第三章-物料和能量衡算

第三章化工计算基本要求:

(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化工计算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。守恒定律化工过程方面的基础知识

第一节化工过程及过程参数一、化工过程所谓化工过程，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。在不同的生产过程中，有一些具有共性的物理操作，它们不改变物料的化学性质，只改变物料的物理性质，这类操作被称为单元操作，如流体输送、传热、蒸馏、干燥、蒸发、结晶、萃取、吸收、吸附、过滤及破碎等操作。化工过程中还包括一些改变物料的化学性质的反应过程，如氢与氮合成氨反应、乙烯氧化成环氧乙烷反应等等。化工过程就是由反应过程和若干个单元操作组合而成的一个系统。化工过程的类型根据其操作方式分间歇操作原料一次加入→过程→产品一次排出连续操作原料连续加入→过程→产品连续排出半连续操作原料一次加入→过程→产品连续排出或原料连续加入→过程→产品一次排出根据操作状态分稳定状态操作（定态操作）过程参数=f(x、y、z)不稳定状态操作（非定态操作）过程参数=f(x、y、z、t)二、化工过程基本参数过程参数即化工生产过程中影响过程运行和状态的物理量。一）温度表示物体冷热程度的物理量。温标。1、摄氏温标，℃

水的正常冰点：0℃水的正常沸点：100℃其间均分100等份其单位为℃2、开尔文温标，K3华氏温标,℉

水盐混合物的温度：0℉健康人的血液温度：96℉水的正常冰点：32℉,水的正常沸点：212℉其间均分180等份其单位为℉4、兰金温标，°R

与开氏温标相似，也是以最低理论温度为0度的一种绝对温标。其0度为-459、58℉（-460℉），所以0℉即460℉。四种温度的关系二）压力(压强）三）流量四）组成三、化工过程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。（开发的成果要以基础设计形式出现）化工过程开发，首先是决定化学反应的可能性、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。

四、化工基础数据“化工基础数据”，又被称作“物化数据”或“物性数据”。是由物料本身的物理化学性质所决定的。化工基础数据包括很多，现将常用的一些化工基础数据大致归纳成以下几类:(l））基基本本物物性性数数据据————如临临界界常常数数（（临临界界压压力力、、临临界界温温度度、、临临界界体体积积））、、密密度度或或比比容容、、状状态态方方程程参参数数、、压压缩缩系系数数、、蒸蒸气气压压、、气气一一液液平平衡衡关关系系等等。。(2））热热力力学学物物性性数数据据————如内内能能、、焓焓、、嫡嫡、、热热容容、、相相变变热热、、自自由由能能、、自自由由焓焓等等。。(3））化化学学反反应应和和热热化化学学数数据据————如反反应应热热、、生生成成热热、、燃燃烧烧热热、、反反应应速速度度常常数数、、活活化化能能，，化化学学平平衡衡常常数数等等。。(4））传传递递参参数数————如粘粘度度、、扩扩散散系系数数、、导导热热系系数数等等。。数据据的的获获取取：：1、、查查手手册册或或文文献献资资料料常用用物物质质的的物物性性数数据据可可从从化化学学化化工工类类手手册册或或专专业业性性的的化化工工手手册册中中查查到到。。（（收收集集了了许许多多物物质质的的物物性性数数据据及及图图表表））化学工程手册册，《化学学工程手册》》编辑委员员会，化学工工业出版社，，1980化工工艺设计计手册，国家家医药管理局局上海医药设设计院编，化化学工业出版版社，1986化工工艺算图图，吉林化学学工业公司设设计院等编，，化学工业出出版社，19822、估算可以应用物理理和化学的一一些基本定律律计算各种物物质的性质参参数。但是，往往由由于缺乏计算算所需的一些些分子性质（（偶极矩、极极化率、原子子间距离等））的数据而无无法计算，或或者即使知道道这些数据，，计算也很复复杂。因此，，许多研究人人员做了不少少工作，建立立了理论与经经验相结合的的方法，来计计算各种物质质的物性数据据。这些方法法仅从一个化化合物二、三三种数据就能能估算出该化化合物的其他他物性数据来来。基团贡献法3、用实验验直接测定实验直接测定定。以上三种数据据来源，从手手册或文献中中查得数据最最方便，但往往往有时数据据不够完整，，也会出现一一些错误。用用一些理论的的、半经验的的和经验的公公式估算，也也是一种简便便的方法。当当手册或文献献中无法查得得时，可以进进行估算。直直接用实验测测定得到的数数据最可靠，，只是实验比比较费时间又又花钱。但是是，如果查不不到有关数据据，而用公式式估算得到的的结果精度又又不够时，则则必须用实验验进行测定。。4、计算机检索近年来，随着着电子计算机机的迅速发展展，应用计算算机储存、检检索和推算物物性数据。一些大型化工工企业、研究究部门和高等等院校都相应应建立了物性性数据库，以以便于通过计计算机自动检检索或估算所所要求的数据据，而不必自自行查找或计计算，大大节节省了时间和和精力。化工物性数据据库美国，CINDAS(14000)北京化工大学学，大型化工工物性数据库库CEPPDS(3417)第二节物物料衡算物料衡算是化化工计算中最最基本、最重重要的内容之之一，它是能能量衡算的基基础。设计或研究一一个化工过程程，或对者某某生产过程进进行分析，需需要了解能量量的分布情况况，都必须在在物料衡算的的基础上，才才能进一步算算出物质之间间交换的能量量以及整个过过程的能量分分布情况。物料衡算和能能量衡算是进进行化工工艺艺设计、过程程经济评价、、节能分析以以及过程最优优化的基础。。物料衡算有两两种情况:一种是对已有有的生产设备备或装置，利利用实际测定定的数据，算算出另一些不不能直接测定定的物料量。。用此计算结结果，对生产产情况进行分分析、作出判判断、提出改改进措施。（（一般的作业业）另一种是设计计一种新的设设备或装置，，根据设计任任务，先作物物料衡算，求求出进出各设设备的物料量量，然后再作作能量衡算，，求出设备或或过程的热负负荷，从而确确定设备尺寸寸及整个工艺艺流程。（设设计）一、物料衡算算的依据质量守恒定律律即在一个孤立立物系中，不不论物质发生生任何变化，，它的质量始始终不变（不不包括核反应应，因为核反反应能量变化化非常大，此此定律不适用用）。质量守恒（不不是摩尔守恒恒、体积守恒恒）二、物料衡算算式物料衡算是研研究某一个体体系内进、出出物料量及组组成的变化。。所谓体系就是是物料衡算的的范围，它可可以根据需要要选定。体系系可以是一个个设备或几个个设备，也可可以是一个单单元操作或整整个化工过程程。进行物料衡算算时，必须首首先确定衡算算的体系。对某一个体系系，输入体系系的物料量应应该等于输出出物料量与体体系内积累量量之和。连续过程的物物料衡算式一般表示式为为：系统中积累=输入––输出+生成––消耗稳态过程时输入=输输出–生生成+消消耗无化学反应的的稳态过程输入=输输出物料平衡形式式总平衡式*总质量平衡衡式总摩尔平衡式式组分平衡式组分质量平衡衡式组分摩尔平衡衡式元素原子平衡衡式*元素原子质质量平衡式*元素原子摩摩尔平衡式三、物料衡衡算的基本方方法进行物料衡算算时，为了能能顺利地解题题，避免错误误，必须掌握握解题技巧，，按正确的解解题方法和步步骤进行。这这样才能获得得准确的计算算结果。l、衡算范范围指定的任何空空间范围。它它可是一个设设备、一个单单元或整个过过程。根据给定的条条件画出流程程简图（过程示意图或或衡算范围）。图中用简简单的方框表表示过程中的的设备，用线线条和箭头表表示每个流股股的途径和流流向。并标出出每个流股的的已知变量（（如流量、组组成）及单位位。对一些未未知的变量，，可用符号表表示。2、衡算对象参加过程的全全部物料。对无化学反应应：可选任一一物料对有化学反应应：未发生变变化的物质3、计算基基准及其选择择原则上计算基基准是任意选选择。但是，计算基基准选择得恰恰当，可以使使计算简化，，避免错误。。对于不同化化工过程，采采用什么基准准适宜，需视视具体情况而而定，不能作作硬性规定。。根据不同过程程的特点，选选择计算基准准时注意以下下几点：(l）应应选择已知变变量数最多的的流股作为计计算基准。(2））对液体或固固体的体系，，常选取单位位质量作基准准。

(3）对连续续流动体系，，用单位时间间作计算基准准有时较方便便。

(4）对于气气体物料，如如果环境条件件（如温度、、压力）已定定，则可选取取体积作基准准。具体：⑴时时间基准连续（小时，，天……）间歇（釜，批批……）⑵质量基准准kg，mol，kmol……⑶体积基准准m3（STP），Nm3⑷干湿基准准干基（不含水水），湿基（（含水）4、物料衡衡算的程序（（步骤）(l）搜搜集计算数据据。

(2）画出物物料流程简图图。

(3）确定衡衡算体系。(4））写出化学反反应方程式，，包括主反应应和和副反反应，标出有有用的分子量量。(5）选选择计算基准准，并在流程程图上注明所所选的基准值值。

(6）列出物物料衡算式，，然后用数学学方法求解。。(7）校核计计算结果。(数据归一））(8）将将计算结果列列成输入一输输出物料表（（物料平衡表表）。（三线表表、表头名称称、基准）四、无化学学反应过程的的物料衡算在化工过程中中，只有物理理变化不发生生化学反应的的单元操作如如混合、蒸馏馏、蒸发、干干燥、吸收、、结晶、萃取取等，这些过过程都可以根根据物料衡算算式，直接列出总物物料和各组分分的衡算式，，再用代数法法求解。一）、简单过过程的物料衡衡算简单过程是指指仅有一个设设备或一个单单元操作的过过程。设备边边界就是体系系边界。(1）画画出物料流程程简图。(2）选择择基准。(3）列物物料衡算式，，求解。(4）校核核计算结果。。(5）将计计算结果列成成输入一输出出物料表（物物料平衡表表）。（要求：画出出物料流程简简图、列出物物料平衡表并并进行核算））二）、有多个个设备过程的的物料衡算五、有化学反反应过程的物物料衡算有化学反应的的过程，物料料中的组分变变化比较复杂杂。工业上的化学学反应，各反应物的实实示用量，并并不等于化学学反应式中的的理论量。为为了使所需的的反应顺利进进行，或使其其中较昂贵的的又应物全部部转化，常常常使价格较低低廉的一些反反应物用量过过量。一）、反应转转化率、选择择性及收率等等概念l、限制反反应物化学反应原料料不按化学计计量比配料时时，其中以最最小化学计量量数存在的反反应物称为限限制反应物。。2、过量反反应物不按化学计量量比配料的原原料中，某种种反应物的量量超过限制反反应物完全反反应所需的理理论量，该反反应物称为过过量反应物。。3、过量百百分数过量反应物超超过限制反应应物所需理论论量的部分占占所需理论量量的百分数。。4、转化率率（x）某一反应物反反应掉的量占占其输入量的的百分数。5、选择性性（S）反应物反应成成目的产物所所消耗的量占占反应物反应应掉的量的百百分数转化率与选择择性是反应过过程的两个主主要技术指标标。6、收率（（Y）目的产物的量量除以反应物物（通常指限限制反应物））输入量，以以百分数表示示。它可以用用物质的量（（摩尔数）或或质量进行计计算。转化率、选择择性与收率三三者之间的关关系:Y=Sx顺酐的选择性性：S=Y/x＝＝(3.49%)/(96.82%)=3.6%3.23%二）、一般反反应过程的物物料衡算对有化学反应应过程的物料料衡算，由于于各组分在过过程中发生了了化学反应，，因此就不能能简单地列组组分的衡算式式，必须考虑虑化学反应中中生成或消耗耗的量，应该根据化学学反应式，列列衡算方程。。对一般的反应应过程，可用用下列几种方方法求解。1、直接求解解法有些化学反应应过程的物料料衡算，有时时只含一个未未知量或组成成，这类问题题比较简单，，通常可根据化化学反应式直直接求解，不不必列出衡算算式。直接求解法也也称化学计量量法2、元素衡算算法元素衡算是物物料衡算的一一种重要形式式。在作这类类衡算时，并并不需要考虑虑具体的化学学反应，而是是按照元素种种类被转化及及重新组合的的概念表示为为：输输入（某某种元素）=输出（同种种元素）对反应过程中中化学反应很很复杂，无法法用一、两个个反应式表示示的物料衡算算题，可以列列出元素衡算算式，用代数数法求解。3、“联系组组分”法“联系组分””是指随物料料输入体系，，但完全不参参加反应，又又随物料从体体系输出的组组分，在整个个反应过程中中，它的数量量不变。如如果体系中存存在联系组分分，那么输入入物料和输出出物料之间就就可以根据联联系组分的含含量进行关联联。三）、复杂过过程的物料衡衡算复杂过程不是是指过程或设设备多而是具具有循环、排排放及旁路的的过程。在化工过程中中具有循环、、排放及旁路路的过程的物物料衡算与以以上介绍的方方法相类似，，只是需要先先根据已知的的条件及所求求的未知量选选择合适的衡衡算体系，列列出一般过程程物料衡算式式再加上结点点关系求解。。第三节节能能量量衡算算在化工工生产产中，，能量量的消消耗是是一项项重要要的技技术经经济指指标，，它是是衡量量工艺艺过程程、设设备设设计、、操作作制度度是否否先进进合理理的主主要指指标之之一。。能量衡衡算的的基础础是物物料衡衡算，，只有有在进进行完完备的的物料料衡算算后才才能作作出能能量衡衡算。。能量衡衡算有有两种种类型型的问问题一种是是先对对使用用中的的装置置或设设备，，实际际测定定一些些能量量，通通过衡衡算计计算出出另外外一些些难以以直接接测定定的能能量，，由此此作出出能量量方面面的评评价，，即由由装置置或设设备进进出口口物料料的量量和温温度，，以及及其它它各项项能量量，求求出装装置或或设备备的能能量利利用情情况；；另一种是是在设计计新装置置或设备备时，根根据已知知的或可可设定的的物料量量求得未未知的物物料量或或温度，，和需要要加入或或移出的的热量。。一、能量量衡算的的依据能量守恒恒定律输入能量量+生成成能量=消耗能量量+积累累能量+输出能能量二、总能能量衡算算方程式式1、连续续稳态流流动过程程[能量输输入速率率]-[能量输输出速率率]=[能量量积累速速率]△H+△△Ek+△△Ep=Q+WQ-输入入体系的的热量W-输入入体系的的总功在实际中中，上式式视不同同情况而而有不同同的形式式：1）绝热过程程Q=0，，动、位能能差可忽忽略△H=W即用焓差差计算环环境向体体系作功功2）无作功过过程（多数化化工操作作过程））W=0，，动、位能能差可忽忽略△H=Q3）无功、热热传递过过程Q=0，，W=0，动、位能能差可忽忽略△H=0（焓平平衡）2、间歇歇过程间歇过程程（封闭闭体系））中，因因体系与与环境间间没有物物质交换换，但有有能量的的交换。。间歇过程程无流动动功，△△（pv）=0则能量衡衡算式为为:△U+△△Ek+△△Ep=Q+W一般间歇歇操作，，动、位位能差=0，则则△U=Q+W三、能量量衡算总能量衡衡算在化化工计算算时分热量衡算算和机械械能衡算算。1、对有有些化工工过程如如流体流动动过程，此时传传热量内内能的变变化较其其他小，，次要。。故总能量衡衡算变为为机械能能衡算。化工原原理中的的流体流流动—柏柏努力方方程。2、更多多化工过过程中如如反应器器、蒸馏馏塔、蒸蒸发器、、换热器器等中，，功、动动能、位位能变化化较之传传热、内内能和焓焓的变化化，是可可以忽略略。此时时（无外外功W=0）总能量衡衡算简化化为热量量衡算。。Q=△H=H2－H1（敞开开体系））或Q=△△U=U2－U1（（封闭体体系）由于实际际应用时时，进出出设备的的物料不不止一个个，因此此：Q=∑H2－∑∑H1热量衡算算（化工工中的能能量衡算算）1、热量衡算算式一般化工工过程的的能量衡衡算指热量衡算算（无外功功W=0）：Q=△H=H2－H1（敞开开体系））Q=∑H2－∑∑H12、热量量衡算的的基本方方法和步步骤①建立立以单位位时间为为基准的的物料流流程图（（或平衡衡表）。。也可以以100mol或100kmol原料料为基准准，但前前者更常常用。②在物物料流程程框图上上标明已已知温度度、压力力、相态态等条件件，并查查出或计计算出每每个物料料组分的的焓值，，于图上上注明。。③选定定计算基基准（温温度和相相态）。。这是人人为选定定的计算算基准，，即输入入体系的的热量和和由体系系输出的的热量应应该有同同一的比比较基准准，可选选0℃℃（273K）、、25℃℃（298K））或其其它温度度作为基基准温度度。由于于手册、、文献上上查到的的热力学学数据大大多是298K时的的数据，，故选298K为基基准温度度，计算算比较方方便。同同时相态态的确定定也是很很重要的的。④列出出热量衡衡算式，，然后用用数学方方法求解解未知值值。⑤当生生产过程程及物料料组成较较复杂时时，可以以列出热热量衡算算表。水蒸气动动能：17atm的v=0.1166m3/kgU=202m/sEk=1/2(295)(202)2=6.02×1000kJ/minQ=7.61××10(5)+6.02×10(3)=7.67×10(5)kJ/min动能占总总能量的的6.02×10(3)/7.61×10(5)=0.78%故本题可可视为单单纯的热量衡算算。一）无化化学反应应过程的的热量衡衡算无化学反反应过程程的能量量衡算，，一般指指进出过过程物料料的焓差———热量衡衡算。由于焓是是状态函函数，所所以一个个过程△H，可以用用假想的的，由始始态到终终态几个个阶段代代替原过过程，每每一阶段段的△Hi之和即为为全过程程的△H。途经各个个阶段的的类型有有5种，，即：：恒T时时P的的变化恒P时时T的的变化恒T恒恒P时相相态的的变化两物质在在恒T恒恒P时时混合和和分离恒T恒恒P时的的反应过过程前4种已已学（无无相变、、有相变变、混合合热等的的计算））下面重重点讲反反应过程程的热量量衡算。。二）有化化学反应应过程的的热量衡衡算化学反应应过程也也常伴随随有大量量的热效效应———吸热或或放热。。为了使使反应温温度得到到控制，，必须自自反应体体系排走走或向反反应供给给热量，，即反应应器也须须有供给给或冷却却用的换换热设备备，这些些都需进进行反应应过程的的热量衡衡算。1、反应应热及其其表示1）恒压反应应热反应物按按化学计计量式完完全反应应，物料料在反应应前后的的焓差称称为恒压压反应热热或反应应热，以以△Hr表示。根据热力力学第一一定律，，若过程程进行时时只做膨膨胀功，，则△Hr就是恒压压热，即即Qp=△△Hr注意：一一定的△Hr值是对一一定的反反应式而而言的。。如果uA是反反应物或或生成物物A的化化学计量量系数，，nA为为温度时时所消耗耗而成生生成的A的摩尔尔数，则则化学反反应的总总焓差为为：△H=nA△Hr/uA2）恒容反应应热在恒T恒恒V下，，反应物物在温度度T时按按化学计计量系数数完全反反应后内内能的变变化，即即为恒容容反应热热或恒容容热Qv=△UrQp与Qv的关关系：若若果ui是气态态反应物物或生成成物i的的化学计计量系数数，且气气体为理理想气体体，设液液、固容容积变化化可忽略略，则△Ur=△Hr－△nRT2、反应应热的计计算反应热来来源：实实测由已有数数据估算算（盖斯斯定律））由标准生生成热△Hf计算标准准反应热热△Hr1）标准生成成热△Hf在1atm、25℃由由稳定的的单质生生成1mol化化合物的的恒压反反应热。。规定在标标准态下下（1atm、、25℃℃）处于于稳定状状态的单单质△Hf=02）由标准生