第二章 工艺计算

1、第二章第二章工艺计算工艺计算 第一节第一节化工过程及过程参数化工过程及过程参数 (一一) 化工过程化工过程 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。化学或物理处理，最终成为

2、合格的产品。 化工过程中的各种设备所进行的主要操作可归纳为下列几化工过程中的各种设备所进行的主要操作可归纳为下列几 类：类： 1.化学反应化学反应；2.分离或提纯分离或提纯；3.改变温度改变温度；4.改变压力改变压力，5. 混合等混合等。 ( (二二) 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、温度、 压力、流量及物料的百分组成或浓度等压力、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，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。这些定，条件改变其数值也随之变化，这些物理

3、量称为过程参数。这些 参数常作为控制生产过程的主要指标。参数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。过计算求得，有时也可以根据经验数据选定。 (三三)化工基础数据化工基础数据 (1) (1) 基本物性数据基本物性数据如临界常数（临界压力、临界温度、临界如临界常数（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

4、、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。气一液平衡关系等。 (2 )(2 )热力学物性数据热力学物性数据如内能、焓、熵、热容、相变热、自由如内能、焓、熵、热容、相变热、自由 能、自由焓等。能、自由焓等。 (3) (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、燃烧热、反如反应热、生成热、燃烧热、反 应速度常数、活化能，化学平衡常数等。应速度常数、活化能，化学平衡常数等。 (4) (4) 传递参数传递参数如粘度、扩散系数、导热系数等。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：通常这些数据可用下列方法得到： 1 1、查手册或文

5、献资料、查手册或文献资料 2 2、估算。可以应用物理和化学的一些基本定律计算各种、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。物质的性质参数。 3 3、用实验直接测定。、用实验直接测定。 （一）物料衡算的基本方法（一）物料衡算的基本方法 第二节第二节物物料料衡衡算算 2 2、物料衡算式、物料衡算式 q物料衡算是研究某一个体系内进、出物料量及物料衡算是研究某一个体系内进、出物料量及 组成的变化组成的变化 所谓体系就是物料衡算的范围，它可以根据实所谓体系就是物料衡算的范围，它可以根据实 际需要人为的选定。体系可以是一个设备或几个际需要人为的选定。体系可以是一个设备或几个 设备，

6、也可以是一个单元操作或整个化工过程。设备，也可以是一个单元操作或整个化工过程。 进行物料衡算时，必须首先确定衡算的体系。进行物料衡算时，必须首先确定衡算的体系。 根据质量守恒定律，对某一个体系，输入体系的根据质量守恒定律，对某一个体系，输入体系的 物料量应该等于输出物料量与体系内积累量之和。物料量应该等于输出物料量与体系内积累量之和。 所以，物料衡算的基本关系式应该表示为：所以，物料衡算的基本关系式应该表示为： 式中生成或消耗是因反应而生成或消耗的量；积累式中生成或消耗是因反应而生成或消耗的量；积累 项可正可负。当积累项不为零时，称为非稳定过程；项可正可负。当积累项不为零时，称为非稳定过程；

7、积累项为零时积累项为零时, ,称为稳定过程。称为稳定过程。 p 对无反应的稳定过程对无反应的稳定过程: : 输入输入= =输出输出 体系中积累体系中积累= =输入输入输出输出+ +生成生成消耗消耗 p 稳定过程稳定过程: : 输入输入= =输出生成输出生成+ +消耗消耗 如图，共有三个流股，进料如图，共有三个流股，进料F F及出料及出料P P和和WW。有两个。有两个 组分。每个流股的流量及组成如图所示。图中组分。每个流股的流量及组成如图所示。图中x x为为 质量分数。质量分数。 可列出物料衡算式：可列出物料衡算式： 总物料衡算式总物料衡算式 F = P + WF = P + W 每种组分衡算式

8、每种组分衡算式 F Fx xf1 f1 = P = Px xp1 p1 + + W Wx xw1 w1 F Fx xf2 f2 = P = Px xp2 p2 + W + Wx xw2 w2 12 3 F P W f1 f2 p1 p2 w1 w2 x x x x x x 无化学反应的 连续过程物料衡算 过 程 3 3、物料衡算的基准、物料衡算的基准 q基准选得适当可是计算简化。究竟采用什么作基准视具基准选得适当可是计算简化。究竟采用什么作基准视具 体情况而定，不宜硬性规定，可建议：体情况而定，不宜硬性规定，可建议： 以以1t 1t产品为基准产品为基准 以以1mol1mol某反应物为基准某反应

9、物为基准 在连续操作中，以单位时间，即在连续操作中，以单位时间，即/h/h或或kmol/hkmol/h作基准；作基准； 在间歇操作中，以在间歇操作中，以/ /批为基准批为基准 有化学变化的过程，适宜采用重量作基准；无化学变化有化学变化的过程，适宜采用重量作基准；无化学变化 的过程，以重量或的过程，以重量或kmol/hkmol/h为基准为基准 对于液固系统常用单位质量作基准，而液相常用单位体对于液固系统常用单位质量作基准，而液相常用单位体 积作基准积作基准 q例例: :某尿素厂的生产能力为某尿素厂的生产能力为6 6万万t t尿素尿素/a,/a,年操作日年操作日300d300d， 尿素的氨耗为尿素

10、的氨耗为0.6t0.6t氨氨/t/t尿素，生产过程的氨损失按尿素，生产过程的氨损失按5%5%考虑，考虑， 已知以已知以1t1t氨为基准的某股气体的组成和量如下表所示。氨为基准的某股气体的组成和量如下表所示。 组成组成CO2COH2N2CH4合计合计 (mol)28.561.252.6117.050.575100 kmol54.302.29100.0432.431.093190.99 求：列出该股气体的组成和流量表？求：列出该股气体的组成和流量表？ 以以1t氨为基准的各组分的氨为基准的各组分的kmol量乘以量乘以5.25所得结果为流量。所得结果为流量。 气体的流量和组成如下表所示气体的流量和组成

11、如下表所示: 组成组成CO2COH2N2CH4合计合计 (mol)28.561.252.6117.050.575100 kmol/h285.112.02525.2170.25.74998.3 解解: :小时产量为小时产量为 600000.61.05 30024 =5.25t/h （二）无化学反应的物料衡算（二）无化学反应的物料衡算 1 1、简单过程的物料衡算简单过程的物料衡算 2 2、多单元系统多单元系统 在化工过程中，一些只有物理变化，不在化工过程中，一些只有物理变化，不 发生化学反应的单元操作，如混合、蒸馏、发生化学反应的单元操作，如混合、蒸馏、 蒸发、干燥、吸收、结晶、萃取等。蒸发、干燥

12、、吸收、结晶、萃取等。 p这些过程都可以根据物料衡算式，列出这些过程都可以根据物料衡算式，列出 总物料和各组分的衡算式，再用代数法求总物料和各组分的衡算式，再用代数法求 解。解。 1、简单过程的物料衡算、简单过程的物料衡算 p简单过程是指仅有一个设备或一个单元简单过程是指仅有一个设备或一个单元 操作或整个过程简化成一个设备的过程。操作或整个过程简化成一个设备的过程。 这种过程的物料衡算比较简单，在物料流这种过程的物料衡算比较简单，在物料流 程简图中，设备边界就是体系边界。程简图中，设备边界就是体系边界。 下面举例说明计算步骤和计算方法。下面举例说明计算步骤和计算方法。 p一种废酸，组成为一种废

13、酸，组成为2323( (质量质量)HNO)HNO3 3，5757 H H2 2SOSO4 4和和2020H H2 2O O，加入，加入9393的的H H2 2SOSO4 4及及9090的的 浓浓HNOHNO3 3，要求混合成，要求混合成2727HNOHNO3 3及及6060H H2 2SOSO4 4的的 混合酸，计算所需废酸及加入浓酸的数量。混合酸，计算所需废酸及加入浓酸的数量。 解：设解：设x为废酸量，为废酸量，kg； y为浓为浓H2SO4量，量，kg； z为浓为浓HNO3量量,； 画物料流程简图画物料流程简图 0.57 0.20 z kg 0.23 y kg 0.60 0.13 0.27

14、0.07 0.93 0.90 0.10 混合过程 废酸 x kg 混合酸 3ONH O S2H H2 4O HNO3 2 2 H H O OS4 H S24O OH2 3ONH 2H O 选择基准选择基准:可以选废酸或浓酸的量为基准，也可以用可以选废酸或浓酸的量为基准，也可以用 混合酸的量为基准，因为四种酸的组成均已知，选任何一混合酸的量为基准，因为四种酸的组成均已知，选任何一 种作基准计算都很方便。种作基准计算都很方便。 列物料衡算式，该体系有列物料衡算式，该体系有3种组分，可以列出种组分，可以列出3个独个独 立方程，所以能求出立方程，所以能求出3个未知量。个未知量。 基准：基准：100kg

15、混合酸混合酸 总物料衡算式总物料衡算式x+y+z=100(1) H2SO4的衡算式的衡算式0.57x+0.93y=1000.6=60(2) HNO3的衡算式的衡算式0.23x+0.90z=1000.27=27(3) 解解(1)，(2)，(3)方程，得方程，得x=41.8kg废酸废酸 y = 39kg浓浓H2SO4 z = 19.2kg浓浓HNO3 即由即由41.8kg废酸、废酸、39kg浓浓H2SO4和和19.2kg浓浓HNO3可以混可以混 合成合成100kg混合酸。混合酸。 2、多单元系统、多单元系统 对有多个设备的过程，进行物料衡算时，对有多个设备的过程，进行物料衡算时， 可以划分多个衡算

16、体系。此时，必须选择可以划分多个衡算体系。此时，必须选择 恰当的衡算体系，这是很重要的步骤。不恰当的衡算体系，这是很重要的步骤。不 然会使计算繁琐，甚至无法求解。然会使计算繁琐，甚至无法求解。 p 造纸厂的碱回收工序有一个四效蒸发器造纸厂的碱回收工序有一个四效蒸发器, ,供供 料方式为料方式为,蒸发器的总处理蒸发器的总处理 量为量为8000080000/h/h造纸废液造纸废液( (黑液黑液) )。计算总蒸计算总蒸 发水量和每一效蒸发器的蒸发水量。发水量和每一效蒸发器的蒸发水量。 四效蒸发系统的物料平衡四效蒸发系统的物料平衡 四效蒸发系统的物料衡算过程四效蒸发系统的物料衡算过程 将整个系统简化为

17、一个单元，可计算出总蒸发量将整个系统简化为一个单元，可计算出总蒸发量 FX进 进=（ （F进 进-W） ）X出 出 ）（ 出 进 进 X X FW1 则总蒸发水量为则总蒸发水量为 hkgW/60000 60 15 180000）（ 总 四效蒸发系统的物料衡算过程四效蒸发系统的物料衡算过程 第三效蒸发水量为第三效蒸发水量为 则第则第效的蒸发水量效的蒸发水量W为为 hkgW/12600) 8 .17 15 1 (80000 进入第进入第的料液量的料液量80000-12600=67400kg/h hkg /14300) 6 .22 8 .17 1 (67400 类推得：类推得：15000kg/h 1

18、8100kg/h （三）反应过程的物料衡算（三）反应过程的物料衡算 1、直接计算法、直接计算法 在物料衡算中，根据化学反应式，运用化学在物料衡算中，根据化学反应式，运用化学 计量系数进行计算的方法，称为直接计算法。计量系数进行计算的方法，称为直接计算法。 p甲醇氧化制甲醛，其反应过程为甲醇氧化制甲醛，其反应过程为 CHCH3 3OH + 1/2OOH + 1/2O2 2 HCHO + H HCHO + H2 2O O 反应物及生成物均为气态。甲醇的转化率为反应物及生成物均为气态。甲醇的转化率为 7575，若使用，若使用5050的过量空气，试计算反应的过量空气，试计算反应 后气体混合物的摩尔组成

19、。后气体混合物的摩尔组成。 解：画出流程示意图，如下图：解：画出流程示意图，如下图： 催化反应器催化反应器 CH3OH 空气空气 CH3OH HCHO H2O O2 N2 （过量（过量50%)50%) 基准：基准：1molCH3OH 根据反应式，需氧根据反应式，需氧0.5氧入氧入=0.51.5=0.75 氮入氮出氮入氮出0.75(79/21)=2.82 反应的甲醇量反应的甲醇量0.751=0.75 甲醛的出量甲醛的出量0.75甲醇的出量甲醇的出量10.75=0.25 氧的出量氧的出量0.750.750.5=0.375 水的出量水的出量0.75 p计算结果如下表：计算结果如下表： 组分组分CH3

20、OHHCHOH2OO2N2总计总计 mol0.2500.7500.7500.3752.8204.945 摩尔分数（）摩尔分数（）5.015.215.27.657.0100.0 、元素衡算法、元素衡算法 元素衡算是物料衡算的一种重要形式。在作元素衡算是物料衡算的一种重要形式。在作 这类衡算时，并不需要考虑具体的化学反应，这类衡算时，并不需要考虑具体的化学反应， 而是按照元素种类被转化及重新组合的概念而是按照元素种类被转化及重新组合的概念 表示为：表示为： 输入输入( (某种元素某种元素) )输出输出( (同种元素同种元素) ) 对反应过程中化学反应很复杂，无法用一、对反应过程中化学反应很复杂，无

21、法用一、 两个反应式表示的物料衡算，可以列出元素两个反应式表示的物料衡算，可以列出元素 衡算式，用代数法求解。衡算式，用代数法求解。 C3H8+5O2 3CO2+4H2O 基准：基准：100mol烟道气：烟道气： 设：设：N-烟道气中烟道气中N2的的molQ-烟道气中烟道气中H2O,mol M-烟道气中烟道气中O2的的molA-输入输入空气空气mol P-烟道气中烟道气中CO2的的molB-输入丙烷，输入丙烷，mol 列平衡式：列平衡式：C平衡：平衡：P=3BN2平衡平衡:0.79A=N H2平衡：平衡：Q=4B过剩氧气过剩氧气:0.21A0.25/1.25=M O2平衡：平衡：0.21A=M

22、+P+1/2Q 烟道气总量烟道气总量:N+M+P+Q=100 o丙烷充分燃烧时，要供给的空气量为理论量的丙烷充分燃烧时，要供给的空气量为理论量的 125%125%，问每，问每10mol10mol燃烧产物，需多少燃烧产物，需多少molmol的空气？反的空气？反 应：应： 燃燃 烧烧 丙烷丙烷 空气空气 （O2N2） CO2H2OO2N2 、用联系组分作衡算、用联系组分作衡算 p“联系组分联系组分”是指随物料输入体系，但完全不参是指随物料输入体系，但完全不参 加反应，又随物料从体系输出的组分，在整个反加反应，又随物料从体系输出的组分，在整个反 应过程中，它的数量不变。应过程中，它的数量不变。 如果

23、体系中存在联系组分，那么输入物料和输出如果体系中存在联系组分，那么输入物料和输出 物料之间就可以根据联系组分的含量进行关联。物料之间就可以根据联系组分的含量进行关联。 例如，例如，F F、P P分别为输入、输出物料，分别为输入、输出物料，T T为联系组分。为联系组分。 T T在在F F中的质量分数为中的质量分数为X XFTFT，在，在P P中的质量分数为中的质量分数为X XPTPT， 则则F F与与P P之间的关系为：之间的关系为： FXFT=PXPT 、以节点进行计算、以节点进行计算 q以流程中某一点的汇聚或分支处的交点，即节点来进以流程中某一点的汇聚或分支处的交点，即节点来进 行计算可使计

24、算简化，如原料加入到循环系统中、物料行计算可使计算简化，如原料加入到循环系统中、物料 的混合、溶液的配制以及精流塔塔顶回流和产品取出等，的混合、溶液的配制以及精流塔塔顶回流和产品取出等， 均需采用节点来进行计算。均需采用节点来进行计算。 节点节点 分流分流B 分流分流C 分流分流A 节点节点 A B C 节点示意图节点示意图 、复杂反应体系所有产物或副产物各自的收率、复杂反应体系所有产物或副产物各自的收率 作物料作物料 转化率转化率 对于一个系统，转化率是原料中某一反应物参加化对于一个系统，转化率是原料中某一反应物参加化 学反应的量占其通入系统总量的百分数，它表示了化学反应的量占其通入系统总量

25、的百分数，它表示了化 学反应进行的程度。学反应进行的程度。对反应物对反应物A而言，其转化率而言，其转化率XA的的 数学表达式为：数学表达式为： 式中式中通入系统的反应物通入系统的反应物A的量，的量，mol； 反应后离开系统的反应物反应后离开系统的反应物A的量，的量，mol。 %100 0 0 A AA A N NN X 0A N A N 量输入到反应器的反应物 应物量量从反应器输出的反输入到反应器的反应物 100 %100 输入到过程的反应物量 从过程输出的反应物量输入到过程的反应物量 总转化率 %100 通入的反应物量 量平衡时反应掉的反应物 平衡转化率 数限制反应物的化学计量 计量数数限制

26、反应物的化学过量反应物的化学计量 100 反应所需的理论量 反应所需的理论量反应物的实际投料量 过量100 （四）循环过程的物料衡算（四）循环过程的物料衡算 例如在生产例如在生产 中一般将未反应的原料与产品先分中一般将未反应的原料与产品先分 离，后循环返回原料进口处，与新原料一起再进离，后循环返回原料进口处，与新原料一起再进 入反应器反应。入反应器反应。 例如苯直接加氢转化环己烷中的循环过程：例如苯直接加氢转化环己烷中的循环过程： 新鲜新鲜2 纯纯C6H6 循环循环2 80%2 20%C6H6 产物产物 3%H2 在没有循环时，一系列单元步骤的物料衡算可按在没有循环时，一系列单元步骤的物料衡算

27、可按 顺序依次进行，每次可取一个单元但是，如果有顺序依次进行，每次可取一个单元但是，如果有 循环的话，由于循环量并不知道，所以逐次计算并循环的话，由于循环量并不知道，所以逐次计算并 不能计算出循环量。其解法有二：不能计算出循环量。其解法有二： 试差法试差法：假定一个循环量估计值进行计算，将估：假定一个循环量估计值进行计算，将估 计值与计算值比较，若不符，重新假定一个估计值计值与计算值比较，若不符，重新假定一个估计值 ，一直计算到估计值与计算值之差在一定的误差范，一直计算到估计值与计算值之差在一定的误差范 围内。围内。 代数解法代数解法：在循环存在时，列出物料平衡方程式：在循环存在时，列出物料平

28、衡方程式 ，并求解。一般方程式中以循环量作为未知数，应，并求解。一般方程式中以循环量作为未知数，应 用联立方程式的方法进行求解。用联立方程式的方法进行求解。 苯直接加氢转化环己烷中的循环过程的衡算苯直接加氢转化环己烷中的循环过程的衡算 解：解：反应为：反应为：C6H6+3H2C6H12 基准：基准：100kmol/h环己烷环己烷 查苯的总转化率为查苯的总转化率为99% 则生产则生产100kmol/h环己烷需苯环己烷需苯 1000.99=101.01kmol/h 未反应的苯为未反应的苯为 101.01-100=1.01kmol/h 产物中含产物中含H2,设含量为设含量为nH2 3 . 0 01.

29、 1100 2 2 H H n n hKmolnH/12. 3 2 总产量总产量100+1.01+3.12=104.13kmol/h 其摩尔分数为其摩尔分数为 96. 0 126 HC x 01. 0 66 HC x03. 0 2 H x H2的进料率为的进料率为10033.12=303.12kmol/h 苯的进料率为苯的进料率为101.01kmol/h 设设H2循环量为循环量为R 2 . 0 12.30301.101 01.101 R R=100.92kmol/h 序号序号 名称名称 规格规格 消耗定额消耗定额（公斤（公斤/公斤产品）公斤产品）备注备注 物料衡算汇总表物料衡算汇总表 (1)

30、产品消耗定额产品消耗定额 产品消耗定额产品消耗定额 序序 号号 名称名称规格规格单位单位年需求量年需求量备注备注 1 2 3 主要原料、辅助材料的品种、规格及年需求量主要原料、辅助材料的品种、规格及年需求量 (2)原辅材料需求一览表原辅材料需求一览表 在化工工艺计算中，根据在化工工艺计算中，根据能量守恒原能量守恒原理，理， 有以下几种状态：有以下几种状态： 当过程有化学反应时：当过程有化学反应时： 热量进入率热量进入率热量流出率热量流出率反应热生成率反应热生成率反应热消耗率反应热消耗率热量积累率热量积累率 + =- 第二节第二节热量衡算热量衡算 当过程没有化学反应时：当过程没有化学反应时： 热

31、量进入率热量流出率热量积累率热量进入率热量流出率热量积累率 当过程没有化学反应，且处于稳定状态当过程没有化学反应，且处于稳定状态 时：时： 热量进入率热量流出率热量进入率热量流出率 1.能源的选择能源的选择 能源的选择在化工设计过程中能源的选择主能源的选择在化工设计过程中能源的选择主 要为热源与冷源的选择。要为热源与冷源的选择。 常用的热源为：热水、蒸汽包括低压、中压、常用的热源为：热水、蒸汽包括低压、中压、 高压、过热蒸汽、导热油、道生（联苯与二高压、过热蒸汽、导热油、道生（联苯与二 苯醚的混合物）液体、道生蒸汽、烟道气、苯醚的混合物）液体、道生蒸汽、烟道气、 电、溶盐电、溶盐 （NaNO2

32、,40%;KNO3,53%;NaNO3,7%）等。）等。 常用的冷源为：冷冻盐水、液氨、液体乙烯、常用的冷源为：冷冻盐水、液氨、液体乙烯、 常温水、地下水等。常温水、地下水等。 2.热量衡算的步骤热量衡算的步骤 2.1热量衡算需要收集的资料热量衡算需要收集的资料 （1）要求控制的温度与时间参数）要求控制的温度与时间参数 （2）计算所用的物性数据，如比热、潜热、溶解）计算所用的物性数据，如比热、潜热、溶解 热、结晶热、生成热及燃烧热等热、结晶热、生成热及燃烧热等 （3）计算加热、冷却、冷凝和冷冻用的热力学数）计算加热、冷却、冷凝和冷冻用的热力学数 据据 （4）计算流体流动过程中所需参数，如粘度、

33、密）计算流体流动过程中所需参数，如粘度、密 度、压力、流量、时间等度、压力、流量、时间等 （5）计算传热用的导热系数、给热系数、传热系）计算传热用的导热系数、给热系数、传热系 数及散热损失数据等数及散热损失数据等 （6）热量计算公式）热量计算公式 2.2热量衡算的基准热量衡算的基准 在热量衡算过程中经常采用设备在热量衡算过程中经常采用设备1hr的进料的进料 量作为计算热量的基准。量作为计算热量的基准。 热量衡算过程中注意点：热量衡算过程中注意点： （1）单位统一）单位统一在收集的数据中，在计算时在收集的数据中，在计算时 要注意各个数据的单位要统一要注意各个数据的单位要统一 （2）相态变化）相态

34、变化在计算时要注意物料的相态在计算时要注意物料的相态 是否发生变化是否发生变化 （3）适宜的）适宜的K值值在计算时要注意在计算时要注意K值的选择值的选择 要恰当要恰当 （4）适当的）适当的tt的确定要合适的确定要合适 2.3热量衡算的步骤热量衡算的步骤 （1）对单元设备进行热量衡算，求出设）对单元设备进行热量衡算，求出设 备的有效热负荷。备的有效热负荷。 （2）由热负荷确定加热剂或冷却剂的用）由热负荷确定加热剂或冷却剂的用 量，计算设备的传热面积。量，计算设备的传热面积。 （3）列出热量平衡表，检查热量是否平）列出热量平衡表，检查热量是否平 衡衡 （4）列出加热剂与冷却的用量）列出加热剂与冷却

35、的用量 （5）列出用电所需功率）列出用电所需功率 3. 3. 热量衡算的基本关系式热量衡算的基本关系式 热量衡算是能量守恒定律的应用：热量衡算是能量守恒定律的应用： 进进出出 化工过程中的热量衡算通式为：化工过程中的热量衡算通式为： Q Q1 1+Q+Q2 2+Q+Q3 3=Q=Q4 4+Q+Q5 5+Q+Q6 6 Q Q1 1- -物料带入过程或设备中的热量（物料带入过程或设备中的热量（kJkJ） Q Q2 2- -加热剂（或冷却剂）带入过程或设备中的热量（加热剂（或冷却剂）带入过程或设备中的热量（kJkJ） Q Q3 3- -过程的热效应（过程的热效应（kJkJ） Q Q4 4- -产物从

36、过程或设备中带出的热量（产物从过程或设备中带出的热量（kJkJ） Q Q5 5- -消耗在过程或设备中的热量（消耗在过程或设备中的热量（kJkJ） Q Q6 6 设备的热损失（设备的热损失（kJkJ） - 热量衡算按能量守恒定律，在无轴 功的条件下，进入系统的热量与离 开热量应该平衡，在实际中对传热 设备的热量衡算可由下式表示： Q1Q2Q3Q4 Q5+Q6 热量衡算计算方法热量衡算计算方法 所处理的物料所处理的物料 带入设备中的带入设备中的 热量（热量（KJKJ） 加热剂或冷却加热剂或冷却 剂与设备和物剂与设备和物 料传递的热量料传递的热量 过程的热效应过程的热效应 设备各部件所设备各部件所

37、 消耗的热量消耗的热量 （KJKJ） 离开设备物离开设备物 料带走的热料带走的热 量（量（KJKJ） 设备向四周散 失的热量，又 称热损失（KJ） 热量衡算的时间基准可与物料衡算相同，即 对间歇生产可以每日或每批处理物料作基准。 对连续生产以每小时作基准。但不管是间歇 还是连续生产，计算传热面积的热负荷，必 须以每小时作基准，而该时间必须是稳定传 热时间。热量衡算温度基准，一般规定以 25或0，也可以进料温度作基准。 u从式中可得： Q2Q4Q5Q6Q1Q3 热量衡算计算方法热量衡算计算方法 加热剂或冷却加热剂或冷却 剂与设备和物剂与设备和物 料传递的热量料传递的热量 （1 1）QQ1与与QQ

38、4计算计算 Q1（Q4）GiCPI(tto) 式中 Gi-物料质量（kg）； CPI-物料平均等压比热容（KJ/kg）； t-物料的温度（）； to-计算基准温度（）。 Gi的数值可由物料衡算结果而定，t 的数值由生产工艺 确定，CPI则可从手册中查得，或用估算法得到。 热量衡算计算方法热量衡算计算方法 （2 2）QQ5 5计算计算 u消耗在加热或冷却设备上的热量可按下式计算：消耗在加热或冷却设备上的热量可按下式计算： QQ5 5G Gi iC CPI PI(t (t2 2 t t1 1) ) u式中式中 G Gi i- -设备各部件的质量（设备各部件的质量（kgkg） C CPI PI- -

39、设备各部件的比热容设备各部件的比热容kJ/(kgkJ/(kg) t t1 1-设备各部件的初温度（设备各部件的初温度（） t t2 2-设备各部件的终温度（设备各部件的终温度（） 热量衡算计算方法热量衡算计算方法 （3 3）QQ6 6计算计算 u设备向四周散失的热量Q6 6可按下式计算： Q6 6At t(twz wz t0 0)10-3 式中 A-设备散热表 面积（m2）； t t-散热表面向周围介质的联合给热系数W/(m2)； twz wz-器壁向四周散热的表面温度（）； to o-周围介质温度（）； -过程连续时间（s）。 热量衡算计算方法热量衡算计算方法 （4 4）过程热效应）过程热效

40、应QQ3 3计算计算 u过程热效应可分为两类，一类是化学过程热效应即化过程热效应可分为两类，一类是化学过程热效应即化 学反应热效应，另一类是物理过程热效应，即物理状学反应热效应，另一类是物理过程热效应，即物理状 态变化热，如溶解、结晶、蒸发、冷凝、熔融、升华态变化热，如溶解、结晶、蒸发、冷凝、熔融、升华 及浓度变化等吸入或放出热量。纯物理过程无化学反及浓度变化等吸入或放出热量。纯物理过程无化学反 应热效应，但物料经历化学变化过程，除化学反应热应热效应，但物料经历化学变化过程，除化学反应热 效应外，往往伴随着物料状态变化热效应，则两者应效应外，往往伴随着物料状态变化热效应，则两者应 结合在一起考

41、虑，可用下式计算：结合在一起考虑，可用下式计算： QQ3 3QQr rQQp p 式中式中 QQr r-化学反应热效应（化学反应热效应（kJkJ）；）； QQp p-物理过程热效应（物理过程热效应（kJkJ）。）。 热量衡算计算方法热量衡算计算方法 4.加热剂与冷却剂用量的计算加热剂与冷却剂用量的计算 热量衡算的结果，可以确定输入或移热量衡算的结果，可以确定输入或移 走的热量，从而求出加热剂或冷却剂的走的热量，从而求出加热剂或冷却剂的 用量、传热面积的大小等。用量、传热面积的大小等。 输入到设备中或从设备中移走的热量，输入到设备中或从设备中移走的热量， 在不同的情况下是有差异的。在不同的情况下

42、是有差异的。 （1）直接蒸汽加热时的蒸汽消耗量直接蒸汽加热时的蒸汽消耗量 G=Q/(HCptk) 式中：式中：G蒸汽消耗量（蒸汽消耗量（kg） Q蒸汽传给物料的热量（蒸汽传给物料的热量（kJ） H蒸汽热焓量（蒸汽热焓量（kJ/kg） Cp被加热液体的比热容（被加热液体的比热容（kJ/kg） tk被加热液体的最终温度（被加热液体的最终温度（） 为简化起见，通常蒸汽加热时的蒸汽用量计算为简化起见，通常蒸汽加热时的蒸汽用量计算 仅考虑蒸汽放出的冷凝热。仅考虑蒸汽放出的冷凝热。 （2）间接蒸汽加热室蒸汽的消耗量间接蒸汽加热室蒸汽的消耗量 G=Q/(HCptn) 式中：式中：G蒸汽消耗量（蒸汽消耗量（k

43、g） Q蒸汽传给物料的热量（蒸汽传给物料的热量（kJ） H蒸汽热焓量（蒸汽热焓量（kJ/kg） Cp被加热液体的比热容（被加热液体的比热容（kJ/kg） tn冷凝水的最终温度（冷凝水的最终温度（） （3）燃料的消耗量燃料的消耗量 M=Q/(TQP) 式中：式中：M燃料的消耗量（燃料的消耗量（kg） Q由燃料提供给物料的热量（由燃料提供给物料的热量（kJ） T炉子的热效率，从相关的手册中查取炉子的热效率，从相关的手册中查取 QP燃料的热值（燃料的热值（kJ/kg） 木料约为木料约为12000kJ/kg； 煤为煤为1600025000kJ/kg； 液体燃料约为液体燃料约为40000kJ/kg； 煤

44、气约为煤气约为1500020000kJ/m3； 天然气约为天然气约为33000kJ/m3； 裂解气裂解气4600kJ/m3。 （4）冷却剂的消耗量冷却剂的消耗量 包括水、冷冻盐水、空气气等包括水、冷冻盐水、空气气等 W=Q/CP(tKtH) 式中式中W冷却剂的消耗量（冷却剂的消耗量（kg） Q物料冷却所需要的热量（物料冷却所需要的热量（kJ） CP冷却剂的比热容（冷却剂的比热容（kJ/kg） tK冷却剂最终的温度（冷却剂最终的温度（） tH冷却剂最初的温度（冷却剂最初的温度（） （5）电能的消耗量电能的消耗量 E=Q/860 式中：式中：E电能的消耗量（电能的消耗量（kwh） Q物料加热所需要

45、的热量（物料加热所需要的热量（kJ） 860换算系数，换算系数，1kwh=3600kJ=860kw 电热装置的电工效率，一般取电热装置的电工效率，一般取 0.850.95 （6）压缩空气的消耗量压缩空气的消耗量 一般压缩空气的消耗量均折算成每单一般压缩空气的消耗量均折算成每单 位时间耗用常压空气的体积，以位时间耗用常压空气的体积，以 m3/h(1.013x105Pa)表示，因此，在计算表示，因此，在计算 中只需求出压缩空气的体积与压力。中只需求出压缩空气的体积与压力。 压送液体物料时压缩空气的消耗量压送液体物料时压缩空气的消耗量 在生产过程中有两种情况：在生产过程中有两种情况： a.设备中的液

46、体在一次操作中全部压送完设备中的液体在一次操作中全部压送完 一批操作：一批操作： Va=VAP/(9.807x104)m3/一批操作一批操作 式中式中:Va一批操作所消耗的压缩空气量一批操作所消耗的压缩空气量 （已折算成（已折算成1.013x105Pa） VA设备容积（设备容积（m3） P压缩空气在设备内建立的压力压缩空气在设备内建立的压力(Pa) 9.807x104Pa=kg/cm2 每昼夜：每昼夜： Vc=VAPa/(9.807x104)m3/d 式中：式中：a每昼夜压送批数每昼夜压送批数 每小时：每小时： Vh=VAP/(9.807x104x)m3/h 式中：式中：每次压送时间（每次压送

47、时间（h） b.设备中的液体进压出一部分，不完全设备中的液体进压出一部分，不完全 压空时：压空时： 一批操作：一批操作： Va=(VA(2-)+VL)P/(2x9.807x104)m3/一一 批操作批操作 式中：式中：设备装料系数设备装料系数 VL一次压出的液体体积（一次压出的液体体积（m3） 每昼夜：每昼夜： VC=(VA(2-)+VL)Pa/(2x9.807x104) m3/d 每小时：每小时： Vh=(VA(2-)+VL)P/(2x9.807x104x) m3/h 某化工厂年产某化工厂年产3000t31%的盐酸的盐酸,其工艺流程如下图所示其工艺流程如下图所示: （一）能量衡算示例（一）能量衡算示例 1、已知条件、已知条件 要求对冷却器和膜式吸收器作热量衡算要求对冷却器和膜式吸收器作热量衡算 、热量衡算、热量衡算 盐酸生产的物料平衡如图所示（盐酸生产的物料平衡如图所示（31%盐酸盐酸/h为基准）为基准） p 热量衡算的基准：热量衡算的基准：0 0 冷却部分热量计算冷却部分热量计算 冷冷 HCl冷冷却器热量衡算图却器热量衡算图 HCl熔解热熔解热Q2 盐酸带出热量盐酸带出热量Q 出口气体带出热量出口气体带出热量Q 合成炉气带入热量合成炉气带入热量Q 冷