天津大学工业化学基础课件第一章-化工基本计算1

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1、 第二章 化工基本计算-反应过程的物料 衡算及热量衡算l 运用质量守恒定律，对生产过程或设备进 行研究，计算输入或输出的物流及组成称 为物料衡算 l21 概述l物料衡算、热量衡算在化工生产中的重 要作用l物料衡算、热量衡算是化工工艺设计经 济评价节能分析及过程优化的基础一、化工计算的目的及意义二、化工计算的内容三、化工工艺过程的构成与分类四、化工计算的作用本章主要内容：l a .在生产过程的控制中：在化工产品的生产中 ，生产过程各项技术指标的经济性，是组织生产 中的最重要问题。我们应该用最新的工艺手段去 改善各项技术经济指标，把它们提高到新的水平 。生产过程中的各种指标，例如产品产量（即生 产

2、规模）、原料消耗量、公用工程中的水、电和 蒸汽的消耗量、联产品和副产物的数量等；都是 十分重要的工艺指标。为了衡量这些指标的先进 性，要进行化工生产过程中局部的或全过程的物 料衡算和热量衡算，并由此设计出更先进的工艺 流程 l b .在工艺、设备设计中：物料衡算是热量衡算 及其他工艺、设备计算的基础。物料衡算一般有 二种情况：一种是在已有的装置上，利用实际操 作数据进行计算查核原材料消耗定额，算出另外 一些不能直接测定的物料量，由此对生产情况作 出分析，发现问题，为改进生产提供途径；另一 种是对新车间、新工段、新设备作设计，利用工 厂已有的生产实际数据，迸行分析比较，选定先 进而切实可行的数据

3、作为新设计的指标，再根据 生产任务计算原料、产品、副产物和废物料的数 量，有了这些物料量的基本数据，就可以计算一 个流程或一个设备的热负荷和设备尺寸。l 在化工生产中，有一些单元过程只有物理变化。 例如换热、蒸馏等过程即属此类过程。对于这些 过程的物料和热量衡算，在化工原理有关课 程中已讨论过了，本章主要是讨论反应过程的物 料衡算和热量衡算。这些计算要比只有物理变化 时的计算要复杂得多。它除了有物理变化时的计 算之外，还包括了物料成份的改变和反应热效应 的计算。对反应过程进行物料和热量衡算，不仅 是为设计反应器提供基础数据，且能给如何改善 工艺指标提供方向和要求 l物料衡算和热量衡算的理论依据

4、是质量守恒定律 和能量守恒定律。反应过程的热量衡算一般不讨 论能量转换，只计算热量的变化。物料在进行物 理变化和化学变化的同时，常伴随着能量的变化 ，即能量的消耗、释放和转换。在化工生产中所 涉及的能量主要有机械能、电能和热能，其中以 热能为主，因此，能量衡算的重点是热量衡算。 热量衡算在化工设计、化工生产中是很重要的。 根据加热、冷却时的热量变化可计算所需加热介 质、冷却介质的用量，为供汽、供水等其他配套 工程提供设计基础。通过设备热量传递的计算， 为设计和改进设备提供依据。通过全系统的能量 衡算可计算出能量综合利用效率，考查在设计和 操作中能量的利用是否经济合理，以便寻求节能 的有效途径。

5、 1.合理组织生产和管理方面 2.化工过程开发方面 3. 在设计型计算方面 4. 在操作型计算方面化工计算的作用本课程的学习方法1正确分析化工计算的任务2正确收集和处理有关化工基础数据3合理选择计算方法4多动手、勤思考5培养严谨、细致的工作作风返回l22 物料衡算和热量衡算的依据和基准l（1）应明确生产方式，选取恰当的计算基 准l间隙操作过程特点及适用范围l连续操作过程特点及适用范围l化工生产中常分为间歇操作和连续操作两类 。间歇操作的特点是一次投料，然后进行反应 ，操作完后一次出料。在操作过程中，反应参 数（特别是浓度）是随时间而不断改变的。根 据这个特点，分批投料或分次出料的都属于间 歇操

6、作过程。连续操作的主要特点是不断地和 稳定地向反应系统或设备投入物料，同时从系 统或设备中取出相同数量的物料。设备中某一 区域的反应参数（如温度、压力、浓度、流量 等）是不随时间而改变的。至于设备内某一截 面或某一区域之间，反应条件并不要求完全一 致，不过总的条件是不随时间而改变罢了。这 两种生产过程的物料衡算，采用的计算基准各 有不同。 l对于间歇反应过程，以分批计算进、出料 量较为恰当，热量衡算可折算为单位时间 的负荷（例如千卡时或千焦时）。对 连续反应过程，由于操作条件不随时间而 改变，以单位时间（小时）作计算基准较 方便。l（2）物料衡算的依据l a)设计任务书中确定的技术方案，产品生

7、产 能力，年工作时及操作方法l b)建设单位或研究单位提供的要求，设计参 数及实验室试验或中试数据l 主要数据：1）化工单元过程主要反应方程式， 反应物配比，转化率，总收率，催化剂状态等。l 2）原料及产品的分离方式，各步 收率。l 3）特殊化学品的物性l c)工艺流程图l l 针对反应特点，收集数据，写出反应方程式， 灵活选择基准。l 大型化工厂的生产要求操作稳定，使产品质量 容易得到保证。反应条件的稳定，也便于设计结 构合理的反应设备和采取先进的工艺流程。因此 ，大多数采用连续操作。l 连续反应过程物料衡算和热量衡算的准备步骤 ，大致可分为下列三项。注明各反应应物料的状态态条件，并对对已知

8、转转化 率的反应标应标 出其转转化率，再通过过化学计计量系数关 系，就可以算出生成物的组组成和数量 l （3） 选择合适的计算基准。这是重要 的一步，选择的得当有利于计算。例如： 物料衡算时物料量以千摩时，折算为千 克时，热量衡算时多以25为基准来计 算单位时间的负荷。l 根据过程特点选择计算基准如下：l 1）时间为基准：对连续生产中以时间 （小时，天，年）的生产量作为计算基准 。这种计算基准可直接与生产规模和设计 计算相联系。对间歇生产，一般以一釜或 一批料生产周期为基准。l 2)质量基准：当物料为液、固相时，选 择一定质量的原料或产品作为计算基准。 如1kg、1000kg等。如是单一化合物

9、或由已 知组成百分数和组分分子量的多组分组成 ，用物质的量（摩尔）作基准更为方便 l 3)体积基准：对气体物料进行衡算时选 用体积基准。（可用标准态下的体积）l 4)干湿基准：不计算水分在内为干基， 否则为湿基。l 以上三点是互相关联联的。没有准确和必需的数据 以及确定的反应应方程式，就不可能进进行准确的物 料衡算和热热量衡算，而数据收集的范围围又与反应应 系统统的状况密切相关，选择选择 方便的计计算基准又给给 收集数据提出要求。当然，三者之中最重要的还还 是数据的准确性。在某些数据不能精确测测定或欠 缺时时，可在工程计计算所允许许的误误差范围围内借用、 推算或假设设。此外，对对从现场现场 收

10、集的数据要注意 有无遗遗漏或矛盾，经过经过 分析，决定取舍，务务必将 数据收集得准确无误误 。 l在进行物料衡算和热量衡算时，应先将计 算对象绘出流程方框图（或简图），还可 以标出各股物料的进、出量及温度、压力 和组成等条件，以避免不必要的误差。计 算过程所用的符号应前后一致，并按统一 标准标示。计算的最后结果，最好整理成 表格，使人易于看出明确的结论。l l物系：所谓体系（物系）就是人为地划定一个过 程的全部或它的某一部分作为完整的研究对为物系（ 体系、系统）。l环境：物系以外的所有物质称为环境。物系与环 境之间的分界线称为边界。l封闭体系：物系与环境之间没有质量交换，称为封闭 体系。（非流

11、动物系）l敞开体系：物系与环境之间有质量交换，称为封闭体 系。（流动物系）23 物料衡算的方法和步骤 l（1）物料衡算的依据质量守恒定律l 对于一个化工系统，在同一时间内进入系统的 物料质量总和等于离开该系统的物料质量、损失 的物料质量以及积累的物料质量总和。l即 (2.1)l式中： G入 进入系统的物料质量总和，kg；l G出离开系统的物料质量总和，kg； G损系统损失的物料质量总和，kg；l G积 系统所积累的物料质量总和，kg l这里应特别注意： l 1） 按质量守恒定律，当反应过程中不计系统 损失的话，式（2.1）又可简写为：l 进入系统的物料量 = 系统输出物料量 系统内 积累的物料

12、量l对连续生产过程，系统内没有积累物料，故上式 的右边“系统内积累的物料量”一项为零，此时 ： l 进入系统的物料量 = 系统输出物料量l对有化学反应过程 l进入系统的物料量反应生成或消耗的物料量 = 系统输出物料量l 2）物质质量守恒是指物质的质量（单 位是kg）守恒，而不是指物质的量（kmol ）的守恒。 物料衡算一般以进、出物料的 总重量来衡算。因为在反应过程中分子数 目可能会发生变化，故进入系统的物料总 分子数不一定等于系统输出的物料总分子 数，但以原子摩尔数衡算时，上式仍恒等 。见下例。l（2）物料衡算的步骤l物料平衡的计算基本上可分为两类，一类 是单元设备的物料衡算；另一类是化工过

13、 程的物料衡算。不论是哪一类的物料衡算 ，其计算步骤基本如下： l确定物料衡算的范围和对象 首先根 据计算任务划分出物料平衡计算物系与环境的边 界，并划出计算对象草图，可以以一个生产过程 作为衡算系统，也可以以一组设备或一个设备作 为衡算系统。此外还要搞清楚所计算过程的性质 ：是稳定状态还是非稳定状态；是连续过程还是 间歇过程；有无化学变化、相变化；有无循环物 料等，为建立物料衡算式打下基础，以便节省时 间和减少错误。l绘制物料衡算流程示意图确定计算 任务 为使计算目的明确、直观，讨论的问题 更形象化，通常用一个封闭虚线框表示所研究系 统边界。用箭头表示进入系统的物料或离开系统 物料的流向，并

14、尽可能地标上各物料的参数（如 组成、流量、温度和压力等），未知量需用字母 符号标写清楚，明确哪些是已知量，哪些是待求 项。下图以带有反应器、分离器的连续操作流程 为例，说明绘制系统的物料衡算流程示意图。l 写出化学反应方程式 当系统有化 学反应发生时，必须列出各过程的已配平 的主、副化学反应方程式。当副反应较多 时，可略去影响较小的反应。若采用元素 平衡式进行物料衡算，则可不必列出具体 的化学反应式。l搜集数据 在进行计算前必须将有关的数据 和资料准备齐全，需收集的数据一般包括生产规 模、年工作时数、转化率、原料和中间产物及产 品的规格、有关的物性数据等，这些数据应是准 确无误的。l收集的数据

15、有： l a、生产规模和生产时间l b、有关的定额和技术指标。（产品单耗、 配料比、循环比、固液比、气液比、回流比、利 用率、转化率、单程收率、总收率） l c、原辅料、产品、中间产品的规格（有效 成分、杂质含量） l d、与过程有关的物理化学参数。（临界参 数、密度、状态方程参数、蒸汽压、气液平衡常 数等）l选择计算基准 计算基准的选择是计 算的关键。计算基准的选择是以有利于计 算为原则，可灵活选取。l 对一个反应系统的物料衡算，究竟采 用什么作基准适宜，这要看具体情况，难 于作硬性的规定，但注意下列几点是有帮 助的：l （1）间歇生产过程的物料衡算一般以每批产量 作为计算基准，而连续生产过程则往往采用以每 小时产量作为基准。 l（2）对气体，如果环境条件已定，用体积（m3 ）或物质的量（mol）作基准。对液、固系统而 言，常用质量作基准。 l（3）应用已知组成的进料开始计算，如果进料组 成只知其主要成分，而主产物产量则是确定的， 就用产物的单位质量或体积作基准，反算得到进 料量。 l（4