化工设计概论 第三章

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根据物料衡算和能量的衡算结果，可以：
1）对生产设备进行设计和选型；
2）确定产品成本等各项技术经济指标，从而
可以定量地评述所选择的工艺路线、生产方法及工 艺流程在经济上是否合理，技术上是否先进。
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§3.1 物料衡算
一、物料衡算的概念：
在化工过程中，物料平衡是指“在单位时间 内进入系统（体系）的全部物料质量必定等于离 开该系统（体系）的全部物料质量再加上损失掉 的与积累起来的物料质量。” 对物料平衡进行计 算称为物料衡算。 物料平衡的理论依据是质量守恒定律，即在 一个孤立体系中不论物质发生任何变化(不包括核 反应)它的质量始终保持不变。
式中，F0— 输入体系的物料质量； D — 离开体系的物料质量； A — 体系内积累的物料质量； B — 损失的物料质量(如跑、冒、滴、漏)
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三、物料平衡方程式
2、注意的事项 (1) 物料平衡是指质量平衡，不是体积或物质的 量 ( 摩尔数 ) 平衡。若体系内有化学反应，则 衡算式中各项用摩尔／时为单位时，必须考 虑反应式中的化学计量系数 。 (2) 对于无化学反应体系，能列出独立物料平衡 式的最多数目等于输入和输出的物流里的组 分数。 (3) 在写平衡方程式时，要尽量使方程式中所包 含的未知数最少。
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二、能量衡算可以解决的问题
(4)为充分利用余热，必须采取有效措施，使过程的 总能耗降低到最低程度。为提高能量利用率，降 低能耗提供重要依据。 (5)最终确定总需求能量和能量量衡算平衡方程式
△E = Q - W △E:表示体系能量总变化； Q: 表示体系从环境吸收的热量； W: 表示环境对体系所做的功。
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五、物料衡算计算举例
2.有反应
例2 甲醇制造甲醛的反应过程为：
CH30H + 1/2 O2
HCHO + H20
反应物及生成物均为气态，若使用 50 ％的过 量空气，且甲醇的转化率为 75 ％，试计算反 应后气体混合物的摩尔组成。
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计算过程
解： 画出流程图
CH3OH CH3OH HCHO H2O N2
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四、热量衡算
4、进行热量衡算注意事项 (1) 热量衡算时要先根据物料的变化和走向，认 真分析热量间的关系，然后根据热量守衡定律 列出热量关系式。 (2) 要弄清楚过程中出现的热量形式，以便搜集 有关的物性数据。
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四、热量衡算
4、进行热量衡算注意事项 (3)计算结果是否正确适用，关键在于数据的正确 性和可靠性。
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五、物料衡算计算举例
1．无反应
例1 采用蒸发方法将浓度为10％NaOH及10％NaCl 的水溶液进行浓缩。蒸发时只有部分水分汽化成 为水蒸气而逸出，部分 NaCl 结晶成晶粒而留在 母液中。操作停止后，分析母液的成分为：50％ NaOH，2％ NaCl及 48％ H2O。若每批处理 1000 kg原料液，试求每批操作中：1)获得的母液量， 2)蒸发出的水分量，3)结晶出的NaCl量。
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计算结果
组分 CH3OH HCHO H2O O2 N2 总计 mol 0.250 0.750 0.750 0.375 2.820 4.945 mol% 5.0 15.2 15.2 7.6 57.0 100.0
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§3.2 能量衡算
一、能量衡算定义
根据能量守恒定律，利用能量传递和转化
的规则，用以确定能量比例和能量转变的定量
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四、物料衡算的步骤
1、画出流程示意图
稀溶液
F, wF
B，wB
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W
二次蒸汽 加热蒸汽 冷凝水 提浓液
四、物料衡算的步骤
2、列出主、副化学反应式 3、确定计算任务 4、收集数据资料（生产规模、时间，收率、转化
率，原材料及产品规格，有关物理化学常数）
5、选定计算基准（时间，质量，体积） 6、建立物料平衡方程，展开计算 7、整理并校核计算结果 8、绘制物料流程图、填写物流表
空气 (过量50%)
催化 反应器
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基准：1 mol CH3OH 根据反应方程式 O2(需要)= 0.5 mol； O2(输入)= 1.5 × 0.5 = 0.75 mol； N2(输入)= N2(输出)= 0.75(79/21)= 2.82 mol CH3OH为限制反应物 反应的CH3OH = 0.75 × 1 = 0.75 mol 因此，HCHO(输出)= 0.75mol CH3OH(输出)= 1-0.75=0.25mol O2(输出)= 0.75-0.75x0.5=0.375mol H2O(输出)= 0.75mol
(4)间歇操作设备，传热量Q随时间而变化，因此 要用不均衡系数将设备的热负荷由 kJ/ 台换算 为kJ/h。
(5)选定设备的换热面积要大于理论计算。
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五、热量衡算举例
例1 某化工厂计划利用废气的废热，进入废热锅炉 的废气温度为 450℃ ，出口废气的温度为 260℃ ， 进入锅炉的水温为 25℃ ，产生的饱和水蒸气温 度为 233.7℃， 3.0MPa， (绝压 )，废气的平均热 容为32.5 kJ／(kmol· ℃)，试计算每100 kmol的 废气可产生的水蒸汽量? 解：过程如图，基准：100 kmol的废气。 锅炉的能量平衡为：
关系的过程称为能量衡算。
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二、能量衡算可以解决的问题
(1)确定物料输送机械和其它操作机械所需要的功率；
(2)确定各单元操作过程所需热量或冷量，及其传递 速率；计算换热设备的工艺尺寸；确定加热剂或 冷却剂的消耗量，为其他专业如供汽、供冷、供 水专业提供设条件； (3)化学反应常伴有热效应，导致体系的温度上升或 下降，为此需确定为保持一定反应温度所需的移 出或加入的热传递速率；
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计算过程
解：本题为间歇过程，因此以每批处理量为基准进
行物料衡算。流程示意图2-2
组分物料衡算：
NaOH平衡 1000 x 0.1 = 0.5F4 NaCl平衡 1000 x 0.1 = 0.02F4 + F3
H2O平衡
1000(1-0.1-0.1)= F2 + 0.48F4
解方程得： F2 = 704kg，F3 = 96kg，F4 = 200kg
第三章 物料衡算与能量衡算
物料衡算与能量衡算是进行化工工艺过程设计 及技术经济评价的基本依据。通过对全生产过程或 单元过程的物料和能量的衡算，计算得到： 1）主、副产品产量；
2）原材料的消耗定额，过程的物料损耗； 3）“三废”的生成量及组成； 4）水、电、汽或其他燃料等消耗定额； 5）设计物料流程图。
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二、物料衡算的分类
1、按操作方式 分为间歇操作、连续操作及半连续操作等三 类物料衡算。 2、按状态 将其分为稳定状态操作和不稳定状态操作两类 衡算。 3、按衡算范围 分为单元操作过程(或单个设备)和全流程的两 类物料衡算。
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三、物料平衡方程式
1、概念：根据质量守恒定律，对某一个体系内质 量流动及变化的情况用数学式描述物料平衡关系则 为物料平衡方程式。其基本表达式为： ∑F0=∑D+A+∑B
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四、热量衡算
1、热量衡算有两种情况：
1）对单元设备做热量衡算；
2）整个过程的热量衡算。
（当各个工序或单元操作之间有热量交换时， 必须做全过程的热量衡算。）
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四、热量衡算
2、热量衡算方程式 ∑Q入= ∑Q出 + ∑Q损 式中:∑Q入 一输入设备热量总和；
∑Q出 —输出设备热量总和； ∑Q损 —损失热量总和。
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四、热量衡算
3、热量衡算步骤
(1) 绘制以单位时间为基准的物料流程图，确定热量平 衡范围； (2)在物料流程图上标明已知T、P、相态等已知条件； (3) 选定计算基准温度。由于手册、文献上查到的热力 学数据大多数是 273K 或 298K 的数据，故选此温度为 基准计算比较方便。相态的确定也很重要； (4)列出热量衡算式，然后用数学方法求解未知值； (5)整理并校核计算结果，列出热量平衡表。
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作业
1. 一种废酸，组成为 22 ％ ( 质量％ )HNO3 ， 57 ％ H2SO4和21％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，试完成该过程的物料衡算。
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