工艺计算教案

二、衡算的方法和步骤
进行物料衡算时，为了能顺利地解题，避免错误，必须掌握解题技巧，按正确的解题方法和步骤进行。尤其是对复杂的物料衡算题，更应如此，这样才能获得准确的计算结果。
1、画出物料衡算示意图：标明各种物料的进出方向、数量、组成以及温度、压力等操作条件，待求的未知量也应以适当的符号表示出来，以便分析计算。
公式3-16：冷却剂消耗量；；
1、介绍传热面积的计算：
由Q2求传热面积见书P36公式(3-17，18)。
所有计算在计算时，要确定计算基准温度，如273℃或298℃，查出热量计算数据，找准计算公式。
间歇操作每批消耗的热量可采用虑热量不均衡系数换算成单位时间热量消耗。每批
作业：
1、写出转化率、选择性、单程收率的求算公式，并说明它们之间的关系。
QⅡ——加热设备消耗的热量，kJ；
QⅢ——设备的热损失，kJ。
（3）收集有关资料
即收集物料量、工艺条件（温度、压力）和有关物质的热力学参数，如比热容、潜热、反应热、溶解热、稀释热和结晶热等。
（4）确定计算基准温度
一般以273K和298K为基准温度，其次还要确定其基准相态。
（5）各种热量的计算
1）物料带入或带出的热量Q1和QⅠ
∑H进——进入设备或系统各物料的的焓之和，kJ。
解决实际问题的时候，热量衡算式
Q1+Q2+Q3+…= QⅠ+QⅡ+QⅢ…(3-8)
式中：Q1——所处理的各股物料带入设备的热量，kJ；
Q2——由加热剂（或冷却剂）传给设备和物料的热量，kJ；
Q3——各种热效应，如化学反应热、溶解热等，kJ；
QⅠ——离开设备各股物料带走的热量，kJ；
2、写出公式(3-7)和(3-8)，并指出其中各项的意义。
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7
授课形式
讲授
授课章节名称
第三章 工艺计算第三节 典型设备设计与选型
教学目的
1、了解设备设计与选型的基本要求和基本内容；
2、熟悉典型和非定型定型设备的选择与设计方法；
3、掌握泵、换热器和精馏塔的设计方法
教学重点
Q=∑miCpi△ti（3-9）
式中:mi–质量,㎏; Cpi–比热容KJ／㎏℃;
△ti–物料进入或离开设备的温度与基准温度的差值，℃。
2）过程效应热Q3
一类是化学反应热（生成热、燃烧热），一类是状态热（相变热、蒸发热、升华热、荣华热），可从手册中查找或从实际生产中获取，也可按公式求取。
3）加热设备消耗的热量QⅡ
3、利用联系组分进行物料衡算
“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（惰性物料），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。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
Q=∑mwCpw△tw（3-10）
4）设备热量损失的计算
Q=∑Aα(tw–t)τ（3-11）
式中：A –设备散热表面积,㎡;αT–设备表面向周围介质的传热系数,KJ∕㎡hK；tw –设备壁面温度K;t——周围介质的温度，K；τ–过程持续时间,h；
有时可用一个估算值，如所需热的10%左右。
5）传热剂向设备传出或传入的热量Q2
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。
6、展开计算：根据上述工作，针对物料的变化情况，分析各量之间的关系，列数学关联式进行计算。两种方式：
已知原料量，欲求产品量，根据工艺流程自前向后推算；
已知产品量，欲求所需原料，则逆流程由后向前推算。计算时采用统一的计量单位。
如图，表示无化学反应的连续过程物料流程。图中方框表示一个体系，虚线表示体系边界。共有三个流股，进料F及出料P和W。有两个组分。每个流股的流量及组成如图所示。图中x为质量分数。
三、连续过程的物料衡算
1、直接求解法
对化学反应比较简单或只含一个未知量或组成得问情况，这类问题比较简单，通常可根据化学反应计量系数直接求解，不必列出衡算式。
对于包括几个化学反应的过程，物料衡算应依据物料流动的顺序分步进行计算，尽量选择同一计算基准。
2、利用结点进行计算
在化工过程中，有一些具有排放及旁路的过程，常常利用结点计算是一个比较有效的方法，如图3-1三股交叉物流情况；
一、设备的设计与选型的基本要求
化工设备对工程项目投产后的生产能力、操作稳定性、可靠性及产品质量都起着重要的作用，首先要考虑合理性（设备必须满足工艺一般要求，设备与工艺流程、生产规模、工艺操作条件、工艺控制水平相适应，又能充分发挥设备的生产能力）、先进性（运转可靠、自控水平、生产能力、转化率、收率、效率要尽可能达到先进水平）、安全性等。
可列出物料衡算式：
总物料衡算式F = P + W
每种组分衡算式F·xf1= P·xp1+ W·xw1
F·xf2= P·xp2+ W·xw2
7、整理计算结果，列成物料衡算表，如表3-1。可以检查计算是否正确，分析结果组成是否合理，并易于发现设计上存在的问题，从而判断其合理性，提出改进方案。
8、绘制物料流程图，便于查阅。
F xFT＝P xPT，
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。
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。但是，应该注意，当某个联系组分数量很小，而且此组分的分析相对误差又较大时，则不宜选用。
第二节热量衡算
一、目的、任务、应用
转化率越高，参加反应的物料愈多
（5）选择性许多化学反应中，不仅有生产目的物的主反应，还有生成副产物的副反应存在，转化了的原料只有一部分生成目的产物。选择性的定义
选择性表示在反应过程中，主反应在主副反应竞争中所占的比例，转化率与选择性是反应过程的两个主要技术指标。
（6）单程收率生成目的产物的原料量除以原料投料量，以百分数表示。
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5
周次
7
授课形式
讲授
授课章节名称
第一章工艺计算
第一节物料衡算第二节能量衡算
教学目的
1、了解物料衡算和能量衡算的内容、方法与步骤；
2、熟悉物料衡算方法
教学重点
循环过程物料衡算方法及技巧
教学难点
转化率、选择性、单程收率及其之间的关系
使用教具
课外作业
习题：附后
课后体会
学生已基本掌握该次课所授内容
化工设备从总体上分为两类：一类称标准设备或定型设备，是成批成系列生产的设备，可以现成买到；一类称非标准设备或非定型设备，是化工过程中需要专门设计的特殊设备。
标准设备有产品目录或样本手册，有各种规格牌号，有不同生产厂家。工艺设计的任务是根据工艺要求，计算并选择某种型号（满足要求且效率高），以便订货。
非标准设备也是化工生产中大量存在的设备，它甚至是化工生产的一种特色。非标准设备工艺设计就是根据工艺要求，通过工艺计算，提出型式、材料、尺寸和其他一些要求。再由化工设备专业进行机械设计，由有关工厂制造。在设计非标准设备时，应尽量采用已经标准化的图纸。
通过计算传入或传出系统的热量，确定加热剂和冷却剂的消耗量；计算传热面积确定设备尺寸大小；确定合理利用热量方案；
有单元设备热量衡算和全过程热量衡算两种情况。
二、单元设备热量衡算
1、方法与步骤
（1）绘制设备的热平衡图
进出设备的热量大致可分如下几种：物料带入设备的热量；过程的热效应；反应物带出的热量；传热剂传入或传出的热量；设备的热损失等等。
授课第一节物料衡算
一、物料衡算的目的、方法、类型
物料衡算是研究某一个体系内进、出物料量及组成的变化，是化工计算中最基本、也是最重要的内容之一。
1、目的：根据原料与产品的定量转化关系，计算原料消耗量，中间产品、附产品、产品产量，并计算各道工序的物料关系、消耗量及组成，是热量衡算、其它工艺计算及设备计算的基础。
2、写出主、副化学方程式。当副反应很多时，必要时要作相应的简化处理，同时，写出反应过程的热效应；关键的有害物质，尽管量小，也不能省。为分离和“三废”处理设计依据。
3、确定计算任务，找出计算公式
根据示意图和反应方程式，分析每一步骤和每一设备中物料的变化情况，选定合适的计算公式，分析数据资料，明确已知量，指出未知量（划分可查数据和需计算的数据），为收集数据资料和建立计算程序做好准备。
2、方法：以质量守衡定律为基础对物料平衡进行计算。物料平衡是指“在单位时间内，进入系统(体系)的全部物料质量应该等于离开该系统的全部物料质量在加上损失掉的和积累起来的物料质量”。
注：1）系统可以是一个设备或几个设备，也可以是一个单元操作或整个化工过程。
2）物料平衡是指质量平衡，不是体积或物质的量(摩尔数)平衡。
（2）确定热量衡算式
即按设备热平衡图中标注的种形式的热量，列出热量衡算式
∑Q= ∑H出- ∑H进(3-7)
是以设备或系统进出物料间焓值变化与系统过程热量变化值间的关系。
式中：∑Q——设备或系统与外界环境各种换热量之和，其中常常包括热损失（低温时传入设备的热量），kJ；
∑H出——离开设备或系统各物料的的焓之和，kJ；
所以，物料衡算的基本关系式应该表示为：
在对某个化工过程作物料或能量衡算时，必须先了解生产过程的类别。
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，再无物料进出设备，设备中各部分的组成、条件随时间而不断变化。