物料衡算与能量衡算概论.pptx

,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第四章 物料衡算,物料衡算的定义,计算,输入或输出的物流量及组分,等。,是工艺设计的基础！,物料衡算的理论依据是质量守恒定律，即在一个孤立物系中，不论物质发生任何变化，它的质量始终不变（不包括核反应，因为核反应能量变化非常大，此定律不适用）。,设计一种新的设备或装置，必须根据设计任务，先作物料衡算，求出进出各设备的物料量，然后再作能量衡算，求出设备或过程的热负荷，从而确定设备尺寸及整个工艺流程。,物料衡算,与,热量衡算,计算是化工工艺设计中最基本，也是最主要的计算内容。,物料衡算,是,热量衡算的基础。,4.1,物料衡算的基本方法,4.1.1,物料衡算进行的主要步骤,（1）确定衡算的范围（对象、体系与环境），并画出物料衡算,方框图,。对于整个生产流程，要画出物料流程示意图（或流程,方,框图）。绘制物料流程图时，要着重考虑物料的,种类和走向,，,输入和输出,要明确。,（,2）写出化学反应方程式，包括主反应和副反应。（计算分子量）,（3）确定计算任务，确定过程所涉及的组分，明确哪些是已知项，哪些是待求项，如,年产量、生产能力、年工作日、产率、产品纯度要求等。,要进行衡算计算，就要确定衡算的范围。化工流程设计衡算的范围可能有如下几种情况：,a,、流程中某一个单元设备；,b,、流程中某几个单元设备组合的子流程；,c,、整个流程。,衡算计算范围示意图：,边界线（,Boundary Line,）围起来的区域构成衡算范围。,（,2）写出化学反应方程式，包括主反应和副反应。（计算分子量）,（3）确定计算任务，确定过程所涉及的组分，明确哪些是已知项，哪些是待求项，如,年产量、生产能力、年工作日、产率、产品纯度要求等。,（,4,）,选择计算基准,（,5,）收集计算需要数据资料,（6）列出,物料衡算方程式,进行物料衡算,列出过程的全部独立物料平衡方程式及其他相关约束式,当未知变量数等于独立方程个数，可以用代数法求解。当未知变量数多于独立方程个数，只能采用试差法或计算机来解题。,（,7,）将物料衡算结果列成输入输出物料表,(,物料平衡表,),，画出物料平衡图。,校核计算结果。,4.1.2,物料衡算式,进行物料衡算时，根据质量守恒定律，对某一个衡算体系，物料衡算的基本关系式应该表示为：,进行物料、能量衡算时，必须选择一个计算基准。从原则上说选择任何一种计算基准，都能得到正确的解答。但是，计算基准选择得恰当，可以使计算简化，避免错误。,根据过程特点，计算基准一般可以从以下几个方面考虑：,4.1.3,物料衡算的基准,当已知进料（出料）时，则用,100Kmol,或,100Kg,进料（出料）,作基准,4.2,物料计算中用到的基本量,4.2.1,流体的流量和流速,4.2.2,摩尔分数和质量分数,4.2.3,混合物的平均分子量,4.2.4,气体的体积,4.2.5,气体的密度,4.2.6,液体的密度,4.2.7,物质的饱和蒸汽压,4.2.8,溶液上方蒸汽中各组分的分压,4.2.9,转化率、收率和选择性,4.2.10,汽液平衡常数,化工基础数据,(1),基本物性数据,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、气一液平衡关系等。,(2),热力学物性数据,如内能、焓、熵、热容、相变热、自由能、自由焓等。,(3),化学反应和热化学数据,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。,(4),传递参数,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：,1,、查手册或文献资料,2,、计算。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（如经验公式）。,3,、用实验直接测定。,4.3,物理过程的物料衡算,在系统中，物料没有发生化学反应的过程，称 为无反应过程。这类过程通常又称为化工单元操作，诸如流体输送、粉碎、换热、混合、分离（吸收、精馏、萃取、结晶、过滤、干燥）等。,这种过程的物料衡算比较简单，在物料流程简图中，设备边界就是衡算体系边界。,对有多个设备的过程，进行物料衡算时，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。不然会使计算繁琐，甚至无法求解。,4.3.1,混合过程,例,1,一种废酸，组成为,23,(,质量,)HNO3,，,57,H2SO4,和,20,H2O,，加入,93,的浓,H2SO4,及,90,的浓,HNO3,，要求混合成,27,HNO3,及,60,H2SO4,的混合酸，计算所需废酸及加入浓酸的质量。,总式,x+y+z=100 (1),硫酸衡算式,0.57x+0.93y=60 (2),4.3.2,连续蒸馏过程,例,1,4.3.3,增湿,4.3.4,气体混合物的部分冷凝,4.3.5,液体混合物的部分气化,4.3.6,闪蒸,4.3.7,物理吸收,*/,4.3.8,提浓,4.3.9,脱水,4.4,用元素的原子平衡的方法作物料衡算,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，而是按照元素种类被转化及重新组合的概念表示为：,输入,(,某种元素,),输出,(,同种元素,),对反应过程中化学反应很复杂，无法用一、两个反应式表示（无法写出）的物料衡算题，可以列出元素衡算式，用代数法求解。,丙烷,A=93.76mol,B=3.148mol,4.5,直接使用反应计量方程式作物料衡算,直接求解法,有些化学反应过程的物料衡算，有时只含一个未知量或组成，这类问题比较简单，通常可根据化学反应式直接求解，不必列出衡算式。,4.6,利用联系物料作物料衡算,“联系组分”是指随物料输入体系，但完全不参加反应，又随物料从体系输出的组分，在整个反应过程中，它的数量不变（,惰性组分,）。,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。,用联系组分作衡算，尤其是对含未知量较多的物料衡算，可以使计算简化。,N,式中：E电能消耗量（kWh）；,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。,3、在只有一个或两个循环物流的简单情况，只要计算基准及系统边界选择适当，计算常可简化。,t 2冷却剂的出口温度（）；,物料衡算的理论依据是质量守恒定律，即在一个孤立物系中，不论物质发生任何变化，它的质量始终不变（不包括核反应，因为核反应能量变化非常大，此定律不适用）。,结晶过滤的总物料平衡：,5、有一个蒸馏塔，输入和输出物料量及组成如下图。,Q2 过程放出的热量；,tK被加热液体的最终温度（）；,F6蒸发器蒸出的水量（mol/h）；,3、在只有一个或两个循环物流的简单情况，只要计算基准及系统边界选择适当，计算常可简化。,式中：W蒸汽消耗量（Kg）；,通常这些数据可用下列方法得到：,同一物料，进出口的基准态必须相同。,但本身熔点高，管道和换热器都需要保温。,不需加热即可得到较高温度,使用方便,加热均匀,4.7,复杂反应体系使用产物、副产物各自的收率数据作物料衡算,.,反应转化率、选择性及收率等概念,（,1,）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称为限制反应物。,（,2,）过量反应物：不按化学计量比配料的原料中，某种反应物的量超过限制反应物完全反应所需的理论量，该反应物称为过量反应物。,（,3,）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。,（,4,）转化率（以,x,表示）：某一反应物反应掉的量占其输入量的百分数。,应用时必须指明某个反应物的转化率。若没有指明时，则往往是指限制反应物的转化率。,（,5,）选择性（以,S,表示）：反应物反应成目的产物所消耗的量占反应物反应掉的量的百分数。,若反应物为,A,，生成的目的产物为,D,，,转化率与选择性是反应过程的两个主要技术指标。,（,6,）收率（以,Y,表示）：目的产物的量除以反应物（通常指限制反应物）输入量，以百分数表示。它可以用物质的量（摩尔数）或质量进行计算。,转化率、选择性与收率三者之间的关系为,Y=S,x,例题分析见教材,P161,4.8,带有物料循环流程的物料衡算,这类过程的物料衡算与以上介绍的方法相类似，只是需要先根据已知的条件及所求的未知量选择合适的,衡算体系,，列出物料衡算式再求解。如果存在,联系组分,，则可以利用联系组分计算。,例题分析见教材,P165,p,8,0,(,代数解法,),试差法,。估计循环流量，并继续计算至循环回流的那一点。将估计值与计算值进行比较，并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围内。,3,、在只有一个或两个循环物流的简单情况，只要计算基准及系统边界选择适当，计算常可简化。一般在衡算时，先进行总的过程衡算，再对循环系统，列出方程式求解。对于这类物料衡算，衡算系统选取得好坏是关键的解题技巧。,4.9,多步串联过程的物料衡算,一般是按照生产过程的顺序从前向后依次计算。,例题分析见教材,P168,例题,4,合成氨原料气中的,CO,通过变换反应器而除去，如图,3-3,所示。在反应器,1,中大部分转化，反应器,2,中完全脱去。原料气是由发生炉煤气（,78,N2,，,20,CO,，,2,CO2,）和水煤气（,50%H2,，,50,CO,）混合而成的半水煤气。在反应器中与水蒸汽发生反应。得到物流中,与,之比为：，假定水蒸汽流率是原料气总量（干基）的两倍，同时反应器,1,中,CO,的转化率为,80%,试计算中间物流（,4,）的组成。,图33,解,基准：物流,1,为,100mol/h,；正反应的反应速率为,r,（,mol/h,）,（,1,）过程先由总单元过程摩尔衡算式进行计算，总衡算式为：,N2,衡算,F,5,，,N2,=0.78100,78mol/h,CO,平衡,0,0.2100+0.5F,2,r,H2O,平衡,F,5,H2O,F3 r,CO2,平衡,F,5,CO2,0.02100+r,H2,平衡,F,5,H2,0.5F,2,+r,已知,H2,与,N2,之比为,3,：,1,F,5,H2,3F,5,N2,378,234mol/h,原料气（干基）与水蒸汽之比为,1,：,2,F3,2,（,F1+F2,）,将,H2,和,CO,平衡式相加，消去,r,，得：,F2,234-20,214mol/h,将,F2,值代入,CO,平衡式中，得：,r,20+107,127mol/h,F3,2,（,100+214,）,628mol/h,最后，由,CO2,和,H2O,平衡得：,F,5,CO2,129mol/h,；,F,5,H2O,628-127,501mol/h,（,2,）计算反应器,1,的反应速率，然后计算物流,4,的组成,由反应速率的定义式得：,r,式中 为,I,物质的转化率。,已知反应器,1,中,CO,的转化率为,0.80,，由此得反应器,1,的反应速率：,r,0.80.2100+0.5214,101.6mol/h,物流,4,中每一物流的流率,已知,r,后，物流,4,中每一物流的流率可以用物料衡算求得，即：,N2,平衡：,F,4,N2,0.78100,78mol/h,CO,平衡：,F,4,co,127 r,25.4mol/h,H2O,平衡：,F,4,H2O,628 r,526.4mol/h,CO2,平衡：,F,4,CO2,2+r,103.6mol/h,H2,平衡：,F,4,H2,107+r,208.6mol/h,物流,4,的组成（摩尔分率）为：,N2,：,0.083,；,CO,：,0.027,；,H2O,：,0.559,；,CO2,：,0.110,；,H2,：,0.221,。,例题,5,K2CrO4,从水溶液重结晶处理工艺是将每小时,4500mol,含,33.33,（,mol,）的,K2CrO4,新鲜溶液和另一股含,36.36,（,mol,）,K2CrO4,的循环液合并加入至一台蒸发器中，蒸发温度为,120,，用,0.3MPa,的蒸汽加热。从蒸发器放出的浓缩料液含,49.4,（,mol,）,K2CrO4,进入结晶槽，在结晶槽被冷却，冷至,40,，用冷却水冷却（冷却水进出口温差,5,）。然后过滤，获得含,K2CrO4,结晶的滤饼和含,36.36,（,mol,）,K2CrO4,的滤液（这部分滤液即为循环液），滤饼中的,K2CrO4,占滤饼总物质的量的,95,。,K2CrO4,的分子量为,195,。试计算：,蒸发器蒸发出水的量；,K2CrO4,结晶的产率；,循环液（,mol,）,/,新鲜液（,mol,）的比率；,蒸发器和结晶器的投料比（,mol,）。,解：,为了明确理解该重结晶处理工艺，先画出流程框图，如图示。将每一流股编号且分析系统：,图34,基准：,4500mol/h,新鲜原料，以,K,表示,K2CrO4,，,W,表示,H2O,。,设：,F1,进入蒸发器的新鲜物料量（,mol/h,）；,F2,进入蒸发器的循环物料量即滤液量（,mol/h,）；,F3,新鲜液和循环液混合后的物料量（,mol/h,）；,F4,出蒸发器的物料量（,mol/h,）；,F5,结晶过滤后的滤饼总量（,mol/h,）；,F6,蒸发器蒸出的水量（,mol/h,）；,Pc,结晶过滤后滤饼中,K,的物质量（,mol/h,）；,Ps,结晶过滤后滤饼中滤液的物质量（,mol/h,）；,x3,新鲜液和循环液混合后的,K2CrO4,组成,(mol/h,）。,从已知条件可看出，滤饼里的溶液和结晶固体之间存在如下的关系（,mol,）：,Ps=0.05,（,Pc+Ps,）,Ps=0.05263Pc,对系统,1,物质,K,平衡：,0.3333F1=Pc+0.3636Ps,联立解得：,Pc=1472mol K2CrO4/h,，,Ps=77.5mol,溶液,/h,H2O,物料平衡：,F1,（,1-0.3333,）,=F6+F5 0.05,（,1-0.3636,）,得：,F6=2950.8mol/h,结晶过滤的总物料平衡：,F4=Pc+Ps+F2,F4=F2+1549.5,结晶器水的平衡：,F4,（,1-0.494,）,=,（,F2+1549.50.05,）,（,1-0.3636,）,联立求解得：,F2=5634.6mol/h,；,F4=7184mol/h,则：循环液,/,新鲜料液,5634.6/7184,1.25,最后，通过混合点系统,3,的物料平衡或蒸发器的物料平衡求出,F3,。,混合点的物料平衡：（,F1+F2,）,F3,得：,F3=10134.6mol/h,由蒸发器的物料平衡可校核,F3,的计算是否正确：,F3=F4+F6,因此，设计的蒸发器与结晶槽的投料比为：,F3/F4=10134.6/7184=1.41,作业题,1,、物料衡算的方法和基本步骤有哪些？,2,、丙烷充分燃烧时要使空气过量,25%,，燃烧反应为,C3H8+5O2=3CO2+4H2O,求每,100moL,燃烧产物（烟道气）需要加入多少丙烷和空气？（元素衡算法）,3,、某厂用空气氧化邻二甲苯生产苯酐。原料流量为：,205Kg/h,邻二甲苯，,4500m3,（,STP,）,/H,空气。从反应计量关系可知，生成,1mOL,的苯酐需要反应掉,1mOL,邻二甲苯。经化验得到反应器出口组成如下,组成,苯酐,顺酐,邻二甲苯,O2,N2,其它,合计,%,（,mOL,0.65,0.04,0.03,16.58,78,4.7,100,试计算,（,1,）,邻二甲苯的转化率，苯酐的收率、反应的选择性；（,2,）苯酐的年产量（年工作日,330,天）（用联系组分衡算法）,4,、作氨合成系统的物料衡算。已知（,1,）新鲜原料气组成如下,（,2,）氨合成塔入口气体含氨,2.5%,（摩尔分数）,（,3,）氨合成塔出口气体含氨,11%,；,（,4,）放空气中（,Ar+CH4,）的含量为,19.296%,；,（,5,）忽略气体在液氨中的溶解；,（,6,）氨合成塔出口气体含氨量与放空气中氨的含量近似相等。,组成,H2,N2,CH3,Ar,合计,%,（,mOL,73.729,24.558,1.420,0.293,100,5,、,有一个蒸馏塔，输入和输出物料量及组成如下图。输入物料中,A,组分的,98,。,7,自塔顶蒸出。求每千克输入物料可得到塔顶馏出物,2,的量及其组成。,第五章 热量衡算,主要内容,1,、,热量衡算,基本原理、,方法,和步骤；,2,、加热剂与冷却剂；,3,、热量衡算举例。,5.1,热量衡算在化工设计工作中的意义,能量衡算的基础是物料衡算，只有在进行完整的物料衡算后才能作出能量衡算。而物料衡算和能量衡算又是设备计算的基础。,化工设计中的能量衡算主要是热量衡算。,通过热量衡算可确定传热设备的,热负荷、反应器的换热量、设备进出口温度等，,以此为依据计算,传热面积换热设备的蒸汽用量或冷却水用量、以及传热设备的形式、尺寸等,，并为反应器、结晶器、塔式设备、输送设备、压缩系统、分离及各种控制仪表等提供参数，以确定单位产品的能耗指标；同时也为非工艺专业（热工、电、给水、冷暖）,设计提供设计条件,作准备。,5.2,热量衡算的基本方法,能量衡算是能量守恒定律的应用，能量是热能、电能、化学能、动能、辐射能的总称。,化工生产中最常用的能量形式为热能,，故化工设计中经常把能量衡算称为热量计算。,热量衡算的一般步骤与物料衡算相同，亦包括,画出流程简图、划分衡算系统、列写衡算方程式与约束式，求解方程组及结果整理等若干步骤。,5.2.1,热量衡算的基本关系式,热量衡算的基本关系式,5.2.2,热量的计算方法,根根据能量守恒原理，能量衡算的基本方法可表示为：,输入的能量 一 输出的能量 积累的能量,总能量衡算,连续流动过程的总能量衡算（热力学第一定律）,Q+W,H+Ek+EP,或,Q+W=,H+g,z+,u,2,/2,动能（,Ek,）运动着的流体具有动能；,位能（,EP,）物体自某一基准面移高到一定距离，由 于这种位移而具有的能量。,静压能（,Ez,）流体由于一定的静压强而具有的能量。,内能（,U,）内能是指物体除了宏观的动能和位能外所具有的能量。,焓,(H)H,U,PV,对于纯物质，焓可表示成温度和压力的函数：,H=H(T,，,P),H-,单位质量流体的,焓变。,在进行设备热量衡算时，位能变化，动能变化，外功变化都相对较小，可忽略不计，简化,Q=,H,H=H,in,-H,out,热量衡算就是计算在指定的条件下,进出物料的总焓变，,从而确定过程传递的热量。在实际计算时，由于进出设备的物料不止一个，因此可改写为：,Q=H1 H2,另外在热量衡算中，如果无轴功条件下（其它能量变化忽略不计），进入系统加热量与离开系统的热量应平衡，即在实际应用中对传热设备的热量衡算也可表示为：,Q,进,Q,出,Q1+Q2+Q3,Q4+Q5+Q6+Q7,式中：,Q1,所处理的物料带到设备中去的热量；,Q2,过程放出的热量；,Q3,由加热剂传给设备的热量；,Q4,物料由设备中带出的热量；,Q5,冷却剂带出的热量；,Q6,过程吸收的热量；,Q7,设备向四周散失的热量。,5.2.2,热量的计算方法,（,1,）等压条件下，在没有化学反应和聚集状态变化时，物质温度从,T1,变化到,T2,时，过程,显热,在化工计算中常用恒压热容,Cp,，由于比热容是温度的函数，常用幂次方程式表示，因此其计算式可表示为：,Q,n,式中：,n,物料量（,mol,）；,Cp,物料比热容（,kJ/mol,）,Cp=a+bT+cT,2,+dT,3,+eT,4,T,温度（,）或,(k),，,也可以用下式表示：,Q,n Cpm,（,T2-,T1,）,Cpm,物料平均定压比热容（,kJ/mol,）,（,2,）计算过程的焓变,Q=H,可设计途径计算焓差,（,H,只与始态和终态有关，与过程无关）,5.2.3,热量衡算的基准,热量衡算的基准：,数量基准,、,温度基准,和,相态基准,。,数量基准是指选那个量作基准来衡算热量。对于连续操作一般以单位时间,进料量（即进料速率）为基准,1Kmol/h,、,1Kg/h,。,温度相态的基准,(,任意规定），温度（,298K,）和相态基准的确定才能从有关手册中查得相关的热力学数据以便用于衡算。,同一物料，进出口的基准态必须相同。,5.3,热量衡算中使用的基本数据,(1),热力学物性数据,如内能、焓、熵、热容、相变热、自由能、自由焓等。,(2),化学反应和热化学数据,如反应热、生成热、燃烧热等。,通常这些数据可用下列方法得到：,1,、查手册或文献资料。,2,、计算。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。,3,、用实验直接测定。举例见教材,5.3.1,5.3.3,5.3.4,5.4,一些物质的热力学性质图,焓温图,(H-T),温熵图,(T-S),蒸汽的焓熵图,(H-S),溶液焓浓图,压焓图,(P-H),5.5,物理过程的热量衡算,5.5.1,气化,5.5.2,分流,5.5.3,溶液稀释,5.5.4,增湿,5.5.5,非等温吸收,5.5.6,连续蒸馏,5.5.7,提浓,无化学反应过程的能量衡算，一般应用于计算指定条件下进出过程物料的焓差，用来确定过程的热量，进而计算冷却或加热介质的用量和温差。,为了计算一个过程的,H,，可以用,假想的、由始态到终态几个阶段来代替原过程，这些阶段的焓变应该是可以计算的，,所需的数据也可以得到的。由于焓是状态函数，,H,与过程无关，只与始终状态有关。,所以每一阶段的,H,之和即为全过程的,H,。,H,H,1,+H,2,途径中各个阶段的类型，一般有下面五种：,（,1,）恒温时压力的变化；,（,2,）恒压时温度的变化；,（,3,）恒压恒温时相态的变化；（相变热）,（,4,）两个或两个以上物质在恒压恒温的混合和分离；,（,5,）恒温恒压时的化学反应过程。（如有化学反应）,相变热,汽化和冷凝、熔化和凝固、升华和凝华等相变过程往往伴有显著的内能和焓的变化，在恒定的温度和压力下，单位质量或摩尔的物质发生相的变化时的焓变称为相变热。例如,100,o,C,、,latm,时液体水转变成水汽的焓变,H,等于,40.6kJ/mol,，称为在该温度和压力下水的汽化潜热。,是最普遍的保温剂，使用设备简单，控制方便，廉价,K2CrO4的分子量为195。,（3）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。,式中 为I物质的转化率。,3、在只有一个或两个循环物流的简单情况，只要计算基准及系统边界选择适当，计算常可简化。,Q2由加热剂传热设备或物料所需的热量（kJ）；,可用于需较高温度的场合,但传热效果比蒸汽低的多,且不易调节,较少使用,另外在热量衡算中，如果无轴功条件下（其它能量变化忽略不计），进入系统加热量与离开系统的热量应平衡，即在实际应用中对传热设备的热量衡算也可表示为：,（5）收集计算需要数据资料,1、查手册或文献资料。,b、流程中某几个单元设备组合的子流程；,1 热量衡算在化工设计工作中的意义,可用煤、煤气或燃油燃烧得到，可得到较高温度，特别适用于直接加热空气的场合,Q7 设备向四周散失的热量。,这类过程通常又称为化工单元操作，诸如流体输送、粉碎、换热、混合、分离（吸收、精馏、萃取、结晶、过滤、干燥）等。,相变热获得方法：,纯物质正常沸点（熔点）相变热查手册。,设计途径求算。,用经验方程计算相变热。,例,在一热交换器中用压强为,136kpa,的饱和蒸汽加热,298k,的空气，空气流量为,1kg/s,，蒸汽的流量为,0.01kg/s,，冷凝水在饱和温度,381K,下排出。若取空气的平均比热为,1.005kJ/kgk,，试计算空气出口温度（热损失忽略不计）。,解：过程如图示：数量基准 每秒钟蒸汽、空气的流量温度基准 取进口空气温度,298K,，因而其焓为零，即,H,冷空气,=0,压强为,136kpa,的饱和蒸汽，查得其焓,H,蒸汽,.281K=2690KJ/kg,，同时查得,H,冷凝水,281K=452.9KJ/kg,衡算范围 封闭虚线所示范围,对此连续稳定过程,Q,入,=Q,出其中：,Q,入,=Q,蒸汽,+Q,冷空气,=0.001H,蒸汽,+1 H,冷空气,Q,出,=Q,热空气,+Q,冷凝水,=11.005,（,T-298,）,+0.001 H,冷凝水,T,：热空气温度 将数据代入解得,T=320.3K,5.6,伴有化学反应过程的热量衡算,一般有两种情况：已知,25,的反应热数据和已知反应温度下的反应热数据。,进口温度，反应前物料,出口温度，反应后物料,反应前物料,反应后物料，,25C,若已知反应温度下的反应热数据，则仍可按假设的热力学途径进行，只是温度为反应温度，且在计算反应焓变,H2,时，应使用反应温度下的反应热数据。,5.7,化工生产常用热载体,在较低压力下可达到较高温度；,化学稳定性高；,没有腐蚀作用；,热容量大；,冷凝热大；,无火灾或爆炸危险性；,无毒性；,价廉；,温度易于调节。,加热剂的选择要求,加热剂 和冷却剂,序号,加热剂,冷却剂,使用温度,范围,给热系数,w/(m,2,),优缺点及使用场合,1,热水,40,100,50,1400,对于,热敏性的物料用热水加热较为保险,但传热情况不及蒸汽好,且本身易冷却,不易调节,2,饱和蒸汽,100,180,300,3200,冷凝潜热大,热利用率高,温度易于调节控制,如用中压或高压蒸汽,使用温度还可提高,3,过热蒸汽,180,300,可用于需较高温度的场合,但传热效果比蒸汽低的多,且不易调节,较少使用,4,导热油,180,250,58,175,不需加热即可得到较高温度,使用方便,加热均匀,5,道生液,180,250,110,450,为,C,6,H,5,-C,6,H,5,26.5%,与,C,6,H,5,-O-C,6,H,5,73.5%,的混合物,加热均匀,温度范围广,易于调节,蒸汽冷凝潜热大,热效率高,需道生炉及循环装置,6,道生蒸汽,250,350,340,680,7,烟道气,500,1000,12,50,可用煤、煤气或燃油燃烧得到，可得到较高温度，特别适用于直接加热空气的场合,8,电加热,500,设备简单、干净、加热快，温度高，易于调节。但成本高，适用于用量不太大、要求高的场合。,9,熔盐,400,540,NaNO,2,40%,；,KNO,3,53%NaNO,3,7%,的混合物。可用于需高温的工业生产。但本身熔点高，管道和换热器都需要保温。传热系数高，蒸汽压低，稳定。,10,冷却水,30,20,是最普遍的保温剂，使用设备简单，控制方便，廉价,11,冰,0,30,大多用于染料工业中直接防于锅内调节反应，稳定效果较好，但会使反应液冲淡，并使反应锅体积增大,12,冷冻盐水,-15,30,使用方便，冷却效果好，但需冷却系统，投资大，一般用于冷却水无法达到的低温冷却。,5.8,冷冻剂和载冷体,5.8.1,冷冻剂,（,1,）氨,（,2,）二氧化碳,（,3,）氟利昂,（,4,）乙烯、丙稀等,5.8.2,载冷体,（,1,）冷冻盐水,（,2,）氯化钠,（,3,）氯化钙,（,4,）氯化镁,5.9,加热剂和冷却剂的用量的计算,（,1,）直接蒸汽加热时的蒸汽用量：,W=Q2/,（,H CPtK,）,（,3-17,）,式中：,W,蒸汽消耗量（,Kg,）；,Q,由加热剂传给设备或物料加热所需的热量（,KJ,）；,H,蒸汽加热焓量（,KJ/Kg,）；,tK,被加热液体的最终温度（,）；,CP,被加热液体的比热容（,KJ/Kg,）。,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。,（,2,）间接蒸汽加热时的蒸汽的用量：,W=Q/,H,式中：,W,蒸汽消耗量（,Kg,）；,Q,由加热剂传给设备或物料加热所需的热量（,KJ,）；,H=H2-H1,H1,蒸汽焓值（,KJ/Kg,）；,H1,冷凝水的焓值（,KJ/Kg,）。,（,3,）燃料消耗量：,M=Q/q,（,3-19,）,式中：,M,燃料消耗量，,Kg/h,或,Kg,Q,由加热剂传给设备或物料加热所需的热量（,KJ,）；,T,炉子的热效率；,q,燃料的热值（,KJ/Kg,）。,（,4,）冷却剂消耗量,W,Q/Cp,（,t,2,t 1,）（,3-20,）,式中：,W,冷却剂消耗量（,kg,）；,Q,由加热剂传给设备或物料冷却所需的热量（,kJ,）；,C,p,冷却剂的比热容（,kJ/kg,）；,t 2,冷却剂的出口温度（,）；,t 1,冷却剂的入口温度（,）。,（,5,）电能消耗量,E,Q2/3600,（,3-21,）,式中：,E,电能消耗量（,kWh,）；,Q2,由加热剂传热设备或物料所需的热量（,kJ,）；,电热装置的电工效率，一般取,0.85,0.95,。,热量衡算结果整理,通过热量衡算以及加热剂、冷却剂等的用量计算，结合设备计算与设备操作时间安排（在间歇操作中此项显得特别重要）等工作，即可求出生成某产品的,整个装置的动力消耗及每吨产品的动力消耗定额,，由此可得动力,消耗的每小时最大用量，每昼夜用量和年消耗量,，并列表将计算结果汇总。,5.10,动力消耗综合表,序号,动力名称,单位,规格,成品消耗定额（单耗,/t,）,每小时消耗量,每年消耗量,使用情况,1,新鲜水,m,3,工业级,5,2.5,15600,连续,2,循环水,m,3,5,温差,852.6,677,2.1210,4,连续,3,冷冻盐水,4,蒸汽,t,0.8 MPa,2.14,0.75,6840,连续,5,压缩空气,0.70.8 MPa,46.8,1536,（,m,3,/d,）,3.6110,5,连续,6,燃料,7,电,kWh,6000V,580,420,3.6010,6,连续,5.11,系统能量合理利用,在化工生产中，能量的消耗是一项重要的技术经济指标，它是衡量工艺过程、设备设计、操作制度是否先进合理的主要指标之一。,1,、综合利用能量，降低能耗。,如利用反应放出的热来生产不同参数的蒸汽，再用蒸汽驱动透平机提供生产的动力和发电。采用,热交换网络设计技术。,2,、回收利用各种废热。,如利用余热来预热工艺物料，加热锅炉给水。,作业题,1,、热量衡算的方法和基本步骤怎样？,2,、在固定床反应器中进行,CO,和水蒸气转化制,H2,反应，反应器入口气体的组成和流量如下：,组成,H2,N2,CH4,CO,H2O,O2,CO2,合计,%,（,mOL,47.25,24.79,1.422,28.5,122.2,0.5,19.0,243.6,反应,CO,的转化率为,72.5%,，,CO,的转化反应在,490,反应热,-,Ho=37258.5KJ/KmolCO,，原料气中,O2,全部与,H2,化合生成水，（反应,490,反应热,-,Ho=4.837,105KJ/KmolO2,，反应气体入口温度,380,，出口温度,490,，求固定床绝热反应器器壁向环境散失的热量？,演讲完毕，谢谢观看！,