過程的特點(diǎn)

(2）熟練應(yīng)用化工基礎(chǔ)數(shù)據(jù)(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第三章化工計(jì)算基本要求:

(1）掌握化工過程的特點(diǎn)1化工計(jì)算應(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。守恒定律化工過程方面的基礎(chǔ)知識

化工計(jì)算應(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。2第一節(jié)化工過程及過程參數(shù)一、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)備等等）組合而成。物料通過各設(shè)備時(shí)，完成某種化學(xué)或物理處理，最終成為合格的產(chǎn)品。第一節(jié)化工過程及過程參數(shù)一、化工過程3在不同的生產(chǎn)過程中，有一些具有共性的物理操作，它們不改變物料的化學(xué)性質(zhì)，只改變物料的物理性質(zhì)，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(jié)晶、萃取、吸收、吸附、過濾及破碎等操作。化工過程中還包括一些改變物料的化學(xué)性質(zhì)的反應(yīng)過程，如氫與氮合成氨反應(yīng)、乙烯氧化成環(huán)氧乙烷反應(yīng)等等。化工過程就是由反應(yīng)過程和若干個單元操作組合而成的一個系統(tǒng)。在不同的生產(chǎn)過程中，有一些具有共性的物理操作，它們不改變物料4化工過程的類型根據(jù)其操作方式分間歇操作原料一次加入→過程→產(chǎn)品一次排出連續(xù)操作原料連續(xù)加入→過程→產(chǎn)品連續(xù)排出半連續(xù)操作原料一次加入→過程→產(chǎn)品連續(xù)排出或原料連續(xù)加入→過程→產(chǎn)品一次排出根據(jù)操作狀態(tài)分穩(wěn)定狀態(tài)操作（定態(tài)操作）過程參數(shù)=f(x、y、z)不穩(wěn)定狀態(tài)操作（非定態(tài)操作）過程參數(shù)=f(x、y、z、t)化工過程的類型根據(jù)其操作方式分5二、化工過程基本參數(shù)過程參數(shù)即化工生產(chǎn)過程中影響過程運(yùn)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(biāo)。1、攝氏溫標(biāo)，℃

水的正常冰點(diǎn)：0℃水的正常沸點(diǎn)：100℃其間均分100等份其單位為℃2、開爾文溫標(biāo)，K二、化工過程基本參數(shù)過程參數(shù)即化工生產(chǎn)過程中影響過程運(yùn)行和狀63華氏溫標(biāo),℉

水鹽混合物的溫度：0℉健康人的血液溫度：96℉水的正常冰點(diǎn)：32℉,水的正常沸點(diǎn)：212℉其間均分180等份其單位為℉4、蘭金溫標(biāo)，°R

與開氏溫標(biāo)相似，也是以最低理論溫度為0度的一種絕對溫標(biāo)。其0度為-459、58℉（-460℉），所以0℉即460℉。四種溫度的關(guān)系3華氏溫標(biāo),℉7二）壓力(壓強(qiáng)）三）流量四）組成二）壓力(壓強(qiáng)）8三、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(shí)驗(yàn)室過渡到第一套生產(chǎn)裝置的全部過程。（開發(fā)的成果要以基礎(chǔ)設(shè)計(jì)形式出現(xiàn)）化工過程開發(fā)，首先是決定化學(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(jià)值，產(chǎn)物分離的難易程度以及機(jī)械、設(shè)備、材料是否可行。當(dāng)然，最終取決于是否有經(jīng)濟(jì)效益。

三、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(shí)驗(yàn)室過渡到9四、化工基礎(chǔ)數(shù)據(jù)“化工基礎(chǔ)數(shù)據(jù)”，又被稱作“物化數(shù)據(jù)”或“物性數(shù)據(jù)”。是由物料本身的物理化學(xué)性質(zhì)所決定的?；せA(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:四、化工基礎(chǔ)數(shù)據(jù)“化工基礎(chǔ)數(shù)據(jù)”，又被稱作“物化數(shù)據(jù)”或“物10(l）基本物性數(shù)據(jù)——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、氣一液平衡關(guān)系等。(2）熱力學(xué)物性數(shù)據(jù)——如內(nèi)能、焓、嫡、熱容、相變熱、自由能、自由焓等。(3）化學(xué)反應(yīng)和熱化學(xué)數(shù)據(jù)——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。(4）傳遞參數(shù)——如粘度、擴(kuò)散系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)等。

(l）基本物性數(shù)據(jù)——11數(shù)據(jù)的獲?。?/p>

1、查手冊或文獻(xiàn)資料常用物質(zhì)的物性數(shù)據(jù)可從化學(xué)化工類手冊或?qū)I(yè)性的化工手冊中查到。（收集了許多物質(zhì)的物性數(shù)據(jù)及圖表）化學(xué)工程手冊，《化學(xué)工程手冊》編輯委員會，化學(xué)工業(yè)出版社，1980化工工藝設(shè)計(jì)手冊，國家醫(yī)藥管理局上海醫(yī)藥設(shè)計(jì)院編，化學(xué)工業(yè)出版社，1986化工工藝算圖，吉林化學(xué)工業(yè)公司設(shè)計(jì)院等編，化學(xué)工業(yè)出版社，1982數(shù)據(jù)的獲?。?/p>

1、查手冊或文獻(xiàn)資料常用物質(zhì)的物性數(shù)據(jù)可從化122、估算可以應(yīng)用物理和化學(xué)的一些基本定律計(jì)算各種物質(zhì)的性質(zhì)參數(shù)。但是，往往由于缺乏計(jì)算所需的一些分子性質(zhì)（偶極矩、極化率、原子間距離等）的數(shù)據(jù)而無法計(jì)算，或者即使知道這些數(shù)據(jù)，計(jì)算也很復(fù)雜。因此，許多研究人員做了不少工作，建立了理論與經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合的方法，來計(jì)算各種物質(zhì)的物性數(shù)據(jù)。這些方法僅從一個化合物二、三種數(shù)據(jù)就能估算出該化合物的其他物性數(shù)據(jù)來。基團(tuán)貢獻(xiàn)法2、估算可以應(yīng)用物理和化學(xué)的一些基本定律計(jì)算各種物質(zhì)的性質(zhì)133、用實(shí)驗(yàn)直接測定實(shí)驗(yàn)直接測定。以上三種數(shù)據(jù)來源，從手冊或文獻(xiàn)中查得數(shù)據(jù)最方便，但往往有時(shí)數(shù)據(jù)不夠完整，也會出現(xiàn)一些錯誤。用一些理論的、半經(jīng)驗(yàn)的和經(jīng)驗(yàn)的公式估算，也是一種簡便的方法。當(dāng)手冊或文獻(xiàn)中無法查得時(shí)，可以進(jìn)行估算。直接用實(shí)驗(yàn)測定得到的數(shù)據(jù)最可靠，只是實(shí)驗(yàn)比較費(fèi)時(shí)間又花錢。但是，如果查不到有關(guān)數(shù)據(jù)，而用公式估算得到的結(jié)果精度又不夠時(shí)，則必須用實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測定。

3、用實(shí)驗(yàn)直接測定實(shí)驗(yàn)直接測定。144、計(jì)算機(jī)檢索近年來，隨著電子計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展，應(yīng)用計(jì)算機(jī)儲存、檢索和推算物性數(shù)據(jù)。

一些大型化工企業(yè)、研究部門和高等院校都相應(yīng)建立了物性數(shù)據(jù)庫，以便于通過計(jì)算機(jī)自動檢索或估算所要求的數(shù)據(jù)，而不必自行查找或計(jì)算，大大節(jié)省了時(shí)間和精力?；の镄詳?shù)據(jù)庫

美國，CINDAS(14000)北京化工大學(xué)，大型化工物性數(shù)據(jù)庫CEPPDS(3417)4、計(jì)算機(jī)檢索近年來，隨著電子計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展，應(yīng)用計(jì)算機(jī)儲15第二節(jié)物料衡算物料衡算是化工計(jì)算中最基本、最重要的內(nèi)容之一，它是能量衡算的基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)或研究一個化工過程，或?qū)φ吣成a(chǎn)過程進(jìn)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(chǔ)上，才能進(jìn)一步算出物質(zhì)之間交換的能量以及整個過程的能量分布情況。物料衡算和能量衡算是進(jìn)行化工工藝設(shè)計(jì)、過程經(jīng)濟(jì)評價(jià)、節(jié)能分析以及過程最優(yōu)化的基礎(chǔ)。第二節(jié)物料衡算物料衡算是化工計(jì)算中最基本、最重要的內(nèi)16物料衡算有兩種情況:一種是對已有的生產(chǎn)設(shè)備或裝置，利用實(shí)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(jì)算結(jié)果，對生產(chǎn)情況進(jìn)行分析、作出判斷、提出改進(jìn)措施。（一般的作業(yè)）另一種是設(shè)計(jì)一種新的設(shè)備或裝置，根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)，先作物料衡算，求出進(jìn)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(fù)荷，從而確定設(shè)備尺寸及整個工藝流程。（設(shè)計(jì)）物料衡算有兩種情況:一種是對已有的生產(chǎn)設(shè)備或裝置，利用實(shí)際測17一、物料衡算的依據(jù)質(zhì)量守恒定律即在一個孤立物系中，不論物質(zhì)發(fā)生任何變化，它的質(zhì)量始終不變（不包括核反應(yīng)，因?yàn)楹朔磻?yīng)能量變化非常大，此定律不適用）。質(zhì)量守恒（不是摩爾守恒、體積守恒）一、物料衡算的依據(jù)質(zhì)量守恒定律18二、物料衡算式物料衡算是研究某一個體系內(nèi)進(jìn)、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(jù)需要選定。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。進(jìn)行物料衡算時(shí)，必須首先確定衡算的體系。

二、物料衡算式物料衡算是研究某一個體系內(nèi)進(jìn)、出物料量及組成的19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。連續(xù)過程的物料衡算式

一般表示式為：系統(tǒng)中積累=輸入–輸出+生成–消耗穩(wěn)態(tài)過程時(shí)輸入=輸出–生成+消耗無化學(xué)反應(yīng)的穩(wěn)態(tài)過程輸入=輸出對某一個體系，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20物料平衡形式總平衡式*總質(zhì)量平衡式總摩爾平衡式組分平衡式 組分質(zhì)量平衡式組分摩爾平衡式元素原子平衡式 *元素原子質(zhì)量平衡式*元素原子摩爾平衡式物料平衡形式21三、物料衡算的基本方法進(jìn)行物料衡算時(shí)，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(jìn)行。這樣才能獲得準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果。l、衡算范圍

指定的任何空間范圍。它可是一個設(shè)備、一個單元或整個過程。根據(jù)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(shè)備，用線條和箭頭表示每個流股的途徑和流向。并標(biāo)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。三、物料衡算的基本方法進(jìn)行物料衡算時(shí)，為了能順利地解題，避222、衡算對象參加過程的全部物料。

對無化學(xué)反應(yīng)：可選任一物料對有化學(xué)反應(yīng)：未發(fā)生變化的物質(zhì)2、衡算對象233、計(jì)算基準(zhǔn)及其選擇原則上計(jì)算基準(zhǔn)是任意選擇。但是，計(jì)算基準(zhǔn)選擇得恰當(dāng)，可以使計(jì)算簡化，避免錯誤。對于不同化工過程，采用什么基準(zhǔn)適宜，需視具體情況而定，不能作硬性規(guī)定。根據(jù)不同過程的特點(diǎn)，選擇計(jì)算基準(zhǔn)時(shí)注意以下幾點(diǎn)：

(l）應(yīng)選擇已知變量數(shù)最多的流股作為計(jì)算基準(zhǔn)。

(2）對液體或固體的體系，常選取單位質(zhì)量作基準(zhǔn)。

(3）對連續(xù)流動體系，用單位時(shí)間作計(jì)算基準(zhǔn)有時(shí)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(zhǔn)。3、計(jì)算基準(zhǔn)及其選擇24具體：⑴時(shí)間基準(zhǔn)連續(xù)（小時(shí)，天……）間歇（釜，批……）⑵質(zhì)量基準(zhǔn)kg，mol，kmol……⑶體積基準(zhǔn)m3（STP），Nm3⑷干濕基準(zhǔn)干基（不含水），濕基（含水）具體：⑴時(shí)間基準(zhǔn)254、物料衡算的程序（步驟）(l）搜集計(jì)算數(shù)據(jù)。

(2）畫出物料流程簡圖。

(3）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(biāo)出有用的分子量。4、物料衡算的程序（步驟）26(5）選擇計(jì)算基準(zhǔn)，并在流程圖上注明所選的基準(zhǔn)值。

(6）列出物料衡算式，然后用數(shù)學(xué)方法求解。(7）校核計(jì)算結(jié)果。(數(shù)據(jù)歸一）(8）將計(jì)算結(jié)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(zhǔn)）

(5）選擇計(jì)算基準(zhǔn)，并在流程圖上注明所選的基準(zhǔn)值。27化工設(shè)計(jì)第三章-物料和能量衡算ppt課件28化工設(shè)計(jì)第三章-物料和能量衡算ppt課件29化工設(shè)計(jì)第三章-物料和能量衡算ppt課件30化工設(shè)計(jì)第三章-物料和能量衡算ppt課件31四、無化學(xué)反應(yīng)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(xué)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，這些過程都可以根據(jù)物料衡算式，直接列出總物料和各組分的衡算式，再用代數(shù)法求解。四、無化學(xué)反應(yīng)過程的物料衡算在化工過程中，只有物理變化不發(fā)32一）、簡單過程的物料衡算簡單過程是指僅有一個設(shè)備或一個單元操作的過程。設(shè)備邊界就是體系邊界。(1）畫出物料流程簡圖。

(2）選擇基準(zhǔn)。

(3）列物料衡算式，求解。

(4）校核計(jì)算結(jié)果。(5）將計(jì)算結(jié)果列成輸入一輸出物料表（物料平衡表）。

一）、簡單過程的物料衡算33化工設(shè)計(jì)第三章-物料和能量衡算ppt課件34化工設(shè)計(jì)第三章-物料和能量衡算ppt課件35（要求：畫出物料流程簡圖、列出物料平衡表并進(jìn)行核算）（要求：畫出物料流程簡圖、列出物料平衡表并進(jìn)行核算）36二）、有多個設(shè)備過程的物料衡算二）、有多個設(shè)備過程的物料衡算37化工設(shè)計(jì)第三章-物料和能量衡算ppt課件38化工設(shè)計(jì)第三章-物料和能量衡算ppt課件39五、有化學(xué)反應(yīng)過程的物料衡算有化學(xué)反應(yīng)的過程，物料中的組分變化比較復(fù)雜。工業(yè)上的化學(xué)反應(yīng)，各反應(yīng)物的實(shí)示用量，并不等于化學(xué)反應(yīng)式中的理論量。為了使所需的反應(yīng)順利進(jìn)行，或使其中較昂貴的又應(yīng)物全部轉(zhuǎn)化，常常使價(jià)格較低廉的一些反應(yīng)物用量過量。五、有化學(xué)反應(yīng)過程的物料衡算有化學(xué)反應(yīng)的過程，物料中的組分變40一）、反應(yīng)轉(zhuǎn)化率、選擇性及收率等概念l、限制反應(yīng)物化學(xué)反應(yīng)原料不按化學(xué)計(jì)量比配料時(shí)，其中以最小化學(xué)計(jì)量數(shù)存在的反應(yīng)物稱為限制反應(yīng)物。2、過量反應(yīng)物不按化學(xué)計(jì)量比配料的原料中，某種反應(yīng)物的量超過限制反應(yīng)物完全反應(yīng)所需的理論量，該反應(yīng)物稱為過量反應(yīng)物。3、過量百分?jǐn)?shù)過量反應(yīng)物超過限制反應(yīng)物所需理論量的部分占所需理論量的百分?jǐn)?shù)。一）、反應(yīng)轉(zhuǎn)化率、選擇性及收率等概念l、限制反應(yīng)物414、轉(zhuǎn)化率（x）某一反應(yīng)物反應(yīng)掉的量占其輸入量的百分?jǐn)?shù)。5、選擇性（S）反應(yīng)物反應(yīng)成目的產(chǎn)物所消耗的量占反應(yīng)物反應(yīng)掉的量的百分?jǐn)?shù)轉(zhuǎn)化率與選擇性是反應(yīng)過程的兩個主要技術(shù)指標(biāo)。6、收率（Y）目的產(chǎn)物的量除以反應(yīng)物（通常指限制反應(yīng)物）輸入量，以百分?jǐn)?shù)表示。它可以用物質(zhì)的量（摩爾數(shù)）或質(zhì)量進(jìn)行計(jì)算。轉(zhuǎn)化率、選擇性與收率三者之間的關(guān)系:Y=Sx4、轉(zhuǎn)化率（x）42化工設(shè)計(jì)第三章-物料和能量衡算ppt課件43化工設(shè)計(jì)第三章-物料和能量衡算ppt課件44化工設(shè)計(jì)第三章-物料和能量衡算ppt課件45順酐的選擇性：S=Y/x＝(3.49%)/(96.82%)=3.6%3.23%順酐的選擇性：3.23%46二）、一般反應(yīng)過程的物料衡算對有化學(xué)反應(yīng)過程的物料衡算，由于各組分在過程中發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，因此就不能簡單地列組分的衡算式，必須考慮化學(xué)反應(yīng)中生成或消耗的量，應(yīng)該根據(jù)化學(xué)反應(yīng)式，列衡算方程。對一般的反應(yīng)過程，可用下列幾種方法求解。

二）、一般反應(yīng)過程的物料衡算對有化學(xué)反應(yīng)過程的物料衡算，由于471、直接求解法有些化學(xué)反應(yīng)過程的物料衡算，有時(shí)只含一個未知量或組成，這類問題比較簡單，通?？筛鶕?jù)化學(xué)反應(yīng)式直接求解，不必列出衡算式。直接求解法也稱化學(xué)計(jì)量法

1、直接求解法有些化學(xué)反應(yīng)過程的物料衡算，有時(shí)只含一個未知量48化工設(shè)計(jì)第三章-物料和能量衡算ppt課件49化工設(shè)計(jì)第三章-物料和能量衡算ppt課件502、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(shí)，并不需要考慮具體的化學(xué)反應(yīng)，而是按照元素種類被轉(zhuǎn)化及重新組合的概念表示為：

輸入（某種元素）=輸出（同種元素）對反應(yīng)過程中化學(xué)反應(yīng)很復(fù)雜，無法用一、兩個反應(yīng)式表示的物料衡算題，可以列出元素衡算式，用代數(shù)法求解。

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51化工設(shè)計(jì)第三章-物料和能量衡算ppt課件52化工設(shè)計(jì)第三章-物料和能量衡算ppt課件533、“聯(lián)系組分”法“聯(lián)系組分”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物料之間就可以根據(jù)聯(lián)系組分的含量進(jìn)行關(guān)聯(lián)。3、“聯(lián)系組分”法“聯(lián)系組分”是指隨物料輸入體系，但完全不參54化工設(shè)計(jì)第三章-物料和能量衡算ppt課件55化工設(shè)計(jì)第三章-物料和能量衡算ppt課件56化工設(shè)計(jì)第三章-物料和能量衡算ppt課件57化工設(shè)計(jì)第三章-物料和能量衡算ppt課件58化工設(shè)計(jì)第三章-物料和能量衡算ppt課件59化工設(shè)計(jì)第三章-物料和能量衡算ppt課件60三）、復(fù)雜過程的物料衡算復(fù)雜過程不是指過程或設(shè)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(jù)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再加上結(jié)點(diǎn)關(guān)系求解。三）、復(fù)雜過程的物料衡算復(fù)雜過程不是指過程或設(shè)備多而是具有循61化工設(shè)計(jì)第三章-物料和能量衡算ppt課件62化工設(shè)計(jì)第三章-物料和能量衡算ppt課件63化工設(shè)計(jì)第三章-物料和能量衡算ppt課件64化工設(shè)計(jì)第三章-物料和能量衡算ppt課件65化工設(shè)計(jì)第三章-物料和能量衡算ppt課件66化工設(shè)計(jì)第三章-物料和能量衡算ppt課件67化工設(shè)計(jì)第三章-物料和能量衡算ppt課件68第三節(jié)能量衡算在化工生產(chǎn)中，能量的消耗是一項(xiàng)重要的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，它是衡量工藝過程、設(shè)備設(shè)計(jì)、操作制度是否先進(jìn)合理的主要指標(biāo)之一。能量衡算的基礎(chǔ)是物料衡算，只有在進(jìn)行完備的物料衡算后才能作出能量衡算。第三節(jié)能量衡算在化工生產(chǎn)中，能量的消耗是一項(xiàng)重要的技術(shù)經(jīng)69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(shí)際測定一些能量，通過衡算計(jì)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(jià)，即由裝置或設(shè)備進(jìn)出口物料的量和溫度，以及其它各項(xiàng)能量，求出裝置或設(shè)備的能量利用情況；另一種是在設(shè)計(jì)新裝置或設(shè)備時(shí)，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熱量。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(shí)際測70一、能量衡算的依據(jù)能量守恒定律輸入能量+生成能量=消耗能量+積累能量+輸出能量一、能量衡算的依據(jù)能量守恒定律71二、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+WQ-輸入體系的熱量W-輸入體系的總功二、總能量衡算方程式1、連續(xù)穩(wěn)態(tài)流動過程72在實(shí)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(jì)算環(huán)境向體系作功2）無作功過程（多數(shù)化工操作過程）

W=0，動、位能差可忽略△H=Q3）無功、熱傳遞過程

Q=0，W=0，動、位能差可忽略△H=0（焓平衡）在實(shí)際中，上式視不同情況而有不同的形式：732、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(zhì)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一般間歇操作，動、位能差=0，則△U=Q+W2、間歇過程74三、能量衡算總能量衡算在化工計(jì)算時(shí)分熱量衡算和機(jī)械能衡算。1、對有些化工過程如流體流動過程，此時(shí)傳熱量內(nèi)能的變化較其他小，次要。故總能量衡算變?yōu)闄C(jī)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(yīng)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(nèi)能和焓的變化，是可以忽略。此時(shí)（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(shí)際應(yīng)用時(shí)，進(jìn)出設(shè)備的物料不止一個，因此：Q=∑H2－∑H1三、能量衡算總能量衡算在化工計(jì)算時(shí)分熱量衡算和機(jī)械能衡算。75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（無外功W=0）：

Q=△H=H2－H1（敞開體系）

Q=∑H2－∑H1熱量衡算（化工中的能量衡算）1、熱量衡算式762、熱量衡算的基本方法和步驟①建立以單位時(shí)間為基準(zhǔn)的物料流程圖（或平衡表）。也可以100mol或100kmol原料為基準(zhǔn)，但前者更常用。②在物料流程框圖上標(biāo)明已知溫度、壓力、相態(tài)等條件，并查出或計(jì)算出每個物料組分的焓值，于圖上注明。

2、熱量衡算的基本方法和步驟77

③選定計(jì)算基準(zhǔn)（溫度和相態(tài)）。這是人為選定的計(jì)算基準(zhǔn)，即輸入體系的熱量和由體系輸出的熱量應(yīng)該有同一的比較基準(zhǔn)，可選0℃（273K）、25℃（298K）或其它溫度作為基準(zhǔn)溫度。由于手冊、文獻(xiàn)上查到的熱力學(xué)數(shù)據(jù)大多是298K時(shí)的數(shù)據(jù)，故選298K為基準(zhǔn)溫度，計(jì)算比較方便。同時(shí)相態(tài)的確定也是很重要的。

④列出熱量衡算式，然后用數(shù)學(xué)方法求解未知值。

⑤當(dāng)生產(chǎn)過程及物料組成較復(fù)雜時(shí)，可以列出熱量衡算表。

③選定計(jì)算基準(zhǔn)（溫度和相態(tài)）。這是人為選定的計(jì)算基78化工設(shè)計(jì)第三章-物料和能量衡算ppt課件79化工設(shè)計(jì)第三章-物料和能量衡算ppt課件80水蒸氣動能：

17atm的v=0.1166m3/kg

u=202m/sEk=1/2(295)(202)2=6.02×1000kJ/minQ=7.61×10(5)+6.02×10(3)=7.67×10(5)kJ/min動能占總能量的6.02×10(3)/7.61×10(5)=0.78%故本題可視為單純的熱量衡算。水蒸氣動能：81一）無化學(xué)反應(yīng)過程的熱量衡算無化學(xué)反應(yīng)過程的能量衡算，一般指進(jìn)出過程物料的焓差——熱量衡算。由于焓是狀態(tài)函數(shù)，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，每一階段的△Hi之和即為全過程的△H。途經(jīng)各個階段的類型有5種，即：一）無化學(xué)反應(yīng)過程的熱量衡算無化學(xué)反應(yīng)過82恒T時(shí)P的變化恒P時(shí)T的變化恒T恒P時(shí)相態(tài)的變化兩物質(zhì)在恒T恒P時(shí)混合和分離恒T恒P時(shí)的反應(yīng)過程前4種已學(xué)（無相變、有相變、混合熱等的計(jì)算）下面重點(diǎn)講反應(yīng)過程的熱量衡算。恒T時(shí)P的變化83二）有化學(xué)反應(yīng)過程的熱量衡算化學(xué)反應(yīng)過程也常伴隨有大量的熱效應(yīng)——吸熱或放熱。為了使反應(yīng)溫度得到控制，必須自反應(yīng)體系排走或向反應(yīng)供給熱量，即反應(yīng)器也須有供給或冷卻用的換熱設(shè)備，這些都需進(jìn)行反應(yīng)過程的熱量衡算。1、反應(yīng)熱及其表示1）恒壓反應(yīng)熱反應(yīng)物按化學(xué)計(jì)量式完全反應(yīng)，物料在反應(yīng)前后的焓差稱為恒壓反應(yīng)熱或反應(yīng)熱，以△Hr表示。二）有化學(xué)反應(yīng)過程的熱量衡算化學(xué)反應(yīng)過程也84根據(jù)熱力學(xué)第一定律，若過程進(jìn)行時(shí)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(yīng)式而言的。如果uA是反應(yīng)物或生成物A的化學(xué)計(jì)量系數(shù)，nA為溫度時(shí)所消耗而成生成的A的摩爾數(shù)，則化學(xué)反應(yīng)的總焓差為：△H=nA△Hr/uA根據(jù)熱力學(xué)第一定律，若過程進(jìn)行時(shí)只做膨脹852）恒容反應(yīng)熱在恒T恒V下，反應(yīng)物在溫度T時(shí)按化學(xué)計(jì)量系數(shù)完全反應(yīng)后內(nèi)能的變化，即為恒容反應(yīng)熱或恒容熱Qv=△UrQp與Qv的關(guān)系：若果ui是氣態(tài)反應(yīng)物或生成物i的化學(xué)計(jì)量系數(shù)，且氣體為理想氣體，設(shè)液、固容積變化可忽略，則△Ur=△Hr－△nRT

2）恒容反應(yīng)熱862、反應(yīng)熱的計(jì)算反應(yīng)熱來源：實(shí)測由已有數(shù)據(jù)估算（蓋斯定律）2、反應(yīng)熱的計(jì)算87由標(biāo)準(zhǔn)生成熱△Hf計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)熱△Hr1）標(biāo)準(zhǔn)生成熱△Hf在1atm、25℃由穩(wěn)定的單質(zhì)生成1mol化合物的恒壓反應(yīng)熱。規(guī)定在標(biāo)準(zhǔn)態(tài)下（1atm、25℃）處于穩(wěn)定狀態(tài)的單質(zhì)△Hf=02）由標(biāo)準(zhǔn)生成熱計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)熱△Hr根據(jù)蓋斯定律——化學(xué)反應(yīng)熱只決定于物質(zhì)的初態(tài)和終態(tài)，與過程的途徑無關(guān)，則：△Hr=

∑生成物ui（△Hf）－∑反應(yīng)物ui（△Hf）由標(biāo)準(zhǔn)生成熱△Hf計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)熱△Hr88由標(biāo)準(zhǔn)燃燒熱△Hc計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)熱△Hr1）標(biāo)準(zhǔn)燃燒熱△Hc在1atm、25℃各種處于穩(wěn)定狀態(tài)的物質(zhì)進(jìn)行燃燒反應(yīng)生成燃燒產(chǎn)物時(shí)的焓變。注意