化工设计概论与化工制图课件-第五章化工计算

设计概论与化工制图2022/11/251设计概论与化工制图设计概论与化工制图2022/11/211设计概论与化工制图工厂基本建设过程

1、可行性研究2、初步设计3、施工图设计4、施工、试车、验收｛｝

1、厂址选择2、总平面设计3、工艺设计1、工艺流程设计2、化工计算3、设备的选型与设计4、车间布置设计5、管道设计6、公用工程7、向有关专业提供条件8、工程概预算9、技术经济分析10、安全生产与环境保护2022/11/252设计概论与化工制图工厂基本建设过程1、可行性研究｛｝1、厂址选择

第五章化工计算

第一节化工过程一、化工过程分类1、化学反应:有新物质生成的变化类型。2、分离或提纯:利用相变如蒸馏,结晶,萃取。3、混合:利于加速传热传质,溶液,乳浊液,悬浮液。4、输送:液体输送,机械输送,风力输送。5、温度、压力和相变:温度可使物质产生相变如冷凝,蒸发,熔化。温度可改变粘度,溶解度,表面张力。压力对气体在液体中的溶解度有很大影响。2022/11/253设计概论与化工制图第五章化工计算二、化工过程综合1、过程综合要求:提出几个方案。2、过程分析和优化:使设备费和操作费最低。3、过程选择:对比方案,选择最好方案。三、化工过程参数1、温度2、压力3、流量4、组成2022/11/254设计概论与化工制图二、化工过程综合2022/11/214设计概论与化工制图

第二节物料衡算一、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。二、物料平衡方程式1、普遍应用的平衡式输入量+产生量-输出量-消耗量=累积量2、连续稳定过程的平衡式输入量+产生量=输出量+消耗量3、间歇过程的平衡式初始输入量+产生量=最终输出量+消耗量2022/11/255设计概论与化工制图第二节物料衡算一、物料衡算的三、物料衡算的方法和步骤1、收集计算数据:原料,辅料,中间产物,产品的规格。单位时间流量。消耗定额。转化率,选择性,收率。物理化学常数。2、画物料流程图:物料衡算方框图。3、确定衡算范围:假设一独立体系。4、选定计算基准:100kgkg/h。5、列出输入--输出物料平衡表：

2022/11/256设计概论与化工制图三、物料衡算的方法和步骤2022/11/216设计概论与化工例5-1用恒沸蒸馏法,将含有95％的乙醇水溶液制成浓度达99.9％乙醇水溶液,以苯作溶剂。其流程及各物流的组成如图5-2所示。试计算每生产100吨99.9％乙醇水溶液,应向塔A加入的:(1)95％的乙醇水溶液量;(2)苯量。

2022/11/257设计概论与化工制图例5-1用恒沸蒸馏法,将含有95％的乙醇水溶液制成浓度达9例5-12022/11/258设计概论与化工制图例5-12022/11/218设计概论与化工制图设:x=苯的输入量;y=95％乙醇输入量;z=5％乙醇输出量。三个组分,三个未知数,可列出三个方程求解。1)苯的衡算x=02)乙醇的衡算0.95y=0.999(100)+0.05z3)总的物料衡算x+y=100+z

上三式联立求解得:x=0y=105.44(吨)z=5.44(吨)答:应向塔A加入95％的乙醇水溶液105.44吨;苯为零。2022/11/259设计概论与化工制图设:x=苯的输入量;y=95％乙醇输入量;z=5％乙醇输输入输出95﹪乙醇------------------------------------合计2022/11/2510设计概论与化工制图输入输出95﹪乙醇2022/11/2110设计概论与化工制图

第三节能量衡算能量衡算应用在如下几方面1、确定功率:流体输送,搅拌,过滤,粉碎等单元操作所需功率。2、确定热量和冷量:如蒸发,蒸馏,冷凝,冷却所需热量和冷量。3、确定供热速率及放热速率:化学反应热效应。4、确定节能措施:充分利用余热,降低能耗。2022/11/2511设计概论与化工制图第三节能量衡算能量衡算应用在如下

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。2022/11/2512设计概论与化工制图

一、能量的形式和概念2022/11/2112设计概论与化工二、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-W3、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-W4、机械能平衡方程式伯努利方程式

2022/11/2513设计概论与化工制图二、能量平衡方程式2022/11/2113设计概论与化工制图三、热量衡算在能量衡算中,不讨论能量转换,只考虑热量变化的衡算称为热量衡算。1、热平衡方程式1)等压过程,只做膨胀功(如连续过程)热量衡算式为：△H=∑H出－∑H入＝∑Q2)非流动体系,忽略动能和势能(如间歇过程)：△U=∑U出－∑U入＝∑Q3)普遍应用的平衡式：

Q1(物料)+Q2(介质)+Q3(反应)=Q4(物料)+Q5(设备)+Q6(损失)2022/11/2514设计概论与化工制图三、热量衡算2022/11/2114设计概论与化工制图2、热量衡算的方法和步骤1)分析各股物料之间热平衡关系

2)收集计算数据3)标绘热量衡算示意图

4)确定衡算范围

5)选定计算基准:100kgkg/h。

6)列出输入--输出热平衡表

2022/11/2515设计概论与化工制图2、热量衡算的方法和步骤2022/11/2115设计概论与化3、有关热数据的计算

1)焓:恒压时

2)真实热容与平均热容

2022/11/2516设计概论与化工制图3、有关热数据的计算2022/11/2116设计概论与化工制

3)热容的估算柯普法则:1mol化合物的总热容,近似地等于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。2022/11/2517设计概论与化工制图3)热容的估算2022/11/2117设计概论与化工制图*柯普法则:1mol化合物的总热容,近似地等于化合物里以原子形式存在的元素热容的总和。例:估算固体Ca(OH)2的热容(见表5-1)

(Cp)Ca(OH)2=(Cp)Ca+2(Cp)O+2(Cp)H(Cp)Ca(OH)2=[26

+(2×17)

+(2×9.6)]

(Cp)Ca(OH)2=79.2J/mol.℃2022/11/2518设计概论与化工制图*柯普法则:1mol化合物的总热容,近似地等于2022/1*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C2H6→C2H4+H22.写成化学键形式

H﹨

／HH﹨

／HH－C－C－H→C＝C+H－HH／

﹨HH／

﹨H3.归纳改组化学键6H－C+C－C→4H－C+C＝C+H－H2H－C+C－C→C＝C+H－H2022/11/2519设计概论与化工制图*由键能估算反应热。2022/11/2119设计概论与化工制4.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125.6kJ2022/11/2520设计概论与化工制图4.查键能数据(见表5-2和表5-3)2022/11例:30000吨/年聚丁二烯橡胶聚合釜的热量衡算,开工8000小时/年双系列双釜串联操作,即每条生产线的生产能力为15000吨/年,每条生产线上都有两个聚合釜串联操作,聚合生成量在Ⅰ釜与Ⅱ釜的分配率为60﹪:40﹪。纯度系数1.06,损耗0.03。

1)分析各股物料之间热平衡关系(物料走向,平衡方程)2)收集计算数据3)标绘热量衡算示意图

4)确定衡算范围

5)选定计算基准:kg/h

6)列出输入--输出热平衡表2022/11/2521设计概论与化工制图例:30000吨/年聚丁二烯橡胶聚合釜的热量衡算,开工8001、分析物料走向2022/11/2522设计概论与化工制图1、分析物料走向2022/11/2122设计概论与化工制图每条生产线的聚合物生成量为2022/11/2523设计概论与化工制图每条生产线的聚合物生成量为2022/11/2123设计概论与2、收集计算数据组成

Ⅰ釜

Ⅱ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7.83657.83657.83657.8365聚丁二烯

115711571928温度℃20606080合计120821208212082120822022/11/2524设计概论与化工制图2、收集计算数据组成Ⅰ釜Ⅱ釜进料

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℃20℃0.54

聚合热千卡/公斤搅拌热千卡/时

33060℃0.58Ⅰ釜3000080℃0.62Ⅱ釜400002022/11/2525设计概论与化工制图分析过程中存在的热量形式,可确定收集那些丁二烯与溶剂3、计算热量2022/11/2526设计概论与化工制图3、计算热量2022/11/2126设计概论与化工制图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:2022/11/2527设计概论与化工制图4、计算设备热负荷与冷却水消耗量2022/11/2127设计5、列出热量平衡表项目

Ⅰ釜

Ⅱ釜

千卡/时千卡/时千卡/时

千卡/时合计2022/11/2528设计概论与化工制图5、列出热量平衡表项目Ⅰ釜Ⅱ釜3、计算热量2022/11/2529设计概论与化工制图3、计算热量2022/11/2129设计概论与化工制图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:2022/11/2530设计概论与化工制图4、计算设备热负荷与冷却水消耗量2022/11/2130设计5、列出热量平衡表项目

Ⅰ釜

Ⅱ釜

千卡/时千卡/时千卡/时

千卡/时1.34.23.822.540.30.44.25.99

1.221.15合计5.425.427.147.142022/11/2531设计概论与化工制图5、列出热量平衡表项目Ⅰ釜Ⅱ釜输入输出95﹪乙醇苯99﹪乙醇5﹪乙醇合计105.44105.441005.44105.442022/11/2532设计概论与化工制图输入输出95﹪乙醇105.442022/11/2132设计概Thanks,anyquestion??2022/11/2533设计概论与化工制图Thanks,anyquestion??2022/11/2设计概论与化工制图2022/11/2534设计概论与化工制图设计概论与化工制图2022/11/211设计概论与化工制图工厂基本建设过程

1、可行性研究2、初步设计3、施工图设计4、施工、试车、验收｛｝

1、厂址选择2、总平面设计3、工艺设计1、工艺流程设计2、化工计算3、设备的选型与设计4、车间布置设计5、管道设计6、公用工程7、向有关专业提供条件8、工程概预算9、技术经济分析10、安全生产与环境保护2022/11/2535设计概论与化工制图工厂基本建设过程1、可行性研究｛｝1、厂址选择

第五章化工计算

第一节化工过程一、化工过程分类1、化学反应:有新物质生成的变化类型。2、分离或提纯:利用相变如蒸馏,结晶,萃取。3、混合:利于加速传热传质,溶液,乳浊液,悬浮液。4、输送:液体输送,机械输送,风力输送。5、温度、压力和相变:温度可使物质产生相变如冷凝,蒸发,熔化。温度可改变粘度,溶解度,表面张力。压力对气体在液体中的溶解度有很大影响。2022/11/2536设计概论与化工制图第五章化工计算二、化工过程综合1、过程综合要求:提出几个方案。2、过程分析和优化:使设备费和操作费最低。3、过程选择:对比方案,选择最好方案。三、化工过程参数1、温度2、压力3、流量4、组成2022/11/2537设计概论与化工制图二、化工过程综合2022/11/214设计概论与化工制图

第二节物料衡算一、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。二、物料平衡方程式1、普遍应用的平衡式输入量+产生量-输出量-消耗量=累积量2、连续稳定过程的平衡式输入量+产生量=输出量+消耗量3、间歇过程的平衡式初始输入量+产生量=最终输出量+消耗量2022/11/2538设计概论与化工制图第二节物料衡算一、物料衡算的三、物料衡算的方法和步骤1、收集计算数据:原料,辅料,中间产物,产品的规格。单位时间流量。消耗定额。转化率,选择性,收率。物理化学常数。2、画物料流程图:物料衡算方框图。3、确定衡算范围:假设一独立体系。4、选定计算基准:100kgkg/h。5、列出输入--输出物料平衡表：

2022/11/2539设计概论与化工制图三、物料衡算的方法和步骤2022/11/216设计概论与化工例5-1用恒沸蒸馏法,将含有95％的乙醇水溶液制成浓度达99.9％乙醇水溶液,以苯作溶剂。其流程及各物流的组成如图5-2所示。试计算每生产100吨99.9％乙醇水溶液,应向塔A加入的:(1)95％的乙醇水溶液量;(2)苯量。

2022/11/2540设计概论与化工制图例5-1用恒沸蒸馏法,将含有95％的乙醇水溶液制成浓度达9例5-12022/11/2541设计概论与化工制图例5-12022/11/218设计概论与化工制图设:x=苯的输入量;y=95％乙醇输入量;z=5％乙醇输出量。三个组分,三个未知数,可列出三个方程求解。1)苯的衡算x=02)乙醇的衡算0.95y=0.999(100)+0.05z3)总的物料衡算x+y=100+z

上三式联立求解得:x=0y=105.44(吨)z=5.44(吨)答:应向塔A加入95％的乙醇水溶液105.44吨;苯为零。2022/11/2542设计概论与化工制图设:x=苯的输入量;y=95％乙醇输入量;z=5％乙醇输输入输出95﹪乙醇------------------------------------合计2022/11/2543设计概论与化工制图输入输出95﹪乙醇2022/11/2110设计概论与化工制图

第三节能量衡算能量衡算应用在如下几方面1、确定功率:流体输送,搅拌,过滤,粉碎等单元操作所需功率。2、确定热量和冷量:如蒸发,蒸馏,冷凝,冷却所需热量和冷量。3、确定供热速率及放热速率:化学反应热效应。4、确定节能措施:充分利用余热,降低能耗。2022/11/2544设计概论与化工制图第三节能量衡算能量衡算应用在如下

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。2022/11/2545设计概论与化工制图

一、能量的形式和概念2022/11/2112设计概论与化工二、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-W3、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-W4、机械能平衡方程式伯努利方程式

2022/11/2546设计概论与化工制图二、能量平衡方程式2022/11/2113设计概论与化工制图三、热量衡算在能量衡算中,不讨论能量转换,只考虑热量变化的衡算称为热量衡算。1、热平衡方程式1)等压过程,只做膨胀功(如连续过程)热量衡算式为：△H=∑H出－∑H入＝∑Q2)非流动体系,忽略动能和势能(如间歇过程)：△U=∑U出－∑U入＝∑Q3)普遍应用的平衡式：

Q1(物料)+Q2(介质)+Q3(反应)=Q4(物料)+Q5(设备)+Q6(损失)2022/11/2547设计概论与化工制图三、热量衡算2022/11/2114设计概论与化工制图2、热量衡算的方法和步骤1)分析各股物料之间热平衡关系

2)收集计算数据3)标绘热量衡算示意图

4)确定衡算范围

5)选定计算基准:100kgkg/h。

6)列出输入--输出热平衡表

2022/11/2548设计概论与化工制图2、热量衡算的方法和步骤2022/11/2115设计概论与化3、有关热数据的计算

1)焓:恒压时

2)真实热容与平均热容

2022/11/2549设计概论与化工制图3、有关热数据的计算2022/11/2116设计概论与化工制

3)热容的估算柯普法则:1mol化合物的总热容,近似地等于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。2022/11/2550设计概论与化工制图3)热容的估算2022/11/2117设计概论与化工制图*柯普法则:1mol化合物的总热容,近似地等于化合物里以原子形式存在的元素热容的总和。例:估算固体Ca(OH)2的热容(见表5-1)

(Cp)Ca(OH)2=(Cp)Ca+2(Cp)O+2(Cp)H(Cp)Ca(OH)2=[26

+(2×17)

+(2×9.6)]

(Cp)Ca(OH)2=79.2J/mol.℃2022/11/2551设计概论与化工制图*柯普法则:1mol化合物的总热容,近似地等于2022/1*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C2H6→C2H4+H22.写成化学键形式

H﹨

／HH﹨

／HH－C－C－H→C＝C+H－HH／

﹨HH／

﹨H3.归纳改组化学键6H－C+C－C→4H－C+C＝C+H－H2H－C+C－C→C＝C+H－H2022/11/2552设计概论与化工制图*由键能估算反应热。2022/11/2119设计概论与化工制4.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125.6kJ2022/11/2553设计概论与化工制图4.查键能数据(见表5-2和表5-3)2022/11例:30000吨/年聚丁二烯橡胶聚合釜的热量衡算,开工8000小时/年双系列双釜串联操作,即每条生产线的生产能力为15000吨/年,每条生产线上都有两个聚合釜串联操作,聚合生成量在Ⅰ釜与Ⅱ釜的分配率为60﹪:40﹪。纯度系数1.06,损耗0.03。

1)分析各股物料之间热平衡关系(物料走向,平衡方程)2)收集计算数据3)标绘热量衡算示意图

4)确定衡算范围

5)选定计算基准:kg/h

6)列出输入--输出热平衡表2022/11/2554设计概论与化工制图例:30000吨/年聚丁二烯橡胶聚合釜的热量衡算,开工8001、分析物料走向2022/11/2555设计概论与化工制图1、分析物料走向2022/11/2122设计概论与化工制图每条生产线的聚合物生成量为2022/11/2556设计概论与化工制图每条生产线的聚合物生成量为2022/11/2123设计概论与2、收集计算数据组成

Ⅰ釜

Ⅱ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7.83657.83657.83657.8365聚丁二烯

115711571928温度℃20606080合计120821208212082120822022/11/2557设计概论与化工制图2、收集计算数据组成Ⅰ釜Ⅱ釜进料

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