湖南化院化工计算教案

化工职业技术学院化工计算教案

第一章绪论

一、教学内容

化工计算的目的、内容；化工过程特征；本课的学习方法要求。

二、教学方法设计

1、自我情况介绍，个人的工作背景及可以和同学们分享的企业生产经营知识、经验，拉近师生距离。

2、化工过程案例：

某厂间苯二甲腈氯化生产四氯间苯二甲腈

已知工艺条件：温度、压力、日产量、原料纯度、产品纯度

求解内容：原料消耗量，反应热和能源消耗量，有兴趣的同学可以作产品技术经济效益评估和分析，提出合理化建议。

思考：

（1）计算内容的现实意义、方法

（2）化工企业对高素质专门人才的现实需求：技能素质、人文素质与综合素质（人力资源冰山模型与素质元素结构论）

3、结合上述案例阐明观点，指出化工计算的目的、内容，概括化工过程特征，提出本课程的学习要求及对同学们的期望。

化工计算的作用归纳（更具现实性的有别于教科书的表述方式）：

管理控制的需求；

设计开发的需求；

过程控制与改进的需求。

化工计算中的现代化手段运用的案例（某化工企业基于成本管理控制的产品生产原材料、能源预算计算软件开发的实践与启迪）

三、教学过程

准备知识：

过程概念：将一组输入转化为输出的活动

过程特征：黑箱状态

重点内容：

化工过程特征：

1、具有过程特征

2、具有自身特点：三个基本环节构成

第二章化工常用基础数据

一、教学内容

常用基本物性数据：临界常数、密度、蒸气压、粘度及热导率

二、教学方法设计

1、抛砖引玉

思考题：某产品生产原料气化器的设计计算

各基本物性数据的物理意义

物理单位及计算

估算方法

2、指点迷津

物性数据和热力学数据是化工计算的基础数据。获得准确、可靠的数据是进行物料衡算、能量衡算以及化工过程计算必须的准备工作。

三、教学过程

准备知识：

气体的压力-体积-温度关系：理想气体、真实气体、真实气体混合物、

获得基础物性数据的能力。

重点内容：

第1节化工常用基本物性数据

一、理想气体状态方程：

方程：PV=nRT

分析各参数单位：提问

适用的条件：提问

二、临界常数：

1、概念：

临界温度（Tc）：气体可以液化的最高温度

临界压力 (Pc)：临界温度下气体液化所需的最低压力

临界体积（Vc）:临界温度及临界压力下1mol气体所占的体积

2、用途：

在缺少物性数据时，通常使用临界常数估算常用物性数据（如密度、蒸气压、粘度、热导率等）和一些经验公式的参数。

例：利用临界常数计算范德华常数

（P+2m V a ）(V m -b)=RT

a=C c P T R 64272

2 b=C C P RT 8 R=C C C T V P 38

（P30习题1）用理想气体状态方程和范德华方程式分别计算320K 、4.052Mpa 下,CO 2的摩尔体积,并和实测值 5.4×10-4m 3

.mol -1比较. 分析过程:

Vm=P RT =4

10052.4320

14.8⨯⨯=6.57⨯10-4m 3.mol -1

范德华方程: PV

2m

-(bp+RT)V 2m

+ aVm – ab = 0

将各已知参数代入公式，用牛顿迭代法计算出结果。 说明:用代数计算程序(互联网下载)可以解方程。 比较计算的误差。

三、密度

1、定义:单位物质所具有的质量。

2、方法：

理想气体状态方程：ρ=RT PM

×10-3 适合理想气体的密度的计算。

非理想气体：可用范德华方程。 液体密度的计算：用定义式和经验式

注意：混合气体和混合液体的密度计算用以下公式。

混合液体： n wn

w w m x x x ρρρρ+

++

=

...1

2

2

1

1

混合气体：

wn n w w m x x x ρρρρ+++= (2211)

四、蒸气压

饱和蒸气压的概念

两个计算蒸气压的经验式：安托尼蒸气压方程

克拉贝龙蒸气压方程

例：见P/16-17页

第2节常用热力学数据

一、教学内容

常用热力学数据：热容、相变热、焓

二、教学方法设计

1、复习热容的概念；

2、掌握标准反应热的两种计算方法，区分不同点，比较计算结果；

3、相变热的正负代表了什么？

4、焓的内涵。

三、教学过程

热容：

定义：指一定量的物质升高1K所吸收的热量

分类：质量热容J.kg-1.k-1

摩尔热容J.mol-1.k-1

恒压热容: Cp,m

恒容热容：Cv,m

理想气体：Cp,m=a+bT+cT2+dT3

Cv,m= Cp,m-R

A b c d查手册

例：计算醚蒸气在323.2K时的理想气体恒压热容和恒容热容

要求:用两种方法计算,分析两种方法之间的偏差.

相变热：

相变过程：蒸发、冷凝、结晶、升华

蒸发热（或冷凝热）：液体气体△Hv

熔融热（或凝固热）：液体固体△Hm

升华热（或凝华热）：气体固体△Hs

数据来源：热力学图表或经验公式，例如：

特鲁顿法则

里德尔法则

克-克方程

沃森公式

欣达法则

各种经验公式见课本。

例：丙酮的正常沸点为329.5K,估算丙酮在正常沸点下的蒸发热.实验值为30167J.mol-1,计算所得值的误差.

焓：

定义：一个状态函数，H=U+PV

注意：各符号的意义，单位

焓的容量性；

对理想气体：焓与压力、体积变化无关，仅是温度的函数。

第3节化学反应和热化学数据

一、教学内容

标准摩尔生成热、标准摩尔燃烧热、反应热

二、教学方法设计

1、通过案例引出标准摩尔生成热、标准摩尔燃烧热、反应热的概念；

2、掌握标准反应热的两种计算方法，区分不同点，比较计算结果；

3、相变热的正负代表了什么？

三、教学过程

反应热：

定义：随着化学反应的进行而产生或吸收的热量称为反应热，它反映了化学反应体系中焓值的变化，以△Hr表示

注意：反应热的计算一定要注意反应条件，物质的量和反应温度和压力等。

标准反应热：在250C，101.3kPa时的反应热，用△Hφr表示。

计算：

由标准生成热（△H φ

f）计算△H

φ

r：

△H φ

r=EMBED Equation.3

∑μ

生成物

i（△H

φ

f）i-

∑μ

反应物

i

（△H φ

f）i

例：计算正戊烷燃烧的标准反应热。

方法：查各物质的标准生成热进行计算。

由标准燃烧热△H φ

c计算△H

φ

r

燃烧物的组成与状态规定为：C 的燃烧产物为CO 2（g ）,H 的燃烧产物为H 2O （l ），N 的燃烧产物为N 2（g ），S 的燃烧产物为SO 2（g ），Cl 的燃烧产物为HCl （稀的水溶液）。

注意：并非所有的文献规定的燃烧产物都相同，如有的规定H 和Cl 的燃烧产物分别是H 2O （g ）和Cl 2(g),所以查表时应注意配套使用。 燃烧的基准：以1mol 化合物与正好足够的氧气反应，生成指定的燃烧产物。

计算公式：△H φ

r =

EMBED Equation.3 ∑μ反应物i （△H φ

c

）i-∑

EMBED Equation.3 生成物μi （△H φ

c ）i

例：计算乙烷脱氢的标准反应热。

方法：查得各物质的燃烧热进行计算。 化学平衡常数：

概念：对于可逆反应，当正反应速率和逆反应速率相等时，反应达到平衡，在一定的温度和压力下，反应物的浓度不变时平衡将保持稳定。化学平衡常数可以用来表示反应达到平衡时的状态。

公式：对于反应aA+b B cC+Dd 平衡常数的计算公式如下：

Kc=b a d

c B A D C ][][].[][

两种情况：

理想气体反应：Kp=

b B a A d

D c C P P P P . 各组分分压表示 对于理想溶液反应体系：Kn=b B a A d

D c C x x x x .. 以摩尔分率表示的化学平衡常数

由标准吉氏函数变化计算化学平衡常数： =∆θ

G EMBED Equation.3

∑μ生成物i （△G φ

f

）i-

∑μ反应物i

（△G φ

f ）I

由标准吉氏函数计算平衡常数：-RTlnKp=θ

G ∆

例：计算反应

CH 4+2H 2O CO 2+4H 2

计算方法：查得各物质的标准生成吉氏函数，再代入公式即可。

温度对化学平衡常数的影响：平衡常数是温度的函数，不同温度下化学平衡常数可用以下方程式积分求得。 2ln RT H

dT Kp d ∆= 简化式如下：

=∆θG T ⨯[

∑μ

生成物i

-

-T i

Hf G )(θθ EMBED

Equation.3

∑μ反应物i T i

Hf G )(θθ-]+θr H ∆ 例：略。

第4节传递参数

一、教学内容

黏度和热导率

二、教学方法设计

通过案例（某产品气化器的设计开发）引出热导率的概念

三、教学过程

1、粘度

概念：衡量液体粘性大小的物理量

运动粘度：粘度与密度的比值来表示

2、热导率

概念：也称导热系数，是衡量物质导热能力的物理量，以 表

示。

单位：W.m-1.K-1

注意：都是由实验测得，需要时可查手册，另外金属的导热系数最大，非金属的固体次之，液体的较小，气体的最小。

有两个估算公式，其所得误差都小于10%。

第三章化工过程参数

第1节评价化工生产效果的常用指标

一、教学内容

生产能力、转化率、产率和选择性

二、教学方法设计

1、抛砖引玉

思考题：

不同反应物的转化率是否相同，什么情况下相同，什么情况下不同？如何判断反应物中哪一种是限制反应物？

收率大小和转化率大小各代表什么含义？

2、指点迷津

单程转化率和总转化率的区别，收率和转化率、选择性的联系。

三、教学过程

准备知识：

化学反应方程式的正确书写

重点内容：

1、生产能力和生产强度

生产能力的三种表达式：设计能力、查定能力、现有能力。 2、转化率

对于一个系统，转化率是原料中某一反应物参加化学反应的量占其通入系统总量的百分数，它表示了化学反应进行的程度。

％

通入系统的反应物量参加反应的反应物量

转化率＝

100⨯

对反应物A 而言，其转化率XA 的数学表达式为：

%10000 A A

A A N －N N ＝X

式中

A N ——通入系统的反应物A 的量，mol ；

A N ——反应后离开系统的反应物A 的量，mol 。

工业生产中有单程转化率和总转化率，它们的区别在于系统划分的不同，单程转化率是以生产过程中的反应器为系统，其表达式为： 单程转化率=

％

量输入到反应器的反应物应物量

量－从反应器输出的反输入到反应器的反应物100⨯

总转化率是以整个生产过程为系统，其表达式为：

%

100 输入到过程的反应物量从过程输出的反应物量

输入到过程的反应物量总转化率－＝

对于可逆反应，当反应达到平衡时的转化率为平衡转化率：

%

100 通入的反应物量量

平衡时反应掉的反应物平衡转化率＝

平衡转化率与温度、压力和反应物组成等平衡条件有关，它是可逆反

应单程转化率的上限值。

3、限制性反应物与过量反应物

过量%=％

数限制反应物的化学计量计量数

数－限制反应物的化学过量反应物的化学计量100⨯ ％

反应所需的理论量反应所需的理论量

反应物的实际投料量－过量％＝

100⨯

过量反应物的转化率总是小于限制反应物的转化率，一般没有特别说

明的情况下转化率是指限制反应物的转化率，它可以用作衡量反应完全程度标准。

例2-1 用磨碎的矾土矿与硫酸反应制得硫酸铝：

O H ．SO Al SO H ＋O Al 23242323)(3

矾土矿中含32O Al 55.4%（质量分数），硫酸溶液中含42SO H 77.7%。用了1080kg 矾土矿和2510kg 硫酸溶液，生产出1798kg 纯的硫酸铝。求（1）过量反应物为哪一种？（2）过量反应物的过量百分数？（3）过量反应物的转化率？（4）反应完全程度为多少？

解：342)(SO Al 的量 kmol ＝26.51.3421798

32O Al 的量 kmol ＝87.59.101554

.01080 42SO H 的量 kmol

＝88.191.98777

.02510

假设

3

2O Al 是限制反应物，需硫酸的量为：

kmol ＝61.17387.5 ，这些硫酸是存在的，因此硫酸是过量反应物。

（2）

3

2O Al 的化学计量数 5.87

42SO H 的化学计量数 63

.6388

.19＝；

42SO H 的过量百分数 %

95.12%10087.587

.563.6＝－

（3）生产 5.26kmol 342)(SO Al 需用硫酸的量为kmol ＝78.153

26.5 ，则硫酸的转化率为：

%4.79%10088.1978.15＝

（4）反应完全程度用限制反应物的转化率表示

%90%10087.526.5＝

4、产率和选择性

选择性=目的产品实际产量/以输入反应器的原料计的目的产品理论产量*100%

=反应为目的产品的某种原料量/输入反应器的该种原料量*100%

5、收率

收率=实际获得的目的产品量/输入反应器的原料量*100%

举例：见P39例3-3

6、前述五种常用指标在企业生产实际工作中的作用比较。

第2节工艺技术经济指标

一、教学内容

工艺技术经济指标:原料消耗定额、公用工程消耗定额、质量指标、排放指标等。

二、教学方法设计

掌握各概念的现实意义

三、教学过程

重点内容：

原料消耗、排放指标

1、原料消耗化工产品生产中原料成本往往占到50%以上，原料消耗

是成本控制的优先考虑方向。

原料消耗定额的现实意义，实际消耗与理论消耗的比较

案例：邯钢的成本控制经验—倒推法简要介绍

2、公用工程消耗水、电、气、冷、煤、油等。

3、质量指标质量是产品竞争力的基础，是品牌效应的基石。质量指标的分类简介：企标、行业标准、国家标准。ISO9000系列质量管理体系国际标准简要介绍。

4、排放指标三废排放与三废治理的现实意义。

节能减排，各级政府经济工作的重要任务，纳入政府政绩考核体系，纳入企业绩效指标考核体系。

节能减排是保护生态环境的需要，是新兴循环经济、可持续发展经济的需要。

京都议定书，减排工作上的国际经济技术投资合作机制，减排指标的国际招标转让概念介绍。

第四章物料衡算

一、教学内容

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、教学方法设计

1、抛砖引玉

思考题：

物料衡算的原理是什么？

物理单位及计算

估算方法

2、指点迷津

物性数据和热力学数据是化工计算的基础数据。获得准确、可靠的数据是进行物料衡算、能量衡算以及化工过程计算必须的准备工作。

三、教学过程

准备知识：

物料衡算的原理

重点内容：物料衡算的基本原理、物料衡算式、物料衡算的基本

方法

1、定义：

利用质量守恒定律，对化工过程的物料进行平衡计算。

2．用途：

A．设计新的装置和设备时；

B．对已有的生产装置或设备，技改的基础

第一节物料衡算的基本原理和方法衡算式：

理论依据：质量守恒定律

衡算体系：设备或过程（封闭体系、敞开体系）

衡算式：

输入的物料量-输出的物料量-反应消耗的物料量+反应生成的物料量

=积累的物料量

稳定态时：积累的物料量为0

没有化学反应时：反应消耗和生成的物料量均为0

稳态物理过程：输入的物料-输出的物料=0

NOTE：

A。物料衡算分总物料衡算，组分物料衡算，元素原子平衡，每一种平衡又有质量平衡和物质的量的平衡。

B。对稳态过程

C．间歇过程

D．独立衡算式

第二节物料衡算的基本方法

1、物料衡算的基本步骤：

画出简单的物料流程图

搜集和整理数据（物性数据、工艺参数）

确定衡算体系

列出化学反应方程式

选基准

列物料衡算式

整理结果并校核

2、物料流程图

设备：方框

物料：带箭头的物料线（注明数值和单位）

举例：略

3、计算基准及其选择：

基准的选择目的

注意：

基准为整，1或100

对液体或固体的物料体系，以质量作基准

对气体，以体积作基准

连续流动体系，时间基准选每天或每小时

选已知变量最多的流股作计算基准

例：计算基准的选取

丙烷充分燃烧时，要供给的空气量为理论量的125%，反应：

C3H8+5O23CO2+4H2O

问每100mol燃烧产物，需多少mol的空气？

CO2H2O O2N2

丙烷

空气

（O2 N2）

5mol,折算成：

实际O2：5×1.25=6.25mol

折合空气：6.25/0.21=29.76mol

其中氮量：29.76×0.79=23.51mol

燃烧产生的烟道气量：

CO2：3mol

H2O:4mol

O2:6.25-5=1.25mol

N2:23.51mol 合计：31.76mol

100mol燃烧产量需空气量：100/31.76×29.76=93.7mol

法二：1mol空气：

含氧：1*21%=0.21mol

用于燃烧氧：0.21/1.25=0.168mol

可燃烧丙烷：0.168/5=0.0336mol

N2:0.79*1=0.79mol

输出：CO2：0.0336*3=0.1008mol

H2O:0.0336*4=0.1344mol

O2:0.21-0.168=0.042mol

N2:0.79mol

合计：1.0672mol

1:1.0672=x:100 x=100/1.067=93.7mol

法三：1mol烟道气：

设：N-N2的mol Q-H2O,mol

M-O2的mol A-空气mol

P-CO2的mol B-输入丙烷，mol

列平衡式：C平衡：P=3B

H2平衡：Q=4B

O2平衡：0.21A=M+P+1/2Q

烟道气总量:N+M+P+Q=100 过剩氧气(A-A/1.25)*0.21=M 求解即可

简单过程的物料衡算

一、教学内容

无化学反应过程的物料衡算：

简单过程的物料衡算

二、教学方法设计

1、抛砖引玉

思考题：

学过的化工单元操作有哪些？

2、指点迷津

对典型的化工单元操作进行物料衡算。

三、教学过程

准备知识：

复习物料衡算的衡算式和物料衡算步骤

重点内容：

简单过程的物料衡算

一、概念：

指体系内的物料只有物理变化而没有化学变化的过程，称为化工单元操作：流体输送、粉碎、换热、混合、吸收、精馏、结晶、萃取、过滤、干燥

二、衡算式：

稳态：输入的物料量-输出的物料量=0

简单过程的物料衡算：

1、定义：仅有一个设备或整个过程简化成一个设备的过程

2、举例：

例一：混合（调节原料配比的基本方法）

解：第一步：画出物料流程示意图

第二步：列衡算式：

H 2SO

4

的平衡：F1×12.43%+F2×77.7%=F3×18.63%

总物料平衡：F3=F1+F2 求解：F2=83.97kg

F3=883.97kg

校验：输入 800×0.8757+83.997×0.223

=719.285(kg)

输出 883.97×0.8137=719.286(kg) 例二过滤

F1=2400kg.h

F

2

X

21

92%

X

1122

8%

X

12

70%

F3

X31 1.5%

X32 98.5%

固体平衡:F1×30%=F2×X21+F3×X31

液体平衡F1×70%=F2×X22+F3×X32

F1=F2+F3

注意：前两个方程不独立

解得：F2=755.8Kg.h-1

F3=1644.2kg.h-1

例三：结晶

0C饱和溶液

溶液

（1000kgNaHCO

3

溶液）

解：查NaHCO

3

的溶液度：600C 16.4g/100g水,换算:

NaHCO

3

的浓度=16.4/116.4×100%=14.09%

析出50kg NaHCO

3

后的浓度:9.57%

折算成溶解度:10.58g/100g水

根据溶解度表查得:T=26.50C

简单过程的物料衡算

一、教学内容

进一步举例说明化工单元操作中的物料计算：以干燥、蒸馏、吸收为例

二、教学方法设计

1、抛砖引玉

思考题：

学过的化工单元操作有哪些？

2、指点迷津

对典型的化工单元操作进行物料衡算。

三、教学过程

准备知识：

复习物料衡算的衡算式和物料衡算步骤

重点内容：

简单过程的物料衡算

一、概念：

指体系内的物料只有物理变化而没有化学变化的过程，称为化工单元操作：流体输送、粉碎、换热、混合、吸收、精馏、结晶、萃取、过滤、干燥

二、衡算式：

稳态：输入的物料量-输出的物料量=0

简单过程的物料衡算：

1、定义：仅有一个设备或整个过程简化成一个设备的过程

2、举例：

纸浆1-X

例一：干燥

解：计算基准为1Kg湿纸浆

设干燥后纸浆含水量为X%，去掉的水质量为Ykg 去掉：Y=1×0.71×0.8

干纸中含水=0.71-0.568=0.142kg

干纸浆=1-0.568=0.432kg

干纸浆的含水量=0.142/0.432×100%=32.9%

例三：蒸馏

85%

35% Y

1000kg.h-1

X 5%

乙醇平衡：1000×0.35=0.85×Y+0.05X

X+Y=1000

X=625kg

Y=375kg

3% 水Zkg 空气 97%

Ykg

20%

空气丙酮10%(50kg) (80%)

丙酮平衡:X×0.2=50×0.1+Y×0.03

X+Z=50+Y

0.8X=0.97Y

解得：X=28.53kg

Y=23.53kg

Z=45kg

求解即可

以上几例为无化学反应过程的物料衡算，当利用代数法求解时，列衡算式应注意下列几点：

1．无化学反应体系，能列出的独立物料衡算式数目，最多等于输入和输出物料中化学组分的数目。如例3-2中，有H2SO4、HNO3和H2O 三个组分，所以只有三个独立方程，若未知量超过三个，则必须搜集另外数据或找出其它关系，不然就无法求解。见下例3-6。

2．首先列出含未知量数目最少的物料衡算方程，以便于解题。

3．若体系内具有很多多组分的物料，则最好将每个流股编号，并列表表示出已知的量和组成，检查能列出的衡算方程数目是否等于未知量

的数目。 例 有一个蒸馏塔，输入和输出物料量及组成如下

图。输入物料1中A 组分的98.7%自塔顶蒸出。求每千克输入物料可得到塔顶馏出物2

的量及其组成。

1 进料馏出物 Pkg/h B 0.30 A ?

C 0.50 3

B ?

塔底产物 Wkg/h C 1-A-B

A 0.005 C 0.94

B 0.055 图3-8 例3-6 附图

解：基准：100kg/h 输入物料

令x=馏出物中A 的百分含量，y=馏出物中B 的百分含量。 将各物料的流量及组成列于下表