化工设计概论和化工制图--第五章-化工计算.ppt

*设计概论化工制图 设计概概论与化工制与化工制图2024/5/21 周二1-*设计概论化工制图 工厂基本建工厂基本建设过程程 1 1、可、可行行性研究性研究 2 2、初步、初步设计 3 3、施工、施工图设计 4 4、施工、施工、试车、验收收 1 1、厂址、厂址选择 2 2、总平面平面设计 3 3、工、工艺设计1 1、工、工艺流程流程设计2 2、化工、化工计算算3 3、设备的的选型与型与设计4 4、车间布置布置设计5 5、管道、管道设计6 6、公用工程、公用工程7 7、向有关、向有关专业提供条件提供条件8 8、工程概、工程概预算算9 9、技、技术经济分析分析1010、安全生、安全生产与与环境保境保护2024/5/21 周二2-*设计概论化工制图 第五章第五章 化工化工计算算 第一第一节 化工化工过程程一、化工一、化工过程分程分类 1 1、化学反、化学反应:有新物有新物质生成的生成的变化化类型。型。2 2、分离或提、分离或提纯:利用相利用相变如如 蒸蒸馏,结晶晶,萃取。萃取。3 3、混合、混合:利于加速利于加速传热传质,溶液溶液,乳乳浊液液,悬 浮液浮液。4 4、输送送:液体液体输送送,机械机械输送送,风力力输送。送。5 5、温度、温度、压力和相力和相变:温度可使物温度可使物质产生相生相变如冷凝如冷凝,蒸蒸发,熔化。温度可改熔化。温度可改变粘度粘度,溶解度溶解度,表面表面张力。力。压力力对气体在液体中的溶解度有气体在液体中的溶解度有 很大影响。很大影响。2024/5/21 周二3-*设计概论化工制图 二、化工二、化工过程程综合合 1 1、过程程综合要求合要求:提出几个方案提出几个方案。2 2、过程分析和程分析和优化化:使使设备费和操作和操作费最低。最低。3 3、过程程选择:对比方案比方案,选择最好方案最好方案。三、化工三、化工过程参数程参数 1 1、温度、温度 2 2、压力力 3 3、流量、流量 4 4、组成成2024/5/21 周二4-*设计概论化工制图 第二第二节 物料衡算物料衡算一、物料衡算的意一、物料衡算的意义和作用和作用 物料衡算是化工物料衡算是化工计算中最基本、最重要的算中最基本、最重要的内容之一，是内容之一，是进行化工行化工计算的基算的基础。对工厂技工厂技术经济指指标有有举足足轻重的影响。重的影响。二、物料平衡方程式二、物料平衡方程式 1 1、普遍、普遍应用的平衡式用的平衡式 输入量入量+产生量生量-输出量出量-消耗量消耗量=累累积量量 2 2、连续稳定定过程的平衡式程的平衡式 输入量入量+产生量生量=输出量出量+消耗量消耗量 3 3、间歇歇过程的平衡式程的平衡式 初始初始输入量入量+产生量生量=最最终输出量出量+消耗量消耗量2024/5/21 周二5-*设计概论化工制图 三、物料衡算的方法和步三、物料衡算的方法和步骤 1 1、收集、收集计算数据算数据:原料原料,辅料料,中中间产物物,产品的品的规格。格。单位位时间 流量。消耗定流量。消耗定额。转化率化率,选择性性,收率。物收率。物 理化学常数。理化学常数。2 2、画物料流程、画物料流程图:物料衡算方框物料衡算方框图。3 3、确定衡算范、确定衡算范围:假假设一独立体系。一独立体系。4 4、选定定计算基准算基准:100kg kg/h:100kg kg/h。5 5、列出、列出输入入-输出物料平衡表：出物料平衡表：2024/5/21 周二6-*设计概论化工制图 例例5-1 5-1 用恒沸蒸用恒沸蒸馏法法,将含有将含有9595的乙醇水溶液的乙醇水溶液制成制成浓度达度达99.999.9乙醇水溶液乙醇水溶液,以苯作溶以苯作溶剂。其流程及各物流的其流程及各物流的组成如成如图5-25-2所示。所示。试计算算每生每生产100100吨吨99.999.9乙醇水溶液乙醇水溶液,应向塔向塔A A加入加入的的:(1)95 (1)95的乙醇水溶液量的乙醇水溶液量;(2);(2)苯量。苯量。2024/5/21 周二7-*设计概论化工制图 例例5-15-12024/5/21 周二8-*设计概论化工制图 设:x=:x=苯的苯的输入量入量;y=95;y=95乙醇乙醇输入量入量;z=5;z=5乙乙醇醇输出量。出量。三个三个组分分,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=0 x=0 2)2)乙醇的衡算乙醇的衡算 0.95y=0.999(100)+0.05z0.95y=0.999(100)+0.05z 3)3)总的物料衡算的物料衡算 x+y=100+zx+y=100+z 上三式上三式联立求解得立求解得:x=0 y=105.44(x=0 y=105.44(吨吨)z=5.44()z=5.44(吨吨)答答:应向塔向塔A A加入加入9595的乙醇水溶液的乙醇水溶液105.44105.44吨吨;苯苯为零。零。2024/5/21 周二9-*设计概论化工制图 输入入输出出95乙醇乙醇-合合计2024/5/21 周二10-*设计概论化工制图 第三第三节 能量衡算能量衡算能量衡算能量衡算应用在如下几方面用在如下几方面 1 1、确定功率、确定功率:流体流体输送送,搅拌拌,过滤,粉碎等粉碎等单元操作所需元操作所需 功率。功率。2 2、确定、确定热量和冷量量和冷量:如蒸如蒸发,蒸蒸馏,冷凝冷凝,冷却所需冷却所需热量和冷量。量和冷量。3 3、确定供、确定供热速率及放速率及放热速率速率:化学反化学反应热效效应。4 4、确定、确定节能措施能措施:充分利用余充分利用余热,降低能耗降低能耗。2024/5/21 周二11-*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（能（K K）表示物体作相表示物体作相对于于环境运境运动所具有的能量。所具有的能量。2 2、势能（能（Z Z）表示物体在重力表示物体在重力场中受重力作用而具有的能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、原子能量的宏表示物体内分子、原子能量的宏观尺度。尺度。4 4、热（Q Q）物体与物体与环境之境之间由于温差而引起由于温差而引起传递的能量。的能量。5 5、功（、功（W W）物体与物体与环境之境之间由于矢量位移而引起由于矢量位移而引起传递的的能量。能量。2024/5/21 周二12-*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 输入的能量入的能量-输出的能量出的能量=累累积的能量的能量 2 2、间歇歇过程的能量平衡方程式程的能量平衡方程式 U=Q-WU=Q-W 3 3、连续稳定流定流动过程的能量平衡方程式程的能量平衡方程式 输入的入的总能量能量=输出的出的总能量能量 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 2024/5/21 周二13-*设计概论化工制图 三、三、热量衡算量衡算 在能量衡算中在能量衡算中,不不讨论能量能量转换,只考只考虑热量量变化的衡算称化的衡算称为热量衡算。量衡算。1 1、热平衡方程式平衡方程式 1)1)等等压过程程,只做膨只做膨胀功功(如如连续过程程)热量衡量衡算式算式为：H=HH=H出出HH入入QQ 2)2)非流非流动体系体系,忽略忽略动能和能和势能能(如如间歇歇过程程)：U=UU=U出出UU入入QQ 3)3)普遍普遍应用的平衡式：用的平衡式：Q Q1(1(物料物料)+Q+Q2(2(介介质)+Q+Q3(3(反反应)=Q=Q4(4(物料物料)+Q+Q5(5(设备)+Q+Q6(6(损失失)2024/5/21 周二14-*设计概论化工制图 2 2、热量衡算的方法和步量衡算的方法和步骤 1)1)分析各股物料之分析各股物料之间热平衡关系平衡关系 2)2)收集收集计算数据算数据 3)3)标绘热量衡算示意量衡算示意图 4)4)确定衡算范确定衡算范围 5)5)选定定计算基准算基准:100kg kg/h:100kg kg/h。6)6)列出列出输入入-输出出热平衡表平衡表 2024/5/21 周二15-*设计概论化工制图 3 3、有关、有关热数据的数据的计算算 1)1)焓:恒恒压时 2)2)真真实热容与平均容与平均热容容 2024/5/21 周二16-*设计概论化工制图 3)3)热容的估算容的估算 柯普法柯普法则:1mol:1mol化合物的化合物的总热容容,近似地等于近似地等于 化合物里以原子形式存在的元素化合物里以原子形式存在的元素热容的容的总和。和。4)4)潜潜热 克拉克拉贝龙可可劳修斯公式修斯公式:5)5)反反应热 由由标准生成准生成热 计算反算反应热 。由由标准燃准燃烧热 计算反算反应热 。由由键能估算反能估算反应热。2024/5/21 周二17-*设计概论化工制图*柯普法柯普法则:1mol:1mol化合物的化合物的总热容容,近似地等于近似地等于 化合物里以原子形式存在的元素化合物里以原子形式存在的元素热容的容的总和。和。例例:估算固体估算固体Ca(OH)Ca(OH)2 2 的的热容容 (见表表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+(217)+(2+(29.6)(C (Cp p)Ca(OH)2 Ca(OH)2=79.2 J/mol=79.2 J/mol.2024/5/21 周二18-*设计概论化工制图*由由键能估算反能估算反应热。估估计乙乙烷裂解制乙裂解制乙烯的的反反应热1.1.列出反列出反应式式 C2H6C2H4+H22.2.写成化学写成化学键形式形式 H H H HH H H H H HC CC CH CH CC +HC +HH H H H H HH H H H3.3.归纳改改组化学化学键 6H 6HC+CC+CC 4HC 4HC+CC+CC+HC+HH H 2H 2HC+CC+CC CC CC+HC+HH H2024/5/21 周二19-*设计概论化工制图 4.4.查键能数据能数据(见表表5-25-2和表和表5-3)5-3)5.5.代入公式代入公式1 1摩摩尔乙乙烷分解分解为1 1摩摩尔乙乙烯和和1 1摩摩尔氢时,吸吸热125.6kJ 125.6kJ 2024/5/21 周二20-*设计概论化工制图 例例:30000:30000吨吨/年聚丁二年聚丁二烯橡胶聚合釜的橡胶聚合釜的热量衡算量衡算,开工开工80008000小小时/年双系列双釜串年双系列双釜串联操作操作,即每条即每条生生产线的生的生产能力能力为1500015000吨吨/年年,每条生每条生产线上都有两个聚合釜串上都有两个聚合釜串联操作操作,聚合生成量在聚合生成量在釜与釜与釜的分配率釜的分配率为60:4060:40。纯度系数度系数1.06,1.06,损耗耗0.030.03。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2024/5/21 周二21-*设计概论化工制图 1 1、分析物料走向、分析物料走向2024/5/21 周二22-*设计概论化工制图 每条生每条生产线的聚合物生成量的聚合物生成量为2024/5/21 周二23-*设计概论化工制图 2 2、收集、收集计算数据算数据组成 釜 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120821208212082120822024/5/21 周二24-*设计概论化工制图 分析分析过程中存在的程中存在的热量形式量形式,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聚合釜内各物料只有温度变化化,无相无相变。比比热和聚合反和聚合反应热可由手册可由手册查出出,也可由也可由实验确确定定,搅拌拌热可从可从现场测得。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200.54 聚合热 千卡/公斤 搅拌热 千卡/时 330600.58釜30000800.62釜 400002024/5/21 周二25-*设计概论化工制图 3 3、计算算热量量2024/5/21 周二26-*设计概论化工制图 4 4、计算算设备热负荷与冷却水消耗量荷与冷却水消耗量 设备热负荷荷为Q Q2 2,以千卡以千卡/时为基准基准 当冷却水温差确定后当冷却水温差确定后,可用下式可用下式计算冷却水算冷却水消耗量消耗量:2024/5/21 周二27-*设计概论化工制图 5 5、列出、列出热量平衡表量平衡表项目 釜 釜 千卡/时千卡/时千卡/时 千卡/时合计2024/5/21 周二28-*设计概论化工制图 3 3、计算算热量量2024/5/21 周二29-*设计概论化工制图 4 4、计算算设备热负荷与冷却水消耗量荷与冷却水消耗量 设备热负荷荷为Q Q2 2,以千卡以千卡/时为基准基准 当冷却水温差确定后当冷却水温差确定后,可用下式可用下式计算冷却水算冷却水消耗量消耗量:2024/5/21 周二30-*设计概论化工制图 5 5、列出、列出热量平衡表量平衡表项目 釜 釜 千卡/时千卡/时千卡/时 千卡/时1.34.23.822.540.30.44.25.991.221.15合计5.425.427.147.142024/5/21 周二31-*设计概论化工制图 输入入输出出95乙醇乙醇苯苯99乙醇乙醇5乙醇乙醇合合计105.44105.441005.44105.442024/5/21 周二32-*设计概论化工制图?2024/5/21 周二33-