第三章物料衡算与能量衡算 云南大学2014版 (4)

1、教学重点：教学重点： （1 1）物料衡算的基本步骤）物料衡算的基本步骤 （2 2）能量平衡方程）能量平衡方程 （3 3）热量衡算）热量衡算 教学难点：教学难点： 化工流程的物料衡算化工流程的物料衡算第三章第三章 物料衡算与能量衡算物料衡算与能量衡算物料衡算和能量衡算的意义物料衡算和能量衡算的意义 一切化学工程的设计与经济技术评一切化学工程的设计与经济技术评价都是以物料衡算和能量衡算为基础的。价都是以物料衡算和能量衡算为基础的。通过衡算可以确定通过衡算可以确定设备容量、数量及主设备容量、数量及主要尺寸、能源消耗、三废排放量要尺寸、能源消耗、三废排放量等。在等。在工艺计算中工艺计算中物料恒算是先导

2、，接着才能物料恒算是先导，接着才能进行能量衡算进行能量衡算，在此基础上再进行设备，在此基础上再进行设备的工艺的计算。的工艺的计算。 第一节第一节 物料衡算物料衡算一、物料衡算的概念一、物料衡算的概念 物料衡算是运用质量守恒定律，对化工过程或设物料衡算是运用质量守恒定律，对化工过程或设备进行定量计算。备进行定量计算。 在化工过程中，物料平衡是指在化工过程中，物料平衡是指“在单位时间内进在单位时间内进入入系统（体系）系统（体系）的全部物料质量必定等于离开该的全部物料质量必定等于离开该系统系统（体系）（体系）的全部物料质量再加上损失掉的与积累起来的全部物料质量再加上损失掉的与积累起来的物料质量的物料

3、质量。”对物料平衡进行计算称为物料衡算。对物料平衡进行计算称为物料衡算。 物料平衡的理论依据是物料平衡的理论依据是质量守恒定律质量守恒定律，即在，即在一一个孤立体系中不论物质发生任何变化个孤立体系中不论物质发生任何变化( (不包括核反应不包括核反应) )它的质量始终保持不变。它的质量始终保持不变。 系统（体系）系统（体系）就是物料衡算的范围就是物料衡算的范围，它可以根据需，它可以根据需要选定。体系可以要选定。体系可以是一个设备或几个设备，也可以是一个设备或几个设备，也可以是一个单元操作或整个化工过程是一个单元操作或整个化工过程。进行物料衡算时，。进行物料衡算时，必须首先确定衡算的体系。必须首先

4、确定衡算的体系。反应器分离系统产品副产物或残渣旁路循环流放空进料二、物料衡算的目的二、物料衡算的目的 (1)(1)确定原材料消耗定额，判断是否达到设计要求。确定原材料消耗定额，判断是否达到设计要求。(2)(2)确定各设备的输入及输出的物流量，摩尔分率组成及其他确定各设备的输入及输出的物流量，摩尔分率组成及其他组成的表示方法，并列表，在此基础上进行设备的选型及设组成的表示方法，并列表，在此基础上进行设备的选型及设计，并确定三废排放位置、数量及组成，有利于进一步提出计，并确定三废排放位置、数量及组成，有利于进一步提出三废治理的方法。三废治理的方法。(3)(3)作为热量计算的依据。作为热量计算的依据

5、。 (4)(4)根据计算结果绘出物流图，可进行管路设计及材质选择，根据计算结果绘出物流图，可进行管路设计及材质选择，仪表及自控设计等。仪表及自控设计等。三、物料衡算的类型三、物料衡算的类型1. 对已有的生产设备或装置的物料衡算（生产查定）对已有的生产设备或装置的物料衡算（生产查定）2.对新的设备或装置的物料衡算（设计）对新的设备或装置的物料衡算（设计）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。用此结果，对生产情况进行分析、作出判断、提出改进措施。此结果，对生产情况进行分析、作出判断、提出改进措施。设计任务设计任务物料衡算物料衡算各

6、设备的物料量各设备的物料量能量衡算能量衡算设备或过程热负荷设备或过程热负荷确定设备尺寸及整个工艺流程确定设备尺寸及整个工艺流程四、物料衡算的依据四、物料衡算的依据（1）设计任务书中确定的）设计任务书中确定的技术方案、产品生产能力、年技术方案、产品生产能力、年工作时及操作方法工作时及操作方法。 （2）建设单位或研究单位所提供的要求、设计参数及实验）建设单位或研究单位所提供的要求、设计参数及实验室试验或中试等数据，主要有：室试验或中试等数据，主要有： a) 化工单元过程的主要化学反应方程式、反应物配比、转化工单元过程的主要化学反应方程式、反应物配比、转化率、选择性、总收率、催化剂状态及加入配比量、

7、催化剂化率、选择性、总收率、催化剂状态及加入配比量、催化剂是否回收使用、安全性能是否回收使用、安全性能(爆炸上下限爆炸上下限)等。等。 b) 原料及产品的分离方式，各步的回收率，采用物料分离原料及产品的分离方式，各步的回收率，采用物料分离剂时，加入分离剂的配比。剂时，加入分离剂的配比。 c) 特殊化学品的物性，如沸点、熔点、饱和蒸汽压、闪点等。特殊化学品的物性，如沸点、熔点、饱和蒸汽压、闪点等。 (3)工艺流程示意图工艺流程示意图五、物料衡算的类别五、物料衡算的类别 化工过程根据其操作方式可以分成化工过程根据其操作方式可以分成间歇操作、间歇操作、连续操作以及半连续操作连续操作以及半连续操作三类

8、。或者将其分为三类。或者将其分为稳稳定状态操作和不稳定状态操作定状态操作和不稳定状态操作两类。在对某个化两类。在对某个化工过程作物料或能量衡算时，必须先了解生产过工过程作物料或能量衡算时，必须先了解生产过程的类别。程的类别。 间歇操作过程间歇操作过程：原料在生产操作开始时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，物料一次排出一直到操作完成后，物料一次排出，即，即为间歇操作过程。此过程的特点是在整为间歇操作过程。此过程的特点是在整个操作时间内，再无物料进出设备，设个操作时间内，再无物料进出设备，设备中备中各部分的组成、条件随时间而不

9、断各部分的组成、条件随时间而不断变化变化（如：（如：萃取过程、过滤过程萃取过程、过滤过程）。）。 连续操作过程连续操作过程：在整个操作期间，：在整个操作期间，原料不断稳原料不断稳定地输入生产设备，同时不断从设备排出同样定地输入生产设备，同时不断从设备排出同样数量（总量）的物料。数量（总量）的物料。设备的进料和出料是连设备的进料和出料是连续流动的，即为连续操作过程。在整个操作期续流动的，即为连续操作过程。在整个操作期间，间，设备内各部分组成与条件不随时间而变化。设备内各部分组成与条件不随时间而变化。 半连续操作过程半连续操作过程：操作时物料：操作时物料一次输入或分批一次输入或分批输入输入，而出料

10、是连续的，或连续输入物料，而，而出料是连续的，或连续输入物料，而出料是一次或分批出料是一次或分批的。的。 稳定状态操作稳定状态操作就是整个化工过程的就是整个化工过程的操作条件操作条件（如（如温度、压力、物料量及组成等）如果温度、压力、物料量及组成等）如果不随时间而不随时间而变化变化，只是设备内不同点有差别，这种过程，只是设备内不同点有差别，这种过程称为称为稳定状态操作过程稳定状态操作过程，或称稳定过程。如果，或称稳定过程。如果操作条操作条件随时间而不断变化件随时间而不断变化的，则称为不稳定状态操作的，则称为不稳定状态操作过程，或过程，或称不稳定过程称不稳定过程。 间歇过程及半连续过程是不稳定状

11、态操作。间歇过程及半连续过程是不稳定状态操作。连续连续过程在正常操作期间，操作条件比较稳定，此时过程在正常操作期间，操作条件比较稳定，此时属稳定状态操作；属稳定状态操作；在开、停工期间或操作条件变在开、停工期间或操作条件变化和出现故障时，则属不稳定状态操作化和出现故障时，则属不稳定状态操作。六、物料衡算基准的选择六、物料衡算基准的选择 物料衡算过程，必须选择计算基准，并在整物料衡算过程，必须选择计算基准，并在整个运算中保持一致。若基准选的好，可使计算个运算中保持一致。若基准选的好，可使计算变得简单。一般计算过程的基准有以下几种：变得简单。一般计算过程的基准有以下几种：时间基准时间基准 对于连续

12、操作过程对于连续操作过程，选用单位时间，选用单位时间作为基准是很自然的，单位时间作为基准是很自然的，单位时间可取可取1d1d、1h1h或或1s1s等等等等。此时得到的物料流量可以直接与设备。此时得到的物料流量可以直接与设备或管道尺寸相联系。或管道尺寸相联系。批量基准批量基准 对于间歇操作对于间歇操作，按投入物料的数量，按投入物料的数量为基准，最方便，即以为基准，最方便，即以一批一批/ /次次作为基准。作为基准。质量基准质量基准 当系统同介质为固体或液体时，取当系统同介质为固体或液体时，取已知变量最多（或未知变量最少）的物流（一已知变量最多（或未知变量最少）的物流（一般为原料或产品）作为基准般为

13、原料或产品）作为基准最为合适。最为合适。 例如：可取某一基准物流的质量为例如：可取某一基准物流的质量为100Kg100Kg，然后计算其他物流的质量。若已知进料质量百然后计算其他物流的质量。若已知进料质量百分比组成，则选分比组成，则选100Kg100Kg进料或者进料或者100g100g进料为基进料为基准，若已知出料质量百分组成，则选准，若已知出料质量百分组成，则选100Kg100Kg进进料或者料或者100g 100g 出料为基准。出料为基准。物质的量基准物质的量基准 对于对于有化学反应的过程有化学反应的过程，因化，因化学反应按摩尔进行的，学反应按摩尔进行的，用物质的量基准用物质的量基准更方便，更

14、方便，或者已知进料或者出料摩尔组成的情况。若已或者已知进料或者出料摩尔组成的情况。若已知进料组成摩尔分数，用知进料组成摩尔分数，用100mol100mol或者或者100kmol100kmol进料，反之已知出料组成，用进料，反之已知出料组成，用100mol100mol或者或者100kmol100kmol出料做基准。出料做基准。标准体积基准标准体积基准 对于对于气体物料气体物料，可，可采用标准体采用标准体积 基 准积 基 准 ， 因 标 准 状 态 下， 因 标 准 状 态 下 1 m o L1 m o L 气 体 相 当 于气 体 相 当 于22.422.410103 3m m3 3标准体积的气

15、体。标准体积的气体。七、物料衡算的七、物料衡算的基本方法基本方法 物料平衡方程物料平衡方程 理论依据：质量守恒定律理论依据：质量守恒定律（Fi）进入过进入过程单元程单元的物料的物料量量流出过流出过程单元程单元的物料的物料量量在过程在过程单元内单元内生成的生成的物料量物料量在过程在过程单元内单元内消耗的消耗的物料量物料量过程单过程单元内累元内累积的物积的物料量料量（Fo）（Dp）（ Dr ）（W）即即 ：上式：即可对总物料，也可以对其中任一组分或元素上式：即可对总物料，也可以对其中任一组分或元素列出。列出。在下列情况下上式可简化为：在下列情况下上式可简化为： 稳定操作过程（稳定操作过程（ FiF

16、o）（）（Dp Dr ） W 系统内无化学反应的间歇操作：系统内无化学反应的间歇操作：FiFo W 系统内无化学反应的稳态操作过程：系统内无化学反应的稳态操作过程： FiFo 0 对于没有化学反应的过程，一般上列写各组分的衡算方程，对于没有化学反应的过程，一般上列写各组分的衡算方程，只有涉及化学反应量，才列写出各元素的衡算方程。只有涉及化学反应量，才列写出各元素的衡算方程。ioprF-F +D -D = W（）（）七、物料衡算的基本程序七、物料衡算的基本程序 1.1.收集计算需要的数据收集计算需要的数据(1)原料、辅料、中间产物及产品的规格。原料、辅料、中间产物及产品的规格。(2)过程中单位时

17、间内的物流量。过程中单位时间内的物流量。(3)有关消耗定额。有关消耗定额。(4)有关转化率、选择性、单程收率。有关转化率、选择性、单程收率。(5)有关物理化学常数。有关物理化学常数。消耗定额是反映生产技术水消耗定额是反映生产技术水平的一项重要经济指标，是平的一项重要经济指标，是进行物料衡算的基础数据之进行物料衡算的基础数据之一。一。消耗定额是指生产每吨消耗定额是指生产每吨合格产品需要的原料、辅料合格产品需要的原料、辅料及试剂等的消耗量。及试剂等的消耗量。2.2.画工艺流程示意图画工艺流程示意图先应该根据给定的条件画出先应该根据给定的条件画出工艺流程示意图工艺流程示意图。图中用图中用简单的方框简

18、单的方框表示过程中的设备。表示过程中的设备。用用线条和箭头线条和箭头表示表示每个流股每个流股的的途径和流向。途径和流向。表示每个流股的表示每个流股的已知变量（如流量、组成）及单已知变量（如流量、组成）及单位。位。对一些未知的变量，可用符号表示。对一些未知的变量，可用符号表示。 料浆料浆 滤饼滤饼 90%固体固体 F1=2000kg/h 过滤机过滤机 F3=？kg/h 10%液体液体 75%液体液体 25%固体固体 滤液滤液 F2=？kg/h 1%固体固体 99%液体液体过滤过程示意图过滤过程示意图 如某蒸发器流程示意图如某蒸发器流程示意图 稀溶液稀溶液二次蒸汽二次蒸汽F,wfW加热蒸汽加热蒸汽

19、凝水凝水提浓液提浓液B，wB3.3.确定衡算体系（衡算范围）确定衡算体系（衡算范围） 物料衡算是研究某一个体系进、出物料量及组成物料衡算是研究某一个体系进、出物料量及组成的变化。的变化。进行物料衡算时，必须首先确定衡算的体系。进行物料衡算时，必须首先确定衡算的体系。体系体系：物料衡算的范围，它可以根据实际需要：物料衡算的范围，它可以根据实际需要人为地人为地选定选定。体系体系一个设备或几个设备，一个设备或几个设备，一个单元操作一个单元操作一套装置或一个系统一套装置或一个系统整个化工过程。整个化工过程。单元单元单元单元单元单元衡算计算范围示意图：衡算计算范围示意图：边界线（边界线（Boundary

20、 Line）围起来的区域构成衡算范围。）围起来的区域构成衡算范围。1 1、流程中某一个单元设备；、流程中某一个单元设备；2 2、流程中某几个单元设备组合的子流程；、流程中某几个单元设备组合的子流程；3 3、整个流程。、整个流程。 4. 4.写出化学反应方程式写出化学反应方程式( (包括主反应和副反应包括主反应和副反应) )。5.5.选定合适的计算基准，并在流程图上注明所选定合适的计算基准，并在流程图上注明所选的基准值。选的基准值。 计算标准从原则上说选择任何一种计算基准，都能得到正计算标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，确的解答。但

21、是，计算基准选择得恰当，可以使计算简化，避免错误。避免错误。意意例如：例如：碳与氧的燃烧过程碳与氧的燃烧过程 ： （1） （2） （3） （4）22COCO212COCO2212COOCO22COCCO6.列出物料衡算式，然后用数学方法求解。列出物料衡算式，然后用数学方法求解。输 入 的输 出 的积 累 的物 料 量物 料 量物 料 量根据质量守恒定律，对某一体系，输入体系的物料量根据质量守恒定律，对某一体系，输入体系的物料量应该等于输出物料量与体系内积累量之和。应该等于输出物料量与体系内积累量之和。体系内不发生化学反应体系内不发生化学反应体系内发生化学反应体系内发生化学反应输入的反应生成或输

22、出的积累的物料量消耗的物料量物料量物料量 列物料衡算式时应注意：列物料衡算式时应注意：1.1.物料平衡是指物料平衡是指质量平衡质量平衡，不是不是体积或物质的量（摩体积或物质的量（摩尔数）平衡。尔数）平衡。2.2.若体系内有化学反应，则平衡式中各项用摩尔若体系内有化学反应，则平衡式中各项用摩尔/ /时时为单位时，为单位时，必须考虑反应式的化学反应系数必须考虑反应式的化学反应系数。因为反。因为反应前后物料中的分子数不守恒。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物料流程：如图，表示无化学反应的连续过程物料流程： 图中方框表示一个体系，虚线表示边界（体系）。共有图中方框表示一个体

23、系，虚线表示边界（体系）。共有三个流股，进料三个流股，进料F F及出料及出料P P和和W W。有。有两个组分两个组分。x x为质量分数。为质量分数。可列出物料衡算式可列出物料衡算式 总物料衡算式：总物料衡算式：F=PF=PW W每种组分衡算式：每种组分衡算式： 对于对于连续不稳定过程连续不稳定过程，由于该过程内物料量及组成等随，由于该过程内物料量及组成等随时间而变化，因此，时间而变化，因此，物料衡算式须写成以时间为变量的微分物料衡算式须写成以时间为变量的微分方程方程，表示体系内在某一瞬时的平衡。，表示体系内在某一瞬时的平衡。 7.7.将物料衡算结果列成输入输出物料表（物料平将物料衡算结果列成输

24、入输出物料表（物料平衡表），画出物料平衡图。衡表），画出物料平衡图。111222ffpwpwF xP xW xF xP xW x8.8.校核计算结果（结论）校核计算结果（结论）。物料衡算表物料衡算表输入输入输出输出组分组分质量，质量，kg/d组分组分质量，质量，kg/d杂质杂质杂质杂质合计合计合计合计无化学反应的物料衡算无化学反应的物料衡算 在系统中，在系统中，物料没有发生化学反应的过程物料没有发生化学反应的过程，称为无反应过程。称为无反应过程。 流体输送流体输送 粉碎粉碎 换热换热 混合、分离（吸收、精馏、混合、分离（吸收、精馏、萃取、结晶、过滤、干燥萃取、结晶、过滤、干燥）等。等。化工单元

25、操作化工单元操作物料衡算计算举例物料衡算计算举例（一）简单混合（一）简单混合 一般指一般指若干股物料在同一容器内混合为一股若干股物料在同一容器内混合为一股物流流出物流流出，既没有反应、也没有积累和损失时：，既没有反应、也没有积累和损失时： F F0 0= D= D 例例1 1：将质量分数为将质量分数为40%40%的硫酸与的硫酸与98%98%的硫酸混合成为的硫酸混合成为 F F1 1 90%90%的硫酸，要求的硫酸，要求90%90%的硫的硫 D D酸，流量为酸，流量为1000kg/h1000kg/h，溶液的另，溶液的另 F F2 2一组分为水，试完成其物料衡算。一组分为水，试完成其物料衡算。 混

26、混合合器器解解：衡算基准为小时，以：衡算基准为小时，以F F表示输入各股的质量流量。表示输入各股的质量流量。 以以D D表示输出各股的质量流量表示输出各股的质量流量F140%的硫酸，的硫酸，60%的水的水F2 98%的硫酸，的硫酸，0.02%的水的水D 90%的硫酸，的硫酸，10%的水的水混合器总质量平衡为：混合器总质量平衡为： F1 + F2 = D混合器水平衡混合器水平衡 0.6F1 + 0.02 F2 = 0.1D 将将D = 1000带入，解二元一次方程带入，解二元一次方程 F1 = 138 kg/h F2 = 862 kg/h 填写物料平衡表：填写物料平衡表： 例例2 2 ：采用蒸发

27、方法将浓度为：采用蒸发方法将浓度为1010NaOHNaOH及及1010NaClNaCl的水溶液进行浓缩。蒸发时只有部分水分的水溶液进行浓缩。蒸发时只有部分水分汽化成为水蒸气而逸出，部分汽化成为水蒸气而逸出，部分NaClNaCl结晶成晶粒结晶成晶粒而留在母液中。操作停止后，分析母液的成分而留在母液中。操作停止后，分析母液的成分为：为：5050NaOHNaOH，2 2NaClNaCl及及4848H H2 2O O。若每批处。若每批处理理1000 kg1000 kg原料液，试求每批操作中：原料液，试求每批操作中：1)1)获得获得的母液量，的母液量，2)2)蒸发出的水分量，蒸发出的水分量，3)3)结晶

28、出的结晶出的NaClNaCl量。量。解解：本题为间歇过程，因此以每批处理量为基准本题为间歇过程，因此以每批处理量为基准进行物料衡算，画出流程示意图如图所示。进行物料衡算，画出流程示意图如图所示。组分物料衡算：组分物料衡算：NaOHNaOH平衡平衡 1000 x 0.1 = 0.5F1000 x 0.1 = 0.5F4 4NaClNaCl平衡平衡 1000 x 0.1 = 0.02F1000 x 0.1 = 0.02F4 4 + F + F3 3H H2 2O O平衡平衡 1000(1-0.1-0.1)= F1000(1-0.1-0.1)= F2 2 + 0.48F + 0.48F4 4解方程得

29、：解方程得： F F2 2 = 704kg = 704kg，F F3 3 = 96kg = 96kg， F F4 4 = 200kg = 200kg有反应的物料衡算计算有反应的物料衡算计算 S S OO2 2 ( (空气空气) SO) SO2 2 CO COH H2 2O (g) HO (g) H2 2COCO2 2 CH CH3 3OH OH 1/2 O1/2 O2 2 ( (空气空气) HCHO) HCHOH H2 2OO 工业上：工业上： p较昂贵的反应物全部反应，较难得或要严格控较昂贵的反应物全部反应，较难得或要严格控制的反应物应充分利用制的反应物应充分利用限制组分限制组分p价格低廉、

30、易得的反应物过量价格低廉、易得的反应物过量过量组分过量组分(1) (1) 限制组分、过量组分限制组分、过量组分 在反应过程中，在反应过程中，在数量上以最小化学计量系数存在在数量上以最小化学计量系数存在的组分称为限制组分的组分称为限制组分。在数量上超过完全反应所需在数量上超过完全反应所需理论量的组分称为过量组分理论量的组分称为过量组分。例：原料气中有例：原料气中有CO 1molCO 1mol，H H2 2O(g) 2molO(g) 2mol，进行变换反应：，进行变换反应： COCOH H2 2O (g) HO (g) H2 2COCO2 2 用反应物的用反应物的实际摩尔量除以各自对应组分的反应计

31、量系数实际摩尔量除以各自对应组分的反应计量系数，此值最小者即为限制组分，其余为过量组分。此值最小者即为限制组分，其余为过量组分。1()11molCO 22()( )21molH O g 所以，所以，COCO是限制组分，是限制组分，H H2 2O(g)O(g)是过量组分。是过量组分。(2) (2) 过量百分数过量百分数v过量组分超过理论量的那部分占理论量的百分数过量组分超过理论量的那部分占理论量的百分数。设：设：N Nf f 为过量组分的实际用量（质量或为过量组分的实际用量（质量或molmol量）量） N Nt t 为过量组分的理论用量（质量或为过量组分的理论用量（质量或molmol量）量） 则

32、：过量则：过量% =(% =(N Nf f N Nt t )/ )/N Nt t100% 100% 如上例：如上例：H H2 2O(g)O(g)过量过量%=(2-1)/1%=(2-1)/1100%=100% 100%=100% 过量百分数表征了过量组分的过量程度。过量百分数表征了过量组分的过量程度。 过量组分是相对于限制组分而言的，它以限制组过量组分是相对于限制组分而言的，它以限制组分为基准，没有限制组分，也就没有过量组分。分为基准，没有限制组分，也就没有过量组分。 例例1 1 甲醇制造甲醛的反应过程为：甲醇制造甲醛的反应过程为： CHCH3 30H + 1/2 O0H + 1/2 O2 2

33、HCHO + HHCHO + H2 20 0 反应物及生成物均为气态，若使用反应物及生成物均为气态，若使用5050的过量空气，且甲醇的转化率为的过量空气，且甲醇的转化率为7575，试计算反应后气体混合物的摩尔组成。试计算反应后气体混合物的摩尔组成。解：解： 画出流程示意图画出流程示意图 空气(过量50%)CH3OHHCHOH2OO2N2催化反应器CH3OH基准：1 mol CH3OH 根据反应方程式 O2(需要)= 0.5 mol； O2(输入)= 1.5 0.5 = 0.75 mol； N2(输入)= N2(输出)= 0.75(79/21)= 2.82 mol CH3OH为限制反应物 反应的

34、CH3OH = 0.75 1 = 0.75 mol因此 HCHO(输出)= 0.75mol CH3OH(输出)= 1-0.75=0.25mol O2(输出)= 0.75-0.75x0.5=0.375mol H2O(输出)= 0.75mol计算结果计算结果组分molmol%CH3OH0.2505.0HCHO0.75015.2H2O0.75015.2O20.3757.6N22.82057.0总计4.945100.0吸收过程的物料衡算吸收过程的物料衡算 例例4 4：有一气流股为：有一气流股为50kmol/h,50kmol/h,含有含有15%15%（molmol）COCO2 2和和5% 5% H H2

35、 2O O，将气流送入吸收塔，用新鲜水吸收，将气流送入吸收塔，用新鲜水吸收COCO2 2，吸收后，吸收后的气体中含的气体中含1% CO1% CO2 2，3% H3% H2 2O O，新鲜水的流量是，新鲜水的流量是500 500 kmol/h kmol/h 试求出口流股的组成与流量。试求出口流股的组成与流量。 解解：1 1、画示意图、画示意图2 2、惰性气体流量：、惰性气体流量： 5050（1-0.15-0.051-0.15-0.05）=40kmol/h=40kmol/h 惰性气体组成：惰性气体组成：80%80%3 3、引出气体：、引出气体：惰性气体在引出气体中的组成为：惰性气体在引出气体中的组

36、成为：96%96%惰性气体在引出气体中的流量为：惰性气体在引出气体中的流量为：40 kmol/h40 kmol/h总流量总流量=40/0.96=41.67=40/0.96=41.67COCO2 2在引出气体中的流量在引出气体中的流量=41.67=41.670.01 =0.42 0.01 =0.42 kmol/hkmol/hH H2 2O O 在引出气体中的流量在引出气体中的流量=41.67=41.670.03 =1.25 0.03 =1.25 kmol/hkmol/h3 3、引出液流股：、引出液流股：COCO2 2 流量：流量：50500.15-0.42=7.08 kmol/h0.15-0.4

37、2=7.08 kmol/hH H2 2O O 流量：流量：500+50500+500.05-1.25=501.25 kmol/h0.05-1.25=501.25 kmol/hCOCO2 2 组成：组成：7.08/(501.25+7.08)=1.4% (mol)7.08/(501.25+7.08)=1.4% (mol)H H2 2O O 组成：组成：501.25/(501.25+7.08)=98.6% (mol) 501.25/(501.25+7.08)=98.6% (mol) 4 4、画出物料平衡图、画出物料平衡图 依据依据 能量衡算是能量衡算是以热力学第一定律为依据以热力学第一定律为依据，能

38、量是，能量是热能、电能热能、电能、化学能、动能、辐射能的总称。化、化学能、动能、辐射能的总称。化工生产中最常用的能量形式为热能，故化工设计工生产中最常用的能量形式为热能，故化工设计中经常把能量设计称为热量计算。中经常把能量设计称为热量计算。 在化工生产中，能量的消耗是一项重要的技术在化工生产中，能量的消耗是一项重要的技术经济指标，它是衡量工艺过程、设备设计、操作经济指标，它是衡量工艺过程、设备设计、操作制度是否先进合理的主要指标之一。制度是否先进合理的主要指标之一。 能量衡算的类型能量衡算的类型1. 对使用装置或设备的衡算对使用装置或设备的衡算即由装置或设备进出口物料的量和温度，以及其它各项即

39、由装置或设备进出口物料的量和温度，以及其它各项能量，求出装置或设备的能量利用情况。能量，求出装置或设备的能量利用情况。2.对设计新装置或设备对设计新装置或设备的衡算的衡算即根据已知的或可设定的物料量，求得未知的物料量即根据已知的或可设定的物料量，求得未知的物料量或温度，和需要加入或移出的热量。或温度，和需要加入或移出的热量。 能量衡算的基础是物料衡算，只有在进行完备的物料衡算后能量衡算的基础是物料衡算，只有在进行完备的物料衡算后才能作出能量衡算。而物料衡算和能量衡算又是设备计算的基才能作出能量衡算。而物料衡算和能量衡算又是设备计算的基础。础。能量衡算可以解决的问题(1)(1)确定物料输送机械和

40、其它操作机械所需要的确定物料输送机械和其它操作机械所需要的功率功率；(2)(2)确定各单元操作过程所需确定各单元操作过程所需热量或冷量热量或冷量，及其传递速率；，及其传递速率；计算换热设备的工艺尺寸；确定加热剂或冷却剂的消耗计算换热设备的工艺尺寸；确定加热剂或冷却剂的消耗量，为其他专业如供汽、供冷、供水专业提供设条件；量，为其他专业如供汽、供冷、供水专业提供设条件； (3)(3)化学反应常伴有热效应，导致体系的温度上升或下降，化学反应常伴有热效应，导致体系的温度上升或下降，为此需确定为保持一定反应温度所需的移出或加入的为此需确定为保持一定反应温度所需的移出或加入的热热传递速率传递速率；(4)(

41、4)为充分利用余热，必须采取有效措施，使过程的总能耗为充分利用余热，必须采取有效措施，使过程的总能耗降低到最低程度。为提高能量利用率，降低能耗提供重降低到最低程度。为提高能量利用率，降低能耗提供重要依据。要依据。(5)(5)最终确定最终确定总需求能量和能量的费用总需求能量和能量的费用。能量平衡方程能量平衡方程总能量平衡关系为：总能量平衡关系为：设设则则 体系在体系在t+t时时的能量的能量体系在体系在t时的能时的能量量=在在t内内通过边通过边界进入界进入体系的体系的能量能量在在t内内通过边通过边界离开界离开体系的体系的能量能量+体系在体系在t内内产生的产生的能量能量 WQZKUZKU111222

42、WQZKU11112222ZKUEZKUE；WQE能量衡算的一般方法能量衡算的一般方法 1. 1. 正确绘制系统示意图，确定衡算范围，标明已知条件和物正确绘制系统示意图，确定衡算范围，标明已知条件和物料状态（温度、压力、相态）料状态（温度、压力、相态） ；2. 2. 确定各组分的热力学数据；确定各组分的热力学数据；3. 3. 选择计算基准（选定计算基准温度，大部分在物料衡算的选择计算基准（选定计算基准温度，大部分在物料衡算的基础上进行）；同时，还要选取热力学函数的基准态（基础上进行）；同时，还要选取热力学函数的基准态（273K273K或或298K298K）。）。4. 4. 列出能量衡算方程式，

43、进行求解（数学法）。列出能量衡算方程式，进行求解（数学法）。5.5.整理并校核计算结果列出能量输入整理并校核计算结果列出能量输入- -输出平衡表。输出平衡表。第三节第三节 热量衡算热量衡算 热量衡算的目的：热量衡算的目的：（1 1）确定传热设备的热负荷确定传热设备的热负荷。 为设计传热型设备为设计传热型设备如反应器、结晶器、塔式如反应器、结晶器、塔式设备、输送设备、压缩系统、分离等设备的形设备、输送设备、压缩系统、分离等设备的形式、尺寸、传热面积等，以及各种控制仪表等式、尺寸、传热面积等，以及各种控制仪表等提供参数。提供参数。； （2 2）确定单位产品的能耗指标；确定单位产品的能耗指标；（3

44、3）为非工艺专业为非工艺专业（热工、电、给水、冷暖）（热工、电、给水、冷暖）的的设计提供设计条件。设计提供设计条件。 （1 1）对单元设备做热量衡算，当各个单元设备）对单元设备做热量衡算，当各个单元设备之间没有热量交换时，只须对个别设备做计算。之间没有热量交换时，只须对个别设备做计算。（2 2）整个过程的热量衡算，当各工序或单元操作）整个过程的热量衡算，当各工序或单元操作之间有热量衡算时，必须做全过程的热量衡算。之间有热量衡算时，必须做全过程的热量衡算。热量衡算的应用有两种情况热量衡算的应用有两种情况热量衡算方程式热量衡算方程式 QQ入入= Q= Q出出 - Q- Q损损 （热力学第一定律）（

45、热力学第一定律）式中：式中：Q Q入入 输入设备热量总和；输入设备热量总和；Q Q出出输出设备热量总和；输出设备热量总和；Q Q损损损失热量总和。损失热量总和。单元设备的热量衡算方程式单元设备的热量衡算方程式 物料带物料带进体系进体系的热量的热量 123456QQQQQQ加热剂（或冷加热剂（或冷却剂）与设备却剂）与设备交换的热量交换的热量过程的过程的热效应热效应 物料从体系物料从体系带走的热量带走的热量 消耗在加热消耗在加热设备各个部设备各个部件上的热量件上的热量 设备向四周设备向四周散失的热量散失的热量（热损失）（热损失） 热量计算的说明热量计算的说明 （1 1）计算基准，可取任何温度，对有

46、反应的过程，）计算基准，可取任何温度，对有反应的过程，一般一般以以2525作为基准作为基准。 （2 2）物料的显热物料的显热可用焓值或比热容可用焓值或比热容进行计算，在等进行计算，在等压条件下，化工计算中常用恒压热容压条件下，化工计算中常用恒压热容CpCp，由于比热，由于比热容是温度的函数，常用其积分式表示，因此其计算容是温度的函数，常用其积分式表示，因此其计算式可表示为：式可表示为： 式中：式中： nn物料的摩尔流量（物料的摩尔流量（molmol）；）； CpCp物料比热容（物料比热容（kJ/molkJ/molK K）, , T T温度（温度（K K），），T T2 2为物料温度，为物料温度

47、，T T1 1为基准温度为基准温度。 123456QQQQQQ21TPTQnC dT（3 3）热负荷热负荷Q Q2 2，“”需加热，需加热， “ “”需冷却。对于间歇操需冷却。对于间歇操作，各段时间操作情况不一样，应分段做热量平衡，求出各作，各段时间操作情况不一样，应分段做热量平衡，求出各不同时间的不同时间的Q Q2 2，然后得到最大需要量。，然后得到最大需要量。（4 4）过程热效应过程热效应Q Q3 3，包括过程的状态热（相变化产生的热）和，包括过程的状态热（相变化产生的热）和化学反应热。相变化一般可由手册查得。化学反应热。相变化一般可由手册查得。（5 5）设备加热所需热量设备加热所需热量Q

48、 Q5 5，在稳定操作过程中不出现，在间歇，在稳定操作过程中不出现，在间歇操作的升温降温阶段也有设备的升温降温热产生，可用下式操作的升温降温阶段也有设备的升温降温热产生，可用下式计算：计算： Q Q5 5 = =G Cp (tG Cp (t2 2 - t - t1 1 ) ) 式中：式中：GG设备各部件重量（设备各部件重量（kgkg）；）； CpCp各部件热容（各部件热容（kJ/kgkJ/kgK K）；）； t t2 2设备各部件加热后温度；设备各部件加热后温度； t t1 1设备各部件加热前温度。设备各部件加热前温度。 设备加热前的温度设备加热前的温度t1可取为室温，加热终了时的温度取加热剂

49、一侧（高温可取为室温，加热终了时的温度取加热剂一侧（高温th）与被处理物料一侧（低温）与被处理物料一侧（低温te）温度的算术平均值：）温度的算术平均值：t2=(th+te)/2（6 6）设备向四周散失的热量设备向四周散失的热量Q Q6 6可由下式算得：可由下式算得： Q Q6 6 = = F F T T (t(tw w -t ) -t )1010-3-3 式中：式中： FF设备散热表面积设备散热表面积 m m2 2； T T 散热表面向四周围介质的传热系散热表面向四周围介质的传热系数数 kJ/mkJ/m2 2K K。 t tw w 散热表面的温度（有隔热层时应为散热表面的温度（有隔热层时应为绝

50、热层外表）绝热层外表）K K； t t 周围介质温度，周围介质温度，K K； 散热持续的时间，散热持续的时间，h h。 T是对流和辐射两种给热系数的综合，可由经验公是对流和辐射两种给热系数的综合，可由经验公式求取。一般绝热层外表温度取式求取。一般绝热层外表温度取50 。a)a)绝热层外空气自然对流绝热层外空气自然对流当当t tw w1505m/su5m/s时，时， T T=6.7u=6.7u0.780.78加热剂和冷却剂的用量计算加热剂和冷却剂的用量计算 热量衡算的结果，可以确定输入或移走的热量，从而求出加热量衡算的结果，可以确定输入或移走的热量，从而求出加热剂或冷却剂的消耗量；或求出传热面积

51、。热量衡算热剂或冷却剂的消耗量；或求出传热面积。热量衡算可以确可以确定传入设备或从设备中移走的热量定传入设备或从设备中移走的热量Q2。2/()kPGQHCt(1)直接蒸汽加热时的蒸汽用量：直接蒸汽加热时的蒸汽用量：式中：式中：G蒸汽消耗量蒸汽消耗量(kg)； Q2由加热剂传给设备或物料由加热剂传给设备或物料加热所需的热量加热所需的热量(kJ)； H蒸汽热焓量蒸汽热焓量(kJ/kg)； tk被被加热液体的最终温度加热液体的最终温度()； CP被加热液体的比热容被加热液体的比热容(kJ/kg)。为简化起见，通常蒸汽加热时的蒸汽用量计算仅。为简化起见，通常蒸汽加热时的蒸汽用量计算仅考虑蒸汽放出的冷凝

52、热。考虑蒸汽放出的冷凝热。(2).间接蒸汽加热时蒸汽的用量间接蒸汽加热时蒸汽的用量2/()PnGQHCtt n冷凝水的最终温度冷凝水的最终温度()；(3).燃料消耗量：燃料消耗量：2()TTQBkgQT燃料炉的热效率。燃料炉的热效率。QT燃料的发热值燃料的发热值,一般一般7000kcal/kg （29260kJ/kg）标准煤。标准煤。Q2由加热剂传给设备或物料加热所需的热量由加热剂传给设备或物料加热所需的热量(kJ)；(4)电能消耗量：电能消耗量：2860QE式中：式中：E电能消耗量电能消耗量(kw/h)； Q2由加热剂传给设备或物料所需的热量由加热剂传给设备或物料所需的热量(kJ)； 电热装

53、置的电工效率，一般取电热装置的电工效率，一般取0.85-0.95。(5)冷却剂消耗量（冷却剂消耗量（W）的计算：）的计算：22()pkhmQWCttQK At 传 热 时 间热量衡算步骤热量衡算步骤(1)(1)绘制绘制以单位时间为基准的以单位时间为基准的物料流程图物料流程图，确定热量平，确定热量平衡范围；衡范围；(2)(2)在物料流程图上在物料流程图上标明标明已知温度、压力、相态等已知温度、压力、相态等已知已知条件条件；(3)(3)选定计算基准温度选定计算基准温度。由于手册，文献上查到的热力。由于手册，文献上查到的热力学数据大多数是学数据大多数是273K273K或或298K298K的数据，故选

54、此温度的数据，故选此温度为为基准温度基准温度，计算比较方便。计算时相态的确定也是很，计算比较方便。计算时相态的确定也是很重要的；重要的；(4)(4)列出热量衡算式列出热量衡算式，然后用数学方法，然后用数学方法求解求解未知值；未知值；(5)(5)整理并校核计算结果，整理并校核计算结果，列出热量平衡表列出热量平衡表。输入热量输入热量输出热量输出热量设备序号设备序号热量，热量，kJ/d设备序号设备序号热量，热量，kJ/d合计合计合计合计热量衡算结果整理热量衡算结果整理 通过热量衡算以及加热剂、冷却剂等的用量计算，结合设通过热量衡算以及加热剂、冷却剂等的用量计算，结合设备计算与设备操作时间安排（在间歇

55、操作中此项显得特别备计算与设备操作时间安排（在间歇操作中此项显得特别重要）等工作，即可求出生成某产品的重要）等工作，即可求出生成某产品的整个装置的动力消整个装置的动力消耗及每吨产品的动力消耗定额耗及每吨产品的动力消耗定额，由此可得动力，由此可得动力消耗的每小消耗的每小时最大用量，每昼夜用量和年消耗量时最大用量，每昼夜用量和年消耗量，并列表将计算结果，并列表将计算结果汇总汇总 注注 意意 事事 项项 (1)(1)热量衡算时要先根据物料的变化和走向，认真分析热热量衡算时要先根据物料的变化和走向，认真分析热量间的关系，然后根据热量守衡定律列出热量关系式。量间的关系，然后根据热量守衡定律列出热量关系式

56、。 (2)(2)要弄清楚过程中出现的热量形式，以便搜集有关的要弄清楚过程中出现的热量形式，以便搜集有关的物性数据。物性数据。 (3)(3)计算结果是否正确适用，关键在于数据的正确性和计算结果是否正确适用，关键在于数据的正确性和可靠性。可靠性。 (4)(4)间歇操作设备，传热量间歇操作设备，传热量Q Q随时间而变化，因此随时间而变化，因此要用不要用不均衡系数将设备的热负荷由千焦台换算为千焦小均衡系数将设备的热负荷由千焦台换算为千焦小时时。 (5)(5)选定设备的换热面积要大于理论计算。选定设备的换热面积要大于理论计算。热容热容CpCp的计算的计算计算中常用计算中常用恒压热容恒压热容CpCp与温度

57、的关系与温度的关系 恒压热容恒压热容CpCp随温度而变化，描述二者的关系随温度而变化，描述二者的关系有三种方法：有三种方法： 由有关手册查找一些常见物质的由有关手册查找一些常见物质的Cp-TCp-T关系曲线关系曲线 将不同温度下的将不同温度下的CpCp列表列表 用函数式表达用函数式表达Cp-TCp-T关系，液体常用的关系式如：关系，液体常用的关系式如： Cp = a + bT + cTCp = a + bT + cT-2混合物的热容混合物的热容 在生产中通常都是遇到混合物，除了极少数在生产中通常都是遇到混合物，除了极少数的混合物有实验测定的热容数据，一般都是根据的混合物有实验测定的热容数据，一

58、般都是根据混合物内各种物质的热容和组成进行推算的。混合物内各种物质的热容和组成进行推算的。 理想气体混合物理想气体混合物 因为理想气体分子间没有作用力，所以混合因为理想气体分子间没有作用力，所以混合物的热容可按分子组成加和来计算：物的热容可按分子组成加和来计算： C0p = = Ni C0pi C0p -混合气体的理想气体定压摩尔热容混合气体的理想气体定压摩尔热容Ni -混合气体中理想气体混合气体中理想气体 i组分定压摩尔分数组分定压摩尔分数C0pi - i组分的摩尔热容组分的摩尔热容液体混合物液体混合物 混合液体的热容还没有比较理想的计算方法，混合液体的热容还没有比较理想的计算方法，除少数混合液体已由实验测得其热容外，一般除少数混合液体已由实验测得其热容外，一般工程计算常用加和法估算混合液体的热容。估工程计算常用加和法估算混合液体的热容。估算的公式与理想气体混合物热容的加和公式相算的公式与理想气体混合物热容的加和公式相同，即按组成加和。同，即按组成加和。 C0p = = Ni C0pi 对结构相似的混合物比较准确，如苯、甲对结构相似的混合物比较准确，如苯、甲苯、二甲苯混合液，对其他液体混合物的误差苯、二甲苯混合液，对其他液体混合物的误差比较大。比较大。热量衡算举例热量衡算举例例例1 1 某化工厂计划利