物料衡算与能量衡算概论课件

第三章物料衡算与能量衡算0第三章物料衡算01化工过程及过程参数化工工艺流程物料衡算热量衡算主要内容化工过程及过程参数主要内容2§3.1工艺过程及过程参数主要内容包括：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。化工计算主要是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。在进行计算时，必须熟悉有关化工过程的一些术语及基础知识。§3.1工艺过程及过程参数主要内容包括：化工计算主要是应用3§3.1工艺过程及过程参数§3.1.1化工过程化工过程：是指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。它包括许多工序，每个工序又由若干个或若干组设备（如反应器、蒸馏塔、吸收塔、干燥塔，分离器、换热器及输送设备等等）组合而成。物料通过各设备时，完成某种化学或物理处理，最终成为合格的产品。化工过程单元操作反应过程§3.1工艺过程及过程参数§3.1.1化工过程化工过程4§3.1工艺过程及过程参数§3.1.1化工过程化工过程单元操作：不改变物料的化学性质，只改变物理性质。如流体输送、传热、蒸馏、干燥、蒸发、结晶、萃取、吸收、吸附、过滤和破碎等反应过程：改变物料的化学性质。如氢和氮合成氨的反应；乙烯氧化成环氧乙烷的反应。§3.1工艺过程及过程参数§3.1.1化工过程化工过程5§3.1工艺过程及过程参数§3.1.1化工过程化工设备所进行的主要操作混合化学反应是整个化工过程的核心。平衡收率反应速度控制或减少副反应分离或提纯蒸馏结晶萃取改变温度改变压力§3.1工艺过程及过程参数§3.1.1化工过程化混合6§3.1工艺过程及过程参数§3.1.1化工过程发现一种新的化学反应使之实施于生产或开发一个新的化工过程，从技术角度来考察，主要决定于下述三类因素：（3）机械设备、仪表及控制手段：（1）化学工艺因素：（2）化学工程因素：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。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。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。§3.1工艺过程及过程参数§3.1.1化工过程发现一种7§3.1工艺过程及过程参数§3.1.2化工过程化工过程常用流程图来表示。所谓流程图，就是把生产过程中物料经过的设备按其形状画出示意图，并画出各设备之间的主要物料管线及其流向。简化的流程图可以用方框来表示设备或设备组，称方框流程图。在工艺流程设计中，还有其他类型的流程图，如表明物料量的物料流程图、以装置为单元的装置流程图、以管线为主的管线流程图以及带测量仪表控制点的流程图等。§3.1工艺过程及过程参数§3.1.2化工过程化工过程8§3.1工艺过程及过程参数§3.1.2化工过程§3.1工艺过程及过程参数§3.1.2化工过程9§3.1工艺过程及过程参数§3.1.3化工过程的开发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。当然，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。由于化学反应或产物的分离可用不同的方法来完成，因此，设计流程时，必须选择一个安全、可靠、经济效益高的最佳方案。§3.1工艺过程及过程参数§3.1.3化工过程的开发化10§3.1工艺过程及过程参数§3.1.3化工过程的开发实例：3H2＋N22NH3Fe高温、高压基本工艺步骤气体的压缩气体的预热和合成氨的分离未反应氢、氮气体的循环惰性气体的排放§3.1工艺过程及过程参数§3.1.3化工过程的开发实11§3.2工艺基础数据§3.2.1化工基础数据种类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。(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。§3.2工艺基础数据§3.2.1化工基础数据种类在化工12§3.2工艺基础数据§3.2.2化工基础数据来源1、查手册或文献资料有关常用物质的物性数据，前人已系统地进行归纳总结，从表格或图的形式表示。这些致据可从有关的化学化工类手册或专业性的化工手册中查到。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。§3.2工艺基础数据§3.2.2化工基础数据来源1、查13§3.2工艺基础数据§3.2.2化工基础数据来源外文中文§3.2工艺基础数据§3.2.2化工基础数据来源外文中14§3.3化工过程类型§3.3.1间歇操作、连续操作以及半连续操作

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。§3.3化工过程类型§3.3.1间歇操作、连续操作以及半15§3.3化工过程类型§3.3.2稳定状态操作和不稳定状态操作

1.稳定状态操作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，这种过程称为稳定状态操作过程，或称稳定过程。2.不稳定状态操作如果操作条件随时间而不断变化的，则称为不稳定状态操作过程，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。连续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多在开、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。0§3.3化工过程类型§3.3.2稳定状态操作和不稳定状态16§3.4物料衡算§3.4.1基本原理A.物料衡算的目的确定原材料的消耗定额，判断是否达到设计要求。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表示方法。作为热量计算的依据。根据计算结果绘出物流图，可进行管路设计及材料选择，仪表及自动控制等0§3.4物料衡算§3.4.1基本原理A.物料衡算的17§3.4物料衡算§3.4.1基本原理B.物料衡算的依据设计任务书中确定的技术方案、产品生产能力、年工作时间及操作方法。建设单位或研究单位所提供的要求、设计参数及试验室试验或中试等数据，主要有：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、催化剂是否回收使用、安全性能（爆炸上下限）等。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。特殊化学品的物性，如沸点、熔点、饱和蒸汽压、闪点等0§3.4物料衡算§3.4.1基本原理B.物料衡算的18§3.4物料衡算§3.4.1基本原理C.物料衡算的基准时间基准：连续生产：一段时间的投料量或生产产品量作为计算基准；间歇生产：一釜或一批料的生产周期作为基准例：年产300kt乙烯装置，年操作时间为8000h，则每小时的平均产量为37.5t。年处理量为9000kt炼油厂，年操作时间为8000h，则每小时的平均产量为1125t。0§3.4物料衡算§3.4.1基本原理C.物料衡算的19§3.4物料衡算§3.4.1基本原理C.物料衡算的基准质量基准：当系统介质为液、固相时，选择一定质量的原料或产品作为计算基准如果原料或产品是单一化合物，或由已知组成百分数和组分分子量的多组分组成，可用物质的量作为计算基准例：以石油、煤、矿石为原料的化工厂，可采用一定量的原料为基准。1kg、1000kg、100t

以氮和氢为原料合成氨的工艺过程，可采用物质的量为基准。

0§3.4物料衡算§3.4.1基本原理C.物料衡算的20§3.4物料衡算§3.4.1基本原理C.物料衡算的基准体积基准：对气体物料进行衡算时选用体积基准应将实际情况下的体积换算为标准状态下的体积例：在化工生产过程中经常使用的干空气以及在合成氨中使用的原料煤气和水煤气就可以用体积为基准

用m3（STP）表示0§3.4物料衡算§3.4.1基本原理C.物料衡算的21§3.4物料衡算§3.4.1基本原理C.物料衡算的基准干湿基准

生产中的物料，不论是气态、液态还是固态，均含有一定量的水分，因而在选用基准时就有算不算水分在内的问题，不计算水分在内的称为干基，否则为湿基。例：通常水空气中含氧21%，含氮79%，这是以干基计算的

如果把水蒸气计算在内，氧和氮的百分比就变了。

甲烷水蒸气催化转化制取氢气，转化炉的进料量，以干基计算为7×103m3（STP)/h，如以湿基计算则可达到3×104m3（STP)/h湿基：化肥、农药等化工产品，尿素、甲醛、乙醇。干基：硝酸0§3.4物料衡算§3.4.1基本原理C.物料衡算的22§3.4物料衡算§3.4.1基本原理D.物料衡算的程序确定衡算的对象、体系与环境，并画出计算对象的草图体系输入物料输出物料整个生产流程操作单元过程中的部分工段或工序某一设备§3.4物料衡算§3.4.1基本原理D.物料衡算的23§3.4物料衡算§3.4.1基本原理D.物料衡算的程序确定计算任务，明确哪些是已知项，哪些是待求项，选择适当的数学公式，力求计算方法简便。确定过程所涉及的组分。对物流流股进行编号，并注明物料变量收集数据资料：设计任务书中已知条件；物理化学参数生产规模和生产时间有关定额和技术指标原辅材料、产品、中间产品的规格与过程有关的物理化学参数§3.4物料衡算§3.4.1基本原理D.物料衡算的24§3.4物料衡算§3.4.1基本原理D.物料衡算的程序列出物料衡算方程：依据是质量守恒定律进入过程单元的物料量Fi流出过程单元的物料量F0在过程单元内生成的物料量Dp在过程单元内消耗的物料量Dr——＋过程单元内积累的物料量W＝（Fi-F0）＋（Dp-Dr）＝Wa)稳定有反应操作过程：（Fi-F0）＋（Dp-Dr）＝0

b)不稳定无反应操作过程：（Fi-F0）＝Wc)稳定无反应操作过程：（Fi-F0）＝0§3.4物料衡算§3.4.1基本原理D.物料衡算的25§3.4物料衡算§3.4.1基本原理D.物料衡算的程序列出过程的全部独立的物料衡算方程式及其他相关约束式，化学反应方程式，明确反应前后物料组成和各个组分之间的定量关系、转化率、选择性选择计算基准统计变量个数与方程个数，确定设计变量的个数及全部设计变量Nv

＝Ns(Nc＋1)＋NpNv－系统的总变量；Ns－物流中的组分数；Nc－物流的股数；

Np－设备参数Nd

＝Nv

－NeNd－设计变量数；Ne－独立方程数；§3.4物料衡算§3.4.1基本原理D.物料衡算的26§3.4物料衡算§3.4.1基本原理D.物料衡算的程序整理计算结果，并根据需要列成原材料消耗表绘制物料流程图序号原料名称单位规格成品消耗定额（单耗）每小时消耗量每年消耗量1尿素t含氨量≥46.3%2.31.75108002液氨t99.5%0.20.14710703催化剂t0.01604道生kg工业级0.2251.355氮气m3(STP)99.5%3630m3/h21.6×1046熔盐kg工业级0.321.97燃料油t0.8150.6649108包装袋套450×8004033.3240×103原材料消耗一览表（三聚氰氨）§3.4物料衡算§3.4.1基本原理D.物料衡算的27§3.5物料衡算举例§3.5.1无反应过程的物料衡算[例3-1]某化工厂要求设计一套从气体中回收丙酮的装置系统，并计算回收丙酮的费用。系统的流程框图如图所示，要求有已知的资料，列出各物流的流率（kg/h），以便能确定设备的大小，并计算蒸馏塔的进料组分。吸收塔蒸馏塔冷凝器水F11200kg/h混合气体F21.5(mol)%丙酮空气F3产品F4丙酮99%,水1%废料F5：丙酮5%，水95%§3.5物料衡算举例§3.5.1无反应过程的物料衡算[28§3.5物料衡算举例§3.5.1无反应过程的物料衡算分析：本系统包括三个单元：吸收塔、蒸馏塔和冷凝器。除混合气体外均以质量分数表示，所以及其换算成质量分数。进入系统物流两个，离开三个，已知项一个，因此未知项有四个。组成kmolkg质量,(mol)%丙酮1.5872.95空气98.5286097.05总计1002947100.00以100kmol为基准总物料平衡式：1200＋F2＝F3

＋F4

＋F5丙酮：0.0295F2

＝0.99F4

＋0.05F5水：1200＝0.01F4

＋0.95F5空气：0.9705F2

＝F3结论：只有3个独立方程，不能求解，应补充数据：每小时进入系统的气体混合物、离开系统的产品或废液的物流量进入蒸馏塔的组分§3.5物料衡算举例§3.5.1无反应过程的物料衡算分29§3.5物料衡算举例§3.5.1无反应过程的物料衡算例: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。解：设

x——废酸量，kg；

y——浓H2SO4量，kg；

z——浓HNO3量；kg(1)画物料流程简图§3.5物料衡算举例§3.5.1无反应过程的物料衡算例30§3.5物料衡算举例§3.5.1无反应过程的物料衡算(2)选择基准，可以选废酸或浓酸的量为基准，也可以用混合酸的量为基准，因为四种酸的组成均已知，选任何一种作基准计算都很方便。(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=100×0.6=60

(2)HNO3的衡算式

0.23x+0.90z=100×0.27=27

(3)§3.5物料衡算举例§3.5.1无反应过程的物料衡算(31§3.5物料衡算举例§3.5.1无反应过程的物料衡算解(1)，(2)，(3)方程，得x=41.8kg废酸

y=39kg浓H2SO4

z=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13％H2O，所以计算结果正确。以上物料衡算式，亦可以选总物料衡算式及H2O与HNO3二个衡算式或H2SO4、HNO3和H2O三个组分衡算式进行计算，均可以求得上述结果。§3.5物料衡算举例§3.5.1无反应过程的物料衡算解32§3.5物料衡算举例§3.5.1无反应过程的物料衡算例: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图。计算蒸馏1000mol/h原料所得个流股的量及进塔II物料的组分。§3.5物料衡算举例§3.5.1无反应过程的物料衡算例33§3.5物料衡算举例§3.5.1无反应过程的物料衡算解:设S2、S3、S4、S5表示各流股物料量，mol/hx3B、x3T表示流股3种苯、甲苯的组成。体系A（塔I）：总物料1000＝S2

＋S3(1)

苯1000×0.5＝0.95S2

＋x3BS3(2)甲苯1000×0.3＝0.03S2

＋x3TS3(3)体系B（塔II）：总物料S3

＝S4

＋S5(4)

苯x3BS3

＝0.03S4

＋0.0045S5(5)甲苯x3TS3

＝0.95S4

＋0.43S5(6)体系C（整个过程）：总物料1000＝S2

＋S4

＋S5(7)

苯1000×0.5＝0.95S2＋0.03S4

＋0.0045S5(8)甲苯1000×0.3＝0.03S2

＋0.95S4

＋0.43S5(9)§3.5物料衡算举例§3.5.1无反应过程的物料衡算解34§3.5物料衡算举例§3.5.1无反应过程的物料衡算解:由(7)、(8)、(9)三式解得S2＝520mol/hS4＝150mol/hS5＝330mol/h再任选一组体系A或B的衡算方程，可解得：S3＝480mol/hx3B

＝0.0125x3T

＝0.5925x3x

＝0.395§3.5物料衡算举例§3.5.1无反应过程的物料衡算解35§3.5物料衡算举例§3.5.2有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，物料衡算比无化学反应过程的计算复杂，化学反应过程物料衡算的方法有：直接计算法利用反应速率进行物料衡算元素平衡以化学平衡进行衡算以结点进行衡算利用联系组分进行衡算§3.5物料衡算举例§3.5.2有反应过程的物料衡算36§3.5物料衡算举例§3.5.2有反应过程的物料衡算反应转化率、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。若以从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§3.5物料衡算举例§3.5.2有反应过程的物料衡算反37§3.5物料衡算举例§3.5.2有反应过程的物料衡算反应转化率、选择性及收率等概念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。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的转化率一个化学反应，由不同反应物可计算得到不同的转化率。因此，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。§3.5物料衡算举例§3.5.2有反应过程的物料衡算反38§3.5物料衡算举例§3.5.2有反应过程的物料衡算反应转化率、选择性及收率等概念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，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。§3.5物料衡算举例§3.5.2有反应过程的物料衡算反39§3.5物料衡算举例§3.5.2有反应过程的物料衡算反应转化率、选择性及收率等概念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。若以摩尔数计算，考虑化学计量系数，则目的产物D的收率为转化率、选择性与收率三者之间的关系为Y=S·x§3.5物料衡算举例§3.5.2有反应过程的物料衡算反40§3.5物料衡算举例§3.5.2有反应过程的物料衡算[例3-2]作年产300t对-硝基乙苯工段物料衡算，原料乙苯纯度95%，硝化混酸为：HNO332%，H2SO456%，H2O12%。粗乙苯与混酸质量比1:1.855。对硝基乙苯收率50%，硝化产物为硝基乙苯的混合物，其比例：对：邻：间＝0.5:0.44:0.06。配制混酸所用的原料：H2SO4

93%，HNO396%及H2O，年工作日300天，假设转化率为100%，间歇生产。解：（1）画出流程示意图，确定计算范围。配酸硝化分离H2SO4,

93%HNO3,96%H2O乙苯,95%废酸硝化物§3.5物料衡算举例§3.5.2有反应过程的物料衡算[41§3.5物料衡算举例§3.5.2有反应过程的物料衡算解：（2）原料乙苯量基准：间歇生产，以每天生产的kg数为基准C2H5＋HNO3H2SO4,H2OC2H5C2H5C2H5＋H2ONO2NO2NO2G1G2G3G4G5

M:106.1763151.1718.02§3.5物料衡算举例§3.5.2有反应过程的物料衡算解42§3.5物料衡算举例§3.5.2有反应过程的物料衡算解：（2）原料乙苯量对-硝基乙苯：G3＝300×1000/300＝1000kg乙苯量：G1＝1000×106.17/(151.17×0.5)＝1404.6kg原料乙苯量：1404.6/0.95＝1478.6kg杂质量：1478.6-1404.6＝74kg§3.5物料衡算举例§3.5.2有反应过程的物料衡算解43§3.5物料衡算举例§3.5.2有反应过程的物料衡算解：（3）配酸量及水量混酸量：1478.6×1.855＝2742.8kg纯HNO3量：2742.8×0.32＝877.7kg96%HNO3量：877.7

/0.96＝914.3kg纯H2SO4量：2742.8×0.56＝1536.0kg

93%H2SO4量：1536.0

/0.93＝1651.6kg

加水量：2742.8-914.3-1651.6＝176.9kg

§3.5物料衡算举例§3.5.2有反应过程的物料衡算解44§3.5物料衡算举例§3.5.2有反应过程的物料衡算解：（4）硝化已知转化率为100%，G3：G4：G5＝0.5：0.44：0.06硝化物产量：1404.6×151.17/106.17＝1999.9kg其中硝基乙苯：对位：1999.9

×0.5＝1000.0kg邻位：1999.9

×0.44＝880.0kg间位：1999.9

×0.06＝120.0kg§3.5物料衡算举例§3.5.2有反应过程的物料衡算解45§3.5物料衡算举例§3.5.2有反应过程的物料衡算解：（5）废酸量HNO3消耗量：1404.6×63/106.17＝833.5kg水生成量：1404.6×18.02/106.17＝238.4kg废酸中HNO3量：877.7-833.5＝44.2kg

H2SO4量：1536.0kg

H2O量：329.1＋238.4＝567.5kg废酸总量：44.2＋1536

＋567.5＝2147.7kg废酸组成：HNO32.06%，H2SO471.52%，H2O26.42%§3.5物料衡算举例§3.5.2有反应过程的物料衡算解46§3.5物料衡算举例§3.5.2有反应过程的物料衡算解：物料衡算表输入输出组分质量，kg/d组分质量，kg/dHNO3877.7HNO344.2H2SO41536H2SO41536H2O329.1H2O567.5C6H5-C2H51404.6C6H5-C2H5对-硝基乙苯邻-硝基乙苯间-硝基乙苯1000880120杂质74杂质74合计4221.4合计4221.4§3.5物料衡算举例§3.5.2有反应过程的物料衡算解47§3.5物料衡算举例§3.5.2有反应过程的物料衡算[例3-3]工业上，合成氨原料气中的CO通过变换反应器而除去，如图所示。在反应器1中大部分转化，在反应器2中完全脱去。原料气是由发生炉煤气（78%N2，20%CO，2%CO2）和水煤气（50%H2，50%CO）混合而成的半水煤气。在反应器中与水蒸气发生反应：CO＋H2OCO2＋H2N278%,CO20%CO22%,F1H250%,CO50%,F2反应器1反应器2H2O,F3F4N2,H2，H2OCO，CO2

F5N2,H2,H2O,CO2

最后得到物流中H2与N2之比为3：1，假定水蒸气流率是原料气总量（干基）的两倍，同时反应器1中CO的转化率为80%，试计算中间物流（4）的组成。§3.5物料衡算举例§3.5.2有反应过程的物料衡算[48§3.5物料衡算举例§3.5.2有反应过程的物料衡算解：基准：物流1为100mol/h；正反应的速率为r（mol/h）（1）过程先由总单元过程摩尔衡算式进行计算，总衡算式为：N2平衡： F5,N2

＝0.78×100＝78mol/h

CO平衡： F5,CO＝0.2×100＋0.5F2－rH2O平衡： F5,H2O＝F3－rCO2平衡： F5,CO2

＝0.02×100＋rH2平衡： F5,H2＝0.5F2＋

r§3.5物料衡算举例§3.5.2有反应过程的物料衡算解49§3.5物料衡算举例§3.5.2有反应过程的物料衡算解：已知H2与N2之比为3：1F5,H2

＝3F5,N2

＝3×78＝234mol/h原料气（干基）与水蒸气之比1：2F3

＝2（F1＋F2

）将H2和CO平衡式相加，消去r，得：

F2

＝234－20＝214mol/h将F2值代入CO平衡式中，得：

r总＝20＋107＝127mol/hF3

＝2×（100+214）＝628mol/h最后，由CO2和H2O平衡式得：F5,CO2

＝0.02×100＋127＝129mol/hF5,H2O＝628-127＝501mol/h§3.5物料衡算举例§3.5.2有反应过程的物料衡算解50§3.5物料衡算举例§3.5.2有反应过程的物料衡算解：（2）计算反应器1的反应速率，然后计算物流4的组成，：r1＝Fi,输入×xi式中xi为i物质的转化率。已知反应器1中CO转化率为0.80，由此得反应器1的反应速率：r1＝Fi,输入×xi＝（0.2×100＋0.5×214）×

0.8＝101.6mol/h物流4中每一物质分别为：N2平衡F4,N2

＝0.78×100＝78mol/hCO平衡F4,CO

＝127-r1＝25.4mol/hH2O平衡F4,H2O

＝628-r1＝526.4mol/hCO2平衡F4,CO2

＝2＋r1＝103.6mol/hH2平衡F4,H2

＝107＋r1＝208.6mol/h物流4的组成（摩尔分率）N20.083CO0.027H2O0.559CO20.110H20.221§3.5物料衡算举例§3.5.2有反应过程的物料衡算解51§3.5物料衡算举例§3.5.3带循环和旁路过程的物料衡算在化工过程中，有一些具有循环、排放及旁路的过程，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。MF＝F＋RRP＝P＋R反应器分离器新鲜原料FMFRP产品P循环物料R有循环过程的物料流程图§3.5物料衡算举例§3.5.3带循环和旁路过程的物料52§3.5物料衡算举例§3.5.3带循环和旁路过程的物料衡算有循环的过程，转化率常分为单程转化率与总转化率：——反应物A输入、输出反应器的摩尔数——反应物A输入、输出过程的摩尔数反应器整个过程§3.5物料衡算举例§3.5.3带循环和旁路过程的物料53§3.5物料衡算举例§3.5.3具有循环及排放过程的物料衡算具有循环及排放过程的物料流程图：W—排放物料S—分离产物R/W—循环比每个平衡体系各物料之间关系：总物料F＝P＋W反应器MF＝RP分离器RP＝P＋S节点AMF＝F＋R节点BS＝R＋W§3.5物料衡算举例§3.5.3具有循环及排放过程的物54§3.5物料衡算举例§3.5.3带循环和旁路过程的物料衡算在不知道循环量的情况下，可采用以下两种计算:（1）试差法：估计循环流量，并继续计算至循环回流的那一点，将估计值与计算值进行比较，并重新假设一个估计值，一直计算到估计值与计算值之差在一定的误差范围内。（2）代数解法在循环存在时，列出物料平衡方程式，并求解。一般方程式中以循环流量作为未知数，应用联立方程的方法进行求解。§3.5物料衡算举例§3.5.3带循环和旁路过程的物料55§3.5物料衡算举例§3.5.3带循环和旁路过程的物料衡算[例3-4]K2CrO4从水溶液重结晶处理工艺是将每小时4500mol含33.33%(mol)的K2CrO4新鲜溶液和另一股含36.36%(mol)K2CrO4的循环液合并加入至一台蒸发器中，蒸发温度为120℃，用0.3MPa的蒸汽加热。从蒸发器放出的浓缩料液含49.4%(mol)K2CrO4进入结晶槽，在结晶槽被冷却至40℃，用冷却水冷却（冷却水进出口温差5℃)。然后过滤，获得含K2CrO4结晶的滤饼和36.36%(mol)K2CrO4的滤液(这部分滤液即为循环液)，滤饼中的K2CrO4占滤饼总物质的量的95%。K2CrO4的分子量为195。试计算：（1）蒸发器中蒸发出水的量（2）K2CrO4结晶的产率（3）循环液(mol)/新鲜液(mol)的比率（4）蒸发器和结晶器的投料比(mol)§3.5物料衡算举例§3.5.3带循环和旁路过程的物料56§3.5物料衡算举例§3.5.3带循环和旁路过程的物料衡算解：（1）先画出流程框图，并将流股编号蒸发过程蒸发过程F1F2F3F4F5F6系统1系统2系统3F1—进入蒸发器的新鲜物料量（mol/h）F2—进入蒸发器的循环物料量即滤液量（mol/h）F3—新鲜液和循环液混合后的物料量（mol/h）F4—进入蒸发器的新鲜物料量（mol/h）F5—出蒸发器的物料量（mol/h）F6—蒸发器蒸发出的水量（mol/h）PC—结晶过滤后滤饼中K2CrO4的物质量（mol/h）PS—进入蒸发器的新鲜物料量（mol/h）x3—新鲜液和循环液混合后的K2CrO4组成（mol/h）§3.5物料衡算举例§3.5.3带循环和旁路过程的物料57§3.5物料衡算举例§3.5.3带循环和旁路过程的物料衡算解：（2）基准：4500mol/h新鲜原料

滤饼中溶液和结晶固体之间存在如下关系：Ps＝0.05（Ps＋Pc）

Ps＝0.05263Pc

（1）对系统1中的平衡：

0.3333×F1

＝Pc＋0.3636Ps（2）

（1）、（2）联立得：Pc＝1472molK2CrO4/hPs＝77.5mol溶液/h§3.5物料衡算举例§3.5.3带循环和旁路过程的物料58§3.5物料衡算举例§3.5.3带循环和旁路过程的物料衡算解：对系统1中H2O物料平衡：

F1（1－0.3333）＝F6＋F5×0.05×（1-0.3636）

4500×0.6667＝F6＋（Pc＋Ps）×0.05×0.63643000＝F6＋1549.5×0.05×0.6364＝F6＋49.2F6＝2950.8mol/h

系统2（结晶过滤）的总物料平衡：F4

＝F2＋Pc＋PsF4

＝F2＋1549.5

结晶器中水平衡：F4(1－0.494)＝(F2＋1549.50.05)

×

(1－0.3636)F2

＝5634.6mol/hF4＝7184mol/h§3.5物料衡算举例§3.5.3带循环和旁路过程的物料59§3.5物料衡算举例§3.5.3带循环和旁路过程的物料衡算解：循环液/新鲜料液：

5634.6/4500＝1.25最后，对系统3或蒸发器进行物料衡算求F3：F3

＝F2＋F2＝

4500

＋5634.6＝10134.6mol/h

由蒸发器的物料平衡可校核F3：

设计的蒸发器与结晶槽的投料比为：F3

/F4＝10134.6/7184＝1.41§3.5物料衡算举例§3.5.3带循环和旁路过程的物料60§3.6能量衡算§3.6.3能量衡算在化工生产中，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、操作制度是否先进合理的主要指标之一。能量衡算有两种类型的问题，一种是先对使用中的装置或设备，实际测定一些能量，通过衡算计算出另外一些难以直接测定的能量，由此作出能量方面的评价，即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；另一类是在设计新装置或设备时，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。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。§3.6能量衡算§3.6.3能量衡算61§3.6能量衡算§3.6.3能量衡算§3.6.3.1

能量衡算的基本概念一、能量的形式动能（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。§3.6能量衡算§3.6.3能量衡算§3.6.3.162§3.6能量衡算§3.6.3能量衡算§3.6.3.1

能量衡算的基本概念二、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。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。§3.6能量衡算§3.6.3能量衡算§3.6.3.163§3.6能量衡算§3.6.3能量衡算§3.6.3.1

能量衡算的基本概念二、几个与能量衡算有关的重要物理量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。§3.6能量衡算§3.6.3能量衡算§3.6.3.164§3.6能量衡算§3.6.3能量衡算二、几个与能量衡算有关的重要物理量3、焓(H)

H＝U＋PV对于纯物质，焓可表示成温度和压力的函数：

H=H(T，P)对H全微分：

因此焓差可表示成：Cp很小§3.6能量衡算§3.6.3能量衡算二、几个与能量衡65§3.6能量衡算§3.6.3能量衡算二、几个与能量衡算有关的重要物理量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§3.6能量衡算§3.6.3能量衡算二、几个与能量衡66§3.6能量衡算§3.6.3能量衡算§3.6.3.2能量衡算的基本原理A、能量衡算的基本方程式

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—输出的能量＝积累的能量

根据热力学第一定律，能量衡算方程式的一般形式为：△E＝Q＋W△E—体系总能量变化Q—体系从环境中吸收的能量W—环境对体系所作的功§3.6能量衡算§3.6.3能量衡算§3.6.3.267§3.6能量衡算§3.6.3能量衡算§3.6.3.2能量衡算的基本原理在无外功条件下，进入系统加热能与离开系统的热能平衡：∑Q进＝∑Q出Q1＋Q2

＋Q3

＝Q4＋Q5＋Q6Q1—物料带到设备中去的热量（kJ）Q2—由加热剂（冷却剂）传给设备的热量或加热与冷却物料所需热量。输入（加热）为正；输出（冷却）为负Q3—过程的热效应；放热为负；吸热为正

Q4—反应产物由设备中带出的热量

Q5—消耗在加热设备各个部件上的热量

Q6—设备向四周散失的热量§3.6能量衡算§3.6.3能量衡算§3.6.3.268§3.6能量衡算§3.6.3能量衡算§3.6.3.2能量衡算的基本原理B.热量计算中各种热量的说明（1）计算基准，可取任何温度，如有反应过程，一般取25℃（2）物料的显热可用焓值或比热容进行计算n—物料量（mol）Cp—物料的比热容(kJ/mol·

℃)，Cp＝a＋bT＋cT2

＋dT3

＋eT4T—温度（℃），T2为物料温度；T1为基准温度§3.6能量衡算§3.6.3能量衡算§3.6.3.269§3.6能量衡算§3.6.3能量衡算§3.6.3.2能量衡算的基本原理B.热量计算中各种热量的说明（3）Q2热负荷的计算，Q2等于正值为需要加热，Q2等于负值为需要冷却。（4）Q3为化工过程的热效应，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阅，无法查阅的汽化热可由特鲁顿法则估算；反应热由生成热和燃烧热计算§3.6能量衡算§3.6.3能量衡算§3.6.3.270§3.6能量衡算§3.6.3能量衡算§3.6.3.2能量衡算的基本原理B.热量计算中各种热量的说明（5）设备加热所需热量Q5在稳定操作过程中不出现；但在开停工以及间歇操作的升温降温阶段也有设备的升温降温热产生：

Q5

＝∑GCp(t2-t1)G—设备各部件的重量（kg）Cp—设备各部件比热容（kJ/kg·℃）t2—设备各部件加热后温度（℃）（th＋te）/2t1—设备各部件加热前温度室温§3.6能量衡算§3.6.3能量衡算§3.6.3.271§3.6能量衡算§3.6.3能量衡算§3.6.3.2能量衡算的基本原理B.热量计算中各种热量的说明（6）设备向四周散失的热量Q6可由下式算得：

Q6

＝∑FaT(tw-t)t×10-3

F—设备散热表面积（m3）

aT—散热表面向四周介质的联合给热系数（W/·m3

℃）

tw

—散热表面的温度，有隔热层时为绝热层外表温度（℃）

t—周围介质温度

t—散热持续时间（s）1）绝热层外空气自然对流当tw＜150℃时平壁隔热：aT＝3.4＋0.06(tw-t)管和圆筒：aT＝8.1－0.045(tw-t)2）空气沿粗糙面强制对流u≤5m/s时：aT＝5.3＋3.6uU＞5m/s时：aT＝6.7u0.78§3.6能量衡算§3.6.3能量衡算§3.6.3.272§3.6能量衡算§3.6.3能量衡算§3.6.3.2能量衡算的基本原理C.热量衡算的基本方法及步骤热量衡算的基本步骤：建立以单位时间为基准的物料流程图（或平衡表），也可以100mol或100kmol原料为基准，但前者更常用。在物料流程框图上标明已知温度、压力、相态等条件，并查出或计算出每个物料组分的焓值，于图上注明。选择基准列出热量衡算式，利用数学方法求解未知值。当产生过程及物料组成较复杂时，可以列出热量衡算表0§3.6能量衡算§3.6.3能量衡算§3.6.3.273§3.6能量衡算§3.6.3能量衡算§3.6.3.2能量衡算的基本原理D.

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、内能和烩的变化，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=∆H。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＋Wj§3.6能量衡算§3.6.3能量衡算§3.6.3.274§3.6能量衡算§3.6.3能量衡算§3.6.3.2能量衡算的基本原理E.

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。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。恒温时压力的变化恒压时温度的变化恒压恒温时相态的变化两个或两个以上物质在恒温恒压时的混合与分离恒温恒压时的化学反应过程。§3.6能量衡算§3.6.3能量衡算§3.6.3.275§3.6能量衡算§3.6.3能量衡算§3.6.3.2能量衡算的基本原理E.

无化学反应过程的能量衡算1、无相变的变温变压过程§3.6能量衡算§3.6.3能量衡算§3.6.3.276§3.6能量衡算§3.6.3能量衡算§3.6.3.2能量衡算的基本原理E.

无化学反应过程的能量衡算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。例如100oC、latm时液体水转变成水汽的焓变∆H等于40.6kJ/mol，称为在该温度和压力下水的汽化潜热。①汽化潜热(∆Hv）当T和P不变，单位数量的液休汽化所需的热量。②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。③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。

§3.6能量衡算§3.6.3能量衡算§3.6.3.277§3.6能量衡算§3.6.3能量衡算§3.6.3能量衡算§3.6.3.2能量衡算的基本原理E.

无化学反应过程的能量衡算2、相变过程的能量衡算

相变热随相变温度变化会有显著的不同，但随相变压力变化很微小。许多纯物质在正常沸点（或熔点）下的相变热数据，可在手册中查到。如果查到的数据，其条件不符合要求时，可设计一定的计算途径来求算。《化学工程手册》第一分册《PropertiesofGasesandLiquids》(Ried,Prausnitz,Sherwood)《ChemicalEngineersHandbook》6thed.1984(Perry,Chiton)§3.6能量衡算§3.6.3能量衡算§3.6.378§3.6能量衡算§3.6.3能量衡算§3.6.3.2能量衡算的基本原理E.

无化学反应过程的能量衡算2、相变过程的能量衡算

常用的几种相变热计算方法：特鲁顿（Trouton）法则是计算标准汽化热（正常沸点时的∆H

）的简单方法：∆H＝bTb陈氏（Chen）方程此方程由液体沸点、临界常数推算正常沸点时的汽化热克劳修斯—克拉贝隆（Clausius-Clapeyron）方程lnP*＝∆Hv/RT＋B§3.6能量衡算§3.6.3能量衡算§3.6.3.279§3.6能量衡算§3.6.3能量衡算§3.6.3.2能量衡算的基本原理F.

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。§3.6能量衡算§3.6.3能量衡算§3.6.3.280§3.6能量衡算§3.6.3能量衡算§3.6.3.2能量衡算的基本原理F.

化学反应过程的能量衡算这里主要讨论反应热的计算方法，反应热可用生成热或燃烧热来计算，所以先要讨论燃烧热和生成热，及其用于反应热的计算，然后将反应热结合到能量衡算中去。1、反应热及其表示恒压反应热

Qp＝∆Hr恒容反应热

Qv＝∆Ur(T)§3.6能量衡算§3.6.3能量衡算§3.6.3.281§3.6能量衡算§3.6.3能量衡算§3.6.3.2能量衡算的基本原理F.

化学反应过程的能量衡算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生成热μi(∆Hfo)i－Σ反应热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

§3.6能量衡算§3.6.3能量衡算§3.6.3.282§3.6能量衡算§3.6.3能量衡算§3.6.3.2能量衡算的基本原理F.

化学反应过程的能量衡算3、化学反应过程的能量衡算（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）。

选好基准后，为了计算过程的简便，可以画一张表，将进出口流股中组分的流率ni和焓∆H填入表内，然后按下式计算过程的∆H：§3.6能量衡算§3.6.3能量衡算§3.6.3.283§3.6能量衡算§3.6.3能量衡算§3.6.3.2能量衡算的基本原理3、化学反应过程的能量衡算（2）第二种基准如果一个过程的反应很复杂，难以写出平行反应的化学反应式，或难以确定一种原料参加不同反应的量的比例，标准反应热也无法知道。此时，可以用下面介绍的第二种基准。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。§3.6能量衡算§3.6.3能量衡算§3.6.3.284§3.6能量衡算§3.6.3能量衡算§3.6.3.3加热剂与冷却剂由于化工生产中的主要能量计算是热量计算，所以加热过程的能源选择主要是热源的选择，冷却或移走热量过程主要为冷源的选择。常用热源：热水、蒸汽（低压、高压、过热）、导热油、道生（联苯与二苯醚的混合物）液体、道生蒸汽、烟道气、电、熔盐等常用冷源：冷冻盐水、液氨等A.加热剂的选择要求：在较低压力下可达到较高温度化学稳定性高没有腐蚀作用热容量大冷凝热大无火灾或爆炸危险性无毒性价廉温度易调节§3.6能量衡算§3.6.3能量衡算§3.6.3.385B.常用加热剂与冷却剂性能序号加热剂冷却剂使用温度范围℃给热系数W/(m2·℃)优缺点及使用场合1热水40-10050-1400对热敏性物料用热水比较保险，传热情况不如蒸汽，易冷却，温度不易调节2饱和蒸汽100-180300-3200冷凝潜热大，热利用率高，温度易于调节，3过热蒸汽180-300用于较高温度场合，但传热效率较低，不易调节4导热油180-25058-175温度较高，使用方便，加热均匀5道生液180-250110-450C6H5-C6H526.5%与C6H5-O-C6H573.5%的混合物，加热均匀，温度范围广，易于调节，蒸汽冷凝潜热，热效率较高，需道生炉和循环装置6道生蒸汽250-350340-680