【正文】 原理，能量衡算的基本方法可表示為： 輸入的能量 — 輸出的能量 ＝ 積累的能量 根據(jù)熱力學(xué)第一定律，能量衡算方程式的一般形式為： △ E ＝ Q＋ W △ E— 體系總能量變化 Q— 體系從環(huán)境中吸收的能量 W— 環(huán)境對(duì)體系所作的功 68/106 167。 能量衡算 167。 功和熱量的單位在 SI制中為焦耳 ， 除此以外 ， 公制中的卡或千卡 、 英制中的英熱單位 (Btu)還常有使用 ， 應(yīng)注意它們之間的換算關(guān)系 。 能量衡算的基本概念 二 、 幾個(gè)與能量衡算有關(guān)的重要物理量 功 （ W） 功是力與位移的乘積 。 第一，熱量是一種能量的形式，是傳遞過(guò)程中的能量形式； 第二，一定要有溫度差或溫度梯度，才會(huì)有熱量的傳遞。 63/106 167。 能量衡算 167。 能量衡算有兩種類型的問(wèn)題 ， 一種是先對(duì)使用中的裝置或設(shè)備 ， 實(shí)際測(cè)定一些能量 ， 通過(guò)衡算計(jì)算出另外一些難以直接測(cè)定的能量 ， 由此作出能量方面的評(píng)價(jià) ， 即由裝置或設(shè)備進(jìn)出口物料的量和溫度 ， 以及其它各項(xiàng)能量 ， 求出裝置或設(shè)備的能量利用情況；另一類是在設(shè)計(jì)新裝置或設(shè)備時(shí) ， 根據(jù)已知的或可設(shè)定的物料量求得未知的物料量或溫度 ， 和需要加入或移出的熱量 。 物料衡算舉例 167。 物料衡算舉例 167。 K2CrO4的分子量為 195。 物料衡算舉例 167。 帶循環(huán)和旁路過(guò)程的物料衡算 在不知道循環(huán)量的情況下，可采用以下兩種計(jì)算 : （ 1） 試差法： 估計(jì)循環(huán)流量 ， 并繼續(xù)計(jì)算至循環(huán)回流的那一點(diǎn) ， 將估計(jì)值與計(jì)算值進(jìn)行比較 ， 并重新假設(shè)一個(gè)估計(jì)值 ， 一直計(jì)算到估計(jì)值與計(jì)算值之差在一定的誤差范圍內(nèi) 。 帶循環(huán)和旁路過(guò)程的物料衡算 有循環(huán)的過(guò)程，轉(zhuǎn)化率常分為單程轉(zhuǎn)化率與總轉(zhuǎn)化率： %100??? MFARPAMFANNN單程轉(zhuǎn)化率%100?? FASAFANNN總轉(zhuǎn)化率＝RPAMFA NN 、 SAFA N、—— 反應(yīng)物 A輸入、輸出反應(yīng)器的摩爾數(shù) —— 反應(yīng)物 A輸入、輸出過(guò)程的摩爾數(shù) 反應(yīng)器 整個(gè)過(guò)程 54/106 167。 帶循環(huán)和旁路過(guò)程的物料衡算 在化工過(guò)程中 ， 有一些具有循環(huán) 、 排放及旁路的過(guò)程 ， 這類過(guò)程的物料衡算與以上介紹的方法相類似 ， 只是需要先根據(jù)已知的條件及所求的未知量選擇合適的衡算體系 ， 列出物料衡算式再求解 。 物料衡算舉例 167。 物料衡算舉例 167。在反應(yīng)器 1中大部分轉(zhuǎn)化，在反應(yīng)器 2中完全脫去。 物料衡算舉例 167。 物料衡算舉例 167。 物料衡算舉例 167。 解：（ 1）畫(huà)出流程示意圖，確定計(jì)算范圍。 有反應(yīng)過(guò)程的物料衡算 [例 32] 作年產(chǎn) 300t對(duì) 硝基乙苯工段物料衡算 ， 原料乙苯純度 95%， 硝化混酸為： HNO332%， H2SO456%， H2O12%。它可以用物質(zhì)的量（摩爾數(shù)）或質(zhì)量進(jìn)行計(jì)算。 轉(zhuǎn)化率與選擇性是反應(yīng)過(guò)程的兩個(gè)主要技術(shù)指標(biāo)。 39/106 167。 有反應(yīng)過(guò)程的物料衡算 反應(yīng)轉(zhuǎn)化率、選擇性及收率等概念 %100121 ???AAAA NNNx轉(zhuǎn)化率（以 x表示）：某一反應(yīng)物反應(yīng)掉的量占其輸入量的百分?jǐn)?shù)。 過(guò)量反應(yīng)物：不按化學(xué)計(jì)量比配料的原料中 ， 某種反應(yīng)物的量超過(guò)限制反應(yīng)物完全反應(yīng)所需的理論量 ， 該反應(yīng)物稱為過(guò)量反應(yīng)物 。 物料衡算舉例 167。 無(wú)反應(yīng)過(guò)程的物料衡算 解 : 設(shè) S S S S5表示各流股物料量， mol/h x3B、 x3T表示流股 3種苯、甲苯的組成。 無(wú)反應(yīng)過(guò)程的物料衡算 例 : 有兩個(gè)蒸餾塔的分離裝置，將含 50%苯、 30%甲苯和 20%（ mol%）二甲苯的混合物分成較純的三個(gè)餾分，其流程圖及各流股組成如圖。 根據(jù)水平衡 ， 可以核對(duì)以上結(jié)果： 加入的水量 = + 39 + = 13kg 混合后的酸 ， 含 13％ H2O， 所以計(jì)算結(jié)果正確 。 無(wú)反應(yīng)過(guò)程的物料衡算 (2) 選擇基準(zhǔn)，可以選廢酸或濃酸的量為基準(zhǔn)，也可以用混 合酸的量為基準(zhǔn)，因?yàn)樗姆N酸的組成均已知，選任何一種作基準(zhǔn)計(jì)算都很方便。 物料衡算舉例 167。 無(wú)反應(yīng)過(guò)程的物料衡算 分析： 本系統(tǒng)包括三個(gè)單元：吸收塔 、 蒸餾塔和冷凝器 。 無(wú)反應(yīng)過(guò)程的物料衡算 [例 31] 某化工廠要求設(shè)計(jì)一套從氣體中回收丙酮的裝置系統(tǒng) ， 并計(jì)算回收丙酮的費(fèi)用 。 基本原理 D. 物料衡算的程序 7. 列出過(guò)程的全部獨(dú)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(gè)組分之間的定量關(guān)系、轉(zhuǎn)化率、選擇性 8. 選擇計(jì)算基準(zhǔn) 9. 統(tǒng)計(jì)變量個(gè)數(shù)與方程個(gè)數(shù)，確定設(shè)計(jì)變量的個(gè)數(shù)及全部設(shè)計(jì)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(jì)變量數(shù)； Ne －獨(dú)立方程數(shù)； 27/106 167。 4. 對(duì)物流流股進(jìn)行編號(hào)，并注明物料變量 5. 收集數(shù)據(jù)資料：設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)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(shí)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(guò)程有關(guān)的物理化學(xué)參數(shù) 25/106 167。 基本原理 D. 物料衡算的程序 1. 確定衡算的對(duì)象、體系與環(huán)境，并畫(huà)出計(jì)算對(duì)象的草圖 體系 輸入物料 輸出物料 整個(gè)生產(chǎn)流程 操作單元 過(guò)程中的部分 工段或工序 某一設(shè)備 24/106 167。 例： 通常水空氣中含氧 21%， 含氮 79%， 這是以干基計(jì)算的 如果把水蒸氣計(jì)算在內(nèi) ， 氧和氮的百分比就變了 。 物料衡算 167。 物料衡算 167。 物料衡算 167。 基本原理 B. 物料衡算的依據(jù) 1. 設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)中確定的技術(shù)方案 、 產(chǎn)品生產(chǎn)能力 、 年工作時(shí)間及操作方法 。 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。 連續(xù)過(guò)程在正常操作期間 ， 操作條件比較穩(wěn)定 ， 此時(shí)屬穩(wěn)定狀態(tài)操作多在開(kāi) 、 停工期間或操作條件變化和出現(xiàn)故障時(shí) ， 則屬不穩(wěn)定狀態(tài)操作 。 化工過(guò)程類型 167。 設(shè)備的進(jìn)料和出料是連續(xù)流動(dòng)的 ， 即為連續(xù)操作過(guò)程 。 化工過(guò)程類型 167。 用實(shí)驗(yàn)直接測(cè)定。 化工基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來(lái)源 查手冊(cè)或文獻(xiàn)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(jìn)行歸納總結(jié)，從表格或圖的形式表示。 (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 。 工藝基礎(chǔ)數(shù)據(jù) 167。 由于化學(xué)反應(yīng)或產(chǎn)物的分離可用不同的方法來(lái)完成 ， 因此 ， 設(shè)計(jì)流程時(shí) ， 必須選擇一個(gè)安全 、 可靠 、 經(jīng)濟(jì)效益高的最佳方案 。 化工過(guò)程的開(kāi)發(fā) 化工過(guò)程開(kāi)發(fā)是指一個(gè)化學(xué)反應(yīng)從實(shí)驗(yàn)室過(guò)渡到第一套生產(chǎn)裝置的全部過(guò)程 。 9/106 167。 化工過(guò)程 化工過(guò)程常用 流程圖 來(lái)表示 。 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 。 化工過(guò)程 化 工 設(shè) 備 所 進(jìn) 行 的 主 要 操 作 混合 化學(xué)反應(yīng)是整個(gè)化工過(guò)程的核心。 如流體輸送 、 傳熱 、 蒸餾 、 干燥 、 蒸發(fā) 、 結(jié)晶 、 萃取 、 吸收 、 吸附 、過(guò)濾和破碎等 反應(yīng)過(guò)程：改變物料的化學(xué)性質(zhì) 。 物料通過(guò)各設(shè)備時(shí) ， 完成某種化學(xué)或物理處理 ， 最終成為合格的產(chǎn)品 。 4/106 167。1/106 第三章 物料衡算 與能量衡算 ?0 2/106 ?化工過(guò)程及過(guò)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。在進(jìn)行計(jì)算時(shí)，必須熟悉有關(guān)化工過(guò)程的一些術(shù)語(yǔ)及基礎(chǔ)知識(shí)。 它包括許多工序 ， 每個(gè)工序又由若干個(gè)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 。 化工過(guò)程 化工過(guò)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) 。 工藝過(guò)程及過(guò)程參數(shù) 167。 化工過(guò)程 發(fā)現(xiàn)一種新的化學(xué)反應(yīng)使之實(shí)施于生產(chǎn)或開(kāi)發(fā)一個(gè)新的化工過(guò)程 ， 從技術(shù)角度來(lái)考察 ， 主要決定于下述三類因素： （ 3）機(jī)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。 工藝過(guò)程及過(guò)程參數(shù) 167。 在工藝流程設(shè)計(jì)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(cè)量?jī)x表控制點(diǎn)的流程圖 等 。 工藝過(guò)程及過(guò)程參數(shù) 167。 化工過(guò)程開(kāi)發(fā)的第一步就是要設(shè)計(jì)一個(gè)流程圖 。 化工過(guò)程的開(kāi)發(fā) 實(shí)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?dú)怏w的循環(huán) 5. 惰性氣體的排放 12/106 167。 (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 。 工藝基礎(chǔ)數(shù)據(jù) 167。可以應(yīng)用物理和化學(xué)的一些基本定律計(jì)算各種物質(zhì)的性質(zhì)參數(shù)。 化工基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來(lái)源 外文 中文 15/106 167。 2. 連續(xù)操作過(guò)程： 1. 在整個(gè)操作期間 ， 原料不斷穩(wěn)定地輸入生產(chǎn)設(shè)備 ， 同時(shí)不斷從設(shè)備排出同樣數(shù)量 （ 總量 ） 的物料 。 16/106 167。 間歇過(guò)程及半連續(xù)過(guò)程是不穩(wěn)定狀態(tài)操作 。 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(dá)到設(shè)計(jì)要求。 物料衡算 167。 ③ 特殊化學(xué)品的物性 ， 如沸點(diǎn) 、 熔點(diǎn) 、 飽和蒸汽壓 、 閃點(diǎn)等 ?0 19/106 167。 ?0 20/106 167。 ?0 21/106 167。 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(shí)就有算不算水分在內(nèi)的問(wèn)題 ， 不計(jì)算水分在內(nèi)的稱為干基 ， 否則為濕基 。 物料衡算 167。 3. 確定過(guò)程所涉及的組分。 物料衡算 167。 物料衡算舉例 167。 物料衡算舉例 167。 組成 kmol kg 質(zhì)量 ,(mol)% 丙酮 87 空氣 2860 總計(jì) 100 2947 以 100kmol為基準(zhǔn) 總物料平衡式： 1200＋ F2＝ F3 ＋ F4 ＋ F5 丙酮： ＝ F4 ＋ 水： 1200 ＝ F4 ＋ 空氣： ＝ F3 結(jié)論：只有 3個(gè)獨(dú)立方程，不能求解，應(yīng)補(bǔ)充數(shù)據(jù)： 1. 每小時(shí)進(jìn)入系統(tǒng)的氣體混合物、離開(kāi)系統(tǒng)的產(chǎn)品或廢液的物流量 2. 進(jìn)入蒸餾塔的組分 30/106 167。 物料衡算舉例 167。 無(wú)反應(yīng)過(guò)程的物料衡算 解 (1)， (2)， (3)方程 ， 得 x = y = 39kg濃 H2SO4 z = HNO3 即由 、 39kg濃 H2SO4和 HNO3可以混合成 100kg混合酸 。 物料衡算舉例 167。 物料衡算舉例 167。 無(wú)反應(yīng)過(guò)程的物料衡算 解 : 由 (7)、 (8)、 (9)三式解得 S2＝ 520 mol/h S4＝ 150 mol/h S5＝ 330 mol/h 再任選一組體系 A或 B的衡算方程，可解得： S3＝ 480 mol/h x3B ＝ x3T ＝ x3x ＝ 36/106 167。 有反應(yīng)過(guò)程的物料衡算 反應(yīng)轉(zhuǎn)化率、選擇性及收率等概念 ％過(guò)量％＝ 100??tteNNN 限制反應(yīng)物：化學(xué)反應(yīng)原料不按化學(xué)計(jì)量比配料時(shí) ， 其中以最小化學(xué)計(jì)量數(shù)存在的反應(yīng)物稱為限制反應(yīng)物 。 物料衡算舉例