1、第三章 化工计算,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。必须具备了化工过程的基础知识才能进行物料衡算和能量衡算。,化工过程基础知识主要内容包括：,化工计算的主要任务：,化工过程； 化工工艺流程； 化工过程开发； 化工过程基本参数温度、压力、流量、化学组成等基本概念。,第一节 化工过程及过程参数,一、 化工过程,指由原料经化学处理和物理处理加工成产品或中间产品的生产过程。它包括许多工序，每个工序又由若干个设备组合而成。,主要操作可归纳为下列几类：,1.化学反应； 2.分离或提纯， 3.改变温度， 4.改变压力， 5.混合,1、化学反应,化学反应是整个化工过程的核心。一种化学反应是否
2、能在工业上付诸实现取决于许多因素，如平衡收率、反应速度、控制或减少副反应的可能性等。,2、分离或提纯,分离过程通常只是一种物理过程，它是利用物质在相变化过程中某些物理性质（如沸点、熔点、溶解度等）的差异来进行的。如：蒸馏、结晶、溶剂萃取。 由于生产中的化学反应常伴随副反应、反应不完全或使用溶剂等原因，得到的产物往往是几种组分的混合物，必须经分离或提纯后，才能成为较纯的产品。,3、改变温度,化学反应速度和收率、物质的相态变化（如蒸气的冷凝、液体的气化或凝固、固体的熔化等）以及物质的其他物理性质变化（如粘度、溶解度、表面张力等）等均与温度有密切的关系，改变温度可调节以上各性质达到所需的要求。物料升
3、温要消耗热量,回收热量使其充分利用是化工厂提高经济效益的一个重要措施。,4、改变压力, 当反应物或生成物中有气体时，改变压力对平衡收率有影响。例如:合成氨反应N23H22NH3，压力增高，氨的平衡产率增加。 物质的相态变化，如蒸气冷凝或液体气化等与压力亦有密切关系。 当用泵或压缩机输送流体时，压力用于克服设备和管线中的阻力。,5、混合,化工生产中，常需将两种或两种以上物质混合在一起。通常混合不消耗能量，只有为了加速混合使用搅拌器时，才消耗少量能量。,化工过程中的每一个设备进行上述一种或几种操作,设计化工过程，就是设计以上一系列操作，将其适当地、合理地组合起来，以改变原料的化学和物理性质，使之能
4、够生产合格的产品。把完成这些操作的设备串连组合起来，就成为一个化工过程。,化工过程常用流程图来表示。 工艺流程图能简明、扼要的表明化工产品的生产工序，看来一目了然。从工艺流程图可以初步了解生产方法、生产过程以及各主要物料的来龙去脉。 在解物料和能量衡算题时，也需要用图来表示各设备之间的物料关系。,二、 化工工艺流程,化工过程开发主要决定于下述因素： （1）化学工艺因素反应体系本性、温度、压力、组成、催化剂等操作条件以及体系的反应速度、转化率、循环比等。决定化学反应的可能性、转化率及反应速度是否具有工业价值。 （2）化学工程因素体系的物性、相态、热性质、传递性质、传热传质方式、物料（流体及固体）
5、输送、反应技术及产物分离的难易程度。 （3）机械设备、仪表及控制手段机械、设备、材料是否可行，设备材料、制造、贮运、安装、维修、检测、备品备件、正常操作及事故处理等。,三、化工过程开发,在化工生产过程中，能影响过程运行和状态的物理量称为过程参数，如温度、压力、流量及物料的组成或浓度等，在指定条件下它的数值恒定，条件改变其数值也随之变化，这些参数常作为控制生产过程的主要指标。进行化工计算时，上述参数是基本数据，可以直接测定。对一些不易直接测定的参数，可找出与容易测定的参数之间的关系，通过计算求得，有时也可以根据经验数据选定。,思考题1、化工过程的主要操作有那些？各用于什么场合？2、解释过程参数及
6、其特点。,四、过程参数,在化工计算以及化工工艺和设备设计中，必不可少地要用到有关化合物的物性数据。例如，进行化工过程物料与能量衡算时，需要用到密度、沸点、蒸汽压、焓、热容及生成热等物性数据；设计一个反应器时，需要知道化学反应热；计算传热过程时，需要知道导热系数等等。,第二节 化工基础数据,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：,(1) 基本物性数据如密度、状态方程参数、蒸气压、气一液平衡关系等。 (2 )热力学物性数据如内能、焓、热容、相变热、自由能、自由焓等。 (3) 化学反应数据如反应热、生成热、燃烧热、反应速率常数、活化能，化学平衡常数等。 (4) 传递参数
7、如粘度、扩散系数、导热系数等。,一、化工基础数据的分类,二、化工基础数据的获取方法,1、查手册或文献资料可从有关的化学化工类手册中查到。如： （1）化学工程手册，化学工程手册编辑委员会，化学工业出版社，1980。 化学工程手册共分26篇，第一篇为化工基础数据。 （2）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，1986。化学工艺设计手册分为上、下两册，包括常用物质的物性数据、常用化工设备、机电设备和化工仪表及常用工程材料、管道管件等三部分。,2、估算可以应用物理和化学的一些基本定律计算各种物质的性质参数。 3、用实验直接测定。,（4）化工工艺算图，吉林化学工业公司设计院编
8、，化学工业出版社，1982。化工工艺算图共六册，第一册是常用物料物性数据。此外，还有一些专业性手册，如：石油化工基础数据手册、无机盐工业手册、氮肥工艺设计手册等.,第三节 物料衡算,物料衡算是化工计算中最基本、最重要的内容之一，它是热量衡算的基础。物料衡算之后才能进行热量衡算。,物料衡算的分类： 按物质变化分为：物理过程的物料衡算化学过程的物料衡算 按操作方式分为：连续过程的物料衡算间歇过程的物料衡算,按衡算目的分为： 1、对已有的生产设备或装置作衡算利用实际测定的数据，算出另一些不能直接测定的物料量。用此计算结果对生产情况进行分析、作出判断、提出改进措施。 2、设计一种新的设备或装置根据设计
9、任务，先作物料衡算，求出进出各设备的物料量，然后再作热量衡算，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。 理论依据：质量守恒定律,3-1 物料衡算式,1、化工过程的类型,根据其操作方式分： （1）间歇操作 （2）连续操作 （3）半连续操作,或者分为： （1）稳定状态操作 （2）不稳定状态操作两类。,稳定状态操作：整个过程的操作条件不随时间变化，只是设备内不同点有差别，这种过程称为稳定状态操作，或称稳定过程。 连续过程在正常操作期间，属稳定状态操作。 不稳定状态操作：操作条件随时间不断变化的，称为不稳定状态操作，或称不稳定过程。间歇过程及半连续过程是不稳定状态操作。,2、物料衡算式
10、,物料衡算的基本关系式,如果体系内发生化学反应，则对任一个组分或任一种元素作衡算时，必须把反应消耗或生成的量亦考虑在内。,注：物料平衡是指质量平衡，若体系内有化学反应，则平衡式中各项用摩尔/时为基准时，必须考虑反应式中的化学计量系数。因为反应前后物料中的分子数不守恒。,如图，表示无化学反应的连续过程的物料流程。图中方框表示一个体系，虚线表示体系边界，共有三个流股，进料F及出料P和W, 有两个组分, 每个流股的流量及组成如图所示。图中x为质量分数。,可列出物料衡算式：,总物料衡算式 :,每种组分衡算式 :,物料衡算的步骤：,3-2、物料衡算的基本方法,（一）明确衡算目的如通过物料衡算确定生产能力
11、、纯度、收率等数据。,（二） 画出物料流程简图，确定衡算体系流程简图中的设备可用方框表示;用线条和箭头表示物料流股的途径和流向；标出流股的已知变量（流量、组成等）未知量用符号表示。根据已知量和未知量划定体系，应特别注意尽量利用已知条件，要求的未知量要通过体系边界，且应使通过边界的物料流股的未知项尽量少。,例 题 ：一种废酸，组成为23(w%) HNO3，57H2SO4和20H2O，加入93的H2SO4及90的HNO3，要求混合成 27HNO3，60H2SO4的混合酸，计算所需废酸及加入浓酸的量。,(三) 写出配平后的化学反应方程式包括主反应和副反应，注明各反应的选择性、收率。 (四) 收集与物
12、料衡算有关的计算数据如规模和年生产日；原辅材料、中间体及产品的规格；有关的定额和消耗指标；有关的物理化学常数，如密度、蒸气压、相平衡常数等。,注意所得数据的单位要统一。,(四) 选择合适的计算基准计算中要将基准交代清楚，过程中基准变换时，要加以说明。 (五) 列出物料衡算式，进行物料衡算。 (六) 将计算结果列成物料平衡表。,由计算结果查核计算正确性。 (七)画出物料衡算图（过程复杂时）,附、物料衡算的基准及其选择从理论上讲，选择任何一种计算基准都能得到正确的结果，但计算基准选择的恰当可使计算简化，避免出现错误。据不同过程的特点，选计算基准时应注意以下几点：, 应选择已知变量数最多的流股作为计
13、算基准如反应物组成只知主要成分，而产物组成已知时，应选产物的单位质量或单位体积作基准。, 对连续流动系统，以单位时间作基准；对间歇系统应选择加入设备的批量作基准，若处理量很大，可先按100kg计算，最后换算到实际产量。, 当系统介质为复杂混合物（如液、固相）时，常选一定质量的原料或产品作基准。如以煤、石油、矿石为原料的过程采用1kg原料作基准，如果所用的原料或产品系单一化合物，或者由已知组成和分子量的多组分组成，则用摩尔作基准更方便。, 干湿基准生产过程中的物料，不论是气态、液态和固态，均含有一定量的水分，不计算水分的为干基计算，否则为湿基，通常选干基为基准。如：空气中含氧、氮的体积分数分别为
14、0.21和0.79，这是以干基计算的。, 对气体物料若T、P已确定可选体积作基准。把实际体积换算为标准体积，不仅可以排除因T、P变化造成的影响，还可直接与摩尔基准联系，因气体混合物中组分的体积分数与摩尔分数在数值上是相同的。,例3-1 丙烷完全燃烧时，要供给所需空气量的125%，反应式为：C3H8 5O23CO24H2O 问每100kmol燃烧产物需要多少摩尔空气？解：当选择的基准不同时，其解题的繁简程度也不同。,画出物料流程示意图:,（1）基准1：1kmol原料气C3H8 C3H8 5O23CO24H2O 根据化学反应方程式，燃烧时所需空气量为 燃烧用氧 5kmol 实际供氧 51.256.
15、25kmol 供给空气量 6.25/0.21=29.76 kmol 气中N2量 29.760.7923.51mol 生成水量 4mol 生成CO2量 3mol 剩余氧量 6.2551.25mol 计算结果示于表3-1。,据上表得，31.76kmol产物烟道气需空气29.76kmol，则100kmol产物需空气x kmol，,（2）基准2：100kmol烟道气因烟道气组成未知,需用元素平衡计算.设： N烟道气中氮气的kmolM烟道气中氧气的kmolP烟道气中二氧化碳的kmolQ烟道气中水分的kmolA输入空气的kmolB输入丙烷的kmol,其中有6个未知数，须有6个独立的方程式可求解。因为有化学
16、反应，故由元素平衡可得：,C平衡 3B=PH平衡 4B=QO平衡 0.21A=M+Q/2+PN平衡 0.79A=N烟道气总量 N+M+P+Q=100过剩氧气 0.21A(0.25/1.25)=M以上6个方程式为独立方程式，含有6个未知数，可用矩阵解出。比较知：基准1比基准2简单。,C3H8 5O23CO24H2O,思考题3、解释稳定操作、不稳定操作。4、简述物料衡算的步骤。5、选择物料衡算基准时应注意那些问题？,3-3 物料衡算中用到的基本量,一、流体的流量和流速1、体积流量V ：单位时间内流经设备或管道的流体的体积，单位为m3/s, m3/min或m3/h。 2、流体的线速度u ：流体每单位
17、时间在流动方向上所流经的距离，单位：m/s. 3、质量流量W ：单位时间流经管道或设备的流体的质量，单位：kg/s, kg/h. 4、质量流速G ：单位时间流经管道或设备的单位横截面积的流体的质量，单位：kg/m2.s, kg/m2.h等。,5、摩尔流量F ：单位时间流经管道或设备的流体的物质的量，单位：kmol/h, kmol/s。 6、质量流量W 、体积流量V和线速度u之间的关系：W=V=uA,二、摩尔分数和质量分数 1、摩尔分数：混合物中某组分的摩尔量与混合物的总摩尔量之比， 对混合气体，组分的摩尔分数与体积分数相等。 2、质量分数：混合物中某组分的质量与混合物质量之比，用wi表示。,3
18、、质量分数和摩尔分数的换算二者可以互相换算，前提是已知混合物中各组分的分子量。 例3-2 .一液体混合物中苯和甲苯的质量分数分别为0.4和0.6，求苯和甲苯的摩尔分数。 解：苯和甲苯的相对分子质量分别为M1=78，M2=92,三、混合物的平均分子量,四、气体的体积 1、一般压力、温度下气体的体积工程计算中，一般把操作压力在1MPa以下的气体按理想气体对待，服从理想气体状态方程。PV=nRT 或 对混合气体:,通用气体常数：,因在标准状况下1Kmol气体的体积为22.4m3,则一般温度、压力下的气体体积可按下式计算：,2、高压下的气体体积操作压力在1MPa以上时，在工程计算中应按真实气体对待，在
19、各种计算方法中以压缩因子法最为方便，其数学形式：PV=ZnRT,压缩因子Z是对比温度、对比压力的函数，可查普遍化压缩因子图得。,3、不同状态下气体体积的换算标准状况下1Kmol的任何气体的体积都是22.4m3 ，以下标“0”表示标准状况，以下标“1”表示工作状态，则有：,利用上式可进行不同状态下的体积换算。,五、气体的密度 1、一般压力、温度下气体的密度压力在1MPa以下时按理想气体对待。nKmol气体的质量为nMKg,气体的体积为：,则：,2、高压下的气体密度：3、高压下混合气体的密度：,六、液体的密度在一般压力下，液体的密度随压力变化不大，但随温度变化较显著，在一般手册中，常根据实验结果列
20、出液体的密度随温度变化的数据表，或绘出相应的曲线，也可把密度和温度的实验数据整理成公式。如：,工业上经常遇到各种液体混合物，其密度除了与温度、压力有关外，还与组成有关，某些液体混合物如：甲醇、乙醇、硫酸等的水溶液，其组成与密度的关系在手册上不难查到，但更多的液体混合物缺乏这类实验数据，可进行估算。一般用体积加和法估算：,七、物质的饱和蒸汽压饱和蒸汽压是温度的函数，液体的饱和蒸汽压与温度的关系式：,八、溶液上方蒸汽中各组分的分压 1、理想溶液理想溶液上方蒸汽中组分的分压服从拉乌尔定律,2、非理想溶液在拉乌尔定律的基础上引入一个校正系数（活度系数）。,九、汽液平衡常数,对完全理想系（低压下）气相为
21、理想气体，服从道尔顿分压定律：,液相为理想溶液，服从拉乌尔定律：,其相平衡常数：,34 物理过程的物料衡算在化工过程中，一些只有物理变化，不发生化学反应的单元操作，如混合、蒸馏、蒸发、干燥、吸收、结晶、萃取等，可以根据物料衡算式，列出总物料和各组分的衡算式，再用代数法求解。,一、简单过程的物料衡算简单过程是指仅有一个设备或一个单元操作或整个过程简化成一个设备的过程。下面举例说明计算步骤和计算方法。,例1、一种废酸，组成为23(w)HNO3，57H2SO4和20H2O，加入93的浓H2SO4及90的浓HNO3，要求混合成27HNO3及60H2SO4的混合酸，计算所需废酸及加入浓酸的数量。,解：
22、设： x废酸量，kg；y浓H2SO4量，kg；z浓HNO3量 ，kg ； 1、画物料流程简图,2、选择基准，因四种酸的组成均已知，选任何一种作基准计算都很方便。选取100kg混酸为基准。 3、列物料衡算式，该体系有3种组分，可以列出3个独立方程，所以能求出3个未知量。（无化学反应的体系，可列出独立的物料衡算式数目最多等于体系中物料组分数）。,基准：100kg混合酸 总物料衡算式 x + y + z=100 (1) H2SO4的衡算式 0.57x + 0.93y=1000.6=60 (2) HNO3的衡算式 0.23x + 0.90z=1000.27=27 (3) 解(1)，(2)，(3)方程，
23、得x= 41.8kg废酸y = 39kg浓H2SO4z = 19.2kg浓HNO3即由41.8kg废酸、39kg浓H2SO4和19.2kg浓HNO3可以混合成100kg混合酸。 根据水平衡，可以核对以上结果： 加入的水量 = 41.8 0.2 + 39 0.07 + 19.2 0.10 = 13kg 混合后的酸，含13H2O，故计算结果正确。,例2、 以苯为恒沸剂，用共沸精馏法分离乙醇-水混合物制取纯乙醇。假定料液混合物含水60%，乙醇40%，在精馏塔馏出液中含苯75%，水24%，其余为醇（组成均为质量分数）。若要求乙醇产量为1000kg/h，试计算精馏中所需的苯量。 解:画出流程示意图，选1
24、000kg/h乙醇为基准,总物料平衡式： F1F2F3F4 组分物料平衡式：苯平衡 F20.75F3水平衡 0.6F10.24F3醇平衡 （1-0.6）F1(1-0.75-0.24)F3F4 解得： F1=2667kg/h, F2=5000kg/h, F3=6667kg/h从上面的求解可知，系统变量为3个，因此有3个独立的方程式即可求解。在本题中，列出了四个方程式，这说明其中有一个是非独立方程。如果系统中有S个组分，按质量守恒定律可得到S+1个方程，但其中只有S个方程是独立的。,二、有多个设备过程的物料衡算对有多个设备的过程，进行物料衡算时，可以划分多个衡算体系。此时必须选择恰当的衡算体系，不
25、然会使计算繁琐，甚至无法求解。,对多个设备的过程，并非每个体系写出的所有方程式都是独立的；过程独立方程数最多=组分数设备数，过程由M个设备组成，有C个组分时则最多可能列出的独立物料衡算式的数目 = MC个。,例3、有两个蒸馏塔的分离装置，将含50苯、30甲苯和20(mol%)二甲苯的混合物分成较纯的三个馏分，其流程图及各流股组成如下图。计算蒸馏1000 mol/ h 原料所得各流股的量及进塔II物料的组成。,解：选1000mol/h进料为基准 设S2、S3表示各流股物料量，mol / h x3B、x3T表示流股3中苯、甲苯的组成。,该蒸馏过程中共可列出3组物料衡算方程，每组选三个方程（塔1、塔
26、2、整个体系）。即: 体系A（塔I）： 总物料 1000S2 S3 (1)苯 1000 0.5 0.95S2 x3B S3 (2)甲苯 1000 0.3 0.03S2 x3T S3 (3) 体系B（塔II）： 总物料 S3 S4 S5 (4)苯 x3B S3 0.03S4 0.0045 S5 (5)甲苯 x3T S3 0.95S4 0.43 S5 (6),体系C（整个过程）：总物料 1000 S2 S4 S5 (7)苯 1000 0.50.95S2 0.03S4 0.0045S5 (8)甲苯 1000 0.30.03S2 0.95S4 0.43S5 (9),以上9个方程，只有6个是独立的。因M
27、C=6.解题时可以任选二组方程。由(7)、(8)、(9)可求得：,S2 520 mol / h , S4 150 mol / h , S5 330 mol / h 再任选体系A或B的衡算方程，可解得： S3 480 mol / h，x3B0.0125，x3T0.5925，x3x0.395,作业. 有一个蒸馏塔，输入和输出物料量及组成如下图。输入物料中A组分的98.7自塔顶蒸出。求每千克输入物料可得到塔顶馏出物2的量及其组成。,35 有化学反应过程的物料衡算有化学反应的过程物料中的组分比较复杂。工业上的化学反应，各反应物的实际用量并不等于化学反应式中的理论量。为使所需的反应顺利进行，或使其中较贵
28、的反应物全部转化，常使价格低的反应物过量。因此使物料衡算比无化学反应过程的计算复杂。,一、反应转化率、选择性及收率等概念工业化学反应过程中，当反应原料的配比不按化学计量比时，据反应物的化学计量数大小可称其为限制反应物与过量反应物。 1、限制反应物不按化学计量比配料时，其中以最小化学计量数存在的反应物称为限制反应物。 2、过量反应物某种反应物的量超过限制反应物完全反应所需的理论量，该反应物称为过量反应物。,3、过量百分数：过量反应物超过限制反应物所需理论量的部分占所需理论量的百分数。若以Ne表示过量反应物的摩尔数，Nt表示与限制反应物完全反应所需的摩尔数，则过量百分数即为4、转化率：某反应物反应
29、掉的量占其输入量的百分数。对反应：aA+bB cC +dD ，若以NA1、NA2分别表示反应物A输入及输出体系的摩尔数，则反应物A的转化率为,5、选择性：生成目的产物所消耗反应物的量占反应掉量的百分数。a、d分别为反应物A与目的产物D的化学计量系数，则选择性为,6、收率：生成目的产物消耗反应物的量除以反应物的输入量,转化率、选择性与收率三者之间的关系为：Y = Sx,二、一般反应过程的物料衡算,1、直接求解法有些化学反应过程的物料衡算，仅有一个反应且只含一个未知量，这类问题比较简单，通常可根据化学反应式直接求解（直接由初始反应物组成计算反应产物组成,或由产物组成去反算所要求的原料组成） 。,例
30、4. 甲醇氧化制甲醛，其反应过程为：CH3OH+1/2O2HCHO+H2O反应物及生成物均为气态。甲醇的转化率为75%，若使用50%的过量空气，求反应后气体混合物的摩尔组成。,解：画出物料衡算流程图。,基准：1mol CH3OH 根据反应方程式，输入量：O2的量（需要）=0.5molO2的量（输入）=1.50.5=0.75(mol)N2的量（输入）= N2的量（输出）0.75(79/21)=2.82(mol),输出量： 因CH3OH为限制反应物 反应掉的CH3OH量 0.75 0.75(mol) 因此 HCHO的量（输出）=0.75(mol)CH3OH的量（输出）=1-0.75=0.25(mo
31、l)O2的量（输出）=0.75-0.750.5=0.375(mol)H2O的量（输出）=0.75(mol),计算结果(反应后气体混合物的组成)如下表所示,2、元素衡算法元素衡算是物料衡算的一种重要形式。在作这类衡算时，并不需要考虑具体的化学反应，而是按照元素种类被转化及重新组合的概念表示为：输入(某种元素)输出(同种元素)对反应过程中化学反应很复杂，无法用一、两个反应式表示的物料衡算题，可以列出元素衡算式，用代数法求解。,3、用联系物作衡算“联系物”是指随物料输入体系，完全不参加反应，又随物料从体系输出的组分，在整个反应过程中其数量不变。如果体系中存在联系物，那么输入物料和输出物料之间就可以根
32、据联系组分的含量进行关联。例如，F、P分别为输入、输出物料，T为联系物。T在F中的质量分数为xFT，在P中的质量分数为xPT，则F与P之间的关系为F xFTP xPT ，即：,用联系组分作衡算，尤其是对含未知量较多的物料衡算，可以使计算简化。,例5、某厂用空气氧化邻二甲苯生产苯酐，C8H10+3O2=C8H4O3+3H2O 原料流量为：205kg/h邻二甲苯，4500Hm3/h空气，从反应的计量关系可知，生成1mol苯酐需反应掉1mol邻二甲苯，经化验得到反应器出口气体的组成如下：,试计算： （1）邻二甲苯的转化率，苯酐的收率，反应的选择性； （2）苯酐的年产量（年工作日330天）。,解： 以
33、205kg/h邻二甲苯为基准，因尾气中含有大量的N2 ，且N2 为惰性组分，故选N2 作为物料衡算的联系物。进入反应器的空气中含有N2,设反应器出口气体的总流量为x kmol/h,则有：0.78x=159.1x=204kmol/h 故，反应器出口气体中含有邻二甲苯：2040.03%=0.06212kmol/h=6.5kg/h,反应器出口气体中含有苯酐：2040.65%=1.326kmol/h 故有（1）邻二甲苯转化率：苯酐收率：反应的选择性：（2）苯酐的年产量苯酐的分子量为148苯酐年产量=1.32624330148=1.554106kg/a,循环物料加到进料中循环使用的部分物料（产物）。过程
34、流程示意如下,三、具有循环系统的物料衡算,以整个过程为体系得总转化率x总，,当体系中仅有一个反应器时，则系统内反应掉A的量与反应器内反应掉A的量相同。,以反应器为体系得单程转化率x单，,具有循环过程的物料衡算通常可采用代数解法在循环存在时列出物料衡算方程式。一般方程式中以循环量作为未知数，应用联立方程的方法求解。对于只有一个或两个循环物流的简单情况，计算基准和系统边界选择适当常常可使计算简化。一般在衡算时，先进行总的过程衡算，再对循环系统列出方程式求解。,单程转化率指物料通过反应器一次所达到的转化率；总转化率指新鲜原料从进入系统起到离开系统止所达到的转化率。,例6 、 苯直接加H2转化为环己烷
35、，产量为100kmol/h。输入系统中的苯有99%反应生成环己烷，进入反应器物流的组成为80%H2和20%C6H6（摩尔分数、下同），产物物流中含有3%的H2。试计算： 产物物流的组成； 新鲜H2和C6H6的进料速率； H2的循环速率。流程示意图见下图：,解：取产物中环己烷100kmolh作计算基准、取整个过程为衡算体系. 化学反应： C6H63H2C6H12,产物组成，已知产物物流中环己烷为100kmol/h，苯的转化率为99%，故生产100 kmol/h环己烷需苯：100/0.99=101.01(kmol/h) 未反应的苯量为：101.01100=1.01(kmol/h) 产物中含H2 3
36、%，设其摩尔含量为nH2nH2=3.12kmol/h 总产物量=1001.013.12=104.13 (kmol/h) 产物中C6H12、C6H6、H2的摩尔分数分别为0.96、0.01、0.03。,（2）苯和氢的进料速率 苯进料速率F1101.01kmol/h 氢进料速率F23F199+F43303.12kmol/h,（3）H2的循环速率R 以节点B作为衡算对象对H2作衡算：F2+R=80F3,思考题 6、解释限制反应物、过量反应物、过量百分数、转化率、选择性、收率等概念。 7、一般反应过程的物料衡算方法通常有那些？ 8、单程转化率、总转化率。,作业.邻二甲苯氧化制苯酐,反应式为: C8H1
37、0+3O2C8H4O3+3H2O,设邻二甲苯的转化率为60%,氧用量为实际反应用量的150%,若邻二甲苯的投料量为100kg/h,作物料衡算. 作业.甲烷和氢的混合气与空气完全燃烧以加热锅炉，反应方程式如下:CH4+2O2 2H2O+CO2 (1)H2+1/2O2H2O (2) 产生的烟道气经分析其组成为: x(N2) =0.7219, x(CO2)=0.0812, x(O2) =0.0244，x(H2O)=0.1725. 求: (1)燃料中CH4和H2的摩尔比;(2)空气与(CH4+H2)的摩尔比。,解:选邻二甲苯进料量100kg/h为计算基准为利用化学计量系数，将进料量换算为kmol,取氧
38、在空气中的体积分数为.21,氮为0.79 进料：邻二甲苯 100/1060.94kmol/h氧 0.9440.63150%=2.55kmol/h 出料： 苯酐 0.9440.6148=83.83kg/h水 0.9440.6318=30.6kg/h剩余邻二甲苯 1000.4=40kg/h剩余氧 (2.55-0.9440.63) 32=27.22kg/h剩余氮 2.5579/2128=268.6kg/h计算结果列表,解画衡算简图：,取100mol烟道气作基准,各组分的摩尔分数见上图，进入燃烧室的空气含氧量可用N2作联系物求出,即:n(O2)=1000.72190.21/0.79=19.19mol,
39、CH4+2O2 2H2O+CO2 (1)H2+1/2O2H2O (2),由反应式2知，燃料中氢的含量为：n(燃料中,H2)=0.512=1.02mol 计算结果列表 燃料中甲烷与氢的摩尔比为：n(CH4,燃料):n(H2,燃料:=8.12/1.02=7.96 空气(O2+N2)与燃料中(CH4+H2)的摩尔比为:n(O2+N2,空气):n(CH4+H2,燃料)=91.38/9.14=9.998,烟道气所含8.12mol的CO2是由CH4燃烧而来的,从反应式1可知甲烷的消耗量为8.12mol,甲烷燃烧所需氧的量为8.122=16.24mol,因此氢燃烧所消耗的氧的量为： n(H2燃烧,O2)=1
40、9.19-2.44-16.24=0.51mol,物料衡算完成后，对于没有传热要求的设备，可以由物料处理量、物料的性质及工艺要求进行设备的工艺设计，以确定设备的型式、台数、容积及主要尺寸；对于有传热要求的设备，则必须通过热量衡算才能确定设备的主要工艺尺寸。,第四节 热量衡算,全面的能量衡算应包括热能、动能、电能、化学能等，因在化工生产中经常涉及的能量是热能，故化工设计中的能量衡算主要是热量衡算。,通过计算过程能耗指标进行方案比较，选定先进生产工艺。热量衡算数据是设备选型和计算的依据，是组织、管理、生产、经济核算和最优化的基础。通过热量衡算可确定设备的热负荷。进而确定传热面的型式、计算传热面积、确
41、定设备的主要工艺尺寸、传热所需要的加热剂或冷却剂的用量。,4-1、热量衡算在化工设计中的意义,在化工设计中，通过热量衡算可得到以下各设计参数： 1、换热器的热负荷 2、反应器的换热量 3、吸收塔冷却装置的热负荷 4、冷激式多段绝热固定床反应器的冷激剂用量 5、加热蒸汽、冷却水、冷冻盐水的用量 6、有机高温热载体和熔盐的循环量 7、冷冻系统的制冷量和冷冻剂循环量,4-2 热量平衡方程式Q1物料带入设备的热量，kJ； Q2加热剂或冷却剂传给设备及所处理物料的热量，kJ； Q3过程的热效应，kJ；（注意符号规定） Q4物料带出设备的热量，kJ； Q5加热或冷却设备所消耗的热量或冷量，kJ； Q6设备
42、向环境散失的热量，kJ。,注意各Q的符号规定 Q2为设备的热负荷。若Q2为正值，需要向设备及所处理的物料提供热量；反之，表明需要从设备及所处理的物料移走热量。 对间歇操作，按不同的时间段分别计算Q2的值，并取其最大值作为设备热负荷的设计依据。,各项热量的计算 1、计算基准 一般情况下，可以0和1.013105 Pa为计算基准 有反应的过程，也常以25和1.013105Pa为计算基准。 2、Q1或Q4的计算 无相变时,式中T采用何种应由经验式中T的温标而定。,物料的恒压热容与温度的函数关系常用多项式来表示：,若知物料在所涉及温度范围内的平均恒压热容，则：,CP可以是t0和t2下恒压热容的算术平均
43、值，也可取t0和t2平均温度下的恒压热容。恒压下Q实质为焓值或焓变（基准态焓值为0）。,3、Q3的计算 过程的热效应由物理变化热QP和化学变化热QC两部分组成。,物理变化热是指物料的浓度或状态发生改变时所产生的热效应。若过程为纯物理过程，无化学反应发生，如固体的溶解、硝化混酸的配制、液体混合物的精馏等，则 QC0 。化学变化热是指组分之间发生化学反应时所产生的热效应，可根据物质的反应量和化学反应热计算。,4、Q5的计算（加热或冷却设备所消耗的热量或冷量）,稳态操作过程 Q50 非稳态操作过程由下式求Q5 Q5=GCP（t2-t1) G设备各部件的质量，kg； Cp设备各部件材料的平均恒压热容，
44、kJkg-1-1； t1设备各部件的初始温度，； t2设备各部件的最终温度，。与其他各项热量相比，Q5的数值一般较小，因此，Q5常可忽略不计。,5、Q6（设备向环境散失的热量）通常取经验值。,1、热量衡算的步骤 (1) 明确衡算目的，如通过热量衡算确定某设备或装置的热负荷、加热剂或冷却剂的消耗量等。 (2) 明确衡算对象，划定衡算范围，并绘出热量衡算示意图 (3) 搜集有关数据由手册、书籍、数据库查取；由工厂实际生产数据获取；通过估算或实验获得。,4-3 热量衡算的基本方法和步骤,（4）选定衡算基准同一计算要选取同一基准，且使计算尽量简单方便。 （5）列出热量平衡方程式，计算各种形式的热量。
45、（6）编制热量平衡表，并检查热量是否平衡 （7）求出加热剂或冷却剂的用量 （8）求出单位产品的能量消耗定额、每小时、每天及每年的消耗量。,44 无化学反应过程的热量衡算,无化学反应过程的热量衡算，一般用于计算指定条件下进出过程物料的焓差，用来确定过程的热量。可设计途径计算焓差。,为了计算一个过程的H ，可以用假想的由始态到终态几个阶段来代替原过程，这些阶段的焓变应该是可以计算的，所需的数据也是可以得到的。由于焓是状态函数，所以每一阶段的 H之和即为全过程的H。,1、无相变的热量衡算,2、相变过程的热量衡算,汽化和冷凝、熔化和凝固、升华和凝华这类相变过程往往伴有显著的焓变，这种变化常成为过程热量
46、的主体，不容忽视。,在恒定的温度和压力下，单位质量或摩尔的物质发生相变时的焓变称为相变热。, 汽化潜热(Hv）：当T和P不变，单位数量的液体汽化所需的热量。 熔化潜热(Hm)： 当T和P不变，单位数量的固体熔化所需的热量。 升华潜热(Ht）：当T和P不变，单位数量的固体气化所需的热量。,相变热的获得方法：1) 纯物质正常沸点或熔点下的相变热可查手册。2) 用经验方程计算相变热。,例如汽化热 由已知温度的汽化热求另一温度的汽化热,液体在沸点下的汽化热,由对比压力对比温度求汽化热,3）设计途径计算相变热如由已知T1、P1下的汽化热求T2、P2下的汽化热,45 化学反应过程的热量衡算,化学反应过程通
47、常都伴随较大的热效应吸热或放热。为了使反应温度得到控制，必须自反应体系排走热量或向反应体系供给热量，即反应器必须有换热设备，这种措施不但成为反应能否进行的关键，也与能量的合理利用有密切关系。,1、反应热及其表示 恒温恒压反应热 QpHr,2、反应热的计算,反应热可以用实验方法测定，也可以用已有的实验数据进行计算。根据盖斯定律，化学反应热只决定于物质的初态和终态，与过程的途径无关，反应热可用简单的热量加和法求取。,（1）由标准生成热 计算标准反应热产物i（ ）i 反应物i( )i （2）由标准燃烧热 计算标准反应热反应物i( )i产物i( )i,3、伴有化学反应过程的热量衡算,进行伴有化学反应过
48、程的热量衡算时应根据能得到的反应热数据来假设热力学途径。一般有两种情况：,（1） 若已知25的反应热数据，则可选298K，latm为反应物及产物的计算基准。假设如下热力学途径。,（2） 若已知反应温度下的反应热数据，则可选反应温度为计算基准，可假设如下热力学途径。,例题： 乙醇脱氢生产乙醛，副产乙酸乙酯，已知原料为无水乙醇(纯度以100%计)，流量为1000kgh-1，其转化率为95%，乙醛选择率为80%，物料衡算数据如下表所示。乙醇的进料温度为300，反应产物的温度为265，乙醇脱氢制乙醛反应的标准反应热为-69.11kJmol-1(吸热)，乙醇脱氢生成副产物乙酸乙酯的标准反应热为-21.91kJmol-1(吸热)，设备表面向周围环境的散热量可忽略不计。试对乙醇脱氢制乙醛过程进行热量衡算。,
