化工设计课件第4章工艺计算

第4 化工工艺计设计计算前的准备工物能化工流程模拟软件的应工艺性资料的收物 提纲生产步骤和化学反应（包括主、付反应 工艺流程图及说热量计算参数和设备计算数据（ΔH、Cp、Kλ、α等）流体输送过程参数（粘度μ、密度ρ、摩擦系等）。式、管件、阀件等环境保护、安全保护等规范和资料

（设计图纸、设计说明书（和安装工程资料生产单位 数据和实际的经济技术指标设备岗位操作 供销科的产 和样全厂职工劳动福利的生活资 Perry'sChemicalEngineer's Industrial EncyclopediaofChemical Handbookofchemistryand （物性手册 运用质量守恒定律，对生产过程或设备的物料平衡进行定量的计算，计算出各股物流输入或输出的量及组分等，称之为物料。物 能为化工设计提供的基础数（目的工艺设备的大小管道的大小为能 提供基础数 设计任务生产工艺技术反应转化相平衡数物 输入=输出物料平衡形 自由度=0 自由度﹤0，条件过多，删除不合理 自由度﹥0，条件不足，不能解出全部未知物 的基本步 列出反应方程式列 式展开计算。将计算结果列出物 表转化率=

AnAnnA β (nCnC0)/(nA0nA)/ ψ=βxA

(nCnC0)/cnA0/a流程物 的几个问计算基物 的基准时间基准质量基准体积基准：气体物料，选用m3（STP），因它不随T、P变化干湿基准：对含水分的物料，选干基（不计水分）当量基准：对化学反应过程，选用kmol计算基准——置换进料0.5h聚合反应5.0h出料1.5h清理 的体积和管道的通过能力解5000×8/8000=5t/进口管道通过能力=每批投料量/进料时出口管道的通过能力=比率系 100mol/带循环和旁路过程的物 物流的循 典型的具有循环和旁路过程的物料流程图循环物料新鲜物料

合物

分离物料分离产物

排放物料例特点：循环量未知，不能按顺序单元依次计方法：（1）代数法 （2）试差例2：乙烯与氯气反应生产氯乙烯的过程如下CD分A氯在各反应器中发生如下反应(A)氯化反 C2H4+Cl2→C2H4Cl2(DCE：二氯乙烷DCE收率（B)次氯（C)热裂

C2H4+2HCl+0.5O2→C2H4Cl2DCE以乙烯为基准的收率为C2H4Cl2C2H3Cl(VC)+HClVC的收率为99%，HCl的收率为设VC产量为12500kg/h，试求Cl2,C2H4流量及HCl的循环量已知：VC, HCl分子量分别为 x3=0.995(0.98x1+0.95x2)0.90x3/2=0.95x20.99(0.98x1+0.95x2)=

——————联立（1）（2）x20.995(0.98x10.95x2

x2=0.837x1

因此：Cl2流量HCl循环量x3=0.995×(0.98×113.8+0.95设以HCl的循环量x3作为迭代变迭代步骤为假设用 求出x1求出x3’，与初值比较，若误差已经达到收敛指标，则结束算现设x3=150kmol/h，迭代过程各变量值如迭代次1234由此可知，迭代4次即可收敛（4）物料的排 主反应C6H5CH3+H2→C6H6+CH4副反应2C6H6→(C6H5)2+ (联苯解：根据题意该过程的流程结构如气1）列出各组分物料平衡方联苯PD=PB(1-

联苯产量，反应的选择 0.95FG=PB/S-PB(1- PG排放气 氢气进料甲 0.05FG+PB/S=(1-将（3）+（4）以（5）代入（3）氢气进料

) （7）循环气量：CG=(FT×5/X-X转化 CG循环FG=100(1-0.5×0.6×0.0231)/(0.95-0.4)CG=(5×100/0.7-180.6 W

ZRT(P2)(n1)/nn 故循环压缩机理论功W×CG=1356×410.11=5.56实际功W计算各种YPH下的氢气成本和操作费化学计量 步骤①写出化学反应方程②列出化学计量系数矩③求出矩阵的④确定独立反应数和关键组分⑤对关键组分进行物例4苯与乙烯在一绝热反应器中进行气相烷基化反应，发生的主要反应有C6H6(A)+C2H4(B)→C6H5C2H5(C) +C2H4(B)→C6H5(C2H5)2(D)C6H5(C2H5)2(D)+C6H6(A)→2C6H5C2H5(C)C6H5C2H5(C)→C6H5(CH3)2(E)解：首先列出化学计量系数矩阵，通过线性变换确定秩ABCDE--100--1000--100--10-02-00000000-0100-01可见反应体系的独立反应数为3，三个独立反应可选C6H6+C2H4→C6H5C2H5 +C2H4→C6H5(C2H5)2苯：△N=224-255=-31kg/h=-0.397kmol/h乙苯：△N=37.2kg/h=二乙苯：△N二乙=5.9kg/h=由独立化学反应计量方程可求得乙烯的反应量乙烯的转化率x=B=0.351/0.441=生成二甲苯的量也可由化学计量方程求得（苯环守恒△N二甲苯△N苯△N乙苯△N二乙=0.397–0.351–=0.002kmol/h=课堂作业(1)：利用联系物作物组(主产顺（副物其合课堂作业(2):循环物

分离设以热力学第一定律为依据，对生产过程或设称之为能量。能量是热能、电能、化学能热 解决的问在化工生产中，需要通过能量 解决的问能 的基本方程一、能量守恒 ΔEQW[能量输入速率]-[能量输出速率]=[能量积累速率QQWEZ稳态过程的流动HgZ1u2Q2封闭体HgZ1u2Q2孤立体HgZ1u22 HQ对传热设备的热 可具体表示为Q1Q2Q3Q4Q5的热

热效

带走的热

件上的热

散失的热（热损失热 的基本步 列出能 方程式，进行求解 能 中使用的基本数焓相变反应溶解 经 （多项式CpabTcT2dT或CpabTcT式中

为经验常（2）平均热CpH

T2Cp(T2T1)

T21Cp

T2T1TT2H热容的估算 (Cp)Ca(OH2

(Cp)Ca2(Cp)O2(Cp)1molCpm(T)YiCpi(TCp—Cpi— —组分i的质量分数或物质的百分数量3、相(Hv(Hm

（Trouton）Hv(KJ/mol)0.088Tb(KTb

（非极性溶液（水、低分子醇类袄森（Watson）关系已知T1的H 来估算其他任何温T2Hv

Hv(T2)Hv(T1 1） （Chen）（KJ

Tb0.0331Tb/Tc0.03270.0297log10PC1.07Tb/Tc 为正常沸点 为临界温度 4)计算近似标准融化热 方程9.2TmK（金属类元素Hm(Jmol)25Tm(K)（无机化合物50Tm(K（有机化合物ii iH i

nH

积分溶解012345678901234567890 能 的基本步选择组分焓计算基准的状态及温列出能 方程式查表或计算求得Cp，再求得将有关数据代入能 方程式计作输入、输出能 -例 进 解：查表得各点的焓值、熵状态HS）12347（1）锅炉产气量ΔH=Q–WsQ=0,Ws=0则ΔHΔH+ΔH=-HGH2

5.22451063232.5

=2）透平作功忽略热损Ws=-ΔH=-G（H3-=-1737.79（2314.3-3232.5）=Q1ΔHG（H4-=1737.79（226.1-2314.3）=-装置热效率Ws