化工設(shè)計物料和能量衡算

1、第三章第三章 化工計算化工計算l基本要求基本要求:( 1 ）掌握化工過程的特點）掌握化工過程的特點( 2 ）熟練應用化工基礎(chǔ)數(shù)據(jù)）熟練應用化工基礎(chǔ)數(shù)據(jù) ( 3 ）熟練掌握化工過程的物料衡算）熟練掌握化工過程的物料衡算 ( 4 ）熟練掌握化工過程的能量衡算）熟練掌握化工過程的能量衡算化工計算化工計算l應用守恒定律來研究化工過程的物料衡算應用守恒定律來研究化工過程的物料衡算和能量衡算問題。和能量衡算問題。l守恒定律守恒定律l化工過程方面的基礎(chǔ)知識化工過程方面的基礎(chǔ)知識第一節(jié)第一節(jié) 化工過程及過程參數(shù)化工過程及過程參數(shù)l一、一、 化工過程化工過程l所謂化工過程，是指由原料經(jīng)化學處理和物理所謂化工過程

2、，是指由原料經(jīng)化學處理和物理處理加工成化學產(chǎn)品或中間產(chǎn)品的生產(chǎn)過程。處理加工成化學產(chǎn)品或中間產(chǎn)品的生產(chǎn)過程。l它包括許多工序，每個工序又由若干個或若干組設(shè)備它包括許多工序，每個工序又由若干個或若干組設(shè)備（如反應器、蒸餾塔、吸收塔、干燥塔，分離器、換（如反應器、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，熱器及輸送設(shè)備等等）組合而成。物料通過各設(shè)備時，完成某種化學或物理處理，最終成為合格的產(chǎn)品。完成某種化學或物理處理，最終成為合格的產(chǎn)品。l在不同的生產(chǎn)過程中，有一些具有共性的物理操作，它們不改變物料的化學性質(zhì)，只改變物料的物理性質(zhì)，這類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、過濾及破碎等操作?；み^程中還包括一些改變物料的化學性質(zhì)的反應過程，如氫與氮合成氨反應、乙烯氧化成環(huán)氧乙烷反應等等。l化工過程就是由反應過程和若干個單元操作組合化工過程就是由反應過程和若干個單元操作組合而成的一個系統(tǒng)。而成的一個系統(tǒng)。 化工過程的類型化工過程的類型 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 原料一次加入過程產(chǎn)品連續(xù)排出 或原料連續(xù)加入過程產(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）過程參數(shù)=f(x、y、z、t)二、化工過程基本參數(shù)二、化工過程基本參數(shù)l過程參數(shù)即化工生產(chǎn)過程中影響過程運行和狀過程參數(shù)即化工生產(chǎn)過程中影響過程運行和狀態(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。溫標。 1、攝氏溫標，、攝氏溫標， 水的正常冰點：0 水的正常沸點：100 其間均分100等份 其單位為 2、開爾文溫標，、開爾文溫標，K3 華氏溫標華氏溫標, 水鹽混合物的溫度：0 健康人的血液溫度：96 水的正常冰點：32 ,水的正常沸點：

5、212 其間均分180等份 其單位為4、蘭金溫標，、蘭金溫標，R 與開氏溫標相似，也是以最低理論溫度為0度的一種絕對溫標。 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）壓強）l三）流量三）流量l四）組成四）組成三、三、 化工過程開發(fā)化工過程開發(fā)l化工過程開發(fā)是指一個化學反應從實驗室化工過程開發(fā)是指一個化學反應從實驗室過渡到第一套生產(chǎn)裝置的全部過程。過渡到第一套生產(chǎn)裝置的全部過程。（開（開發(fā)的成果要以基礎(chǔ)設(shè)計形式出現(xiàn)）發(fā)的成果要以基礎(chǔ)設(shè)計形式出現(xiàn)）l化工過程開發(fā)，首先是決定化學反應的可化工過程開發(fā)，首先是決定化學反應的可能性

6、、轉(zhuǎn)化率及反應速度是否具有工業(yè)價能性、轉(zhuǎn)化率及反應速度是否具有工業(yè)價值，產(chǎn)物分離的難易程度以及機械、設(shè)備、值，產(chǎn)物分離的難易程度以及機械、設(shè)備、材料是否可行。當然，最終取決于是否有材料是否可行。當然，最終取決于是否有經(jīng)濟效益。經(jīng)濟效益。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性質(zhì)所決定的。學性質(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化工基礎(chǔ)數(shù)據(jù)大致歸納成以下幾類 :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 ）熱力學物性數(shù)據(jù)）熱力學物性數(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 ）化學反應和熱化學數(shù)據(jù)）化學反應和熱化學數(shù)據(jù) 如反應熱、生成熱、燃燒熱、反應速度常數(shù)、活化能，化如反應熱、生成熱、燃燒熱、反應速度常數(shù)、活化能，化學平衡常數(shù)等。學平衡常數(shù)等。l( 4 ）傳遞參數(shù)）傳遞參數(shù) 如粘度、擴散系

8、數(shù)、導熱系數(shù)等。如粘度、擴散系數(shù)、導熱系數(shù)等。數(shù)據(jù)的獲?。? 1 、查手冊或文獻資料、查手冊或文獻資料l常用物質(zhì)的物性數(shù)據(jù)可從化學化工類手冊或?qū)３Ｓ梦镔|(zhì)的物性數(shù)據(jù)可從化學化工類手冊或?qū)I(yè)性的化工手冊業(yè)性的化工手冊 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化學工程手冊， 化學工程手冊 編輯委員會，化學工業(yè)出版社，1980l化工工藝設(shè)計手冊，國家醫(yī)藥管理局上海醫(yī)藥設(shè)計院編，化學工業(yè)出版社，1986l化工工藝算圖，吉林化學工業(yè)公司設(shè)計院等編，化學工業(yè)出版社，1982 2 2 、估算、估算l可以應用物理和化學的一些基本定律計算各種可以應用物理和化學的一些基

9、本定律計算各種物質(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)而無法計算，或者即使知道這些數(shù)據(jù)，計算也很復雜。因此，許多研究人員做了不少工作，建立了理論與經(jīng)驗相結(jié)合的方法，來計算各種物質(zhì)的物性數(shù)據(jù)。這些方法僅從一個化合物二、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。l基團貢獻法基團貢獻法3 3 、用實驗直接測定、用實驗直接測定l實驗直接測定。實驗直接測定。l以上三種數(shù)據(jù)來源，從手冊或文獻中查得數(shù)據(jù)最方便，但往往有時數(shù)據(jù)不夠完整，也會出現(xiàn)一些錯誤。用一些理論的、半經(jīng)驗的和經(jīng)驗的公式估算，也是一種簡便的方法。當手冊或文獻中無法查得時

10、，可以進行估算。直接用實驗測定得到的數(shù)據(jù)最可靠，只是實驗比較費時間又花錢。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，則必須用實驗進行測定。4、計算機檢索檢索l近年來，隨著電子計算機的迅速發(fā)展，應用計近年來，隨著電子計算機的迅速發(fā)展，應用計算機儲存、檢索和推算物性數(shù)據(jù)。算機儲存、檢索和推算物性數(shù)據(jù)。 一些大型化工企業(yè)、研究部門和高等院校都相應建立了物性數(shù)據(jù)庫，以便于通過計算機自動檢索或估算所要求的數(shù)據(jù)，而不必自行查找或計算，大大節(jié)省了時間和精力。l化工物性數(shù)據(jù)庫化工物性數(shù)據(jù)庫 美國，CINDAS(14000) 北京化工大學，大型化工物性數(shù)據(jù)庫CEPPDS(3417) 第二節(jié)第

11、二節(jié) 物料衡算物料衡算l物料衡算是化工計算中最基本、最重要的內(nèi)容物料衡算是化工計算中最基本、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)計或研究一個化工過程，或?qū)φ吣成a(chǎn)過程進行分析，需要了解能量的分布情況，都必須在物料衡算的基礎(chǔ)上，才能進一步算出物質(zhì)之間交換的能量以及整個過程的能量分布情況。l物料衡算和能量衡算是進行化工工藝設(shè)計、過物料衡算和能量衡算是進行化工工藝設(shè)計、過程經(jīng)濟評價、節(jié)能分析以及過程最優(yōu)化的基礎(chǔ)。程經(jīng)濟評價、節(jié)能分析以及過程最優(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一種是對已有的生產(chǎn)設(shè)備或裝置，利用實際測定的數(shù)據(jù)，算出另一些不能直接測定

12、的物料量。用此計算結(jié)果，對生產(chǎn)情況進行分析、作出判斷、提出改進措施。（一般的作業(yè)）l另一種是設(shè)計一種新的設(shè)備或裝置，根據(jù)設(shè)計任務(wù)，先作物料衡算，求出進出各設(shè)備的物料量，然后再作能量衡算，求出設(shè)備或過程的熱負荷，從而確定設(shè)備尺寸及整個工藝流程。（設(shè)計）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，因為核反應能量變化非常大，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體系內(nèi)進、出物料物料衡算是研究某一個體系內(nèi)進、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。體系可以是一個設(shè)備或幾個設(shè)備，也可以是一個單元操作或整個化工過程。進行物料衡算時，必須首先確定衡進行物料衡算時，必須首先確定衡算的體系。算的體系。對某一個體系，輸入體系的物料量應該對某一個體系，輸入體系的物料量應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)過程的物料衡算式連續(xù)過程的物料衡算式 一般表示式為： 系統(tǒng)中積累 = 輸入 輸出 + 生成 消耗穩(wěn)態(tài)過程時 輸入 = 輸出 生成 + 消耗無化學反應的穩(wěn)態(tài)過程 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進行物料衡算時，為了能順利地解題，避免錯誤，必須掌握解題技巧，按正確的解題方法和步驟進行。這樣才能獲得準確的計算結(jié)果。l l 、衡算范圍、衡算范圍 指定的任何空間范圍。它可是一個設(shè)備、一個單元或指定的任何空間范圍。它可是一個設(shè)備、一個單元或整個過程。整個過程。根據(jù)給定的條件畫出流程簡圖（過程示意圖或衡算范圍）。圖中用簡單的方框表示過程中的設(shè)備，用線條和箭頭表示每個流股的途徑和流向。并標出每個流股的已知變量（如流量、組成）及單位。對一

15、些未知的變量，可用符號表示。 物料衡算與能量衡算 物料衡算與能量衡算是進行化工工藝過程設(shè)計及技術(shù)經(jīng)濟評價的基本依據(jù)。通過對全生產(chǎn)過程或單元過程的物料和能量的衡算，計算得到： 1）主、副產(chǎn)品產(chǎn)量； 2）原材料的消耗定額，過程的物料損耗； 3）“三廢”的生成量及組成； 4）水、電、汽或其他燃料等消耗定額； 5）設(shè)計物料流程圖。 物料衡算與能量衡算 根據(jù)物料衡算和能量的衡算結(jié)果，可以： 1）對生產(chǎn)設(shè)備進行設(shè)計和選型； 2）確定產(chǎn)品成本等各項技術(shù)經(jīng)濟指標，從而可以定量地評述所選擇的工藝路線、生產(chǎn)方法及工藝流程在經(jīng)濟上是否合理，技術(shù)上是否先進。物料衡算物料衡算的概念： 在化工過程中，物料平衡是指“在單位

16、時間內(nèi)進入系統(tǒng)（體系）的全部物料質(zhì)量必定等于離開該系統(tǒng)（體系）的全部物料質(zhì)量再加上損失掉的與積累起來的物料質(zhì)量。”對物料平衡進行計算稱為物料衡算。 物料平衡的理論依據(jù)是質(zhì)量守恒定律，即在一個孤立體系中不論物質(zhì)發(fā)生任何變化(不包括核反應)它的質(zhì)量始終保持不變。 物料衡算的分類1、按操作方式、按操作方式 分為間歇操作、連續(xù)操作及半連續(xù)操作等三 類物料衡算； 2、按狀態(tài)、按狀態(tài) 將其分為穩(wěn)定狀態(tài)操作和不穩(wěn)定狀態(tài)操作兩類 衡算。 3、按衡算范圍、按衡算范圍 分為單元操作過程(或單個設(shè)備)和全流程的兩 類物料衡算；物料平衡方程式 根據(jù)質(zhì)量守恒定律，對某一個體系內(nèi)質(zhì)量流動及變化的情況用數(shù)學式描述物料平衡關(guān)

17、系則為物料平衡方程式。其基本表達式為： F F0 0=D+A+B=D+A+B 式中，F(xiàn)0輸人體系的物料質(zhì)量； D 離開體系的物料質(zhì)量； A 體系內(nèi)積累的物料質(zhì)量； B 損失的物料質(zhì)量(如跑、冒、滴、漏) 物料衡算的步驟物料衡算的步驟稀溶液稀溶液二次蒸汽二次蒸汽F,wfW加熱蒸汽加熱蒸汽凝水凝水提濃液提濃液B，wB物料衡算步驟2、列出主、副化學反應式3、確定計算任務(wù)4、收集數(shù)據(jù)資料（生產(chǎn)規(guī)模、時間，收率、轉(zhuǎn)化率，原材 料及產(chǎn)品規(guī)格，有關(guān)物理化學常數(shù)）5、選定計算基準（時間，質(zhì)量，體積）6、建立物料平衡方程，展開計算7、整理并校核計算結(jié)果8、繪制物料流程圖、填寫物流表列物料平衡式時應注意的事項列物

18、料平衡式時應注意的事項(1)1)物料平衡是指質(zhì)量平衡，不是體積或物質(zhì)的量(摩爾數(shù))平衡。若體系內(nèi)有化學反應，則衡算式中各項用摩爾時為單位時，必須考慮反應式中的化學計量系數(shù) 。 列物料平衡式時應注意的事項列物料平衡式時應注意的事項(2)(2)對于無化學反應體系，能列出獨立物料平對于無化學反應體系，能列出獨立物料平衡式的最多數(shù)目等于輸入和輸出的物流里衡式的最多數(shù)目等于輸入和輸出的物流里的組分數(shù)。的組分數(shù)。(3)(3)在寫平衡方程式時，要盡量使方程式中所在寫平衡方程式時，要盡量使方程式中所包含的未知數(shù)最少。包含的未知數(shù)最少。l2、衡算對象衡算對象 參加過程的全部物料。參加過程的全部物料。 對無化學反

19、應：可選任一物料 對有化學反應：未發(fā)生變化的物質(zhì)l3 、計算基準及其選擇、計算基準及其選擇l原則上計算基準是任意選擇。原則上計算基準是任意選擇。但是，計算基準選擇得恰當，可以使計算簡化，避免錯誤。對于不同化工過程，采用什么基準適宜，需視具體情況而定，不能作硬性規(guī)定。l根據(jù)不同過程的特點，選擇計算基準時注意以下幾點：( l ）應選擇已知變量數(shù)最多的流股作為計算基準。( 2 ）對液體或固體的體系，常選取單位質(zhì)量作基準。( 3 ）對連續(xù)流動體系，用單位時間作計算基準有時較方便。( 4 ）對于氣體物料，如果環(huán)境條件（如溫度、壓力）已定，則可選取體積作基準。 具體： 時間基準 連續(xù)（小時，天） 間歇（釜

20、，批） 質(zhì)量基準 kg，mol， kmol 體積基準 m3（STP），Nm3 干濕基準 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 ）搜集計算數(shù)據(jù)。）搜集計算數(shù)據(jù)。( 2 ）畫出物料流程簡圖。）畫出物料流程簡圖。( 3 ）確定衡算體系。）確定衡算體系。( 4 ）寫出化學反應方程式，包括主反應）寫出化學反應方程式，包括主反應 和副反應，標出有用的分子量。和副反應，標出有用的分子量。 ( 5 ）選擇計算基準，并在流程圖上注明所選的）選擇計算基準，并在流程圖上注明所選的基準值?；鶞手怠? 6 ）列出物料衡算式，然后用數(shù)學方法求解。）列出物料衡算式，然后

21、用數(shù)學方法求解。 (7）校核計算結(jié)果。）校核計算結(jié)果。(數(shù)據(jù)歸一）數(shù)據(jù)歸一） ( 8 ）將計算結(jié)果列成輸入一輸出物料表（物料）將計算結(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）。（三線表、表頭名稱、基準）四、四、 無化學反應過程的物料衡算無化學反應過程的物料衡算l在化工過程中，只有物理變化不發(fā)生化學反應的單元操作如混合、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。組分的衡算式，再用代數(shù)法求解。一）、簡單過程的物料衡算一）、簡單過程的物料衡算l簡單過程是指僅有一個設(shè)備或一個單元操

22、作簡單過程是指僅有一個設(shè)備或一個單元操作的過程。設(shè)備邊界就是體系邊界。的過程。設(shè)備邊界就是體系邊界。 ( 1 ）畫出物料流程簡圖。( 2）選擇基準。( 3）列物料衡算式，求解。 ( 4）校核計算結(jié)果。 ( 5）將計算結(jié)果列成輸入一輸出物料表（物料平衡 表）。（要求：畫出物料流程簡圖、列出物料平衡表并進行核算）二）、有多個設(shè)備過程的物料衡算二）、有多個設(shè)備過程的物料衡算五、有化學反應過程的物料衡算五、有化學反應過程的物料衡算l有化學反應的過程，物料中的組分變化比有化學反應的過程，物料中的組分變化比較復雜。較復雜。l工業(yè)上的化學反應，工業(yè)上的化學反應，各反應物的實示用量，并不等于化學反應式中的理論

23、量。為了使所需的反應順利進行，或使其中較昂貴的又應物全部轉(zhuǎn)化，常常使價格較低廉的一些反應物用量過量。一）、反應轉(zhuǎn)化率、選擇性及收率等概念一）、反應轉(zhuǎn)化率、選擇性及收率等概念ll 、限制反應物、限制反應物 化學反應原料不按化學計量比配料時，其中以最小化學計量數(shù)存在的反應物稱為限制反應物。l2 、過量反應物、過量反應物 不按化學計量比配料的原料中，某種反應物的量超過限制反應物完全反應所需的理論量，該反應物稱為過量反應物。 3 、過量百分數(shù)、過量百分數(shù) 過量反應物超過限制反應物所需理論量的部分占所需理論量的百分數(shù)。l4 、轉(zhuǎn)化率（、轉(zhuǎn)化率（x ） 某一反應物反應掉的量占其輸入量的百分數(shù)。l5 、選擇

24、性（、選擇性（S ） 反應物反應成目的產(chǎn)物所消耗的量占反應物反應掉的量的百分數(shù) 轉(zhuǎn)化率與選擇性是反應過程的兩個主要技術(shù)指標。轉(zhuǎn)化率與選擇性是反應過程的兩個主要技術(shù)指標。l6 、收率（、收率（Y ） 目的產(chǎn)物的量除以反應物（通常指限制反應物）輸入量，以百分數(shù)表示。它可以用物質(zhì)的量（摩爾數(shù)）或質(zhì)量進行計算。 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）、一般反應過程的物料衡算二）、一般反應過程的物料衡算l對有化學反應過程的物料衡算，由于各組分在過程中發(fā)生了化學反應，因此就不能

25、簡單地列組分的衡算式，必須考慮化學反應中生成或消耗的量，應該根據(jù)化學反應應該根據(jù)化學反應式，列衡算方程。式，列衡算方程。l對一般的反應過程，可用下列幾種方法求對一般的反應過程，可用下列幾種方法求解。解。1 1、直接求解法、直接求解法l有些化學反應過程的物料衡算，有時只含一個未知量或組成，這類問題比較簡單，通?？筛鶕?jù)化學反應式直接求解，不必列通?？筛鶕?jù)化學反應式直接求解，不必列出衡算式。出衡算式。l直接求解法也稱化學計量法直接求解法也稱化學計量法2 2、元素衡算法、元素衡算法l元素衡算是物料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。在作這類衡算時，并不需要考慮具體的化學作這類衡算時

26、，并不需要考慮具體的化學反應，而是按照元素種類被轉(zhuǎn)化及重新組反應，而是按照元素種類被轉(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對反應過程中化學反應很復雜，無法用一、對反應過程中化學反應很復雜，無法用一、兩個反應式表示的物料衡算題，可以列出兩個反應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，但完全不參加反應，又隨物料從體系輸出的組全不參加反應，又隨物料從體系輸出的組分，在整個反應過程中，它的數(shù)

27、量不變。分，在整個反應過程中，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)系組分的含量進行關(guān)聯(lián)。量進行關(guān)聯(lián)。 三）、復雜過程的物料衡算三）、復雜過程的物料衡算l復雜過程不是指過程或設(shè)備多而是具有循復雜過程不是指過程或設(shè)備多而是具有循環(huán)、排放及旁路的過程。環(huán)、排放及旁路的過程。l在化工過程中具有循環(huán)、排放及旁路的過在化工過程中具有循環(huán)、排放及旁路的過程的物料衡算與以上介紹的方法相類似，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只是需要先根據(jù)已知的條件及所求的未知量

28、選擇合適的衡算體系，列出一般過程物量選擇合適的衡算體系，列出一般過程物料衡算式再加上結(jié)點關(guān)系求解。料衡算式再加上結(jié)點關(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，能量的消耗是一項重要的在化工生產(chǎn)中，能量的消耗是一項重要的技術(shù)經(jīng)濟指標，它是衡量工藝過程、設(shè)備技術(shù)經(jīng)濟指標，它是衡量工藝過程、設(shè)備設(shè)計、操作制度是否先進合理的主要指標設(shè)計、操作制度是否先進合理的主要指標之一。之一。l能量衡算的基礎(chǔ)是物料衡算，只有在進行能量衡算的基礎(chǔ)是物料衡算，只有在進行完備的物料衡算后才能作出能量衡算。完備的物料衡算后才能作出能量衡算。能量衡算有兩種類型的問題能量衡算有兩種類型的問題l一種是先對使用中的裝置

29、或設(shè)備，實際測一種是先對使用中的裝置或設(shè)備，實際測定一些能量，通過衡算計算出另外一些難定一些能量，通過衡算計算出另外一些難以直接測定的能量，由此作出能量方面的以直接測定的能量，由此作出能量方面的評價，即由裝置或設(shè)備進出口物料的量和評價，即由裝置或設(shè)備進出口物料的量和溫度，以及其它各項能量，求出裝置或設(shè)溫度，以及其它各項能量，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)計新裝置或設(shè)備時，根據(jù)已另一種是在設(shè)計新裝置或設(shè)備時，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)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

30、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)流動過程 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際中，上式視不同情況而有不同的形式： 1）絕熱過程絕熱過程 Q=0，動、位能差可忽略 H=W 即用焓差計算環(huán)境向體系作功 2）無作功過程無作功過程（多數(shù)化工操作過程） W=0，動、位能差可忽略 H=Q 3）無功、熱傳遞過程無功、熱傳遞過程 Q=0， W=0，動、位能差可忽略 H=0（焓平衡）2、間歇過程 間歇過程（封閉體系）

31、中，因體系與環(huán)境間沒有物質(zhì)交換，但有能量的交換。間歇過程無流動功， （pv）=0則能量衡算式為: U+ Ek+ Ep=Q+W一般間歇操作，動、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算時分熱量衡算和機械能衡算熱量衡算和機械能衡算。1、對有些化工過程如流體流動過程流體流動過程，此時傳熱量內(nèi)能的變化較其他小，次要。故總能量衡算變?yōu)闄C械能衡算總能量衡算變?yōu)闄C械能衡算?；ぴ碇械牧黧w流動柏努力方程。2、更多化工過程中如反應器、蒸餾塔、蒸發(fā)器、換熱器等中，功、動能、位能變化較之傳熱、內(nèi)能和焓的變化，是可以忽略。此時（無外功W=0）總能量衡算簡化為熱量衡算?？偰芰亢馑愫喕癁闊?/p>

32、量衡算。 Q=H= H2 H1（敞開體系） 或Q= U= U2 U1（封閉體系）由于實際應用時，進出設(shè)備的物料不止一個，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程的能量衡算指熱量衡算熱量衡算（無外功W=0）： Q=H= H2 H1（敞開體系） 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 建立以單位時間為基準的物料流程圖（或平建立以單位時間為基準的物料流程圖（或平衡表）。也可以衡表）。也可以100mol 或或100kmol 原料為基原料為基準，但前者更常用。準，但前者更常用。 在物料流程框圖上

33、標明已知溫度、壓力、相態(tài)在物料流程框圖上標明已知溫度、壓力、相態(tài)等條件，并查出或計算出每個物料組分的焓值，等條件，并查出或計算出每個物料組分的焓值，于圖上注明。于圖上注明。 選定計算基準（溫度和相態(tài)）。這是人為選定的計選定計算基準（溫度和相態(tài)）。這是人為選定的計算基準，即輸入體系的熱量和由體系輸出的熱量應該算基準，即輸入體系的熱量和由體系輸出的熱量應該有同一的比較基準，可選有同一的比較基準，可選0 （273K ）、）、25（298K ）或其它溫度作為基準溫度。由于手冊、文）或其它溫度作為基準溫度。由于手冊、文獻上查到的熱力學數(shù)據(jù)大多是獻上查到的熱力學數(shù)據(jù)大多是298K 時的數(shù)據(jù)，故選時的數(shù)據(jù)，

34、故選298K 為基準溫度，計算比較方便。同時相態(tài)的確定為基準溫度，計算比較方便。同時相態(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)學方法求解未知值。列出熱量衡算式，然后用數(shù)學方法求解未知值。 當生產(chǎn)過程及物料組成較復雜時，可以列出熱量衡當生產(chǎn)過程及物料組成較復雜時，可以列出熱量衡算表。算表。水蒸氣動能： 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) =7.6710(5) kJ/min動能占總能量的6.0210(3)/7.6110(5)=0.78%故本

35、題可視為單純的熱量衡算。熱量衡算。一）無化學反應過程的熱量衡算一）無化學反應過程的熱量衡算 無化學反應過程的能量衡算，一般指進出過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)，所以一個過程H ，可以用假想的，由始態(tài)到終態(tài)幾個階段代替原過程，每一階段的Hi之和即為全過程的H 。 途經(jīng)各個階段的類型有5種，即 ： 恒T 時P 的變化 恒P 時T 的變化 恒T 恒P時相態(tài) 的變化 兩物質(zhì)在恒T 恒P時混合和分離 恒T 恒P時的反應過程前4種已學（無相變、有相變、混合熱等的計算）下面重點講反應過程的熱量衡算。二）有化學反應過程的熱量衡算二）有化學反應過程的熱量衡算 化學反應過程也常伴隨有大量的

36、熱效應吸熱或放熱。為了使反應溫度得到控制，必須自反應體系排走或向反應供給熱量，即反應器也須有供給或冷卻用的換熱設(shè)備，這些都需進行反應過程的熱量衡算。1、反應熱及其表示1）恒壓反應熱恒壓反應熱 反應物按化學計量式完全反應，物料在反應前后的焓差稱為恒壓反應熱或反應熱，以Hr表示。 根據(jù)熱力學第一定律，若過程進行時只做膨脹功，則Hr就是恒壓熱，即 Qp=Hr注意：一定的Hr值是對一定的反應式而言的。如果uA是反應物或生成物A的化學計量系數(shù)，nA為溫度時所消耗而成生成的A的摩爾數(shù)，則化學反應的總焓差為： H= nA Hr/ uA2）恒容反應熱恒容反應熱 在恒T恒V下，反應物在溫度T時按化學計量系數(shù)完全反應后內(nèi)能的變化，即為恒容反應熱或恒容熱 Qv= Ur Qp與Qv的關(guān)系：若果ui是氣態(tài)反應物或生成物i的化學計量系數(shù)，且氣體為理想氣體，設(shè)液、