化工設(shè)計(jì)物料和能量衡算

1、第三章第三章 化工計(jì)算化工計(jì)算l基本要求基本要求:( 1 ）掌握化工過程的特點(diǎn)）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)）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）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）熟練掌握化工過程的能量衡算化工計(jì)算化工計(jì)算l應(yīng)用守恒定律來研究化工過程的物料衡算應(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。和能量衡算問題。l守恒定律守恒定律l化工過程方面的基礎(chǔ)知識化工過程方面的基礎(chǔ)知識第一節(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)l一、一、 化工過程化工過程l所謂化工過程，是指由原料經(jīng)化學(xué)處理和物理所謂化工過程

2、，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。處理加工成化學(xué)產(chǎn)品或中間產(chǎn)品的生產(chǎn)過程。l它包括許多工序，每個工序又由若干個或若干組設(shè)備它包括許多工序，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（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，熱器及輸送設(shè)備等等）組合而成。物料通過各設(shè)備時，完成某種化學(xué)或物理處理，最終成為合格的產(chǎn)品。完成某種化學(xué)或物理處理，最終成為合格的產(chǎn)品。l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

3、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?；み^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。l化工過程就是由反應(yīng)過程和若干個單元操作組合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)。而成的一個系統(tǒng)。 化工過程的類型化工過程的類型 l根據(jù)其操作方式分根據(jù)其操作方式分 間歇操作間歇操作 原料一次加入過程產(chǎn)品一次排出 連續(xù)操作連續(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l根據(jù)操作狀態(tài)分根據(jù)操作狀態(tài)分 穩(wěn)定狀態(tài)操作（定態(tài)操作）穩(wěn)定狀

4、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）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)二、化工過程基本參數(shù)二、化工過程基本參數(shù)l過程參數(shù)即化工生產(chǎn)過程中影響過程運(yùn)行和狀過程參數(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。態(tài)的物理量。l一）溫度一）溫度 表示物體冷熱程度的物理量。表示物體冷熱程度的物理量。溫標(biāo)。溫標(biāo)。 1、攝氏溫標(biāo)，、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)，、開爾文溫標(biāo)，K3 華氏溫標(biāo)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)：

5、212 其間均分180等份 其單位為4、蘭金溫標(biāo)，、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 。l四種溫度的關(guān)系四種溫度的關(guān)系l二）壓力二）壓力(壓強(qiáng)）壓強(qiáng)）l三）流量三）流量l四）組成四）組成三、三、 化工過程開發(fā)化工過程開發(fā)l化工過程開發(fā)是指一個化學(xué)反應(yīng)從實(shí)驗(yàn)室化工過程開發(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。過渡到第一套生產(chǎn)裝置的全部過程。（開（開發(fā)的成果要以基礎(chǔ)設(shè)計(jì)形式出現(xiàn)）發(fā)的成果要以基礎(chǔ)設(shè)計(jì)形式出現(xiàn)）l化工過程開發(fā)，首先是決定化學(xué)反應(yīng)的可化工過程開發(fā)，首先是決定化學(xué)反應(yīng)的可能性

6、、轉(zhuǎn)化率及反應(yīng)速度是否具有工業(yè)價能性、轉(zhuǎn)化率及反應(yīng)速度是否具有工業(yè)價值，產(chǎn)物分離的難易程度以及機(jī)械、設(shè)備、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，最終取決于是否有材料是否可行。當(dāng)然，最終取決于是否有經(jīng)濟(jì)效益。經(jīng)濟(jì)效益。四、化工基礎(chǔ)數(shù)據(jù)四、化工基礎(chǔ)數(shù)據(jù)l“化工基礎(chǔ)數(shù)據(jù)化工基礎(chǔ)數(shù)據(jù)”，又被稱作，又被稱作“物化數(shù)據(jù)物化數(shù)據(jù)”或或“物性數(shù)據(jù)物性數(shù)據(jù)”。是由物料本身的物理化。是由物料本身的物理化學(xué)性質(zhì)所決定的。學(xué)性質(zhì)所決定的。l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)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化工基礎(chǔ)數(shù)據(jù)大致歸納成以下幾類 :l( l ）基本物性數(shù)據(jù)

7、）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)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。系等。l ( 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、嫡、熱容、相變熱、自由能、自由焓等。如內(nèi)能、焓、嫡、熱容、相變熱、自由能、自由焓等。l( 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、燃燒熱、反應(yīng)速度常數(shù)、活化能，化如反應(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。學(xué)平衡常數(shù)等。l( 4 ）傳遞參數(shù)）傳遞參數(shù) 如粘度、擴(kuò)散系

8、數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)等。如粘度、擴(kuò)散系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)等。數(shù)據(jù)的獲?。? 1 、查手冊或文獻(xiàn)資料、查手冊或文獻(xiàn)資料l常用物質(zhì)的物性數(shù)據(jù)可從化學(xué)化工類手冊或?qū)３Ｓ梦镔|(zhì)的物性數(shù)據(jù)可從化學(xué)化工類手冊或?qū)I(yè)性的化工手冊業(yè)性的化工手冊 中查到。（收集了許多物質(zhì)的中查到。（收集了許多物質(zhì)的物性數(shù)據(jù)及圖表物性數(shù)據(jù)及圖表 ）l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，1980l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，1986l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 2 2 、估算、估算l可以應(yīng)用物理和化學(xué)的一些基本定律計(jì)算各種可以應(yīng)用物理和化學(xué)的一些基

9、本定律計(jì)算各種物質(zhì)的性質(zhì)參數(shù)。物質(zhì)的性質(zhì)參數(shù)。l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。l基團(tuán)貢獻(xiàn)法基團(tuán)貢獻(xiàn)法3 3 、用實(shí)驗(yàn)直接測定、用實(shí)驗(yàn)直接測定l實(shí)驗(yàn)直接測定。實(shí)驗(yàn)直接測定。l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

10、，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，則必須用實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測定。4、計(jì)算機(jī)檢索檢索l近年來，隨著電子計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展，應(yīng)用計(jì)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)。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)省了時間和精力。l化工物性數(shù)據(jù)庫化工物性數(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) 第二節(jié)第

11、二節(jié) 物料衡算物料衡算l物料衡算是化工計(jì)算中最基本、最重要的內(nèi)容物料衡算是化工計(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)。之一，它是能量衡算的基礎(chǔ)。l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。l物料衡算和能量衡算是進(jìn)行化工工藝設(shè)計(jì)、過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、節(jié)能分析以及過程最優(yōu)化的基礎(chǔ)。程經(jīng)濟(jì)評價、節(jié)能分析以及過程最優(yōu)化的基礎(chǔ)。物料衡算有兩種情況物料衡算有兩種情況: :l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

12、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)）l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)）一、物料衡算的依據(jù)一、物料衡算的依據(jù)l質(zhì)量守恒定律質(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）。l質(zhì)量守恒（不是摩爾守恒、體積守恒）質(zhì)量守恒（不是摩爾守恒、體積守恒）二、物料衡算式二、物料衡算式l物料衡算是研究某一個體系內(nèi)進(jìn)、出物料物料衡算是研究某一個體系內(nèi)進(jìn)、出物

13、料量及組成的變化。量及組成的變化。l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，必須首先確定衡進(jìn)行物料衡算時，必須首先確定衡算的體系。算的體系。對某一個體系，輸入體系的物料量應(yīng)該對某一個體系，輸入體系的物料量應(yīng)該等于輸出物料量與體系內(nèi)積累量之和等于輸出物料量與體系內(nèi)積累量之和 。l連續(xù)過程的物料衡算式連續(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 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 物料平衡形式物料平衡形式 總平衡式 *總質(zhì)量平衡式

14、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三、三、 物料衡算的基本方法物料衡算的基本方法l進(jìn)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(jìn)行。這樣才能獲得準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果。l l 、衡算范圍、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。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

15、些未知的變量，可用符號表示。 物料衡算與能量衡算 物料衡算與能量衡算是進(jìn)行化工工藝過程設(shè)計(jì)及技術(shù)經(jīng)濟(jì)評價的基本依據(jù)。通過對全生產(chǎn)過程或單元過程的物料和能量的衡算，計(jì)算得到： 1）主、副產(chǎn)品產(chǎn)量； 2）原材料的消耗定額，過程的物料損耗； 3）“三廢”的生成量及組成； 4）水、電、汽或其他燃料等消耗定額； 5）設(shè)計(jì)物料流程圖。 物料衡算與能量衡算 根據(jù)物料衡算和能量的衡算結(jié)果，可以： 1）對生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)和選型； 2）確定產(chǎn)品成本等各項(xiàng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，從而可以定量地評述所選擇的工藝路線、生產(chǎn)方法及工藝流程在經(jīng)濟(jì)上是否合理，技術(shù)上是否先進(jìn)。物料衡算物料衡算的概念： 在化工過程中，物料平衡是指“在單位

16、時間內(nèi)進(jìn)入系統(tǒng)（體系）的全部物料質(zhì)量必定等于離開該系統(tǒng)（體系）的全部物料質(zhì)量再加上損失掉的與積累起來的物料質(zhì)量?！睂ξ锪掀胶膺M(jìn)行計(jì)算稱為物料衡算。 物料平衡的理論依據(jù)是質(zhì)量守恒定律，即在一個孤立體系中不論物質(zhì)發(fā)生任何變化(不包括核反應(yīng))它的質(zhì)量始終保持不變。 物料衡算的分類1、按操作方式、按操作方式 分為間歇操作、連續(xù)操作及半連續(xù)操作等三 類物料衡算； 2、按狀態(tài)、按狀態(tài) 將其分為穩(wěn)定狀態(tài)操作和不穩(wěn)定狀態(tài)操作兩類 衡算。 3、按衡算范圍、按衡算范圍 分為單元操作過程(或單個設(shè)備)和全流程的兩 類物料衡算；物料平衡方程式 根據(jù)質(zhì)量守恒定律，對某一個體系內(nèi)質(zhì)量流動及變化的情況用數(shù)學(xué)式描述物料平衡關(guān)

17、系則為物料平衡方程式。其基本表達(dá)式為： F F0 0=D+A+B=D+A+B 式中，F(xiàn)0輸人體系的物料質(zhì)量； D 離開體系的物料質(zhì)量； A 體系內(nèi)積累的物料質(zhì)量； B 損失的物料質(zhì)量(如跑、冒、滴、漏) 物料衡算的步驟物料衡算的步驟稀溶液稀溶液二次蒸汽二次蒸汽F,wfW加熱蒸汽加熱蒸汽凝水凝水提濃液提濃液B，wB物料衡算步驟2、列出主、副化學(xué)反應(yīng)式3、確定計(jì)算任務(wù)4、收集數(shù)據(jù)資料（生產(chǎn)規(guī)模、時間，收率、轉(zhuǎn)化率，原材 料及產(chǎn)品規(guī)格，有關(guān)物理化學(xué)常數(shù)）5、選定計(jì)算基準(zhǔn)（時間，質(zhì)量，體積）6、建立物料平衡方程，展開計(jì)算7、整理并校核計(jì)算結(jié)果8、繪制物料流程圖、填寫物流表列物料平衡式時應(yīng)注意的事項(xiàng)列物

18、料平衡式時應(yīng)注意的事項(xiàng)(1)1)物料平衡是指質(zhì)量平衡，不是體積或物質(zhì)的量(摩爾數(shù))平衡。若體系內(nèi)有化學(xué)反應(yīng)，則衡算式中各項(xiàng)用摩爾時為單位時，必須考慮反應(yīng)式中的化學(xué)計(jì)量系數(shù) 。 列物料平衡式時應(yīng)注意的事項(xiàng)列物料平衡式時應(yīng)注意的事項(xiàng)(2)(2)對于無化學(xué)反應(yīng)體系，能列出獨(dú)立物料平對于無化學(xué)反應(yīng)體系，能列出獨(dú)立物料平衡式的最多數(shù)目等于輸入和輸出的物流里衡式的最多數(shù)目等于輸入和輸出的物流里的組分?jǐn)?shù)。的組分?jǐn)?shù)。(3)(3)在寫平衡方程式時，要盡量使方程式中所在寫平衡方程式時，要盡量使方程式中所包含的未知數(shù)最少。包含的未知數(shù)最少。l2、衡算對象衡算對象 參加過程的全部物料。參加過程的全部物料。 對無化學(xué)反

19、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)l3 、計(jì)算基準(zhǔn)及其選擇、計(jì)算基準(zhǔn)及其選擇l原則上計(jì)算基準(zhǔn)是任意選擇。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。l根據(jù)不同過程的特點(diǎn)，選擇計(jì)算基準(zhǔn)時注意以下幾點(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，用單位時間作計(jì)算基準(zhǔn)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(zhǔn)。 具體： 時間基準(zhǔn) 連續(xù)（小時，天） 間歇（釜

20、，批） 質(zhì)量基準(zhǔn) kg，mol， kmol 體積基準(zhǔn) m3（STP），Nm3 干濕基準(zhǔn) 干基（不含水），濕基（含水）l4 、物料衡算的程序（步驟）、物料衡算的程序（步驟） ( l ）搜集計(jì)算數(shù)據(jù)。）搜集計(jì)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)）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。和副反應(yīng)，標(biāo)出有用的分子量。 ( 5 ）選擇計(jì)算基準(zhǔn)，并在流程圖上注明所選的）選擇計(jì)算基準(zhǔn)，并在流程圖上注明所選的基準(zhǔn)值?；鶞?zhǔn)值。( 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

21、用數(shù)學(xué)方法求解。 (7）校核計(jì)算結(jié)果。）校核計(jì)算結(jié)果。(數(shù)據(jù)歸一）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）將計(jì)算結(jié)果列成輸入一輸出物料表（物料平衡表平衡表）。（三線表、表頭名稱、基準(zhǔn)）。（三線表、表頭名稱、基準(zhǔn)）四、四、 無化學(xué)反應(yīng)過程的物料衡算無化學(xué)反應(yīng)過程的物料衡算l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直接列出總物料和各組分的衡算式，再用代數(shù)法求解。組分的衡算式，再用代數(shù)法求解。一）、簡單過程的物料衡算一）、簡單過程的物料衡算l簡單過程是指僅有一個設(shè)備或一個單元操

22、作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。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）。（要求：畫出物料流程簡圖、列出物料平衡表并進(jìn)行核算）二）、有多個設(shè)備過程的物料衡算二）、有多個設(shè)備過程的物料衡算五、有化學(xué)反應(yīng)過程的物料衡算五、有化學(xué)反應(yīng)過程的物料衡算l有化學(xué)反應(yīng)的過程，物料中的組分變化比有化學(xué)反應(yīng)的過程，物料中的組分變化比較復(fù)雜。較復(fù)雜。l工業(yè)上的化學(xué)反應(yīng)，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

23、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，常常使價格較低廉的一些反應(yīng)物用量過量。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ll 、限制反應(yīng)物、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，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。l2 、過量反應(yīng)物、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)。l4 、轉(zhuǎn)化率（、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)。l5 、選擇

24、性（、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)。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)。l6 、收率（、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)系轉(zhuǎn)化率、選擇性與收率三者之間的關(guān)系 : 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(yīng)過程的物料衡算二）、一般反應(yīng)過程的物料衡算l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

25、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)應(yīng)該根據(jù)化學(xué)反應(yīng)式，列衡算方程。式，列衡算方程。l對一般的反應(yīng)過程，可用下列幾種方法求對一般的反應(yīng)過程，可用下列幾種方法求解。解。1 1、直接求解法、直接求解法l有些化學(xué)反應(yīng)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?jù)化學(xué)反應(yīng)式直接求解，不必列通?？筛鶕?jù)化學(xué)反應(yīng)式直接求解，不必列出衡算式。出衡算式。l直接求解法也稱化學(xué)計(jì)量法直接求解法也稱化學(xué)計(jì)量法2 2、元素衡算法、元素衡算法l元素衡算是物料衡算的一種重要形式。在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(xué)作這類衡算時

26、，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：合的概念表示為： 輸入（某種元素）輸入（某種元素）=輸出（同種元素）輸出（同種元素）l對反應(yīng)過程中化學(xué)反應(yīng)很復(fù)雜，無法用一、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。元素衡算式，用代數(shù)法求解。3 3、“聯(lián)系組分聯(lián)系組分”法法l“聯(lián)系組分聯(lián)系組分”是指隨物料輸入體系，但完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)

27、量不變。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)。量進(jìn)行關(guān)聯(lián)。 三）、復(fù)雜過程的物料衡算三）、復(fù)雜過程的物料衡算l復(fù)雜過程不是指過程或設(shè)備多而是具有循復(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。環(huán)、排放及旁路的過程。l在化工過程中具有循環(huán)、排放及旁路的過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，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只是需要先根據(jù)已知的條件及所求的未知量

28、選擇合適的衡算體系，列出一般過程物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。料衡算式再加上結(jié)點(diǎn)關(guān)系求解。第三節(jié)第三節(jié) 能量衡算能量衡算l在化工生產(chǎn)中，能量的消耗是一項(xiàng)重要的在化工生產(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)設(shè)計(jì)、操作制度是否先進(jìn)合理的主要指標(biāo)之一。之一。l能量衡算的基礎(chǔ)是物料衡算，只有在進(jìn)行能量衡算的基礎(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。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能量衡算有兩種類型的問題l一種是先對使用中的裝置

29、或設(shè)備，實(shí)際測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(jìn)出口物料的量和評價，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)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；備的能量利用情況；l另一種是在設(shè)計(jì)新裝置或設(shè)備時，根據(jù)已另一種是在設(shè)計(jì)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?；驕囟?，和需要加入或移出的熱量。一、能量衡算的依

30、據(jù)一、能量衡算的依據(jù)l能量守恒定律能量守恒定律 輸入能量+生成能量= 消耗能量+積累能量+輸出能量二、總能量衡算方程式二、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(shí)際中，上式視不同情況而有不同的形式： 1）絕熱過程絕熱過程 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）無作功過程無作功過程（多數(shù)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）

31、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+W三、能量衡算三、能量衡算總能量衡算在化工計(jì)算時分熱量衡算和機(jī)械能衡算熱量衡算和機(jī)械能衡算。1、對有些化工過程如流體流動過程流體流動過程，此時傳熱量內(nèi)能的變化較其他小，次要。故總能量衡算變?yōu)闄C(jī)械能衡算總能量衡算變?yōu)闄C(jī)械能衡算?；ぴ碇械牧黧w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（無外功W=0）總能量衡算簡化為熱量衡算?？偰芰亢馑愫喕癁闊?/p>

32、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，進(jìn)出設(shè)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）熱量衡算（化工中的能量衡算）1、熱量衡算式熱量衡算式一般化工過程的能量衡算指熱量衡算熱量衡算（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、熱量衡算的基本方法和步驟 建立以單位時間為基準(zhǔn)的物料流程圖（或平建立以單位時間為基準(zhǔn)的物料流程圖（或平衡表）。也可以衡表）。也可以100mol 或或100kmol 原料為基原料為基準(zhǔn)，但前者更常用。準(zhǔn)，但前者更常用。 在物料流程框圖上

33、標(biāo)明已知溫度、壓力、相態(tài)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，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。于圖上注明。 選定計(jì)算基準(zhǔn)（溫度和相態(tài)）。這是人為選定的計(jì)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）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)大多是獻(xiàn)上查到的熱力學(xué)數(shù)據(jù)大多是298K 時的數(shù)據(jù)，故選時的數(shù)據(jù)，

34、故選298K 為基準(zhǔn)溫度，計(jì)算比較方便。同時相態(tài)的確定為基準(zhǔn)溫度，計(jì)算比較方便。同時相態(tài)的確定也是很重要的。也是很重要的。 列出熱量衡算式，然后用數(shù)學(xué)方法求解未知值。列出熱量衡算式，然后用數(shù)學(xué)方法求解未知值。 當(dāng)生產(chǎn)過程及物料組成較復(fù)雜時，可以列出熱量衡當(dāng)生產(chǎn)過程及物料組成較復(fù)雜時，可以列出熱量衡算表。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

35、題可視為單純的熱量衡算。熱量衡算。一）無化學(xué)反應(yīng)過程的熱量衡算一）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)出過程物料的焓差焓差熱量衡算熱量衡算。 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 ： 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(zhì)在恒T 恒P時混合和分離 恒T 恒P時的反應(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。二）有化學(xué)反應(yīng)過程的熱量衡算二）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

36、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。 根據(jù)熱力學(xué)第一定律，若過程進(jìn)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(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/ uA2）恒容反應(yīng)熱恒容反應(yīng)熱 在恒T恒V下，反應(yīng)物在溫度T時按化學(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= Ur Qp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、