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(guò)程的特點(diǎn)）掌握化工過(guò)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(guò)程的物料衡算）熟練掌握化工過(guò)程的物料衡算 ( 4 ）熟練掌握化工過(guò)程的能量衡算）熟練掌握化工過(guò)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(lái)研究化工過(guò)程的物料衡算應(yīng)用守恒定律來(lái)研究化工過(guò)程的物料衡算和能量衡算問(wèn)題。和能量衡算問(wèn)題。l守恒定律守恒定律l化工過(guò)程方面的基礎(chǔ)知識(shí)化工過(guò)程方面的基礎(chǔ)知識(shí)第一節(jié)第一節(jié) 化工過(guò)程及過(guò)程參數(shù)化工過(guò)程及過(guò)程參數(shù)l一、一、 化工過(guò)程化工過(guò)程l所謂化工過(guò)程，是指由原料經(jīng)化學(xué)處理和物理所謂化工過(guò)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(guò)程。處理加工成化學(xué)產(chǎn)品或中間產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程。l它包括許多工序，每個(gè)工序又由若干個(gè)或若干組設(shè)備它包括許多工序，每個(gè)工序又由若干個(gè)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(guò)各設(shè)備時(shí)，熱器及輸送設(shè)備等等）組合而成。物料通過(guò)各設(shè)備時(shí)，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(guò)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(lèi)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(guò)濾及破碎等操作。化工過(guò)程中還包括一些改變物料的化學(xué)性質(zhì)的反應(yīng)過(guò)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(guò)程就是由反應(yīng)過(guò)程和若干個(gè)單元操作組合化工過(guò)程就是由反應(yīng)過(guò)程和若干個(gè)單元操作組合而成的一個(gè)系統(tǒng)。而成的一個(gè)系統(tǒng)。 化工過(guò)程的類(lèi)型化工過(guò)程的類(lèi)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(guò)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(guò)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(guò)程產(chǎn)品連續(xù)排出 或原料連續(xù)加入過(guò)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(guò)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(guò)程參數(shù)=f(x、y、z、t)二、化工過(guò)程基本參數(shù)二、化工過(guò)程基本參數(shù)l過(guò)程參數(shù)即化工生產(chǎn)過(guò)程中影響過(guò)程運(yùn)行和狀過(guò)程參數(shù)即化工生產(chǎn)過(guò)程中影響過(guò)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(kāi)爾文溫標(biāo)，、開(kāi)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(kāi)氏溫標(biāo)相似，也是以最低理論溫度為0度的一種絕對(duì)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(guò)程開(kāi)發(fā)化工過(guò)程開(kāi)發(fā)l化工過(guò)程開(kāi)發(fā)是指一個(gè)化學(xué)反應(yīng)從實(shí)驗(yàn)室化工過(guò)程開(kāi)發(fā)是指一個(gè)化學(xué)反應(yīng)從實(shí)驗(yàn)室過(guò)渡到第一套生產(chǎn)裝置的全部過(guò)程。過(guò)渡到第一套生產(chǎn)裝置的全部過(guò)程。（開(kāi)（開(kāi)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(guò)程開(kāi)發(fā)，首先是決定化學(xué)反應(yīng)的可化工過(guò)程開(kāi)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(jià)能性、轉(zhuǎn)化率及反應(yīng)速度是否具有工業(yè)價(jià)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(lèi)化工基礎(chǔ)數(shù)據(jù)大致歸納成以下幾類(lèi) :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)的獲取：1 1 、查手冊(cè)或文獻(xiàn)資料、查手冊(cè)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(lèi)手冊(cè)或?qū)３Ｓ梦镔|(zhì)的物性數(shù)據(jù)可從化學(xué)化工類(lèi)手冊(cè)或?qū)I(yè)性的化工手冊(cè)業(yè)性的化工手冊(cè) 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(cè)， 化學(xué)工程手冊(cè) 編輯委員會(huì)，化學(xué)工業(yè)出版社，1980l化工工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)，國(guó)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(wú)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(lái)計(jì)算各種物質(zhì)的物性數(shù)據(jù)。這些方法僅從一個(gè)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(lái)。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(cè)定、用實(shí)驗(yàn)直接測(cè)定l實(shí)驗(yàn)直接測(cè)定。實(shí)驗(yàn)直接測(cè)定。l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，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)手冊(cè)或文獻(xiàn)中無(wú)法查得時(shí)

10、，可以進(jìn)行估算。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(qián)。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)，則必須用實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測(cè)定。4、計(jì)算機(jī)檢索檢索l近年來(lái)，隨著電子計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展，應(yīng)用計(jì)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)。算機(jī)儲(chǔ)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(mén)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。l化工物性數(shù)據(jù)庫(kù)化工物性數(shù)據(jù)庫(kù) 美國(guó)，CINDAS(14000) 北京化工大學(xué)，大型化工物性數(shù)據(jù)庫(kù)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(gè)化工過(guò)程，或?qū)φ吣成a(chǎn)過(guò)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(gè)過(guò)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(guò)物料衡算和能量衡算是進(jìn)行化工工藝設(shè)計(jì)、過(guò)程經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)、節(jié)能分析以及過(guò)程最優(yōu)化的基礎(chǔ)。程經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)、節(jié)能分析以及過(guò)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(duì)已有的生產(chǎn)設(shè)備或裝置，利用實(shí)際測(cè)定的數(shù)據(jù)，算出另一些不能直接測(cè)定

12、的物料量。用此計(jì)算結(jié)果，對(duì)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(guò)程的熱負(fù)荷，從而確定設(shè)備尺寸及整個(gè)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(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（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(gè)體系內(nèi)進(jìn)、出物料物料衡算是研究某一個(gè)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(gè)設(shè)備或幾個(gè)設(shè)備，也可以是一個(gè)單元操作或整個(gè)化工過(guò)程。進(jìn)行物料衡算時(shí)，必須首先確定衡進(jìn)行物料衡算時(shí)，必須首先確定衡算的體系。算的體系。對(duì)某一個(gè)體系，輸入體系的物料量應(yīng)該對(duì)某一個(gè)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(guò)程的物料衡算式連續(xù)過(guò)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(guò)程時(shí) 輸入 = 輸出 生成 + 消耗無(wú)化學(xué)反應(yīng)的穩(wěn)態(tài)過(guò)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(shí)，為了能順利地解題，避免錯(cuò)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(gè)設(shè)備、一個(gè)單元或指定的任何空間范圍。它可是一個(gè)設(shè)備、一個(gè)單元或整個(gè)過(guò)程。整個(gè)過(guò)程。根據(jù)給定的條件畫(huà)出流程簡(jiǎn)圖（過(guò)程示意圖或衡算范圍）。圖中用簡(jiǎn)單的方框表示過(guò)程中的設(shè)備，用線條和箭頭表示每個(gè)流股的途徑和流向。并標(biāo)出每個(gè)流股的已知變量（如流量、組成）及單位。對(duì)一

15、些未知的變量，可用符號(hào)表示。 l2、衡算對(duì)象衡算對(duì)象 參加過(guò)程的全部物料。參加過(guò)程的全部物料。 對(duì)無(wú)化學(xué)反應(yīng)：可選任一物料 對(duì)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(jiǎn)化，避免錯(cuò)誤。對(duì)于不同化工過(guò)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(guò)程的特點(diǎn)，選擇計(jì)算基準(zhǔn)時(shí)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(duì)液體或固體的體系，常選取單位質(zhì)量作基準(zhǔn)。( 3 ）對(duì)連續(xù)流動(dòng)體系，用單位時(shí)間作計(jì)算基準(zhǔn)有時(shí)較方便。( 4 ）對(duì)于氣體

16、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(shí)間基準(zhǔn) 連續(xù)（小時(shí)，天） 間歇（釜，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(huà)出物料流程簡(jiǎn)圖。）畫(huà)出物料流程簡(jiǎn)圖。( 3 ）確定衡算體系。）確定衡算體系。( 4 ）寫(xiě)出化學(xué)反應(yīng)方程式，包括主反應(yīng)）寫(xiě)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)，

17、并在流程圖上注明所選的基準(zhǔn)值。基準(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(wú)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的物料衡算無(wú)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的物料衡算l在化工過(guò)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(guò)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

18、式，再用代數(shù)法求解。一）、簡(jiǎn)單過(guò)程的物料衡算一）、簡(jiǎn)單過(guò)程的物料衡算l簡(jiǎn)單過(guò)程是指僅有一個(gè)設(shè)備或一個(gè)單元操作簡(jiǎn)單過(guò)程是指僅有一個(gè)設(shè)備或一個(gè)單元操作的過(guò)程。設(shè)備邊界就是體系邊界。的過(guò)程。設(shè)備邊界就是體系邊界。 ( 1 ）畫(huà)出物料流程簡(jiǎn)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(huà)出物料流程簡(jiǎn)圖、列出物料平衡表并進(jìn)行核算）二）、有多個(gè)設(shè)備過(guò)程的物料衡算二）、有多個(gè)設(shè)備過(guò)程的物料衡算五、有化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的物料衡算五、有化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的物料衡算l有化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程，物料中的組分變化比有化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程，物料中的組分

19、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(jià)格較低廉的一些反應(yīng)物用量過(guò)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(shí)，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(guò)量反應(yīng)物、過(guò)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(guò)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(guò)量反應(yīng)物。 3 、過(guò)量百分?jǐn)?shù)、過(guò)量百分?jǐn)?shù) 過(guò)量反應(yīng)物超過(guò)限制反應(yīng)物所需理論量的部分占

20、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(guò)程的兩個(gè)主要技術(shù)指標(biāo)。轉(zhuǎn)化率與選擇性是反應(yīng)過(guò)程的兩個(gè)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(guò)程的物料

21、衡算二）、一般反應(yīng)過(guò)程的物料衡算l對(duì)有化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的物料衡算，由于各組分在過(guò)程中發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，因此就不能簡(jiǎn)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(duì)一般的反應(yīng)過(guò)程，可用下列幾種方法求對(duì)一般的反應(yīng)過(guò)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(guò)程的物料衡算，有時(shí)只含一個(gè)未知量或組成，這類(lèi)問(wèn)題比較簡(jiǎn)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

22、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(lèi)衡算時(shí)，并不需要考慮具體的化學(xué)作這類(lèi)衡算時(shí)，并不需要考慮具體的化學(xué)反應(yīng)，而是按照元素種類(lèi)被轉(zhuǎn)化及重新組反應(yīng)，而是按照元素種類(lèi)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(duì)反應(yīng)過(guò)程中化學(xué)反應(yīng)很復(fù)雜，無(wú)法用一、對(duì)反應(yīng)過(guò)程中化學(xué)反應(yīng)很復(fù)雜，無(wú)法用一、兩個(gè)反應(yīng)式表示的物料衡算題，可以列出兩個(gè)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

23、，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(gè)反應(yīng)過(guò)程中，它的數(shù)量不變。分，在整個(gè)反應(yīng)過(guò)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(guò)程的物料衡算三）、復(fù)雜過(guò)程的物料衡算l復(fù)雜過(guò)程不是指過(guò)程或設(shè)備多而是復(fù)雜過(guò)程不是指過(guò)程或設(shè)備多而是具有循具有循環(huán)、排放及旁路的過(guò)程。環(huán)、排放及旁路的過(guò)程。l在化工過(guò)程中具有循環(huán)、排放及旁路的過(guò)在化工過(guò)程中具有循環(huán)、排放及旁路的過(guò)程的物料衡算與以上介紹的方法相類(lèi)似，程的

24、物料衡算與以上介紹的方法相類(lèi)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選擇合適的衡算體系，列出一般過(guò)程物量選擇合適的衡算體系，列出一般過(guò)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(guò)程、設(shè)備技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，它是衡量工藝過(guò)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。

25、完備的物料衡算后才能作出能量衡算。能量衡算有兩種類(lèi)型的問(wèn)題能量衡算有兩種類(lèi)型的問(wèn)題l一種是先對(duì)使用中的裝置或設(shè)備，實(shí)際測(cè)一種是先對(duì)使用中的裝置或設(shè)備，實(shí)際測(cè)定一些能量，通過(guò)衡算計(jì)算出另外一些難定一些能量，通過(guò)衡算計(jì)算出另外一些難以直接測(cè)定的能量，由此作出能量方面的以直接測(cè)定的能量，由此作出能量方面的評(píng)價(jià)，即由裝置或設(shè)備進(jìn)出口物料的量和評(píng)價(jià)，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(shí)，根據(jù)已另一種是在設(shè)計(jì)新裝置或設(shè)備時(shí)，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)

26、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(dòng)過(guò)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(guò)程絕熱過(guò)程 Q=0，動(dòng)、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(wú)作功過(guò)程無(wú)作功過(guò)程（多數(shù)化工操作過(guò)程） W=0，動(dòng)、位能差可忽略 H=Q 3）無(wú)功、熱傳遞過(guò)

27、程無(wú)功、熱傳遞過(guò)程 Q=0， W=0，動(dòng)、位能差可忽略 H=0（焓平衡）2、間歇過(guò)程 間歇過(guò)程（封閉體系）中，因體系與環(huán)境間沒(méi)有物質(zhì)交換，但有能量的交換。間歇過(guò)程無(wú)流動(dòng)功， （pv）=0則能量衡算式為: U+ Ek+ Ep=Q+W一般間歇操作，動(dòng)、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(shí)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(duì)有些化工過(guò)程如流體流動(dòng)過(guò)程流體流動(dòng)過(guò)程，此時(shí)傳熱量?jī)?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。化工原理中的流體流動(dòng)柏努力方程。2、更多化工過(guò)程中如反應(yīng)器、蒸餾塔、蒸發(fā)器、換熱器等中，功、動(dòng)能、位能

28、變化較之傳熱、內(nèi)能和焓的變化，是可以忽略。此時(shí)（無(wú)外功W=0）總能量衡算簡(jiǎn)化為熱量衡算?？偰芰亢馑愫?jiǎn)化為熱量衡算。 Q=H= H2 H1（敞開(kāi)體系） 或Q= U= U2 U1（封閉體系）由于實(shí)際應(yīng)用時(shí)，進(jìn)出設(shè)備的物料不止一個(gè)，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(guò)程的能量衡算指熱量衡算熱量衡算（無(wú)外功W=0）： Q=H= H2 H1（敞開(kāi)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(shí)間為基準(zhǔn)的物料流程圖（或平建立以單位時(shí)間為基準(zhǔn)的物料流程圖（或平衡表）。也可以衡表）。也可

29、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(gè)物料組分的焓值，等條件，并查出或計(jì)算出每個(gè)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(cè)、文）或其它溫度作為基

30、準(zhǔn)溫度。由于手冊(cè)、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(shí)的數(shù)據(jù)，故選時(shí)的數(shù)據(jù)，故選298K 為基準(zhǔn)溫度，計(jì)算比較方便。同時(shí)相態(tài)的確定為基準(zhǔn)溫度，計(jì)算比較方便。同時(shí)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(guò)程及物料組成較復(fù)雜時(shí)，可以列出熱量衡當(dāng)生產(chǎn)過(guò)程及物料組成較復(fù)雜時(shí)，可以列出熱量衡算表。算表。水蒸氣動(dòng)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

31、) =7.6710(5) kJ/min動(dòng)能占總能量的6.0210(3)/7.6110(5)=0.78%故本題可視為單純的熱量衡算。熱量衡算。一）無(wú)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的熱量衡算一）無(wú)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的熱量衡算 無(wú)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的能量衡算，一般指進(jìn)出過(guò)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(gè)過(guò)程H ，可以用假想的，由始態(tài)到終態(tài)幾個(gè)階段代替原過(guò)程，每一階段的Hi之和即為全過(guò)程的H 。 途經(jīng)各個(gè)階段的類(lèi)型有5種，即 ： 恒T 時(shí)P 的變化 恒P 時(shí)T 的變化 恒T 恒P時(shí)相態(tài) 的變化 兩物質(zhì)在恒T 恒P時(shí)混合和分離 恒T 恒P時(shí)的反應(yīng)過(guò)程前4種已學(xué)（無(wú)相變、有相變、混合熱等的計(jì)算）下面重點(diǎn)講

32、反應(yīng)過(guò)程的熱量衡算。二）有化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的熱量衡算二）有化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的熱量衡算 化學(xué)反應(yīng)過(guò)程也常伴隨有大量的熱效應(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(guò)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(guò)程進(jìn)行時(shí)只做膨脹功，則Hr就是恒壓熱，即 Qp=Hr注意：一定的Hr值是對(duì)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(shí)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(shí)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、固容積變化可忽略，則 Ur=Hr nRT 2、反應(yīng)熱的計(jì)算 反應(yīng)熱來(lái)源：實(shí)測(cè) 由已有數(shù)據(jù)估算（蓋斯定律）由標(biāo)準(zhǔn)生成熱由標(biāo)準(zhǔn)生成熱Hf計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)熱計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)熱Hr1）標(biāo)準(zhǔn)生成熱標(biāo)準(zhǔn)生成熱Hf 在1atm、25由穩(wěn)定的單質(zhì)生成1