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1、第三章第三章化工计算化工计算第一节第一节化工过程及过程参数化工过程及过程参数(一一)化工过程化工过程 指由原料经化学处理和物理处理加工成化学产品或中间产指由原料经化学处理和物理处理加工成化学产品或中间产品的生产过程。它包括许多工序，每个工序又由若干个或若干品的生产过程。它包括许多工序，每个工序又由若干个或若干组设备（如反应器、蒸馏塔、吸收塔、干燥塔，分离器、换热组设备（如反应器、蒸馏塔、吸收塔、干燥塔，分离器、换热器及输送设备等等）组合而成。物料通过各设备时，完成某种器及输送设备等等）组合而成。物料通过各设备时，完成某种化学或物理处理，最终成为合格的产品。化学或物理处理，最终成为合格的产品。化
2、工过程中的各种设备所进行的主要操作可归纳为下列几化工过程中的各种设备所进行的主要操作可归纳为下列几类：类：1.化学反应；化学反应；2.分离或提纯；分离或提纯；3.改变温度；改变温度；4.改变压力，改变压力，5.混合等。混合等。(二二)过程参数过程参数 在化工生产过程中，能影响过程运行和状态的物理量，如温度、在化工生产过程中，能影响过程运行和状态的物理量，如温度、压力、流量及物料的百分组成或浓度等，在指定条件下它的数值恒压力、流量及物料的百分组成或浓度等，在指定条件下它的数值恒定，条件改变其数值也随之变化，这些物理量称为过程参数。这些定，条件改变其数值也随之变化，这些物理量称为过程参数。这些参数
3、常作为控制生产过程的主要指标。参数常作为控制生产过程的主要指标。进行化工计算时，上述参数是基本数据，可以直接测定。对一进行化工计算时，上述参数是基本数据，可以直接测定。对一些不易直接测定的参数，可找出与容易测定的参数之间的关系，通些不易直接测定的参数，可找出与容易测定的参数之间的关系，通过计算求得，有时也可以根据经验数据选定。过计算求得，有时也可以根据经验数据选定。(三三)化工基础数据化工基础数据(1)(1)基本物性数据基本物性数据如临界常数（临界压力、临界温度、临界如临界常数（临界压力、临界温度、临界体积）、密度或比容、状态方程参数、压缩系数、蒸气压、体积）、密度或比容、状态方程参数、压缩系
4、数、蒸气压、气一液平衡关系等。气一液平衡关系等。(2)(2)热力学物性数据热力学物性数据如内能、焓、熵、热容、相变热、自由如内能、焓、熵、热容、相变热、自由能、自由焓等。能、自由焓等。(3)(3)化学反应和热化学数据化学反应和热化学数据如反应热、生成热、燃烧热、反如反应热、生成热、燃烧热、反应速度常数、活化能，化学平衡常数等。应速度常数、活化能，化学平衡常数等。(4)(4)传递参数传递参数如粘度、扩散系数、导热系数等。如粘度、扩散系数、导热系数等。通常这些数据可用下列方法得到：通常这些数据可用下列方法得到：1 1、查手册或文献资料、查手册或文献资料 2 2、估算。可以应用物理和化学的一些基本定
5、律计算各种、估算。可以应用物理和化学的一些基本定律计算各种物质的性质参数。物质的性质参数。3 3、用实验直接测定。、用实验直接测定。（一）物料衡算的基本方法（一）物料衡算的基本方法1、物料衡算进行的步骤、物料衡算进行的步骤画出物料衡算示意图画出物料衡算示意图画出物料衡算示意图画出物料衡算示意图(如方框图如方框图如方框图如方框图)。写出化学反应方程式（包括主反应和副反应）。写出化学反应方程式（包括主反应和副反应）。写出化学反应方程式（包括主反应和副反应）。写出化学反应方程式（包括主反应和副反应）。列出已知数据和由物料平衡所需要求解的问题。列出已知数据和由物料平衡所需要求解的问题。列出已知数据和由
6、物料平衡所需要求解的问题。列出已知数据和由物料平衡所需要求解的问题。第二节第二节物物料料衡衡算算决定系统的边界。即根据由物料平衡所需要求解决定系统的边界。即根据由物料平衡所需要求解决定系统的边界。即根据由物料平衡所需要求解决定系统的边界。即根据由物料平衡所需要求解的问题，确定计算范围。的问题，确定计算范围。的问题，确定计算范围。的问题，确定计算范围。选定计算基准。选定计算基准。选定计算基准。选定计算基准。收集计算所需要的数据。收集计算所需要的数据。收集计算所需要的数据。收集计算所需要的数据。进行物料衡算。进行物料衡算。进行物料衡算。进行物料衡算。将物料衡算结果列成物料平衡表，画出物料平衡将物料
7、衡算结果列成物料平衡表，画出物料平衡将物料衡算结果列成物料平衡表，画出物料平衡将物料衡算结果列成物料平衡表，画出物料平衡图。图。图。图。2 2、物料衡算式物料衡算式q物料衡算是研究某一个体系内进、出物料量及物料衡算是研究某一个体系内进、出物料量及组成的变化。组成的变化。所谓体系就是物料衡算的范围，它可以根据实所谓体系就是物料衡算的范围，它可以根据实际需要人为的选定。体系可以是一个设备或几个际需要人为的选定。体系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。设备，也可以是一个单元操作或整个化工过程。进进行行物物料料衡衡算算时时，必必须须首首先先确确定定衡衡算算的的体体系系。根根据
8、据质质量量守守恒恒定定律律，对对某某一一个个体体系系，输输入入体体系系的的物物料料量量应应该该等等于于输输出出物物料料量量与与体体系系内内积积累累量量之之和和。所以，物料衡算的基本关系式应该表示为：所以，物料衡算的基本关系式应该表示为：式式中中生生成成或或消消耗耗是是因因反反应应而而生生成成或或消消耗耗的的量量；积积累累项项可可正正可可负负。当当积积累累项项不不为为零零时时，称称为为非非稳稳定定过过程程；积累项为零时积累项为零时,称为稳定过程。称为稳定过程。p对无反应的稳定过程对无反应的稳定过程:输入输入=输出输出体系中积累体系中积累=输入输入输出输出+生成生成消耗消耗p稳定过程稳定过程:输入
9、输入=输出生成输出生成+消耗消耗如如图图，共共有有三三个个流流股股，进进料料F F及及出出料料P P和和WW。有有两两个个组组分分。每每个个流流股股的的流流量量及及组组成成如如图图所所示示。图图中中x x为为质量分数。质量分数。可列出物料衡算式：可列出物料衡算式：总物料衡算式总物料衡算式 F=P+WF=P+W每每种种组组分分衡衡算算式式 FxFxf1f1 =PxPxp1p1+Wx+Wxw1w1 FxFxf2f2=Px=Pxp2p2+Wx+Wxw2w23 3、物料衡算的基准、物料衡算的基准q基准选得适当可是计算简化。究竟采用什么作基准视具基准选得适当可是计算简化。究竟采用什么作基准视具体情况而定
10、，不宜硬性规定，可建议：体情况而定，不宜硬性规定，可建议：以以1t 1t产品为基准；产品为基准；以以1mol1mol某某反应物为基准；反应物为基准；在连续操作中，以单位时间，即在连续操作中，以单位时间，即/h/h或或kmol/hkmol/h作基准；作基准；在间歇操作中，以在间歇操作中，以/批为基准；批为基准；有化学变化的过程，适宜采用重量作基准；无化学变化有化学变化的过程，适宜采用重量作基准；无化学变化的过程，以重量或的过程，以重量或kmol/hkmol/h为基准；为基准；对于液固系统常用单位质量作基准，而对于液固系统常用单位质量作基准，而液液相常用单位体相常用单位体积作基准；积作基准；q例例
11、:某尿素厂的生产能力为某尿素厂的生产能力为6万万t尿素尿素/a,年操作日年操作日300d，尿尿素的氨耗为素的氨耗为0.6t氨氨/t尿素，生产过程的氨损失按尿素，生产过程的氨损失按5%考虑，考虑，已知以已知以1t氨为基准的某股气体的组成和量如下表所示。氨为基准的某股气体的组成和量如下表所示。组成组成CO2COH2N2CH4合计合计(mol)28.561.252.6117.050.575100kmol54.302.29100.0432.431.093190.99列出该股气体的组成和流量表。列出该股气体的组成和流量表。解解:小时产量为小时产量为 600000.61.0530024 =5.25t/h以
12、以1t氨为基准的各组分的氨为基准的各组分的kmol量乘以量乘以5.25所得结果为流量。所得结果为流量。气体的流量和组成如下表所示气体的流量和组成如下表所示:组成组成CO2COH2N2CH4合计合计(mol)28.561.252.6117.050.575100kmol/h285.112.02525.2170.25.74998.3（二）无化学反应的物料衡算（二）无化学反应的物料衡算1 1、简单过程的物料衡算简单过程的物料衡算2 2、多单元系统多单元系统在化工过程中，一些只有物理变化，不在化工过程中，一些只有物理变化，不发生化学反应的单元操作，如混合、蒸馏、发生化学反应的单元操作，如混合、蒸馏、蒸发
13、、干燥、吸收、结晶、萃取等。蒸发、干燥、吸收、结晶、萃取等。p这些过程都可以根据物料衡算式，列出这些过程都可以根据物料衡算式，列出总物料和各组分的衡算式，再用代数法求总物料和各组分的衡算式，再用代数法求解。解。1、简单过程的物料衡算、简单过程的物料衡算p简单过程是指仅有一个设备或一个单元简单过程是指仅有一个设备或一个单元操作或整个过程简化成一个设备的过程。操作或整个过程简化成一个设备的过程。这种过程的物料衡算比较简单，在物料流这种过程的物料衡算比较简单，在物料流程简图中，设备边界就是体系边界。程简图中，设备边界就是体系边界。下面举例说明计算步骤和计算方法。下面举例说明计算步骤和计算方法。p一种
14、废酸，组成为一种废酸，组成为2323(质量质量)HNO)HNO3 3，5757H H2 2SOSO4 4和和2020H H2 2O O，加入加入9393的的H H2 2SOSO4 4及及9090的浓的浓HNOHNO3 3，要求混合成要求混合成2727HNOHNO3 3及及6060H H2 2SOSO4 4的混的混合酸，计算所需废酸及加入浓酸的数量。合酸，计算所需废酸及加入浓酸的数量。解：设解：设x为废酸量，为废酸量，kg；y为浓为浓H2SO4量，量，kg；z为浓为浓HNO3量量,；画物料流程简图画物料流程简图选择基准选择基准:可以选废酸或浓酸的量为基准，也可以用可以选废酸或浓酸的量为基准，也可
15、以用混合酸的量为基准，因为四种酸的组成均已知，选任何一混合酸的量为基准，因为四种酸的组成均已知，选任何一种作基准计算都很方便。种作基准计算都很方便。列物料衡算式，该体系有列物料衡算式，该体系有3种组分，可以列出种组分，可以列出3个独个独立方程，所以能求出立方程，所以能求出3个未知量。个未知量。基准：基准：100kg混合酸混合酸总物料衡算式总物料衡算式x+y+z=100(1)H2SO4的衡算式的衡算式0.57x+0.93y=1000.6=60(2)HNO3的衡算式的衡算式0.23x+0.90z=1000.27=27(3)解解(1)，(2)，(3)方程，得方程，得x=41.8kg废酸废酸y=39k
16、g浓浓H2SO4z=19.2kg浓浓HNO3即由即由41.8kg废酸、废酸、39kg浓浓H2SO4和和19.2kg浓浓HNO3可以混可以混合成合成100kg混合酸。混合酸。2、多单元系统、多单元系统对有多个设备的过程，进行物料衡算时，对有多个设备的过程，进行物料衡算时，可以划分多个衡算体系。此时，必须选择可以划分多个衡算体系。此时，必须选择恰当的衡算体系，这是很重要的步骤。不恰当的衡算体系，这是很重要的步骤。不然会使计算繁琐，甚至无法求解。然会使计算繁琐，甚至无法求解。p造纸厂的碱回收工序有一个四效蒸发器造纸厂的碱回收工序有一个四效蒸发器,供供料方式为料方式为,蒸发器的总处理蒸发器的总处理量为
17、量为8000080000/h/h造纸废液造纸废液(黑液黑液)。计算总蒸。计算总蒸发水量和每一效蒸发器的蒸发水量。发水量和每一效蒸发器的蒸发水量。四效四效蒸发系统的物料平衡蒸发系统的物料平衡四效四效蒸发系统的物料衡算过程蒸发系统的物料衡算过程将将整个系统简化为一个单元，可计算出总蒸发量整个系统简化为一个单元，可计算出总蒸发量FX进进=（F进进-W）X出出则总则总蒸发水量为蒸发水量为四效四效蒸发系统的物料衡算过程蒸发系统的物料衡算过程第三效蒸发水量为第三效蒸发水量为则第则第效的蒸发水量效的蒸发水量W为为进入第进入第的料液量的料液量80000-12600=67400kg/h类推得：类推得：15000
18、kg/h18100kg/h（三）反应过程的物料衡算（三）反应过程的物料衡算1、直接计算法、直接计算法在物料衡算中，根据化学反应式，运用化学在物料衡算中，根据化学反应式，运用化学计量系数进行计算的方法，称为直接计算法。计量系数进行计算的方法，称为直接计算法。p甲醇氧化制甲醛，其反应过程为甲醇氧化制甲醛，其反应过程为 CHCH3 3OH+1/2OOH+1/2O2 2 HCHO+H HCHO+H2 2O O反应物及生成物均为气态。甲醇的转化率为反应物及生成物均为气态。甲醇的转化率为7575，若使用，若使用5050的过量空气，试计算反应的过量空气，试计算反应后气体混合物的摩尔组成。后气体混合物的摩尔组
19、成。解：画出流程示意图，如下图：解：画出流程示意图，如下图：催化反应器催化反应器CH3OH空气空气CH3OHHCHOH2OO2N2（过量（过量50%)50%)基准：基准：1molCH3OH根据反应式，需氧根据反应式，需氧0.5氧入氧入=0.51.5=0.75氮入氮出氮入氮出0.75(79/21)=2.82反应的甲醇量反应的甲醇量0.751=0.75甲醛的出量甲醛的出量0.75甲醇的出量甲醇的出量10.75=0.25氧的出量氧的出量0.750.750.5=0.375水的出量水的出量0.75p计算结果如下表：计算结果如下表：组分组分CH3OHHCHOH2OO2N2总计总计mol0.2500.750
20、0.7500.3752.8204.945摩尔分数（）摩尔分数（）5.015.215.27.657.0100.0、元素衡算法、元素衡算法 元素衡算是物料衡算的一种重要形式。在作元素衡算是物料衡算的一种重要形式。在作这类衡算时，并不需要考虑具体的化学反应，这类衡算时，并不需要考虑具体的化学反应，而是按照元素种类被转化及重新组合的概念而是按照元素种类被转化及重新组合的概念表示为：表示为：输入输入(某种元素某种元素)输出输出(同种元素同种元素)对反应过程中化学反应很复杂，无法用一、对反应过程中化学反应很复杂，无法用一、两个反应式表示的物料衡算题，可以列出元两个反应式表示的物料衡算题，可以列出元素衡算式
21、，用代数法求解。素衡算式，用代数法求解。C3H8+5O2 3CO2+4H2O基准：基准：100mol烟道气：烟道气：设：设：N-烟道气中烟道气中N2的的molQ-烟道气中烟道气中H2O,molM-烟道气中烟道气中O2的的molA-输入输入空气空气molP-烟道气中烟道气中CO2的的molB-输入丙烷，输入丙烷，mol列平衡式：列平衡式：C平衡：平衡：P=3BN2平衡平衡:0.79A=NH2平衡：平衡：Q=4B过剩氧气过剩氧气:0.21A0.25/1.25=MO2平衡：平衡：0.21A=M+P+1/2Q烟道气总量烟道气总量:N+M+P+Q=100o丙烷充分燃烧时，要供给的空气量为理论量的丙烷充分
22、燃烧时，要供给的空气量为理论量的125%125%，问每，问每10mol10mol燃烧产物，需多少燃烧产物，需多少molmol的空气？反的空气？反应：应：燃燃烧烧丙烷丙烷空气空气（O2N2）CO2H2OO2N2 例例:作天然气一段转化炉的物料衡算。天然气组作天然气一段转化炉的物料衡算。天然气组成如下：成如下：原料混合气中，原料混合气中，H2O/天然气天然气=2.5，气体转化率，气体转化率为为67%(以以C1计计)，甲烷同系物完全分解，转化气，甲烷同系物完全分解，转化气中中CO和和CO2的比例在转化炉出口的比例在转化炉出口(700)下符合下符合下式的平衡关系。下式的平衡关系。组分组分CH4C2H6
23、C3H8C4H10N2合计合计%（moL）97.80.50.20.11.4100K=1.54、用联系组分作衡算、用联系组分作衡算 p“联系组分联系组分”是指随物料输入体系，但完全不参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，在整个反加反应，又随物料从体系输出的组分，在整个反应过程中，它的数量不变。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。物料之间就可以根据联系组分的含量进行关联。例如，例如，F F、P P分别为输入、输出物料，分别为输入、输出物料，T T为联系组分。
24、为联系组分。T T在在F F中的质量分数为中的质量分数为X XFTFT，在，在P P中的质量分数为中的质量分数为X XPTPT，则，则F F与与P P之间的关系为：之间的关系为：FXFT=PXPT 某厂用空气氯化邻二甲苯生产苯酐。原料流量为：某厂用空气氯化邻二甲苯生产苯酐。原料流量为：205kg/h邻二甲苯，邻二甲苯，4500m3（STP）/h空气空气，从反应，从反应的计量关系可知，生成的计量关系可知，生成1mol苯酐需要反应掉苯酐需要反应掉1mol的邻二甲苯。经化验得到反应器出口气体的组的邻二甲苯。经化验得到反应器出口气体的组成为：成为：试计算：试计算：1）邻二甲苯的转化率，苯酐收率；）邻二
25、甲苯的转化率，苯酐收率；2）苯酐的年产量（年工作日）苯酐的年产量（年工作日330天）天）组分组分苯酐苯酐苯酐苯酐顺顺顺顺 酐酐酐酐邻二甲邻二甲邻二甲邻二甲苯苯苯苯O2N2其他其他合计合计%（mol）0.650.040.0316.58784.70100、以节点进行计算、以节点进行计算q以以流程中某一点的汇聚或分支处的交点，即节点来进流程中某一点的汇聚或分支处的交点，即节点来进行计算可使计算简化，如原料加入到循环系统中、物料行计算可使计算简化，如原料加入到循环系统中、物料的混合、溶液的配制以及精流塔塔顶回流和产品取出等，的混合、溶液的配制以及精流塔塔顶回流和产品取出等，均需采用节点来进行计算。均需
26、采用节点来进行计算。节点节点分流分流B分流分流C分流分流A 节点节点ABC节点示意图节点示意图、复杂反应体系所有产物或副产物各自的收率、复杂反应体系所有产物或副产物各自的收率作物料作物料衡算衡算转化率转化率对于一个系统，转化率是原料中某一反应物参加化对于一个系统，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。反应进行的程度。对反应物对反应物A而言，其转化率而言，其转化率XA的数的数学表达式为：学表达式为：式中式中通入系统的反应物通入系统的反应物A的量，的量，mol；反应后离开系统的反应物反应后离开系
27、统的反应物A的量，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：为：为：为：单程转化率单程转化率单程转化率单程转化率=总转化率是以整个生产过程为系统，其表达式为：总转化率是以整个生
28、产过程为系统，其表达式为：总转化率是以整个生产过程为系统，其表达式为：总转化率是以整个生产过程为系统，其表达式为：对于可逆反应，当反应达到平衡时的转化率为平衡转化率：对于可逆反应，当反应达到平衡时的转化率为平衡转化率：对于可逆反应，当反应达到平衡时的转化率为平衡转化率：对于可逆反应，当反应达到平衡时的转化率为平衡转化率：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。逆反应单程转化率的上限值。逆
29、反应单程转化率的上限值。逆反应单程转化率的上限值。限制性反应物与过量反应物限制性反应物与过量反应物限制性反应物与过量反应物限制性反应物与过量反应物过量过量过量过量%=%=过量反应物的转化率总是小于限制反应物的转化率，过量反应物的转化率总是小于限制反应物的转化率，过量反应物的转化率总是小于限制反应物的转化率，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一般没有特别说明的情况下转化率是指限制反应物的一般没有特别说明的情况下转化率是指限制反应物的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。转化率，它可以用作衡量
30、反应完全程度标准。转化率，它可以用作衡量反应完全程度标准。转化率，它可以用作衡量反应完全程度标准。丙烯氨氧化合成丙烯腈的反应是：丙烯氨氧化合成丙烯腈的反应是：除上述主反应外，还有以下的副反应，其中主要除上述主反应外，还有以下的副反应，其中主要副反应为：副反应为：试作年产试作年产5300t丙烯腈反应器的物料丙烯腈反应器的物料衡算。计算依衡算。计算依据为：据为：生成氰氢酸生成氰氢酸生成丙烯醛生成丙烯醛生成二氧化碳生成二氧化碳生成乙腈生成乙腈（1 1）年产年产5300t丙烯腈；丙烯腈；（2）年工作日）年工作日300天；天；（3）操作过程中丙烯腈损耗按）操作过程中丙烯腈损耗按3%计；计；（4）丙烯原料
31、组成：）丙烯原料组成：C3H685%（mol）C3H815%（mol）（5）进反应器的原料配比：）进反应器的原料配比：C3H6：NH3：O2：H2O=1：1.05：2.3：3（6）反应后的单程收率为：）反应后的单程收率为：丙烯腈丙烯腈60%；丙烯醛；丙烯醛0.7%；乙腈乙腈7%；氰氢酸氰氢酸6.5%；二氧化碳；二氧化碳12%；（四）循环过程的物料衡算（四）循环过程的物料衡算例如在生产例如在生产 中一般将未反应的原料与产品先分中一般将未反应的原料与产品先分离，后循环返回原料进口处，与新原料一起再进离，后循环返回原料进口处，与新原料一起再进入反应器反应。入反应器反应。例如苯直接加氢转化环己烷中的循
32、环过程：例如苯直接加氢转化环己烷中的循环过程：混合器混合器混合器混合器泠凝器泠凝器泠凝器泠凝器新鲜新鲜2纯纯C6H6循环循环280%220%C6H6产物产物3%H2反应器反应器反应器反应器在没有循环时，一系列单元步骤的物料衡算可按在没有循环时，一系列单元步骤的物料衡算可按顺序依次进行，每次可取一个单元但是，如果有顺序依次进行，每次可取一个单元但是，如果有循环的话，由于循环量并不知道，所以逐次计算并循环的话，由于循环量并不知道，所以逐次计算并不能计算出循环量。其解法有二：不能计算出循环量。其解法有二：试差法：假定一个循环量估计值进行计算，将估试差法：假定一个循环量估计值进行计算，将估计值与计算值
33、比较，若不符，重新假定一个估计值，计值与计算值比较，若不符，重新假定一个估计值，一直计算到估计值与计算值之差在一定的误差范围一直计算到估计值与计算值之差在一定的误差范围内。内。代数解法：在循环存在时，列出物料平衡方程式，代数解法：在循环存在时，列出物料平衡方程式，并求解。一般方程式中以循环量作为未知数，应用并求解。一般方程式中以循环量作为未知数，应用联立方程式的方法进行求解。联立方程式的方法进行求解。苯直接加氢转化环己烷中的循环过程的衡算苯直接加氢转化环己烷中的循环过程的衡算解：解：反应为：反应为：C6H6+3H2C6H12基准：基准：100kmol/h环己烷环己烷查苯的总转化率为查苯的总转化
34、率为99%则生产则生产100kmol/h环己烷需苯环己烷需苯1000.99=101.01kmol/h未反应的苯为未反应的苯为101.01-100=1.01kmol/h产物中含产物中含H2,设含量为设含量为nH2总产量总产量100+1.01+3.12=104.13kmol/h其摩尔分数为其摩尔分数为H2的进料率为的进料率为10033.12=303.12kmol/h苯的进料率为苯的进料率为101.01kmol/h设设H2循环量为循环量为RR=100.92kmol/h例：丙烷在催化反应器中脱氢生成丙烯，其反应式例：丙烷在催化反应器中脱氢生成丙烯，其反应式为：为：C3H8 C3H6+H2丙烷的总转化率
35、为丙烷的总转化率为95%，反应生成物经分离器分，反应生成物经分离器分成产物成产物P和循环物料和循环物料R，产品中含有，产品中含有C3H8、C3H6及及H2，其中，其中C3H8的量为未反应的量为未反应C3H8的的0.555%，循环物料中含有循环物料中含有C3H8和和C3H6，其中，其中C3H6的量是的量是产品中产品中C3H6的的5%，试计算产品组成、循环物料，试计算产品组成、循环物料组成和单程转化率。组成和单程转化率。序号序号 名称名称 规格规格 消耗定额消耗定额（公斤（公斤/公斤产品）公斤产品）备注备注物料衡算汇总表物料衡算汇总表(1)产品消耗定额产品消耗定额产品消耗定额产品消耗定额序号序号名
36、称名称规格规格单位单位年需求量年需求量备注备注123主要原料、辅助材料的品种、规格及年需求量主要原料、辅助材料的品种、规格及年需求量(2)原辅材料需求一览表原辅材料需求一览表某化工厂年产某化工厂年产3000t31%的盐酸的盐酸,其工艺流程如下图所示其工艺流程如下图所示:（一）能量衡算示例（一）能量衡算示例1、已知条件、已知条件要求对冷却器和膜式吸收器作热量衡算要求对冷却器和膜式吸收器作热量衡算HH2 2ClCl2 2合合合合炉炉炉炉成成成成气气气气体体体体冷冷冷冷却却却却器器器器膜膜膜膜式式式式吸吸吸吸收收收收器器器器尾尾尾尾气气气气吸吸吸吸收收收收器器器器缓冲罐缓冲罐缓冲罐缓冲罐阻火器阻火器
37、阻火器阻火器缓冲罐缓冲罐缓冲罐缓冲罐400-500400-5005050水水水水稀酸稀酸稀酸稀酸11%11%31%HCl31%HCl5050废气废气废气废气废气废气废气废气排污排污排污排污第三节第三节能量衡算能量衡算、热量衡算、热量衡算盐酸生产的物料平衡如图所示（盐酸生产的物料平衡如图所示（31%盐酸盐酸/h为基准）为基准）p 热量衡算的基准：热量衡算的基准：0 0冷却部分热量计算冷却部分热量计算HCl冷冷却器却器HCl冷冷却器热量衡算图却器热量衡算图HCl熔解热熔解热Q2盐酸带出热量盐酸带出热量Q出口气体带出热量出口气体带出热量Q合成炉气带入热量合成炉气带入热量Q冷冷却水带走热量却水带走热量
38、却水带走热量却水带走热量QQ热损失热损失Q年产年产3000t31%的盐酸工艺物料流程图的盐酸工艺物料流程图尾气排空盐酸成品HCl 115.5H2O 257.5共计 373.0合成炉冷却膜式吸收塔尾气回收氢气H2 3.50O2 0.230N2 0.290共计 4.02氯气Cl2 113.0H2 0.111CO2 6.34N2 9.19O2 1.07CO 0.314共计 129.58合成炉气HCl 116.25N2 9.985H2 0.224H2O 1.630CO2 6.86共计 134.95氯化氢气HCl 116.12N2 9.985H2 0.224H2O 1.41CO2 6.86共计 134.
39、6冷凝酸HCl 0.134H2O 0.220共计 0.354稀酸HCl 32.3H2O 258.2共计 290.5尾气HCl 32.99N2 9.985H2 0.224H2O 0.623CO2 6.86共计 50.612氢气氯气盐酸贮槽盐酸水H2O 257.5废气HCl 0.68N2 9.985H2 0.224H2O 1.95CO2 6.86共计 19.65根据热量衡算式：输入输出根据热量衡算式：输入输出对于对于HCl气体冷却器，可得气体冷却器，可得Q1+Q=Q3+Q4+Q5+Q6各项热量的计算各项热量的计算Q1=450时合成炉气中各气体带入的热量之和时合成炉气中各气体带入的热量之和QHCl+
40、QN2+QH2+QCO+Q水蒸气水蒸气=59.15103KJ/hQ2=0.1341.603103=214.8KJ/hQ3=0.354272.21=96.32KJ/hQ4=50时各气体带出的热量之和时各气体带出的热量之和=9.3021KJ/hQ6可忽略不计可忽略不计Q5=Q1+Q2-Q3-Q449.97103KJ/h水水:3040,C=4.18KJ/kg.根据热平衡式：根据热平衡式：5=WC/tW=Q5/(Ct)=49.97/4.18(40-30)=1195KJ/h冷却器热平衡表冷却器热平衡表(103)冷冷却水用量的计算却水用量的计算带入热量，带入热量，KJ/h KJ/h 带出热量，带出热量，K
41、J/hKJ/h 进口气体带入热量进口气体带入热量Q159.15进口气体带出热量进口气体带出热量Q39.302气体溶解热量气体溶解热量Q20.2148盐酸带出热量盐酸带出热量Q40.09632冷冷却水带走热量却水带走热量Q549.97合合计计59.3659.36HCl气体吸收部分热量计算气体吸收部分热量计算膜式吸收器膜式吸收器吸收器热量衡算图吸收器热量衡算图HClHCl熔解热熔解热熔解热熔解热QQ3 3盐酸带出热量盐酸带出热量Q5气体带出热量气体带出热量Q稀盐酸带入热量稀盐酸带入热量稀盐酸带入热量稀盐酸带入热量QQ2 2冷冷却水带走热量却水带走热量却水带走热量却水带走热量QQ6 6设备热损失设备
42、热损失Q7气体带入热量气体带入热量气体带入热量气体带入热量QQ1 1进出吸收器热量分析如下图所示进出吸收器热量分析如下图所示设备热损失忽略不计设备热损失忽略不计根据热平衡关系可得根据热平衡关系可得:Q1+Q2+Q3=Q4+Q5+Q6各项热量的计算各项热量的计算Q1=50时各气体带入的热量之和时各气体带入的热量之和=9.302103KJ/hQ2=WI=290.5217.7=63.25103KJ/hQ3=WI=(116.12-50.65)1.70103=111.6103KJ/hQ4=尾气中各气体带出的热量之和尾气中各气体带出的热量之和=3.926103KJ/hQ5=WI=373.0201.074.
43、97103KJ/hQ6=Q1+Q2+Q3-Q4-Q5=105.2103KJ/h冷却水用量的计算冷却水用量的计算水水:3040,C=4.18KJ/kg.根据热平衡式：根据热平衡式：6=WC/tW=Q6/(Ct)=105.2103/4.18(40-30)=2.518103KJ/h膜式吸收器热平衡表膜式吸收器热平衡表(见下表见下表,103)带入热量，带入热量，KJ/h带出热量，带出热量，KJ/h 进口气体带入热量进口气体带入热量Q19.302出口气体带出热量出口气体带出热量Q43.926稀酸气体带入热量稀酸气体带入热量Q263.24盐酸带出热量盐酸带出热量Q574.97HCl溶解热量溶解热量Q311
44、1.6冷冷却水带走热量却水带走热量Q6105.2合合计计184.1184.1确定各单元过程所需热量或泠量以及传热速率，确定各单元过程所需热量或泠量以及传热速率，为其他工程，如供汽给水等提供设计依据。为其他工程，如供汽给水等提供设计依据。化学反应常伴有热效应，导致体系的温度变化，化学反应常伴有热效应，导致体系的温度变化，需确定为保持一定的反应温度所需的放热速率或传需确定为保持一定的反应温度所需的放热速率或传热速率。热速率。确定泵、压缩机等输送机械和搅拌、过滤等操作确定泵、压缩机等输送机械和搅拌、过滤等操作机械所需功率。机械所需功率。通过能量衡算，分析工程设计和操纵中热量利用通过能量衡算，分析工程
45、设计和操纵中热量利用是否经济合理，以提高热量利用水平。是否经济合理，以提高热量利用水平。（二）能量衡算解析（二）能量衡算解析1、能量衡算的主要任务、能量衡算的主要任务能量衡算包括热能能量衡算包括热能、动能动能、电能电能、化学能和辐射能等化学能和辐射能等能量积累率能量积累率=能量进入率能量进入率能量流出率能量流出率+反应热生成率反应热生成率反应热消耗率反应热消耗率当过程没有化学反应时当过程没有化学反应时能量积累率能量积累率=能量进入能量输出能量进入能量输出当过程没有化学反应，且处于稳态时当过程没有化学反应，且处于稳态时能量进入能量进入=能量流出能量流出2、能量衡算式、能量衡算式p在化工生产中，热
46、量是一种最主要的能量形在化工生产中，热量是一种最主要的能量形式。在本章中，主要讨论热量衡算。式。在本章中，主要讨论热量衡算。单元设备热量衡算单元设备热量衡算p衡算步骤衡算步骤绘制设备的热平衡图绘制设备的热平衡图进出设备的热量大致可分如下几种：进出设备的热量大致可分如下几种：物料带入设备的热量；物料带入设备的热量；过程的热效应；过程的热效应；反应物带出的热量；反应物带出的热量；传热剂传入或传出的热量；传热剂传入或传出的热量；设备的热损失等等。设备的热损失等等。3、热量衡算、热量衡算确定热量衡算式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，即按设备热平衡图中标注的种形式的热量，列出热量衡算
47、式。列出热量衡算式。收集有关资料收集有关资料即收集物料量、物料的状态和有关物质的热即收集物料量、物料的状态和有关物质的热力学参数，如比热容、潜热、反应热、溶解热、力学参数，如比热容、潜热、反应热、溶解热、稀释热和结晶热等。稀释热和结晶热等。计算各种形式热量的值（其方法见下）计算各种形式热量的值（其方法见下）列热量平衡表列热量平衡表（并检查热量是否平衡）（并检查热量是否平衡）p热量计算方法热量计算方法物料带入或带出的热量物料带入或带出的热量Q=WCPt发生相变时，需计入相变热：发生相变时，需计入相变热：Q=WI式中式中W质量质量,;CP比热容比热容KJ;t温度温度,;I相相变热变热,KJ。过程热
48、效应的计算过程热效应的计算主要有反应热、熔解热、结晶热等主要有反应热、熔解热、结晶热等Q=WII反应热、熔解热、结晶热等的热值反应热、熔解热、结晶热等的热值,KJ设备热量损失的计算设备热量损失的计算Q=A(tw t)式中式中A设备散热面积设备散热面积,;设备表面向周围介质的传热系数设备表面向周围介质的传热系数,KJ；tw设备壁面温度设备壁面温度;周围介质过程持续时间周围介质过程持续时间,h；热损失可估算为总热量的热损失可估算为总热量的10%计计传热剂传热量的计算传热剂传热量的计算常见的加热剂有常见的加热剂有:水蒸气、烟道气、导热油水蒸气、烟道气、导热油或道氏载热体等；有时也可用直接加热的方或道
49、氏载热体等；有时也可用直接加热的方式。式。冷却（冻）剂有水、空气、泠冻卤水等。冷却（冻）剂有水、空气、泠冻卤水等。可根据可根据Q入入=Q出出进行计算进行计算p热量计算时需注意的问题热量计算时需注意的问题热量衡算时，先要根据物料走向和变化，热量衡算时，先要根据物料走向和变化，详细详细分析热量间的关系。分析热量间的关系。要分清各种形式的热量，收集有关数据进行计要分清各种形式的热量，收集有关数据进行计算。收集数据时，要注意其应用条件，并对其可算。收集数据时，要注意其应用条件，并对其可靠性进行热力学分析、筛选，必要时要进行实验靠性进行热力学分析、筛选，必要时要进行实验测定。测定。间歇操作设备常用间歇操
50、作设备常用KJ/台为计算基准，但其热台为计算基准，但其热负荷却随时间而变化。其换算式如下：负荷却随时间而变化。其换算式如下：式中式中Q-热负荷热负荷,KJh;Q1-加热或泠却设备的热量加热或泠却设备的热量,KJ台台;-每台设备运行的时间每台设备运行的时间,h系统热量平衡关系系统热量平衡关系系统热量平衡包括车间和全厂的热量平衡系统热量平衡包括车间和全厂的热量平衡p其计算方法与单个设备的计算方法基本相同其计算方法与单个设备的计算方法基本相同通过对每台设备的加热剂或泠却剂用量的通过对每台设备的加热剂或泠却剂用量的计算，将各台设备的水、燃料、电等的用量计算，将各台设备的水、燃料、电等的用量进行汇总；进