【正文】 Q5 ＝ ∑GCp(t2t1) G— 設(shè)備各部件的重量（ kg） Cp— 設(shè)備各部件比熱容（ kJ/kg 能量衡算的基本原理 C. 熱量衡算的基本方法及步驟 熱量衡算的基本步驟： 1. 建立以單位時(shí)間為基準(zhǔn)的物料流程圖（或平衡表），也可以 100mol或 100kmol原料為基準(zhǔn)，但前者更常用。 但在另一類操作中 ， 情況剛好相反 ， 即傳熱量 、 內(nèi)能的變化與動(dòng)能變化 、 位能變化 、 功相比 ， 卻是次要的了 。 由于焓是狀態(tài)函數(shù) ， 所以每一階段的 ?H之和即為全過(guò)程的 ?H。 能量衡算的基本原理 E. 無(wú)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的能量衡算 相變過(guò)程的能量衡算 在恒定的溫度和壓力下 ， 單位質(zhì)量或摩爾的物質(zhì)發(fā)生相的變化時(shí)的焓變稱為相變熱 。 能量衡算167。 能量衡算 167。 能量衡算的基本原理 F. 化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的能量衡算 這里主要討論反應(yīng)熱的計(jì)算方法 ， 反應(yīng)熱可用生成熱或燃燒熱來(lái)計(jì)算 ，所以先要討論燃燒熱和生成熱 ， 及其用于反應(yīng)熱的計(jì)算 ， 然后將反應(yīng)熱結(jié)合到能量衡算中去 。 能量衡算 167。 以組成反應(yīng)物及產(chǎn)物的元素，在 25℃ ， 1atm 時(shí)的焓為零，非反應(yīng)分子以任意適當(dāng)?shù)臏囟葹榛鶞?zhǔn)，也要畫(huà)一張?zhí)钣兴辛鞴山M分 ni 和 Hi 的表，只是在這張表中反應(yīng)物或產(chǎn)物的 Hi，是各物質(zhì) 25℃ 的生成熱與物質(zhì)由 25℃ 變到它進(jìn)口狀態(tài)或出口狀態(tài)所需顯熱和潛熱之和。 12 冷凍鹽水 1530 使用方便，冷卻效果好，需冷卻系統(tǒng)，投資大，一般用于冷卻水無(wú)法達(dá)到的低溫冷卻。 加熱劑與冷卻劑 C. 加熱劑和冷卻劑的用量計(jì)算 （ 2）間接蒸汽加熱時(shí)的蒸汽用量 G＝ Q2 /（ ?H－ CPtn） G— 蒸汽消耗量（ kg） Q2— 由加熱劑傳給設(shè)備或物料的熱量（ kJ） ?H— 蒸汽熱焓量（ kJ/kg） tn— 冷卻水的最終溫度 CP— 被加熱液體的比熱容（ kJ/kg℃ ） tK— 放出的冷卻劑的平均溫度 tH— 冷卻劑的最初溫度 91/106 167。 能量衡算 167。 能量衡算 167。 熱量衡算中的幾個(gè)問(wèn)題 A. 有效平均溫差 （ 4）反應(yīng)爐間歇加熱過(guò)程： 如圖所示（無(wú)相變情況），反應(yīng)爐中熱流體的溫度由 t1升到 t2，加熱劑進(jìn)口溫度不變?yōu)?T1，而出口溫度從 T2′升溫至 T2，這時(shí)可用一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式求得較為合理的有效平均溫度： M T1 T2′— T2 t1— t2 AlnA1A)tT()tT(ln)tt(t211112,m???????有效加熱劑的平均最終溫度： t2cp＝ T1－ △ tm,有效 lnA 22211211tTtTtTtTA ?????? 98/106 167。 能量衡算 167。 （ 1）列管式換熱器兩換熱介質(zhì)純逆流流向時(shí)，有效平均溫差等于對(duì)數(shù)平均溫差。 加熱劑與冷卻劑 D. 熱量衡算結(jié)果整理 通過(guò)熱量衡算，以及加熱劑、冷卻劑等用量計(jì)算，再結(jié)合設(shè)備計(jì)算與操作時(shí)間安排等工作，即可求出生產(chǎn)某產(chǎn)品的整個(gè)裝置的動(dòng)力消耗及每噸產(chǎn)品的動(dòng)力消耗定額，由此可得動(dòng)力消耗的每小時(shí)最大用量，每晝夜用量和年消耗量，并列表匯總計(jì)算結(jié)果。 能量衡算 167。 能量衡算 167。 ℃ ) 優(yōu)缺點(diǎn)及使用場(chǎng)合 1 熱水 40100 501400 對(duì)熱敏性物料用熱水比較保險(xiǎn)，傳熱情況不如蒸汽，易冷卻，溫度不易調(diào)節(jié) 2 飽和蒸汽 100180 3003200 冷凝潛熱大，熱利用率高，溫度易于調(diào)節(jié)， 3 過(guò)熱蒸汽 180300 用于較高溫度場(chǎng)合，但傳熱效率較低，不易調(diào)節(jié) 4 導(dǎo)熱油 180250 58175 溫度較高，使用方便，加熱均勻 5 道生液 180250 110450 C6H5C6H5 %與 C6H5OC6H5 %的混合物，加熱均勻，溫度范圍廣，易于調(diào)節(jié)，蒸汽冷凝潛熱，熱效率較高，需道生爐和循環(huán)裝置 6 道生蒸汽 250350 340680 7 煙道氣 5001000 1250 可以獲得較高溫度，特別適用于直接加熱空氣 8 電加熱 500 設(shè)備簡(jiǎn)單、干凈、加熱快，溫度高，易于調(diào)節(jié)，但成本高，適用于用量不大，要求高的場(chǎng)合。 能量衡算的基本原理 化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的能量衡算 （ 2）第二種基準(zhǔn) 如果一個(gè)過(guò)程的反應(yīng)很復(fù)雜，難以寫(xiě)出平行反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)式，或難以確定一種原料參加不同反應(yīng)的量的比例，標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)熱也無(wú)法知道。 （ 1）由標(biāo)準(zhǔn)生成熱 ?Hfo計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)熱 ?Hro ?Hro＝ Σ生成熱 μi(?Hfo)i－ Σ反應(yīng)熱 μi(?Hfo)i （ 2）由標(biāo)準(zhǔn)燃燒熱 ?Hco計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)熱 ?Hro ?Hro＝ Σ反應(yīng)物 μi(?Hco)i－ Σ產(chǎn)物 μi(?Hco)i 83/106 167。 能量衡算 167。 能量衡算 167。 能量衡算 167。 能量衡算 167。 能量衡算的基本原理 E. 無(wú)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的能量衡算 無(wú)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的能量衡算 ， 一般應(yīng)用于計(jì)算指定條件下進(jìn)出過(guò)程物料的焓差 ， 用來(lái)確定過(guò)程的熱量 。 能量衡算的基本原理 D. 機(jī)械能衡算 在反應(yīng)器 、 蒸餾塔 、 蒸發(fā)器 、 換熱器等化工設(shè)備中 ， 功 、 動(dòng)能 、位能的變化 ， 較之傳熱量 、 內(nèi)能和燴的變化 ， 是可以忽略的 。 能量衡算 167。 能量衡算 167。 能量衡算 167。 能量衡算 167。 以環(huán)境向體系作功為正 、 反之為負(fù) 。 能量衡算 167。 62/106 167。 物料衡算舉例 167。 從蒸發(fā)器放出的濃縮料液含 %(mol) K2CrO4進(jìn)入結(jié)晶槽 ， 在結(jié)晶槽被冷卻至 40℃ ， 用冷卻水冷卻 （ 冷卻水進(jìn)出口溫差 5℃ )。 具有循環(huán)及排放過(guò)程的物料衡算 具有循環(huán)及排放過(guò)程的物料流程圖： W— 排放物料 S— 分離產(chǎn)物 R/W— 循環(huán)比 每個(gè)平衡體系各物料之間關(guān)系： 總物料 F＝ P＋ W 反應(yīng)器 MF ＝ RP 分離器 RP＝ P＋ S 節(jié)點(diǎn) A MF＝ F＋ R 節(jié)點(diǎn) B S＝ R＋ W 55/106 167。 已知反應(yīng)器 1中 CO轉(zhuǎn)化率為 ，由此得反應(yīng)器 1的反應(yīng)速率： r 1＝ Fi, 輸入 xi ＝（ 100＋ 214） ＝ mol/h 物流 4中每一物質(zhì)分別為： N2平衡 F4,N2 ＝ 100 ＝ 78 mol/h CO平衡 F4,CO ＝ 127 r 1 ＝ mol/h H2O平衡 F4,H2O ＝ 628 r 1 ＝ mol/h CO2平衡 F4,CO2 ＝ 2 ＋ r 1 ＝ mol/h H2平衡 F4,H2 ＝ 107 ＋ r 1 ＝ mol/h 物流 4的組成（摩爾分率） N2 CO H2O CO2 H2 52/106 167。在反應(yīng)器中與水蒸氣發(fā)生反應(yīng)： CO＋ H2O CO2＋ H2 N2 78%, CO 20% CO2 2%, F1 H2 50%, CO 50%, F2 反應(yīng)器 1 反應(yīng)器 2 H2O, F3 F4 N2, H2， H2O CO， CO2 F5 N2, H2, H2O, CO2 最后得到物流中 H2與 N2之比為 3： 1，假定水蒸氣流率是原料氣總量（干基）的兩倍，同時(shí)反應(yīng)器 1中 CO的轉(zhuǎn)化率為 80%，試計(jì)算中間物流（ 4）的組成。 物料衡算舉例 167。 物料衡算舉例 167。x 41/106 167。 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 選擇性 （ 以 S表示 ） ：反應(yīng)物反應(yīng)成目的產(chǎn)物所消耗的量占反應(yīng)物反應(yīng)掉的量的百分?jǐn)?shù) 。 若以從表示過(guò)量反應(yīng)物的摩爾數(shù) ， Nt表示與限制反應(yīng)物完全反應(yīng)所需的摩爾數(shù) ， 則過(guò)量百分?jǐn)?shù)即為 38/106 167。 物料衡算舉例 167。 33/106 167。 解： 設(shè) x—— 廢酸量， kg； y—— 濃 H2SO4量， kg； z—— 濃 HNO3量； kg z kgy kg混合過(guò)程廢酸 x kg 混合酸3ONHOS2HH 24OH N O 322HHOOS 4H S2 4OOH 23ONH2H O(1) 畫(huà)物料流程簡(jiǎn)圖 31/106 167。 吸收塔 蒸餾塔 冷凝器 水 F1 1200kg/h 混合氣體 F2 (mol)%丙酮 空氣 F3 產(chǎn)品 F4 丙酮 99%,水 1% 廢料 F5：丙酮 5%，水 95% 29/106 167。 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(jìn)入過(guò)程單元 的物料量 Fi 流出過(guò)程單元 的物料量 F0 在過(guò)程單元內(nèi)生 成的物料量 Dp 在過(guò)程單元內(nèi)消 耗的物料量 Dr — — ＋ 過(guò)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(guò)程： （ Fi F0）＋（ Dp Dr）＝ 0 b) 不穩(wěn)定無(wú)反應(yīng)操作過(guò)程： （ Fi F0）＝ W c) 穩(wěn)定無(wú)反應(yīng)操作過(guò)程： （ Fi F0）＝ 0 26/106 167。 干基：硝酸 ?0 23/106 167。 1kg、 1000kg、 100t 以氮和氫為原料合成氨的工藝過(guò)程，可采用物質(zhì)的量為基準(zhǔn)。 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(shí) ，加入分離劑的配比 。 物料衡算 167。 3. 半連續(xù)操作過(guò)程： 操作時(shí)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 。 工藝基礎(chǔ)數(shù)據(jù) 167。 13/106 167。 工藝過(guò)程及過(guò)程參數(shù) 167。 化工過(guò)程 10/106 167。 8/106 167。 6/106 167。 化工過(guò)程 化工過(guò)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(guò)程 。 工藝過(guò)程及過(guò)程參數(shù) 主要內(nèi)容包括： 1. 化工過(guò)程； 2. 化工工藝流程； 3. 化工過(guò)程開(kāi)發(fā)； 4. 化工過(guò)程基本參數(shù) — 溫度、壓力、流量、化學(xué)組成等基本概念。 化工過(guò)程 單元操作 反應(yīng)過(guò)程 5/106 167。 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。 所謂流程圖 ， 就是把生產(chǎn)過(guò)程中物料經(jīng)過(guò)的設(shè)備按其形狀畫(huà)出示意圖 ， 并畫(huà)出各設(shè)備之間的主要物料管線及其流向 。 化工過(guò)程開(kāi)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(jià)值 ， 產(chǎn)物分離的難易程度以及機(jī)械 、 設(shè)備 、材料是否可行 。 化工基礎(chǔ)數(shù)據(jù)種類 在化工計(jì)算以及化工工藝和設(shè)備設(shè)計(jì)中，必不可少地要用到有關(guān)化合物的物性數(shù)據(jù)。這些致?lián)蓮挠嘘P(guān)的化學(xué)化工類手冊(cè)或?qū)I(yè)性的化工手冊(cè)中查到。 間歇操作、連續(xù)操作以及半連續(xù)操作 1. 聞歇操作過(guò)程： 1. 原料在生產(chǎn)操作開(kāi)始時(shí)一次加入 ， 然后進(jìn)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(guò)程 。 穩(wěn)定狀態(tài)操作和不穩(wěn)定狀態(tài)操作 整個(gè)化工過(guò)程的操作條件 （ 如溫度 、 壓力 、 物料量及組成等 ）如果不隨時(shí)間而變化 ， 只是設(shè)備內(nèi)不同點(diǎn)有差別 ， 這種過(guò)程稱為穩(wěn)定狀態(tài)操作過(guò)程 ， 或稱穩(wěn)定過(guò)程 。 3. 作為熱量計(jì)算的依據(jù)。 基本原理 C. 物料衡算的基準(zhǔn) 1. 時(shí)間基準(zhǔn)： ① 連續(xù)生產(chǎn)：一段時(shí)間的投料量或生產(chǎn)產(chǎn)品量作