化工计算

03:1713物料衡算和能量衡算03:172•基本要求–掌握化工过程的特点–熟练应用化工基础数据–熟练掌握化工过程的物料衡算–熟练掌握化工过程的能量衡算03:173§3-1化工过程及过程参数–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。03:174一、化工过程–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。–主要操作：化学反应；分离或提纯；改变温度；改变压力；混合等03:175１.化学反应（整个化工过程的核心）工业上付诸实现取决于许多因素，如平衡收率、反应速度、控制或减少副反应的可能性等03:176２.分离或提纯分离过程通常只是一种物理过程，不发生化学反应。它是利用物质在相变化过程中某些物理性质（如沸点、熔点、溶解度等）的差异来进行的。如：蒸馏、结晶、溶剂萃取。03:177３.改变温度化学反应速度和收率、物质的相态变化（如蒸气的冷凝、液体的气化或凝固、固体的熔化等）以及物质的其他物理性质变化（如粘度、溶解度、表面张力等）等均与温度有密切的关系，改变温度可调节以上各性质达到所需的要求。回收热量使热量充分利用，是化工厂提高经济效益的一个重要措施。03:178４.改变压力化学反应有气体时，如：物质的相态变化用泵或压缩机输送流体03:179５.混合（与分离相反的过程）通常不消耗能量为加速混合使用搅拌器消耗少量能量03:1710化工过程开发主要决定于下述因素：•（1）化学工艺因素——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。•（2）化学工程因素——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。•（3）机械设备、仪表及控制手段——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。03:1711二、化工工艺流程•化工过程常用流程图来表示。–工艺流程图能简明、扼要的表明化工产品的生产工序，看来一目了然。从工艺流程图可以初步了解生产方法、生产过程以及各主要物料的来龙去脉。–在解物料和能量衡算题时，也需要用图来表示各设备之间的物料关系。03:1712三、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。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。选择一个安全、可靠、经挤效益高的最佳方案。03:1713四、过程参数•在化工生产过程中，能影响过程运行和状态的物理量，如温度、压力、流量及物料的百分组成或浓度等，在指定条件下它的数值恒定，条件改变其数值也随之变化，这些物理量称为过程参数。这些参数也常作为控制生产过程的主要指标。•进行化工计算时，上述参数是基本数据，可以直接测定。对一些不易直接测定的参数，可找出与容易测定的参数之间的关系，通过计算求得，有时也可以根据经验数据选定。03:1714§３-2化工基础数据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。例如，–进行化工过程物料与能量衡算时，需要用到密度或比容、沸点、蒸汽压、焓、热容及生成热等等的物性数据；–设计一个反应器时，则需要知道化学反应热的数据；–计算传热过程时，需要导热系数的数据等等。化工基础数据：物化数据或物性数据03:1715一、分类•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。03:1716二、化工基础数据获取方法•1、查手册或文献资料•2、估算。•3、用实验直接测定。03:1717§３-3物料衡算•物料衡算是化工计算中最基本、也是最重要的内容之一，它是能量衡算的基础。–物料衡算有两种情况，一种是对已有的生产设备或装置，利用实际测定的数据，算出另一些不能直接测定的物料量。用此计算结果，对生产情况进行分析、作出判断、提出改进措施。–另一种是设计一种新的设备或装置，根据设计任务，先作物料衡算，求出进出各设备的物料量，然后再作能量衡算，求出设备或过程的热负荷，从而确定设备尺寸及整个工艺流程。•理论依据：质量守恒定律03:1718一、物料衡算式1、化工过程的类型两种分类方法：间歇操作、连续操作以及半连续操作稳定状态操作和不稳定状态操作03:1719•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，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。03:1720•稳定状态操作过程或称稳定过程：–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。•不稳定状态操作过程或称不稳定过程：–操作条件随时间而不断变化。03:17212、物料衡算式•首先确定衡算的体系•物料衡算关系式：注：１.对反应物作衡算时，由反应而消耗的量，应取减号；对生成物作衡算时，由反应而生成的量，应取加号。２.物料平衡指质量平衡，不是体积或物质的量平衡。03:1722如：03:1723•对于连续不稳定过程，由于该过程内物料量及组成等随时间而变化，因此，物料衡算式须写成以时间为自变量的微分方程，表示体系内在某一瞬时的平衡。03:1724二、物料衡算的基本方法•1、画物料流程简图。•2、计算基准及其选择。•进行物料、能量衡算时，必须选择一个计算基准。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，避免错误。•对于不同化工过程，采用什么基准适宜，需视具体情况而定，不能作硬性规定。03:1725•根据不同过程的特点,选择计算基准时,应该注意以下几点:–1)应选择已知变量数最多的流股作为计算基准.–2)对液体或固体的体系,常选取单位质量作基准.–3)对连续流动体系,用单位时间作计算基准有时较方便.–4)对于气体物料,如果环境条件(如温度、压力）已定，则可选取体积作基准。03:17263.物料衡算步骤(1)搜集计算数据。(2)画出物料流程简图。(3)确定衡算体系。(4)写出化学反应方程式，包括主反应和副反应，标出有用的分子量。(5)选择合适的计算基准，并在流程图上注明所选的基准值。(6)列出物料衡算式，然后用数学方法求解。(7)将计算结果列成输入－输出物料表(物料平衡表)。(8)校核计算结果03:1727三、无化学反应过程的物料衡算１.简单过程的物料衡算仅有一个设备或一个单元操作或整个过程简化成一个设备的过程。这种过程的物料衡算比较简单，在物料流程简图中，设备边界就是体系边界。03:1728例1：•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。03:1729解：•设–x——废酸量，kg；–y——浓H2SO4量，kg；–z——浓HNO3量；•1、画物料流程简图•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。0.570.20zkg0.23ykg0.600.130.270.070.930.900.10混合过程废酸xkg混合酸3ONHOS2HH24OHNO322HHOOS4HS24OOH23ONH2HO03:1730•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)–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H2SO4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。03:1731２.有多个设备过程的物料衡算•对有多个设备的过程，进行物料衡算时，可以划分多个衡算体系。此时，必须选择恰当的衡算体系，这是很重要的步骤。不然会使计算繁琐，甚至无法求解。03:1732例2：03:1733四、有化学反应过程的物料衡算•１.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。03:1734•（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。％过量％＝100tteNNN03:1735•（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。–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。%100121AAAANNNx03:1736•（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，–转化率与选择性是反应过程的两个主要技术指标。%10021AADNNdaNS03:1737•（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。%1001ADDNdaNY03:1738•转化率、选择性与收率三者之间的关系为•Y=S·x03:1739２.一般反应过程的物料衡算•（１）直接求解法–有些化学反应过程的物料衡算，有时只含一个未知量或组成，这类问题比较简单，通常可根据化学反应式直接求解，不必列出衡算式。03:1740•（２）元素衡算法–元素衡算是物料衡算的一种重要形式。在作这类衡算时，并不需要考虑具体的化学反应，而是按照元素种类被转化及重新组合的概念表示为•输入(某种元素)＝输出(同种元素)–对反应过程中化学反应很复杂，无法用一、两个反应式表示的物料衡算题，可以列出元素衡算式，用代数法求解。03:1741•（３）用联系组分作衡算–“联系组分”是指随物料输入体系，但完全不参加反应，又随物料从体系输出的组分，在整个反应过程中，它的数量不变。–如果体系中存在联系组分，那么输入物料和输出物料之间就可以根据联系组分的含量进行关联。–用联系组分作衡算，尤其是对含未知量较多的物料衡算，可以使计算简化。03:1742•例如，F、P分别为输入、输出物料，T为联系组分。T在F中的质量分数为xFT，在P中的质量分数为xPT，则F与P之间的关系为：–FxFT＝PxPT，即FTPTxxPF03:1743–选择联系组分时，如果体系中存在数种联系组分，那么，此时就要选择一个适宜的联系组分，或联合采用以减小误差。