1、 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級1第三章第三章 物料衡算與能量衡算物料衡算與能量衡算 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級2化工基礎數據化工基礎數據 化工計算以及化工工藝和設備設計中，要用到有關化合物的物性數據。例如，進行化工過程物料與能量衡算時，需要用到密度或比容、沸點、蒸汽壓、焓、熱容及生成熱等等的物性數據；設計一個反應器時，則需要知道化學反應熱的數據；計算傳熱過程時，需要導熱系數的數據等等。 化工基礎數據：物化數據或物性數據 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級3p基本物性數據基本物性數據如臨界常數（臨界壓力、臨界溫度、臨

2、界體積）、密度或比容、狀態方程參數、壓縮系數、蒸氣壓、氣一液平衡關系等。p熱力學物性數據熱力學物性數據如內能、焓、熵、熱容、相變熱、自由能、自由焓等。p化學反應和熱化學數據化學反應和熱化學數據如反應熱、生成熱、燃燒熱、反應速度常數、活化能，化學平衡常數等。p傳遞參數傳遞參數如粘度、擴散系數、導熱系數等。分類分類 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級4化工基礎數據獲取方法化工基礎數據獲取方法p查手冊或文獻資料查手冊或文獻資料p估算估算p用實驗直接測定用實驗直接測定 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級5物料衡算與能量衡算的概念物料衡算與能量衡算的概念p物料

3、衡算：物料衡算：運用質量守恒定律，對生產過程或運用質量守恒定律，對生產過程或設備的物料平衡進行定量的計算，計算出各股設備的物料平衡進行定量的計算，計算出各股物流輸入或輸出的量及組分等，稱之為物料衡物流輸入或輸出的量及組分等，稱之為物料衡算。算。p能量衡算：能量衡算：以熱力學第一定律為依據，對生產以熱力學第一定律為依據，對生產過程或設備的能量平衡進行定量的計算，計算過程或設備的能量平衡進行定量的計算，計算過程中要供給或移走的能量，稱之為能量衡算。過程中要供給或移走的能量，稱之為能量衡算。能量是熱能、電能、化學能、動能、輻射能的能量是熱能、電能、化學能、動能、輻射能的總稱?；どa中最常用的能量形

4、式為熱能，總稱?；どa中最常用的能量形式為熱能，故化工設計中經常把能量計算稱為故化工設計中經常把能量計算稱為熱量計算熱量計算。 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級6一、質量守恒（見書）一、質量守恒（見書）第一節第一節 物料衡算的基本方法物料衡算的基本方法 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級7物料衡算的目的物料衡算的目的 1. 1.確定原料的消耗量、副產品量以及輸出過程物確定原料的消耗量、副產品量以及輸出過程物料的損耗量及三廢生成量，判斷是否達到設計料的損耗量及三廢生成量，判斷是否達到設計要求（產品的技術經濟指標）。要求（產品的技術經濟指標）。2.

5、2.作為熱量計算的依據。作為熱量計算的依據。3. 3.根據計算結果繪出物流圖，可進行管路設計及根據計算結果繪出物流圖，可進行管路設計及材質選擇，儀表及自控設計、對生產設備和輔材質選擇，儀表及自控設計、對生產設備和輔助設備進行選型或設計。助設備進行選型或設計。 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級8 （1 1）設計任務書）設計任務書 （2 2）建設單位或研究單位所提供的數據）建設單位或研究單位所提供的數據 （3 3）工藝流程示意圖）工藝流程示意圖物料衡算的依據物料衡算的依據 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級9p時間基準：時間基準：對連續穩定過程，用單位

6、時間的物對連續穩定過程，用單位時間的物料量作基準。料量作基準。p質量基準：質量基準：固體或液體物料，選用單位質量為固體或液體物料，選用單位質量為基準；基準；p體積基準：體積基準：氣體物料，選用氣體物料，選用m m3 3（STPSTP），因它），因它不隨不隨T T、P P變化。變化。p干濕基準：干濕基準：對含水分的物料，選干基（不計水對含水分的物料，選干基（不計水分），即水分變化時選干基。分），即水分變化時選干基。二、物料衡算的基準二、物料衡算的基準 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級101. 1.確定衡算的對象和范圍，并畫出計算對確定衡算的對象和范圍，并畫出計算對象的草圖

7、。象的草圖。反應器分離系統產品副產物或殘渣旁路循環流放空進料包括包括求解系統、衡算范圍、衡算邊界求解系統、衡算范圍、衡算邊界 三、物料衡算的基本步驟三、物料衡算的基本步驟 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級112. 2.確定計算任務；確定計算任務；3. 3.確定過程所涉及的組分；確定過程所涉及的組分；4. 4.對物流流股進行編號，并標注物流變量；對物流流股進行編號，并標注物流變量；5. 5.收集數據資料：收集數據資料：一類為設計任務所規定的已知條件；一類為設計任務所規定的已知條件；一類為與過程有關的物理化學參數。一類為與過程有關的物理化學參數。6. 6.列出物料衡算方程及

8、相關方程列出物料衡算方程及相關方程 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級127. 7.整理計算結果（整理成整理計算結果（整理成原材料消耗表原材料消耗表和和物料衡算表物料衡算表） 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級138. 8.繪制物料流程圖繪制物料流程圖 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級14 無反應過程指流體輸送、粉碎、換熱、混合、分離無反應過程指流體輸送、粉碎、換熱、混合、分離（吸收、精餾、萃取、結晶、過濾、蒸發、閃蒸、（吸收、精餾、萃取、結晶、過濾、蒸發、閃蒸、提濃、脫水、增濕、干燥）等化工單元操作。提濃、脫水、增濕、干燥）

9、等化工單元操作。四、無反應過程的物料衡算四、無反應過程的物料衡算 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級15 例：有一濕紙漿含水例：有一濕紙漿含水71，干燥后原有水分的，干燥后原有水分的60除去，除去，試計算：試計算：1、每公斤濕紙漿移去的水分質量？、每公斤濕紙漿移去的水分質量？ 2、干紙漿的、干紙漿的組成？組成？ 解：以解：以1kg濕紙漿為基準。示意圖濕紙漿為基準。示意圖: 1、每公斤濕紙漿移去的水分質量：、每公斤濕紙漿移去的水分質量：10.7160%=0.426kg 2、作物料平衡：干燥紙漿量、作物料平衡：干燥紙漿量10.426=0.574kg 水：水：0.710.4=0

10、.284kg,干紙漿含水量：干紙漿含水量：0.284/0.574=0.495, 紙漿：紙漿：0.574-0.284 =0.29kg,含紙漿含紙漿0.505 干燥器干燥器濕紙漿濕紙漿漿：漿：0.29水：水：0.71干燥紙漿干燥紙漿漿：？漿：？水：？水：？水分水分 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級16 例：每小時將例：每小時將20kmol含乙醇含乙醇40的酒精水溶液進行精的酒精水溶液進行精餾，要求餾出液中含乙醇餾，要求餾出液中含乙醇89，殘液中含乙醇不大于，殘液中含乙醇不大于3(以上均為摩爾分數以上均為摩爾分數)，試求每小時餾出液量和殘液量。，試求每小時餾出液量和殘液量。

11、解：由全塔物料衡算式可得解：由全塔物料衡算式可得 20 = D + W (1) 200.4 = 0.89D + 0.03W (2) 聯解方程式聯解方程式(1)、式、式(2)，得，得 餾出液量餾出液量D=86 kmolh 殘液量殘液量W=114 kmolh 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級17 例：一股加料速率為例：一股加料速率為1000mol/h的物流，摩爾組成如的物流，摩爾組成如下下:c3為為0.20,i-c4為為0.30, i-c5為為0.20,n- c5為為0.30,精餾液包精餾液包括進料中的全部丙烷和括進料中的全部丙烷和80的的i-c5，精餾液中含異丁烷，精餾液

12、中含異丁烷40%，底液包括進料中的全部，底液包括進料中的全部n- c5，計算精餾液和底，計算精餾液和底液量，列物料衡算表。液量，列物料衡算表。 解：分別以下標解：分別以下標1、2、3、4表示表示c3、i-c4、i-c5、n- c5 1000D+W D=10000.2+D40%+10000.280% 解得：解得：D=600mol/h,W=400 mol/h 物料衡算表如下：物料衡算表如下：精精餾餾塔塔 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級18組分進 料精餾液底 液mol/h摩爾分數mol/h摩爾分數mol/h摩爾分數c3200o.202000.333300i-c43000.3

13、02400.4600.1500i-c52000.201600.2667400.1000n- c53000.30003000.750010001.006001.0004001.000 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級19第二節第二節 有反應過程的物料衡算有反應過程的物料衡算 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級20一、基本概念(1) (1) 限制組分、過量組分限制組分、過量組分 在反應過程中，在數量上以最小化學計量系數存在在反應過程中，在數量上以最小化學計量系數存在的組分稱為的組分稱為限制組分限制組分。在數量上超過完全反應所需。在數量上超過完全反應所需

14、理論量的組分稱為理論量的組分稱為過量組分過量組分。例：例：原料氣中有原料氣中有CO 1molCO 1mol，H H2 2O(g) 2molO(g) 2mol，進行變換反應，進行變換反應： COCOH H2 2O (g) HO (g) H2 2COCO2 2 用反應物的實際用反應物的實際摩爾量除以各自對應組分的反應計量系數，此值最摩爾量除以各自對應組分的反應計量系數，此值最小者即為限制組分，其余為過量組分。小者即為限制組分，其余為過量組分。1()11molCO 22()( )21molH O g 所以，所以，COCO是限制組分，是限制組分，H H2 2O(g)O(g)是過量組分是過量組分。 單擊

15、此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級21(2) (2) 過量百分數過量百分數v過量組分超過理論量的那部分占理論量的百分數。過量組分超過理論量的那部分占理論量的百分數。設：設：N Nf f 為過量組分的實際用量（質量或為過量組分的實際用量（質量或molmol量）量） N Nt t 為過量組分的理論用量（質量或為過量組分的理論用量（質量或molmol量）量） 則：則：過量過量% = (% = (N Nf f N Nt t ) / ) / N Nt t 100%100% 如上例：如上例：H H2 2O(g)O(g)過量過量%=(2-1)/1%=(2-1)/1100%=100%100%

16、=100% 過量百分數表征了過量組分的過量程度。過量百分數表征了過量組分的過量程度。 過量組分是相對于限制組分而言的，它以限制組分過量組分是相對于限制組分而言的，它以限制組分為基準，沒有限制組分，也就沒有過量組分。為基準，沒有限制組分，也就沒有過量組分。 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級22（3） 轉化率轉化率 =反應物的反應量/反應物的進料量某一反應物某一反應物A的消耗量的消耗量該反應物該反應物A的的輸入量輸入量100%xA = =生成目的產物所消耗限制組分的量生成目的產物所消耗限制組分的量限制組分的限制組分的消耗量消耗量100% = =（4） 選擇性 單擊此處編輯母

17、版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級23生成目的產物所消耗限制組分的量生成目的產物所消耗限制組分的量限制組分的限制組分的輸入量輸入量100% = =（5） 收率 =xA 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級24“獨立獨立”的含義的含義p對有化學反應的過程，應寫獨立的反應方程對有化學反應的過程，應寫獨立的反應方程式或獨立反應數。例如碳與氧的燃燒過程式或獨立反應數。例如碳與氧的燃燒過程 ： 這4個反應是否是獨立的呢？如何判斷呢？22COCO212COCO2212COOCO22COCCO 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級25v 反應過程中，若有反應過

18、程中，若有m m種元素和種元素和n n個組分參與反應時，個組分參與反應時，獨立反應數為獨立反應數為： N N反應反應= =n n- -m m 上例中，上例中，m m=2, =2, n n=4 =4 獨立反應數：獨立反應數： N N反應反應= 4-2=2= 4-2=2v 究竟哪究竟哪2 2個是個是獨立反應獨立反應呢？呢？判斷原則是判斷原則是： 反應的組合過程中，不應少了某個組分。反應的組合過程中，不應少了某個組分。 例如：例如：1.選、或可以2.但不能選，+：C+1/2O2+CO+1/2O2=CO+CO2 少了組分CO3.選也不行，+：C+O2+CO2+C=CO2+2CO 少了組分CO24.選也

19、不行，+：CO+1/2O2+CO2+C=CO2+2CO 少了組分CO2 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級26化學反應過程物料衡算的方法：化學反應過程物料衡算的方法： （1 1）直接計算法）直接計算法( (總物料衡算法和組分衡算法相結合總物料衡算法和組分衡算法相結合) )（2 2）元素（原子）平衡法；）元素（原子）平衡法；（3 3）平衡常數法；）平衡常數法；（4 4）結點法（帶有循環、放空及旁路的物料衡算）；）結點法（帶有循環、放空及旁路的物料衡算）；（6 6）聯系組分法。）聯系組分法。 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級27（2）元素平衡法：）元素

20、平衡法： 利用進出系統各元素的原子數目不變的性質進行計算。利用進出系統各元素的原子數目不變的性質進行計算。 例：丙烷脫氫可以生產丙稀。可惜由于副反應使產物中含有輕例：丙烷脫氫可以生產丙稀。可惜由于副反應使產物中含有輕烴，且在催化劑表面有炭沉積。若在一反應器內，純丙烷被轉烴，且在催化劑表面有炭沉積。若在一反應器內，純丙烷被轉化成以下氣體混合物（以化成以下氣體混合物（以mol%計）：丙烷計）：丙烷45、丙稀、丙稀20、乙烷、乙烷6、乙烯乙烯1、甲烷、甲烷3、氫、氫25以及少量沉積的炭。設反應器可以按比例以及少量沉積的炭。設反應器可以按比例擴大到處理擴大到處理58.2mol/d丙烷，計算所期望的積炭

21、速率？丙烷，計算所期望的積炭速率？ C3H8:0.45C3H6:0.20C2H6:0.06C2H4:0.01 CH4:0.03 H2:0.25C3H8 F2 F1 C F3（沉積炭）（沉積炭） 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級28 解：以進料丙烷58.2mol/h為基準。 H 平衡：858.2F20.458+F20.26+ F20.066+ F20.014+F20.034+F20.252=5.82 F2, C平衡：358.2=F3+ F20.453+ F20.23+ F20.062+ F20.012+ F20.03 解得：F280mol/d，F35 mol/d 單擊此處

22、編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級29（3）聯系組分法）聯系組分法 聯系組分聯系組分指物料衡算過程中聯系進出物流的特定組分。指物料衡算過程中聯系進出物流的特定組分。例：例：甲烷和氫的混合氣與空氣完全燃燒以加熱鍋爐。產例：例：甲烷和氫的混合氣與空氣完全燃燒以加熱鍋爐。產生的煙道氣經分析其組成為（體積）生的煙道氣經分析其組成為（體積）N2:72.28,CO2:8.12,O2:2.44, H2O:17.16。試求：。試求：1、燃料中、燃料中H2與與CH4之比；之比； 2、混合氣與空氣之比為多少？、混合氣與空氣之比為多少？ 解：畫出衡算簡圖：解：畫出衡算簡圖：鍋鍋 爐爐O2:2.44%,

23、N2: 72.28%CO2:8.12%,H2O:17.16%O2:20.92%N2:79%其他：其他：0.08H2+CH4空氣：空氣：煙道氣煙道氣 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級30 反應式為：反應式為：CH4+2O2=2H2O+CO2 H2+0.5O2=H2O 以以100煙道氣為基準，則各組分的量為煙道氣為基準，則各組分的量為(mol)： O2:2.44,N2: 72.28CO2:8.12,H2O:17.16. （注意：因不知道燃料氣組成，不能選進氣量為基準）。（注意：因不知道燃料氣組成，不能選進氣量為基準）。 1.求燃料氣組成以求燃料氣組成以C作聯系組分，燃燒前后

24、碳原子數不變，作聯系組分，燃燒前后碳原子數不變，所以所以CO2mol數等于數等于CH4的的mol數，即數，即CH48.12mol， 需要氧氣量為需要氧氣量為28.1216.24mol。 計算進料的空氣量，以計算進料的空氣量，以N2作聯系組分，由煙道氣中的作聯系組分，由煙道氣中的N2可可得進料中的總氧氣量：得進料中的總氧氣量：72.2820.92/79=19.14mol, 輸入空氣量：輸入空氣量：19.14+72.28=91.42mol. 則用于氫氣燃燒的氧為：則用于氫氣燃燒的氧為：19.14-16.24-2.44=0.46mol, 故燃料中含氫故燃料中含氫0.462=0.92mol 燃料氣中燃

25、料氣中H2/ CH4=0.92/8.12=0.113,進料中（進料中（CH4+ H2）/空氣空氣 （0.92+8.12）/91.42=0.099 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級31第三節第三節 反應過程的能量衡算反應過程的能量衡算v 能量衡算的意義能量衡算的意義： 原料及產品的輸送需要消耗原料及產品的輸送需要消耗功功機械能機械能； 物料需在一定的溫度下才能反應物料需在一定的溫度下才能反應熱熱交換；交換； 物質發生化學變化變成新的物質物質發生化學變化變成新的物質焓焓變化；變化； 熱、焓、功都是能量的表現形式熱、焓、功都是能量的表現形式。v 能量的消耗是化工生產中一項能量

26、的消耗是化工生產中一項重要的技術經濟指標重要的技術經濟指標，是衡量工藝過程、設備設計、操作制度是否先進合理是衡量工藝過程、設備設計、操作制度是否先進合理的的主要指標主要指標之一。因此能量衡算也是化工設計中極其之一。因此能量衡算也是化工設計中極其重要的組成部分重要的組成部分。v 化工生產中最常用的能量形式為熱能，故化工設計化工生產中最常用的能量形式為熱能，故化工設計中經常把中經常把能量衡算能量衡算稱為稱為熱量衡算熱量衡算。 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級32熱量衡算的目的：熱量衡算的目的：（1 1）確定傳熱設備的熱負荷確定傳熱設備的熱負荷。 為設計傳熱型設備為設計傳熱型

27、設備如反應器、結晶器、塔如反應器、結晶器、塔式設備、輸送設備、壓縮系統、分離等設備的式設備、輸送設備、壓縮系統、分離等設備的形式、尺寸、傳熱面積等，以及各種控制儀表形式、尺寸、傳熱面積等，以及各種控制儀表等等提供參數提供參數； （2 2）確定單位產品的能耗指標確定單位產品的能耗指標；（3 3）為非工藝專業為非工藝專業（熱工、電、給水、冷暖）（熱工、電、給水、冷暖）的設計提供設計條件的設計提供設計條件。 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級33一、反應過程能量衡算方程一、反應過程能量衡算方程 能量衡算的一般步驟能量衡算的一般步驟與與物料衡算物料衡算相同相同，亦包括劃分，亦包括

28、劃分系統、畫出流程簡圖、列寫方程式與約束式，求解方系統、畫出流程簡圖、列寫方程式與約束式，求解方程組及結果整理等若干步驟。程組及結果整理等若干步驟。 能量衡算方程式的能量衡算方程式的一般形式一般形式為：為： E E = =Q QWW v 如果無軸功條件下，進入系統加熱量與離開系統的如果無軸功條件下，進入系統加熱量與離開系統的熱量應平衡，即熱量應平衡，即對傳熱設備的熱量衡算對傳熱設備的熱量衡算可表示為：可表示為：物料帶物料帶進體系進體系的熱量的熱量 123456QQQQQQ加熱劑（或冷加熱劑（或冷卻劑）與設備卻劑）與設備交換的熱量交換的熱量過程的過程的熱效應熱效應 物料從體系物料從體系帶走的熱量

29、帶走的熱量 消耗在加熱消耗在加熱設備各個部設備各個部件上的熱量件上的熱量 設備向四周設備向四周散失的熱量散失的熱量（熱損失）（熱損失） 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級34熱量計算的說明熱量計算的說明 （1）計算計算基準基準：指的是能量（或：指的是能量（或熱量熱量）基準基準?？扇∪巍？扇∪魏螠囟?，對有反應的過程，一般取何溫度，對有反應的過程，一般取25為計算基準。為計算基準。（2）物料的物料的顯熱顯熱可用焓值或比熱容進行計算?？捎渺手祷虮葻崛葸M行計算。CP是溫度的函數是溫度的函數123456QQQQQQ21TPTQnC dT（3）關于關于Q2熱負荷熱負荷的計算。的計算。“”需加熱，需加熱， “”需需冷卻。對于冷卻。對于間歇操作，應分段衡算間歇操作，應分段衡算，求出最大需要量。，求出最大需要量。 （4）Q3為過程的為過程的熱