1、2:53化工设计（2005-2006学年)Design of Chemical Engineering 12:53化工设计（2005-2006学年)Design of Chemical Engineering 23-1 物料衡算物料衡算 化工工艺计算包括化工工艺计算包括物料衡算、能量衡算和设备的工艺物料衡算、能量衡算和设备的工艺计算计算。此项设计工作是在工艺路线确定之后，开始工艺。此项设计工作是在工艺路线确定之后，开始工艺流程的设计并绘制出工艺流程草图后进行的。该项设计流程的设计并绘制出工艺流程草图后进行的。该项设计工作的展开意味着设计工作由定性阶段转入工作的展开意味着设计工作由定性阶段转入定
2、量阶段定量阶段。物料衡算和能量衡算是进行化工工艺过程设计及技术经物料衡算和能量衡算是进行化工工艺过程设计及技术经济评价的基本依据。济评价的基本依据。设备的工艺计算与选型是在物料衡设备的工艺计算与选型是在物料衡算的基础上，确定化工过程所需传热设备的传热面积及算的基础上，确定化工过程所需传热设备的传热面积及设备的几何尺寸；从而确定化工过程所有的工艺设备设备的几何尺寸；从而确定化工过程所有的工艺设备台台数、型式和主要尺寸数、型式和主要尺寸。（结果）。（结果）2:53化工设计（2005-2006学年)Design of Chemical Engineering 3 第一节 物料衡算一、定义：运用质量守
3、恒定律，对生产过程或设备进行研究，计算输入或输出的物流量及组分等称之为物料衡算，物料衡算是工艺设计的基础。二、物料衡算的目的：通常物料衡算有两种情况，一是对已有的生产设备或过程利用实测的数据，计算出另一些不能直接测定的物料量，俗称生产查定。用此计算结果，对生产情况进行分析，做出判断，提出改进措施；二是设计一种新的设备或过程，由物料衡算求出进出各设备的物料量、组成等，然后结合能量衡算，确定设备的工艺尺寸及整个工艺流程 2:53化工设计（2005-2006学年)Design of Chemical Engineering 4 三、物料平衡方程式三、物料平衡方程式 1、根据质量守恒定律，对某一个体系
4、内质量流、根据质量守恒定律，对某一个体系内质量流动及变化的情况用数学式描述物料平衡关系则为动及变化的情况用数学式描述物料平衡关系则为物料平衡方程式。其基本表达式为：物料平衡方程式。其基本表达式为：F0=D+A+B （31）式中，式中，F0输入体系的物料质量；输入体系的物料质量；D离开体系的物料质量；离开体系的物料质量；A体系内积累的物料质量；体系内积累的物料质量；B过程损失的物料质量（如跑、冒、滴、漏）过程损失的物料质量（如跑、冒、滴、漏）2:53化工设计（2005-2006学年)Design of Chemical Engineering 5 2、如果体系内发生化学反应，则对任一组分或任一元
5、素、如果体系内发生化学反应，则对任一组分或任一元素作衡算时，必须把反应消耗或生成的质量也考虑在内。所作衡算时，必须把反应消耗或生成的质量也考虑在内。所以（以（31）式成为：）式成为：Fxif Rxi=Dxid+Axia+Bxid 式中，式中，xi反应过程生成或消耗的反应过程生成或消耗的组分的量，反应生组分的量，反应生成成组分时，组分时，R取取“+”，反应消耗，反应消耗组分时组分时Ri取取“”；xif、xid、xia、xid组分在组分在F，D，A，B中的分率。中的分率。如果体系内不积累物料，即连续稳定的操作过程。这样积如果体系内不积累物料，即连续稳定的操作过程。这样积累的物料质量累的物料质量A等
6、于零，（等于零，（31）式成为：）式成为：F0=D+B 如果体系内没有化学反应，对任一个组分或任一种元素作如果体系内没有化学反应，对任一个组分或任一种元素作衡算时，（衡算时，（32）式中）式中=0，则：，则：2:53化工设计（2005-2006学年)Design of Chemical Engineering 6注：注：（1）物料平衡是指）物料平衡是指质量平衡质量平衡，不是体积或物质的量平衡。，不是体积或物质的量平衡。若体系内有化学反应，则衡算式中各项用摩尔若体系内有化学反应，则衡算式中各项用摩尔/时为单位时为单位时，必须考虑反应式中的时，必须考虑反应式中的化学计量系数化学计量系数。因为反应前
7、后物。因为反应前后物料中的分子数守恒。料中的分子数守恒。（2）对于无化学反应体系能列出独立物料平衡式的最多对于无化学反应体系能列出独立物料平衡式的最多数目等于输入和输出的物流里的组分数数目等于输入和输出的物流里的组分数。例如，当给定两。例如，当给定两种组分的输入输出的物料时，可以写出两个组分的物料平种组分的输入输出的物料时，可以写出两个组分的物料平衡和一个总质量平衡式，这三个平衡式中只有两个是独立衡和一个总质量平衡式，这三个平衡式中只有两个是独立的，而另一个是派生的。的，而另一个是派生的。（3）在写平衡方程式时，要尽量使方程式中所包含的）在写平衡方程式时，要尽量使方程式中所包含的未未知数最少知
8、数最少。2:53化工设计（2005-2006学年)Design of Chemical Engineering 7四、物料衡算的步骤：四、物料衡算的步骤：1、画出物料衡算示意图；不但所有已知数据要表、画出物料衡算示意图；不但所有已知数据要表明在图上，那些明在图上，那些待求的未知数待求的未知数也应当以恰当的也应当以恰当的符号表示，并标在图上，以便分析。符号表示，并标在图上，以便分析。2、写出主、副化学反应式，标出有用分子量；当、写出主、副化学反应式，标出有用分子量；当副反应很多时，那些次要的而且占的副反应很多时，那些次要的而且占的比重很小比重很小的副反应可以略掉的副反应可以略掉；或者将类型相近的
9、若干副；或者将类型相近的若干副反应合并，以其中之一为代表，从而使计算简反应合并，以其中之一为代表，从而使计算简化，这样所引起的误差必须在允许的范围之内化，这样所引起的误差必须在允许的范围之内 2:53化工设计（2005-2006学年)Design of Chemical Engineering 8 但需注意当下列情况不得合并或省略：产但需注意当下列情况不得合并或省略：产生有害物质的副反应，其量虽然微小，却生有害物质的副反应，其量虽然微小，却要进行分离精制，是三废治理的依据。要进行分离精制，是三废治理的依据。2:53化工设计（2005-2006学年)Design of Chemical Engi
10、neering 9 3、确定计算任务（设计任务书）、确定计算任务（设计任务书）对物料的数量、组成及物流走向产生了什对物料的数量、组成及物流走向产生了什么影响。针对过程特点，选定适用的公式，么影响。针对过程特点，选定适用的公式，同时分析数据资料，明确哪些是同时分析数据资料，明确哪些是已知的已知的，哪些是哪些是未知待求的未知待求的。对于未知数据则判别。对于未知数据则判别哪些是可以查到的，哪些是要通过计算求哪些是可以查到的，哪些是要通过计算求出，从而弄清计算任务出，从而弄清计算任务 2:53化工设计（2005-2006学年)Design of Chemical Engineering 10 4、收集
11、数据资料、收集数据资料 计算任务明确之后，收集什么数据和资料也就明计算任务明确之后，收集什么数据和资料也就明确了，一般包括以下方面。确了，一般包括以下方面。（1）生产规模）生产规模 当设计任务有直接规定时按规定当设计任务有直接规定时按规定数字计算。如果是中间车间，应根据消耗定额来数字计算。如果是中间车间，应根据消耗定额来确定生产规模。同时要考虑物料在车间的确定生产规模。同时要考虑物料在车间的回流回流情情况况 （2）生产时间）生产时间 即年工作时数。应根据全厂检修、即年工作时数。应根据全厂检修、车间检查、产生过程的设备特性来考虑每年有效车间检查、产生过程的设备特性来考虑每年有效的工作时数的工作时
12、数 2:53化工设计（2005-2006学年)Design of Chemical Engineering 11 若生产过程中无特殊现象（如易堵、易波若生产过程中无特殊现象（如易堵、易波动），动），设备能正常运转（没有严重腐蚀现设备能正常运转（没有严重腐蚀现象）或者已设有必要的备用象）或者已设有必要的备用（运转的泵和（运转的泵和风机设置备用），且全厂公用系统又能保风机设置备用），且全厂公用系统又能保障供应者，年工作时数可采用障供应者，年工作时数可采用80008400h。全车间停车检修时间较多的生产，年工作全车间停车检修时间较多的生产，年工作时数可采用时数可采用8000h。目前大型化工生产装置。
13、目前大型化工生产装置一一般都采用般都采用8000h。2:53化工设计（2005-2006学年)Design of Chemical Engineering 12 生产难以控制且易出不合格产品，或因堵、生产难以控制且易出不合格产品，或因堵、漏常停修的生产，或者试验性车间，生产漏常停修的生产，或者试验性车间，生产时数采用时数采用7200h，甚至更少。，甚至更少。应当指出，不仅各个车间或装置之间和生应当指出，不仅各个车间或装置之间和生产时数可以不同，就是在同一车间内的各产时数可以不同，就是在同一车间内的各个工序之间也可以采用个工序之间也可以采用不同的生产时数不同的生产时数。例如聚合车间的聚合工序多采
14、用例如聚合车间的聚合工序多采用8000h，而，而后处理工序因运转机械多需经常停车检修后处理工序因运转机械多需经常停车检修故障，所以多采用故障，所以多采用60007000h。2:53化工设计（2005-2006学年)Design of Chemical Engineering 13（3）有关的定额）有关的定额消耗定额是指生产每吨合格产品需要的消耗定额是指生产每吨合格产品需要的原料、原料、辅助原料及试剂辅助原料及试剂等的消耗量。等的消耗量。（4）转化率：反映原料通过反应器之后产生）转化率：反映原料通过反应器之后产生化学变化的程度，其定义为：化学变化的程度，其定义为：%100原料投料量反应掉的原料量
15、转化率%100原料投料量反应后原料剩余量原料投料量2:53化工设计（2005-2006学年)Design of Chemical Engineering 14 从设备生产能力看，从设备生产能力看，一般要求转化率愈高愈好一般要求转化率愈高愈好，这样可以减少剩余原料量也就减少了这样可以减少剩余原料量也就减少了分离精制和分离精制和原料再循环的麻烦原料再循环的麻烦，从而有可能降低设备投资和，从而有可能降低设备投资和操作费用并增大生产能力。不过从反应速度考虑，操作费用并增大生产能力。不过从反应速度考虑，随着转化率升高使原料浓度降低，导致反应速度随着转化率升高使原料浓度降低，导致反应速度变慢，则变慢，则达
16、到较高转化率所需时间过长，达到较高转化率所需时间过长，反而有反而有可能使设备生产能力下降，这是不能不注意的。可能使设备生产能力下降，这是不能不注意的。另一方面，由于反应工程中，往往有多种化学反另一方面，由于反应工程中，往往有多种化学反应同时存在，不仅有生成目的产物的主反应，还应同时存在，不仅有生成目的产物的主反应，还有生成副产物的副反应，所有转化了的原料中只有生成副产物的副反应，所有转化了的原料中只有占一定比率的原料生成目的产物有占一定比率的原料生成目的产物 2:53化工设计（2005-2006学年)Design of Chemical Engineering 15（5）选择性：针对某一既定反
17、应产物来说，）选择性：针对某一既定反应产物来说，生成它所消耗的原料量在全部转化了的原生成它所消耗的原料量在全部转化了的原料量中所占比率称为选择性。其定义为：料量中所占比率称为选择性。其定义为：%100反应掉的原料量量反应为目的产物的原料选择性2:53化工设计（2005-2006学年)Design of Chemical Engineering 16 一般要求选择性愈高愈好。应当指出，仅一般要求选择性愈高愈好。应当指出，仅仅是选择性高并不意味着过程就一定经济仅是选择性高并不意味着过程就一定经济合理，因为它只能说明过程的合理，因为它只能说明过程的副反应很少副反应很少，假如通过反应器的原料只有很少一
18、部分进假如通过反应器的原料只有很少一部分进行反应，则设备的利用率即单位时间的生行反应，则设备的利用率即单位时间的生产能力大大降低，显然只有综合考虑转化产能力大大降低，显然只有综合考虑转化率和选择性才有助于确定合理的工艺指标率和选择性才有助于确定合理的工艺指标 2:53化工设计（2005-2006学年)Design of Chemical Engineering 17（6）单程收率：（简称单收）的概念它表）单程收率：（简称单收）的概念它表示一次通过反应器后反应为目的产物的原示一次通过反应器后反应为目的产物的原料量（或所得目的产物量）占原料量的百料量（或所得目的产物量）占原料量的百分数，其定义为：
19、分数，其定义为：%100原料投料量量反应为目的产物的原料单程收率2:53化工设计（2005-2006学年)Design of Chemical Engineering 18 上面三式中的分子和分母，工业生产计算上面三式中的分子和分母，工业生产计算多采用质量单位；实验室计算多采用多采用质量单位；实验室计算多采用mol单单位时，其相互依赖关系可以表示为：位时，其相互依赖关系可以表示为：转化率转化率选择性选择性=单程收率单程收率 （7）原料、助剂、中间产物和产品的规原料、助剂、中间产物和产品的规格和组成及有关物理化学常数格和组成及有关物理化学常数 2:53化工设计（2005-2006学年)Desig
20、n of Chemical Engineering 19 需注意需注意 有关的物理化学常数。在查找数据时应当有关的物理化学常数。在查找数据时应当注意以下几点。注意以下几点。（1）资料的可靠性：）资料的可靠性：特别注意各种材料在辗特别注意各种材料在辗转刊载中容易发生讹误，应尽可能找原始资料。转刊载中容易发生讹误，应尽可能找原始资料。（2）准确性）准确性：应注意对不同数据的准确性要应注意对不同数据的准确性要求。求。（3）数据的适用范围）数据的适用范围 ：许多常数往往只适用许多常数往往只适用于一定的范围，超出了这个范围误差变大，应予于一定的范围，超出了这个范围误差变大，应予注意注意 2:53化工设计
21、（2005-2006学年)Design of Chemical Engineering 20 5、选定计算基准、选定计算基准 选定计算基准是化工计算的出发点，通常可以从选定计算基准是化工计算的出发点，通常可以从年年产量出发产量出发，由此算出原料年需要量和中间产品，由此算出原料年需要量和中间产品以及三废的年生成量以及三废的年生成量，为了使计算简单，可以先，为了使计算简单，可以先按按100kg或或100kmol原料原料（也可按任何别的方便（也可按任何别的方便的数量）出发进行计算。算出产品量后，和可得的数量）出发进行计算。算出产品量后，和可得实际需要原料量、中间产物和三废生成量。还应实际需要原料量、
22、中间产物和三废生成量。还应指明，必须把各个量的单位统一为指明，必须把各个量的单位统一为SI单位制，并单位制，并且在计算过程中保持前后一致，以避免差错且在计算过程中保持前后一致，以避免差错 2:53化工设计（2005-2006学年)Design of Chemical Engineering 21 总结：当变量较多时，以股为单位 液体或固体以质量为单位 连续流动体系以时间为单位 气体物料，当环境固定（温度、压力）一般以体积为单位。2:53化工设计（2005-2006学年)Design of Chemical Engineering 22 7、展开计算、展开计算 在前几步工作基础上，运用工业化学、
23、化在前几步工作基础上，运用工业化学、化学工程等有关理论，针对物料的变化情况，学工程等有关理论，针对物料的变化情况，分析各个数量之间的关系，分析各个数量之间的关系，列出数学关联列出数学关联式式，关联式的数目应等于未知数的数目。，关联式的数目应等于未知数的数目。当条件不足而导致关联式数目不够时，常当条件不足而导致关联式数目不够时，常采用采用试差法试差法求解（元素衡算法、联系组分求解（元素衡算法、联系组分衡算法）衡算法）2:53化工设计（2005-2006学年)Design of Chemical Engineering 23 7、校核与整理计算结果、校核与整理计算结果 在计算过程中，每算一步都要对
24、计算结在计算过程中，每算一步都要对计算结果进行认真校核，看物料是否平衡，数据果进行认真校核，看物料是否平衡，数据有无差误有无差误 3 3 表3-1 的物料衡算加入密度Kg/m体积m序号物料名称成分%100%物料质 量Kg工业品物料质 量Kg备注123456782:53化工设计（2005-2006学年)Design of Chemical Engineering 24 8、绘制物料流程图绘制物料流程图 物料流程图是表示物料衡算计算结果的一物料流程图是表示物料衡算计算结果的一种简单清楚的表示方法种简单清楚的表示方法,它最大的优点是它最大的优点是查查阅方便阅方便,并能表示出各物料在并能表示出各物料在
25、;流程中的位置流程中的位置和相互关系和相互关系 2:53化工设计（2005-2006学年)Design of Chemical Engineering 25第二节第二节 能能 量量 衡衡 算算一、定义一、定义:物料质量变化的数量关系可从物料衡算物料质量变化的数量关系可从物料衡算中求得，能量的变化则根据中求得，能量的变化则根据能量守恒定律能量守恒定律，利，利用能量传递和转化的规则，通过平衡计算求得，用能量传递和转化的规则，通过平衡计算求得，这样的化工计算称为能量衡算。这样的化工计算称为能量衡算。1、热量衡算的目的和任务：、热量衡算的目的和任务：总之：单元设备热量衡算；整个过程的热量衡算总之：单元
26、设备热量衡算；整个过程的热量衡算（1）确定物料输送机械（泵、压缩机等）和其他）确定物料输送机械（泵、压缩机等）和其他操作机械（搅拌、过滤、粉碎等）所需要的操作机械（搅拌、过滤、粉碎等）所需要的功功率率 2:53化工设计（2005-2006学年)Design of Chemical Engineering 26（2）确定各）确定各单元操作过程单元操作过程（蒸发、蒸馏、冷凝、（蒸发、蒸馏、冷凝、冷却等）所需热量或冷量，及其冷却等）所需热量或冷量，及其传递速率传递速率 （3）化学反应化学反应常伴有热效应，导致体系的温度常伴有热效应，导致体系的温度上升或下降，为此需确定为保持一定反应温度所上升或下降，
27、为此需确定为保持一定反应温度所需的移出或加入的需的移出或加入的热传递速率；热传递速率；（4）能量的消耗是化工生产中一项重要的技术）能量的消耗是化工生产中一项重要的技术经济指标，它是衡量工艺过程、设备设计、操作经济指标，它是衡量工艺过程、设备设计、操作制度是否先进制度是否先进合理的主要指标之合理的主要指标之 包括：单元设备的热量衡算；系统热量平衡计算包括：单元设备的热量衡算；系统热量平衡计算 两部分两部分2:53化工设计（2005-2006学年)Design of Chemical Engineering 27二、单元设备的热量衡算二、单元设备的热量衡算（一）方法和步骤（一）方法和步骤（1）画出
28、单元设备的物料流向及变化示意图（在示意图上表明温度、）画出单元设备的物料流向及变化示意图（在示意图上表明温度、压力、相态、流向）压力、相态、流向）（2）列出热量衡算方程式）列出热量衡算方程式式中：式中：输入、输出物料的组分；输入、输出物料的组分；组分的摩尔数组分的摩尔数kmol；组分的焓组分的焓KJkmol。对于有相变和复杂的化学反应过程，用上式计算是非常简单的。对于有相变和复杂的化学反应过程，用上式计算是非常简单的。QniHniHii2:53化工设计（2005-2006学年)Design of Chemical Engineering 28注意事项：注意事项：A:整个计算过程要使用同一焓值表
29、上的数据。整个计算过程要使用同一焓值表上的数据。若焓值取自两个不同的表，必须弄清两个表的若焓值取自两个不同的表，必须弄清两个表的基准状态和基准温度是否相同，基准状态和基准温度是否相同，因为基准不同因为基准不同的焓值也不同；的焓值也不同；B:若体系的物料由多种组分组成，应分别确定若体系的物料由多种组分组成，应分别确定各个组分焓值，然后求和代入能量衡算是计各个组分焓值，然后求和代入能量衡算是计算。；算。；C:在计算体系中各组分的焓变时，一定要在计算体系中各组分的焓变时，一定要终态终态减去初态减去初态，然后求其代数和，即为体系的总焓，然后求其代数和，即为体系的总焓变，否别会出现变，否别会出现200的
30、误差。的误差。2:53化工设计（2005-2006学年)Design of Chemical Engineering 29、（3）搜集有关数据：物料量、工艺条件和）搜集有关数据：物料量、工艺条件和热力学数据，热容、气化潜热等热力学数据，热容、气化潜热等（4）确定基准温度：由于手册，文献上查）确定基准温度：由于手册，文献上查到的热力学数据大多数是到的热力学数据大多数是273k获获298k （5）各种热量计算（带入、传出、损耗、）各种热量计算（带入、传出、损耗、过程热）过程热）（1）各种物料带入热量）各种物料带入热量)(12TTCpmQP2:53化工设计（2005-2006学年)Design of
31、 Chemical Engineering 30（2）过程热效应）过程热效应Q3可分为两类：一类是化学可分为两类：一类是化学反应热；另一类是状态热：这些数据可以从手反应热；另一类是状态热：这些数据可以从手册查处（气化潜热（）：当和不变，册查处（气化潜热（）：当和不变，单位质量的液体气化所需要的热量。单位质量的液体气化所需要的热量。熔化潜热（）：当和不变，单位质熔化潜热（）：当和不变，单位质量的固体熔化所需要的热量。量的固体熔化所需要的热量。升华潜热（）：当和不变，单位质升华潜热（）：当和不变，单位质量的固体气化所需要的热量。）量的固体气化所需要的热量。）（3）加热设备消耗的热量（本身温度升高）
32、加热设备消耗的热量（本身温度升高）2:53化工设计（2005-2006学年)Design of Chemical Engineering 31 Q2（）式中：式中：m设备各部件质量，设备各部件质量，kg；Cp设备各部件热容，设备各部件热容，KJkgK；设备各部件加热后的平均温度，设备各部件加热后的平均温度，K；设备各部件加热前的平均温度设备各部件加热前的平均温度K。(凡属间歇操作、开车、停车等情况凡属间歇操作、开车、停车等情况 可用上可用上式）式）)(whwkttCpm2:53化工设计（2005-2006学年)Design of Chemical Engineering 32（4）设备热损失）
33、设备热损失Q3（向空气散热）（向空气散热）Q3=)(0ttaAwT A设备散热表面积，；2wt散热表面与周围介质的联合给热系数，KJm2 ；2wt器壁向四周散热的表面温度，；2t周围介质温度，；2:53化工设计（2005-2006学年)Design of Chemical Engineering 33空气作自然对流，当壁面温度为空气作自然对流，当壁面温度为50350时，时，（5）传热剂向设备传入或传出的热量）传热剂向设备传入或传出的热量（6）列出热量平衡表）列出热量平衡表205.08wTta 2:53化工设计（2005-2006学年)Design of Chemical Engineering
34、 34（二）注意事项：（二）注意事项：（1）根据物料走向及变化了解和分析热量）根据物料走向及变化了解和分析热量之间关系，然后根据能量守恒列出热量关之间关系，然后根据能量守恒列出热量关系式（并注意热量正负）系式（并注意热量正负）（2）收集数据（查手册或文献资料）收集数据（查手册或文献资料）（3）计算结果符合）计算结果符合（4）间歇设备常以）间歇设备常以kj/台为计算基准台为计算基准2:53化工设计（2005-2006学年)Design of Chemical Engineering 35 三、系统热量平衡计算三、系统热量平衡计算 系统：一个换热系统、一个车间和全厂系统：一个换热系统、一个车间和全
35、厂 1、系统热量平衡作用、系统热量平衡作用 通过对整个系统能量平衡计算求出能量的通过对整个系统能量平衡计算求出能量的综合利综合利用率用率。由此来检验流程设计时提出的能量。由此来检验流程设计时提出的能量回收方回收方案是否合理案是否合理，按工艺流程图检查重要的能量是否，按工艺流程图检查重要的能量是否考虑到考虑到回收利用回收利用，有无必要交叉换热，核对原设，有无必要交叉换热，核对原设计的能量回收装置是否符合工艺过程要求计的能量回收装置是否符合工艺过程要求。2、系统热量平衡计算步骤（同上）、系统热量平衡计算步骤（同上）2:53化工设计（2005-2006学年)Design of Chemical En
36、gineering 36能的原则和方式能的原则和方式（1）充分发挥燃料是）充分发挥燃料是高质量能源的效用高质量能源的效用。既。既然燃料具有的能量基本上全部是有效能，就应然燃料具有的能量基本上全部是有效能，就应该在技术可能和使用需要的前提下，尽量地发该在技术可能和使用需要的前提下，尽量地发挥其有效能的作用，避免或减少有效能转变为挥其有效能的作用，避免或减少有效能转变为无效能而损失掉。由于燃料出作原料使用外，无效能而损失掉。由于燃料出作原料使用外，它们具有的化学能一般不是通常能量使用的形它们具有的化学能一般不是通常能量使用的形式式动力和热源。动力和热源。（2）、对于加热过程来说，应该坚持）、对于加
37、热过程来说，应该坚持高温高温热源加热高温物料热源加热高温物料，中温热源加热中温物料，中温热源加热中温物料，低温热源加热低温物料，切忌用高温热源加低温热源加热低温物料，切忌用高温热源加热中、低温物料。热中、低温物料。2:53化工设计（2005-2006学年)Design of Chemical Engineering 37（3）、避免）、避免能量质量无代价或得不偿市失的大能量质量无代价或得不偿市失的大幅度降低幅度降低，保持可用性，加以回收利用，这是质，保持可用性，加以回收利用，这是质用能原则在化工过程中的重要体现。用能原则在化工过程中的重要体现。（4）、然而，就按质用能本身来说，过程中最）、然而
38、，就按质用能本身来说，过程中最常见的矛盾仍然是能源供给与需要的质量不匹配，常见的矛盾仍然是能源供给与需要的质量不匹配，并且大量地表现为并且大量地表现为供给的是高质量的能量，需要供给的是高质量的能量，需要的是低质量的能量的是低质量的能量，过程中能量大幅度地变质，过程中能量大幅度地变质，形成大量低质的能量，且由于难以利用而废弃。形成大量低质的能量，且由于难以利用而废弃。因此，提供合理用能的方式，是贯彻按质用能原因此，提供合理用能的方式，是贯彻按质用能原则的重要课题。则的重要课题。2:53化工设计（2005-2006学年)Design of Chemical Engineering 38 第三节第三
39、节 典型设备工艺设计与选型典型设备工艺设计与选型 目的：确定工艺设备的类型、规格、主要尺寸和目的：确定工艺设备的类型、规格、主要尺寸和台数，为车间布置设计、施工图设计及非公艺设台数，为车间布置设计、施工图设计及非公艺设计项目提供足够的设计数据。计项目提供足够的设计数据。包括：包括：定性设备选择（是成批成系列生产的设备，可以定性设备选择（是成批成系列生产的设备，可以现成买到）现成买到）：选定规格型号：选定规格型号 非定性设备选择（是化工过程中需要专门设计的非定性设备选择（是化工过程中需要专门设计的特殊设备）特殊设备）：通过计算以确定：通过计算以确定设备的主要尺寸设备的主要尺寸2:53化工设计（2
40、005-2006学年)Design of Chemical Engineering 39 一、设备设计与选型的基本要求一、设备设计与选型的基本要求 工艺上：运行可靠，操作安全，便于连续化和自工艺上：运行可靠，操作安全，便于连续化和自动化生产；要能创造良好你工作环境和无污染；动化生产；要能创造良好你工作环境和无污染；便于购置和容易制造。便于购置和容易制造。1、技术经济指标（单位生产能力、消耗系数、技术经济指标（单位生产能力、消耗系数、设备价格、管理费用和生产总成本）设备价格、管理费用和生产总成本）生产能力：单位体积上单位时间内能完成的生产生产能力：单位体积上单位时间内能完成的生产任务任务 消耗系
41、数：生产单位质量或单位体积产品消耗的消耗系数：生产单位质量或单位体积产品消耗的原料和能量原料和能量2:53化工设计（2005-2006学年)Design of Chemical Engineering 40设备指标设备指标趋势趋势效果效果生产能力生产能力越大越大效率高效率高消耗系数消耗系数越低越低越好越好设备价格设备价格便宜便宜性价比性价比管理费用管理费用越低越低越好越好产品总成本产品总成本越低越低越好越好2:53化工设计（2005-2006学年)Design of Chemical Engineering 41 2、设备结构要求、设备结构要求 满足强度与刚度要求，达到规定标准（油满足强度与刚
42、度要求，达到规定标准（油罐壁厚）罐壁厚）设备耐久性（设备耐久性（10-20年；防腐）年；防腐）密封性（易燃、易爆、有毒）密封性（易燃、易爆、有毒）减少材料用量（扬液器）减少材料用量（扬液器）总之，要综合考虑合理性、先进性、安全总之，要综合考虑合理性、先进性、安全性、经济性的原则，审慎地研究，认真地性、经济性的原则，审慎地研究，认真地设计。设计。2:53化工设计（2005-2006学年)Design of Chemical Engineering 42 二、设备设计的基本内容二、设备设计的基本内容（一）定性设备的原则（一）定性设备的原则 确定台数：根据生产能力和生产周期确定台数：根据生产能力和生
43、产周期 确定设备类型：运转设备根据负荷和工艺确定设备类型：运转设备根据负荷和工艺 条件进行；静止设备计算参数条件进行；静止设备计算参数 确定设备备用或备件供应确定设备备用或备件供应 满足生产能力：稍大或略大满足生产能力：稍大或略大2:53化工设计（2005-2006学年)Design of Chemical Engineering 431、泵选型、泵选型（1）列出基础数据，但包括以下几方面：）列出基础数据，但包括以下几方面：介质和物质即介质名称、输送条件下的比容、粘度、介质和物质即介质名称、输送条件下的比容、粘度、蒸汽压、腐蚀及毒性等；蒸汽压、腐蚀及毒性等；介质中所含固体颗粒直径和含量；介质中
44、所含固体颗粒直径和含量；介质中气体含量（体积）；介质中气体含量（体积）；操作条件如温度，压力（进口侧设备压力，排出侧操作条件如温度，压力（进口侧设备压力，排出侧设备压力，排出侧管系压力降），流量（正常、最小设备压力，排出侧管系压力降），流量（正常、最小及最大）及最大）泵所在位置情况如环境温度，海拔高度，装置平立泵所在位置情况如环境温度，海拔高度，装置平立面要求、进口和排出侧设备液面至泵中心距离及管线面要求、进口和排出侧设备液面至泵中心距离及管线当量长度等。当量长度等。2:53化工设计（2005-2006学年)Design of Chemical Engineering 44（2）扬程：泵的扬程
45、需要留有适当的余量，）扬程：泵的扬程需要留有适当的余量，一般为正常需要扬程的一般为正常需要扬程的1.051.1倍倍 （3）装置的（系统的）装置的（系统的）有效气蚀余量有效气蚀余量 它应大于泵所需要的它应大于泵所需要的允许汽蚀余量允许汽蚀余量。对进。对进口侧物料处于减压状态或其操作温度接近口侧物料处于减压状态或其操作温度接近与汽化条件时，泵的汽蚀安全系数宜取最与汽化条件时，泵的汽蚀安全系数宜取最大值，如减压塔的塔底泵的汽蚀安全系数大值，如减压塔的塔底泵的汽蚀安全系数至少取至少取1.3。2:53化工设计（2005-2006学年)Design of Chemical Engineering 45（4
46、）液面）液面 介质液面高于泵中心者，应取介质液面高于泵中心者，应取最低液面；介质液面低于泵中心者，也应最低液面；介质液面低于泵中心者，也应取取最低液面最低液面。（）确定泵的几何安装高度。（）确定泵的几何安装高度。（）计算泵的轴功率。（）计算泵的轴功率。（）选定泵的材料及轴封。（）选定泵的材料及轴封。2:53化工设计（2005-2006学年)Design of Chemical Engineering 46（）确定冷却水（或加热蒸汽）耗量。（）确定冷却水（或加热蒸汽）耗量。（）选用电动机（或蒸汽透平）。（）选用电动机（或蒸汽透平）。（10）确定泵的备用率和台数。）确定泵的备用率和台数。（11）填
47、写泵的规格表以作为泵的订货的）填写泵的规格表以作为泵的订货的依据和选泵过程各项数据的汇总依据和选泵过程各项数据的汇总 2:53化工设计（2005-2006学年)Design of Chemical Engineering 47 2、换热器选型、换热器选型（1）选择换热器形式（工艺特点、物料特）选择换热器形式（工艺特点、物料特性、维修因素）性、维修因素）（2）确定物流定性温度，查处在定性温度）确定物流定性温度，查处在定性温度下的有关物性数据（下的有关物性数据（一般，冷却水初温取一般，冷却水初温取当地气温，两端温差可取当地气温，两端温差可取510，缺水地，缺水地区适当加大温差；一般，冷却水出口温度
48、区适当加大温差；一般，冷却水出口温度不宜超过不宜超过50，以免结垢严重，以免结垢严重2:53化工设计（2005-2006学年)Design of Chemical Engineering 48（3）计算热负荷）计算热负荷（4）确定换热器结构尺寸）确定换热器结构尺寸（5）计算传热系数）计算传热系数K（6）计算有效平均温差）计算有效平均温差)()(1221冷冷热热ttcWttcWQpccphhLdnAonpiiicudd)()(023.08.01212lntttttm2:53化工设计（2005-2006学年)Design of Chemical Engineering 49（7）计算所需传热面积（
49、）计算所需传热面积（10-20%安安全系数）全系数）（8）确定需用设备台数）确定需用设备台数（9）计算压降）计算压降mtKQA%100/核核实）（AAA2:53化工设计（2005-2006学年)Design of Chemical Engineering 50（二）非定性设备的工艺计算（二）非定性设备的工艺计算 1、精馏设备（化工原理）、精馏设备（化工原理）2、反应设备（反应工程）、反应设备（反应工程）3、蒸发设备（化工原理）、蒸发设备（化工原理）4、存贮设备（化工机械基础）、存贮设备（化工机械基础）2:53化工设计（2005-2006学年)Design of Chemical Enginee
50、ring 51 功和热量都是能量传递的两种不同形式，功和热量都是能量传递的两种不同形式，它们不是物系的性质，因此不能说体系内它们不是物系的性质，因此不能说体系内或某物体有多少热量或功。或某物体有多少热量或功。功和热量的单位在功和热量的单位在SI制中为焦耳，除此以制中为焦耳，除此以外，公制中的卡或千卡、英制中的英热单外，公制中的卡或千卡、英制中的英热单位位(Btu)还常有使用，应注意它们之间的换还常有使用，应注意它们之间的换算关系。算关系。1cal=4.187KJ l Btu(英热单位英热单位)252 cal(卡卡)2:53化工设计（2005-2006学年)Design of Chemical
