第三章化工設(shè)計

1、化工設(shè)計概論化工設(shè)計概論鎮(zhèn)江高等?？茖W(xué)校鎮(zhèn)江高等專科學(xué)校 化工設(shè)計概論化工設(shè)計概論鎮(zhèn)江高等?？茖W(xué)校鎮(zhèn)江高等?？茖W(xué)校 第一節(jié)第一節(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)容之一，它是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)，能量衡算的基礎(chǔ)， 也是以后各項工作的依據(jù)。也是以后各項工作的依據(jù)。 一、概述一、概述 1.1.物料衡算的理論依據(jù)物料衡算的理論依據(jù) 是質(zhì)量守恒定律，即在一個孤立物系中，不論物質(zhì)發(fā)生任何變是質(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。化，它的質(zhì)量始終不變。 物料衡算的一般方程物料衡算的一般方程:

2、 : 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 物料衡算的基本關(guān)系式應(yīng)該表示為：物料衡算的基本關(guān)系式應(yīng)該表示為： 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)。即衡算時，必須把反應(yīng)消耗或生成的量亦考慮在內(nèi)。即: : 化工設(shè)計概論化工設(shè)計概論鎮(zhèn)江高等?？茖W(xué)校鎮(zhèn)江高等?？茖W(xué)校 2.2.目的目的 （1 1）求出原輔材料的用量，制定原輔材料消耗指標；）求出原輔材料的用量，制定原輔材料消耗指標； （2 2）求出產(chǎn)品、副產(chǎn)品

3、、中間體的產(chǎn)量及三廢排放量；）求出產(chǎn)品、副產(chǎn)品、中間體的產(chǎn)量及三廢排放量； （3 3）根據(jù)所得物料處理量，進一步確定設(shè)備類型、臺數(shù)、容量、）根據(jù)所得物料處理量，進一步確定設(shè)備類型、臺數(shù)、容量、 尺寸以及化工管道的尺寸。尺寸以及化工管道的尺寸。 另外，在實際生產(chǎn)中，可通過物料衡算檢查生產(chǎn)過程的完善程度，另外，在實際生產(chǎn)中，可通過物料衡算檢查生產(chǎn)過程的完善程度， 作為技術(shù)改進的定量關(guān)系。作為技術(shù)改進的定量關(guān)系。 3.3.內(nèi)容內(nèi)容 計算原料與產(chǎn)品之間的定量關(guān)系計算原料與產(chǎn)品之間的定量關(guān)系 具體說就是對每股物料進行分析和定量計算，以確定它們的具體說就是對每股物料進行分析和定量計算，以確定它們的 數(shù)量、

4、組成和相互間的比例關(guān)系，并且確定它們在物理變化和化數(shù)量、組成和相互間的比例關(guān)系，并且確定它們在物理變化和化 學(xué)變化過程中相互轉(zhuǎn)移或轉(zhuǎn)化的定量關(guān)系。學(xué)變化過程中相互轉(zhuǎn)移或轉(zhuǎn)化的定量關(guān)系。 物料衡算得開始意味著設(shè)計工作從定性轉(zhuǎn)向定量物料衡算得開始意味著設(shè)計工作從定性轉(zhuǎn)向定量 化工設(shè)計概論化工設(shè)計概論鎮(zhèn)江高等?？茖W(xué)校鎮(zhèn)江高等?？茖W(xué)校 二、物料衡算的基本方法和步驟二、物料衡算的基本方法和步驟 衡算的體系與環(huán)境衡算的體系與環(huán)境 所謂體系是指為了分析一個過程，人為地劃定出一個區(qū)域作所謂體系是指為了分析一個過程，人為地劃定出一個區(qū)域作 為一個完整的研究對象。這個劃定的區(qū)域叫做體系。它可以是一為一個完整的研究

5、對象。這個劃定的區(qū)域叫做體系。它可以是一 個單元操作，也可以是一個工序甚至整個車間乃至全廠。個單元操作，也可以是一個工序甚至整個車間乃至全廠。 確定體系、環(huán)境與邊界是建立物料平衡方程的基礎(chǔ)。體系劃確定體系、環(huán)境與邊界是建立物料平衡方程的基礎(chǔ)。體系劃 分不清或不恰當(dāng)，會導(dǎo)致衡算繁瑣甚至錯誤。分不清或不恰當(dāng)，會導(dǎo)致衡算繁瑣甚至錯誤。 化工過程分類化工過程分類 a.根據(jù)操作方法分根據(jù)操作方法分 間歇操作間歇操作 連續(xù)操作連續(xù)操作 半連續(xù)操作半連續(xù)操作 b.根據(jù)時間特性分根據(jù)時間特性分 穩(wěn)定過程穩(wěn)定過程 不穩(wěn)定過程不穩(wěn)定過程 穩(wěn)定與不穩(wěn)定過程計算的區(qū)別主要是計算基準不同穩(wěn)定與不穩(wěn)定過程計算的區(qū)別主要是

6、計算基準不同 化工設(shè)計概論化工設(shè)計概論鎮(zhèn)江高等?？茖W(xué)校鎮(zhèn)江高等?？茖W(xué)校 二、物料衡算的基本方法和步驟二、物料衡算的基本方法和步驟 進行物料衡算時，為了能順利地解題，避免錯誤，必須進行物料衡算時，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。掌握解題技巧，按正確的解題方法和步驟進行。 1 1、畫物料衡算示意圖（物料流程簡圖）、畫物料衡算示意圖（物料流程簡圖） 求解物料衡算問題，首先應(yīng)該根據(jù)給定的條件畫出流程求解物料衡算問題，首先應(yīng)該根據(jù)給定的條件畫出流程 簡圖。簡圖。 2 2、計算基準及其選擇。、計算基準及其選擇。 進行物料、能量衡算時，必須選擇一個計算基準。從原則

7、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，都能得到正確的解答。但是，上說選擇任何一種計算基準，都能得到正確的解答。但是， 計算基準選擇得恰當(dāng)，可以使計算簡化，避免錯誤。計算基準選擇得恰當(dāng)，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。而定，不能作硬性規(guī)定。 化工設(shè)計概論化工設(shè)計概論鎮(zhèn)江高等?？茖W(xué)校鎮(zhèn)江高等?？茖W(xué)校 二、物料衡算的基本方法和步驟二、物料衡算的基本方法和步驟 3 3、物料衡算的步驟、物料衡算的步驟 進行物料衡算時，尤其是那些復(fù)雜的物料衡算，為了避

8、免錯誤，建議采進行物料衡算時，尤其是那些復(fù)雜的物料衡算，為了避免錯誤，建議采 用下列計算步驟。對于一些簡單的問題，這種步驟似乎有些繁瑣，但是訓(xùn)練用下列計算步驟。對于一些簡單的問題，這種步驟似乎有些繁瑣，但是訓(xùn)練 這種有條理的解題方法，可以培養(yǎng)邏輯地思考問題，對今后解決復(fù)雜的問題這種有條理的解題方法，可以培養(yǎng)邏輯地思考問題，對今后解決復(fù)雜的問題 是有幫助的。計算步驟如下：是有幫助的。計算步驟如下： (1) (1) 搜集計算數(shù)據(jù)。搜集計算數(shù)據(jù)。 a.a.生產(chǎn)規(guī)模，時間及產(chǎn)品收率、轉(zhuǎn)化率、消耗定額等；生產(chǎn)規(guī)模，時間及產(chǎn)品收率、轉(zhuǎn)化率、消耗定額等； b.b.原料、助劑、中間體和產(chǎn)品的規(guī)格及其物化數(shù)據(jù)；

9、原料、助劑、中間體和產(chǎn)品的規(guī)格及其物化數(shù)據(jù)； c.c.工藝技術(shù)數(shù)據(jù)，即各種控制指標。工藝技術(shù)數(shù)據(jù)，即各種控制指標。 (2) (2) 畫出物料流程簡圖。畫出物料流程簡圖。 (3) (3) 確定衡算體系。確定衡算體系。 (4) (4) 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。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。 (5) (5) 選擇合適的計算基準，并在流程圖上注明所選的基準值。選擇合適的計算基準，并在流程圖上注明所選的基準值。 (6) (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) (7) 將計算結(jié)果列成輸入輸出物料

10、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) (8) 校核計算結(jié)果校核計算結(jié)果 化工設(shè)計概論化工設(shè)計概論鎮(zhèn)江高等?？茖W(xué)校鎮(zhèn)江高等專科學(xué)校 過程物料平衡分析及計算方法過程物料平衡分析及計算方法 （1）總質(zhì)量平衡關(guān)聯(lián)）總質(zhì)量平衡關(guān)聯(lián) 任何體系，雖然某一組分的質(zhì)量或摩爾數(shù)不一定守恒，但其總?cè)魏误w系，雖然某一組分的質(zhì)量或摩爾數(shù)不一定守恒，但其總 質(zhì)量總是守恒的。質(zhì)量總是守恒的。 123 GGG （2）組分平衡關(guān)聯(lián)）組分平衡關(guān)聯(lián) 物理過程中，體系內(nèi)各組份的質(zhì)量和摩爾數(shù)都是守恒的；物理過程中，體系內(nèi)各組份的質(zhì)量和摩爾數(shù)都是守恒的； 化學(xué)過程中，惰性組分的質(zhì)量和摩爾數(shù)是守恒的。對

11、于參與化學(xué)反化學(xué)過程中，惰性組分的質(zhì)量和摩爾數(shù)是守恒的。對于參與化學(xué)反 應(yīng)的組份可寫出相應(yīng)的平衡方程式：對任意組分應(yīng)的組份可寫出相應(yīng)的平衡方程式：對任意組分A AAAA加入系統(tǒng) 的量在系統(tǒng)中轉(zhuǎn)化的 量離開系統(tǒng)的 量在系統(tǒng)中積累的 量 對于連續(xù)穩(wěn)態(tài)生產(chǎn)過程，系統(tǒng)中無物料積累。對于連續(xù)穩(wěn)態(tài)生產(chǎn)過程，系統(tǒng)中無物料積累。 （3）元素平衡關(guān)聯(lián)）元素平衡關(guān)聯(lián) 包括元素的質(zhì)量平衡和元素的摩爾數(shù)平衡，無論是物理過程還是化包括元素的質(zhì)量平衡和元素的摩爾數(shù)平衡，無論是物理過程還是化 學(xué)過程，元素平衡總是成立的。對于化學(xué)過程，元素平衡是最常用的。學(xué)過程，元素平衡總是成立的。對于化學(xué)過程，元素平衡是最常用的。 化工設(shè)

12、計概論化工設(shè)計概論鎮(zhèn)江高等?？茖W(xué)校鎮(zhèn)江高等?？茖W(xué)校 簡單過程物料衡算簡單過程物料衡算 例：例：一種廢酸，組成為一種廢酸，組成為23(質(zhì)量質(zhì)量)HNO3，57H2SO4和和20H2O， 加入加入93的濃的濃H2SO4及及90的濃的濃HNO3，要求混合成要求混合成27HNO3及及 60H2SO4的混合酸，計算所需廢酸及加入濃酸的數(shù)量。的混合酸，計算所需廢酸及加入濃酸的數(shù)量。 解：設(shè)解：設(shè)x x 為廢酸量為廢酸量kgkg； y y 為濃為濃H H2 2SOSO4 4量，量，kgkg； z z 為濃為濃HNOHNO3 3量；量； 1 1、畫物料流程簡圖、畫物料流程簡圖 0.57 0.20 z kg 0

13、.23 y kg 0.60 0.13 0.27 0.07 0.93 0.90 0.10 混合過程 廢酸 x kg 混合酸 3ONH O S 2H H2 4O HNO3 2 2 H H O OS4 H S24O OH2 3ONH 2H O 化工設(shè)計概論化工設(shè)計概論鎮(zhèn)江高等專科學(xué)校鎮(zhèn)江高等?？茖W(xué)校 2、選擇基準，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、選擇基準，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，選任何一種作基準計算都很方便。為四種酸的組成均已知，選任何一種作基準計算都很方便。 3、列物料衡算式，該體系有、列物料衡算式，該體系有3種組分

14、，可以列出種組分，可以列出3個獨立方程，所以能求出個獨立方程，所以能求出3個個 未知量。未知量。 基準：基準：100kg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H2SO4 z = 19.2kg 濃濃HNO3 即由即由41.8kg廢酸、廢酸、39kg濃濃H2SO4和和19.2kg濃濃HNO3可以混合成可以

15、混合成100kg混合酸。混合酸。 根據(jù)水平衡，可以核對以上結(jié)果：根據(jù)水平衡，可以核對以上結(jié)果： 加入的水量加入的水量 = 41.8 0.2 + 39 0.07 + 19.2 0.10 = 13kg 混合后的酸，含混合后的酸，含13H2O，所以計算結(jié)果正確。所以計算結(jié)果正確。 以上物料衡算式，亦可以選總物料衡算式及以上物料衡算式，亦可以選總物料衡算式及H2SO4與與HNO3二個衡算式或二個衡算式或H2SO4、 HNO3和和H2O三個組分衡算式進行計算，均可以求得上述結(jié)果。三個組分衡算式進行計算，均可以求得上述結(jié)果。 化工設(shè)計概論化工設(shè)計概論鎮(zhèn)江高等?？茖W(xué)校鎮(zhèn)江高等?？茖W(xué)校 有化學(xué)反應(yīng)過程的物料衡

16、算有化學(xué)反應(yīng)過程的物料衡算 有化學(xué)反應(yīng)的過程，物料中的組分比較復(fù)雜。因為，工業(yè)上的有化學(xué)反應(yīng)的過程，物料中的組分比較復(fù)雜。因為，工業(yè)上的 化學(xué)反應(yīng)，各反應(yīng)物的實示用量，并不等于化學(xué)反應(yīng)式中的理論量?；瘜W(xué)反應(yīng)，各反應(yīng)物的實示用量，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)順利進行，或使其中較昂貴的又應(yīng)物全部轉(zhuǎn)化，為了使所需的反應(yīng)順利進行，或使其中較昂貴的又應(yīng)物全部轉(zhuǎn)化， 常常使價格較低廉的一些反應(yīng)物用量過量。因此，使物料衡算比無常常使價格較低廉的一些反應(yīng)物用量過量。因此，使物料衡算比無 化學(xué)反應(yīng)過程的計算復(fù)雜，尤其是當(dāng)物料組成及化學(xué)反應(yīng)比較復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)過程的計算復(fù)雜，尤其是當(dāng)物料組成及化學(xué)

17、反應(yīng)比較復(fù)雜 時，計算更應(yīng)注意。時，計算更應(yīng)注意。 一、反應(yīng)轉(zhuǎn)化率、選擇性及收率等概念一、反應(yīng)轉(zhuǎn)化率、選擇性及收率等概念 工業(yè)化學(xué)反應(yīng)過程中，當(dāng)反應(yīng)原料的配比不按化學(xué)計量比時，限據(jù)反工業(yè)化學(xué)反應(yīng)過程中，當(dāng)反應(yīng)原料的配比不按化學(xué)計量比時，限據(jù)反 應(yīng)物的化學(xué)計量數(shù)大小可稱其為限制反應(yīng)物與過量反應(yīng)物。應(yīng)物的化學(xué)計量數(shù)大小可稱其為限制反應(yīng)物與過量反應(yīng)物。 1、限制反應(yīng)物：化學(xué)反應(yīng)原料不按化學(xué)計量比配料時，其中以最小、限制反應(yīng)物：化學(xué)反應(yīng)原料不按化學(xué)計量比配料時，其中以最小 化學(xué)計量數(shù)存在的反應(yīng)物稱為限制反應(yīng)物?；瘜W(xué)計量數(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)計量比配料的原料中，某種反應(yīng)

18、物的量超、過量反應(yīng)物：不按化學(xué)計量比配料的原料中，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。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。 化工設(shè)計概論化工設(shè)計概論鎮(zhèn)江高等?？茖W(xué)校鎮(zhèn)江高等?？茖W(xué)校 3、過量百分數(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、過量百分數(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 需理論量的百分數(shù)。若以從表示過量反應(yīng)物的摩爾數(shù)，需理論量的百分數(shù)。若以從表示過量反應(yīng)物的摩爾數(shù)，Nt表示與表示與 限制反應(yīng)物完全反應(yīng)所需的摩爾數(shù)，則過量百分數(shù)即為限制反應(yīng)物完全反應(yīng)所需的摩爾數(shù)，則過量百分數(shù)即為 4、轉(zhuǎn)化率（以、轉(zhuǎn)化率（

19、以x表示）：某一反應(yīng)物反應(yīng)掉的量占其輸入量的百分表示）：某一反應(yīng)物反應(yīng)掉的量占其輸入量的百分 數(shù)。若以數(shù)。若以NA1、NA2分別表示反應(yīng)物分別表示反應(yīng)物A輸入及輸出體系的摩爾數(shù)，輸入及輸出體系的摩爾數(shù)， 則反應(yīng)物則反應(yīng)物A的轉(zhuǎn)化率為的轉(zhuǎn)化率為 一個化學(xué)反應(yīng)，由不同反應(yīng)物可計算得到不同的轉(zhuǎn)化率。因一個化學(xué)反應(yīng)，由不同反應(yīng)物可計算得到不同的轉(zhuǎn)化率。因 此，應(yīng)用時必須指明某個反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率。若沒有指明時，則往此，應(yīng)用時必須指明某個反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率。若沒有指明時，則往 往是指限制反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率。往是指限制反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率。 過量100 t te N NN %100 1 21 A AA A N NN x 化

20、工設(shè)計概論化工設(shè)計概論鎮(zhèn)江高等?？茖W(xué)校鎮(zhèn)江高等?？茖W(xué)校 5、選擇性（以、選擇性（以S表示）：反應(yīng)物反應(yīng)成目的產(chǎn)物所消耗的量占反應(yīng)表示）：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)掉的量的百分數(shù)。若反應(yīng)物為物反應(yīng)掉的量的百分數(shù)。若反應(yīng)物為A，生成的目的產(chǎn)物為生成的目的產(chǎn)物為D， Nn表示生成的目的產(chǎn)物表示生成的目的產(chǎn)物D的摩爾數(shù)，。、的摩爾數(shù)，。、d分別為反應(yīng)物分別為反應(yīng)物d與目與目 的產(chǎn)物的產(chǎn)物D的化學(xué)計量系數(shù)，則選擇性為的化學(xué)計量系數(shù)，則選擇性為 式中式中NA1NA2為反應(yīng)物為反應(yīng)物A反應(yīng)掉的摩爾數(shù)。反應(yīng)掉的摩爾數(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。轉(zhuǎn)化率與選擇性是反應(yīng)過程的兩

21、個主要技術(shù)指標。 6、收率（以、收率（以Y表示）：目的產(chǎn)物的量除以反應(yīng)物（通常指限制反應(yīng)表示）：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，以百分數(shù)表示。它可以用物質(zhì)的量（摩爾數(shù)）或質(zhì)物）輸入量，以百分數(shù)表示。它可以用物質(zhì)的量（摩爾數(shù)）或質(zhì) 量進行計算。若以摩爾數(shù)計算，考慮化學(xué)計量系數(shù)，則目的產(chǎn)物量進行計算。若以摩爾數(shù)計算，考慮化學(xué)計量系數(shù)，則目的產(chǎn)物 D的收率為的收率為 轉(zhuǎn)化率、選擇性與收率三者之間的關(guān)系為轉(zhuǎn)化率、選擇性與收率三者之間的關(guān)系為Y = Sx %100 21 AA D NN d a N S %100 1 A D D N d a N Y 化工設(shè)計概論化工設(shè)計概論鎮(zhèn)江高等?？?/p>

22、學(xué)校鎮(zhèn)江高等?？茖W(xué)校 例：在催化劑作用下，甲醇籍空氣氧化可以制取甲醛。為保證甲醇例：在催化劑作用下，甲醇籍空氣氧化可以制取甲醛。為保證甲醇 有足夠的轉(zhuǎn)化率，在進料中空氣過量有足夠的轉(zhuǎn)化率，在進料中空氣過量50，甲醇轉(zhuǎn)化率可達，甲醇轉(zhuǎn)化率可達75。 是寫出物料衡算表。是寫出物料衡算表。 解：計算基準：解：計算基準：100kmol甲醇進料甲醇進料 CH3OHO2 惰性組分惰性組分 HCHOH2O CH3OH+0.5O2=HCHO+H2O 1.按化學(xué)計量式計算需求量kmolh100.050.0100.0100.0 2.過量50空氣，試劑量kmolh100.075.0282.1 3.對于甲醇轉(zhuǎn)化率75

23、時 轉(zhuǎn)化物質(zhì)， kmolh75.037.5 產(chǎn)生物質(zhì)， kmolh75.075.0 未轉(zhuǎn)化物質(zhì)， kmolh25.037.5282.1 4.總計 kmolh 進入氣體100.075.0282.1 引出氣體25.037.5282.175.075.0 引出氣體的組成分析， mol0.050.080.570.150.15 化工設(shè)計概論化工設(shè)計概論鎮(zhèn)江高等?？茖W(xué)校鎮(zhèn)江高等專科學(xué)校 具有循環(huán)過程的物料衡算具有循環(huán)過程的物料衡算 在化工過程中，有一些具有循環(huán)、排放及旁路的過程，這類過程在化工過程中，有一些具有循環(huán)、排放及旁路的過程，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(jù)已知的條件的物料

24、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，列出物料衡算式再求解。如及所求的未知量選擇合適的衡算體系，列出物料衡算式再求解。如 果存在聯(lián)系組分，則可以利用聯(lián)系組分計算。果存在聯(lián)系組分，則可以利用聯(lián)系組分計算。 新鮮 原料 循環(huán)物料R 產(chǎn)品P 反應(yīng)器分離器 F MFRP 有循環(huán)過程的物料流程圖 進反應(yīng)器的物料進反應(yīng)器的物料MF是由新鮮原料與循環(huán)物料是由新鮮原料與循環(huán)物料R混合而成，從反混合而成，從反 應(yīng)器出來的產(chǎn)物應(yīng)器出來的產(chǎn)物RP經(jīng)分離器分成產(chǎn)品經(jīng)分離器分成產(chǎn)品P與循環(huán)物料與循環(huán)物料R。 化工設(shè)計概論化工設(shè)計概論鎮(zhèn)江高等?？茖W(xué)校鎮(zhèn)江高等?？茖W(xué)校 有循

25、環(huán)的過程，轉(zhuǎn)化率常分為單程轉(zhuǎn)化率與總轉(zhuǎn)化率：有循環(huán)的過程，轉(zhuǎn)化率常分為單程轉(zhuǎn)化率與總轉(zhuǎn)化率： 式中式中 反應(yīng)物反應(yīng)物A輸入、輸出反應(yīng)器的摩爾數(shù)；輸入、輸出反應(yīng)器的摩爾數(shù)； 式中式中 反應(yīng)物反應(yīng)物A輸入、輸出過程的摩爾數(shù)；輸入、輸出過程的摩爾數(shù)； 所以，單程轉(zhuǎn)化率是以反應(yīng)器為體系，總轉(zhuǎn)化率是以整個過所以，單程轉(zhuǎn)化率是以反應(yīng)器為體系，總轉(zhuǎn)化率是以整個過 程為體系。程為體系。 %100 MF A RP A MF A N NN 單程轉(zhuǎn)化率 %100 F A S A F A N NN 總轉(zhuǎn)化率 S A F A NN 、 S A F A NN 、 化工設(shè)計概論化工設(shè)計概論鎮(zhèn)江高等?？茖W(xué)校鎮(zhèn)江高等專科學(xué)校

26、循環(huán)過程在穩(wěn)定狀態(tài)下操作時，物料的質(zhì)量既不積累也循環(huán)過程在穩(wěn)定狀態(tài)下操作時，物料的質(zhì)量既不積累也 不消失，各流股的組分恒定。但是，如果原料中含有不不消失，各流股的組分恒定。但是，如果原料中含有不 反應(yīng)的雜質(zhì)或惰性物質(zhì)，經(jīng)長時間的循環(huán)會使其濃度逐反應(yīng)的雜質(zhì)或惰性物質(zhì)，經(jīng)長時間的循環(huán)會使其濃度逐 漸增加，因此就必須把一部分循環(huán)物料不斷地排放掉，漸增加，因此就必須把一部分循環(huán)物料不斷地排放掉， 以維持進料中雜質(zhì)的含量不再增大。以維持進料中雜質(zhì)的含量不再增大。 通常對有循環(huán)過程的物料衡算，若已知總轉(zhuǎn)化率，通常對有循環(huán)過程的物料衡算，若已知總轉(zhuǎn)化率， 可以先做總物料衡算；若已知單程轉(zhuǎn)化率，則可以先從可以

27、先做總物料衡算；若已知單程轉(zhuǎn)化率，則可以先從 反應(yīng)器衡算做起。反應(yīng)器衡算做起。 例題：書例題：書3131頁頁 化工設(shè)計概論化工設(shè)計概論鎮(zhèn)江高等?？茖W(xué)校鎮(zhèn)江高等?？茖W(xué)校 例：乙烯直接水合制乙醇過程的物料衡算例：乙烯直接水合制乙醇過程的物料衡算 乙烯直接水合制乙醇流程示意圖乙烯直接水合制乙醇流程示意圖 混混 合合 器器 反反 應(yīng)應(yīng) 器器 洗洗 滌滌 塔塔 常常 壓壓 分分 離離 器器 原料乙烯原料乙烯 F 水蒸氣水蒸氣 FF RC 乙烯乙烯WE RP 粗乙醇粗乙醇 水水 MF 放空放空 W W C RE SP 化工設(shè)計概論化工設(shè)計概論鎮(zhèn)江高等?？茖W(xué)校鎮(zhèn)江高等?？茖W(xué)校 第二節(jié)第二節(jié) 熱量衡算熱量衡算

28、 一、概述一、概述 熱量衡算是基于能量守恒定律，即凡是引入操作的熱量衡算是基于能量守恒定律，即凡是引入操作的 能量必等于操作后輸出的能量。能量必等于操作后輸出的能量。 在化工生產(chǎn)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、操作制度是否指標，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。先進合理的主要指標之一。 同時，在化工廠中，能量消耗費用是產(chǎn)品的主要成同時，在化工廠中，能量消耗費用是產(chǎn)品的主要成 本之一，合理地利用能量可降低成本。因此在化工工本之一，合理地利用能量可降低成本。因此在化工工 藝設(shè)計中，熱量

29、衡算是化工計算中的一項主要內(nèi)容。藝設(shè)計中，熱量衡算是化工計算中的一項主要內(nèi)容。 化工設(shè)計概論化工設(shè)計概論鎮(zhèn)江高等?？茖W(xué)校鎮(zhèn)江高等?？茖W(xué)校 熱量衡算的目的和任務(wù)熱量衡算的目的和任務(wù) 1.確定各單元過程所需熱量或冷量以及傳熱速率，為確定各單元過程所需熱量或冷量以及傳熱速率，為 諸如供汽、供水、供冷等提供設(shè)計依據(jù)，進而求出傳諸如供汽、供水、供冷等提供設(shè)計依據(jù)，進而求出傳 熱面積。熱面積。 2.分析設(shè)計中和操作中熱量利用是否經(jīng)濟合理，以提分析設(shè)計中和操作中熱量利用是否經(jīng)濟合理，以提 高熱量的綜合利用水平。高熱量的綜合利用水平。 熱量衡算分兩類：熱量衡算分兩類： 1.單元設(shè)備的熱量衡算；單元設(shè)備的熱量衡

30、算； 2.車間甚至全廠的全面熱量衡算，稱為能量衡算或系車間甚至全廠的全面熱量衡算，稱為能量衡算或系 統(tǒng)熱量衡算。統(tǒng)熱量衡算。 化工設(shè)計概論化工設(shè)計概論鎮(zhèn)江高等?？茖W(xué)校鎮(zhèn)江高等?？茖W(xué)校 二、單元設(shè)備熱量衡算二、單元設(shè)備熱量衡算 通過對單元設(shè)備的熱量衡算，可求出設(shè)備的有效熱通過對單元設(shè)備的熱量衡算，可求出設(shè)備的有效熱 負荷，進而確定加熱基或冷卻劑的用量，以及設(shè)備的傳負荷，進而確定加熱基或冷卻劑的用量，以及設(shè)備的傳 熱面積。熱面積。 1.衡算步驟衡算步驟 （1）繪制設(shè)備的熱平衡圖）繪制設(shè)備的熱平衡圖 （2）收集相關(guān)的熱力學(xué)數(shù)據(jù)）收集相關(guān)的熱力學(xué)數(shù)據(jù) （3）選擇計算基準和熱力學(xué)函數(shù)的基準態(tài)）選擇計算基

31、準和熱力學(xué)函數(shù)的基準態(tài) （4）列出熱量平衡方程式）列出熱量平衡方程式 （5）計算各種形式熱量的值，不可遺漏）計算各種形式熱量的值，不可遺漏 （6）列熱量平衡表）列熱量平衡表 化工設(shè)計概論化工設(shè)計概論鎮(zhèn)江高等?？茖W(xué)校鎮(zhèn)江高等專科學(xué)校 2.熱量平衡方程式熱量平衡方程式 進入系統(tǒng)的熱量與離開系統(tǒng)的熱量是平衡的，則系統(tǒng)的進入系統(tǒng)的熱量與離開系統(tǒng)的熱量是平衡的，則系統(tǒng)的 熱量平衡可以表示為：熱量平衡可以表示為： Q Q1 1+Q+Q2 2+Q+Q3 3Q Q4 4+Q+Q5 5+Q+Q6 6+Q+Q7 7 Q Q1 1： ：物料帶入系統(tǒng)的熱量 物料帶入系統(tǒng)的熱量 Q Q2 2： ：由傳熱介質(zhì)傳入或移出的

32、熱量 由傳熱介質(zhì)傳入或移出的熱量 Q Q3 3： ：過程熱效應(yīng) 過程熱效應(yīng) Q Q4 4： ：離開系統(tǒng)物料帶出的熱量 離開系統(tǒng)物料帶出的熱量 Q Q5 5： ：消耗于加熱設(shè)備的熱量 消耗于加熱設(shè)備的熱量 Q Q6 6： ：設(shè)備向四周散失的熱量，即熱損失 設(shè)備向四周散失的熱量，即熱損失 Q Q7 7： ：揮發(fā)氣體從設(shè)備中帶出的熱量 揮發(fā)氣體從設(shè)備中帶出的熱量 化工設(shè)計概論化工設(shè)計概論鎮(zhèn)江高等?？茖W(xué)校鎮(zhèn)江高等?？茖W(xué)校 3.各種熱量的計算各種熱量的計算 （2） Q Q3 3的計算的計算 3 Q =W I I 反應(yīng)熱、溶解熱、結(jié)晶熱等反應(yīng)熱、溶解熱、結(jié)晶熱等 kJ/kg 包括所有物理變化熱和化學(xué)反應(yīng)熱

33、。包括所有物理變化熱和化學(xué)反應(yīng)熱。 （3） Q Q5 5的計算的計算 5ii21 Q=GC p(t - t ) Gi ： ：設(shè)備各零部件的質(zhì)量， 設(shè)備各零部件的質(zhì)量，kg Cpi： ：各零部件的比熱容， 各零部件的比熱容， kJkg-1-1 T1 、t2 ：設(shè)備各零部件加熱前后的溫度設(shè)備各零部件加熱前后的溫度 Q=W Cpt 需考慮是否有相變需考慮是否有相變 （1） Q Q1 1和和Q Q4 4的計的計 算算 化工設(shè)計概論化工設(shè)計概論鎮(zhèn)江高等專科學(xué)校鎮(zhèn)江高等?？茖W(xué)校 （4）Q Q6 6的計算的計算 6 Q =At A散熱面積散熱面積 m2 傳熱系數(shù)傳熱系數(shù) kJm-2h-1-1 t t溫差溫差

34、 化工過程持續(xù)的時間化工過程持續(xù)的時間 h （5）Q Q7 7的計算的計算 7 Q =W(Cptr) W氣體物料質(zhì)量氣體物料質(zhì)量 kg Cp液態(tài)物料平均比熱容液態(tài)物料平均比熱容 kJkg-1-1 t t蒸發(fā)溫度與基準溫度的溫差蒸發(fā)溫度與基準溫度的溫差 r r物料的蒸發(fā)熱物料的蒸發(fā)熱 kJ/kg （6）Q Q2 2 Q Q2 2即需通過計算求取的未知數(shù)，計算出即需通過計算求取的未知數(shù)，計算出Q Q2 2不僅可知道系統(tǒng)需加不僅可知道系統(tǒng)需加 熱還是冷卻，并可進一步求出所需加熱劑或冷卻劑的用量以及所需熱還是冷卻，并可進一步求出所需加熱劑或冷卻劑的用量以及所需 傳熱面積。傳熱面積。 化工設(shè)計概論化工設(shè)

35、計概論鎮(zhèn)江高等專科學(xué)校鎮(zhèn)江高等?？茖W(xué)校 4.熱量計算時應(yīng)注意的問題熱量計算時應(yīng)注意的問題 （1）首先應(yīng)根據(jù)物料的走向和變化，詳細分析熱量間的關(guān)系；）首先應(yīng)根據(jù)物料的走向和變化，詳細分析熱量間的關(guān)系； （2）有分清各種形式的熱量，收集的收據(jù)要注意其應(yīng)用的條件；）有分清各種形式的熱量，收集的收據(jù)要注意其應(yīng)用的條件； （3）間歇操作設(shè)備常用）間歇操作設(shè)備常用kJ臺臺或或kJ周期周期為計算基準，并且應(yīng)注為計算基準，并且應(yīng)注 意其熱負荷會隨時間而變化，要用不均衡系數(shù)進行換算。意其熱負荷會隨時間而變化，要用不均衡系數(shù)進行換算。 化工設(shè)計概論化工設(shè)計概論鎮(zhèn)江高等?？茖W(xué)校鎮(zhèn)江高等?？茖W(xué)校 三、系統(tǒng)熱量平衡關(guān)系

36、三、系統(tǒng)熱量平衡關(guān)系 系統(tǒng)熱量平衡的計算方法與前面基本相同。系統(tǒng)熱量平衡的計算方法與前面基本相同。 其作用是將車間或工廠的各單元設(shè)備的熱量衡算聯(lián)系起來，以其作用是將車間或工廠的各單元設(shè)備的熱量衡算聯(lián)系起來，以 充分利用過程中的熱量，并核實原設(shè)計是否符合工藝過程的要求；充分利用過程中的熱量，并核實原設(shè)計是否符合工藝過程的要求； 另外，還可借此計算能量的綜合利用效率，考察能量回收方案是否另外，還可借此計算能量的綜合利用效率，考察能量回收方案是否 經(jīng)濟合理。經(jīng)濟合理。 四、能量消耗綜合表四、能量消耗綜合表 通過熱量衡算，求得各臺設(shè)備加熱基或冷卻劑的用量，進而降通過熱量衡算，求得各臺設(shè)備加熱基或冷卻劑

37、的用量，進而降 水、汽、電、燃料等的用量進行匯總，可求出單位產(chǎn)品的動力消耗水、汽、電、燃料等的用量進行匯總，可求出單位產(chǎn)品的動力消耗 定額，以及單位時間的消耗量等。最后匯總到動力消耗綜合表。定額，以及單位時間的消耗量等。最后匯總到動力消耗綜合表。 化工設(shè)計概論化工設(shè)計概論鎮(zhèn)江高等?？茖W(xué)校鎮(zhèn)江高等?？茖W(xué)校 化工設(shè)計概論化工設(shè)計概論鎮(zhèn)江高等?？茖W(xué)校鎮(zhèn)江高等?？茖W(xué)校 第三節(jié)第三節(jié) 典型設(shè)備工藝設(shè)計與選型典型設(shè)備工藝設(shè)計與選型 一、化工設(shè)備的分類與設(shè)計選型的基本要求一、化工設(shè)備的分類與設(shè)計選型的基本要求 （一）分類（一）分類 1.按用途分類按用途分類 化化 工工 設(shè)設(shè) 備備 主體主體 設(shè)備設(shè)備 輔助輔

38、助 設(shè)備設(shè)備 反應(yīng)設(shè)備反應(yīng)設(shè)備 如反應(yīng)釜、合成塔如反應(yīng)釜、合成塔 傳質(zhì)設(shè)備傳質(zhì)設(shè)備 如精餾塔、吸收塔、干燥器如精餾塔、吸收塔、干燥器 傳熱設(shè)備傳熱設(shè)備 如蒸發(fā)器、換熱器如蒸發(fā)器、換熱器 分離設(shè)備分離設(shè)備 如過濾機、集塵器、離心機、篩分設(shè)備如過濾機、集塵器、離心機、篩分設(shè)備 流體輸送流體輸送 如泵、風(fēng)機、壓縮機、真空泵如泵、風(fēng)機、壓縮機、真空泵 備料設(shè)備備料設(shè)備 如粉碎機、混合機、制團、造粒機如粉碎機、混合機、制團、造粒機 存儲設(shè)備存儲設(shè)備 如儲槽、儲罐、球罐如儲槽、儲罐、球罐 起重運輸起重運輸 如行車、皮帶輸送機、提升機如行車、皮帶輸送機、提升機 電力設(shè)備電力設(shè)備 如發(fā)電機、變壓器、變頻器如發(fā)

39、電機、變壓器、變頻器 動力設(shè)備動力設(shè)備 如電動機、鍋爐如電動機、鍋爐 熱能設(shè)備熱能設(shè)備 如熱風(fēng)爐如熱風(fēng)爐 制冷設(shè)備制冷設(shè)備 如冷凍機如冷凍機 化工設(shè)計概論化工設(shè)計概論鎮(zhèn)江高等專科學(xué)校鎮(zhèn)江高等?？茖W(xué)校 2.按標準化的情況分類按標準化的情況分類 定型（標準）設(shè)備定型（標準）設(shè)備 非定型（非標準）設(shè)備非定型（非標準）設(shè)備 設(shè)計選型時應(yīng)盡量選用定型設(shè)備；設(shè)計選型時應(yīng)盡量選用定型設(shè)備；在設(shè)計非標準設(shè)備時，也應(yīng)在設(shè)計非標準設(shè)備時，也應(yīng) 盡量采用已經(jīng)標準化的圖紙。盡量采用已經(jīng)標準化的圖紙。 是成批成系列生產(chǎn)的設(shè)備，可以現(xiàn)成買到標準是成批成系列生產(chǎn)的設(shè)備，可以現(xiàn)成買到標準 設(shè)備有產(chǎn)品目錄或樣本手冊，有各種規(guī)格

40、牌號，設(shè)備有產(chǎn)品目錄或樣本手冊，有各種規(guī)格牌號， 有不同生產(chǎn)廠家。工藝設(shè)計的任務(wù)是根據(jù)工藝有不同生產(chǎn)廠家。工藝設(shè)計的任務(wù)是根據(jù)工藝 要求，計算并選擇某種型號，以便訂貨。要求，計算并選擇某種型號，以便訂貨。 非標準設(shè)備工藝設(shè)計就是根據(jù)工藝要求，非標準設(shè)備工藝設(shè)計就是根據(jù)工藝要求， 通過工藝計算，提出型式、材料、尺寸通過工藝計算，提出型式、材料、尺寸 和其他一些要求。再由化工設(shè)備專業(yè)進和其他一些要求。再由化工設(shè)備專業(yè)進 行機械設(shè)計，由有關(guān)工廠制造。行機械設(shè)計，由有關(guān)工廠制造。 化工設(shè)計概論化工設(shè)計概論鎮(zhèn)江高等專科學(xué)校鎮(zhèn)江高等?？茖W(xué)校 （二）（二）選型和工藝設(shè)計的原則和選型和工藝設(shè)計的原則和基本要求

41、基本要求 1.選擇的原則選擇的原則 (1)(1)合理性合理性 即設(shè)備必須滿足工藝一般要求，設(shè)備與工藝流程、生產(chǎn)規(guī)即設(shè)備必須滿足工藝一般要求，設(shè)備與工藝流程、生產(chǎn)規(guī) 模、工藝操作條件、工藝控制水平相適應(yīng)，又能充分發(fā)揮設(shè)備的能模、工藝操作條件、工藝控制水平相適應(yīng)，又能充分發(fā)揮設(shè)備的能 力。力。 (2)(2)先進性先進性 要求設(shè)備的運轉(zhuǎn)可靠性、自控水平、生產(chǎn)能力、轉(zhuǎn)化率、要求設(shè)備的運轉(zhuǎn)可靠性、自控水平、生產(chǎn)能力、轉(zhuǎn)化率、 收率、效率要盡可能達到先進水平。收率、效率要盡可能達到先進水平。 (3)(3)安全性安全性 要求安全可靠、操作穩(wěn)定、彈性好、無事故隱患。對工藝要求安全可靠、操作穩(wěn)定、彈性好、無事故

42、隱患。對工藝 和建筑、地基、廠房等無苛刻要求；工人在操作時，勞動強度小，和建筑、地基、廠房等無苛刻要求；工人在操作時，勞動強度小， 盡量避免高溫高壓高空作業(yè)，盡量不用有毒有害的設(shè)備附件附料。盡量避免高溫高壓高空作業(yè)，盡量不用有毒有害的設(shè)備附件附料。 (4)(4)經(jīng)濟性經(jīng)濟性 設(shè)備投資省，易于加工、維修、更新，沒有特殊的維護要設(shè)備投資省，易于加工、維修、更新，沒有特殊的維護要 求，運行費用減少。引進先進設(shè)備，亦應(yīng)反復(fù)對比報價，考察設(shè)備求，運行費用減少。引進先進設(shè)備，亦應(yīng)反復(fù)對比報價，考察設(shè)備 性能，考慮是否易于被國內(nèi)消化吸收和改進利用，避免盲目性。性能，考慮是否易于被國內(nèi)消化吸收和改進利用，避免

43、盲目性。 化工設(shè)計概論化工設(shè)計概論鎮(zhèn)江高等?？茖W(xué)校鎮(zhèn)江高等?？茖W(xué)校 2.基本要求基本要求 （1 1）滿足工藝要求）滿足工藝要求 保證產(chǎn)品質(zhì)量、達到產(chǎn)量要求、有合理的工藝指標檢測及控制系保證產(chǎn)品質(zhì)量、達到產(chǎn)量要求、有合理的工藝指標檢測及控制系 統(tǒng)、操作方便可靠、另外，關(guān)鍵設(shè)備需進行細致的考察。統(tǒng)、操作方便可靠、另外，關(guān)鍵設(shè)備需進行細致的考察。 （2 2）設(shè)備結(jié)構(gòu)上的要求）設(shè)備結(jié)構(gòu)上的要求 合理的強度、足夠的剛度、良好的耐蝕性、可靠的密封性。合理的強度、足夠的剛度、良好的耐蝕性、可靠的密封性。 （3 3）技術(shù)經(jīng)濟指標）技術(shù)經(jīng)濟指標 生產(chǎn)強度、消耗指標、價格、管理費用生產(chǎn)強度、消耗指標、價格、管理費用 3.選擇設(shè)備的具體任務(wù)選擇設(shè)備的具體任務(wù) （1 1）根據(jù)工藝要求，提出具體的規(guī)格型號；）根據(jù)工藝要求，提出具體的規(guī)格型號； （2 2）全車間乃至全廠的設(shè)備能力平衡統(tǒng)計；）全車間乃至全廠的設(shè)備能力平衡統(tǒng)計； （3 3）編制設(shè)備一覽表；）編制設(shè)備一覽表； （4 4）提供平立面布置和配管等施工圖設(shè)計的詳細資料。）提供平立面布置和配管等施工圖設(shè)計的詳細資料。 化工設(shè)計概論化