化工设计第五章化工计算.ppt

设计概论化工制图 设计概论与化工制图设计概论与化工制图1*设计概论化工制图 工厂基本建设过程工厂基本建设过程 1 1、可、可行行性研究性研究 2 2、初步设计、初步设计 3 3、施工图设计、施工图设计 4 4、施工、试车、、施工、试车、 验收验收｛｝ 1 1、厂址选择、厂址选择 2 2、总平面设计、总平面设计 3 3、工艺设计、工艺设计1 1、工艺流程设计、工艺流程设计2 2、化工计算、化工计算3 3、设备的选型与设计、设备的选型与设计4 4、车间布置设计、车间布置设计5 5、管道设计、管道设计6 6、公用工程、公用工程7 7、向有关专业提供条件、向有关专业提供条件8 8、工程概预算、工程概预算9 9、技术经济分析、技术经济分析1010、安全生产与环境保护、安全生产与环境保护2*设计概论化工制图 第五章第五章 化工计算化工计算 第一节第一节 化工过程化工过程一、化工过程分类一、化工过程分类 1 1、化学反应、化学反应: :有新物质生成的变化类型有新物质生成的变化类型。

2 2、分离或提纯、分离或提纯: :利用相变如利用相变如 蒸馏蒸馏, ,结晶结晶, ,萃取 3 3、混合、混合: :利于加速传热传质利于加速传热传质, ,溶液溶液, ,乳浊液乳浊液, ,悬悬 浮液浮液 4 4、输送、输送: :液体输送液体输送, ,机械输送机械输送, ,风力输送风力输送 5 5、温度、压力和相变、温度、压力和相变: :温度可使物质产生相变温度可使物质产生相变如冷凝如冷凝, ,蒸发蒸发, ,熔化温度可改变粘度熔化温度可改变粘度, ,溶解度溶解度, , 表面张力压力对气体在液体中的溶解度有表面张力压力对气体在液体中的溶解度有 很大影响很大影响3*设计概论化工制图 二、化工过程综合二、化工过程综合 1 1、过程综合要求、过程综合要求: :提出几个方案提出几个方案 2 2、过程分析和优化、过程分析和优化: :使设备费和操作费最低使设备费和操作费最低 3 3、过程选择、过程选择: :对比方案对比方案, ,选择最好方案选择最好方案三、化工过程参数三、化工过程参数 1 1、温度、温度 2 2、压力、压力 3 3、流量、流量 4 4、组成、组成4*设计概论化工制图 第二节第二节 物料衡算物料衡算一、物料衡算的意义和作用一、物料衡算的意义和作用 物料衡算是化工计算中最基本、最重要的物料衡算是化工计算中最基本、最重要的内容之一，是进行化工计算的基础。

对工厂技内容之一，是进行化工计算的基础对工厂技术经济指标有举足轻重的影响术经济指标有举足轻重的影响二、物料平衡方程式二、物料平衡方程式 1 1、普遍应用的平衡式、普遍应用的平衡式 输入量输入量+ +产生量产生量- -输出量输出量- -消耗量消耗量= =累积量累积量 2 2、连续稳定过程的平衡式、连续稳定过程的平衡式 输入量输入量+ +产生量产生量= =输出量输出量+ +消耗量消耗量 3 3、间歇过程的平衡式、间歇过程的平衡式 初始输入量初始输入量+ +产生量产生量= =最终输出量最终输出量+ +消耗量消耗量5*设计概论化工制图 三、物料衡算的方法和步骤三、物料衡算的方法和步骤 1 1、收集计算数据、收集计算数据: : 原料原料, ,辅料辅料, ,中间产物中间产物, ,产品的规格单位时间产品的规格单位时间 流量消耗定额转化率流量消耗定额转化率, ,选择性选择性, ,收率物 理化学常数理化学常数 2 2、画物料流程图、画物料流程图: :物料衡算方框图物料衡算方框图 3 3、确定衡算范围、确定衡算范围: :假设一独立体系。

假设一独立体系 4 4、选定计算基准、选定计算基准:100kg kg/h:100kg kg/h 5 5、列出输入、列出输入----输出物料平衡表：输出物料平衡表： 6*设计概论化工制图 例例5-1 5-1 用恒沸蒸馏法用恒沸蒸馏法, ,将含有将含有9595％的乙醇水溶液％的乙醇水溶液制成浓度达％乙醇水溶液制成浓度达％乙醇水溶液, ,以苯作溶剂其流以苯作溶剂其流程及各物流的组成如图程及各物流的组成如图5-25-2所示试计算每生所示试计算每生产产100100吨％乙醇水溶液吨％乙醇水溶液, ,应向塔应向塔A A加入的加入的: : (1)95 (1)95％的乙醇水溶液量％的乙醇水溶液量;(2);(2)苯量 7*设计概论化工制图 例例5-15-18*设计概论化工制图 设设:x=:x=苯的输入量苯的输入量;y= 95;y= 95％乙醇输入量％乙醇输入量;z= 5;z= 5％乙％乙醇输出量醇输出量 三个组分三个组分, ,三个未知数三个未知数, ,可列出三个方程求解可列出三个方程求解 1) 1)苯的衡算苯的衡算 x = 0x = 0 2) 2)乙醇的衡算乙醇的衡算 3) 3)总的物料衡算总的物料衡算 x + y = 100 + zx + y = 100 + z 上三式联立求解得上三式联立求解得: : x=0 y=105.44( x=0 y=105.44(吨吨) z=5.44() z=5.44(吨吨) ) 答答: :应向塔应向塔A A加入加入9595％的乙醇水溶液吨％的乙醇水溶液吨; ;苯为零。

苯为零9*设计概论化工制图 输入输入输出输出95﹪﹪乙醇乙醇------------------------------------合计合计10*设计概论化工制图 第三节第三节 能量衡算能量衡算能量衡算应用在如下几方面能量衡算应用在如下几方面 1 1、确定功率、确定功率: : 流体输送流体输送, ,搅拌搅拌, ,过滤过滤, ,粉碎等单元操作所需粉碎等单元操作所需 功率 2 2、确定热量和冷量、确定热量和冷量: : 如蒸发如蒸发, ,蒸馏蒸馏, ,冷凝冷凝, ,冷却所需热量和冷量冷却所需热量和冷量 3 3、确定供热速率及放热速率、确定供热速率及放热速率: : 化学反应热效应化学反应热效应 4 4、确定节能措施、确定节能措施: : 充分利用余热充分利用余热, ,降低能耗降低能耗11*设计概论化工制图 一、能量的形式和概念一、能量的形式和概念 1 1、动能（、动能（K K）） 表示物体作相对于环境运动所具有的能量表示物体作相对于环境运动所具有的能量 2 2、势能（、势能（Z Z）） 表示物体在重力场中受重力作用而具有的能表示物体在重力场中受重力作用而具有的能量。

量 3 3、内能（、内能（U U）） 表示物体内分子、原子能量的宏观尺度表示物体内分子、原子能量的宏观尺度 4 4、热（、热（Q Q）） 物体与环境之间由于温差而引起传递的能量物体与环境之间由于温差而引起传递的能量 5 5、功（、功（W W）） 物体与环境之间由于矢量位移而引起传递的物体与环境之间由于矢量位移而引起传递的能量12*设计概论化工制图 二、能量平衡方程式二、能量平衡方程式 1 1、能量衡算的基本方程式、能量衡算的基本方程式 输入的能量输入的能量- -输出的能量输出的能量= =累积的能量累积的能量 2 2、间歇过程的能量平衡方程式、间歇过程的能量平衡方程式 △△U=Q-WU=Q-W 3 3、连续稳定流动过程的能量平衡方程式、连续稳定流动过程的能量平衡方程式 输入的总能量输入的总能量= =输出的总能量输出的总能量 △△H=Q-WH=Q-W 4 4、机械能平衡方程式、机械能平衡方程式 伯努利方程式伯努利方程式 13*设计概论化工制图 三、热量衡算三、热量衡算 在能量衡算中在能量衡算中, ,不讨论能量转换不讨论能量转换, ,只考虑热量只考虑热量变化的衡算称为热量衡算。

变化的衡算称为热量衡算1 1、热平衡方程式、热平衡方程式 1) 1)等压过程等压过程, ,只做膨胀功只做膨胀功( (如连续过程如连续过程) )热量衡热量衡算式为：算式为： △ △H=∑HH=∑H出出－－∑H∑H入入＝＝∑Q∑Q 2) 2)非流动体系非流动体系, ,忽略动能和势能忽略动能和势能( (如间歇过程如间歇过程) )：： △ △U=∑UU=∑U出出－－∑U∑U入入＝＝∑Q∑Q 3) 3)普遍应用的平衡式：普遍应用的平衡式： Q Q1(1(物料物料) )+Q+Q2(2(介质介质) )+Q+Q3(3(反应反应) )=Q=Q4(4(物料物料) )+Q+Q5(5(设备设备) )+Q+Q6(6(损失损失) )14*设计概论化工制图 2 2、热量衡算的方法和步骤、热量衡算的方法和步骤 1) 1)分析各股物料之间热平衡关系分析各股物料之间热平衡关系 2)2)收集计算数据收集计算数据 3) 3)标绘热量衡算示意图标绘热量衡算示意图 4)4)确定衡算范围确定衡算范围 5)5)选定计算基准选定计算基准:100kg kg/h:100kg kg/h。

6)6)列出输入列出输入----输出热平衡表输出热平衡表 15*设计概论化工制图 3 3、有关热数据的计算、有关热数据的计算 1)1)焓焓: :恒压时恒压时 2)2)真实热容与平均热容真实热容与平均热容 16*设计概论化工制图 3)3)热容的估算热容的估算 柯普法则柯普法则:1mol:1mol化合物的总热容化合物的总热容, ,近似地等于近似地等于 化合物里以原子形式存在的元素热容的总和化合物里以原子形式存在的元素热容的总和 4) 4)潜热潜热 克拉贝龙克拉贝龙——可劳修斯公式可劳修斯公式: : 5) 5)反应热反应热 由标准生成热由标准生成热 计算反应热计算反应热 由标准燃烧热由标准燃烧热 计算反应热计算反应热 由键能估算反应热由键能估算反应热17*设计概论化工制图 * * 柯普法则柯普法则:1mol:1mol化合物的总热容化合物的总热容, ,近似地等于近似地等于 化合物里以原子形式存在的元素热容的总和。

化合物里以原子形式存在的元素热容的总和 例例: :估算固体估算固体Ca(OH)Ca(OH)2 2 的热容的热容 ( (见表见表5-1) 5-1) (C(Cp p) )Ca(OH)2 Ca(OH)2 = (C= (Cp p) )Ca Ca +2(C+2(Cp p) )O O +2(C+2(Cp p) )H H (C (Cp p) )Ca(OH)2 Ca(OH)2 = [26= [26 +(2+(2×17) ) +(2)]+(2)] (C (Cp p) )Ca(OH)2 Ca(OH)2 = 79.2 J/mol= 79.2 J/mol.℃℃18*设计概论化工制图 * *由键能估算反应热由键能估算反应热估计乙烷裂解制乙烯的估计乙烷裂解制乙烯的反应热反应热1.1.列出反应式列出反应式 C2H6→C2H4+H22.2.写成化学键形式写成化学键形式 H H﹨﹨ ／／H HH H﹨﹨ ／／H H H H－－C C－－C C－－H → CH → C＝＝C + HC + H－－H H H H／／ ﹨﹨H HH H／／ ﹨﹨H H3.3.归纳改组化学键归纳改组化学键 6H 6H－－C + CC + C－－C → 4HC → 4H－－C + CC + C＝＝C + HC + H－－H H 2H 2H－－C + CC + C－－C → CC → C＝＝C + HC + H－－H H19*设计概论化工制图 4.4.查键能数据查键能数据( (见表见表5-25-2和表和表5-3) 5-3) 5.5.代入公式代入公式1 1摩尔摩尔乙烷分解为乙烷分解为1 1摩尔乙烯和摩尔乙烯和1 1摩尔氢时摩尔氢时, ,吸热吸热125.6kJ 125.6kJ 20*设计概论化工制图 例例:30000:30000吨吨/ /年聚丁二烯橡胶聚合釜的热量衡算年聚丁二烯橡胶聚合釜的热量衡算, ,开工开工80008000小时小时/ /年双系列双釜串联操作年双系列双釜串联操作, ,即每条即每条生产线的生产能力为生产线的生产能力为1500015000吨吨/ /年年, ,每条生产线每条生产线上都有两个聚合釜串联操作上都有两个聚合釜串联操作, ,聚合生成量在聚合生成量在ⅠⅠ釜与釜与ⅡⅡ釜的分配率为釜的分配率为60﹪:40﹪60﹪:40﹪。

纯度系数纯度系数1.06,1.06,损耗 1)分析各股物料之间热平衡关系(物料走向,平衡方程) 2)收集计算数据 3)标绘热量衡算示意图 4)确定衡算范围 5)选定计算基准: kg/h 6)列出输入--输出热平衡表21*设计概论化工制图 1 1、分析物料走向、分析物料走向22*设计概论化工制图 每条生产线的聚合物生成量为每条生产线的聚合物生成量为23*设计概论化工制图 2 2、收集计算数据、收集计算数据组成 Ⅰ釜 Ⅱ釜 进料公斤/时 出料 公斤/时 进料公斤/时 出料公斤/时丁二烯238012231223452丁烯24242424溶剂(已烷)9670967096709670催化剂7.83657.83657.83657.8365聚丁二烯　115711571928温度℃20606080合计1208212082120821208224*设计概论化工制图 分析过程中存在的热量形式分析过程中存在的热量形式, ,可确定收集那些可确定收集那些数据数据, , 聚合釜内各物料只有温度变化聚合釜内各物料只有温度变化, ,无相变比热和聚合反应热可由手册查出比热和聚合反应热可由手册查出, ,也可由实验确也可由实验确定定, ,搅拌热可从现场测得。

搅拌热可从现场测得 ( (丁二烯,溶剂油,胶液比热十分接近,取相同数值简化计算)收集数据如下收集数据如下 丁二烯与溶剂油或胶液的比热 千卡/公斤℃20℃0.54　 聚合热 千卡/公斤 搅拌热 千卡/时 33060℃0.58Ⅰ釜3000080℃0.62Ⅱ釜 4000025*设计概论化工制图 3 3、计算热量、计算热量26*设计概论化工制图 4 4、计算设备热负荷与冷却水消耗量、计算设备热负荷与冷却水消耗量 设备热负荷为设备热负荷为Q Q2 2 , ,以千卡以千卡/ /时为基准时为基准 当冷却水温差确定后当冷却水温差确定后, ,可用下式计算冷却水可用下式计算冷却水消耗量消耗量: :27*设计概论化工制图 5 5、列出热量平衡表、列出热量平衡表项目 Ⅰ釜 Ⅱ釜 千卡/时千卡/时千卡/时 千卡/时合计28*设计概论化工制图 3 3、计算热量、计算热量29*设计概论化工制图 4 4、计算设备热负荷与冷却水消耗量、计算设备热负荷与冷却水消耗量 设备热负荷为设备热负荷为Q Q2 2 , ,以千卡以千卡/ /时为基准时为基准 当冷却水温差确定后当冷却水温差确定后, ,可用下式计算冷却水可用下式计算冷却水消耗量消耗量: :30*设计概论化工制图 5 5、列出热量平衡表、列出热量平衡表项目 Ⅰ釜 Ⅱ釜 千卡/时千卡/时千卡/时 千卡/时1.34.23.822.540.30.44.25.99　1.221.15合计5.425.427.147.1431*设计概论化工制图 输入输入输出输出95﹪﹪乙醇乙醇苯苯99﹪﹪乙醇乙醇5﹪﹪乙醇乙醇合计合计105.44105.441005.44105.4432*设计概论化工制图 ?33。