化工设计第4章 设备的工艺设计及化工设备图ppt 2.docx

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化工设计第4章设备的工艺设计及化工设备图ppt2

化工设计

DesignofChemicalEngineering

青岛科技大学化工学院

第三部分

3物料衡算和能量衡算

基本要求

（1）掌握化工过程的特点

（2）熟练应用化工基础数据

（3）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

§3-1化工过程及过程参数 

术语和基础知识

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。

一、化工过程

　　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。

主要操作：

化学反应；

分离或提纯；

改变温度；

改变压力；

混合等

注意理解两点：

1、分析化学是一种方法学，研究方法、技术及其理论。

2、应用这些方法与理论对物质的组成与结构进行分析，并表征物质作用过程的动态行为。

１.化学反应（整个化工过程的核心）

　　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。

注意理解两点：

1、分析化学是一种方法学，研究方法、技术及其理论。

2、应用这些方法与理论对物质的组成与结构进行分析，并表征物质作用过程的动态行为。

２.分离或提纯

　　分离过程通常只是一种物理过程，不发生化学反应。

　　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。

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。

　　回收热量使热量充分利用，是化工厂提高经济效益的一个重要措施。

注意理解两点：

1、分析化学是一种方法学，研究方法、技术及其理论。

2、应用这些方法与理论对物质的组成与结构进行分析，并表征物质作用过程的动态行为。

４.改变压力

　化学反应有气体时，如：

　压力增高，氨的平衡产率就增加。

除此之外物质的相态变化，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（与分离相反的过程）

　　通常不消耗能量

　　为加速混合使用搅拌器，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。

注意理解两点：

1、分析化学是一种方法学，研究方法、技术及其理论。

2、应用这些方法与理论对物质的组成与结构进行分析，并表征物质作用过程的动态行为。

二、 化工工艺流程

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。

三、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。

化工过程开发，首先是决定于化学反应的可能性、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、材料是否可行。

最终取决于是否有经济效益。

化工过程开发的第一步就是要设计一个流程图。

选择一个安全、可靠、经济效益高的最佳方案。

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。

（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）输送、反应技术、分离技术等。

（3）机械设备、仪表及控制手段——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。

四、过程参数

在化工生产过程中，能影响过程运行和状态的物理量，如温度、压力、流量及物料的百分组成或浓度等，在指定条件下它的数值恒定，条件改变其数值也随之变化，这些物理量称为过程参数。

这些参数也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。

§３-2化工基础数据

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，需要用到密度或比容、沸点、蒸汽压、焓、热容及生成热等等的物性数据；设计一个反应器时，则需要知道化学反应热的数据；计算传热过程时，需要导热系数的数据等等。

　　　化工基础数据：

物化数据或物性数据

注意理解两点：

1、分析化学是一种方法学，研究方法、技术及其理论。

2、应用这些方法与理论对物质的组成与结构进行分析，并表征物质作用过程的动态行为。

一、分类

１.基本物性数据—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、气一液平衡关系等。

２.热力学物性数据—如内能、焓、熵、热容、相变热、自由能、自由焓等。

３.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，化学平衡常数等。

４.传递参数—如粘度、扩散系数、导热系数等。

二、化工基础数据获取方法

1、查手册或文献资料

2、估算。

3、用实验直接测定。

例如：

（l）ChemicalEngineer’sHandbook,6thEdition,R.H.PerryandC.H.Chiton,Eds.,McGrawHill,1984.

（2）Handbookofchemistryandphysics,66thEdition,R.C.Weast.ed.,chemicalRubberPublishingCompany,1985一1986.

上述手册中收集了许多物质的物性数据及图表例如，例如：

HandbookofchemistryandPhysics中约有17000种有机与无机化合物的物性数据一分子量、正常沸点、正常熔点、密度（室温下）、折光指数、以及物质在不同溶剂中的溶解度等。

中文的手册有：

（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，1980

（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

（3）《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

《化学工程手册》是一本通用性的工作手册。

全书共分26篇。

第一篇为化工基础数据，其中内容取材注意结合国内情况及已取得的成果，并吸收国外有关的技术数据。

《化工工艺设计手册》是针对化工设计工作人员所需技术资料而编写的全书分上、下两册共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以及常用工程材料、管道管件等三个部份。

《化工工艺算图》是汇编了根据公式和实验数据绘制的图册，共有算图达1000余种全书共分6册，第一册是常用物料物性数据（多数以实验数据绘制），第二册是物性数据计算（根据公式绘制）利用算图计算，查阅简捷，使用方便，可以避免繁琐的计算。

§3-3　物料衡算

物料衡算是化工计算中最基本、也是最重要的内容之一，它是能量衡算的基础。

　　物料衡算有两种情况：

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，对生产情况进行分析、作出判断、提出改进措施。

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。

　　　理论依据：

质量守恒定律

注意理解两点：

1、分析化学是一种方法学，研究方法、技术及其理论。

2、应用这些方法与理论对物质的组成与结构进行分析，并表征物质作用过程的动态行为。

一、物料衡算式

1、化工过程的类型

　　两种分类方法：

间歇操作、连续操作以及半连续操作

稳定状态操作和不稳定状态操作

闻歇操作过程：

原料在生产操作开始时一次加入，然后进行反应或其他操作，一直到操作完成后，物料一次排出，即为间歇操作过程。

此过程的特点是在整个操作时间内，再无物料进出设备，设备中各部分的组成、条件随时间而不断变化。

连续操作过程：

在整个操作期间，原料不断稳定地输入生产设备，同时不断从设备排出同样数量（总量）的物料。

设备的进料和出料是连续流动的，即为连续操作过程。

在整个操作期间，设备内各部分组成与条件不随时间而变化。

半连续操作过程：

操作时物料一次输入或分批输入，而出料是连续的，或连续输入物料，而出料是一次或分批的。

稳定状态操作过程或称稳定过程：

整个化工过程的操作条件（如温度、压力、物料量及组成等）如果不随时间而变化，只是设备内不同点有差别。

不稳定状态操作过程或称不稳定过程：

操作条件随时间而不断变化。

2、物料衡算式

首先确定衡算的体系

物料衡算关系式：

注：

１.对反应物作衡算时，由反应而消耗的量，应取减号；对生成物作衡算时，由反应而生成的量，应取加号。

　２.物料平衡指质量平衡，不是体积或物质的量平衡。

如：

对于连续不稳定过程，由于该过程内物料量及组成等随时间而变化，因此，物料衡算式须写成以时间为自变量的微分方程，表示体系内在某一瞬时的平衡。

二、物料衡算的基本方法

1、画物料流程简图。

2、计算基准及其选择。

　进行物料、能量衡算时，必须选择一个计算基准。

从原则上说选择任何一种计算基准，都能得到正确的解答。

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。

根据不同过程的特点，选择计算基准，注意：

（1）应选择一只变量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、压力）已定，可选体积作基准。

3.物料衡算步骤

（1）搜集计算数据。

（2）画出物料流程简图。

（3）确定衡算体系。

（4）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。

（5）选择合适的计算基准，并在流程图上注明所选的基准值。

（6）列出物料衡算式，然后用数学方法求解。

（7）将计算结果列成输入－输出物料表（物料平衡表）。

（8）校核计算结果

三、无化学反应过程的物料衡算

１.简单过程的物料衡算

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。

这种过程的物料衡算比较简单，在物料流程简图中，设备边界就是体系边界。

例1：

一种废酸，组成为23％（质量％）HNO3，57％H2SO4和20％H2O，加入93％的浓H2SO4及90％的浓HNO3，要求混合成27％HNO3及60％H2SO4的混合酸，计算所需废酸及加入浓酸的数量。

２.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，这是很重要的步骤。

不然会使计算繁琐，甚至无法求解。

例2：

四、有化学反应过程的物料衡算

１.反应转化率、选择性及收率等概念

（1）限制反应物：

化学反应原料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：

不按化学计量比配料的原料中，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。

（4）转化率（以x表示）：

某一反应物反应掉的量占其输入量的百分数。

应用时必须指明某个反应物的转化率。

若没有指明时，则往往是指限制反应物的转化率。

（5）选择性（以S表示）：

反应物反应成目的产物所消耗的量占反应物反应掉的量的百分数。

若反应物为A，生成的目的产物为D，ND表示生成的目的产物D的摩尔数，α、d分别为反应物d与目的产物D的化学计量系数，则选择性为

式中NA1－NA2为反应物A反应掉的摩尔数。

转化率与选择性是反应过程的两个主要技术指标。

（6）收率（以Y表示）：

目的产物的量除以反应物（通常指限制反应物）输入量，以百分数表示。

它可以用物质的量（摩尔数）或质量进行计算。

转化率、选择性与收率三者之间的关系为

Y=S·x

２.　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，有时只含一个未知量或组成，这类问题比较简单，通常可根据化学反应式直接求解，不必列出衡算式。

（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）用联系组分作衡算

“联系组分”是指随物料输入体系，但完全不参加反应，又随物料从体系输出的组分，在整个反应过程中，它的数量不变。

如果体系中存在联系组分，那么输入物料和输出物料之间就可以根据联系组分的含量进行关联。

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。

例如，F、P分别为输入、输出物料，T为联系组分。

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：

FxFT＝PxPT，即

选择联系组分时，如果体系中存在数种联系组分，那么，此时就要选择一个适宜的联系组分，或联合采用以减小误差。

但是，应该注意，当某个联系组分数量很小，而且此组分的分析相对误差又较大时，则不宜选用。

（４）具有循环、排放即旁路过程的物料衡算

这类过程的物料衡算与以上介绍的方法相类似，只是需要先根据已知的条件及所求的未知量选择合适的衡算体系，列出物料衡算式再求解。

如果存在联系组分，则可以利用联系组分计算。

有循环的过程，转化率常分为单程转化率与总转化率：

单程转化率是以反应器为体系，总转化率是以整个过程为体系。

P

循环过程在稳定状态下操作时，物料的质量既不积累也不消失，各流股的组分恒定。

但是，如果原料中含有不反应的杂质或惰性物质，经长时间的循环会使其浓度逐渐增加，因此就必须把一部分循环物料不断地排放掉，以维持进料中杂质的含量不再增大。

通常对有循环过程的物料衡算，若已知总转化率，可以先做总物料衡算；若已知单程转化率，则可以先从反应器衡算做起。

例题

例３-１

解题过程见书P58

注：

约束式和设计变量的确定方法参见P58；

检验化学反应方程式是否线性无关（行列式的计算）。

习题：

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。

§3-4能量衡算

一、能量衡算的基本概念

1.能量的形式

能量衡算也要用到守恒的概念。

能量形式和表示的方法：

动能（Ek） 运动着的流体具有动能；

位能（EP） 物体自某一基准面移高到一定距离，由于这种位移而具有的能量。

静压能（Ez）流体由于一定的静压强而具有的能量。

内能（U）  内能是指物体除了宏观的动能和位能外所具有的能量。

2.几个与能量衡算有关的重要物理量

（1）热量（Q）

温度不同的两物体相接触或靠近，热量从热（温度高）的物体向冷（温度低）的物体流动，这种由于温度差而引起交换的能量，称为热量。

注：

第一，热量是一种能量的形式，是传递过程中的能量形式；

第二，一定要有温度差或温度梯度，才会有热量的传递。

（2）功（W）

功是力与位移的乘积。

在化工中常见的有体积功（体系体积变化时，由于反抗外力作用而与环境交换的功）、流动功（物系在流动过程中为推动流体流动所需的功）以及旋转轴的机械功等。

以环境向体系作功为正、反之为负。

功和热量都是能量传递的两种不同形式，它们不是物系的性质，因此不能说体系内或某物体有多少热量或功。

功和热量的单位在SI制中为焦耳，除此以外，公制中的卡或千卡、英制中的英热单位（Btu）还常有使用，应注意它们之间的换算关系。

1cal=4.187KJ

lBtu（BritishThermalUnit英热单位）＝252cal（卡）

（3）焓（H）

H＝U＋PV

H=H（T，P）

恒压热容，CP

多数情况焓差：

（4）热容

热容是一定量的物质改变一定的温度所需要的热量，可以看作是温度差∆T和引起温度变化的热量Q之间的比例常数，

即Q＝mC∆T

二、能量衡算的基本方法及步骤

根据能量守恒原理，能量衡算的基本方法可表示为：

输入的能量一输出的能量＝积累的能量

上式中各项指的都是“总能量”，因为总能量中某部分能量并不总是守恒的。

1、总能量衡算

连续稳定流动过程的总能量衡算

∆H+∆Ek+∆EP＝Q+W

间歇过程的总能量衡算

∆U+∆Ek+∆EP＝Q+W

一般间歇操作，能量、位能差项等于零，即∆Ek＝0，∆EP＝0，所以上式又可简化为

∆U＝Q+W

此式即为热力学第一定律的数学式，此处W的符号以环境向体系作功为正。

2、热量衡算

热量衡算式

Q=∆H=H1–H2

Q=∆U=U1–U2 （间歇过程）

热量衡算就是计算在指定的条件下进出物料的焓差，从而确定过程传递的热量。

在实际计算时，由于进出设备的物料不止一个，因此可改写为：

ΣQ=ΣH1–ΣH2

或   ΣQ=ΣU1–ΣU2 

热量衡算的基本方法及步骤

热量衡算有两种情况：

一种是在设计时，根据给定的进出物料量及已知温度求另一股物料的未知物料量或温度，常用于计算换热设备的蒸汽用量或冷却水用量。

另一种是在原有的装置上，对某个设备，利用实际测定（有时也要作一些相应的计算）的数据，计算出另一些不能或很难直接测定的热量或能量，由此对设备作出能量上的分析。

如根据各股物料进出口量及温度，找出该设备的热利用和热损失情况。

热量衡算也需要确定基准，画出流程图，列出热量衡算表等。

基本步骤为：

3、机械能衡算

在反应器、蒸馏塔、蒸发器、换热器等化工设备中，功、动能、位能的变化，较之传热量、内能和焓的变化，是可以忽略的。

因此作这些设备的能量衡算时，总能量衡算式可以简成Q=∆U（封闭体系）或Q=∆H（敞开体系）。

但在另一类操作中，情况刚好相反，即传热量、内能的变化与动能变化、位能变化、功相比，却是次要的了。

这些操作大多是流体流入流出贮罐、贮槽、工艺设备、输送设备、废料排放设备。

或在这些设备之间流动。

连续稳定流动过程总能量衡算式：

∆H＋∆u2/2＋g∆Z＋∆（PV）＝Q＋W

1千克不可压缩流体流动时的机械能衡算式：

∆P/ρ＋∆u2/2＋g∆Z＋F＝W

三、无化学反应过程的能量衡算

无化学反应过程的能量衡算，一般应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。

途径中各个阶段的类型，不外乎下面五种：

1.恒温时压力的变化；

2.恒压时温度的变化；

3.恒温时相态的变化；

4.两个或两个以上物质在恒压恒温时的混合和分离；

5.恒温恒压时的化学反应过程。

1、无相变的变温变压过程

2、相变过程的能量衡算

在恒定的温度和压力下，单位质量或摩尔的物质发生相的变化时的焓变称为相变热。

三种相变的相变热：

①汽化潜热（∆Hv）

②熔化潜热（∆Hm）

③升华潜热（∆Ht）

相变热获得方法：

纯物质正常沸点（熔点）相变热查手册。

设计途径求算。

用经验方程计算相变热。

热量衡算的基准：

数量基准、温度基准和相态基准。

数量基准是指选那个量作基准来衡算热量。

对于连续操作一般以单位时间进料量（即进料速率）为基准，而温度和相态基准的确定才能从有关手册中查得相关的热力学数据以便用于衡算。

例在一热交换器中用压强为136kpa的饱和蒸汽加热298k的空气，空气流量为1kg/s，蒸汽的流量为0.01kg/s，冷凝水在饱和温度381K下排出。

若取空气的平均比热为1.005kJ/kg·k，试计算空气出口温度（热损失忽略不计）。

解：

过程如图示：

数量基准:

每秒钟蒸汽、空气的流量

温度基准:

取进口空气温度298K，因而其焓为零，即H冷空气=0

相态基准:

压强为136kpa的饱和蒸汽，查得其焓

H蒸汽.381K=2690KJ/kg，同时查得

H冷凝水381K=452.9KJ/kg

衡算范围封闭虚线所示范围

    对此连续稳定过程ΣQ入=ΣQ出

  其中：

  ΣQ入=ΣQ蒸汽+ΣQ冷空气=0.01×H蒸汽+1×H冷空气

ΣQ出=ΣQ热空气+ΣQ冷凝水=1×1.005（T-298）+0.01×H冷凝水

       T：

热空气温度

  将数据代入解得T=320.3K

四、化学反应过程的能量衡算

化学反应过程通常都伴随较大的热效应——吸收热量或放出热量。

象邻二甲苯氧化制苯二甲酐、乙烯氧化制氧化乙烯这些主要的工业过程，就是放热反应，乙苯脱氢制苯乙烯就是吸热反应。

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，即反应器必须有供热或冷却用的换热设备，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

恒压反应热      Qp＝∆Hr

恒容反应热      Qv＝∆Ur（T）

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（Hess）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∆Hfo计算标准反应热∆Hro

∆Hro＝Σ产物μi（∆Hfo）i－Σ反应物μi（∆Hfo）i

（2）由标准燃烧热∆Hco计算标准反应热∆Hro

∆Hro＝Σ反应物μi（∆Hco）i－Σ产物μi（∆Hco）i

3、化学反应过程的能量衡算

计算∆H的方法：

（1）第一种基准

如果已知标准反应热，则可选298K，latm为反应物及产物的计算基准。

对非反应物质另选适当的温度为基准（如反应器的进口温度，或平均热容表示的参考温度）。

P64例3-4

基本公式：

P64例3-4

3、化学反应过程的能量衡算

计算∆H的方法：

（2）第二种基准

以组成反应物及产物的元素，在25℃，1atm时的焓为零，非反应分子以任意适当的温度为基准，也要画一张填有所有流股组分ni和Hi的表，只是在这张表中反应物或产物的Hi，是各物质25℃的生成热与物质由25℃变到它进口状态或出口状态所需显热和潜热之和。

P66例3-5

基本公式：