化工设计第五章化工计算ppt课件

1、*设计概论化工制图 *设计概论化工制图 工厂基本建设过程工厂基本建设过程 1、可行性研究、可行性研究 2、初步设计、初步设计 3、施工图设计、施工图设计 4、施工、试车、施工、试车、 验收验收 1、厂址选择、厂址选择 2、总平面设计、总平面设计 3、工艺设计、工艺设计1 1、工艺流程设计、工艺流程设计2 2、化工计算、化工计算3 3、设备的选型与设计、设备的选型与设计4 4、车间布置设计、车间布置设计5 5、管道设计、管道设计6 6、公用工程、公用工程7 7、向有关专业提供条件、向有关专业提供条件8 8、工程概预算、工程概预算9 9、技术经济分析、技术经济分析1010、安全生产与环境保护、安全

2、生产与环境保护*设计概论化工制图 第五章第五章 化工计算化工计算 第一节第一节 化工过程化工过程一、化工过程分类一、化工过程分类 1、化学反应、化学反应:有新物质生成的变化类型。有新物质生成的变化类型。 2、分离或提纯、分离或提纯:利用相变如利用相变如 蒸馏蒸馏,结晶结晶,萃取。萃取。 3、混合、混合:利于加速传热传质利于加速传热传质,溶液溶液,乳浊液乳浊液,悬悬 浮液。浮液。 4、输送、输送:液体输送液体输送,机械输送机械输送,风力输送。风力输送。 5、温度、压力和相变、温度、压力和相变:温度可使物质产生相变如冷凝温度可使物质产生相变如冷凝,蒸发蒸发,熔化。温度可改变粘度熔化。温度可改变粘度

3、,溶解度溶解度, 表面张力。压力对气体在液体中的溶解度有表面张力。压力对气体在液体中的溶解度有 很大影响。很大影响。*设计概论化工制图 二、化工过程综合二、化工过程综合 1 1、过程综合要求、过程综合要求: :提出几个方案。提出几个方案。 2 2、过程分析和优化、过程分析和优化: :使设备费和操作费最低。使设备费和操作费最低。 3 3、过程选择、过程选择: :对比方案对比方案, ,选择最好方案。选择最好方案。三、化工过程参数三、化工过程参数 1 1、温度、温度 2 2、压力、压力 3 3、流量、流量 4 4、组成、组成*设计概论化工制图 第二节第二节 物料衡算物料衡算一、物料衡算的意义和作用一

4、、物料衡算的意义和作用 物料衡算是化工计算中最基本、最重要物料衡算是化工计算中最基本、最重要的内容之一，是进行化工计算的基础。对工厂的内容之一，是进行化工计算的基础。对工厂技术经济指标有举足轻重的影响。技术经济指标有举足轻重的影响。二、物料平衡方程式二、物料平衡方程式 1 1、普遍应用的平衡式、普遍应用的平衡式 输入量输入量+ +产生量产生量- -输出量输出量- -消耗量消耗量= =累积量累积量 2 2、连续稳定过程的平衡式、连续稳定过程的平衡式 输入量输入量+ +产生量产生量= =输出量输出量+ +消耗量消耗量 3 3、间歇过程的平衡式、间歇过程的平衡式 初始输入量初始输入量+ +产生量产生

5、量= =最终输出量最终输出量+ +消耗量消耗量*设计概论化工制图 三、物料衡算的方法和步骤三、物料衡算的方法和步骤 1 1、收集计算数据、收集计算数据: : 原料原料, ,辅料辅料, ,中间产物中间产物, ,产品的规格。单位时间产品的规格。单位时间 流量。消耗定额。转化率流量。消耗定额。转化率, ,选择性选择性, ,收率。物收率。物 理化学常数。理化学常数。 2 2、画物料流程图、画物料流程图: :物料衡算方框图。物料衡算方框图。 3 3、确定衡算范围、确定衡算范围: :假设一独立体系。假设一独立体系。 4 4、选定计算基准、选定计算基准:100kg kg/h:100kg kg/h。 5 5、

6、列出输入、列出输入-输出物料平衡表：输出物料平衡表： *设计概论化工制图 例例5-1 5-1 用恒沸蒸馏法用恒沸蒸馏法, ,将含有将含有9595的乙醇水溶液的乙醇水溶液制成浓度达制成浓度达99.999.9乙醇水溶液乙醇水溶液, ,以苯作溶剂。以苯作溶剂。其流程及各物流的组成如图其流程及各物流的组成如图5-25-2所示。试计算所示。试计算每生产每生产100100吨吨99.999.9乙醇水溶液乙醇水溶液, ,应向塔应向塔A A加入加入的的: : (1)95 (1)95的乙醇水溶液量的乙醇水溶液量;(2);(2)苯量。苯量。 *设计概论化工制图 例5-1水苯乙醇%1%5 .84%5 .14水苯乙醇%

7、4 . 7%1 .74%5 .18苯乙醇%5 .59%5 .40水乙醇%5%95水乙醇%95%5水苯乙醇%36%11%53吨水乙醇100%1 . 0%9 .99*设计概论化工制图 设设:x=:x=苯的输入量苯的输入量;y= 95;y= 95乙醇输入量乙醇输入量;z= 5;z= 5乙醇输出量。乙醇输出量。 三个组分三个组分, ,三个未知数三个未知数, ,可列出三个方程求解。可列出三个方程求解。 1) 1)苯的衡算苯的衡算 x = 0 x = 0 2) 2)乙醇的衡算乙醇的衡算 0.95y = 0.999(100) + 0.05z 0.95y = 0.999(100) + 0.05z 3) 3)总

8、的物料衡算总的物料衡算 x + y = 100 + z x + y = 100 + z 上三式联立求解得上三式联立求解得: : x=0 y=105.44( x=0 y=105.44(吨吨) z=5.44() z=5.44(吨吨) ) 答答: :应向塔应向塔A A加入加入9595的乙醇水溶液的乙醇水溶液105.44105.44吨吨; ;苯苯为零。为零。*设计概论化工制图 输入输入输出输出95乙醇乙醇-合计合计*设计概论化工制图 第三节第三节 能量衡算能量衡算能量衡算应用在如下几方面能量衡算应用在如下几方面 1 1、确定功率、确定功率: : 流体输送流体输送, ,搅拌搅拌, ,过滤过滤, ,粉碎等

9、单元操作所需粉碎等单元操作所需 功率。功率。 2 2、确定热量和冷量、确定热量和冷量: : 如蒸发如蒸发, ,蒸馏蒸馏, ,冷凝冷凝, ,冷却所需热量和冷量。冷却所需热量和冷量。 3 3、确定供热速率及放热速率、确定供热速率及放热速率: : 化学反应热效应。化学反应热效应。 4 4、确定节能措施、确定节能措施: : 充分利用余热充分利用余热, ,降低能耗。降低能耗。*设计概论化工制图 一、能量的形式和概念 1、动能K） 表示物体作相对于环境运动所具有的能量。 2、势能Z） 表示物体在重力场中受重力作用而具有的能量。 3、内能U） 表示物体内分子、原子能量的宏观尺度。 4、热Q） 物体与环境之间

10、由于温差而引起传递的能量。 5、功W） 物体与环境之间由于矢量位移而引起传递的能量。221mvk mghz *设计概论化工制图 二、能量平衡方程式 1、能量衡算的基本方程式 输入的能量-输出的能量=累积的能量 2、间歇过程的能量平衡方程式 U=Q-W 3、连续稳定流动过程的能量平衡方程式 输入的总能量=输出的总能量 H=Q-W 4、机械能平衡方程式 伯努利方程式 WQZKH0212wbLpuCugzpb221*设计概论化工制图 三、热量衡算三、热量衡算 在能量衡算中在能量衡算中, ,不讨论能量转换不讨论能量转换, ,只考虑热量只考虑热量变化的衡算称为热量衡算。变化的衡算称为热量衡算。1 1、热

11、平衡方程式、热平衡方程式 1) 1)等压过程等压过程, ,只做膨胀功只做膨胀功( (如连续过程如连续过程) )热量衡热量衡算式为：算式为： H=HH=H出出HH入入QQ 2) 2)非流动体系非流动体系, ,忽略动能和势能忽略动能和势能( (如间歇过程如间歇过程) )： U=UU=U出出UU入入QQ 3) 3)普遍应用的平衡式：普遍应用的平衡式： Q1( Q1(物料物料)+Q2()+Q2(介质介质)+Q3()+Q3(反响反响)=Q4()=Q4(物物料料)+Q5()+Q5(设备设备)+Q6()+Q6(损失损失) )*设计概论化工制图 2 2、热量衡算的方法和步骤、热量衡算的方法和步骤 1) 1)分

12、析各股物料之间热平衡关系分析各股物料之间热平衡关系 2) 2)收集计算数据收集计算数据 3) 3)标绘热量衡算示意图标绘热量衡算示意图 4) 4)确定衡算范围确定衡算范围 5) 5)选定计算基准选定计算基准:100kg kg/h:100kg kg/h。 6) 6)列出输入列出输入-输出热平衡表输出热平衡表 *设计概论化工制图 3、有关热数据的计算 1)焓:恒压时 2)真实热容与平均热容 dTCHHdTCHTTPTTP2121潜系统中物质相变时122123221)(TTdTcTbTaTTHCdTcTbTaCTTPP*设计概论化工制图 3)热容的估算 柯普法则:1mol化合物的总热容,近似地等于

13、化合物里以原子形式存在的元素热容的总和。 4)潜热 克拉贝龙可劳修斯公式: 5)反应热 由标准生成热 计算反应热 。 由标准燃烧热 计算反应热 。 由键能估算反应热。211211TTRHppLn0cH0rH0fH0rH*设计概论化工制图 * * 柯普法则柯普法则:1mol:1mol化合物的总热容化合物的总热容, ,近似地等于近似地等于 化合物里以原子形式存在的元素热容的总和。化合物里以原子形式存在的元素热容的总和。 例例: :估算固体估算固体Ca(OH)2 Ca(OH)2 的热容的热容 ( (见表见表5-1) 5-1) (Cp)Ca(OH)2 = (Cp)Ca +2(Cp)O +2(Cp)H

14、(Cp)Ca(OH)2 = (Cp)Ca +2(Cp)O +2(Cp)H (Cp)Ca(OH)2 = 26 +(2 (Cp)Ca(OH)2 = 26 +(217) +(217) +(29.6) 9.6) (Cp)Ca(OH)2 = 79.2 J/mol. (Cp)Ca(OH)2 = 79.2 J/mol.*设计概论化工制图 *由键能估算反应热。估计乙烷裂解制乙烯的反应热1.列出反应式 C2H6C2H4+H22.写成化学键形式 H H H H HCCH CC + HH H H H H3.归纳改组化学键 6HC + CC 4HC + CC + HH 2HC + CC CC + HH*设计概论化工制

15、图 kJkJkJkJHHCCCCHC45.43549.61552.34751.414)2()(CCHCHHCCH4.查键能数据(见表5-2和表5-3) 5.代入公式1摩尔乙烷分解为1摩尔乙烯和1摩尔氢时,吸热125.6kJ kJH6 .125)52.34751.4142()45.43549.615(*设计概论化工制图 例例:30000:30000吨吨/ /年聚丁二烯橡胶聚合釜的热量衡算年聚丁二烯橡胶聚合釜的热量衡算, ,开工开工80008000小时小时/ /年双系列双釜串联操作年双系列双釜串联操作, ,即每条即每条生产线的生产能力为生产线的生产能力为1500015000吨吨/ /年年, ,每条

16、生产线每条生产线上都有两个聚合釜串联操作上都有两个聚合釜串联操作, ,聚合生成量在聚合生成量在釜与釜与釜的分配率为釜的分配率为6060:40:40。纯度系数。纯度系数1.06,1.06,损耗损耗0.030.03。 1) 1)分析各股物料之间热平衡关系分析各股物料之间热平衡关系( (物料走向物料走向, ,平平衡方程衡方程) ) 2) 2)收集计算数据收集计算数据 3) 3)标绘热量衡算示意图标绘热量衡算示意图 4) 4)确定衡算范围确定衡算范围 5) 5)选定计算基准选定计算基准: kg/h: kg/h 6) 6)列出输入列出输入-输出热平衡表输出热平衡表*设计概论化工制图 1、分析物料走向2Q

17、460 Q480 Q3Q201Q160 Q2Q3QHH胶液溶剂油丁二烯催化剂冷却水水却冷*设计概论化工制图 每条生产线的聚合物生成量为小时公斤/19282103. 0106. 1800030000000小时公斤小时公斤釜聚合物生成量为/1157%60/19281小时公斤小时公斤小时公斤釜聚合物生成量为/771/1157/19282*设计概论化工制图 2 2、收集计算数据、收集计算数据组成 釜 釜 进料公斤/时 出料 公斤/时 进料公斤/时 出料公斤/时丁二烯238012231223452丁烯24242424溶剂(已烷)9670967096709670催化剂7.83657.83657.83657

18、.8365聚丁二烯115711571928温度20606080合计12082120821208212082*设计概论化工制图 分析过程中存在的热量形式,可确定收集那些数据, 聚合釜内各物料只有温度变化,无相变。比热和聚合反应热可由手册查出,也可由实验确定,搅拌热可从现场测得。 (丁二烯,溶剂油,胶液比热十分接近,取相同数值简化计算)收集数据如下 丁二烯与溶剂油或胶液的比热 千卡/公斤200.54 聚合热 千卡/公斤 搅拌热 千卡/时 330600.58釜30000800.62釜 40000*设计概论化工制图 3、计算热量聚合热GQ3聚合热 GQ3tCwQP11釜41312QHQQQtCwQP4412QQ 釜tCwQP441312QHQQQ*设计概论化工制图 4、计算设备热负荷与冷却水消耗量 设备热负荷为Q2 ,以千卡/时为基准 当冷却水温差确定后,可用下式计算冷却水消耗量:时公斤/2tCQWP*设计概论化工制图 5 5、列出热量平衡表、列出热量平衡表项目