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第三章 化工计算 第一节 化工过程及过程参数 应用守恒定律来研究化工过程的物料衡算和能量 衡算问题。 化工过程基础知识主要内容包括： 主要任务： 化工过程； 化工工艺流程； 化工过程开发； 化工过程基本参数温度、压力、 流量、化学组成等基本概念。 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 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、控制或减少副反应的可能性等。 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。 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。 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N23H2 2NH3，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。 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。 化工工艺流程 工艺流程图能简明、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。 13 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 挤效益高的最佳方案。 14 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下几类： (1) 基本物性数据如临界常数（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、气一液平衡关系等。 (2 )热力学物性数据如内能、焓、熵、热容、相变 热、自由能、自由焓等。 (3) 化学反应和热化学数据如反应热、生成热、燃 烧热、反应速度常数、活化能，化学平衡常数等。 (4) 传递参数如粘度、扩散系数、导热系数等。 通常这些数据可用下列方法得到： 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。 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。 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）、稳定状态操作 （2）、不稳定状态操作两类。 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。 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。 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。 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。 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 每种组分衡算式 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、质量基准 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。 能量衡算的基本概念 动能（Ek） 运动着的流体具有动能； 位能（EP） 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。 静压能（Ez）流体由于一定的静压强而具有的 能量。 内能（U） 内能是指物体除了宏观的动能和位 能外所具有的能量。 一、能量的形式 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。 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等。以环境向体系作功为 正、反之为负。 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 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 ，可以看作是温度差T和引起温度变化的热量Q之 间的比例常数，即QmCT 二、 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、连续稳定流动过程的总能量衡算 H +Ek + EP Q + W b、 间歇过程的总能量衡算 U +Ek + EP Q + W c、一般间歇操作，能量、位能差项等于零， 即Ek0，EP0，所以上式又可简化为 U Q + W 2、热量衡算 l 热量衡算式 Q = H = H1 H2 Q = U = U1 U2 (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 =H1 H2 或 Q = U1 U2 l 热量衡算的基本方法及步骤 热量衡算有两种情况： 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。 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 ，功、动能、位能的变化，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 算时，总能量衡算式可以简成Q = U (封闭体系）或 Q = H (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。 连续稳定流动过程总能量衡算式： Hu2/2gZ(PV)QW 1千克不可压缩流体流动时的机械能衡算式： P/u2/2gZFW 43 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AH，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 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 H之和即为全过程的H。 1、无相变的变温变压过程 2、相变过程的能量衡算 汽化和冷凝、熔化和凝固、升华和凝华这类相变过程 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 相的变化时的焓变称为相变热。例如100oC、latm时液 体水转变成水汽的焓变H等于40.6kJ/mol，称为在该 温度和压力下水的汽化潜热。 三种相变的相变热定义如下： 汽化潜热(Hv）当T和P不变，单位数量的液 体汽化所需的热量。 熔化潜热(Hm) 当T和P不变，单位数量的固 体熔化所需的热量。 升华潜热(Ht）当T和P不变，单位数量的固体 气化所需的热量。 44 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吸收热 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 器必须有供热或冷却用的换热设备，这种措施不但 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。 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。 1、反应热及其表示 恒压反应热 QpHr 恒容反