物料衡算和能量橫算

1、2022-4-9化工過(guò)程設(shè)計(jì)1第三章物料衡算和能量衡算第三章物料衡算和能量衡算2022-4-9化工過(guò)程設(shè)計(jì)2 化工過(guò)程的物料衡算和能量衡算，是利用物理與化學(xué)化工過(guò)程的物料衡算和能量衡算，是利用物理與化學(xué)的基本定律，對(duì)化工過(guò)程單元系統(tǒng)的物料平衡與能量平衡的基本定律，對(duì)化工過(guò)程單元系統(tǒng)的物料平衡與能量平衡進(jìn)行定量計(jì)算。通過(guò)計(jì)算解決以下問(wèn)題：進(jìn)行定量計(jì)算。通過(guò)計(jì)算解決以下問(wèn)題：1、找出主副產(chǎn)品的生成量、廢物的排出量。、找出主副產(chǎn)品的生成量、廢物的排出量。2、確定原材料消耗定額。、確定原材料消耗定額。3、確定各物流的流量、組成和狀態(tài)。、確定各物流的流量、組成和狀態(tài)。4、確定流程內(nèi)物質(zhì)轉(zhuǎn)換與能量傳遞情況

2、。、確定流程內(nèi)物質(zhì)轉(zhuǎn)換與能量傳遞情況。 從而為，設(shè)備選型以及設(shè)備尺寸，管路設(shè)施與公用工從而為，設(shè)備選型以及設(shè)備尺寸，管路設(shè)施與公用工程提供依據(jù)。程提供依據(jù)。2022-4-9化工過(guò)程設(shè)計(jì)3 化工過(guò)程有許多輸入流股和輸出流股，化工過(guò)程有許多輸入流股和輸出流股，本章內(nèi)容是講授本章內(nèi)容是講授確定這些流股的策略與方法確定這些流股的策略與方法，物料衡算與熱量橫算是化工工程師接觸最頻物料衡算與熱量橫算是化工工程師接觸最頻繁的計(jì)算。繁的計(jì)算。 2022-4-9化工過(guò)程設(shè)計(jì)43-1 3-1 工藝工藝計(jì)算前的準(zhǔn)備工作計(jì)算前的準(zhǔn)備工作一、工藝性資料的收集一、工藝性資料的收集（1）物料衡算提綱。）物料衡算提綱。 生產(chǎn)

3、步驟和化學(xué)反應(yīng)（包括主、付反應(yīng)）各步生產(chǎn)步驟和化學(xué)反應(yīng)（包括主、付反應(yīng)）各步 驟所需的原料，中間體規(guī)格和物理化學(xué)性質(zhì)，成驟所需的原料，中間體規(guī)格和物理化學(xué)性質(zhì)，成 品的規(guī)格和物化性質(zhì)，每批加料量或單位時(shí)間進(jìn)料品的規(guī)格和物化性質(zhì)，每批加料量或單位時(shí)間進(jìn)料 量，各生產(chǎn)步驟的產(chǎn)率。量，各生產(chǎn)步驟的產(chǎn)率。（2）工藝流程圖及說(shuō)明。）工藝流程圖及說(shuō)明。（3）熱量計(jì)算參數(shù)和設(shè)備計(jì)算數(shù)據(jù)）熱量計(jì)算參數(shù)和設(shè)備計(jì)算數(shù)據(jù) （H、Cp、K、等）。等）。（4）流體輸送過(guò)程參數(shù)）流體輸送過(guò)程參數(shù) （粘度（粘度、密度、密度、摩擦系數(shù)等）。、摩擦系數(shù)等）。2022-4-9化工過(guò)程設(shè)計(jì)53-1 3-1 工藝工藝計(jì)算前的準(zhǔn)備工作

4、計(jì)算前的準(zhǔn)備工作（5）傳質(zhì)過(guò)程系數(shù)，相平衡數(shù)據(jù)。）傳質(zhì)過(guò)程系數(shù)，相平衡數(shù)據(jù)。（6）冷凍過(guò)程的熱力學(xué)參數(shù)。）冷凍過(guò)程的熱力學(xué)參數(shù)。（7）具體的工藝操作條件（溫度）具體的工藝操作條件（溫度T、壓力、壓力P、流量、流量G）（8）介質(zhì)的物性和材質(zhì)性能，材質(zhì)數(shù)據(jù)，腐蝕數(shù)據(jù)。）介質(zhì)的物性和材質(zhì)性能，材質(zhì)數(shù)據(jù)，腐蝕數(shù)據(jù)。（9）車間平立面布置的參考資料。）車間平立面布置的參考資料。（10）管道設(shè)計(jì)資料（管道配置、管道材質(zhì)、架設(shè)方）管道設(shè)計(jì)資料（管道配置、管道材質(zhì)、架設(shè)方 式、管件、閥件等）。式、管件、閥件等）。（11）環(huán)境保護(hù)、安全保護(hù)等規(guī)范和資料。）環(huán)境保護(hù)、安全保護(hù)等規(guī)范和資料。一、工藝性資料的收集一、工

5、藝性資料的收集2022-4-9化工過(guò)程設(shè)計(jì)63-1 工藝工藝計(jì)算前的準(zhǔn)備工作計(jì)算前的準(zhǔn)備工作二、幾本常用的化工設(shè)計(jì)資料和手冊(cè)二、幾本常用的化工設(shè)計(jì)資料和手冊(cè)（1）Industrial Chemicals（2）Encyclopedia of Chemical Technology（3）Science and Technology（4）Chemical Abstracts （C.A）（5）Handbook of Technology（6）I.C.T （國(guó)際物理、化學(xué)和工藝數(shù)值手冊(cè)）（國(guó)際物理、化學(xué)和工藝數(shù)值手冊(cè)）（7）化工工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)化工工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)（8）材料與零部件手冊(cè)材料與零部件手冊(cè)2022-

6、4-9化工過(guò)程設(shè)計(jì)7物料衡算和能量衡算v1.物料衡算的基本方法和程序物料衡算的基本方法和程序v2.簡(jiǎn)單的物料衡算簡(jiǎn)單的物料衡算v3.帶有循環(huán)流的物料衡算帶有循環(huán)流的物料衡算v4.熱量橫算熱量橫算2022-4-9化工過(guò)程設(shè)計(jì)8第一節(jié)第一節(jié) 物料衡算的基本方法和程序物料衡算的基本方法和程序一、物料衡算的基本方法一、物料衡算的基本方法 1、物料平衡方程、物料平衡方程 理論依據(jù)：質(zhì)量守恒定律理論依據(jù)：質(zhì)量守恒定律（Fi）進(jìn)入過(guò)進(jìn)入過(guò)程單元程單元的物料的物料量量流出過(guò)流出過(guò)程單元程單元的物料的物料量量在過(guò)程在過(guò)程單元內(nèi)單元內(nèi)生成的生成的物料量物料量在過(guò)程在過(guò)程單元內(nèi)單元內(nèi)消耗的消耗的物料量物料量過(guò)程單過(guò)

7、程單元內(nèi)累元內(nèi)累積的物積的物料量料量（Fo）（Dp）（ Dr ）（W） 2022-4-9化工過(guò)程設(shè)計(jì)9即即 ： （ FiFo） （Dp Dr ） W 上式：即可對(duì)總物料，也可以對(duì)其中任一組分或元上式：即可對(duì)總物料，也可以對(duì)其中任一組分或元素列出。素列出。 在下列情況下上式可簡(jiǎn)化為：在下列情況下上式可簡(jiǎn)化為： 穩(wěn)定操作過(guò)程（穩(wěn)定操作過(guò)程（ FiFo） （Dp Dr ） 0 系統(tǒng)內(nèi)無(wú)化學(xué)反應(yīng)：系統(tǒng)內(nèi)無(wú)化學(xué)反應(yīng)：FiFo W 系統(tǒng)內(nèi)無(wú)化學(xué)反應(yīng)的穩(wěn)態(tài)操作過(guò)程：系統(tǒng)內(nèi)無(wú)化學(xué)反應(yīng)的穩(wěn)態(tài)操作過(guò)程： FiFo 0 對(duì)于沒(méi)有化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程，一般上列寫各組分的衡對(duì)于沒(méi)有化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程，一般上列寫各組分的衡算方程，

8、只有涉及化學(xué)反應(yīng)量，才列寫出各元素的衡算算方程，只有涉及化學(xué)反應(yīng)量，才列寫出各元素的衡算方程。方程。2022-4-9化工過(guò)程設(shè)計(jì)102 2、物料衡算基準(zhǔn)、物料衡算基準(zhǔn)n1）化工過(guò)程的類型）化工過(guò)程的類型n 化工過(guò)程操作狀態(tài)不同，其物料或能量衡算化工過(guò)程操作狀態(tài)不同，其物料或能量衡算的方程亦有差別。的方程亦有差別。n 化工過(guò)程根據(jù)其操作方式可以分成化工過(guò)程根據(jù)其操作方式可以分成間歇操作、間歇操作、連續(xù)操作以及半連續(xù)操作三類連續(xù)操作以及半連續(xù)操作三類?；蛘邔⑵浞譃??；蛘邔⑵浞譃榉€(wěn)穩(wěn)定狀態(tài)操作和不穩(wěn)定狀態(tài)操作兩類定狀態(tài)操作和不穩(wěn)定狀態(tài)操作兩類。在對(duì)某個(gè)化。在對(duì)某個(gè)化工過(guò)程作物料或能量衡算時(shí)，必須先了

9、解生產(chǎn)過(guò)工過(guò)程作物料或能量衡算時(shí)，必須先了解生產(chǎn)過(guò)程的類別。程的類別。2022-4-9化工過(guò)程設(shè)計(jì)11n間歇操作過(guò)程：間歇操作過(guò)程：原料在生產(chǎn)操作開(kāi)始時(shí)一次加原料在生產(chǎn)操作開(kāi)始時(shí)一次加入，然后進(jìn)行反應(yīng)或其他操作，一直到操作完入，然后進(jìn)行反應(yīng)或其他操作，一直到操作完成后，物料一次排出成后，物料一次排出，即為間歇操作過(guò)程。此，即為間歇操作過(guò)程。此過(guò)程的特點(diǎn)是在整個(gè)操作時(shí)間內(nèi)，再無(wú)物料進(jìn)過(guò)程的特點(diǎn)是在整個(gè)操作時(shí)間內(nèi)，再無(wú)物料進(jìn)出設(shè)備，設(shè)備中出設(shè)備，設(shè)備中各部分的組成、條件隨時(shí)間而各部分的組成、條件隨時(shí)間而不斷變化不斷變化（如：（如：萃取過(guò)程、過(guò)濾過(guò)程萃取過(guò)程、過(guò)濾過(guò)程）。）。n連續(xù)操作過(guò)程：在整個(gè)操

10、作期間，原料不斷穩(wěn)連續(xù)操作過(guò)程：在整個(gè)操作期間，原料不斷穩(wěn)定地輸入生產(chǎn)設(shè)備，同時(shí)不斷從設(shè)備排出同樣定地輸入生產(chǎn)設(shè)備，同時(shí)不斷從設(shè)備排出同樣數(shù)量（總量）的物料。設(shè)備的進(jìn)料和出料是連數(shù)量（總量）的物料。設(shè)備的進(jìn)料和出料是連續(xù)流動(dòng)的，即為連續(xù)操作過(guò)程。在整個(gè)操作期續(xù)流動(dòng)的，即為連續(xù)操作過(guò)程。在整個(gè)操作期間，間，設(shè)備內(nèi)各部分組成與條件不隨時(shí)間而變化設(shè)備內(nèi)各部分組成與條件不隨時(shí)間而變化。2022-4-9化工過(guò)程設(shè)計(jì)12n半連續(xù)操作過(guò)程：操作時(shí)物料一次輸入或分批輸入，半連續(xù)操作過(guò)程：操作時(shí)物料一次輸入或分批輸入，而出料是連續(xù)的，或連續(xù)輸入物料，而出料是一次或而出料是連續(xù)的，或連續(xù)輸入物料，而出料是一次或分

11、批的。分批的。n穩(wěn)定狀態(tài)操作就是整個(gè)化工過(guò)程的操作條件（如溫度、穩(wěn)定狀態(tài)操作就是整個(gè)化工過(guò)程的操作條件（如溫度、壓力、物料量及組成等）如果不隨時(shí)間而變化，只是壓力、物料量及組成等）如果不隨時(shí)間而變化，只是設(shè)備內(nèi)不同點(diǎn)有差別，這種過(guò)程稱為穩(wěn)定狀態(tài)操作過(guò)設(shè)備內(nèi)不同點(diǎn)有差別，這種過(guò)程稱為穩(wěn)定狀態(tài)操作過(guò)程，或稱穩(wěn)定過(guò)程。如果操作條件隨時(shí)間而不斷變化程，或稱穩(wěn)定過(guò)程。如果操作條件隨時(shí)間而不斷變化的，則稱為不穩(wěn)定狀態(tài)操作過(guò)程，或稱不穩(wěn)定過(guò)程的，則稱為不穩(wěn)定狀態(tài)操作過(guò)程，或稱不穩(wěn)定過(guò)程。n間歇過(guò)程及半連續(xù)過(guò)程是不穩(wěn)定狀態(tài)操作。間歇過(guò)程及半連續(xù)過(guò)程是不穩(wěn)定狀態(tài)操作。連續(xù)過(guò)程連續(xù)過(guò)程在正常操作期間，操作條件比較

12、穩(wěn)定，此時(shí)屬穩(wěn)定狀在正常操作期間，操作條件比較穩(wěn)定，此時(shí)屬穩(wěn)定狀態(tài)操作多在開(kāi)、停工期間或操作條件變化和出現(xiàn)故障態(tài)操作多在開(kāi)、停工期間或操作條件變化和出現(xiàn)故障時(shí)，則屬不穩(wěn)定狀態(tài)操作。時(shí)，則屬不穩(wěn)定狀態(tài)操作。2022-4-9化工過(guò)程設(shè)計(jì)13 2 2）物料衡算基準(zhǔn)的選擇）物料衡算基準(zhǔn)的選擇 物料衡算過(guò)程，必須選擇計(jì)算基準(zhǔn)，并在整個(gè)運(yùn)物料衡算過(guò)程，必須選擇計(jì)算基準(zhǔn)，并在整個(gè)運(yùn)算中保持一致。若基準(zhǔn)選的好，可使計(jì)算變得簡(jiǎn)單。算中保持一致。若基準(zhǔn)選的好，可使計(jì)算變得簡(jiǎn)單。一般計(jì)算過(guò)程的基準(zhǔn)有以下幾種：一般計(jì)算過(guò)程的基準(zhǔn)有以下幾種：時(shí)間基準(zhǔn)時(shí)間基準(zhǔn) 對(duì)于連續(xù)操作過(guò)程對(duì)于連續(xù)操作過(guò)程，選用單位時(shí)間作為基，選用單

13、位時(shí)間作為基準(zhǔn)是很自然的，單位時(shí)間可取準(zhǔn)是很自然的，單位時(shí)間可取1d1d、1h1h或或1s1s等等。此時(shí)等等。此時(shí)得到的物料流量可以直接與設(shè)備或管道尺寸相聯(lián)系。得到的物料流量可以直接與設(shè)備或管道尺寸相聯(lián)系。批量基準(zhǔn)批量基準(zhǔn) 對(duì)于間歇操作對(duì)于間歇操作，按投入物料的數(shù)量為基準(zhǔn)，按投入物料的數(shù)量為基準(zhǔn)，最方便，即以最方便，即以一批一批/ /次次作為基準(zhǔn)。作為基準(zhǔn)。2022-4-9化工過(guò)程設(shè)計(jì)14質(zhì)量基準(zhǔn)質(zhì)量基準(zhǔn) 取已知變量最多（或未知變量最少）的取已知變量最多（或未知變量最少）的物流作為基準(zhǔn)最為合適。物流作為基準(zhǔn)最為合適。 例如：可取某一基準(zhǔn)物流的質(zhì)量為例如：可取某一基準(zhǔn)物流的質(zhì)量為100Kg，然后

14、，然后計(jì)算其他物流的質(zhì)量。若已知進(jìn)料質(zhì)量百分比組成，計(jì)算其他物流的質(zhì)量。若已知進(jìn)料質(zhì)量百分比組成，則選則選100Kg進(jìn)料或者進(jìn)料或者100g進(jìn)料為基準(zhǔn)，若已知出料質(zhì)量百分進(jìn)料為基準(zhǔn)，若已知出料質(zhì)量百分組成，則選組成，則選100Kg進(jìn)料或者進(jìn)料或者100g 出料為基準(zhǔn)。物質(zhì)的量基準(zhǔn)物質(zhì)的量基準(zhǔn) 對(duì)于有化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程，因化學(xué)反對(duì)于有化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程，因化學(xué)反應(yīng)按摩爾進(jìn)行的，用物質(zhì)的量基準(zhǔn)更方便，或者已知應(yīng)按摩爾進(jìn)行的，用物質(zhì)的量基準(zhǔn)更方便，或者已知進(jìn)料或者出料摩爾組成的情況。若已知進(jìn)料組成摩爾進(jìn)料或者出料摩爾組成的情況。若已知進(jìn)料組成摩爾分?jǐn)?shù)，用分?jǐn)?shù)，用100mol或者或者100kmol進(jìn)料，反之已

15、知出料進(jìn)料，反之已知出料組成，用組成，用100mol或者或者100kmol出料做基準(zhǔn)。出料做基準(zhǔn)。2022-4-9化工過(guò)程設(shè)計(jì)15標(biāo)準(zhǔn)體積基準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)體積基準(zhǔn) 對(duì)于氣體物料，可采用標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于氣體物料，可采用標(biāo)準(zhǔn)體積基準(zhǔn)，因標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下體積基準(zhǔn)，因標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下1moL氣體相當(dāng)于氣體相當(dāng)于22.4103m3標(biāo)準(zhǔn)體積的氣體。標(biāo)準(zhǔn)體積的氣體。2022-4-9化工過(guò)程設(shè)計(jì)16二、物料衡算的基本程序二、物料衡算的基本程序 在進(jìn)行物料衡算時(shí)，為了避免錯(cuò)誤，便于在進(jìn)行物料衡算時(shí)，為了避免錯(cuò)誤，便于檢查核對(duì)時(shí)，必須采取正確的步驟進(jìn)行計(jì)算，檢查核對(duì)時(shí)，必須采取正確的步驟進(jìn)行計(jì)算，使之做到條理分明清晰，計(jì)算迅速，結(jié)果準(zhǔn)使之做

16、到條理分明清晰，計(jì)算迅速，結(jié)果準(zhǔn)確，一般程序如下：確，一般程序如下：2022-4-9化工過(guò)程設(shè)計(jì)17（1） 確定衡算對(duì)象和范圍（如：一個(gè)單元，一套裝確定衡算對(duì)象和范圍（如：一個(gè)單元，一套裝置或一個(gè)系統(tǒng)），并畫出計(jì)算對(duì)象的草圖，對(duì)于整個(gè)置或一個(gè)系統(tǒng)），并畫出計(jì)算對(duì)象的草圖，對(duì)于整個(gè)工藝流程，要畫出物料流程示意圖（方框圖即可）繪工藝流程，要畫出物料流程示意圖（方框圖即可）繪制物料流程草圖時(shí)，要注意物料種類和走向，輸入和制物料流程草圖時(shí)，要注意物料種類和走向，輸入和輸出要明確表示出來(lái)。輸出要明確表示出來(lái)。（2） 確定計(jì)算任務(wù)，明確什么是已知項(xiàng)，什么是待確定計(jì)算任務(wù)，明確什么是已知項(xiàng)，什么是待求項(xiàng)，選

17、擇適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)公式，力求計(jì)算方法簡(jiǎn)便。求項(xiàng)，選擇適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)公式，力求計(jì)算方法簡(jiǎn)便。（3） 確定過(guò)程所涉及的組分，并對(duì)所有組分依次編確定過(guò)程所涉及的組分，并對(duì)所有組分依次編號(hào)。號(hào)。（4） 對(duì)物流的流股進(jìn)行編號(hào)，并標(biāo)注物流變量。對(duì)物流的流股進(jìn)行編號(hào)，并標(biāo)注物流變量。2022-4-9化工過(guò)程設(shè)計(jì)18（5 5）收集數(shù)據(jù)資料，數(shù)據(jù)資料包括兩類：即設(shè)計(jì)）收集數(shù)據(jù)資料，數(shù)據(jù)資料包括兩類：即設(shè)計(jì)任務(wù)所規(guī)定的已知條件，與過(guò)程有關(guān)的物理化任務(wù)所規(guī)定的已知條件，與過(guò)程有關(guān)的物理化學(xué)參數(shù)，具體包括以下內(nèi)容：學(xué)參數(shù)，具體包括以下內(nèi)容：生產(chǎn)規(guī)模和生產(chǎn)時(shí)間，生產(chǎn)規(guī)模是設(shè)計(jì)任務(wù)所生產(chǎn)規(guī)模和生產(chǎn)時(shí)間，生產(chǎn)規(guī)模是設(shè)計(jì)任務(wù)所規(guī)定（規(guī)

18、定（T/T/年），生產(chǎn)時(shí)間是指全年的有效生產(chǎn)年），生產(chǎn)時(shí)間是指全年的有效生產(chǎn)天數(shù)天數(shù)300300330330天天/ /年（計(jì)約年（計(jì)約8000h8000h）。）。有關(guān)定額的技術(shù)指標(biāo)，這類數(shù)據(jù)通常指產(chǎn)品單有關(guān)定額的技術(shù)指標(biāo)，這類數(shù)據(jù)通常指產(chǎn)品單耗、配料比、循環(huán)比、固液比、氣液比、回流耗、配料比、循環(huán)比、固液比、氣液比、回流比、利用率、單程收率、回收率等等。比、利用率、單程收率、回收率等等。2022-4-9化工過(guò)程設(shè)計(jì)19、原輔材料廠、產(chǎn)品、中間產(chǎn)品的規(guī)格，、原輔材料廠、產(chǎn)品、中間產(chǎn)品的規(guī)格，包括原料的有效成分和雜質(zhì)含量，氣體或液包括原料的有效成分和雜質(zhì)含量，氣體或液體混合物的組成。體混合物的組成

19、。、與過(guò)程有關(guān)有物理化學(xué)參數(shù)，如臨界參、與過(guò)程有關(guān)有物理化學(xué)參數(shù)，如臨界參數(shù)、密度或比體積、狀態(tài)方程參數(shù)、蒸汽壓、數(shù)、密度或比體積、狀態(tài)方程參數(shù)、蒸汽壓、氣液平衡常數(shù)或平衡關(guān)系，粘度、擴(kuò)散參數(shù)氣液平衡常數(shù)或平衡關(guān)系，粘度、擴(kuò)散參數(shù)等等2022-4-9化工過(guò)程設(shè)計(jì)20（6 6）列出過(guò)程的全部獨(dú)立物料平衡方）列出過(guò)程的全部獨(dú)立物料平衡方程式及其相關(guān)約束式，對(duì)有化學(xué)反應(yīng)程式及其相關(guān)約束式，對(duì)有化學(xué)反應(yīng)的還要寫出化學(xué)反應(yīng)方程式，明確反的還要寫出化學(xué)反應(yīng)方程式，明確反應(yīng)前后的物料組成和各組分之間的定應(yīng)前后的物料組成和各組分之間的定量關(guān)系，必要時(shí)還應(yīng)指出其轉(zhuǎn)化率和量關(guān)系，必要時(shí)還應(yīng)指出其轉(zhuǎn)化率和選擇性，為

20、計(jì)算作準(zhǔn)備。選擇性，為計(jì)算作準(zhǔn)備。2022-4-9化工過(guò)程設(shè)計(jì)21約束式可分為兩類：約束式可分為兩類： （）分?jǐn)?shù)約束式）分?jǐn)?shù)約束式 當(dāng)物流的組成用摩爾分?jǐn)?shù)或質(zhì)量分?jǐn)?shù)表示時(shí)，當(dāng)物流的組成用摩爾分?jǐn)?shù)或質(zhì)量分?jǐn)?shù)表示時(shí)，用下式成立用下式成立 xij=1（i=1，2，Ns） （j=1，2，Nc） 式中：式中： xij 第第j組分在第組分在第i股流中的摩爾分?jǐn)?shù)（或質(zhì)股流中的摩爾分?jǐn)?shù)（或質(zhì)量分?jǐn)?shù)）；量分?jǐn)?shù)）； Ns 物流的股數(shù)；物流的股數(shù)； Nc 物流的組分?jǐn)?shù)。物流的組分?jǐn)?shù)。2022-4-9化工過(guò)程設(shè)計(jì)22（）設(shè)備約束式）設(shè)備約束式 常見(jiàn)的設(shè)備約束式有：常見(jiàn)的設(shè)備約束式有： 、進(jìn)料比（或任何兩股物流的量之比

21、）為一常數(shù)；、進(jìn)料比（或任何兩股物流的量之比）為一常數(shù)； 、兩股物流具有相同的組成（如分流器）；、兩股物流具有相同的組成（如分流器）； 、相平衡常關(guān)系式；、相平衡常關(guān)系式； 、化學(xué)平衡關(guān)系式；、化學(xué)平衡關(guān)系式； 、化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中的轉(zhuǎn)化率、選擇性或其他限度。、化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中的轉(zhuǎn)化率、選擇性或其他限度。 、物料平衡式、物料平衡式 C 、能量平衡式、能量平衡式 12022-4-9化工過(guò)程設(shè)計(jì)23（7）選擇計(jì)算基準(zhǔn)）選擇計(jì)算基準(zhǔn)（8）獨(dú)立的總物流變量個(gè)數(shù)與方程個(gè)數(shù)，確定設(shè)）獨(dú)立的總物流變量個(gè)數(shù)與方程個(gè)數(shù)，確定設(shè)計(jì)變量和個(gè)數(shù)及全部設(shè)計(jì)變量。計(jì)變量和個(gè)數(shù)及全部設(shè)計(jì)變量。 2022-4-9化工過(guò)程設(shè)計(jì)24v

22、 進(jìn)行化工過(guò)程設(shè)計(jì)，要確定各個(gè)物理量的數(shù)值，如進(jìn)料進(jìn)行化工過(guò)程設(shè)計(jì)，要確定各個(gè)物理量的數(shù)值，如進(jìn)料流率、濃度、溫度、壓力、熱負(fù)荷、機(jī)械功的輸入和輸出，流率、濃度、溫度、壓力、熱負(fù)荷、機(jī)械功的輸入和輸出，傳熱面積的大小及理論塔板數(shù)等，這些物理量都是相互關(guān)聯(lián)傳熱面積的大小及理論塔板數(shù)等，這些物理量都是相互關(guān)聯(lián)相互制約的，因此設(shè)計(jì)者只能規(guī)定其中若干變量的數(shù)值，這相互制約的，因此設(shè)計(jì)者只能規(guī)定其中若干變量的數(shù)值，這些變量稱為設(shè)計(jì)變量。如果設(shè)計(jì)過(guò)程中給定數(shù)值的物理量少些變量稱為設(shè)計(jì)變量。如果設(shè)計(jì)過(guò)程中給定數(shù)值的物理量少于設(shè)計(jì)變量的數(shù)目，設(shè)計(jì)就不會(huì)有結(jié)果；反之，給定數(shù)值的于設(shè)計(jì)變量的數(shù)目，設(shè)計(jì)就不會(huì)有結(jié)果

23、；反之，給定數(shù)值的物理量數(shù)目過(guò)多設(shè)計(jì)也無(wú)法進(jìn)行。物理量數(shù)目過(guò)多設(shè)計(jì)也無(wú)法進(jìn)行。2022-4-9化工過(guò)程設(shè)計(jì)25v（9）整理并校核計(jì)算結(jié)果，當(dāng)計(jì)算完成后，）整理并校核計(jì)算結(jié)果，當(dāng)計(jì)算完成后，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行整理，并根據(jù)需要換算基準(zhǔn)，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行整理，并根據(jù)需要換算基準(zhǔn)，最后列成表格即物流表。最后列成表格即物流表。v（10）繪制物料流程圖，編寫物流表作為設(shè)）繪制物料流程圖，編寫物流表作為設(shè)計(jì)文件成果編入正式設(shè)計(jì)文件。計(jì)文件成果編入正式設(shè)計(jì)文件。2022-4-9化工過(guò)程設(shè)計(jì)26綜上所述步驟，可歸納如下：綜上所述步驟，可歸納如下： 、陳述的問(wèn)題；、陳述的問(wèn)題； 、列出可獲得的數(shù)據(jù)；、列出可獲得的數(shù)據(jù)；

24、 、畫出衡算方框圖；、畫出衡算方框圖； 、對(duì)物流流股及各組分編號(hào)；、對(duì)物流流股及各組分編號(hào)； 、確定衡算范圍；、確定衡算范圍； 、建立系統(tǒng)各參數(shù)的基準(zhǔn)；、建立系統(tǒng)各參數(shù)的基準(zhǔn)； 、建立各組分和總物料的衡算方程；、建立各組分和總物料的衡算方程； 、解析方程；、解析方程； 、校核計(jì)算結(jié)果；、校核計(jì)算結(jié)果； 、繪制物料流程圖，編寫物流表。、繪制物料流程圖，編寫物流表。2022-4-9化工過(guò)程設(shè)計(jì)27v三、化工基礎(chǔ)數(shù)據(jù)三、化工基礎(chǔ)數(shù)據(jù) v 在化工計(jì)算以及化工工藝和設(shè)備設(shè)計(jì)中，必不可少地要在化工計(jì)算以及化工工藝和設(shè)備設(shè)計(jì)中，必不可少地要用到有關(guān)化合物的物性數(shù)據(jù)。例如，進(jìn)行化工過(guò)程物料與能用到有關(guān)化合物的

25、物性數(shù)據(jù)。例如，進(jìn)行化工過(guò)程物料與能量衡算時(shí)，需要用到密度或比容、沸點(diǎn)、蒸汽壓、燴、熱容量衡算時(shí)，需要用到密度或比容、沸點(diǎn)、蒸汽壓、燴、熱容及生成熱等等的物性數(shù)據(jù)；設(shè)計(jì)一個(gè)反應(yīng)器時(shí)，則需要知道及生成熱等等的物性數(shù)據(jù)；設(shè)計(jì)一個(gè)反應(yīng)器時(shí)，則需要知道化學(xué)反應(yīng)熱的數(shù)據(jù)；計(jì)算傳熱過(guò)程時(shí)，需要導(dǎo)熱系數(shù)的數(shù)據(jù)化學(xué)反應(yīng)熱的數(shù)據(jù)；計(jì)算傳熱過(guò)程時(shí)，需要導(dǎo)熱系數(shù)的數(shù)據(jù)等等。這些數(shù)據(jù)習(xí)慣上稱為等等。這些數(shù)據(jù)習(xí)慣上稱為“化工基礎(chǔ)數(shù)據(jù)化工基礎(chǔ)數(shù)據(jù)”，它是由物料，它是由物料本身的物理化學(xué)性質(zhì)所決定的。因此，又被稱作本身的物理化學(xué)性質(zhì)所決定的。因此，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)”。2022-4-9化工過(guò)

26、程設(shè)計(jì)28 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)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：大致歸納成以下幾類：v(1) 基本物性數(shù)據(jù)基本物性數(shù)據(jù)如臨界常數(shù)（臨界壓力、臨界溫度、臨如臨界常數(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、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。氣一液平衡關(guān)系等。v(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、熵、熱容、相變熱、自如內(nèi)能、焓、熵、熱容、相變熱、自由能、自由焓等。由能、自由焓等。v(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

27、熱、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。反應(yīng)速度常數(shù)、活化能，化學(xué)平衡常數(shù)等。v(4) 傳遞參數(shù)傳遞參數(shù)如粘度、擴(kuò)散系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)等。如粘度、擴(kuò)散系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)等。2022-4-9化工過(guò)程設(shè)計(jì)29 通常這些數(shù)據(jù)可用下列方法得到：通常這些數(shù)據(jù)可用下列方法得到：v1、查手冊(cè)或文獻(xiàn)資料、查手冊(cè)或文獻(xiàn)資料 有關(guān)常用物質(zhì)的物性數(shù)據(jù)，前人已系統(tǒng)地進(jìn)行歸納總結(jié)，有關(guān)常用物質(zhì)的物性數(shù)據(jù)，前人已系統(tǒng)地進(jìn)行歸納總結(jié)，從表格或圖的形式表示。這些致?lián)蓮挠嘘P(guān)的化學(xué)化工類手從表格或圖的形式表示。這些致?lián)蓮挠嘘P(guān)的化學(xué)化工類手冊(cè)或?qū)I(yè)性的化工手冊(cè)中查到。冊(cè)或?qū)I(yè)性的化工手冊(cè)中查到。v2、估算。

28、可以應(yīng)用物理和化學(xué)的一些基本定律計(jì)算各種物、估算?？梢詰?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)。質(zhì)的性質(zhì)參數(shù)。v3、用實(shí)驗(yàn)直接測(cè)定。、用實(shí)驗(yàn)直接測(cè)定。2022-4-9化工過(guò)程設(shè)計(jì)30 以上三種數(shù)據(jù)來(lái)源，從手冊(cè)或文獻(xiàn)中查得數(shù)據(jù)最方便，但以上三種數(shù)據(jù)來(lái)源，從手冊(cè)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，有時(shí)也會(huì)出現(xiàn)一些錯(cuò)誤。用一些理論往往有時(shí)數(shù)據(jù)不夠完整，有時(shí)也會(huì)出現(xiàn)一些錯(cuò)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(jiǎn)便的方法。當(dāng)手的、半經(jīng)驗(yàn)的和經(jīng)驗(yàn)的公式估算，也是一種簡(jiǎn)便的方法。當(dāng)手冊(cè)或文獻(xiàn)中無(wú)法查得時(shí)，可以進(jìn)行估算。直接用實(shí)驗(yàn)測(cè)定得到冊(cè)或文獻(xiàn)中無(wú)法查得時(shí)，可以進(jìn)行估算。

29、直接用實(shí)驗(yàn)測(cè)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(cè)定。用實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測(cè)定。 近年來(lái)，隨著電子計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展，應(yīng)用計(jì)算機(jī)儲(chǔ)存、檢近年來(lái)，隨著電子計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展，應(yīng)用計(jì)算機(jī)儲(chǔ)存、檢索和推算物性數(shù)據(jù)日益增多。一些大型化工企業(yè)、研究部門和索和推算物性數(shù)據(jù)日益增多。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(kù)，以便于通過(guò)計(jì)算機(jī)自動(dòng)檢高等院校都相應(yīng)建立了物性數(shù)據(jù)庫(kù)，以便于通過(guò)計(jì)算機(jī)自動(dòng)檢索或估算所要

30、求的數(shù)據(jù)，而不必自行查找或計(jì)算，大大節(jié)省了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)間和精力時(shí)間和精力。2022-4-9化工過(guò)程設(shè)計(jì)31第二節(jié)第二節(jié) 簡(jiǎn)單的物料衡算簡(jiǎn)單的物料衡算v 在進(jìn)行衡算時(shí)，必需要了解生產(chǎn)過(guò)程的基本原在進(jìn)行衡算時(shí)，必需要了解生產(chǎn)過(guò)程的基本原理、生產(chǎn)方法和工藝流程，然后用示意圖的形式表理、生產(chǎn)方法和工藝流程，然后用示意圖的形式表示出整個(gè)化工過(guò)程的主要設(shè)備和全部進(jìn)出物流，選示出整個(gè)化工過(guò)程的主要設(shè)備和全部進(jìn)出物流，選定所需的溫度、壓力或物料組成、產(chǎn)品目標(biāo)、原料定所需的溫度、壓力或物料組成、產(chǎn)品目標(biāo)、原料流量產(chǎn)品流量等條件。必需具備化工過(guò)程方面的基流量產(chǎn)品流量等條

31、件。必需具備化工過(guò)程方面的基礎(chǔ)知識(shí)才能進(jìn)行衡算。礎(chǔ)知識(shí)才能進(jìn)行衡算。2022-4-9化工過(guò)程設(shè)計(jì)32 物料衡算是化工過(guò)程中最重要、最基本的計(jì)算，在物料物料衡算是化工過(guò)程中最重要、最基本的計(jì)算，在物料衡算之后才能計(jì)算要提供或移走的能量，要了解能量的分布衡算之后才能計(jì)算要提供或移走的能量，要了解能量的分布情況必需在物料衡算的基礎(chǔ)上。通常的物料衡算有兩種：情況必需在物料衡算的基礎(chǔ)上。通常的物料衡算有兩種：v1.對(duì)已有的生產(chǎn)或者裝置利用實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)算出一些不能直接對(duì)已有的生產(chǎn)或者裝置利用實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)算出一些不能直接計(jì)算的物料量，以此為依據(jù)對(duì)生產(chǎn)情況進(jìn)行分析，做出判斷，計(jì)算的物料量，以此為依據(jù)對(duì)生產(chǎn)情況進(jìn)行

32、分析，做出判斷，提出改進(jìn)措施。提出改進(jìn)措施。v2.另一種是針對(duì)單個(gè)的設(shè)備，根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)首先做出物料衡另一種是針對(duì)單個(gè)的設(shè)備，根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)首先做出物料衡算，求出進(jìn)出設(shè)備的物料量，然后再進(jìn)行熱量橫算求出熱負(fù)算，求出進(jìn)出設(shè)備的物料量，然后再進(jìn)行熱量橫算求出熱負(fù)荷。荷。2022-4-9化工過(guò)程設(shè)計(jì)33v 以穩(wěn)態(tài)過(guò)程為例，物料衡算的理論依據(jù)是質(zhì)量守恒定以穩(wěn)態(tài)過(guò)程為例，物料衡算的理論依據(jù)是質(zhì)量守恒定律，即在一個(gè)孤立物系中，不論物質(zhì)發(fā)生任何變化，它的質(zhì)律，即在一個(gè)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，即流入系統(tǒng)的所有的所有的物流的總質(zhì)量等于量始終不變，即流入系統(tǒng)的所有的所有的物流的總質(zhì)量等于流

33、出的物流的總質(zhì)量，所有進(jìn)入的原子數(shù)等于所有流出的原流出的物流的總質(zhì)量，所有進(jìn)入的原子數(shù)等于所有流出的原子數(shù)（沒(méi)有質(zhì)量和能量的積累）子數(shù)（沒(méi)有質(zhì)量和能量的積累）v 若沒(méi)有化學(xué)反應(yīng)，則所有進(jìn)入過(guò)程的任一化合物的摩爾若沒(méi)有化學(xué)反應(yīng)，則所有進(jìn)入過(guò)程的任一化合物的摩爾物流必然等于離開(kāi)該過(guò)程的任一化合物的摩爾物流。物流必然等于離開(kāi)該過(guò)程的任一化合物的摩爾物流。2022-4-9化工過(guò)程設(shè)計(jì)34一、求解物料衡算的主要步驟如下：一、求解物料衡算的主要步驟如下： 進(jìn)行物料衡算時(shí)，尤其是那些復(fù)雜的物料衡算，為了避免錯(cuò)誤，進(jìn)行物料衡算時(shí)，尤其是那些復(fù)雜的物料衡算，為了避免錯(cuò)誤，建議采用下列計(jì)算步驟。對(duì)于一些簡(jiǎn)單的問(wèn)題

34、，這種步驟似乎有建議采用下列計(jì)算步驟。對(duì)于一些簡(jiǎn)單的問(wèn)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(wèn)題，對(duì)今后解決復(fù)雜的問(wèn)題是有幫助的。計(jì)算步驟如下：?jiǎn)栴}，對(duì)今后解決復(fù)雜的問(wèn)題是有幫助的。計(jì)算步驟如下：v1）工藝流程、生產(chǎn)原理）工藝流程、生產(chǎn)原理v2）畫出該過(guò)程的流程示意圖）畫出該過(guò)程的流程示意圖v3）圈出求解系統(tǒng)在流程圖中的邊界）圈出求解系統(tǒng)在流程圖中的邊界v4）對(duì)于復(fù)雜的過(guò)程問(wèn)題，需列表進(jìn)行自由度分析，檢查求解的數(shù)）對(duì)于復(fù)雜的過(guò)程問(wèn)題，需列表進(jìn)行自由度分析，檢查求解的數(shù)據(jù)條件與求解的變量條件是否符合，確定

35、求解的步驟。據(jù)條件與求解的變量條件是否符合，確定求解的步驟。2022-4-9化工過(guò)程設(shè)計(jì)35v5）選定計(jì)算基準(zhǔn)）選定計(jì)算基準(zhǔn)v6）對(duì)于簡(jiǎn)單的衡算問(wèn)題，可不做自由度分析，列表給出進(jìn)）對(duì)于簡(jiǎn)單的衡算問(wèn)題，可不做自由度分析，列表給出進(jìn)出流股，其后直接求解。出流股，其后直接求解。v7）列出衡算的數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行求解計(jì)算）列出衡算的數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行求解計(jì)算v8）列表：輸入、輸出物料表）列表：輸入、輸出物料表v9）校核計(jì)算結(jié)果）校核計(jì)算結(jié)果v 查找物性數(shù)據(jù)：查手冊(cè)、估算、試驗(yàn)測(cè)定、計(jì)算機(jī)自動(dòng)查找物性數(shù)據(jù)：查手冊(cè)、估算、試驗(yàn)測(cè)定、計(jì)算機(jī)自動(dòng)檢索、軟件檢索、自動(dòng)計(jì)算。檢索、軟件檢索、自動(dòng)計(jì)算。v 物料衡算的結(jié)

36、果包括以下內(nèi)容：進(jìn)入和流出各流股各組物料衡算的結(jié)果包括以下內(nèi)容：進(jìn)入和流出各流股各組分的名稱、質(zhì)量、百分含量分的名稱、質(zhì)量、百分含量2022-4-9化工過(guò)程設(shè)計(jì)36二、簡(jiǎn)單過(guò)程的物料衡算二、簡(jiǎn)單過(guò)程的物料衡算1、 簡(jiǎn)單的衡算模型簡(jiǎn)單的衡算模型 簡(jiǎn)單過(guò)程是指僅有一個(gè)設(shè)備或一個(gè)單元操作或簡(jiǎn)單過(guò)程是指僅有一個(gè)設(shè)備或一個(gè)單元操作或整個(gè)過(guò)程簡(jiǎn)化成一個(gè)設(shè)備的過(guò)程。這種過(guò)程的物料整個(gè)過(guò)程簡(jiǎn)化成一個(gè)設(shè)備的過(guò)程。這種過(guò)程的物料衡算比較簡(jiǎn)單，在物料流程簡(jiǎn)圖中，設(shè)備邊界就是衡算比較簡(jiǎn)單，在物料流程簡(jiǎn)圖中，設(shè)備邊界就是體系邊界。體系邊界。2022-4-9化工過(guò)程設(shè)計(jì)3711N IN TiiN IFiFi11(1,2,

37、3)iNINTii jiijiiNIF ZF ZjNC11N Ci jjZ圖圖3.1簡(jiǎn)單衡算系統(tǒng)示意圖簡(jiǎn)單衡算系統(tǒng)示意圖NI個(gè)進(jìn)入流股，個(gè)進(jìn)入流股，NT-NI個(gè)引出流股。個(gè)引出流股。穩(wěn)流過(guò)程，無(wú)化學(xué)反應(yīng)穩(wěn)流過(guò)程，無(wú)化學(xué)反應(yīng)總體物料衡算：總體物料衡算：組分的物料衡算組分的物料衡算：約束條件：約束條件：1,2,3.iNT2022-4-9化工過(guò)程設(shè)計(jì)382、混合器和分離器的物料衡算、混合器和分離器的物料衡算1）簡(jiǎn)單混合是指若干不同流股在容器內(nèi)混合）簡(jiǎn)單混合是指若干不同流股在容器內(nèi)混合為一個(gè)流股而流出，如圖所示：為一個(gè)流股而流出，如圖所示：11NTNTiiFF總 體 物 料 衡 算組 分 的 物 料

38、衡 算圖圖3.2簡(jiǎn)單混合過(guò)程示意圖簡(jiǎn)單混合過(guò)程示意圖11()1,2,NTii jiNTii jiF ZF ZjNC組分物料衡算2022-4-9化工過(guò)程設(shè)計(jì)39v例：一種廢酸，組成為例：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，要求混合成合成27HNO3及及60H2SO4的混合酸，計(jì)算所需廢酸及加的混合酸，計(jì)算所需廢酸及加入濃酸的數(shù)量。入濃酸的數(shù)量。v解：解：v設(shè)設(shè) x廢酸量，廢酸量，kg；v y濃濃H2SO4量，量，kg；v z濃濃HNO3量；量；v1、畫物料流程簡(jiǎn)圖、畫物料流程簡(jiǎn)圖2022-4-9

39、化工過(guò)程設(shè)計(jì)402022-4-9化工過(guò)程設(shè)計(jì)41v2、選擇基準(zhǔn)，可以選廢酸或濃酸的量為基準(zhǔn)，也可以用混合酸的量為、選擇基準(zhǔn)，可以選廢酸或濃酸的量為基準(zhǔn)，也可以用混合酸的量為基準(zhǔn)，因?yàn)樗姆N酸的組成均已知，選任何一種作基準(zhǔn)計(jì)算都很方便。基準(zhǔn)，因?yàn)樗姆N酸的組成均已知，選任何一種作基準(zhǔn)計(jì)算都很方便。v3、列物料衡算式，該體系有、列物料衡算式，該體系有3種組分，可以列出種組分，可以列出3個(gè)獨(dú)立方程，所以能個(gè)獨(dú)立方程，所以能求出求出3個(gè)未知量。個(gè)未知量。 基準(zhǔn)：基準(zhǔn)：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

40、=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HNO32022-4-9化工過(guò)程設(shè)計(jì)42 根據(jù)水平衡，可以核對(duì)以上結(jié)果：根據(jù)水平衡，可以核對(duì)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(jì)算結(jié)果正確。，所以計(jì)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

41、H2SO4與與H2O或或HNO3與與H2O二個(gè)衡算式或二個(gè)衡算式或H2SO4、HNO3和和H2O三個(gè)組分三個(gè)組分衡算式進(jìn)行計(jì)算，均可以求得上述結(jié)果。衡算式進(jìn)行計(jì)算，均可以求得上述結(jié)果。2022-4-9化工過(guò)程設(shè)計(jì)43流股流股 x y z 混合酸混合酸組分組分23%HNO357H2SO493H2SO4 90%HNO327%HNO360H2SO4/kg質(zhì)量分?jǐn)?shù)質(zhì)量分?jǐn)?shù)/kg質(zhì)量質(zhì)量分?jǐn)?shù)分?jǐn)?shù)/kg質(zhì)量質(zhì)量分?jǐn)?shù)分?jǐn)?shù)/kg質(zhì)量分?jǐn)?shù)H2SO4HNO3H2O總計(jì)總計(jì)2022-4-9化工過(guò)程設(shè)計(jì)442）簡(jiǎn)單分離）簡(jiǎn)單分離 流程示意圖如圖流程示意圖如圖3.4所示：所示：123FFF物料衡算通式為:11,33,2

42、2,jjjFZF ZFZ組分物料衡算式為：11,22,33,jjjFZF ZFZ11,2NTjii jiFZFZ12NTiiFF通式：通式：2022-4-9化工過(guò)程設(shè)計(jì)45v例3.2 將一個(gè)含有將一個(gè)含有20%（摩爾分?jǐn)?shù)）丙烷、（摩爾分?jǐn)?shù)）丙烷、20%異丁烷、異丁烷、20%異戊烷、異戊烷、40%正戊烷的混合物引入精餾塔分離。塔頂餾分含有正戊烷的混合物引入精餾塔分離。塔頂餾分含有50%丙烷、丙烷、44% 異異丁烷、丁烷、1%正戊烷的混合物，塔底引出流股中僅含正戊烷的混合物，塔底引出流股中僅含1%的丙烷。試完成其的丙烷。試完成其物料衡算。物料衡算。23100/FFkmol h1、系統(tǒng)物料流程示意圖

43、如圖所示。、系統(tǒng)物料流程示意圖如圖所示。2、計(jì)算基準(zhǔn)、計(jì)算基準(zhǔn)100kmol/h進(jìn)料。進(jìn)料。3、按簡(jiǎn)單分離物料衡算通式寫出物料衡算式：、按簡(jiǎn)單分離物料衡算通式寫出物料衡算式：總體物料衡算式：總體物料衡算式：組分物料衡算式：組分物料衡算式：32100 0.20.010.5/FFkmol h2022-4-9化工過(guò)程設(shè)計(jì)462338.8/ ,61.2/Fkmol h Fkmol h用用F2和和F3以及已知數(shù)據(jù)求出塔底流股的未知組成及各流股的以及已知數(shù)據(jù)求出塔底流股的未知組成及各流股的衡算數(shù)據(jù)，填入表格。衡算數(shù)據(jù)，填入表格。 流股流股123 組分組分 進(jìn)料進(jìn)料 餾分餾分 塔底流塔底流/(kmol/h)

44、 組成組成/(kmol/h) 組成組成/(kmol/h) 組成組成丙烷丙烷00.60.01異丁烷異丁烷42.90.05異戊烷異戊烷200.21.940.0518.10.30正戊烷正戊烷400.40.3880.0136.90.64合計(jì)合計(jì)1001.0038.81.0061.21.00表表3.3 衡算結(jié)果衡算結(jié)果2022-4-9化工過(guò)程設(shè)計(jì)47結(jié)晶 在化工生產(chǎn)中，為了精制固體物質(zhì)，使溶解于液體中的固體溶質(zhì)呈結(jié)晶狀析出的操作稱為結(jié)晶。它是獲得純凈固體物質(zhì)的重要方法之一，應(yīng)用較廣泛。 在有關(guān)結(jié)晶的物料衡算中，溶解度和質(zhì)量百分比濃度之間的換算是必需的，因?yàn)?/p>

45、對(duì)于飽和溶液從手冊(cè)上能查到的是溶解度數(shù)據(jù)而非質(zhì)量百分比濃度數(shù)據(jù)。2022-4-9化工過(guò)程設(shè)計(jì)48 例4-5：1000千克KCl飽和水溶液盛于結(jié)晶槽中，溫度為800C。將此溶液冷卻到200C，若在冷卻過(guò)程中，進(jìn)料溶液中的水有7%蒸發(fā)掉，求從溶液中結(jié)晶出的KCl量。 解：由手冊(cè)查得KCl在水中的溶解度數(shù)據(jù)為： 80：51.1克KCl/100克H2O 20：24.0克KCl/100克H2O。 畫物料流程示意圖：如下頁(yè)2022-4-9化工過(guò)程設(shè)計(jì)49 結(jié) 晶 過(guò) 程 80KCl飽和溶液 H2O 1000kg KCl結(jié)晶 x kg 20KCl飽和溶液 2022-4-9化工過(guò)程設(shè)計(jì)502022-4-9化工

46、過(guò)程設(shè)計(jì)51 在石油化工生產(chǎn)中，常常需要分離氣體混合物以獲得純凈的原料氣或氣體產(chǎn)品，吸收操作就是分離氣體混合物的一種有效方法。 吸 收 塔 吸收劑 精制氣體 原料氣體 溶液 圖 4-13 氣體吸收過(guò)程示意圖 2022-4-9化工過(guò)程設(shè)計(jì)52 例：將含20%（質(zhì)量百分?jǐn)?shù)）丙酮與80%空氣的混合氣輸入吸收塔，塔頂用噴水吸收丙酮。吸收塔塔頂出口氣體含丙酮3%，空氣97%，吸收塔底得到50千克含10%丙酮的水溶液，計(jì)算輸入吸收塔氣體的量。解：詳細(xì)過(guò)程如下所示 2022-4-9化工過(guò)程設(shè)計(jì)53由 題 意 畫 出 物 料 流 程 示 意 圖 （ 見(jiàn) 圖4 - 1 4 ） 基 準(zhǔn) ： 5 0k g 1 0

47、% 丙 酮 水 溶 液 設(shè) 塔 底 輸 入 的 混 合 氣 為 水 ：5 0k g 1 0 % 丙 酮 水 溶 液 吸 收 過(guò) 程 H2O y k g 丙 酮 3 % 空 氣9 7 % x k g 丙 酮 2 0 % 空 氣8 0 % 解：由題意畫出物料流程示意圖解：由題意畫出物料流程示意圖 ：如下所示：如下所示2022-4-9化工過(guò)程設(shè)計(jì)542022-4-9化工過(guò)程設(shè)計(jì)55干燥 在化工生產(chǎn)中，有些原料、半成品和成品常含有水分（或其他溶劑）。為了便于加工，運(yùn)輸、貯藏和使用，須將物料中的水分（其他溶劑）除去。這種從物料中去除水分（或其他溶劑）的操作稱去濕，去濕的方法很多，可分三類：（1）化學(xué)去濕

48、法；（2）機(jī)械除濕法；（3）熱能去濕法。熱能去濕法也稱干燥。2022-4-9化工過(guò)程設(shè)計(jì)56 例：現(xiàn)有濕紙漿含水71%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），需通過(guò)干燥去掉其初始水分的80%，試計(jì)算干燥后紙漿中的含水量和每千克濕紙漿去掉的水分量。 解：由題意干燥過(guò)程的物料流程如下圖所示。干燥器 濕紙漿 紙漿 0.29 H2O 0.71 干紙漿 紙漿 1x H2O x 干燥去掉的 H2O=初始量的 80% 2022-4-9化工過(guò)程設(shè)計(jì)572022-4-9化工過(guò)程設(shè)計(jì)58蒸餾 蒸餾是利用液體混合物中各組分的揮發(fā)度不同進(jìn)行組分分離，多用于分離各種有機(jī)物的混合液，也有用于分離無(wú)機(jī)物混合液的，例如液體空氣中氮與氧的分離。 例：有

49、一個(gè)蒸餾塔，輸入和輸出物料量及組成如下圖4-16。輸入物料1中A組分的98.7%自塔頂蒸出。求每千克輸入物料可得到塔頂餾出物2的量及其組成。 2022-4-9化工過(guò)程設(shè)計(jì)59解：基準(zhǔn)：100 kgh -1輸入物料 令x = 餾出物中A的百分含量，y = 餾出物中B的百分含量。1 進(jìn)料 100kgh1 A 0.20 B 0.30 C 0.50 蒸 餾 塔 冷凝器 2 餾出物 P kgh1 A x B y C 1-x-y 3 塔底產(chǎn)物 W kgh1 A 0.005 B 0.055 C 0.94 2022-4-9化工過(guò)程設(shè)計(jì)60將各物料的流量及組成列于下表組 分 mol% 流股號(hào) 流量kgh -1

50、A B C 1 2 3 100 P W 20 x 0.5 30 y 5.5 50 1-x-y 94.0 由上表可以看出，共有5個(gè)未知量，即P、W及流股2的組成A、B、C，由于組成A、B、C的百分含量之和為1，所以只需求得任意兩個(gè)組成，如A、B（或B、C或C、A），第三個(gè)組成就可求出。因此實(shí)際上是4個(gè)未知量，需要4個(gè)方程。但是輸入和輸出物料中共有3個(gè)組分，因而只能寫出3個(gè)獨(dú)立物料衡算式。第四個(gè)方程必須從另外給定的條件列出。2022-4-9化工過(guò)程設(shè)計(jì)61根據(jù)題意，已知輸入物料中A組分的98.7%自塔頂蒸出，即流股2中A組分量為: （1）總物料衡算式有P和W兩個(gè)未知量。A、B、C三個(gè)組分的衡算式中

51、，A組分的衡算式只含一個(gè)未知量W，所以先列A組分的衡算式。A組分衡算式： （2）總物料衡算式： （3）B組分衡算式： （4）由（2）式得：代入（3）式得： 代入（4）式得：y = 56.54%1-1hkg4 .19%7 .9820%h100kgP.x52wkg11h19.74kg0.5%w20%hkg100WP100yPW5.5%30%10052kgw 1h52)kg(100p2022-4-9化工過(guò)程設(shè)計(jì)62 由（由（1）式得：）式得： 餾出物中餾出物中C組成為：組成為： 由由C組分衡算式得：組分衡算式得： 結(jié)果符合結(jié)果符合 由上例可以看出，因?yàn)榈诙€(gè)方程只有一個(gè)未知參由上例可以看出，因?yàn)榈诙?/p>

52、個(gè)方程只有一個(gè)未知參數(shù)，數(shù)， 解這樣的方程，可以避免解方程組。解這樣的方程，可以避免解方程組。111h48kgh19.74kgPh19.74kgx2.83%56.54%41.13%1yx1y)x(1h48kg94%h52kg50%h100kg1112.83%yx12022-4-9化工過(guò)程設(shè)計(jì)63 以上幾例為無(wú)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的物料衡算，當(dāng)利用代數(shù)法求解時(shí)，列衡算式應(yīng)注意下列幾點(diǎn)： 無(wú)化學(xué)反應(yīng)體系，能列出的獨(dú)立物料衡算式數(shù)目，最多等于輸入和輸出物料中化學(xué)組分的數(shù)目。 首先列出含未知量數(shù)目最少的物料衡算方程，最好是能列出一個(gè)方程解一個(gè)未知數(shù)，然后一步一步地列出其它的方程，避免了解方程組的繁瑣。 若體系

53、內(nèi)具有很多多組分的物料，則最好將每股物流編號(hào)，并列表表示出已知的量和組成，檢查能列出的衡算方程數(shù)目是否等于未知量的數(shù)目，判斷能否通過(guò)物料衡算式解決問(wèn)題。2022-4-9化工過(guò)程設(shè)計(jì)64v3、具有化學(xué)反應(yīng)的物料衡算、具有化學(xué)反應(yīng)的物料衡算 按照質(zhì)量守恒定律，對(duì)于化學(xué)反應(yīng)按照質(zhì)量守恒定律，對(duì)于化學(xué)反應(yīng)1234510NCjjjV A V BV CV DV EM V其物料衡算通式為：例例3.3 在催化劑作用下，甲醇借助于空氣氧化可以制取甲醛。在催化劑作用下，甲醇借助于空氣氧化可以制取甲醛。為了保證甲醇有足夠的轉(zhuǎn)化率，在進(jìn)料中空氣過(guò)量為了保證甲醇有足夠的轉(zhuǎn)化率，在進(jìn)料中空氣過(guò)量50%，甲，甲醇轉(zhuǎn)化率可以

54、達(dá)到醇轉(zhuǎn)化率可以達(dá)到75%，試列出物料衡算列表。，試列出物料衡算列表。Vj在反應(yīng)中第在反應(yīng)中第j個(gè)組分的化學(xué)計(jì)量系數(shù)，對(duì)于反應(yīng)物為負(fù)值，個(gè)組分的化學(xué)計(jì)量系數(shù)，對(duì)于反應(yīng)物為負(fù)值，對(duì)于產(chǎn)物為正值。對(duì)于產(chǎn)物為正值。2022-4-9化工過(guò)程設(shè)計(jì)65v1、系統(tǒng)物料流程示意圖如圖所示。、系統(tǒng)物料流程示意圖如圖所示。v2、計(jì)算基準(zhǔn)、計(jì)算基準(zhǔn)100kmol/h甲醇進(jìn)料。甲醇進(jìn)料。v3、該反應(yīng)的化學(xué)計(jì)量系數(shù)為甲醇、該反應(yīng)的化學(xué)計(jì)量系數(shù)為甲醇V1=-1，氧，氧V2=-0.5，甲醛，甲醛V3=1，水，水V4=1 物料衡算模型為：物料衡算模型為：22,11,11,kjjjkkY VF ZF ZF ZV(1,2,)jN

55、C10N CjjjMVYk：關(guān)鍵的或基準(zhǔn)的一種試劑的轉(zhuǎn)化率。：關(guān)鍵的或基準(zhǔn)的一種試劑的轉(zhuǎn)化率。3220.5CH OHOHCHOH O2022-4-9化工過(guò)程設(shè)計(jì)66v按上述模型求出的解，列表。按上述模型求出的解，列表。2022-4-9化工過(guò)程設(shè)計(jì)67v4、簡(jiǎn)單的過(guò)程計(jì)算、簡(jiǎn)單的過(guò)程計(jì)算含有惰性組分的過(guò)程。含有惰性組分的過(guò)程。 含有惰性組分的過(guò)程是常見(jiàn)的簡(jiǎn)單過(guò)程之一，所謂惰性組分就是在過(guò)程中含有惰性組分的過(guò)程是常見(jiàn)的簡(jiǎn)單過(guò)程之一，所謂惰性組分就是在過(guò)程中始終不變的組分。始終不變的組分。 例例3.4 今有一油分，經(jīng)含量分析得知，其中含有今有一油分，經(jīng)含量分析得知，其中含有84%的的C和和16%的的

56、H?，F(xiàn)以?，F(xiàn)以100kg/h的油分、的油分、3.6kg/h的水蒸氣混合燃燒。分析燃燒尾氣，其中含有的水蒸氣混合燃燒。分析燃燒尾氣，其中含有9.5%的的CO2（體積分?jǐn)?shù)）。試求供給燃燒爐的空氣過(guò)剩量是多少？（體積分?jǐn)?shù)）。試求供給燃燒爐的空氣過(guò)剩量是多少？ 該燃燒過(guò)程的反應(yīng)為：該燃燒過(guò)程的反應(yīng)為：2220.5nmC HROnCOmH O式中 R=n+0.25m該反應(yīng)也可以分解為該反應(yīng)也可以分解為C與與H2的燃燒反應(yīng)，即的燃燒反應(yīng)，即2222212COCOHOH O2022-4-9化工過(guò)程設(shè)計(jì)68v1、系統(tǒng)物料流程示意圖如圖所示。、系統(tǒng)物料流程示意圖如圖所示。v2、計(jì)算基準(zhǔn)、計(jì)算基準(zhǔn)100kmol/

57、h甲醇進(jìn)料。甲醇進(jìn)料。、系統(tǒng)物料流程示意圖如圖所示。、系統(tǒng)物料流程示意圖如圖所示。、計(jì)算基準(zhǔn)、計(jì)算基準(zhǔn)1h。、估算輸入流率、估算輸入流率 84kgC=84/12=7kmol 16kgH2=16/2=8kmol 3.6kgH2O=3.6/18=0.2kmol、用分解反應(yīng)做反應(yīng)物質(zhì)的物料衡算，各組分在各個(gè)步、用分解反應(yīng)做反應(yīng)物質(zhì)的物料衡算，各組分在各個(gè)步驟中的數(shù)量分配列于表驟中的數(shù)量分配列于表3.5中，表中中，表中x表示過(guò)剩的氧氣量，表示過(guò)剩的氧氣量，y表示進(jìn)料中的氮。表示進(jìn)料中的氮。2022-4-9化工過(guò)程設(shè)計(jì)69項(xiàng)目項(xiàng)目H2CO2CO2H2ON2反應(yīng)反應(yīng)1消耗消耗77產(chǎn)生產(chǎn)生7反應(yīng)反應(yīng)2消耗消

58、耗84產(chǎn)生產(chǎn)生8未變組分未變組分x0.2y出口尾氣出口尾氣x78.2y22COCO22212HOH O表表3.5 各組分?jǐn)?shù)量分配各組分?jǐn)?shù)量分配2022-4-9化工過(guò)程設(shè)計(jì)70v、計(jì)算過(guò)剩的空氣量、計(jì)算過(guò)剩的空氣量 按化學(xué)計(jì)量式所需按化學(xué)計(jì)量式所需O2為為 4+7=11kmol， 實(shí)際供應(yīng)的實(shí)際供應(yīng)的O2量為量為11+xkmol，氮?dú)膺M(jìn)出總量不變，按大氣組成計(jì)算有，氮?dú)膺M(jìn)出總量不變，按大氣組成計(jì)算有110.7941.383.760.21xyx 全部引出的氣體量為全部引出的氣體量為 15.2+x+y=56.58+4.76x按題給條件，在出口氣體中按題給條件，在出口氣體中CO2占占9.5%，即，即7

59、0.09556.584.76x解得解得 x=3.59kmol實(shí)際上的供氧量為實(shí)際上的供氧量為 11+x=11+3.59=14.59kmol所以過(guò)程空氣量與反應(yīng)所需的空氣量的百分比等于其相應(yīng)的氧氣量的比，即所以過(guò)程空氣量與反應(yīng)所需的空氣量的百分比等于其相應(yīng)的氧氣量的比，即3.59100%32.6%11.00p 2022-4-9化工過(guò)程設(shè)計(jì)71v例例3.5 吸收過(guò)程吸收過(guò)程v 利用惰性組分的特征可以簡(jiǎn)化物料衡算。利用惰性組分的特征可以簡(jiǎn)化物料衡算。 有一股流率為有一股流率為50kmol/h，含有，含有15%(摩爾分?jǐn)?shù)，下同摩爾分?jǐn)?shù)，下同)CO2和和5%H2O的氣流送入吸收塔，用新鮮水吸收的氣流送入

60、吸收塔，用新鮮水吸收CO2。吸收后的氣。吸收后的氣體中，含有體中，含有1%CO2和和3%的的H2O，新鮮水的流率為，新鮮水的流率為500kmol/h。試求出口流股的組成與流率。試求出口流股的組成與流率。解解：簡(jiǎn)化流程示意圖為簡(jiǎn)化流程示意圖為2022-4-9化工過(guò)程設(shè)計(jì)72以以1h作為計(jì)算基準(zhǔn)作為計(jì)算基準(zhǔn)物料衡算：物料衡算： 原料氣中惰性物質(zhì)的流率為原料氣中惰性物質(zhì)的流率為50 (1 0.05 0.15) 40/kmol h 惰性物質(zhì)在入塔氣體中的組成為惰性物質(zhì)在入塔氣體中的組成為80%，在出塔氣體中的組成為，在出塔氣體中的組成為96%，出出塔氣體中惰性氣體的的流率為塔氣體中惰性氣體的的流率為4