物料衡算與能量衡算概論課件

第三章物料衡算與能量衡算0第三章物料衡算01化工過程及過程參數(shù)化工工藝流程物料衡算熱量衡算主要內(nèi)容化工過程及過程參數(shù)主要內(nèi)容2§3.1工藝過程及過程參數(shù)主要內(nèi)容包括：化工過程；化工工藝流程；化工過程開發(fā)；化工過程基本參數(shù)—溫度、壓力、流量、化學(xué)組成等基本概念?；び?jì)算主要是應(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。在進(jìn)行計(jì)算時(shí)，必須熟悉有關(guān)化工過程的一些術(shù)語及基礎(chǔ)知識(shí)?！?.1工藝過程及過程參數(shù)主要內(nèi)容包括：化工計(jì)算主要是應(yīng)用3§3.1工藝過程及過程參數(shù)§3.1.1化工過程化工過程：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。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、換熱器及輸送設(shè)備等等）組合而成。物料通過各設(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。化工過程單元操作反應(yīng)過程§3.1工藝過程及過程參數(shù)§3.1.1化工過程化工過程4§3.1工藝過程及過程參數(shù)§3.1.1化工過程化工過程單元操作：不改變物料的化學(xué)性質(zhì)，只改變物理性質(zhì)。如流體輸送、傳熱、蒸餾、干燥、蒸發(fā)、結(jié)晶、萃取、吸收、吸附、過濾和破碎等反應(yīng)過程：改變物料的化學(xué)性質(zhì)。如氫和氮合成氨的反應(yīng)；乙烯氧化成環(huán)氧乙烷的反應(yīng)。§3.1工藝過程及過程參數(shù)§3.1.1化工過程化工過程5§3.1工藝過程及過程參數(shù)§3.1.1化工過程化工設(shè)備所進(jìn)行的主要操作混合化學(xué)反應(yīng)是整個(gè)化工過程的核心。平衡收率反應(yīng)速度控制或減少副反應(yīng)分離或提純蒸餾結(jié)晶萃取改變溫度改變壓力§3.1工藝過程及過程參數(shù)§3.1.1化工過程化混合6§3.1工藝過程及過程參數(shù)§3.1.1化工過程發(fā)現(xiàn)一種新的化學(xué)反應(yīng)使之實(shí)施于生產(chǎn)或開發(fā)一個(gè)新的化工過程，從技術(shù)角度來考察，主要決定于下述三類因素：（3）機(jī)械設(shè)備、儀表及控制手段：（1）化學(xué)工藝因素：（2）化學(xué)工程因素：反應(yīng)體系本性、溫度、壓力、組成、催化劑等操作條件以及體系的反應(yīng)速度、轉(zhuǎn)化率、循環(huán)比等。體系的物性、相態(tài)、熱性質(zhì)、傳遞性質(zhì)、傳熱傳質(zhì)方式、物料（流體及固體）輸送、反應(yīng)技術(shù)、分離技術(shù)等。設(shè)備材料、制造、貯運(yùn)、安裝、維修、檢測、備品備件、正常操作及事故處理等?！?.1工藝過程及過程參數(shù)§3.1.1化工過程發(fā)現(xiàn)一種7§3.1工藝過程及過程參數(shù)§3.1.2化工過程化工過程常用流程圖來表示。所謂流程圖，就是把生產(chǎn)過程中物料經(jīng)過的設(shè)備按其形狀畫出示意圖，并畫出各設(shè)備之間的主要物料管線及其流向。簡化的流程圖可以用方框來表示設(shè)備或設(shè)備組，稱方框流程圖。在工藝流程設(shè)計(jì)中，還有其他類型的流程圖，如表明物料量的物料流程圖、以裝置為單元的裝置流程圖、以管線為主的管線流程圖以及帶測量儀表控制點(diǎn)的流程圖等?！?.1工藝過程及過程參數(shù)§3.1.2化工過程化工過程8§3.1工藝過程及過程參數(shù)§3.1.2化工過程§3.1工藝過程及過程參數(shù)§3.1.2化工過程9§3.1工藝過程及過程參數(shù)§3.1.3化工過程的開發(fā)化工過程開發(fā)是指一個(gè)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。化工過程開發(fā)，首先是決定于化學(xué)反應(yīng)的可能性、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、材料是否可行。當(dāng)然，最終取決于是否有經(jīng)濟(jì)效益?；み^程開發(fā)的第一步就是要設(shè)計(jì)一個(gè)流程圖。由于化學(xué)反應(yīng)或產(chǎn)物的分離可用不同的方法來完成，因此，設(shè)計(jì)流程時(shí)，必須選擇一個(gè)安全、可靠、經(jīng)濟(jì)效益高的最佳方案?！?.1工藝過程及過程參數(shù)§3.1.3化工過程的開發(fā)化10§3.1工藝過程及過程參數(shù)§3.1.3化工過程的開發(fā)實(shí)例：3H2＋N22NH3Fe高溫、高壓基本工藝步驟氣體的壓縮氣體的預(yù)熱和合成氨的分離未反應(yīng)氫、氮?dú)怏w的循環(huán)惰性氣體的排放§3.1工藝過程及過程參數(shù)§3.1.3化工過程的開發(fā)實(shí)11§3.2工藝基礎(chǔ)數(shù)據(jù)§3.2.1化工基礎(chǔ)數(shù)據(jù)種類在化工計(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)。(1)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。(2)熱力學(xué)物性數(shù)據(jù)—如內(nèi)能、焓、熵、熱容、相變熱、自由能、自由焓等。(3)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，化學(xué)平衡常數(shù)等。(4)傳遞參數(shù)—如粘度、擴(kuò)散系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)等?！?.2工藝基礎(chǔ)數(shù)據(jù)§3.2.1化工基礎(chǔ)數(shù)據(jù)種類在化工12§3.2工藝基礎(chǔ)數(shù)據(jù)§3.2.2化工基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源1、查手冊或文獻(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)，從表格或圖的形式表示。這些致?lián)蓮挠嘘P(guān)的化學(xué)化工類手冊或?qū)I(yè)性的化工手冊中查到。2、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)。3、用實(shí)驗(yàn)直接測定?！?.2工藝基礎(chǔ)數(shù)據(jù)§3.2.2化工基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源1、查13§3.2工藝基礎(chǔ)數(shù)據(jù)§3.2.2化工基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源外文中文§3.2工藝基礎(chǔ)數(shù)據(jù)§3.2.2化工基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源外文中14§3.3化工過程類型§3.3.1間歇操作、連續(xù)操作以及半連續(xù)操作

聞歇操作過程：原料在生產(chǎn)操作開始時(shí)一次加入，然后進(jìn)行反應(yīng)或其他操作，一直到操作完成后，物料一次排出，即為間歇操作過程。此過程的特點(diǎn)是在整個(gè)操作時(shí)間內(nèi)，再無物料進(jìn)出設(shè)備，設(shè)備中各部分的組成、條件隨時(shí)間而不斷變化。連續(xù)操作過程：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)操作過程。在整個(gè)操作期間，設(shè)備內(nèi)各部分組成與條件不隨時(shí)間而變化。半連續(xù)操作過程：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，而出料是一次或分批的。§3.3化工過程類型§3.3.1間歇操作、連續(xù)操作以及半15§3.3化工過程類型§3.3.2穩(wěn)定狀態(tài)操作和不穩(wěn)定狀態(tài)操作

1.穩(wěn)定狀態(tài)操作整個(gè)化工過程的操作條件（如溫度、壓力、物料量及組成等）如果不隨時(shí)間而變化，只是設(shè)備內(nèi)不同點(diǎn)有差別，這種過程稱為穩(wěn)定狀態(tài)操作過程，或稱穩(wěn)定過程。2.不穩(wěn)定狀態(tài)操作如果操作條件隨時(shí)間而不斷變化的，則稱為不穩(wěn)定狀態(tài)操作過程，或稱不穩(wěn)定過程。間歇過程及半連續(xù)過程是不穩(wěn)定狀態(tài)操作。連續(xù)過程在正常操作期間，操作條件比較穩(wěn)定，此時(shí)屬穩(wěn)定狀態(tài)操作多在開、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。0§3.3化工過程類型§3.3.2穩(wěn)定狀態(tài)操作和不穩(wěn)定狀態(tài)16§3.4物料衡算§3.4.1基本原理A.物料衡算的目的確定原材料的消耗定額，判斷是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求。確定各設(shè)備的輸入及輸出的物流量，摩爾分率組成及其他組成表示方法。作為熱量計(jì)算的依據(jù)。根據(jù)計(jì)算結(jié)果繪出物流圖，可進(jìn)行管路設(shè)計(jì)及材料選擇，儀表及自動(dòng)控制等0§3.4物料衡算§3.4.1基本原理A.物料衡算的17§3.4物料衡算§3.4.1基本原理B.物料衡算的依據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書中確定的技術(shù)方案、產(chǎn)品生產(chǎn)能力、年工作時(shí)間及操作方法。建設(shè)單位或研究單位所提供的要求、設(shè)計(jì)參數(shù)及試驗(yàn)室試驗(yàn)或中試等數(shù)據(jù)，主要有：化工單元過程的主要化學(xué)反應(yīng)方程式、反應(yīng)物配比、轉(zhuǎn)化率、選擇性、總收率、催化劑狀態(tài)及加入配比量、催化劑是否回收使用、安全性能（爆炸上下限）等。原料及產(chǎn)品的分離方式，各步的回收率，采用物料分離劑時(shí)，加入分離劑的配比。特殊化學(xué)品的物性，如沸點(diǎn)、熔點(diǎn)、飽和蒸汽壓、閃點(diǎn)等0§3.4物料衡算§3.4.1基本原理B.物料衡算的18§3.4物料衡算§3.4.1基本原理C.物料衡算的基準(zhǔn)時(shí)間基準(zhǔn)：連續(xù)生產(chǎn)：一段時(shí)間的投料量或生產(chǎn)產(chǎn)品量作為計(jì)算基準(zhǔn)；間歇生產(chǎn)：一釜或一批料的生產(chǎn)周期作為基準(zhǔn)例：年產(chǎn)300kt乙烯裝置，年操作時(shí)間為8000h，則每小時(shí)的平均產(chǎn)量為37.5t。年處理量為9000kt煉油廠，年操作時(shí)間為8000h，則每小時(shí)的平均產(chǎn)量為1125t。0§3.4物料衡算§3.4.1基本原理C.物料衡算的19§3.4物料衡算§3.4.1基本原理C.物料衡算的基準(zhǔn)質(zhì)量基準(zhǔn)：當(dāng)系統(tǒng)介質(zhì)為液、固相時(shí)，選擇一定質(zhì)量的原料或產(chǎn)品作為計(jì)算基準(zhǔn)如果原料或產(chǎn)品是單一化合物，或由已知組成百分?jǐn)?shù)和組分分子量的多組分組成，可用物質(zhì)的量作為計(jì)算基準(zhǔn)例：以石油、煤、礦石為原料的化工廠，可采用一定量的原料為基準(zhǔn)。1kg、1000kg、100t

以氮和氫為原料合成氨的工藝過程，可采用物質(zhì)的量為基準(zhǔn)。

0§3.4物料衡算§3.4.1基本原理C.物料衡算的20§3.4物料衡算§3.4.1基本原理C.物料衡算的基準(zhǔn)體積基準(zhǔn)：對氣體物料進(jìn)行衡算時(shí)選用體積基準(zhǔn)應(yīng)將實(shí)際情況下的體積換算為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積例：在化工生產(chǎn)過程中經(jīng)常使用的干空氣以及在合成氨中使用的原料煤氣和水煤氣就可以用體積為基準(zhǔn)

用m3（STP）表示0§3.4物料衡算§3.4.1基本原理C.物料衡算的21§3.4物料衡算§3.4.1基本原理C.物料衡算的基準(zhǔn)干濕基準(zhǔn)

生產(chǎn)中的物料，不論是氣態(tài)、液態(tài)還是固態(tài)，均含有一定量的水分，因而在選用基準(zhǔn)時(shí)就有算不算水分在內(nèi)的問題，不計(jì)算水分在內(nèi)的稱為干基，否則為濕基。例：通常水空氣中含氧21%，含氮79%，這是以干基計(jì)算的

如果把水蒸氣計(jì)算在內(nèi)，氧和氮的百分比就變了。

甲烷水蒸氣催化轉(zhuǎn)化制取氫氣，轉(zhuǎn)化爐的進(jìn)料量，以干基計(jì)算為7×103m3（STP)/h，如以濕基計(jì)算則可達(dá)到3×104m3（STP)/h濕基：化肥、農(nóng)藥等化工產(chǎn)品，尿素、甲醛、乙醇。干基：硝酸0§3.4物料衡算§3.4.1基本原理C.物料衡算的22§3.4物料衡算§3.4.1基本原理D.物料衡算的程序確定衡算的對象、體系與環(huán)境，并畫出計(jì)算對象的草圖體系輸入物料輸出物料整個(gè)生產(chǎn)流程操作單元過程中的部分工段或工序某一設(shè)備§3.4物料衡算§3.4.1基本原理D.物料衡算的23§3.4物料衡算§3.4.1基本原理D.物料衡算的程序確定計(jì)算任務(wù)，明確哪些是已知項(xiàng)，哪些是待求項(xiàng)，選擇適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)公式，力求計(jì)算方法簡便。確定過程所涉及的組分。對物流流股進(jìn)行編號(hào)，并注明物料變量收集數(shù)據(jù)資料：設(shè)計(jì)任務(wù)書中已知條件；物理化學(xué)參數(shù)生產(chǎn)規(guī)模和生產(chǎn)時(shí)間有關(guān)定額和技術(shù)指標(biāo)原輔材料、產(chǎn)品、中間產(chǎn)品的規(guī)格與過程有關(guān)的物理化學(xué)參數(shù)§3.4物料衡算§3.4.1基本原理D.物料衡算的24§3.4物料衡算§3.4.1基本原理D.物料衡算的程序列出物料衡算方程：依據(jù)是質(zhì)量守恒定律進(jìn)入過程單元的物料量Fi流出過程單元的物料量F0在過程單元內(nèi)生成的物料量Dp在過程單元內(nèi)消耗的物料量Dr——＋過程單元內(nèi)積累的物料量W＝（Fi-F0）＋（Dp-Dr）＝Wa)穩(wěn)定有反應(yīng)操作過程：（Fi-F0）＋（Dp-Dr）＝0

b)不穩(wěn)定無反應(yīng)操作過程：（Fi-F0）＝Wc)穩(wěn)定無反應(yīng)操作過程：（Fi-F0）＝0§3.4物料衡算§3.4.1基本原理D.物料衡算的25§3.4物料衡算§3.4.1基本原理D.物料衡算的程序列出過程的全部獨(dú)立的物料衡算方程式及其他相關(guān)約束式，化學(xué)反應(yīng)方程式，明確反應(yīng)前后物料組成和各個(gè)組分之間的定量關(guān)系、轉(zhuǎn)化率、選擇性選擇計(jì)算基準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)變量個(gè)數(shù)與方程個(gè)數(shù)，確定設(shè)計(jì)變量的個(gè)數(shù)及全部設(shè)計(jì)變量Nv

＝Ns(Nc＋1)＋NpNv－系統(tǒng)的總變量；Ns－物流中的組分?jǐn)?shù)；Nc－物流的股數(shù)；

Np－設(shè)備參數(shù)Nd

＝Nv

－NeNd－設(shè)計(jì)變量數(shù)；Ne－獨(dú)立方程數(shù)；§3.4物料衡算§3.4.1基本原理D.物料衡算的26§3.4物料衡算§3.4.1基本原理D.物料衡算的程序整理計(jì)算結(jié)果，并根據(jù)需要列成原材料消耗表繪制物料流程圖序號(hào)原料名稱單位規(guī)格成品消耗定額（單耗）每小時(shí)消耗量每年消耗量1尿素t含氨量≥46.3%2.31.75108002液氨t99.5%0.20.14710703催化劑t0.01604道生kg工業(yè)級(jí)0.2251.355氮?dú)鈓3(STP)99.5%3630m3/h21.6×1046熔鹽kg工業(yè)級(jí)0.321.97燃料油t0.8150.6649108包裝袋套450×8004033.3240×103原材料消耗一覽表（三聚氰氨）§3.4物料衡算§3.4.1基本原理D.物料衡算的27§3.5物料衡算舉例§3.5.1無反應(yīng)過程的物料衡算[例3-1]某化工廠要求設(shè)計(jì)一套從氣體中回收丙酮的裝置系統(tǒng)，并計(jì)算回收丙酮的費(fèi)用。系統(tǒng)的流程框圖如圖所示，要求有已知的資料，列出各物流的流率（kg/h），以便能確定設(shè)備的大小，并計(jì)算蒸餾塔的進(jìn)料組分。吸收塔蒸餾塔冷凝器水F11200kg/h混合氣體F21.5(mol)%丙酮空氣F3產(chǎn)品F4丙酮99%,水1%廢料F5：丙酮5%，水95%§3.5物料衡算舉例§3.5.1無反應(yīng)過程的物料衡算[28§3.5物料衡算舉例§3.5.1無反應(yīng)過程的物料衡算分析：本系統(tǒng)包括三個(gè)單元：吸收塔、蒸餾塔和冷凝器。除混合氣體外均以質(zhì)量分?jǐn)?shù)表示，所以及其換算成質(zhì)量分?jǐn)?shù)。進(jìn)入系統(tǒng)物流兩個(gè)，離開三個(gè)，已知項(xiàng)一個(gè)，因此未知項(xiàng)有四個(gè)。組成kmolkg質(zhì)量,(mol)%丙酮1.5872.95空氣98.5286097.05總計(jì)1002947100.00以100kmol為基準(zhǔn)總物料平衡式：1200＋F2＝F3

＋F4

＋F5丙酮：0.0295F2

＝0.99F4

＋0.05F5水：1200＝0.01F4

＋0.95F5空氣：0.9705F2

＝F3結(jié)論：只有3個(gè)獨(dú)立方程，不能求解，應(yīng)補(bǔ)充數(shù)據(jù)：每小時(shí)進(jìn)入系統(tǒng)的氣體混合物、離開系統(tǒng)的產(chǎn)品或廢液的物流量進(jìn)入蒸餾塔的組分§3.5物料衡算舉例§3.5.1無反應(yīng)過程的物料衡算分29§3.5物料衡算舉例§3.5.1無反應(yīng)過程的物料衡算例:一種廢酸，組成為23％(質(zhì)量％)HNO3，57％H2SO4和20％H2O，加入93％的濃H2SO4及90％的濃HNO3，要求混合成27％HNO3及60％H2SO4的混合酸，計(jì)算所需廢酸及加入濃酸的數(shù)量。解：設(shè)

x——廢酸量，kg；

y——濃H2SO4量，kg；

z——濃HNO3量；kg(1)畫物料流程簡圖§3.5物料衡算舉例§3.5.1無反應(yīng)過程的物料衡算例30§3.5物料衡算舉例§3.5.1無反應(yīng)過程的物料衡算(2)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。(3)列物料衡算式，該體系有3種組分，可以列出3個(gè)獨(dú)立方程，所以能求出3個(gè)未知量基準(zhǔn)：100kg混合酸總物料衡算式

x+y+z=100

(1)H2SO4的衡算式

0.57x+0.93y=100×0.6=60

(2)HNO3的衡算式

0.23x+0.90z=100×0.27=27

(3)§3.5物料衡算舉例§3.5.1無反應(yīng)過程的物料衡算(31§3.5物料衡算舉例§3.5.1無反應(yīng)過程的物料衡算解(1)，(2)，(3)方程，得x=41.8kg廢酸

y=39kg濃H2SO4

z=19.2kg濃HNO3即由41.8kg廢酸、39kg濃H2SO4和19.2kg濃HNO3可以混合成100kg混合酸。根據(jù)水平衡，可以核對以上結(jié)果：加入的水量=41.8×0.2+39×0.07+19.2×0.10=13kg混合后的酸，含13％H2O，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H2O與HNO3二個(gè)衡算式或H2SO4、HNO3和H2O三個(gè)組分衡算式進(jìn)行計(jì)算，均可以求得上述結(jié)果?！?.5物料衡算舉例§3.5.1無反應(yīng)過程的物料衡算解32§3.5物料衡算舉例§3.5.1無反應(yīng)過程的物料衡算例:有兩個(gè)蒸餾塔的分離裝置，將含50%苯、30%甲苯和20%（mol%）二甲苯的混合物分成較純的三個(gè)餾分，其流程圖及各流股組成如圖。計(jì)算蒸餾1000mol/h原料所得個(gè)流股的量及進(jìn)塔II物料的組分。§3.5物料衡算舉例§3.5.1無反應(yīng)過程的物料衡算例33§3.5物料衡算舉例§3.5.1無反應(yīng)過程的物料衡算解:設(shè)S2、S3、S4、S5表示各流股物料量，mol/hx3B、x3T表示流股3種苯、甲苯的組成。體系A(chǔ)（塔I）：總物料1000＝S2

＋S3(1)

苯1000×0.5＝0.95S2

＋x3BS3(2)甲苯1000×0.3＝0.03S2

＋x3TS3(3)體系B（塔II）：總物料S3

＝S4

＋S5(4)

苯x3BS3

＝0.03S4

＋0.0045S5(5)甲苯x3TS3

＝0.95S4

＋0.43S5(6)體系C（整個(gè)過程）：總物料1000＝S2

＋S4

＋S5(7)

苯1000×0.5＝0.95S2＋0.03S4

＋0.0045S5(8)甲苯1000×0.3＝0.03S2

＋0.95S4

＋0.43S5(9)§3.5物料衡算舉例§3.5.1無反應(yīng)過程的物料衡算解34§3.5物料衡算舉例§3.5.1無反應(yīng)過程的物料衡算解:由(7)、(8)、(9)三式解得S2＝520mol/hS4＝150mol/hS5＝330mol/h再任選一組體系A(chǔ)或B的衡算方程，可解得：S3＝480mol/hx3B

＝0.0125x3T

＝0.5925x3x

＝0.395§3.5物料衡算舉例§3.5.1無反應(yīng)過程的物料衡算解35§3.5物料衡算舉例§3.5.2有反應(yīng)過程的物料衡算有化學(xué)反應(yīng)的過程，物料中的組分比較復(fù)雜，物料衡算比無化學(xué)反應(yīng)過程的計(jì)算復(fù)雜，化學(xué)反應(yīng)過程物料衡算的方法有：直接計(jì)算法利用反應(yīng)速率進(jìn)行物料衡算元素平衡以化學(xué)平衡進(jìn)行衡算以結(jié)點(diǎn)進(jìn)行衡算利用聯(lián)系組分進(jìn)行衡算§3.5物料衡算舉例§3.5.2有反應(yīng)過程的物料衡算36§3.5物料衡算舉例§3.5.2有反應(yīng)過程的物料衡算反應(yīng)轉(zhuǎn)化率、選擇性及收率等概念1、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。2、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)。若以從表示過量反應(yīng)物的摩爾數(shù)，Nt表示與限制反應(yīng)物完全反應(yīng)所需的摩爾數(shù)，則過量百分?jǐn)?shù)即為§3.5物料衡算舉例§3.5.2有反應(yīng)過程的物料衡算反37§3.5物料衡算舉例§3.5.2有反應(yīng)過程的物料衡算反應(yīng)轉(zhuǎn)化率、選擇性及收率等概念4、轉(zhuǎn)化率（以x表示）：某一反應(yīng)物反應(yīng)掉的量占其輸入量的百分?jǐn)?shù)。若以NA1、NA2分別表示反應(yīng)物A輸入及輸出體系的摩爾數(shù)，則反應(yīng)物A的轉(zhuǎn)化率一個(gè)化學(xué)反應(yīng)，由不同反應(yīng)物可計(jì)算得到不同的轉(zhuǎn)化率。因此，應(yīng)用時(shí)必須指明某個(gè)反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率。若沒有指明時(shí)，則往往是指限制反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率?！?.5物料衡算舉例§3.5.2有反應(yīng)過程的物料衡算反38§3.5物料衡算舉例§3.5.2有反應(yīng)過程的物料衡算反應(yīng)轉(zhuǎn)化率、選擇性及收率等概念5、選擇性（以S表示）：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)。若反應(yīng)物為A，生成的目的產(chǎn)物為D，ND表示生成的目的產(chǎn)物D的摩爾數(shù)，a、d分別為反應(yīng)物A與目的產(chǎn)物D的化學(xué)計(jì)量系數(shù)，則選擇性為式中NA1－NA2為反應(yīng)物A反應(yīng)掉的摩爾數(shù)。轉(zhuǎn)化率與選擇性是反應(yīng)過程的兩個(gè)主要技術(shù)指標(biāo)?！?.5物料衡算舉例§3.5.2有反應(yīng)過程的物料衡算反39§3.5物料衡算舉例§3.5.2有反應(yīng)過程的物料衡算反應(yīng)轉(zhuǎn)化率、選擇性及收率等概念6、收率（以Y表示）：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。若以摩爾數(shù)計(jì)算，考慮化學(xué)計(jì)量系數(shù)，則目的產(chǎn)物D的收率為轉(zhuǎn)化率、選擇性與收率三者之間的關(guān)系為Y=S·x§3.5物料衡算舉例§3.5.2有反應(yīng)過程的物料衡算反40§3.5物料衡算舉例§3.5.2有反應(yīng)過程的物料衡算[例3-2]作年產(chǎn)300t對-硝基乙苯工段物料衡算，原料乙苯純度95%，硝化混酸為：HNO332%，H2SO456%，H2O12%。粗乙苯與混酸質(zhì)量比1:1.855。對硝基乙苯收率50%，硝化產(chǎn)物為硝基乙苯的混合物，其比例：對：鄰：間＝0.5:0.44:0.06。配制混酸所用的原料：H2SO4

93%，HNO396%及H2O，年工作日300天，假設(shè)轉(zhuǎn)化率為100%，間歇生產(chǎn)。解：（1）畫出流程示意圖，確定計(jì)算范圍。配酸硝化分離H2SO4,

93%HNO3,96%H2O乙苯,95%廢酸硝化物§3.5物料衡算舉例§3.5.2有反應(yīng)過程的物料衡算[41§3.5物料衡算舉例§3.5.2有反應(yīng)過程的物料衡算解：（2）原料乙苯量基準(zhǔn)：間歇生產(chǎn)，以每天生產(chǎn)的kg數(shù)為基準(zhǔn)C2H5＋HNO3H2SO4,H2OC2H5C2H5C2H5＋H2ONO2NO2NO2G1G2G3G4G5

M:106.1763151.1718.02§3.5物料衡算舉例§3.5.2有反應(yīng)過程的物料衡算解42§3.5物料衡算舉例§3.5.2有反應(yīng)過程的物料衡算解：（2）原料乙苯量對-硝基乙苯：G3＝300×1000/300＝1000kg乙苯量：G1＝1000×106.17/(151.17×0.5)＝1404.6kg原料乙苯量：1404.6/0.95＝1478.6kg雜質(zhì)量：1478.6-1404.6＝74kg§3.5物料衡算舉例§3.5.2有反應(yīng)過程的物料衡算解43§3.5物料衡算舉例§3.5.2有反應(yīng)過程的物料衡算解：（3）配酸量及水量混酸量：1478.6×1.855＝2742.8kg純HNO3量：2742.8×0.32＝877.7kg96%HNO3量：877.7

/0.96＝914.3kg純H2SO4量：2742.8×0.56＝1536.0kg

93%H2SO4量：1536.0

/0.93＝1651.6kg

加水量：2742.8-914.3-1651.6＝176.9kg

§3.5物料衡算舉例§3.5.2有反應(yīng)過程的物料衡算解44§3.5物料衡算舉例§3.5.2有反應(yīng)過程的物料衡算解：（4）硝化已知轉(zhuǎn)化率為100%，G3：G4：G5＝0.5：0.44：0.06硝化物產(chǎn)量：1404.6×151.17/106.17＝1999.9kg其中硝基乙苯：對位：1999.9

×0.5＝1000.0kg鄰位：1999.9

×0.44＝880.0kg間位：1999.9

×0.06＝120.0kg§3.5物料衡算舉例§3.5.2有反應(yīng)過程的物料衡算解45§3.5物料衡算舉例§3.5.2有反應(yīng)過程的物料衡算解：（5）廢酸量HNO3消耗量：1404.6×63/106.17＝833.5kg水生成量：1404.6×18.02/106.17＝238.4kg廢酸中HNO3量：877.7-833.5＝44.2kg

H2SO4量：1536.0kg

H2O量：329.1＋238.4＝567.5kg廢酸總量：44.2＋1536

＋567.5＝2147.7kg廢酸組成：HNO32.06%，H2SO471.52%，H2O26.42%§3.5物料衡算舉例§3.5.2有反應(yīng)過程的物料衡算解46§3.5物料衡算舉例§3.5.2有反應(yīng)過程的物料衡算解：物料衡算表輸入輸出組分質(zhì)量，kg/d組分質(zhì)量，kg/dHNO3877.7HNO344.2H2SO41536H2SO41536H2O329.1H2O567.5C6H5-C2H51404.6C6H5-C2H5對-硝基乙苯鄰-硝基乙苯間-硝基乙苯1000880120雜質(zhì)74雜質(zhì)74合計(jì)4221.4合計(jì)4221.4§3.5物料衡算舉例§3.5.2有反應(yīng)過程的物料衡算解47§3.5物料衡算舉例§3.5.2有反應(yīng)過程的物料衡算[例3-3]工業(yè)上，合成氨原料氣中的CO通過變換反應(yīng)器而除去，如圖所示。在反應(yīng)器1中大部分轉(zhuǎn)化，在反應(yīng)器2中完全脫去。原料氣是由發(fā)生爐煤氣（78%N2，20%CO，2%CO2）和水煤氣（50%H2，50%CO）混合而成的半水煤氣。在反應(yīng)器中與水蒸氣發(fā)生反應(yīng)：CO＋H2OCO2＋H2N278%,CO20%CO22%,F1H250%,CO50%,F2反應(yīng)器1反應(yīng)器2H2O,F3F4N2,H2，H2OCO，CO2

F5N2,H2,H2O,CO2

最后得到物流中H2與N2之比為3：1，假定水蒸氣流率是原料氣總量（干基）的兩倍，同時(shí)反應(yīng)器1中CO的轉(zhuǎn)化率為80%，試計(jì)算中間物流（4）的組成。§3.5物料衡算舉例§3.5.2有反應(yīng)過程的物料衡算[48§3.5物料衡算舉例§3.5.2有反應(yīng)過程的物料衡算解：基準(zhǔn)：物流1為100mol/h；正反應(yīng)的速率為r（mol/h）（1）過程先由總單元過程摩爾衡算式進(jìn)行計(jì)算，總衡算式為：N2平衡： F5,N2

＝0.78×100＝78mol/h

CO平衡： F5,CO＝0.2×100＋0.5F2－rH2O平衡： F5,H2O＝F3－rCO2平衡： F5,CO2

＝0.02×100＋rH2平衡： F5,H2＝0.5F2＋

r§3.5物料衡算舉例§3.5.2有反應(yīng)過程的物料衡算解49§3.5物料衡算舉例§3.5.2有反應(yīng)過程的物料衡算解：已知H2與N2之比為3：1F5,H2

＝3F5,N2

＝3×78＝234mol/h原料氣（干基）與水蒸氣之比1：2F3

＝2（F1＋F2

）將H2和CO平衡式相加，消去r，得：

F2

＝234－20＝214mol/h將F2值代入CO平衡式中，得：

r總＝20＋107＝127mol/hF3

＝2×（100+214）＝628mol/h最后，由CO2和H2O平衡式得：F5,CO2

＝0.02×100＋127＝129mol/hF5,H2O＝628-127＝501mol/h§3.5物料衡算舉例§3.5.2有反應(yīng)過程的物料衡算解50§3.5物料衡算舉例§3.5.2有反應(yīng)過程的物料衡算解：（2）計(jì)算反應(yīng)器1的反應(yīng)速率，然后計(jì)算物流4的組成，：r1＝Fi,輸入×xi式中xi為i物質(zhì)的轉(zhuǎn)化率。已知反應(yīng)器1中CO轉(zhuǎn)化率為0.80，由此得反應(yīng)器1的反應(yīng)速率：r1＝Fi,輸入×xi＝（0.2×100＋0.5×214）×

0.8＝101.6mol/h物流4中每一物質(zhì)分別為：N2平衡F4,N2

＝0.78×100＝78mol/hCO平衡F4,CO

＝127-r1＝25.4mol/hH2O平衡F4,H2O

＝628-r1＝526.4mol/hCO2平衡F4,CO2

＝2＋r1＝103.6mol/hH2平衡F4,H2

＝107＋r1＝208.6mol/h物流4的組成（摩爾分率）N20.083CO0.027H2O0.559CO20.110H20.221§3.5物料衡算舉例§3.5.2有反應(yīng)過程的物料衡算解51§3.5物料衡算舉例§3.5.3帶循環(huán)和旁路過程的物料衡算在化工過程中，有一些具有循環(huán)、排放及旁路的過程，這類過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量選擇合適的衡算體系，列出物料衡算式再求解。如果存在聯(lián)系組分，則可以利用聯(lián)系組分計(jì)算。MF＝F＋RRP＝P＋R反應(yīng)器分離器新鮮原料FMFRP產(chǎn)品P循環(huán)物料R有循環(huán)過程的物料流程圖§3.5物料衡算舉例§3.5.3帶循環(huán)和旁路過程的物料52§3.5物料衡算舉例§3.5.3帶循環(huán)和旁路過程的物料衡算有循環(huán)的過程，轉(zhuǎn)化率常分為單程轉(zhuǎn)化率與總轉(zhuǎn)化率：——反應(yīng)物A輸入、輸出反應(yīng)器的摩爾數(shù)——反應(yīng)物A輸入、輸出過程的摩爾數(shù)反應(yīng)器整個(gè)過程§3.5物料衡算舉例§3.5.3帶循環(huán)和旁路過程的物料53§3.5物料衡算舉例§3.5.3具有循環(huán)及排放過程的物料衡算具有循環(huán)及排放過程的物料流程圖：W—排放物料S—分離產(chǎn)物R/W—循環(huán)比每個(gè)平衡體系各物料之間關(guān)系：總物料F＝P＋W反應(yīng)器MF＝RP分離器RP＝P＋S節(jié)點(diǎn)AMF＝F＋R節(jié)點(diǎn)BS＝R＋W§3.5物料衡算舉例§3.5.3具有循環(huán)及排放過程的物54§3.5物料衡算舉例§3.5.3帶循環(huán)和旁路過程的物料衡算在不知道循環(huán)量的情況下，可采用以下兩種計(jì)算:（1）試差法：估計(jì)循環(huán)流量，并繼續(xù)計(jì)算至循環(huán)回流的那一點(diǎn)，將估計(jì)值與計(jì)算值進(jìn)行比較，并重新假設(shè)一個(gè)估計(jì)值，一直計(jì)算到估計(jì)值與計(jì)算值之差在一定的誤差范圍內(nèi)。（2）代數(shù)解法在循環(huán)存在時(shí)，列出物料平衡方程式，并求解。一般方程式中以循環(huán)流量作為未知數(shù)，應(yīng)用聯(lián)立方程的方法進(jìn)行求解?！?.5物料衡算舉例§3.5.3帶循環(huán)和旁路過程的物料55§3.5物料衡算舉例§3.5.3帶循環(huán)和旁路過程的物料衡算[例3-4]K2CrO4從水溶液重結(jié)晶處理工藝是將每小時(shí)4500mol含33.33%(mol)的K2CrO4新鮮溶液和另一股含36.36%(mol)K2CrO4的循環(huán)液合并加入至一臺(tái)蒸發(fā)器中，蒸發(fā)溫度為120℃，用0.3MPa的蒸汽加熱。從蒸發(fā)器放出的濃縮料液含49.4%(mol)K2CrO4進(jìn)入結(jié)晶槽，在結(jié)晶槽被冷卻至40℃，用冷卻水冷卻（冷卻水進(jìn)出口溫差5℃)。然后過濾，獲得含K2CrO4結(jié)晶的濾餅和36.36%(mol)K2CrO4的濾液(這部分濾液即為循環(huán)液)，濾餅中的K2CrO4占濾餅總物質(zhì)的量的95%。K2CrO4的分子量為195。試計(jì)算：（1）蒸發(fā)器中蒸發(fā)出水的量（2）K2CrO4結(jié)晶的產(chǎn)率（3）循環(huán)液(mol)/新鮮液(mol)的比率（4）蒸發(fā)器和結(jié)晶器的投料比(mol)§3.5物料衡算舉例§3.5.3帶循環(huán)和旁路過程的物料56§3.5物料衡算舉例§3.5.3帶循環(huán)和旁路過程的物料衡算解：（1）先畫出流程框圖，并將流股編號(hào)蒸發(fā)過程蒸發(fā)過程F1F2F3F4F5F6系統(tǒng)1系統(tǒng)2系統(tǒng)3F1—進(jìn)入蒸發(fā)器的新鮮物料量（mol/h）F2—進(jìn)入蒸發(fā)器的循環(huán)物料量即濾液量（mol/h）F3—新鮮液和循環(huán)液混合后的物料量（mol/h）F4—進(jìn)入蒸發(fā)器的新鮮物料量（mol/h）F5—出蒸發(fā)器的物料量（mol/h）F6—蒸發(fā)器蒸發(fā)出的水量（mol/h）PC—結(jié)晶過濾后濾餅中K2CrO4的物質(zhì)量（mol/h）PS—進(jìn)入蒸發(fā)器的新鮮物料量（mol/h）x3—新鮮液和循環(huán)液混合后的K2CrO4組成（mol/h）§3.5物料衡算舉例§3.5.3帶循環(huán)和旁路過程的物料57§3.5物料衡算舉例§3.5.3帶循環(huán)和旁路過程的物料衡算解：（2）基準(zhǔn)：4500mol/h新鮮原料

濾餅中溶液和結(jié)晶固體之間存在如下關(guān)系：Ps＝0.05（Ps＋Pc）

Ps＝0.05263Pc

（1）對系統(tǒng)1中的平衡：

0.3333×F1

＝Pc＋0.3636Ps（2）

（1）、（2）聯(lián)立得：Pc＝1472molK2CrO4/hPs＝77.5mol溶液/h§3.5物料衡算舉例§3.5.3帶循環(huán)和旁路過程的物料58§3.5物料衡算舉例§3.5.3帶循環(huán)和旁路過程的物料衡算解：對系統(tǒng)1中H2O物料平衡：

F1（1－0.3333）＝F6＋F5×0.05×（1-0.3636）

4500×0.6667＝F6＋（Pc＋Ps）×0.05×0.63643000＝F6＋1549.5×0.05×0.6364＝F6＋49.2F6＝2950.8mol/h

系統(tǒng)2（結(jié)晶過濾）的總物料平衡：F4

＝F2＋Pc＋PsF4

＝F2＋1549.5

結(jié)晶器中水平衡：F4(1－0.494)＝(F2＋1549.50.05)

×

(1－0.3636)F2

＝5634.6mol/hF4＝7184mol/h§3.5物料衡算舉例§3.5.3帶循環(huán)和旁路過程的物料59§3.5物料衡算舉例§3.5.3帶循環(huán)和旁路過程的物料衡算解：循環(huán)液/新鮮料液：

5634.6/4500＝1.25最后，對系統(tǒng)3或蒸發(fā)器進(jìn)行物料衡算求F3：F3

＝F2＋F2＝

4500

＋5634.6＝10134.6mol/h

由蒸發(fā)器的物料平衡可校核F3：

設(shè)計(jì)的蒸發(fā)器與結(jié)晶槽的投料比為：F3

/F4＝10134.6/7184＝1.41§3.5物料衡算舉例§3.5.3帶循環(huán)和旁路過程的物料60§3.6能量衡算§3.6.3能量衡算在化工生產(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)備設(shè)計(jì)、操作制度是否先進(jìn)合理的主要指標(biāo)之一。能量衡算有兩種類型的問題，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)算出另外一些難以直接測定的能量，由此作出能量方面的評價(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)備的能量利用情況；另一類是在設(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或溫度，和需要加入或移出的熱量。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?！?.6能量衡算§3.6.3能量衡算61§3.6能量衡算§3.6.3能量衡算§3.6.3.1

能量衡算的基本概念一、能量的形式動(dòng)能（Ek）:

運(yùn)動(dòng)著的流體具有動(dòng)能；位能（EP）:

物體自某一基準(zhǔn)面移高到一定距離，由于這種位移而具有的能量。靜壓能（Ez）:流體由于一定的靜壓強(qiáng)而具有的能量。內(nèi)能（U）:

內(nèi)能是指物體除了宏觀的動(dòng)能和位能外所具有的能量?！?.6能量衡算§3.6.3能量衡算§3.6.3.162§3.6能量衡算§3.6.3能量衡算§3.6.3.1

能量衡算的基本概念二、幾個(gè)與能量衡算有關(guān)的重要物理量1、熱量（Q）溫度不同的兩物體相接觸或靠近，熱量從熱（溫度高）的物體向冷（溫度低）的物體流動(dòng)，這種由于溫度差而引起交換的能量，稱為熱量。第一，熱量是一種能量的形式，是傳遞過程中的能量形式；第二，一定要有溫度差或溫度梯度，才會(huì)有熱量的傳遞。§3.6能量衡算§3.6.3能量衡算§3.6.3.163§3.6能量衡算§3.6.3能量衡算§3.6.3.1

能量衡算的基本概念二、幾個(gè)與能量衡算有關(guān)的重要物理量2、功（W）

功是力與位移的乘積。在化工中常見的有體積功（體系體積變化時(shí)，由于反抗外力作用而與環(huán)境交換的功）、流動(dòng)功（物系在流動(dòng)過程中為推動(dòng)流體流動(dòng)所需的功）以及旋轉(zhuǎn)軸的機(jī)械功等。以環(huán)境向體系作功為正、反之為負(fù)。功和熱量都是能量傳遞的兩種不同形式，它們不是物系的性質(zhì)，因此不能說體系內(nèi)或某物體有多少熱量或功。功和熱量的單位在SI制中為焦耳，除此以外，公制中的卡或千卡、英制中的英熱單位(Btu)還常有使用，應(yīng)注意它們之間的換算關(guān)系?！?.6能量衡算§3.6.3能量衡算§3.6.3.164§3.6能量衡算§3.6.3能量衡算二、幾個(gè)與能量衡算有關(guān)的重要物理量3、焓(H)

H＝U＋PV對于純物質(zhì)，焓可表示成溫度和壓力的函數(shù)：

H=H(T，P)對H全微分：

因此焓差可表示成：Cp很小§3.6能量衡算§3.6.3能量衡算二、幾個(gè)與能量衡65§3.6能量衡算§3.6.3能量衡算二、幾個(gè)與能量衡算有關(guān)的重要物理量4、熱容熱容是一定量的物質(zhì)改變一定的溫度所需要的熱量，可以看作是溫度差?T和引起溫度變化的熱量Q之間的比例常數(shù)，即Q＝mC?T§3.6能量衡算§3.6.3能量衡算二、幾個(gè)與能量衡66§3.6能量衡算§3.6.3能量衡算§3.6.3.2能量衡算的基本原理A、能量衡算的基本方程式

根據(jù)能量守恒原理，能量衡算的基本方法可表示為：

輸入的能量—輸出的能量＝積累的能量

根據(jù)熱力學(xué)第一定律，能量衡算方程式的一般形式為：△E＝Q＋W△E—體系總能量變化Q—體系從環(huán)境中吸收的能量W—環(huán)境對體系所作的功§3.6能量衡算§3.6.3能量衡算§3.6.3.267§3.6能量衡算§3.6.3能量衡算§3.6.3.2能量衡算的基本原理在無外功條件下，進(jìn)入系統(tǒng)加熱能與離開系統(tǒng)的熱能平衡：∑Q進(jìn)＝∑Q出Q1＋Q2

＋Q3

＝Q4＋Q5＋Q6Q1—物料帶到設(shè)備中去的熱量（kJ）Q2—由加熱劑（冷卻劑）傳給設(shè)備的熱量或加熱與冷卻物料所需熱量。輸入（加熱）為正；輸出（冷卻）為負(fù)Q3—過程的熱效應(yīng)；放熱為負(fù)；吸熱為正

Q4—反應(yīng)產(chǎn)物由設(shè)備中帶出的熱量

Q5—消耗在加熱設(shè)備各個(gè)部件上的熱量

Q6—設(shè)備向四周散失的熱量§3.6能量衡算§3.6.3能量衡算§3.6.3.268§3.6能量衡算§3.6.3能量衡算§3.6.3.2能量衡算的基本原理B.熱量計(jì)算中各種熱量的說明（1）計(jì)算基準(zhǔn)，可取任何溫度，如有反應(yīng)過程，一般取25℃（2）物料的顯熱可用焓值或比熱容進(jìn)行計(jì)算n—物料量（mol）Cp—物料的比熱容(kJ/mol·

℃)，Cp＝a＋bT＋cT2

＋dT3

＋eT4T—溫度（℃），T2為物料溫度；T1為基準(zhǔn)溫度§3.6能量衡算§3.6.3能量衡算§3.6.3.269§3.6能量衡算§3.6.3能量衡算§3.6.3.2能量衡算的基本原理B.熱量計(jì)算中各種熱量的說明（3）Q2熱負(fù)荷的計(jì)算，Q2等于正值為需要加熱，Q2等于負(fù)值為需要冷卻。（4）Q3為化工過程的熱效應(yīng)，包括過程的狀態(tài)熱（相變化產(chǎn)生的熱）和化學(xué)反應(yīng)熱。

相變化一般可由手冊查閱，無法查閱的汽化熱可由特魯頓法則估算；反應(yīng)熱由生成熱和燃燒熱計(jì)算§3.6能量衡算§3.6.3能量衡算§3.6.3.270§3.6能量衡算§3.6.3能量衡算§3.6.3.2能量衡算的基本原理B.熱量計(jì)算中各種熱量的說明（5）設(shè)備加熱所需熱量Q5在穩(wěn)定操作過程中不出現(xiàn)；但在開停工以及間歇操作的升溫降溫階段也有設(shè)備的升溫降溫?zé)岙a(chǎn)生：

Q5

＝∑GCp(t2-t1)G—設(shè)備各部件的重量（kg）Cp—設(shè)備各部件比熱容（kJ/kg·℃）t2—設(shè)備各部件加熱后溫度（℃）（th＋te）/2t1—設(shè)備各部件加熱前溫度室溫§3.6能量衡算§3.6.3能量衡算§3.6.3.271§3.6能量衡算§3.6.3能量衡算§3.6.3.2能量衡算的基本原理B.熱量計(jì)算中各種熱量的說明（6）設(shè)備向四周散失的熱量Q6可由下式算得：

Q6

＝∑FaT(tw-t)t×10-3

F—設(shè)備散熱表面積（m3）

aT—散熱表面向四周介質(zhì)的聯(lián)合給熱系數(shù)（W/·m3

℃）

tw

—散熱表面的溫度，有隔熱層時(shí)為絕熱層外表溫度（℃）

t—周圍介質(zhì)溫度

t—散熱持續(xù)時(shí)間（s）1）絕熱層外空氣自然對流當(dāng)tw＜150℃時(shí)平壁隔熱：aT＝3.4＋0.06(tw-t)管和圓筒：aT＝8.1－0.045(tw-t)2）空氣沿粗糙面強(qiáng)制對流u≤5m/s時(shí)：aT＝5.3＋3.6uU＞5m/s時(shí)：aT＝6.7u0.78§3.6能量衡算§3.6.3能量衡算§3.6.3.272§3.6能量衡算§3.6.3能量衡算§3.6.3.2能量衡算的基本原理C.熱量衡算的基本方法及步驟熱量衡算的基本步驟：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100mol或100kmol原料為基準(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)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。選擇基準(zhǔn)列出熱量衡算式，利用數(shù)學(xué)方法求解未知值。當(dāng)產(chǎn)生過程及物料組成較復(fù)雜時(shí)，可以列出熱量衡算表0§3.6能量衡算§3.6.3能量衡算§3.6.3.273§3.6能量衡算§3.6.3能量衡算§3.6.3.2能量衡算的基本原理D.

機(jī)械能衡算在反應(yīng)器、蒸餾塔、蒸發(fā)器、換熱器等化工設(shè)備中，功、動(dòng)能、位能的變化，較之傳熱量、內(nèi)能和燴的變化，是可以忽略的。因此作這些設(shè)備的能量衡算時(shí)，總能量衡算式可以簡成Q=?H。但在另一類操作中，情況剛好相反，即傳熱量、內(nèi)能的變化與動(dòng)能變化、位能變化、功相比，卻是次要的了。這些操作大多是流體流入流出貯罐、貯槽、工藝設(shè)備、輸送設(shè)備、廢料排放設(shè)備?；蛟谶@些設(shè)備之間流動(dòng)。連續(xù)穩(wěn)定流動(dòng)過程總能量衡算式：?H＋?u2/2＋g?Z＋?(PV)＝Q＋Wj§3.6能量衡算§3.6.3能量衡算§3.6.3.274§3.6能量衡算§3.6.3能量衡算§3.6.3.2能量衡算的基本原理E.

無化學(xué)反應(yīng)過程的能量衡算無化學(xué)反應(yīng)過程的能量衡算，一般應(yīng)用于計(jì)算指定條件下進(jìn)出過程物料的焓差，用來確定過程的熱量。為了計(jì)算一個(gè)過程的△H，可以用假想的、由始態(tài)到終態(tài)幾個(gè)階段來代替原過程，這些階段的焓變應(yīng)該是可以計(jì)算的，所需的數(shù)據(jù)也可以得到的。由于焓是狀態(tài)函數(shù)，所以每一階段的?H之和即為全過程的?H。恒溫時(shí)壓力的變化恒壓時(shí)溫度的變化恒壓恒溫時(shí)相態(tài)的變化兩個(gè)或兩個(gè)以上物質(zhì)在恒溫恒壓時(shí)的混合與分離恒溫恒壓時(shí)的化學(xué)反應(yīng)過程?！?.6能量衡算§3.6.3能量衡算§3.6.3.275§3.6能量衡算§3.6.3能量衡算§3.6.3.2能量衡算的基本原理E.

無化學(xué)反應(yīng)過程的能量衡算1、無相變的變溫變壓過程§3.6能量衡算§3.6.3能量衡算§3.6.3.276§3.6能量衡算§3.6.3能量衡算§3.6.3.2能量衡算的基本原理E.

無化學(xué)反應(yīng)過程的能量衡算2、相變過程的能量衡算

在恒定的溫度和壓力下，單位質(zhì)量或摩爾的物質(zhì)發(fā)生相的變化時(shí)的焓變稱為相變熱。例如100oC、latm時(shí)液體水轉(zhuǎn)變成水汽的焓變?H等于40.6kJ/mol，稱為在該溫度和壓力下水的汽化潛熱。①汽化潛熱(?Hv）當(dāng)T和P不變，單位數(shù)量的液休汽化所需的熱量。②熔化潛熱(?Hm)當(dāng)T和P不變，單位數(shù)量的固體熔化所需的熱量。③升華潛熱(?Ht）當(dāng)T和P不變，單位數(shù)量的固體氣化所需的熱量。

§3.6能量衡算§3.6.3能量衡算§3.6.3.277§3.6能量衡算§3.6.3能量衡算§3.6.3能量衡算§3.6.3.2能量衡算的基本原理E.

無化學(xué)反應(yīng)過程的能量衡算2、相變過程的能量衡算

相變熱隨相變溫度變化會(huì)有顯著的不同，但隨相變壓力變化很微小。許多純物質(zhì)在正常沸點(diǎn)（或熔點(diǎn)）下的相變熱數(shù)據(jù)，可在手冊中查到。如果查到的數(shù)據(jù)，其條件不符合要求時(shí)，可設(shè)計(jì)一定的計(jì)算途徑來求算?！痘瘜W(xué)工程手冊》第一分冊《PropertiesofGasesandLiquids》(Ried,Prausnitz,Sherwood)《ChemicalEngineersHandbook》6thed.1984(Perry,Chiton)§3.6能量衡算§3.6.3能量衡算§3.6.378§3.6能量衡算§3.6.3能量衡算§3.6.3.2能量衡算的基本原理E.

無化學(xué)反應(yīng)過程的能量衡算2、相變過程的能量衡算

常用的幾種相變熱計(jì)算方法：特魯頓（Trouton）法則是計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)汽化熱（正常沸點(diǎn)時(shí)的?H

）的簡單方法：?H＝bTb陳氏（Chen）方程此方程由液體沸點(diǎn)、臨界常數(shù)推算正常沸點(diǎn)時(shí)的汽化熱克勞修斯—克拉貝?。–lausius-Clapeyron）方程lnP*＝?Hv/RT＋B§3.6能量衡算§3.6.3能量衡算§3.6.3.279§3.6能量衡算§3.6.3能量衡算§3.6.3.2能量衡算的基本原理F.

化學(xué)反應(yīng)過程的能量衡算化學(xué)反應(yīng)過程通常都伴隨較大的熱效應(yīng)——吸收熱量或放出熱量。象鄰二甲苯氧化制苯二甲酐、乙烯氧化制氧化乙烯這些主要的工業(yè)過程，就是放熱反應(yīng)，乙苯脫氫制苯乙烯就是吸熱反應(yīng)。為了使反應(yīng)溫度得到控制，必須自反應(yīng)體系排走熱量或向反應(yīng)體系供給熱量，即反應(yīng)器必須有供熱或冷卻用的換熱設(shè)備，這種措施不但成為反應(yīng)能否進(jìn)行的關(guān)鍵，也與能量的合理利用有密切關(guān)系?！?.6能量衡算§3.6.3能量衡算§3.6.3.280§3.6能量衡算§3.6.3能量衡算§3.6.3.2能量衡算的基本原理F.

化學(xué)反應(yīng)過程的能量衡算這里主要討論反應(yīng)熱的計(jì)算方法，反應(yīng)熱可用生成熱或燃燒熱來計(jì)算，所以先要討論燃燒熱和生成熱，及其用于反應(yīng)熱的計(jì)算，然后將反應(yīng)熱結(jié)合到能量衡算中去。1、反應(yīng)熱及其表示恒壓反應(yīng)熱

Qp＝?Hr恒容反應(yīng)熱

Qv＝?Ur(T)§3.6能量衡算§3.6.3能量衡算§3.6.3.281§3.6能量衡算§3.6.3能量衡算§3.6.3.2能量衡算的基本原理F.

化學(xué)反應(yīng)過程的能量衡算2、反應(yīng)熱的計(jì)算反應(yīng)熱可以用實(shí)驗(yàn)方法測定，也可以用已有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)蓋斯（Hess)定律，化學(xué)反應(yīng)熱只決定于物質(zhì)的初態(tài)和終態(tài)，與過程的途徑無關(guān)，反應(yīng)熱可用簡單的熱量加和法求取。（1）由標(biāo)準(zhǔn)生成熱?Hfo計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)熱?Hro

?Hro＝Σ生成熱μi(?Hfo)i－Σ反應(yīng)熱μi(?Hfo)i

（2）由標(biāo)準(zhǔn)燃燒熱?Hco計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)熱?Hro

?Hro＝Σ反應(yīng)物μi(?Hco)i－Σ產(chǎn)物μi(?Hco)i

§3.6能量衡算§3.6.3能量衡算§3.6.3.282§3.6能量衡算§3.6.3能量衡算§3.6.3.2能量衡算的基本原理F.

化學(xué)反應(yīng)過程的能量衡算3、化學(xué)反應(yīng)過程的能量衡算（1）第一種基準(zhǔn)如果已知標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)熱，則可選298K，latm為反應(yīng)物及產(chǎn)物的計(jì)算基準(zhǔn)。對非反應(yīng)物質(zhì)另選適當(dāng)?shù)臏囟葹榛鶞?zhǔn)（如反應(yīng)器的進(jìn)口溫度，或平均熱容表示的參考溫度）。

選好基準(zhǔn)后，為了計(jì)算過程的簡便，可以畫一張表，將進(jìn)出口流股中組分的流率ni和焓?H填入表內(nèi)，然后按下式計(jì)算過程的?H：§3.6能量衡算§3.6.3能量衡算§3.6.3.283§3.6能量衡算§3.6.3能量衡算§3.6.3.2能量衡算的基本原理3、化學(xué)反應(yīng)過程的能量衡算（2）第二種基準(zhǔn)如果一個(gè)過程的反應(yīng)很復(fù)雜，難以寫出平行反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)式，或難以確定一種原料參加不同反應(yīng)的量的比例，標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)熱也無法知道。此時(shí)，可以用下面介紹的第二種基準(zhǔn)。以組成反應(yīng)物及產(chǎn)物的元素，在25℃，1atm時(shí)的焓為零，非反應(yīng)分子以任意適當(dāng)?shù)臏囟葹榛鶞?zhǔn)，也要畫一張?zhí)钣兴辛鞴山M分ni

和Hi

的表，只是在這張表中反應(yīng)物或產(chǎn)物的Hi，是各物質(zhì)25℃的生成熱與物質(zhì)由25℃變到它進(jìn)口狀態(tài)或出口狀態(tài)所需顯熱和潛熱之和。§3.6能量衡算§3.6.3能量衡算§3.6.3.284§3.6能量衡算§3.6.3能量衡算§3.6.3.3加熱劑與冷卻劑由于化工生產(chǎn)中的主要能量計(jì)算是熱量計(jì)算，所以加熱過程的能源選擇主要是熱源的選擇，冷卻或移走熱量過程主要為冷源的選擇。常用熱源：熱水、蒸汽（低壓、高壓、過熱）、導(dǎo)熱油、道生（聯(lián)苯與二苯醚的混合物）液體、道生蒸汽、煙道氣、電、熔鹽等常用冷源：冷凍鹽水、液氨等A.加熱劑的選擇要求：在較低壓力下可達(dá)到較高溫度化學(xué)穩(wěn)定性高沒有腐蝕作用熱容量大冷凝熱大無火災(zāi)或爆炸危險(xiǎn)性無毒性價(jià)廉溫度易調(diào)節(jié)§3.6能量衡算§3.6.3能量衡算§3.6.3.385B.常用加熱劑與冷卻劑性能序號(hào)加熱劑冷卻劑使用溫度范圍℃給熱系數(shù)W/(m2·℃)優(yōu)缺點(diǎn)及使用場合1熱水40-10050-1400對熱敏性物料用熱水比較保險(xiǎn)，傳熱情況不如蒸汽，易冷卻，溫度不易調(diào)節(jié)2飽和蒸汽100-180300-3200冷凝潛熱大，熱利用率高，溫度易于調(diào)節(jié)，3過熱蒸汽180-300用于較高溫度場合，但傳熱效率較低，不易調(diào)節(jié)4導(dǎo)熱油180-25058-175溫度較高，使用方便，加熱均勻5道生液180-250110-450C6H5-C6H526.5%與C6H5-O-C6H573.5%的混合物，加熱均勻，溫度范圍廣，易于調(diào)節(jié)，蒸汽冷凝潛熱，熱效率較高，需道生爐和循環(huán)裝置6道生蒸汽250-350340-680