【正文】 1/106 第三章 物料衡算 與能量衡算 ?0 2/106 ?化工過程及過程參數(shù) ?化工工藝流程 ?物料衡算 ?熱量衡算 主要內(nèi)容 3/106 167。 工藝過程及過程參數(shù) 主要內(nèi)容包括： 1. 化工過程； 2. 化工工藝流程； 3. 化工過程開發(fā)； 4. 化工過程基本參數(shù) — 溫度、壓力、流量、化學(xué)組成等基本概念。 化工計算 主要是應(yīng)用守恒定律來研究化工過程的物料衡算和能量衡算問題。在進行計算時，必須熟悉有關(guān)化工過程的一些術(shù)語及基礎(chǔ)知識。 4/106 167。 工藝過程及過程參數(shù) 167。 化工過程 化工過程： 是指由原料經(jīng)化學(xué)處理和物理處理加工成化學(xué)產(chǎn)品或中間產(chǎn)品的生產(chǎn)過程 。 它包括許多工序 ， 每個工序又由若干個或若干組設(shè)備 （ 如反應(yīng)器 、 蒸餾塔 、 吸收塔 、 干燥塔 ，分離器 、 換熱器及輸送設(shè)備等等 ） 組合而成 。 物料通過各設(shè)備時 ， 完成某種化學(xué)或物理處理 ， 最終成為合格的產(chǎn)品 。 化工過程 單元操作 反應(yīng)過程 5/106 167。 工藝過程及過程參數(shù) 167。 化工過程 化工過程 單元操作：不改變物料的化學(xué)性質(zhì) ， 只改變物理性質(zhì) 。 如流體輸送 、 傳熱 、 蒸餾 、 干燥 、 蒸發(fā) 、 結(jié)晶 、 萃取 、 吸收 、 吸附 、過濾和破碎等 反應(yīng)過程：改變物料的化學(xué)性質(zhì) 。 如氫和氮合成氨的反應(yīng)；乙烯氧化成環(huán)氧乙烷的反應(yīng) 。 6/106 167。 工藝過程及過程參數(shù) 167。 化工過程 化 工 設(shè) 備 所 進 行 的 主 要 操 作 混合 化學(xué)反應(yīng)是整個化工過程的核心。 平衡收率 反應(yīng)速度 控制或減少副反應(yīng) 分離或提純 蒸餾 結(jié)晶 萃取 改變溫度 改變壓力 7/106 167。 工藝過程及過程參數(shù) 167。 化工過程 發(fā)現(xiàn)一種新的化學(xué)反應(yīng)使之實施于生產(chǎn)或開發(fā)一個新的化工過程 ， 從技術(shù)角度來考察 ， 主要決定于下述三類因素： （ 3）機械設(shè)備、儀表及控制手段： （ 1）化學(xué)工藝因素： （ 2）化學(xué)工程因素： 反應(yīng)體系本性、溫度、壓力、組成、催化劑等操作條件以及體系的反應(yīng)速度、轉(zhuǎn)化率、循環(huán)比等。 體系的物性 、 相態(tài) 、 熱性質(zhì) 、 傳遞性質(zhì) 、 傳熱傳質(zhì)方式 、 物料（ 流體及固體 ） 輸送 、 反應(yīng)技術(shù) 、 分離技術(shù)等 。 設(shè)備材料 、 制造 、 貯運 、 安裝 、 維修 、 檢測 、 備品備件 、 正常操作及事故處理等 。 8/106 167。 工藝過程及過程參數(shù) 167。 化工過程 化工過程常用 流程圖 來表示 。 所謂流程圖 ， 就是把生產(chǎn)過程中物料經(jīng)過的設(shè)備按其形狀畫出示意圖 ， 并畫出各設(shè)備之間的主要物料管線及其流向 。 簡化的流程圖可以用方框來表示設(shè)備或設(shè)備組 ， 稱 方框流程圖 。 在工藝流程設(shè)計中 ， 還有其他類型的流程圖 ， 如表明物料量的 物料流程圖 、 以裝置為單元的 裝置流程圖 、 以管線為主的 管線流程圖 以及 帶測量儀表控制點的流程圖 等 。 9/106 167。 工藝過程及過程參數(shù) 167。 化工過程 10/106 167。 工藝過程及過程參數(shù) 167。 化工過程的開發(fā) 化工過程開發(fā)是指一個化學(xué)反應(yīng)從實驗室過渡到第一套生產(chǎn)裝置的全部過程 。 化工過程開發(fā) ， 首先是決定于化學(xué)反應(yīng)的可能性 、 轉(zhuǎn)化率及反應(yīng)速度是否具有工業(yè)價值 ， 產(chǎn)物分離的難易程度以及機械 、 設(shè)備 、材料是否可行 。 當(dāng)然 ， 最終取決于是否有經(jīng)濟效益 。 化工過程開發(fā)的第一步就是要設(shè)計一個流程圖 。 由于化學(xué)反應(yīng)或產(chǎn)物的分離可用不同的方法來完成 ， 因此 ， 設(shè)計流程時 ， 必須選擇一個安全 、 可靠 、 經(jīng)濟效益高的最佳方案 。 11/106 167。 工藝過程及過程參數(shù) 167。 化工過程的開發(fā) 實例： 3H2＋ N2 2NH3 Fe 高溫、高壓 基本工藝步驟 1. 氣體的壓縮 2. 氣體的預(yù)熱和合成 3. 氨的分離 4. 未反應(yīng)氫、氮氣體的循環(huán) 5. 惰性氣體的排放 12/106 167。 工藝基礎(chǔ)數(shù)據(jù) 167。 化工基礎(chǔ)數(shù)據(jù)種類 在化工計算以及化工工藝和設(shè)備設(shè)計中，必不可少地要用到有關(guān)化合物的物性數(shù)據(jù)。 (1) 基本物性數(shù)據(jù) — 如臨界常數(shù) （ 臨界壓力 、 臨界溫度 、 臨界體積 ） 、 密度或比容 、 狀態(tài)方程參數(shù) 、 壓縮系數(shù) 、 蒸氣壓 、 氣一液平衡關(guān)系等 。 (2 )熱力學(xué)物性數(shù)據(jù) — 如內(nèi)能 、 焓 、 熵 、 熱容 、 相變熱 、 自由能 、 自由焓等 。 (3) 化學(xué)反應(yīng)和熱化學(xué)數(shù)據(jù) — 如反應(yīng)熱 、 生成熱 、 燃燒熱 、 反應(yīng)速度常數(shù) 、 活化能 ， 化學(xué)平衡常數(shù)等 。 (4) 傳遞參數(shù) — 如粘度 、 擴散系數(shù) 、 導(dǎo)熱系數(shù)等 。 13/106 167。 工藝基礎(chǔ)數(shù)據(jù) 167。 化工基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源 查手冊或文獻資料 有關(guān)常用物質(zhì)的物性數(shù)據(jù)，前人已系統(tǒng)地進行歸納總結(jié)，從表格或圖的形式表示。這些致?lián)蓮挠嘘P(guān)的化學(xué)化工類手冊或?qū)I(yè)性的化工手冊中查到。 估算?？梢詰?yīng)用物理和化學(xué)的一些基本定律計算各種物質(zhì)的性質(zhì)參數(shù)。 用實驗直接測定。 14/106 167。 工藝基礎(chǔ)數(shù)據(jù) 167。 化工基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源 外文 中文 15/106 167。 化工過程類型 167。 間歇操作、連續(xù)操作以及半連續(xù)操作 1. 聞歇操作過程： 1. 原料在生產(chǎn)操作開始時一次加入 ， 然后進行反應(yīng)或其他操作 ， 一直到操作完成后 ， 物料一次排出 ， 即為間歇操作過程 。 此過程的特點是在整個操作時間內(nèi) ， 再無物料進出設(shè)備 ， 設(shè)備中各部分的組成 、 條件隨時間而不斷變化 。 2. 連續(xù)操作過程： 1. 在整個操作期間 ， 原料不斷穩(wěn)定地輸入生產(chǎn)設(shè)備 ， 同時不斷從設(shè)備排出同樣數(shù)量 （ 總量 ） 的物料 。 設(shè)備的進料和出料是連續(xù)流動的 ， 即為連續(xù)操作過程 。 在整個操作期間 ， 設(shè)備內(nèi)各部分組成與條件不隨時間而變化 。 3. 半連續(xù)操作過程： 操作時物料一次輸入或分批輸入 ， 而出料是連續(xù)的 ， 或連續(xù)輸入物料 ， 而出料是一次或分批的 。 16/106 167。 化工過程類型 167。 穩(wěn)定狀態(tài)操作和不穩(wěn)定狀態(tài)操作 整個化工過程的操作條件 （ 如溫度 、 壓力 、 物料量及組成等 ）如果不隨時間而變化 ， 只是設(shè)備內(nèi)不同點有差別 ， 這種過程稱為穩(wěn)定狀態(tài)操作過程 ， 或稱穩(wěn)定過程 。 如果操作條件隨時間而不斷變化的 ， 則稱為不穩(wěn)定狀態(tài)操作過程 ， 或稱不穩(wěn)定過程 。 間歇過程及半連續(xù)過程是不穩(wěn)定狀態(tài)操作 。 連續(xù)過程在正常操作期間 ， 操作條件比較穩(wěn)定 ， 此時屬穩(wěn)定狀態(tài)操作多在開 、 停工期間或操作條件變化和出現(xiàn)故障時 ， 則屬不穩(wěn)定狀態(tài)操作 。 ?0 17/106 167。 物料衡算 167。 基本原理 A. 物料衡算的目的 1. 確定原材料的消耗定額，判斷是否達到設(shè)計要求。 2. 確定各設(shè)備的輸入及輸出的物流量，摩爾分率組成及其他組成表示方法。 3. 作為熱量計算的依據(jù)。 4. 根據(jù)計算結(jié)果繪出物流圖，可進行管路設(shè)計及材料選擇，儀表及自動控制等 ?0 18/106 167。 物料衡算 167。 基本原理 B. 物料衡算的依據(jù) 1. 設(shè)計任務(wù)書中確定的技術(shù)方案 、 產(chǎn)品生產(chǎn)能力 、 年工作時間及操作方法 。 2. 建設(shè)單位或研究單位所提供的要求 、 設(shè)計參數(shù)及試驗室試驗或中試等數(shù)據(jù) ， 主要有： ① 化工單元過程的主要化學(xué)反應(yīng)方程式 、 反應(yīng)物配比 、 轉(zhuǎn)化率 、選擇性 、 總收率 、 催化劑狀態(tài)及加入配比量 、 催化劑是否回收使用 、 安全性能 （ 爆炸上下限 ） 等 。 ② 原料及產(chǎn)品的分離方式 ， 各步的回收率 ， 采用物料分離劑時 ，加入分離劑的配比 。 ③ 特殊化學(xué)品的物性 ， 如沸點 、 熔點 、 飽和蒸汽壓 、 閃點等 ?0 19/106 167。 物料衡算 167。 基本原理 C. 物料衡算的基準(zhǔn) 1. 時間基準(zhǔn)： ① 連續(xù)生產(chǎn)：一段時間的投料量或生產(chǎn)產(chǎn)品量作為計算基準(zhǔn)； ② 間歇生產(chǎn)：一釜或一批料的生產(chǎn)周期作為基準(zhǔn) 例：年產(chǎn) 300kt乙烯裝置，年操作時間為 8000h，則每小時的平均產(chǎn)量為 。 年處理量為 9000kt煉油廠，年操作時間為 8000h，則每小時的平均產(chǎn)量為1125t。 ?0 20/106 167。 物料衡算 167。 基本原理 C. 物料衡算的基準(zhǔn) 2. 質(zhì)量基準(zhǔn)： ① 當(dāng)系統(tǒng)介質(zhì)為液、固相時，選擇一定質(zhì)量的原料或產(chǎn)品作為計算基準(zhǔn) ② 如果原料或產(chǎn)品是單一化合物，或由已知組成百分?jǐn)?shù)和組分分子量的多組分組成，可用物質(zhì)的量作為計算基準(zhǔn) 例：以石油、煤、礦石為原料的化工廠，可采用一定量的原料為基準(zhǔn)。 1kg、 1000kg、 100t 以氮和氫為原料合成氨的工藝過程，可采用物質(zhì)的量為基準(zhǔn)。 ?0 21/106 167。 物料衡算 167。 基本原理 C. 物料衡算的基準(zhǔn) 3. 體積基準(zhǔn)： ① 對氣體物料進行衡算時選用體積基準(zhǔn) ② 應(yīng)將實際情況下的體積換算為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積 例：在化工生產(chǎn)過程中經(jīng)常使用的干空氣以及在合成氨中使用的原料煤氣和水煤氣就可以用體積為基準(zhǔn) 用 m3（ STP）表示 ?0 22/106 167。 物料衡算 167。 基本原理 C. 物料衡算的基準(zhǔn) 生產(chǎn)中的物料 ， 不論是氣態(tài) 、 液態(tài)還是固態(tài) ， 均含有一定量的水分 ， 因而在選用基準(zhǔn)時就有算不算水分在內(nèi)的問題 ， 不計算水分在內(nèi)的稱為干基 ， 否則為濕基 。 例： 通常水空氣中含氧 21%， 含氮 79%， 這是以干基計算的 如果把水蒸氣計算在內(nèi) ， 氧和氮的百分比就變了 。 甲烷水蒸氣催化轉(zhuǎn)化制取氫氣 ， 轉(zhuǎn)化爐的進料量 ， 以干基計算為7 103m3（ STP)/h， 如以濕基計算則可達到 3 104m3（ STP)/h 濕基：化肥 、 農(nóng)藥等化工產(chǎn)品 ， 尿素 、 甲醛 、 乙醇 。 干基：硝酸 ?0 23/106 167。 物料衡算 167。 基本原理 D. 物料衡算的程序 1. 確定衡算的對象、體系與環(huán)境，并畫出計算對象的草圖 體系 輸入物料 輸出物料 整個生產(chǎn)流程 操作單元 過程中的部分 工段或工序 某一設(shè)備 24/106 167。 物料衡算 167。 基本原理 D. 物料衡算的程序 2. 確定計算任務(wù)，明確哪些是已知項，哪些是待求項，選擇適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)公式，力求計算方法簡便。 3. 確定過程所涉及的組分。 4. 對物流流股進行編號，并注明物料變量 5. 收集數(shù)據(jù)資料：設(shè)計任務(wù)書中已知條件；物理化學(xué)參數(shù) a) 生產(chǎn)規(guī)模和生產(chǎn)時間 b) 有關(guān)定額和技術(shù)指標(biāo) c) 原輔材料、產(chǎn)品、中間產(chǎn)品的規(guī)格 d) 與過程有關(guān)的物理化學(xué)參數(shù) 25/106 167。 物料衡算 167。 基本原理 D. 物料衡算的程序 6. 列出物料衡算方程：依據(jù)是質(zhì)量守恒定律 進入過程單元 的物料量 Fi 流出過程單元 的物料量 F0 在過程單元內(nèi)生 成的物料量 Dp 在過程單元內(nèi)消 耗的物料量 Dr — — ＋ 過程單元內(nèi)積 累的物料量 W ＝ （ Fi F0）＋（ Dp Dr）＝ W a) 穩(wěn)定有反應(yīng)操作過程： （ Fi F0）＋（ Dp Dr）＝ 0 b) 不穩(wěn)定無反應(yīng)操作過程： （ Fi F0）＝ W c) 穩(wěn)定無反應(yīng)操作過程： （ Fi F0）＝ 0 26/106 167。 物料衡算 167。 基本原理 D. 物料衡算的程序 7. 列出過程的全部獨立的物料衡算方程式及其他相關(guān)約束式，化學(xué)反應(yīng)方程式，明確反應(yīng)前后物料組成和各個組分之間的定量關(guān)系、轉(zhuǎn)化率、選擇性 8. 選擇計算基準(zhǔn) 9. 統(tǒng)計變量個數(shù)與方程個數(shù)，確定設(shè)計變量的個數(shù)及全部設(shè)計變量 Nv ＝ Ns (Nc＋ 1) ＋ Np Nv－系統(tǒng)的總變量； Ns －物流中的組分?jǐn)?shù)； Nc －物流的股數(shù)； Np －設(shè)備參數(shù) Nd ＝ Nv － Ne Nd－設(shè)計變量數(shù)； Ne －獨立方程數(shù)； 27/106 167。 物料衡算 167。 基本原理 D. 物料衡算的程序 10. 整理計算結(jié)果，并根據(jù)需要列成原材料消耗表