化工设计第三章物料和能量衡算

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1、第三章第三章 化工计算化工计算l基本要求基本要求:( 1 ）掌握化工过程的特点）掌握化工过程的特点( 2 ）熟练应用化工基础数据）熟练应用化工基础数据 ( 3 ）熟练掌握化工过程的物料衡算）熟练掌握化工过程的物料衡算 ( 4 ）熟练掌握化工过程的能量衡算）熟练掌握化工过程的能量衡算化工计算化工计算l应用守恒定律来研究化工过程的物料衡算应用守恒定律来研究化工过程的物料衡算和能量衡算问题。和能量衡算问题。l守恒定律守恒定律l化工过程方面的基础知识化工过程方面的基础知识第一节第一节 化工过程及过程参数化工过程及过程参数l一、一、 化工化工过程程l所谓化工过程，是指由原料经化学处理和物理所谓化工过程，

2、是指由原料经化学处理和物理处理加工成化学产品或中间产品的生产过程。处理加工成化学产品或中间产品的生产过程。l它包括许多工序，每个工序又由若干个或若干组设备它包括许多工序，每个工序又由若干个或若干组设备（如反应器、蒸馏塔、吸收塔、干燥塔，分离器、换热（如反应器、蒸馏塔、吸收塔、干燥塔，分离器、换热器及输送设备等等）组合而成。物料通过各设备时，完器及输送设备等等）组合而成。物料通过各设备时，完成某种化学或物理处理，最终成为合格的产品。成某种化学或物理处理，最终成为合格的产品。l在不同的生产过程中，有一些具有共性的物理操作，它们不改变物料的化学性质，只改变物料的物理性质，这类操作被称为单元操作，如流

3、体输送、传热、蒸馏、干燥、蒸发、结晶、萃取、吸收、吸附、过滤及破碎等操作。化工过程中还包括一些改变物料的化学性质的反应过程，如氢与氮合成氨反应、乙烯氧化成环氧乙烷反应等等。l化工过程就是由反应过程和若干个单元操作组合化工过程就是由反应过程和若干个单元操作组合而成的一个系统。而成的一个系统。 化工过程的类型化工过程的类型 l根据其操作方式分根据其操作方式分 间歇操作间歇操作 原料一次加入过程产品一次排出 连续操作连续操作 原料连续加入过程产品连续排出 半连续操作半连续操作 原料一次加入过程产品连续排出 或原料连续加入过程产品一次排出l根据操作状态分根据操作状态分 稳定状态操作（定态操作）稳定状态

4、操作（定态操作）过程参数=f(x、y、z) 不稳定状态操作（非定态操作）不稳定状态操作（非定态操作）过程参数=f(x、y、z、t)二、化工过程基本参数二、化工过程基本参数l过程参数即化工生产过程中影响过程运行和状过程参数即化工生产过程中影响过程运行和状态的物理量。态的物理量。l一）温度一）温度 表示物体冷热程度的物理量。表示物体冷热程度的物理量。温标。温标。 1、摄氏温标，、摄氏温标， 水的正常冰点：0 水的正常沸点：100 其间均分100等份 其单位为 2、开尔文温标，、开尔文温标，K3 华氏温标华氏温标, 水盐混合物的温度：0 健康人的血液温度：96 水的正常冰点：32,水的正常沸点：21

5、2 其间均分180等份 其单位为4、兰金温标，、兰金温标，R 与开氏温标相似，也是以最低理论温度为0度的一种绝对温标。 其0度为-459、58（-460），所以0即460。l四种温度的关系四种温度的关系l二）压力二）压力(压强）压强）l三）流量三）流量l四）组成四）组成三、三、 化工过程开发化工过程开发l化工过程开发是指一个化学反应从实验室化工过程开发是指一个化学反应从实验室过渡到第一套生产装置的全部过程。过渡到第一套生产装置的全部过程。（开（开发的成果要以基础设计形式出现）发的成果要以基础设计形式出现）l化工过程开发，首先是决定化学反应的可化工过程开发，首先是决定化学反应的可能性、转化率及反

6、应速度是否具有工业价能性、转化率及反应速度是否具有工业价值，产物分离的难易程度以及机械、设备、值，产物分离的难易程度以及机械、设备、材料是否可行。当然，最终取决于是否有材料是否可行。当然，最终取决于是否有经济效益。经济效益。四、化工基础数据四、化工基础数据l“化工基础数据化工基础数据”，又被称作，又被称作“物化数据物化数据”或或“物性数据物性数据”。是由物料本身的物理。是由物料本身的物理化学性质所决定的。化学性质所决定的。l化工基础数据包括很多，现将常用的一些化工基础数据包括很多，现将常用的一些化工基础数据大致归纳成以下几类化工基础数据大致归纳成以下几类 :l( l ）基本物性数据）基本物性数

7、据 如临界常数（临界压力、临界温度、临界体积）、密度或如临界常数（临界压力、临界温度、临界体积）、密度或比容、状态方程参数、压缩系数、蒸气压、气一液平衡关比容、状态方程参数、压缩系数、蒸气压、气一液平衡关系等。系等。l ( 2 ）热力学物性数据）热力学物性数据 如内能、焓、嫡、热容、相变热、自由能、自由焓等。如内能、焓、嫡、热容、相变热、自由能、自由焓等。l( 3 ）化学反应和热化学数据）化学反应和热化学数据 如反应热、生成热、燃烧热、反应速度常数、活化能，化如反应热、生成热、燃烧热、反应速度常数、活化能，化学平衡常数等。学平衡常数等。l( 4 ）传递参数）传递参数 如粘度、扩散系数、导热系数

8、等。如粘度、扩散系数、导热系数等。数据的获取：1 、查手册或文献资料、查手册或文献资料l常用物质的物性数据可从化学化工类手册或专常用物质的物性数据可从化学化工类手册或专业性的化工手册业性的化工手册 中查到。（收集了许多物质的中查到。（收集了许多物质的物性数据及图表物性数据及图表 ）l化学工程手册， 化学工程手册 编辑委员会，化学工业出版社，1980l化工工艺设计手册，国家医药管理局上海医药设计院编，化学工业出版社，1986l化工工艺算图，吉林化学工业公司设计院等编，化学工业出版社，1982 2 、估算、估算l可以应用物理和化学的一些基本定律计算各种可以应用物理和化学的一些基本定律计算各种物质的

9、性质参数。物质的性质参数。l但是，往往由于缺乏计算所需的一些分子性质（偶极矩、极化率、原子间距离等）的数据而无法计算，或者即使知道这些数据，计算也很复杂。因此，许多研究人员做了不少工作，建立了理论与经验相结合的方法，来计算各种物质的物性数据。这些方法仅从一个化合物二、三种数据就能估算出该化合物的其他物性数据来。l基团贡献法基团贡献法3 、用实验直接测定、用实验直接测定l实验直接测定。实验直接测定。l以上三种数据来源，从手册或文献中查得数据最方便，但往往有时数据不够完整，也会出现一些错误。用一些理论的、半经验的和经验的公式估算，也是一种简便的方法。当手册或文献中无法查得时，可以进行估算。直接用实

10、验测定得到的数据最可靠，只是实验比较费时间又花钱。但是，如果查不到有关数据，而用公式估算得到的结果精度又不够时，则必须用实验进行测定。4、计算机检索检索l近年来，随着电子计算机的迅速发展，应用计近年来，随着电子计算机的迅速发展，应用计算机储存、检索和推算物性数据。算机储存、检索和推算物性数据。 一些大型化工企业、研究部门和高等院校都相应建立了物性数据库，以便于通过计算机自动检索或估算所要求的数据，而不必自行查找或计算，大大节省了时间和精力。l化工物性数据库化工物性数据库 美国，CINDAS(14000) 北京化工大学，大型化工物性数据库CEPPDS(3417) 第二节第二节 物料衡算物料衡算l

11、物料衡算是化工计算中最基本、最重要的内容物料衡算是化工计算中最基本、最重要的内容之一，它是能量衡算的基础。之一，它是能量衡算的基础。l设计或研究一个化工过程，或对者某生产过程进行分析，需要了解能量的分布情况，都必须在物料衡算的基础上，才能进一步算出物质之间交换的能量以及整个过程的能量分布情况。l物料衡算和能量衡算是进行化工工艺设计、过物料衡算和能量衡算是进行化工工艺设计、过程经济评价、节能分析以及过程最优化的基础。程经济评价、节能分析以及过程最优化的基础。物料衡算有两种情况物料衡算有两种情况:l一种是对已有的生产设备或装置，利用实际测定的数据，算出另一些不能直接测定的物料量。用此计算结果，对生

12、产情况进行分析、作出判断、提出改进措施。（一般的作业）l另一种是设计一种新的设备或装置，根据设计任务，先作物料衡算，求出进出各设备的物料量，然后再作能量衡算，求出设备或过程的热负荷，从而确定设备尺寸及整个工艺流程。（设计）一、物料衡算的依据一、物料衡算的依据l质量守恒定律质量守恒定律 即在一个孤立物系中，不论物质发生任何变化，它的质量始终不变（不包括核反应，因为核反应能量变化非常大，此定律不适用）。l质量守恒（不是摩尔守恒、体积守恒）质量守恒（不是摩尔守恒、体积守恒）二、物料衡算式二、物料衡算式l物料衡算是研究某一个体系内进、出物料物料衡算是研究某一个体系内进、出物料量及组成的变化。量及组成的

13、变化。l所谓体系就是物料衡算的范围，它可以根据需要选定。体系可以是一个设备或几个设备，也可以是一个单元操作或整个化工过程。进行物料衡算时，必须首先确定衡进行物料衡算时，必须首先确定衡算的体系。算的体系。对某一个体系，输入体系的物料量应该对某一个体系，输入体系的物料量应该等于输出物料量与体系内积累量之和等于输出物料量与体系内积累量之和 。l连续过程的物料衡算式连续过程的物料衡算式 一般表示式为： 系统中积累 = 输入 输出 + 生成 消耗稳态过程时 输入 = 输出 生成 + 消耗无化学反应的稳态过程 输入 = 输出 物料平衡形式物料平衡形式 总平衡式 *总质量平衡式 总摩尔平衡式 组分平衡式 组

14、分质量平衡式 组分摩尔平衡式 元素原子平衡式 *元素原子质量平衡式 *元素原子摩尔平衡式三、三、 物料衡算的基本方法物料衡算的基本方法l进行物料衡算时，为了能顺利地解题，避免错误，必须掌握解题技巧，按正确的解题方法和步骤进行。这样才能获得准确的计算结果。l l 、衡算范围、衡算范围 指定的任何空间范围。它可是一个设备、一个单元或指定的任何空间范围。它可是一个设备、一个单元或整个过程。整个过程。根据给定的条件画出流程简图（过程示意图或衡算范围）。图中用简单的方框表示过程中的设备，用线条和箭头表示每个流股的途径和流向。并标出每个流股的已知变量（如流量、组成）及单位。对一些未知的变量，可用符号表示。

15、 l2、衡算对象衡算对象 参加过程的全部物料。参加过程的全部物料。 对无化学反应：可选任一物料 对有化学反应：未发生变化的物质l3 、计算基准及其选择、计算基准及其选择l原则上计算基准是任意选择。原则上计算基准是任意选择。但是，计算基准选择得恰当，可以使计算简化，避免错误。对于不同化工过程，采用什么基准适宜，需视具体情况而定，不能作硬性规定。l根据不同过程的特点，选择计算基准时注意以下几点：( l ）应选择已知变量数最多的流股作为计算基准。( 2 ）对液体或固体的体系，常选取单位质量作基准。( 3 ）对连续流动体系，用单位时间作计算基准有时较方便。( 4 ）对于气体物料，如果环境条件（如温度、

16、压力）已定，则可选取体积作基准。 具体： 时间基准 连续（小时，天） 间歇（釜，批） 质量基准 kg，mol， kmol 体积基准 m3（STP），Nm3 干湿基准 干基（不含水），湿基（含水）l4 、物料衡算的程序（步骤）、物料衡算的程序（步骤） ( l ）搜集计算数据。）搜集计算数据。( 2 ）画出物料流程简图。）画出物料流程简图。( 3 ）确定衡算体系。）确定衡算体系。( 4 ）写出化学反应方程式，包括主反应）写出化学反应方程式，包括主反应 和副反应，标出有用的分子量。和副反应，标出有用的分子量。 ( 5 ）选择计算基准，并在流程图上注明所选的）选择计算基准，并在流程图上注明所选的基准值。基准值。( 6 ）列出物料衡算式，然后用数学方法求解。）列出物料衡算式，然后用数学方法求解。 (7）校核计算结果。）校核计算结果。(数据归一）数据归一） ( 8 ）将计算结果列成输入一输出物料表（物料）将计算结果列成输入一输出物料表（物料平衡表平衡表）。（三线表、表头名称、基准）。（三线表、表头名称、基准）四、四、 无化学反应过程的物料衡算无化学反应过程的物料衡算l在化工过程中，只有物理变化不发