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1、第三章化工计算第1页，本讲稿共43页化工过程 所谓化工过程，是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，完成某种化学或物理处理，最终成为合格的产品。主要操作可归纳为下列几类：1.化学反应；2.分离或提纯，3.改变温度，4.改变压力，5.混合 第2页，本讲稿共43页1、化学反应。化学反应是整个化工过程的核心。一种化学反应是否能在工业上付诸实现取决于许多因素，如平衡收率（即反应系统达到平衡状态时，加入的原料转化为产品的数量）、反应速度、控
2、制或减少副反应的可能性等。第3页，本讲稿共43页分离过程通常只是一种物理过程，不发生化学反应。它是利用物质在相变化过程中某些物理性质（如沸点、熔点、溶解度等）的差异来进行的。如蒸馏是基于不同组分挥发度或沸点的不同；结晶是基于熔点或溶解度的不同；溶剂萃取是基于一种物质在两种互不相溶的液体中溶解度的不同等。2、分离或提纯。化工生产中的分离过程就是将两种或两种以上组分的混合物分成纯的或比较纯的组分。由于生产中的化学反应过程常常存在副反应、反应不完全或使用溶剂等方面原因，使原料经反应后得到的产物往往不是一种纯的产物，而是几种组分的混合物，必须经分离或提纯后，才能成为较纯的产品。第4页，本讲稿共43页3
3、、改变温度。化学反应速度和收率、物质的相态变化（如蒸气的冷凝、液体的气化或凝固、固体的熔化等）以及物质的其他物理性质变化（如粘度、溶解度、表面张力等）等均与温度有密切的关系，改变温度可调节以上各性质达到所需的要求。物质的加热都要消耗能量。所以，回收热量使热量充分利用，是化工厂提高经济效益的一个重要措施。例如，要将原科加热到反应温度则需要热量。而反应器排出的是热的产物，此部分热量可回收利用，这就可以把原料先与热的反应产物进行换热，回收部分热量，然后再将其加热到反应温度。第5页，本讲稿共43页4、改变压力。化学反应的反应物或生成物中如有气体时，改变压力对平衡收率有影响。例如，合成氨反应N23H22
4、NH3，压力增高，氨的平衡产率就增加。除此之外物质的相态变化，如蒸气冷凝或液体气化等与压力亦有密切关系。当用泵或压缩机输送流体时，压力用于克服设备和管线中的阻力。第6页，本讲稿共43页5、混合。混合是与分离相反的一个过程。在化工生产中，常常需要将两种或两种以上物质混合在一起。通常，混合不消耗能量，只有为了加速混合使用搅拌器时，才消耗少量能量。化工过程中的每一个设备进行上述一种或几种操作。设计化工过程，就是设计以上一系列操作，将其适当地、合理地组合起来，以改变原料的化学和物理性质，使之能够生产合格的产品。把完成这些操作的设备串连组合起来，就成为一个化工过程。第7页，本讲稿共43页化工工艺流程 工
5、艺流程图能简明、扼要的表明化工产品的生产工序，看来一目了然。从工艺流程图可以初步了解生产方法、生产过程以及各主要物料的来龙去脉。在解物料和能量衡算题时，也需要用图来表示各设备之间的物料关系。第8页，本讲稿共43页13化工过程开发化工过程开发化工过程开发是指一个化学反应从实验室过渡到第一套生产装置的全部过程。化工过程开发，首先是决定子化学反应的可能性、转化率及反应速度是否具有工业价值，产物分离的难易程度以及机械、设备、材料是否可行。当然，最终取决于是否有经济效益。化工过程开发的第一步就是要设计一个流程图。由于化学反应或产物的分离可用不同的方法来完成，因此，设计流程时，必须选择一个安全、可靠、经挤
6、效益高的最佳方案。第9页，本讲稿共43页14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、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。这些参数也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。第10页，本讲稿共43页第二节 化工基础数据 在化工计算以及化工工艺和设备设计中，必不可少地要用到有关化合物的物性数据。化工基础数据包括很多，现将常用的一些化工基础数据大致归纳成以
7、下几类：(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、压缩度、临界体积）、密度或比容、状态方程参数、压缩系数、蒸气压、气一液平衡关系等。系数、蒸气压、气一液平衡关系等。(2)热力学物性数据热力学物性数据如内能、焓、熵、热容、相变如内能、焓、熵、热容、相变热、自由能、自由焓等。热、自由能、自由焓等。(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。烧热、反应速度常数、活化能，化学平衡常数等。(4)传递参数传递参数如粘度、扩散系数、导热系
8、数等。如粘度、扩散系数、导热系数等。第11页，本讲稿共43页通常这些数据可用下列方法得到：1、查手册或文献资料有关常用物质的物性数据，前人已系统地进行归纳总结，从表格或图的形式表示。这些致据可从有关的化学化工类手册或专业性的化工手册中查到。2、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。3、用实验直接测定。第12页，本讲稿共43页近年来，随着电子计算机的迅速发展，应用计算机储存、检索和推算物性数据日益增多。一些大型化工企业、研究部门和高等院校都相应建立了物性数据库，以便于通过计算机自动检索或估算所要求的数据，而不必自行查找或计算，大大节省了时间和精力。第13页，本讲稿共43页
9、第三节 物料衡算 物料衡算是化工计算中最基本、也是最重要的内容之一，它是能量衡算的基础。一般在物料衡算之后，才能计算所需要提供或移走的能量。物料衡算的分类：一、对已有的生产设备或装置，利用实际测定的数据，算出另一些不能直接测定的物料量。用此计算结果，对生产情况进行分析、作出判断、提出改进措施。二、是设计一种新的设备或装置，根据设计任务，先作物料衡算，求出进出各设备的物料量，然后再作能量衡算，求出设备或过程的热负荷，从而确定设备尺寸及整个工艺流程。第14页，本讲稿共43页一、物料衡算式 1、化工过程的类型 根据其操作方式分：（1）、间歇操作（2）、连续操作（3）、半连续操作 或者分为：（1）、稳
10、定状态操作（2）、不稳定状态操作两类。第15页，本讲稿共43页闻歇操作过程：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。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。第16页，本讲稿共43页半连续操作过程：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。第
11、17页，本讲稿共43页稳定状态操作：就是整个化工过程的操作条件（如温度、压力、物料量及组成等）如果不随时间而变化，只是设备内不同点有差别，这种过程称为稳定状态操作过程，或称稳定过程。不稳定状态操作：如果操作条件随时间而不断变化的，则称为不稳定状态操作过程，或称不稳定过程。间歇过程及半连续过程是不稳定状态操作。连续过程在正常操作期间，操作条件比较稳定，此时属稳定状态操作在开、停工期间或操作条件变化和出现故障时，则属不稳定状态操作。第18页，本讲稿共43页2、物料衡算式 物料衡算的基本关系式 如果体系内发生化学反应，则对任一个组分或任一种元素作衡算时，必须把反应消耗或生成的量亦考虑在内。列物料衡算
12、式时应注意，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，则平衡式中各项用摩尔/时为基准时，必须考虑反应式中的化学计量系数。因为反应前后物料中的分子数不守恒。第19页，本讲稿共43页如图，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。可列出物料衡算式：总物料衡算式总物料衡算式每种组分衡算式 第20页，本讲稿共43页二、物料衡算的基本方法 1、画物料流程简图。2、计算基准及其选择。3、物料衡算的步骤 常用基准：a、时间基准 b、批量基准 c、质量
13、基准 第21页，本讲稿共43页计算步骤如下：(1)搜集计算数据。(2)画出物料流程简图。(3)确定衡算体系。(4)写出化学反应方程式，包括主反应和副反应，标出有用的分子量。(5)选择合适的计算基准，并在流程图上注明所选的基准值。(6)列出物料衡算式，然后用数学方法求解。(7)将计算结果列成输入输出物料表(物料平衡表)。(8)校核计算结果第22页，本讲稿共43页第四节 能量衡算 在化工生产中，能量的消耗是一项重要的技术经济指标，它是衡量工艺过程、设备设计、操作制度是否先进合理的主要指标之一。能量衡算有两种类型的问题，一种是先对使用中的装置或设备，实际测定一些能量，通过衡算计算出另外一些难以直接测
14、定的能量，由此作出能量方面的评价，即由装置或设备进出口物料的量和温度，以及其它各项能量，求出装置或设备的能量利用情况；另一类是在设计新装置或设备时，根据已知的或可设定的物料量求得未知的物料量或温度，和需要加入或移出的热量。第23页，本讲稿共43页能量衡算的基本概念 动能（动能（Ek）运动着的流体具有动能；运动着的流体具有动能；位能（位能（EP）物体自某一基准面移高到一定距物体自某一基准面移高到一定距离，由于这种位移而具有的能量。离，由于这种位移而具有的能量。静压能（静压能（Ez）流体由于一定的静压强而具有的）流体由于一定的静压强而具有的能量。能量。内能（内能（U）内能是指物体除了宏观的动能和位
15、内能是指物体除了宏观的动能和位能外所具有的能量。能外所具有的能量。一、能量的形式 第24页，本讲稿共43页二、几个与能量衡算有关的重要物理量1、热量（Q）温度不同的两物体相接触或靠近，热量从热（温度高）的物体向冷（温度低）的物体流动，这种由于温度差而引起交换的能量，称为热量。因此对于热量要明确两点：第一，热量是一种能量的形式，是传递过程中的能量形式；第二，一定要有温度差或温度梯度，才会有热量的传递。第25页，本讲稿共43页2、功（W）功是力与位移的乘积。在化工中常见的有体积功（体系体积变化时，由于反抗外力作用而与环境交换的功）、流动功（物系在流动过程中为推动流体流动所需的功）以及旋转轴的机械功
16、等。以环境向体系作功为正、反之为负。第26页，本讲稿共43页3、焓(H)它的定义是：HUPV 对H全微分：在多数实际场合，上式右边第二项可忽略，因此焓差可表示成 第27页，本讲稿共43页4、热容 热容是一定量的物质改变一定的温度所需要的热量，热容是一定量的物质改变一定的温度所需要的热量，可以看作是温度差可以看作是温度差T和引起温度变化的热量和引起温度变化的热量Q之间之间的比例常数，即的比例常数，即QmCT第28页，本讲稿共43页二、二、能量衡算的基本方法及步骤能量衡算的基本方法及步骤根据能量守恒原理，能量衡算的基本方法可表示为：输入的能量 一 输出的能量 积累的能量 1、总能量衡算a、连续稳定
17、流动过程的总能量衡算 H+Ek+EPQ+Wb、间歇过程的总能量衡算U+Ek+EPQ+W第29页，本讲稿共43页c、一般间歇操作，能量、位能差项等于零，、一般间歇操作，能量、位能差项等于零，即即Ek0，EP0，所以上式又可简化为，所以上式又可简化为UQ+W第30页，本讲稿共43页2、热量衡算 l热量衡算式热量衡算式Q=H=H1H2Q=U=U1U2(间歇过程间歇过程)热量衡算就是计算在指定的条件下进出物料的焓差，从而确定过程传递的热量。在实际计算时，由于进出设备的物料不止一个，因此可改写为：Q=H1H2或或Q=U1U2第31页，本讲稿共43页l热量衡算的基本方法及步骤热量衡算的基本方法及步骤热量衡
18、算有两种情况：一种是在设计时，根据给定的进出物料量及已知温度求另一殷物料的未知物料量或温度，常用于计算换热设备的蒸汽用量或冷却水用量。另一种是在原有的装置上，对某个设备，利用实际测定（有时也要作一些相应的计算）的数据，计算出另一些不能或很难直接测定的热量或能量，由此对设备作出能量上的分析。如根据各股物料进出口量及温度，找出该设备的热利用和热损失情况。热量衡算也需要确定基准，画出流程图，列出热量衡算表等。第32页，本讲稿共43页3、机械能衡算 在反应器、蒸馏塔、蒸发器、换热器等化工设备中，在反应器、蒸馏塔、蒸发器、换热器等化工设备中，功、动能、位能的变化，较之传热量、内能和焓的功、动能、位能的变
19、化，较之传热量、内能和焓的变化，是可以忽略的。因此作这些设备的能量衡算变化，是可以忽略的。因此作这些设备的能量衡算时，总能量衡算式可以简成时，总能量衡算式可以简成Q=U(封闭体系）或封闭体系）或Q=H(敞开体系）。敞开体系）。但在另一类操作中，情况刚好相反，即传热量、内能的变化与动能变化、位能变化、功相比，却是次要的了。这些操作大多是流体流入流出贮罐、贮槽、工艺设备、输送设备、废料排放设备。或在这些设备之间流动。第33页，本讲稿共43页连续稳定流动过程总能量衡算式：Hu2/2gZ(PV)QW1千克不可压缩流体流动时的机械能衡算式：P/u2/2gZFW第34页，本讲稿共43页43无化学反应过程的
20、能量衡算无化学反应过程的能量衡算无化学反应过程的能量衡算，一般应用于计算指定条件下进出过程物料的烩差，用来确定过程的热量。为了计算一个过程的为了计算一个过程的AH，可以用假想的、由始态到，可以用假想的、由始态到终态几个阶段来代替原过程，这些阶段的焓变应该是终态几个阶段来代替原过程，这些阶段的焓变应该是可以计算的，所需的数据也可以得到的。由于焓是状可以计算的，所需的数据也可以得到的。由于焓是状态函数，所以每一阶段的态函数，所以每一阶段的H之和即为全过程的之和即为全过程的H。第35页，本讲稿共43页1、无相变的变温变压过程第36页，本讲稿共43页2、相变过程的能量衡算汽化和冷凝、熔化和凝固、升华和
21、凝华这类相变过程往往伴有显著的内能和烩的变化，这种变化常成为过程热量的主体，不容忽视。在恒定的温度和压力下，单位质量或摩尔的物质发生在恒定的温度和压力下，单位质量或摩尔的物质发生相的变化时的焓变称为相变热。例如相的变化时的焓变称为相变热。例如100oC、latm时液时液体水转变成水汽的焓变体水转变成水汽的焓变H等于等于40.6kJ/mol，称为在该，称为在该温度和压力下水的汽化潜热。温度和压力下水的汽化潜热。第37页，本讲稿共43页三种相变的相变热定义如下：汽化潜热汽化潜热(Hv）当）当T和和P不变，单位数量的液不变，单位数量的液体汽化所需的热量。体汽化所需的热量。熔化潜热熔化潜热(Hm)当当
22、T和和P不变，单位数量的固不变，单位数量的固体熔化所需的热量。体熔化所需的热量。升华潜热升华潜热(Ht）当）当T和和P不变，单位数量的固不变，单位数量的固体气化所需的热量。体气化所需的热量。第38页，本讲稿共43页44化学反应过程的能量衡算化学反应过程的能量衡算化学反应过程通常都伴随较大的热效应化学反应过程通常都伴随较大的热效应吸收热吸收热量或放出热量。为了使反应温度得到控制，必须自量或放出热量。为了使反应温度得到控制，必须自反应体系排走热量或向反应体系供给热量，即反应反应体系排走热量或向反应体系供给热量，即反应器必须有供热或冷却用的换热设备，这种措施不但器必须有供热或冷却用的换热设备，这种措
23、施不但成为反应能否进行的关键，也与能量的合理利用有成为反应能否进行的关键，也与能量的合理利用有密切关系。密切关系。这里主要讨论反应热的计算方法，反应热可用生成热或燃烧热来计算，所以先要讨论燃烧热和生成热，及其用于反应热的计算，然后将反应热结合到能量衡算中去。第39页，本讲稿共43页1、反应热及其表示、反应热及其表示恒压反应热恒压反应热QpHr恒容反应热恒容反应热QvUr(T)2、反应热的计算 反应热可以用实验方法测定，也可以用已有的实验数据进行计算。根据盖斯定律，化学反应热只决定于物质的初态和终态，与过程的途径无关，反应热可用简单的热量加和法求取。（1）由标准生成热）由标准生成热Hfo计算标准
24、反应热计算标准反应热HroHro生成热生成热i(Hfo)i反应热反应热i(Hfo)i（2）由标准燃烧热）由标准燃烧热Hco计算标准反应热计算标准反应热HroHro反应物反应物i(Hco)i产物产物i(Hco)i第40页，本讲稿共43页3、化学反应过程的能量衡算当体系进行化学反应时，应将反应热列入能量衡算式中。反应体系能量衡算的方法按计算烩时的基准区分，主反应体系能量衡算的方法按计算烩时的基准区分，主要有两种，下面讨论这两种基准以及对应每种基准计要有两种，下面讨论这两种基准以及对应每种基准计算算H的方法。的方法。第41页，本讲稿共43页（1）第一种基准如果已知标准反应热，则可选298K，latm
25、为反应物及产物的计算基准。对非反应物质另选适当的温度为基准（如反应器的进口温度，或平均热容表示的参考温度）。如果一个过程的反应很复杂，难以写出平行反应的化学反应式，或难以确定一种原料参加不同反应的量的比例，反应如此之多，以致无法判别出每个单独的反应，更谈不上各反应间的比例关系，标准反应热也无法知道，因此用第一种基准来算这类问题就显得有困难。此时，可以用下面介绍的第二种基准。第42页，本讲稿共43页（2）第二种基准）第二种基准以组成反应物及产物的元素，在以组成反应物及产物的元素，在25，1atm时的时的焓为零，非反应分子以任意适当的温度为基准，也要焓为零，非反应分子以任意适当的温度为基准，也要画一张填有所有流股组分画一张填有所有流股组分ni和和Hi的表，只是在这张的表，只是在这张表中反应物或产物的表中反应物或产物的Hi，是各物质，是各物质25的生成热与的生成热与物质由物质由25变到它进口状态或出口状态所需显热和潜变到它进口状态或出口状态所需显热和潜热之和。热之和。第43页，本讲稿共43页