1、化工厂设计概论第三章第三章第三章 化工工艺设计化工工艺设计 化工工艺设计是化工厂设计的核心，有两层意义： 一是任何化工工程设计都是首先从工艺设计开始，最后以工艺设计结束；二是其它非工艺设计在整个设计过程中要服从工艺设计，同时工艺设计又要考虑和尊重其它各专业的特点和合理要求。 工艺设计是关系整个工程设计成败优劣的关键。非工艺设计非工艺设计：交通运输设计、土建设计、公用工程(供电、供热、给排水、采暖通风等)设计、机修、电修等辅助车间设计、外管设计、工程概算和预算等。 一、工艺设计的内容包括：一、工艺设计的内容包括： 1. 设计方案的确定。 2. 生产工艺流程设计。 3. 物料衡算。 4. 热量衡算
2、。 5. 工艺设备的设计和选型。 6. 车间厂房布置设计。 7. 工艺设计与非工艺设计的条件和相互关系。 8. 化工管路设计。 9. 设计说明书的编写。 10.概算书的编写。 二、设计准备二、设计准备 1. 熟悉设计任务和要求 2. 制订工作计划 3. 查阅文献资料 4. 现场调查研究，收集生产实际资料 5. 进行市场调查和预测第一节第一节 设计方案的确定设计方案的确定 在确定设计方案时，应考虑下述问题：1. 生产工艺路线（生产方法）的选择 要对各种工艺路线进行周密的比较，选用技术先进、经济合理和“三废” 得以治理的工艺路线，使项目投产能达到高产、低耗、优质和安全的生产工况。包括： 生产方法的
3、选择： 技术上先进性与可能性的比较； 技术经济指标的比较； 三废治理措施。 2. 原料来源和生产规模的确定 3. 原料与产品规格和物化常数 4. 生产控制方式 5. 生产厂房型式 6. 厂房结构 7. 电气控制 8. 能量回收利用 9. 投资估算第二节第二节 生产工艺流程设计生产工艺流程设计 生产工艺流程示意图 分三阶段 生产工艺流程草图 生产工艺流程图 一、一、 生产工艺流程示意图生产工艺流程示意图 主要任务主要任务：定性的表示出原料转变为产品的路线和顺序，以及要采用的各料单元操作和主要设备。 目标：目标：根据生产要求、建设投资、生产运行费用，利 于安全，方便操作，简化流程，减少三废排放等问
4、题进行综合考虑，反复比较，以确定生产的具体步骤，优化单元操作和设备。 连续化生产的优点连续化生产的优点：1. 连续化生产的设备布置比较紧凑，占地面积小，可节省建设投资。其次是操作方便，可以降低操作人员的劳动强度。2. 连续化操作稳定，容易实现自动控制，并能提高生产能力。3. 产品成份均匀，可以保证产品质量的稳定，提高产品质量。 采用间歇式生产的场合采用间歇式生产的场合：1. 小批量的精细化工产品，市场需求不稳定，或者生产该产品时可以在一台设备中进行几个生产过程者。2. 采用一台设备可以生产多种产品或可以降低生产费用者。3. 由于数据不全或其它技术问题，连续 操作尚未成熟，而 间歇式操作设备己证
5、实安全可靠。4. 当采用连续化生产时，由于其中某些过程反应太慢，使物料停留时间过长而影响其它设备效率者。 物料流程图生产工艺流程示意图 图例 设备一览表物料流程图：设备示意图，设备流程号，物料管线、流向 和动力部分。 图 例 ：只要求标出管线图例。设备一览表：序号、流程号、设备名称、估价、备注等。 二、生产工艺流程草图生产工艺流程草图 在生产工艺流程示意图的基础上，通过物料衡算、能量衡算、设备设计计算，然后确定生产工艺流程草图。 通过物料衡算可以确定：1. 选定计量设备和贮存设备的容积和数量。2. 选定属于容积型的定型设备的型号、规格和数量。3. 决定属于容积型的非定型设备的型式、台数和主要尺
6、寸。 通过能量衡算可以进一步确定化工单元设备的主要工艺参数。 草图内容：物料流程、图例、设备一览表、图签、图框。物料流程要求：1. 厂房各层地平线和标高。2. 设备示意图（比例1：100绘制）。3. 设备流程号。4. 物料和动力管线和流向。5. 管线上的主要阀门等。6. 流程中的设备及管路附件。7. 必要的计量器具和控制仪表。8. 必要的文字说明图例：是将物料流程中画出的有关管线、阀门、设备附件计量器具和控制仪表等图形注明各称。设备一览表：是表示出物料流程中所有设备的名称、型号数量、规格、材料、重量等。图签：注明图名、设计单位、设计、制图、审核人员、绘图比例和图号等。图框：采用粗线条，给整个工
7、艺流程草图以框界。 三、生产工艺流程图（生产工艺流程图（带控制点的工艺流程图） 其内容类同于草图，但更全面、完整和合理，是经过多次反复逐项核查，确认无误后得出的工艺设计成果，编入设计文件，供上级审查批准和今后施工设计之用。第三节第三节 物料衡算物料衡算 一、物料衡算的作用一、物料衡算的作用作用：是化工工艺计算的重要部分。依据：物质质量守恒定律。 二、物料衡算的方法和步骤物料衡算的方法和步骤 稳定连续生产 带物料循环 化工生产方式 间歇生产 不带物料循环 半连续半间歇 1. 物料衡算的步骤 画出物料衡算流程示意图 列出化学反应式 确定物料衡算范围和计算项目 收集数据 选准计算基准 进行物料衡算
8、整理和校核计算结果 绘制物料流程图 2. 物料衡算式总物料衡算式： 输入的物料量 = 输出的物料量 + 积累的物料量 有化学反应时，对任一组分： 输入的物料量 反应生成或消耗的物料量 = 输出的物料量+ 积累的物料量 三、无化学反应时的物料衡算无化学反应时的物料衡算 F，xfi 过程 P，xpi W，xwi可建立的方程有：总物料衡算式： F = P + W各组分衡算式： Fxf1= Pxp1+Wxw1 Fx f2= Px f2+Wx w2 Fx fn= Px fn+Wx wn 摩尔分率： xf1 + xf2 + xfn = 1 即 xfi = 1 xp1 + xp2 + xpn = 1 即 x
9、pi = 1 xw1 + xw2 +xwn = 1 即 xwi = 11. 简单过程的物料衡算简单过程的物料衡算 例例1：一种废酸，组成为23 (wt) HNO3，57H2SO4和20H2O，加入93的浓硫酸及90的浓硝酸，要求混合成含27HNO3及60H2SO4的混合酸，计算生产100kg混合酸所需废酸及加入浓酸的量。 解：解：以100kg混合酸为计算基准，所需各种酸量分别为： x：废酸的量kg，y：浓硫酸的量kg，z：浓硝酸量kg。 z kg y kg HNO3 0.90 H2SO4 0.93 H2O 0.10 H2O 0.07 废酸 x kg 混合酸 100kg HNO3 0.23 混合
10、过程 HNO3 0.27 H2SO4 0.57 H2SO4 0.60 H2O 0.20 H2O 0.13 可列计算式有：总物料衡算式： x + y + z = 100 (1) H2SO4衡算式： 0.57x + 0.93y = 1000.60 = 60 (2) HNO3衡算式： 0.23x + 0.90z = 1000.27 = 27 (3)解(1) 、(2) 、(3) 方程得： x = 41.8 kg废酸，y = 39 kg浓硫酸，z = 19.2 kg浓硝酸。用水量验算结果： 总水量 = 41.80.2 +390.07 +19.20.10 = 13 kg与混合酸中水量（1000.13=13
11、kg）相同，计算正确。 例例2：需要制备富氧湿空气。把空气、纯氧和水通入蒸发室，水在蒸发室中汽化。出蒸发室的气体经分析含1.5的水(mol) ，水的流量为0.0012m3/h，纯氧的流量 (kmol/h) 为空气流量的五分之一，计算所有未知数及组成。解：解：以水流量0.0012m3/h 为计算基准设：Q 空气流量 kmol/h F 富氧湿空气流量kmol/h 0.2Q 纯氧流量kmol/h x 富氧湿空气含氧量mol分率物料流程简图： 富氧湿空气 F kmol/h O2 0.2Q kmol/h H2O 0.015 蒸发过程 O2 x 空气 Q kmol/h N2 1-0.015-x O2 0.
12、21 H2O 0.0012 m3/h N2 0.79 W kmol/h kmol/h水衡算： (1)总物衡： (2)氮衡算： (3)解(1) 、(2) 、(3) 式，得： F = 4.444 kmol/h Q = 3.648 kmol/h x = 0.337=33.706667. 018110000012. 0W06667.0015.0 FWFWQQ2 .0)985. 0(79. 0 xFQ例3. 含20(wt) 丙酮与80空气的混合气进吸收塔，塔顶喷水吸收丙酮。吸收塔出口气体含丙酮3，塔底得到含丙酮10的水溶液50 kg，计算进吸收塔气体的量。解：物料流程图如右 y kg 水基准：50kg1
13、0的丙酮溶液 丙酮 3溶液中： 空气 97 吸 丙酮 5010= 5kg 收 水 50-5 = 45 kg 过衡算式： 程 丙酮 0.2x = 0.03y + 5 x kg 50 kg 空气 0.8x = 0.97y 丙酮20 10丙解上述两方程： 空气10 酮水溶液 x = 28.52 kg y = 22.52 kg进料中丙酮：0.20 x=0.2028.52=5.70 kg出料气中丙酮：5.7-5 = 0.7 kg 或 0.03y = 0.0323.52=0.7 kg 2. 2. 有多个设备过程的物料衡算有多个设备过程的物料衡算 A B C例4：有两个蒸馏塔的分离装置，将含50苯，30甲苯
14、和20(mol) 二甲苯的混合物分成较纯的三个馏分，其流程图如下，计算1000kg/h进料所得各流股的量。 S2 mol/h B 0.03 B 0.95 T 0.95 T 0.03 X 0.02 X 0.02 S4 mol/h 1000mol/h B 0.50 S3 mol/h T 0.30 B x3B S5 mol/h X 0.20 T x3T B 0.0045 X 1-x3B-x3T T 0.43 X 0.5655解：该系统可列三组方程体系A ：总物料 1000 = S2+S3(塔) 苯 10000.50 = 0.95S2 + x3BS3 甲苯 10000.30 = 0.03S2 + x3
15、TS3体系B：总物料 S3 = S4 + S5(塔) 苯 x3BS3 = 0.03S4 + 0.0045S5 甲苯 x3TS3 = 0.95S4 + 0.43S5体系C：总物料 1000 = S2 + S4 + S5(全部) 苯 10000.5 = 0.95S2 + 0.03S4 + 0.0045S5 甲苯 10000.3 = 0.03S2 + 0.95S4 + 0.43S5以上述九个方程中取六个独立方程，联立求解，得： S2 = 520 mol/h S3 = 480 mol/h S4 = 150 mol/h S5 = 330 mol/h x3B = 0.0125 x3T = 0.5925 x
16、3X = 0.3950 四、有化学反应过程的物料衡算1. 基本术语基本术语限制反应物：限制反应物：化学反应原料不按化学计量比配料时，其中以最小化学计量数存在的反应物。过量反应物：过量反应物：不按化学计量比配料的原料中，超过限制反应物完全反应所需理论量的反应物。过量百分数：过量百分数：过量反应物超过限制反应物所需理论量的部分占所需理论量的百分数。 过量转化率：转化率：某一反应物反应掉的量占其输入量的百分数。 %100%ttsNNN%100121AAAANNNx转化率：转化率：某一反应物反应掉的量占其输入量的百分数。 选择性选择性：反应物生成目的产物所消耗的量占反应物反应掉的量的百分数。 aA +
17、 bB = cC + dD收率：收率：目的产物的量除以反应物的量 转化率、选择性、收率三者之间的关系： %100121AAAANNNx%10021AAdNNdaNS%1001ADDNdaNYSxY 2. 简单反应过程的求解方法简单反应过程的求解方法 直接求解法例5：1000kg对硝基氯苯ClC6H4NO2用含20游离SO3的发烟硫酸磺化，规定反应经点时，废酸中含SO3 7(假定反应转化率100) 。反应式如下： ClC6H4NO2 + SO3 ClC6H3(SO3H)NO2试计算： 20SO3的发烟硫酸用量。 废酸生成量。 对硝基氯苯磺酸生成量。解：1kmol对硝基氯苯为计算基准 x为20 S
18、O3的发烟硫酸用量，kg ClC6H4NO2 ClC6H3(SO3H)NO2 SO3 H H2 2SOSO4 4 分子量 157.5 237.5 80 98 输人量：1kmol对硝基氯苯磺化消耗 SO3 1kmol = 80kg 1kmol对硝基氯苯 = 157.5kg 发烟硫酸 xkg 其中 SO3 0.2x kg 硫酸 0.8x kg输出量：对硝基氯苯磺酸 1kmol = 237.5kg 废酸 其中 SO3 0.2x 80 kg 硫酸 0.8x己知废酸含SO3 7 解得：x = 572 kg1000kg对硝基氯苯磺化需要： 20SO3的发烟硫酸用量： kg 废酸生成量： kg对硝基氯苯磺酸
19、生成量： kg%78 .0)802 .0(802 .0 xxx36325725.15710003124)80572(5 .157100015085 .2375 .1571000 元素衡算法元素衡算法 输入 (某种元素)数量 = 输出 (同种元素)数量例6：甲烷、乙烷与水蒸汽用镍催化剂进行转化反应，生成氢气，反应器出口气体组成 (干基) 为： 组分 CH4 C2H6 CO CO2 H2 mol% 4.6 2.5 18.6 4.6 89.7假定原料中只含CH4、C2H6两种碳氢化合物，则求这两种气体的mol比，每1000 Nm3原料气需多少kg蒸汽参加反应？解： CH4 M=？kmol CH4 4
20、.6 C2H6 2.5 C2H6 E=？kmol CO 18.6 CO2 4.6 反应过程 H2 69.7 水蒸气 S=？kmol ( kmol )基准：100kmol 干燥产物气体，列元素衡算式 O原子 S = 18.6 + 4.6227.8 C原子 M2E4.622.518.64.632.8 H原子 4M6E2S44.662.5269.7172.8解得：S27.8 kmol/100kmol干气 E7.0 kmol/100kmol干气 M18.8 kmol/100kmol干气1000 Nm3原料气需水蒸汽量为 kg8 .865180 . 78 .188 .2764.44184 .221000
21、EMS 用联系组分作衡算用联系组分作衡算 “联系组分” 是指随物料输入体系，但完全不参加反应，又随物料以体系中输出。在整个反应过程中，它的数量不变。 或 例7：甲烷与氢混合气在炉子内用空气完全燃烧，烟道气分析为：N2 72.22%、CO2 8.13%、O2 2.49%、H2O 17.16% (mol%)，问 (1) 燃料中氢与甲烷的比例多少？燃料(H2+CH4) 对空气的比例多少？ 解： CH4 + 2O2 CO2 +2H2O 2H2 + O2 2H2O PTfTPxFxfTPTxxPF作流程简图： N2 72.22 烟道气： H2O 17.16 CH4 燃烧过程 CO2 8.13 H2 O2
22、 2.49 空气 O2 21% N2 79%基准：100mol烟道气，以N2作联系物则： 烟道气中的N2 = 输入空气中的N2 输入空气量 molC平衡： 甲烷输入量 = 8.13 molH平衡： 氢气输入量 = 17.1628.130.90 mol 42.917910022.729113. 890. 0)()(42molCHmolH10142.9113. 890. 0)()(42molAirmolCHH 化学平衡计算化学平衡计算 例8. 在接触法硫酸生产中，SO2被氧化成SO3。反应式为： SO2 + 1/2O2 SO3 氧化过程的温度为570，压力为1.1大气压。输入气体组成为：SO2 8
23、(mol) 、O2 9、N2 83。计算达到平衡时的转化率和平衡组成。(570时Kp = 14.9)解：以1mol输入气体为计算基准，SO2平衡转化率为x ： SO2 0.08 mol SO2 0.08(1-x) O2 0.09 反应过程 O2 0.09-0.08x/2 N2 0.83 N2 0.83 1.00 SO3 0.08x 10.04x 223OSOSOpppKp PxxpSO04. 01)1 (08. 02PxxpSO04. 0108. 03PxxpO04. 0104. 009. 02570时，Kp=14.9，P=1.1atm，代入上式： (1)变形： (2)采用试差法求解，得 x
24、= 0.793，即平衡转化率为 79.3。SO2 = 0.08(1-0.793)/(1-0.040.793) = 0.0171 = 1.71O2 = (0.09-0.040.793)/( 1-0.040.793) = 0.0602 = 6.02 同理：SO3 = 0.0655 = 6.55 N2 = 0.8572 = 85.72PxxxxPxxPxxPxKp047. 0104. 009. 0)1 (04. 0104. 009. 004. 01)1 (08. 004. 0108. 09 .141 . 104. 0104. 009. 0)1 (xxxx1 . 104. 0104. 009. 0)1
25、 (9 .14xxxx3. 具有循环、排放及旁路过程的物料衡算具有循环、排放及旁路过程的物料衡算 循环过程的物料衡算循环过程的物料衡算 循环物料 R 新鲜原料 F MF 反 应 器 RP 分离器 产物 P 单程转化率 总转化率例9 . 丙烷在催化反应器中脱氢生成丙烯，其反应为： C3H8 C3H6 + H2 丙烷共转化率为95。反应生成物经分离器分成产物P和循环物料R。产物中含有C3H8、C3H6及H2，其中C3H8量为未反应C3H8的0.555%。循环物料中含有C3H8和C3H6，其中C3H6是产物中C3H6量的5%。试计算产品组成、循环物料组成和单程转化率。%100MFARPAMFANNN
26、%100FASAFANNN解： C3H8 R1 C3H6 R2 kmol/h Kmol/hC3H8 MF 反应器 RP 分离器 C3H8 P1 100 C3H8 N1 C3H8 Q1 C3H6 P2kmol/h C3H6 N2 C3H6 Q2 H2 Q3 H2 P3 过程物料衡算： 丙烷转化率 P1 = 5 kmol/h P2 = 10095% = 95 kmol/h P3 = P2 = 95kmol/h产品组成： C3H8 = 5/195 = 2.56%，C3H6 = 95/195 = 48.72%，H2 = 48.72%分离器物料衡算： C3H8： Q1 = P1 + R1 = 5 + R
27、1 ，又已知：0.555%Q1 = P1 = 5 Q1 = 900 mol，R1 = 895 mol C3H6：Q2 = P2 + R2 = 95 + R2 ，又已知：5% P2 = R2 R2 = 5%95 = 4.75 mol，Q2 = 95 + 4.75 = 99.75 mol%951001001P循环物料组成： C3H8 = 895/(895+4.75) = 99.47%，C3H6 = 4.75/899.75 = 0.53%单程转化率： %100)100()100(%100111111RQRNQN%55.9%100895100900)895100( 具有循环及排放过程的物料衡算具有循环
28、及排放过程的物料衡算 R F MF 反应器 RP 分离器 S W A B P此过程有：循环物料R、排放物料W、产品P，循环比R/W(or R/F、R/MF)总物料衡算 F = P + W反应器物料衡算 MF = RP分离器物料衡算 RP = S + P结点A物料衡算 F + R = MF结点B物料衡算 S = R + W例10：乙烯氧化制环氧乙烷，其生产流程如下图： R 水 F MF RP S乙烯 反应器 吸收塔 W A B 空气 P 环氧乙烷水溶液已知新鲜原料中乙烯：空气 = 1：10，乙烯单程转化率为55%，吸收塔出口气体总量的65%循环返回反应器。计算：总转化率、各流股物料量及排放物料W
29、组成。如果W的分析数据为：N2 81.5%，O2 16.5%，C2H4 2.0%循环比 (R/W) 为3.0，计算新鲜原料中乙烯与空气的比例和单程转化率。 基准：新鲜原料中C2H4为100 mol设混合料MF中C2H4为 x mol，则结点A 物料衡算 F + R = MF结点 A C2H4衡算 10 + x(1-55%)65% = x 解得 x = 14.15 mol反应生成环氧乙烷量 55% x = 55%14.15 = 7.78 mol总转化率为：空气进料量为100mol，其中N2 79mol，O2 21 mol反应消耗的O2量： 7.781/2 = 3.89 molW组成： mol m
30、ol%N2 79 79/98.33 = 80.33%O2 21- 3.89 = 17.11 17.11/98.33 = 17.40%C2H4 10-7.78 = 2.22 7.78/98.33 = 2.27% 流量 98.33 %8 .77%1001078. 7MF组成： mol mol%N2 7965%35% + 79 = 225.71 77.12%O2 17.1165%35% + 21 = 52.78 18.04%C2H4 2.2265%35% + 2.22 = 14.15 4.84% 流量 292.64R组成： mol mol%N2 7965%35% = 146.71 80.33%O2
31、17.1165%35% = 31.78 17.40%C2H4 2.2265%35% = 4.15 2.27% 流量 182.64P流量： C2H4O 10-2.22 = 7.78 molRP组成： mol mol%N2 225.71 78.17O2 31.78 + 17.11 = 48.89 16.93C2H4 4.14 + 2.22 = 6.36 2.20C2H4O 7.78 2.69 流量 288.74基准：100mol排放气 (W) ，以N2作联系物，则：入口空气量 81.5/0.79 = 103.16 mol 其中：N2 81.5 mol ，O2 103.16-81.5 =21.66m
32、ol 又已知 R/W = 3.0，则：R = W3 = 1003 = 300 mol 反应掉的氧气量：21.66 16.5 = 5.16 mol 反应掉的C2H4量：5.162 = 10.32 molC2H4总进料量：10.32 + 2.0 = 12.32 mol 乙烯：空气 = 12.32：103.16 = 1：8.37MF中的乙烯量：32 + 12.32 =18.32 乙烯单程转化率：12.32/18.32100% = 56.33% 具有旁路过程的物料衡算具有旁路过程的物料衡算 B F SF 生 产 过 程 SP MP A B 例11：用烃类气体转化制合成气，以生产甲醇。要求合成气体量为2
33、321Nm3/h，CO：H2 = 1：2.4 (mol) 。转化气含CO 43.12% (mol%)，H2 54.2%，不符合要求，为此需将部分转化气送至CO变换反应器，变换后气体中含CO 8.76%，H2 89.75% (mol%) ，体积减小2%，用此变换气去调节转化气，求转化气及变换气各应多少？解：解： CO2 SF 变换 脱碳 SP 转化气转化气 合成气 F a B b 2321 Nm3/h 基准：2321Nm3/h合成气， b点物料衡算： B + SP = 2321 (B43.12% + SP8.76%)：(B54.20% + SP89.76%) = 1：2.4 解、得：B = 13
34、52 Nm3/h，SP = 969 Nm3/h SF = SP/(1-2%) = 969/0.98 = 989 Nm3/h合成气：F = SF + B = 989 + 1352 = 2341 Nm3/h第四节第四节 能量衡算能量衡算能量消耗是衡量工艺过程、设备设计、操作制度是否先进合理的主要指标之一，是一项重要的技术经济指标。应用：一种是对已有设备查定；另一种是用于设计新设备。 一、基本概念一、基本概念 1. 几个常用术语 系统与环境 为了研究方便，人为的将所研究对象的那部分物质与其余的物质分开。研究对象称为系统，系统以外的部分称环境。孤立系统孤立系统：系统与环境之间既无物质交换，也无能量交换
35、。封闭系统封闭系统：系统与环境只有能量交换而无物质交换。敞开系统敞开系统：系统与环境之间既有物质交换又有能量交换。 强度性质与广度性质强度性质强度性质：与系统内物质的量的大小无关的性质。 如：温度、压力、摩尔分率、比容等。广度性质广度性质：与系统内物质的种类、物质的量等有关的性质。 如：体积、质量、能量等。 状态及状态函数 如果系统的所有宏观性质都分别给予确定值，则系统就有了确定的状态；用来确定系统的宏观性质称为状态函数；系统中各点的性质不随时间变化称稳定系统；否则称非稳定系统。 状态函数的值只取决于给定状态系统的性质，而与达到这个状态的途经或过程无关。 平衡状态 热力学平衡状态。 2. 能量
36、的形式 动能： 位能：EP = mgZ 内能：U = U ( T，V ) 3. 几个与能量有关的物理量 热量(Q)：由温度差而引起交换的能量。 功 (W) ：力与位移的乘积。环境向系统作功为正，否则为负。 焓 (H) ：H =U + PV = H ( T，P ) 热容(C) ： 22mEKdVVUdTTUdUTV21)(TTdTTCmQVVPPTHCTHC,二、 能量衡算的方法及步骤 输入的能量 = 输出的能量 + 积累的能量对于连续稳定过程，积累项为零，则对于连续稳定过程，积累项为零，则： ，H=U +(PV) ，H +EK+EP = Q + W 对绝热过程：Q = 0，当EK+EP0时 绝
37、热型： H = W 对无功过程：W = 0，当EK+EP0时 换热型： H = Q 无功、无热传递过程( Q = 0，W = 0 )：当EK+EP0时 封闭型： H = 022222211121122VPgzuUWQVPgzuUWQPVzguU)(22WQzguH22三、 热量衡算 热量衡算 设计时用，求解各未知量，便于设计。 应用场合 用于查定现有设备热量损失情况。 计算步骤计算步骤： 建立以单位时间为基准的物料流程框图。 在物料流程框图上标明己知温度、压力、相态等条件，并查出或计算出每个组分的焓值，于图上注明。 选定计算基准。物料衡算基准，热量衡算基准（温度298K）。 列热量衡算式并求解
38、。 当生产过程及组成较复杂时，可列出热量衡算表。例12. 两股不同温度的水用作锅炉进水，它们的流量及温度为：A：120 kg/min，30；B：170 kg/min，65；锅炉压力：17 atm (绝压) 。出口蒸汽通过内径为6cm的管子离开锅炉。如产生的蒸汽是饱和蒸汽，计算每分钟要供应锅炉多少千焦的热量。忽略进口动能。解解：A水，120kg/min 30，H=125.7kJ/kg B水，175kg/min 295kg/min65，H=271.9kJ/kg 加热 17atm饱和蒸汽(204) Q (kJ/min) H=2793kJ/minQ + W = H +EK+EP W = 0，EP =
39、0 ； Q = H +EK H =(miHi)2 (miHi)1 (2952793) (120125.7175271.9) 7.61105 kJ/min又水蒸汽比容为0.1166m3/kg， m2 m/s kJ/min Q =H +EK= 7.61105+6.02103= 7.67105 kJ/min上式中：EK/H = 0.8%，对于带相变、化学反应或温度变化较大的过程，动能项EK0。 321083. 2)06. 0(4A2021083.2601166.02953u3221002.622022952muEK四、 机械能衡 对于连续稳定不可压缩流体： V = 1/，U = Q + FWQPVz
40、guU)(22WFPzgu22例13. 虹吸管的机械能衡算从贮槽虹吸汽油(=802kg/m3) ，管线摩擦损失F = 2.38J/kg，如果忽略过程中贮槽液面的变化，计算虹吸25L汽油需多少时间？处均为1atm。解：截面： P1=1atm，u10，h=0.8m 内径截面(管内)： 8mm P2=1atm，u2=？，h2=0 0.8m P =0，z = -0.8，F=2.38，W=0 u2=3.31 m/s m3/s WFPzgu22038. 281. 98 . 0222u421066. 1)008. 0(431. 3uAVmin52.21511066.11000254st五、无化学反应过程的能
41、量衡算过程焓变H计算时可分解为： 恒温时压力的变化。 恒压时温度的变化。 恒压恒温时相态的变化。 两个或两个以上物质的混合和分离。 例如：例如： 冰，-5，1atm 实际途径 蒸汽，300，5atm H H1 H6 冰，0，1atm 蒸汽，300，1atm H2 水，0，1atm 假想途径 H5 H3 水，100，1atm H4 蒸汽，100，1atm 61iiHH1. 无相变的变温变压过程无相变的变温变压过程 Q = U (间歇过程或封闭过程) 或 Q = H (连续稳定流动过程) 恒容过程热Qv或U的计算 A(T1,V1) U A(T2,V2) U1 A(T1,V2) U2 U = U1
42、+U2 ，U1 0 ， 恒压过程热QP或H的计算 A(T1,P1) H A(T2,P2) H1 A(T1,P2) H2H = H1 +H2 ，H1 0 ， 21TTvvdTCnUQ212TTvvdTCnUQ21TTPPdTCnHQ212TTPPdTCnHQ例14：废热锅炉的计算甲醇蒸汽离合成设备时的温度为450，经废热锅炉冷却。废热锅炉产生4.5atm饱和蒸汽。己知进水温度20，压力4.5atm。进料水与甲醇摩尔比为0.2。假定锅炉是绝热操作，求甲醇的出口温度。解：作题图基准：1mol 甲醇，0.2mol 水，条件：水(液)0，甲醇(汽)450 20 0.2mol 水(l)，4.5atm 0.
43、2mol水(g)，4.5atm饱和 废热锅炉 1mol甲醇(g)，450 1mol甲醇(g)，T = ? 查表知：甲醇(g) (450-300) (H水)20= 83.74 kJ/kg = 1507 kJ/kmol， (H饱水汽)4.5atm= 2747 .8 kJ/kg = 49460 kJ/kmol能量衡算：Q = H = 0， n水(H出-H进)水= n醇(H出-H进) 醇 n醇(H出-H进)醇= kJ/kmol n水(H出-H进)水=0.2(494601507) = 9590.6 kJ 解之得：T = 602 K = 329 TCp21015. 905.19KkmolkJdTT)101
44、5. 905.19(72323768805.1910575. 422TT02809705.1910575. 422TT2. 相变过程的能量衡算相变过程的能量衡算 在恒定温度、压力下，单位质量或摩尔物质发生相的变化时的焓变称相变热。相变热。 汽化潜热汽化潜热(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。 升华潜热升华潜热(HS) ：当T和P不变，单位数量的固体气化所需的热量。相变热的经验计算式相变热的经验计算式： 特鲁顿(Trouton) 法则 Hv = bTb kJ/mol 对非极性液体 b = 0.088，水
45、、低分子量醇 b = 0.109 计算Hv误差在30%之内 陈氏(Chen) 方程 J/mol对于烃类及弱极性化合物均适用，误差小于4%)/(07. 1)ln555. 1938. 3/978. 3(319. 8cbccbbvTTPTTTH 克劳修斯-克劳贝隆(Clausius-Clapeyron) 方程 沃森(Watson) 公式 在离临界温度10以外平均误差1.8%。 标准熔化热的估算 (用于金属元素) (用于无机化合物) (用于有机化合物) Tm _正常熔点BRTHPvln38. 01212)()()(TTTTHHccvvmmTmolKH2 . 9)/(mT25mT50例15. 汽化与加热
46、每小时100kmol液体正己烷，在25、7atm下恒压汽化并加热到300，忽略压力对焓的影响，求每小时供热量。解：可能途径 正己烷(液)25 C 正己烷(汽)25 F 正己烷(汽)300 A G 正己烷(液)69(正常沸点) D 正己烷(汽)69 B H 正己烷(液)146( 7atm) E 正己烷(汽)146正常沸点(69) ，Hv= 28.9kJ/mol 液体正己烷 = 8550 kJ/hKkmolkJCP/6 .215KkmolkJTTTCgP/1068.571065.281021.5594. 639252)(molkJTTCHPA/486. 9)298342(6 .215)(12mol
47、kJCHvHD/90.28)69(573342)(/1 .47molkJdTCHgPG) 1 .4790.2848. 9(100)()(GDAHHHnHnQ六、六、 化学反应过程的能量衡算化学反应过程的能量衡算 1. 反应热反应热 恒压反应热 QP =Hr 如：CaC2(s) + 2H2O Ca(OH)2(s) +C2H2(气) 在25，1atm，反应热Hr(25,1atm) = 125.4KJ 恒容反应热 QV = Ur式中： (气态产物) ( 气态反应物)如： 反应热的计算由标准生成焓计算标准反应热 生成物 反应物nRTTHTUrr)()(ini)(7)(6)(219)(222146gOH
48、gCOgOlHCRTTHRTTHTUrrr27)()21976()()()(00ifirHH)(0ifiH由标准燃烧热 计算标准反应热标准态是25,1atm，并规定燃烧产物： a. C的燃烧产物是CO2(g) b. H的燃烧产物是H2O(l) c. N的燃烧产物是N2(g) d. S的燃烧产物是SO2(g) e. Cl的燃烧产物是HCl(稀的水溶液)由盖斯定律得： 反应物 生成物0cH)(00icirHH)(0iciH例：由燃烧热求生成热 己知苯胺的燃烧热 = - 812kcal/mol，求 。 = = ( )苯胺6( )CO2 H2O ( )苯胺 2. 反应过程的能量衡算反应过程的能量衡算H
49、 = 输入 输出 基准的选取第一种基准：298K、1atm为反应物及产物的计算基准。 输出 输入0cH0rH225622243121276ONHHCNOHCO0rH0cH0fH0fH)(270fH0fHmolkcal /58. 8)32.68(27)05.94(6)812(molkJ /89.35iiHniiHn)(0iiArARHnHnH)(iiHn例：氨氧化反应器的计算 氨氧化反应：4NH3(气) + 5O2(气) 4NO +6H2O 此反应在25、1atm时反应热为 =904.6 kJ。现有25的100mol NH3 /h和200molO2/h连续进入反应器，氨在反应器内全部反应，产物于
50、300呈气态离开反应器。操作压力1atm，求反应器应输入或输出的能量。解： 100mol NH3 /h 300 100mol NO /h 25 反应器 150mol H2O/h 200molO2/h 75molO2/h Q kJ/hNO： O2： ， H2O： 输出 输入 = = 19700 kJ/h0rH39252103652. 0102925. 0108188. 05 .29TTTCPCmolJCP /80.30CmolJCP /80.34)(0iiArARHnHnH)(iiHn2758 .341502758 .3075100(004) 6 .904(100573298)(dTCNOP第二
