1、湖南化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院化工計算教案第一章 緒論一、教學(xué)內(nèi)容化工計算的目的、內(nèi)容；化工過程特征；本課的學(xué)習(xí)方法要求。二、教學(xué)方法設(shè)計1、自我情況介紹，個人的工作背景及可以和同學(xué)們分享的企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營知識、經(jīng)驗，拉近師生距離。2、化工過程案例：某廠間苯二甲腈氯化生產(chǎn)四氯間苯二甲腈已知工藝條件：溫度、壓力、日產(chǎn)量、原料純度、產(chǎn)品純度求解內(nèi)容：原料消耗量，反應(yīng)熱和能源消耗量，有興趣的同學(xué)可以作產(chǎn)品技術(shù)經(jīng)濟效益評估和分析，提出合理化建議。思考：（1）計算內(nèi)容的現(xiàn)實意義、方法（2）化工企業(yè)對高素質(zhì)專門人才的現(xiàn)實需求：技能素質(zhì)、人文素質(zhì)與綜合素質(zhì)（人力資源冰山模型與素質(zhì)元素結(jié)構(gòu)論）3、結(jié)合上述案例闡明觀點，指出

2、化工計算的目的、內(nèi)容，概括化工過程特征，提出本課程的學(xué)習(xí)要求及對同學(xué)們的期望。化工計算的作用歸納（更具現(xiàn)實性的有別于教科書的表述方式）：管理控制的需求；設(shè)計開發(fā)的需求；過程控制與改進的需求。化工計算中的現(xiàn)代化手段運用的案例（某化工企業(yè)基于成本管理控制的產(chǎn)品生產(chǎn)原材料、能源預(yù)算計算軟件開發(fā)的實踐與啟迪）三、教學(xué)過程準備知識：過程概念：將一組輸入轉(zhuǎn)化為輸出的活動過程特征：黑箱狀態(tài)重點內(nèi)容：化工過程特征：1、具有過程特征2、具有自身特點：三個基本環(huán)節(jié)構(gòu)成第二章 化工常用基礎(chǔ)數(shù)據(jù)一、教學(xué)內(nèi)容常用基本物性數(shù)據(jù)：臨界常數(shù)、密度、蒸氣壓、粘度及熱導(dǎo)率二、教學(xué)方法設(shè)計1、拋磚引玉思考題：某產(chǎn)品生產(chǎn)原料氣化器的

3、設(shè)計計算各基本物性數(shù)據(jù)的物理意義物理單位及計算估算方法2、指點迷津物性數(shù)據(jù)和熱力學(xué)數(shù)據(jù)是化工計算的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。獲得準確、可靠的數(shù)據(jù)是進行物料衡算、能量衡算以及化工過程計算必須的準備工作。三、教學(xué)過程準備知識：氣體的壓力-體積-溫度關(guān)系：理想氣體、真實氣體、真實氣體混合物、獲得基礎(chǔ)物性數(shù)據(jù)的能力。重點內(nèi)容：第1節(jié) 化工常用基本物性數(shù)據(jù)一、理想氣體狀態(tài)方程：方程：PV=nRT分析各參數(shù)單位：提問適用的條件：提問二、臨界常數(shù)：1、概念：臨界溫度（Tc）：氣體可以液化的最高溫度臨界壓力 (Pc)：臨界溫度下氣體液化所需的最低壓力臨界體積（Vc）:臨界溫度及臨界壓力下1mol氣體所占的體積2、用途：在缺少

4、物性數(shù)據(jù)時，通常使用臨界常數(shù)估算常用物性數(shù)據(jù)（如密度、蒸氣壓、粘度、熱導(dǎo)率等）和一些經(jīng)驗公式的參數(shù)。例：利用臨界常數(shù)計算范德華常數(shù)（P+）(Vm-b)=RTa= b= R=（P30習(xí)題1）a下,CO2×10-4m3.mol-1比較.分析過程:Vm=10-4m3.mol-1范德華方程:PV-(bp+RT)V + aVm ab = 0將各已知參數(shù)代入公式，用牛頓迭代法計算出結(jié)果。說明:用代數(shù)計算程序(互聯(lián)網(wǎng)下載)可以解方程。比較計算的誤差。三、密度1、定義:單位物質(zhì)所具有的質(zhì)量。2、方法：理想氣體狀態(tài)方程：r= ×10-3 適合理想氣體的密度的計算。非理想氣體：可用范德華方程。

5、液體密度的計算：用定義式和經(jīng)驗式注意：混合氣體和混合液體的密度計算用以下公式。混合液體： 混合氣體：四、蒸氣壓 飽和蒸氣壓的概念 兩個計算蒸氣壓的經(jīng)驗式：安托尼蒸氣壓方程克拉貝龍蒸氣壓方程 例：見P/16-17頁第2節(jié) 常用熱力學(xué)數(shù)據(jù)一、教學(xué)內(nèi)容常用熱力學(xué)數(shù)據(jù)：熱容、相變熱、焓二、教學(xué)方法設(shè)計1、 復(fù)習(xí)熱容的概念；2、 掌握標準反應(yīng)熱的兩種計算方法，區(qū)分不同點，比較計算結(jié)果；3、 相變熱的正負代表了什么？4、 焓的內(nèi)涵。三、教學(xué)過程熱容：定義：指一定量的物質(zhì)升高1K所吸收的熱量分類：質(zhì)量熱容 J 摩爾熱容 J恒壓熱容: Cp,m恒容熱容：Cv,m理想氣體：Cp,m=a+bT+cT2+dT3 C

6、v,m= Cp,m-RA b c d查手冊要求:用兩種方法計算,分析兩種方法之間的偏差.相變熱：相變過程：蒸發(fā)、冷凝、結(jié)晶、升華蒸發(fā)熱（或冷凝熱）：液體 氣體 Hv熔融熱（或凝固熱）：液體 固體 Hm升華熱（或凝華熱）：氣體 固體 Hs數(shù)據(jù)來源：熱力學(xué)圖表或經(jīng)驗公式，例如：特魯頓法則里德爾法則克-克方程沃森公式欣達法則各種經(jīng)驗公式見課本。例：丙酮的正常沸點為329.5K,估算丙酮在正常沸點下的蒸發(fā)熱.實驗值為30167J.mol-1,計算所得值的誤差.焓：定義：一個狀態(tài)函數(shù)，H=U+PV注意：各符號的意義，單位焓的容量性；對理想氣體：焓與壓力、體積變化無關(guān)，僅是溫度的函數(shù)。第3節(jié) 化學(xué)反應(yīng)和熱

7、化學(xué)數(shù)據(jù)一、教學(xué)內(nèi)容標準摩爾生成熱、標準摩爾燃燒熱、反應(yīng)熱二、教學(xué)方法設(shè)計1、通過案例引出標準摩爾生成熱、標準摩爾燃燒熱、反應(yīng)熱的概念；2、掌握標準反應(yīng)熱的兩種計算方法，區(qū)分不同點，比較計算結(jié)果；3、相變熱的正負代表了什么？三、教學(xué)過程反應(yīng)熱：定義：隨著化學(xué)反應(yīng)的進行而產(chǎn)生或吸收的熱量稱為反應(yīng)熱，它反映了化學(xué)反應(yīng)體系中焓值的變化，以Hr表示注意：反應(yīng)熱的計算一定要注意反應(yīng)條件，物質(zhì)的量和反應(yīng)溫度和壓力等。標準反應(yīng)熱：在250C，101.3kPa時的反應(yīng)熱，用H表示。計算：由標準生成熱（H）計算H：H=i（H）i-i（H）i例：計算正戊烷燃燒的標準反應(yīng)熱。方法：查各物質(zhì)的標準生成熱進行計算。由標

8、準燃燒熱H計算H燃燒物的組成與狀態(tài)規(guī)定為：C的燃燒產(chǎn)物為CO2（g）,H的燃燒產(chǎn)物為H2O（l），N的燃燒產(chǎn)物為N2（g），S的燃燒產(chǎn)物為SO2（g），Cl的燃燒產(chǎn)物為HCl（稀的水溶液）。注意：并非所有的文獻規(guī)定的燃燒產(chǎn)物都相同，如有的規(guī)定H和Cl的燃燒產(chǎn)物分別是H2O（g）和Cl2(g),所以查表時應(yīng)注意配套使用。燃燒的基準：以1mol化合物與正好足夠的氧氣反應(yīng)，生成指定的燃燒產(chǎn)物。計算公式：H=i（H）i-i（H）i例：計算乙烷脫氫的標準反應(yīng)熱。方法：查得各物質(zhì)的燃燒熱進行計算。化學(xué)平衡常數(shù)：概念：對于可逆反應(yīng)，當正反應(yīng)速率和逆反應(yīng)速率相等時，反應(yīng)達到平衡，在一定的溫度和壓力下，反應(yīng)物的

9、濃度不變時平衡將保持穩(wěn)定。化學(xué)平衡常數(shù)可以用來表示反應(yīng)達到平衡時的狀態(tài)。公式：對于反應(yīng)aA+b B cC+Dd 平衡常數(shù)的計算公式如下：Kc=兩種情況：理想氣體反應(yīng)：Kp= 各組分分壓表示對于理想溶液反應(yīng)體系：Kn= 以摩爾分率表示的化學(xué)平衡常數(shù)由標準吉氏函數(shù)變化計算化學(xué)平衡常數(shù)： i（G）i-i（G）I由標準吉氏函數(shù)計算平衡常數(shù)：-RTlnKp=例：計算反應(yīng) CH4+2H2O CO2+4H2計算方法：查得各物質(zhì)的標準生成吉氏函數(shù)，再代入公式即可。溫度對化學(xué)平衡常數(shù)的影響：平衡常數(shù)是溫度的函數(shù)，不同溫度下化學(xué)平衡常數(shù)可用以下方程式積分求得。簡化式如下：Tii+例：略。第4節(jié) 傳遞參數(shù)一、教學(xué)內(nèi)

10、容黏度和熱導(dǎo)率二、教學(xué)方法設(shè)計通過案例（某產(chǎn)品氣化器的設(shè)計開發(fā)）引出熱導(dǎo)率的概念三、教學(xué)過程1、粘度 概念：衡量液體粘性大小的物理量 運動粘度：粘度與密度的比值來表示2、熱導(dǎo)率概念：也稱導(dǎo)熱系數(shù)，是衡量物質(zhì)導(dǎo)熱能力的物理量，以表示。單位：W.m-1.K-1注意：都是由實驗測得，需要時可查手冊，另外金屬的導(dǎo)熱系數(shù)最大，非金屬的固體次之，液體的較小，氣體的最小。有兩個估算公式，其所得誤差都小于10%。第三章 化工過程參數(shù)第1節(jié) 評價化工生產(chǎn)效果的常用指標一、教學(xué)內(nèi)容生產(chǎn)能力、轉(zhuǎn)化率、產(chǎn)率和選擇性二、教學(xué)方法設(shè)計1、拋磚引玉思考題：不同反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率是否相同，什么情況下相同，什么情況下不同？如何判斷

11、反應(yīng)物中哪一種是限制反應(yīng)物？收率大小和轉(zhuǎn)化率大小各代表什么含義？2、指點迷津單程轉(zhuǎn)化率和總轉(zhuǎn)化率的區(qū)別，收率和轉(zhuǎn)化率、選擇性的聯(lián)系。三、教學(xué)過程準備知識：化學(xué)反應(yīng)方程式的正確書寫重點內(nèi)容：1、生產(chǎn)能力和生產(chǎn)強度 生產(chǎn)能力的三種表達式：設(shè)計能力、查定能力、現(xiàn)有能力。2、轉(zhuǎn)化率對于一個系統(tǒng)，轉(zhuǎn)化率是原料中某一反應(yīng)物參加化學(xué)反應(yīng)的量占其通入系統(tǒng)總量的百分數(shù)，它表示了化學(xué)反應(yīng)進行的程度。 對反應(yīng)物A而言，其轉(zhuǎn)化率XA的數(shù)學(xué)表達式為： 式中 通入系統(tǒng)的反應(yīng)物A的量，mol； 反應(yīng)后離開系統(tǒng)的反應(yīng)物A的量，mol。工業(yè)生產(chǎn)中有單程轉(zhuǎn)化率和總轉(zhuǎn)化率，它們的區(qū)別在于系統(tǒng)劃分的不同，單程轉(zhuǎn)化率是以生產(chǎn)過程中的反

12、應(yīng)器為系統(tǒng)，其表達式為：單程轉(zhuǎn)化率=總轉(zhuǎn)化率是以整個生產(chǎn)過程為系統(tǒng)，其表達式為：對于可逆反應(yīng)，當反應(yīng)達到平衡時的轉(zhuǎn)化率為平衡轉(zhuǎn)化率： 平衡轉(zhuǎn)化率與溫度、壓力和反應(yīng)物組成等平衡條件有關(guān)，它是可逆反應(yīng)單程轉(zhuǎn)化率的上限值。3、限制性反應(yīng)物與過量反應(yīng)物過量%=過量反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率總是小于限制反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率，一般沒有特別說明的情況下轉(zhuǎn)化率是指限制反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率，它可以用作衡量反應(yīng)完全程度標準。例2-1 用磨碎的礬土礦與硫酸反應(yīng)制得硫酸鋁：礬土礦中含55.4%（質(zhì)量分數(shù)），硫酸溶液中含77.7%。用了1080kg礬土礦和2510kg硫酸溶液，生產(chǎn)出1798kg純的硫酸鋁。求（1）過量反應(yīng)物為哪一種？（2）過

13、量反應(yīng)物的過量百分數(shù)？（3）過量反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率？（4）反應(yīng)完全程度為多少？解：的量 的量 的量 假設(shè)是限制反應(yīng)物，需硫酸的量為：，這些硫酸是存在的，因此硫酸是過量反應(yīng)物。（2）的化學(xué)計量數(shù) 的化學(xué)計量數(shù) ；的過量百分數(shù) （3）生產(chǎn)需用硫酸的量為，則硫酸的轉(zhuǎn)化率為：（4）反應(yīng)完全程度用限制反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率表示4、產(chǎn)率和選擇性選擇性=目的產(chǎn)品實際產(chǎn)量/以輸入反應(yīng)器的原料計的目的產(chǎn)品理論產(chǎn)量*100% =反應(yīng)為目的產(chǎn)品的某種原料量/輸入反應(yīng)器的該種原料量*100%5、收率收率=實際獲得的目的產(chǎn)品量/輸入反應(yīng)器的原料量*100%舉例：見P39例3-36、前述五種常用指標在企業(yè)生產(chǎn)實際工作中的作用比較。

14、第2節(jié) 工藝技術(shù)經(jīng)濟指標一、教學(xué)內(nèi)容工藝技術(shù)經(jīng)濟指標:原料消耗定額、公用工程消耗定額、質(zhì)量指標、排放指標等。二、教學(xué)方法設(shè)計掌握各概念的現(xiàn)實意義三、教學(xué)過程重點內(nèi)容：原料消耗、排放指標1、原料消耗 化工產(chǎn)品生產(chǎn)中原料成本往往占到50%以上，原料消耗是成本控制的優(yōu)先考慮方向。原料消耗定額的現(xiàn)實意義，實際消耗與理論消耗的比較案例：邯鋼的成本控制經(jīng)驗倒推法簡要介紹2、公用工程消耗 水、電、氣、冷、煤、油等。3、質(zhì)量指標 質(zhì)量是產(chǎn)品競爭力的基礎(chǔ)，是品牌效應(yīng)的基石。質(zhì)量指標的分類簡介：企標、行業(yè)標準、國家標準。ISO9000系列質(zhì)量管理體系國際標準簡要介紹。 4、排放指標 三廢排放與三廢治理的現(xiàn)實意義。

15、節(jié)能減排，各級政府經(jīng)濟工作的重要任務(wù)，納入政府政績考核體系，納入企業(yè)績效指標考核體系。節(jié)能減排是保護生態(tài)環(huán)境的需要，是新興循環(huán)經(jīng)濟、可持續(xù)發(fā)展經(jīng)濟的需要。京都議定書，減排工作上的國際經(jīng)濟技術(shù)投資合作機制，減排指標的國際招標轉(zhuǎn)讓概念介紹。第四章 物料衡算一、教學(xué)內(nèi)容物料衡算的基本原理和方法物料衡算式物料衡算的基本方法二、教學(xué)方法設(shè)計1、拋磚引玉思考題：物料衡算的原理是什么？物理單位及計算估算方法2、指點迷津物性數(shù)據(jù)和熱力學(xué)數(shù)據(jù)是化工計算的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。獲得準確、可靠的數(shù)據(jù)是進行物料衡算、能量衡算以及化工過程計算必須的準備工作。三、教學(xué)過程準備知識：物料衡算的原理重點內(nèi)容：物料衡算的基本原理、物料衡算

16、式、物料衡算的基本方法1、定義： 利用質(zhì)量守恒定律，對化工過程的物料進行平衡計算。2用途：A設(shè)計新的裝置和設(shè)備時；B對已有的生產(chǎn)裝置或設(shè)備，技改的基礎(chǔ)第一節(jié) 物料衡算的基本原理和方法衡算式：理論依據(jù)：質(zhì)量守恒定律衡算體系：設(shè)備或過程（封閉體系、敞開體系）衡算式：輸入的物料量-輸出的物料量-反應(yīng)消耗的物料量+反應(yīng)生成的物料量=積累的物料量穩(wěn)定態(tài)時：積累的物料量為0沒有化學(xué)反應(yīng)時：反應(yīng)消耗和生成的物料量均為0穩(wěn)態(tài)物理過程：輸入的物料-輸出的物料=0NOTE：A。物料衡算分總物料衡算，組分物料衡算，元素原子平衡，每一種平衡又有質(zhì)量平衡和物質(zhì)的量的平衡。B。對穩(wěn)態(tài)過程C間歇過程D獨立衡算式第二節(jié) 物料

17、衡算的基本方法1、物料衡算的基本步驟：畫出簡單的物料流程圖搜集和整理數(shù)據(jù)（物性數(shù)據(jù)、工藝參數(shù)）確定衡算體系列出化學(xué)反應(yīng)方程式選基準列物料衡算式整理結(jié)果并校核2、物料流程圖設(shè)備：方框物料：帶箭頭的物料線（注明數(shù)值和單位）舉例：略3、計算基準及其選擇：基準的選擇目的注意：基準為整，1或100對液體或固體的物料體系，以質(zhì)量作基準對氣體，以體積作基準連續(xù)流動體系，時間基準選每天或每小時選已知變量最多的流股作計算基準例：計算基準的選取丙烷充分燃燒時，要供給的空氣量為理論量的125%，反應(yīng)：C3H8+5O2 3CO2+4H2O問每100mol燃燒產(chǎn)物，需多少mol的空氣？燃燒 CO2 H2O O2 N2丙

18、烷 空氣（O2 N2）根據(jù)化學(xué)反應(yīng)式：1mol丙烷燃燒需空氣5mol,折算成：實際O2：5×1.25=6.25mol折合空氣：其中氮量：×燃燒產(chǎn)生的煙道氣量：CO2：3molH2O:4molO2N2:23.51mol 合計：100mol燃燒產(chǎn)量需空氣量：100/31.76×29法二：1mol空氣：含氧：1*21%=用于燃燒氧：可燃燒丙烷：N29mol輸出：CO2： H2 O2 N2合計：法三：1mol煙道氣：設(shè)：N-N2的mol Q-H2O,mol M-O2的mol A-空氣 mol P-CO2的mol B-輸入丙烷，mol 列平衡式：C平衡：P=3B H2平衡：

19、Q=4B O2平衡：0.21A=M+P+1/2Q 煙道氣總量:N+M+P+Q=100 過剩氧氣(A-A/1.25)*0.21=M 求解即可簡單過程的物料衡算一、教學(xué)內(nèi)容無化學(xué)反應(yīng)過程的物料衡算：簡單過程的物料衡算二、教學(xué)方法設(shè)計1、拋磚引玉思考題：學(xué)過的化工單元操作有哪些？2、指點迷津?qū)Φ湫偷幕卧僮鬟M行物料衡算。三、教學(xué)過程準備知識：復(fù)習(xí)物料衡算的衡算式和物料衡算步驟重點內(nèi)容：簡單過程的物料衡算一、概念：指體系內(nèi)的物料只有物理變化而沒有化學(xué)變化的過程，稱為化工單元操作：流體輸送、粉碎、換熱、混合、吸收、精餾、結(jié)晶、萃取、過濾、干燥二、衡算式：穩(wěn)態(tài)：輸入的物料量-輸出的物料量=0簡單過程的

20、物料衡算：1、定義：僅有一個設(shè)備或整個過程簡化成一個設(shè)備的過程2、舉例：例一：混合（調(diào)節(jié)原料配比的基本方法）解：第一步：畫出物料流程示意圖第二步：列衡算式：H2SO4的平衡：F1×12.43%+F2×77.7%=F3×18.63%總物料平衡：F3=F1+F2求解：F2=83.97kg F3校驗： 輸入 800×× =(kg)×(kg)例二 過濾過濾機F1=2400-1 F2 X21 92% X11 30% X22 8%X12 70% F3 X31 1.5% X32 98.5%固體平衡:F1×30%=F2×X21+F

21、3×X31液體平衡F1×70%=F2×X22+F3×X32F1=F2+F3注意：前兩個方程不獨立-1-1例三：結(jié)晶結(jié)晶 600C 飽和 t0C飽和溶液 溶液（1000kgNaHCO3溶液） 解：查NaHCO3的溶液度：600g/100g水,換算: NaHCO3×100%=14.09% 析出50kg NaHCO3后的濃度:9.57%g/100g水 根據(jù)溶解度表查得:T=0C簡單過程的物料衡算一、教學(xué)內(nèi)容進一步舉例說明化工單元操作中的物料計算：以干燥、蒸餾、吸收為例二、教學(xué)方法設(shè)計1、拋磚引玉思考題：學(xué)過的化工單元操作有哪些？2、指點迷津?qū)Φ湫偷幕?/p>

22、工單元操作進行物料衡算。三、教學(xué)過程準備知識：復(fù)習(xí)物料衡算的衡算式和物料衡算步驟重點內(nèi)容：簡單過程的物料衡算一、概念：指體系內(nèi)的物料只有物理變化而沒有化學(xué)變化的過程，稱為化工單元操作：流體輸送、粉碎、換熱、混合、吸收、精餾、結(jié)晶、萃取、過濾、干燥二、衡算式：穩(wěn)態(tài)：輸入的物料量-輸出的物料量=0簡單過程的物料衡算：1、定義：僅有一個設(shè)備或整個過程簡化成一個設(shè)備的過程2、舉例：干燥器例一：干燥 紙漿1-X 濕紙漿 水：71% 水 X 水 ：80% Y 解：計算基準為1Kg濕紙漿 設(shè)干燥后紙漿含水量為X%，去掉的水質(zhì)量為Ykg 去掉：Y=1×× 干紙中含水=0.71-0.568=

23、 干紙漿=1-0.568= 干紙漿的含水量=×100%=32.9%例三：蒸餾 85%蒸餾塔 乙醇 35% Y 1000kg.h-1 X 5%乙醇平衡：1000×× X+Y=1000 X=625kg Y=375kg例三:吸收丙酮 3% 水Zkg空氣 97%吸收塔Ykg丙酮20%空氣 丙酮10%(50kg)(80%)丙酮平衡:X×0.2=50×0.1+Y× X+Z=50+Y解得： Y= Z=45kg 求解即可以上幾例為無化學(xué)反應(yīng)過程的物料衡算，當利用代數(shù)法求解時，列衡算式應(yīng)注意下列幾點：1無化學(xué)反應(yīng)體系，能列出的獨立物料衡算式數(shù)目，最多等

24、于輸入和輸出物料中化學(xué)組分的數(shù)目。如例3-2中，有H2SO4、HNO3和H2O三個組分，所以只有三個獨立方程，若未知量超過三個，則必須搜集另外數(shù)據(jù)或找出其它關(guān)系，不然就無法求解。見下例3-6。2首先列出含未知量數(shù)目最少的物料衡算方程，以便于解題。3若體系內(nèi)具有很多多組分的物料，則最好將每個流股編號，并列表表示出已知的量和組成，檢查能列出的衡算方程數(shù)目是否等于未知量的數(shù)目。例 有一個蒸餾塔，輸入和輸出物料量及組成如下圖。輸入物料1中A組分的98.7%自塔頂蒸出。求每千克輸入物料可得到塔頂餾出物2的量及其組成。冷凝器1蒸餾塔進料100kg/h 2A 0.20 餾出物 Pkg/hB 0.30 A ?

25、 C 0.50 3 B ? 塔底產(chǎn)物 Wkg/h C 1-A-B A 0.005 C 圖3-8 例3-6 附圖解：基準：100kg/h輸入物料令x=餾出物中A的百分含量，y=餾出物中B的百分含量。將各物料的流量及組成列于下表流股號流量kg/h組 分 mol%ABC123100PW20x30y501-x-y由上表可以看出，共有5個未知量，即P、W及流股2的組成A、B、C，由于組成A+B+C=1，所以只需求得任意兩個組成，如A、B（或B、C或C、A），第三個組成就可求出。因此實際上是4個未知量，需要4個方程。但是輸入和輸出物料中共有3個組分，因而只能寫出3個獨立物料衡算式。第四個方程必須從另外給定

26、的條件列出。解題過程略反應(yīng)器的物料衡算一、教學(xué)內(nèi)容重點：直接衡算法難點：元素衡算法二、教學(xué)方法設(shè)計1、拋磚引玉思考題：聯(lián)系組分的概念？當有不止一個聯(lián)系組分時如何選好計算點？2、指點迷津比較各種衡算方法的優(yōu)缺點，在什么情況下選擇什么方法？三、教學(xué)過程準備知識：轉(zhuǎn)化率和收率的有關(guān)計算方法和概念重點內(nèi)容：化學(xué)反應(yīng)過程的物料衡算反應(yīng)器的物料衡算：化學(xué)反應(yīng)過程的物料衡算比無化學(xué)反應(yīng)的計算要復(fù)雜，這是由于化學(xué)反應(yīng)使體系的物質(zhì)分子發(fā)生了變化，使得參加反應(yīng)的每一物質(zhì)輸入和輸出體系的質(zhì)量或摩爾流量不能平衡。在進行化學(xué)反應(yīng)過程的物料衡算時必然會涉及到原料的配比，反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率、收率等許多因素。一反應(yīng)器的物料衡算反應(yīng)

27、器是進行化學(xué)反應(yīng)的設(shè)備，所以對反應(yīng)過程的物料衡算可以以反應(yīng)器為衡算對象。根據(jù)反應(yīng)過程的不同特點，可以采用不同的計算方法，主要計算方法有：直接計算法、元素衡算法、利用聯(lián)系組分法、利用化學(xué)平衡常數(shù)進行衡算、利用反應(yīng)速率進行衡算二各種方法舉例1直接計算法適用條件：當反應(yīng)過程有明確的化學(xué)反應(yīng)方程式，已知條件比較充分時，可以根據(jù)化學(xué)反應(yīng)方程式，運用化學(xué)計量系數(shù)進行直接計算求解。例一：已知化學(xué)反應(yīng)方程如下：CH3OH+O2 HCHO+H2O物料流程圖如下：過量（40%）反應(yīng)器 空氣 CH3OH HCHO H2O N2 O2CH3OH基準：100molCH3OH根據(jù)反應(yīng)方程式理論需O2量100×實

28、際輸入O2量 50×1帶入的N2量：反應(yīng)的CH3OH量 100×70%=70反應(yīng)后各組分的輸出量：CH3OH 100-70=30H2O2 70-70×將結(jié)果匯總（列表）例二：一臺年生產(chǎn)能力為10000t苯乙烯的反應(yīng)器，年工作時間為8000h，苯乙烯收率為40%，以反應(yīng)乙苯計的苯乙烯選擇性為90%，苯選擇性為3%，甲苯選擇性為5%，焦油選擇性為2%，原料乙苯中含甲苯2%（質(zhì)量分數(shù)），反應(yīng)時通入水蒸汽提供部分熱量并降低乙苯分壓，乙苯和水蒸氣比為1：1.5（質(zhì)量），試對該反應(yīng)器進行物料衡算。分析：本題用的計算方法還是直接計算法，只是多了幾個副反應(yīng)，分清楚收率、轉(zhuǎn)化率、選

29、擇性的概念，計算是不難的，計算過程見教材。總結(jié)：以上兩例都是連續(xù)過程的穩(wěn)態(tài)體系，對于間歇過程的非穩(wěn)態(tài)過程我們可以采用等價的辦法進行計算。2元素計算法元素計算法是以反應(yīng)過程中各種元素為對象列出平衡方程式而進行的物料衡算，當反應(yīng)過程比較復(fù)雜，過程中存在多種反應(yīng)而又無法確切知道各步反應(yīng)所占的比例，采用直接計算法將難以解題，這時可以采用元素平衡的方法進行平衡的方法進行物料衡算。例三：見教材（P/87頁）計算過程略3聯(lián)系組分法（利用聯(lián)系組分進行計算）聯(lián)系組分是指隨物料進出系統(tǒng)，但完全不參加反應(yīng)的組分，它是反應(yīng)過程中的惰性物質(zhì)，因此其數(shù)量可以保持恒定，如在燃燒過程中N2就是一種惰性物質(zhì)，利用聯(lián)系組分與其他

30、物料的比例關(guān)系變化，可以算出其他物料的數(shù)量。關(guān)系式： F×Xt,f=P×Xt,p如果在系統(tǒng)中存在不止一種聯(lián)系組分，這時可選擇其總量為聯(lián)系組分，也可選擇其中含量較大的單獨使用，因為聯(lián)系組分的量越大，計算誤差就越小。利用聯(lián)系組分進行物料衡算可可使計算簡化，尤其在未知變量較多的過程中。例四（P95）：略具有循環(huán)過程的物料衡算一、教學(xué)內(nèi)容重點：典型流程示意圖難點：計算方法二、教學(xué)方法設(shè)計1、拋磚引玉思考題：化工生產(chǎn)中為什么要設(shè)置循環(huán)過程，循環(huán)的設(shè)置對哪項參數(shù)有好處？2、指點迷津有循環(huán)過程的典型流程一定要熟練掌握。三、教學(xué)過程準備知識：循環(huán)如何影響轉(zhuǎn)化率？影響什么轉(zhuǎn)化率？相應(yīng)會提高哪

31、些成本？重點內(nèi)容：一循環(huán)原理：用分離設(shè)備進行回收，返回系統(tǒng)重新利用。目的：提高原料的利用率，降低原料的消耗定額。物料流程圖： 循環(huán)物料R混 合 器反 應(yīng) 器分 離 器FF MF RP新鮮 混合原料 反應(yīng)產(chǎn)物 P原料產(chǎn)品 有循環(huán)的過程，轉(zhuǎn)化率常分為單程轉(zhuǎn)化率與總轉(zhuǎn)化率。 單程轉(zhuǎn)化率= 總轉(zhuǎn)化率=循環(huán)體系有兩個過程限制參數(shù)，它們是循環(huán)比和混合比。循環(huán)比=混合比=在對分離器和混合器進行物料衡算時這兩個參數(shù)很重要，有時可以作為解題的線索。二、舉例例：丙烷在催化反應(yīng)器中脫氫生成丙烯，其反應(yīng)式為： C3H8 C3H6+H2丙烷的總轉(zhuǎn)化率為95%，反應(yīng)生成物經(jīng)分離器分成產(chǎn)物P和循環(huán)物料R，產(chǎn)品中含有C3H8

32、、C3H6及H2，其中C3H8的量為未反應(yīng)C3H8的55%，循環(huán)物料中含有C3H8和C3H6，其中C3H6的量是產(chǎn)品中C3H6的5%，試計算產(chǎn)品組成、循環(huán)物料組成和單程轉(zhuǎn)化率。解：第一步：先畫出物料流程圖 C3H8 R1 kmol/h C3H6 R2 kmol/hC3H8 反應(yīng)器分離器F:100 MF RP PC3H8: MF1 RP1: C3H8: P1: C3H8 C3H6 MF2 RP2: C3H6 P2: C3H6 RP3:H2 P3: H2 第二步：基準：-1的新鮮原料C3H8求解：由丙烷總轉(zhuǎn)化率95%，則：未轉(zhuǎn)化的丙烷為P1=100-100×95%=5-1生成的丙烯和氫氣

33、為:P2=P3=95-1對分離進行衡算列平衡方程式:RP1=P1+R1已知求反應(yīng)C3H8的0.555%進入產(chǎn)品所以：0.555%RP1=P1=5RP1=900mol R1=895molC3H6：Q2=P2+R2=95+R2已知產(chǎn)物中C3H6量的5%進入循環(huán)物料。5%P2=R2R2=Q2=計算循環(huán)物料的組成： kmol/h mol%C3H8 C3H6 單程轉(zhuǎn)化率為：具有排放過程的物料衡算一、教學(xué)內(nèi)容重點：典型流程示意圖難點：計算方法二、教學(xué)方法設(shè)計1、拋磚引玉思考題：化工生產(chǎn)中為什么要設(shè)置排放過程及排放的目的是什么？2、指點迷津有循環(huán)及排放過程的典型流程一定要熟練掌握。三、教學(xué)過程準備知識：排放

34、的依據(jù)是什么？如何才能達到排放的目的？重點內(nèi)容：一、排放過程的物料衡算1、排放設(shè)置的目的：循環(huán)過程在穩(wěn)態(tài)條件下各物流的流量和組成是恒定的，因些循環(huán)體系的進料和出料應(yīng)保持平衡，但在實際操作過程中，如果進料中含有惰性物質(zhì)，而該惰性物質(zhì)在分離過程中沒有隨產(chǎn)物排出，而是進入循環(huán)物流中，這樣惰性物質(zhì)就會隨著循環(huán)次數(shù)的增加而在循環(huán)過程中逐漸積累，以至影響正常生產(chǎn)。另外反應(yīng)副產(chǎn)物也可能在循環(huán)過程中積累，為了防止這些物質(zhì)和副產(chǎn)物在系統(tǒng)中的不斷增加，就必須排放一部分循環(huán)物料，使惰性物質(zhì)的輸出時能與進料中的輸入量平衡，或是副產(chǎn)物的輸出時能與反應(yīng)產(chǎn)生的量平衡，從而維持整個系統(tǒng)的穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。2、帶有排放的循環(huán)系統(tǒng)其典型

35、流程如下： R 循環(huán)物料分流器 W S待循環(huán)物料分離器混合器反應(yīng)器FF MF RP 新鮮原料 混合料 反應(yīng) 產(chǎn)物 P 產(chǎn)品注意：與循環(huán)過程相比，增加了一個分流器，其作用是將分離器回收的待循環(huán)物料S分出一部分作為排放物W，其余部分為循環(huán)R，經(jīng)過分流器的物料組成不發(fā)生變化，因此S、W、R的組成是相同的。根據(jù)穩(wěn)態(tài)流動過程的物料平衡，為了使惰性物質(zhì)和副產(chǎn)物不在系統(tǒng)中積累，排放物流流量應(yīng)調(diào)節(jié)到能平衡惰性物質(zhì)的輸入量和副產(chǎn)物的產(chǎn)生量，則：FF,惰性物料=W,惰性物料排放比=排放物流流量/新鮮原料流量=W/FF例：甲苯催化加氫脫甲基制苯，主反應(yīng)和副反應(yīng)分別為：主反應(yīng)：C6H5CH3+H2 C6H6+CH4副

36、反應(yīng)：C6H5CH3+10H2 7CH4以純氫和純甲苯為原料，進入反應(yīng)器的氫與甲苯之比為5：1（摩爾比）。甲苯的單程轉(zhuǎn)化率為80%，生成苯的選擇性為98%，未反應(yīng)的甲苯和產(chǎn)物苯作為產(chǎn)物物流輸出體系，氫和甲烷循環(huán)，要求混合原料中甲烷含量不大于10%，計算排放比及各物流的組成。解：第一步：畫出物料流程圖第二步：確定基準：以混合原料為計算基準第三步：以反應(yīng)器為衡算體系列物料衡算式第四步：以分離器為衡算體系列物料衡算式第五步：對混合器進行衡算第六步：對分流器進行衡算第七步：將計算結(jié)果匯總列表3、旁路過程的物料衡算：具有旁路的過程，就是指物流的一部分繞過一個或幾個設(shè)備而直接分流至后續(xù)工序中去的過程。旁路

37、過程主要用于調(diào)節(jié)物料的組成或溫度。流程圖如下： TF F RP MP分 流反應(yīng)器混 合 旁路B分析：整個過程可以劃分成一個總系統(tǒng)和3個子系統(tǒng)，與循環(huán)過程有些類似，總原料TF經(jīng)過分流器后分成反應(yīng)器進料F和旁路B，3股物料的組成是相同的，因此旁路過程的物料衡算比循環(huán)過程還要容易一些。例：見P/111頁，分析過程略。習(xí) 題 課一、教學(xué)內(nèi)容物料衡算的有關(guān)知識總結(jié)。二、教學(xué)方法設(shè)計1、拋磚引玉思考題：物料衡算的原理和方法總結(jié)2、指點迷津物料衡算是能量衡算的基礎(chǔ)三、教學(xué)過程準備知識：復(fù)習(xí)總結(jié)本章節(jié)重點內(nèi)容重點：物料衡算總結(jié)：1 物料衡算的原理； 2 物料衡算的基本步驟（重點是基準的選取） 簡單過程 無化學(xué)

38、反應(yīng)過程 多單元體系 3 物料的衡算類型 反應(yīng)器 化學(xué)反應(yīng)過程 具有循環(huán) 排放 旁路例一（P/122習(xí)題6）解：流程圖如下： 出塔氣體 吸收液98%硫酸 水H2O吸收塔混 合 器 原料氣 SO3，8% 硫酸 98.6% 產(chǎn)品98%硫酸 200-1求：WH2O=？ RH2SO4 F=？解：產(chǎn)品：200-1折算：4800-1對混合槽進行衡算：總物料 RP+W=RH2SO4+WP硫酸的平衡：PRH2SO×98.6%=(WP+R) ×98%水的平衡：PRH2SO×1.4%+W=(WP+R) ×2%基準：吸收液98%硫酸100-1則需原料氣為Xm3.d-1,SO3

39、為0.08 m3.d-1對吸收塔作物料衡算：則98.6%的硫酸為RP=-1回代到混合槽的物料衡算式：求得WP=-1 WH2O-1列出物料表：擴大比例200×24/將各個計算結(jié)果擴大即為所求，同學(xué)們自己完成。例二：P/95頁第9題 ？分析過程：燃 燒 H2 N2 79.8% 廢氣 O2 18.0% CO CO2 2.2% 空氣（N2 O2）基準：干廢氣 100-1則N2-1 O2 18-1 CO2-1-1由N平衡:設(shè)通入的空氣為X-1X×0.79=79.8 X=101mol由空氣加入的氧氣 101×-1消耗的O2-1CO+1/2O2 CO2 H2+1/2O2 H2O

40、-1-1H2和CO混合燃料的組成:H2%=79.5%O2%=20.5%混合燃料:空氣=5.31:101 =1:19例三:P/96頁第16題(同學(xué)們自己先做練習(xí))提示方法:聯(lián)系組分法基準:100mol干煙道氣計算過程略例四:P/97 21題本題同學(xué)們先思考,然后再講解.提問:反應(yīng)速率的定義例五:P/98 26題分析:本題是一個具有循環(huán)排放過程的物料衡算,首先要根據(jù)題意正確地畫出物料流程圖.然后確定計算基準:100-1混合原料為基準對各個系統(tǒng)依次列物料衡算方程式求解即可.第五章 能量衡算概述能量衡算的方法和步驟基準的選取一、教學(xué)內(nèi)容能量衡算方法和步驟二、教學(xué)方法設(shè)計1、拋磚引玉思考題：能量衡算的原

41、理是什么？如何理解這一原理？2、指點迷津能量衡算的基礎(chǔ)是：物料衡算。三、教學(xué)過程準備知識：能量的表現(xiàn)形式及傳遞方式重點內(nèi)容第一節(jié) 概述原理：熱力學(xué)第一定律，即能量守恒與轉(zhuǎn)化定律意義：能量工藝過程，設(shè)備設(shè)計和操作水平是否先進合理的主要指標之一。分類：對使用中的設(shè)備和裝置進行能量方面的評價，通過能量衡算計算出另外一些難以直接測定的能量值從而評價裝置或設(shè)備的能量利用情況。在設(shè)計新的裝置或設(shè)備時，根據(jù)已知的物料量和有關(guān)的設(shè)計條件，求出能量的變化值，進而獲得未知的物料量或溫度功率等重要參數(shù)。結(jié)論：為設(shè)計或選型提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)找出薄弱環(huán)節(jié)，提出改進措施。第二節(jié) 能量衡算的基本原理和方法一、基本概念1、能量的表

42、現(xiàn)形式及方法A、動能適用：高速運動的體系，化工過程動能可以忽略（除經(jīng)過噴嘴或銳孔形成高速的噴射流時除外）B位能-勢能化工過程中位能影響不明顯，但在計算物料的泵送功率時是不能忽略的。C。內(nèi)能定義：指物體除了宏觀的動能和位能以外所具有的內(nèi)在能量。分類：內(nèi)動能 內(nèi)位能 鍵能分析：容量性質(zhì)狀態(tài)函數(shù)純組分：U=nf(T,Vm)結(jié)論：可由上式計算內(nèi)能差，但無法計算絕對值。A 熱量由于溫度差引起傳遞的能量稱為熱量吸熱-Q>0 放熱-Q<0B 功能量傳遞過程中的另一種形式，除了熱量之外，物體間傳遞的能量都為功。分類：體積功 流動功 機械功規(guī)定：環(huán)境向體外功為正，否則為負。分析：功和熱量是能量傳遞的

43、兩種不同形式，它們可以互相轉(zhuǎn)換，功可以無條件地全部轉(zhuǎn)化為熱量，熱量則不能無條件地轉(zhuǎn)化為功（熱力學(xué)第二定律）C 焓（H）：狀態(tài)函數(shù)H=U+PV分析：焓的絕對值也是無法計算的，焓差反映了壓力恒定的情況下體系能量的變化值，而化工過程絕大部分是恒壓過程，因此能量衡算中的焓的計算比內(nèi)能計算更為常用。二、能量衡算式依據(jù)：熱力學(xué)第一定律（提問其真正含義）公式：進入體系的能量-離開體系的能量=體系積累的能量進入體系的能量 體系物質(zhì)帶入的能量E入環(huán)境傳給體系的熱量Q離開體系的能量 物質(zhì)帶出的能量：E出體系對環(huán)境所作的功：WE入-E出+Q-W=1、間歇過程間歇過程（封閉體系）的恒容過程熱效應(yīng)等于體系內(nèi)能變化，恒壓

44、過程熱效應(yīng)等于體系焓變化。2、穩(wěn)定流動過程：敞開體系三、機械能衡算1、 壓縮和膨脹過程2、 節(jié)流過程3、 噴射過程4、 管道中的穩(wěn)定流動過程四、熱量衡算Q= 連續(xù)過程 間歇過程1、 熱量衡算式2、 基本方法及步驟畫出流程圖 收集數(shù)據(jù) 選擇基準 列衡算式 校核 五、基準的選取一、如果已知標準反應(yīng)熱，可選298K，101.3kPa為反應(yīng)物的計算基準，對非反應(yīng)物質(zhì)也可另選適當?shù)臏囟葹榛鶞剩ㄈ绶磻?yīng)器的進口溫度或平均熱容表的參考溫度），此時反應(yīng)過程的焓差用下式計算：例：氨氧化反應(yīng)器的熱量衡算，氨氧化反應(yīng)式為：題目見教材，略。分析：根據(jù)給出的已知條件進行物料衡算，畫出流程圖如下：反應(yīng)器NH3 100-1

45、-1O2 -1 H2-1 Q確定基準：298K，101.kPa 氣態(tài)第一步：計算反應(yīng)的標準反應(yīng)熱第二步：計算各輸出物的焓：查平均摩爾熱容和恒壓摩爾熱容第三步：輸入的焓（為0，分析原因）的確定第四步：過程的焓的計算總結(jié)：根據(jù)的正負判斷是放熱還是吸熱，決定是要移走熱量還是提供熱量。二、基準之二：以組成反應(yīng)物及產(chǎn)物的元素的穩(wěn)定單質(zhì)，在298K，氣態(tài)時的焓為零，非反應(yīng)分子以任意適當?shù)臏囟葹榛鶞剩藭r反應(yīng)過程的總焓變用下式計算：例二：甲烷空氣氧化生產(chǎn)甲醛，以100mol進反應(yīng)器的甲烷為基準，物料流程圖如下所示，甲烷于250C進反應(yīng)器，如果保持出口產(chǎn)物為1500C，需從反應(yīng)器取走多少熱量？解：流程圖如下：376mol N2 60mol CH4 1500C反應(yīng)器100mol CH4 250C 10mol CO2 50mol H2O 100mol O2 1000C 5