3.物料衡算與能量衡算本章主要內(nèi)容物料衡算熱量衡算運用計算軟件進行化工工藝計算物料衡算的定義運用能量守恒定律，對生產(chǎn)過程或設備進行研究，計算輸入或輸出的物流量及組分等。

3.1物料衡算3.1.1基本原理A.物料衡算的目的B.物料衡算的依據(jù)C.物料衡算基準D.物料衡算程序A.物料衡算的目的（1）原材料消耗定額，判斷是否達到設計要求。（2）各設備的輸入及輸出的物流量，摩爾分率組成及其他組成，并列表，在此基礎上進行設備的選型及設計，并確定三廢排放位置、數(shù)量及組成，有利于進一步提出三廢治理的方法。（3）作為熱量計算的依據(jù)。（4）根據(jù)計算結果繪出物流圖，可進行管路設計及材質(zhì)、儀表及自控設計的選取等。B.物料衡算的依據(jù)（1）設計任務書中確定的技術方案、產(chǎn)品生產(chǎn)能力、年工作時間及操作方法。（2）建設單位或研究單位所提供的要求、設計參數(shù)及實驗室試驗或中試等數(shù)據(jù)，主要有：a）化工單元過程的主要化學反應方程式、反應物配比、轉(zhuǎn)化率、選擇性、總收率、催化劑狀態(tài)及加入配比量、催化劑是否回收使用、安全性能（爆炸上下限）等。b)原料及產(chǎn)品的分離方式，各步的回收率，采用物料分離劑時，加入分離劑的配比。c)特殊化學品的物性，如沸點、熔點、飽和蒸汽壓、閃點等。（3）工藝流程示意圖C.物料衡算基準時間基準質(zhì)量基準體積基準干濕基準（1）時間基準對于連續(xù)生產(chǎn)，以一段時間間隔作為計算基準，如1秒、1小時、1天等的投料量或產(chǎn)品量。這種基準可直接聯(lián)系到生產(chǎn)規(guī)模和設備設計計算，如年產(chǎn)300萬噸乙烯裝置，年操作時間為8000h，每小時的平均產(chǎn)量為37.5t。對間歇生產(chǎn)，一般可以一釜或一批料的生產(chǎn)周期作為基準。（2）質(zhì)量基準當系統(tǒng)介質(zhì)為液、固相時，選擇一定質(zhì)量的原料或產(chǎn)品作為計算基準是合適的。如以煤、石油、礦石為原料的化工過程采用一定量的原料，例如：1kg、1000kg等作基準。如果所用原料或產(chǎn)品系單一化合物，或者由已知組成百分數(shù)和組分分子量的多組分組成，那么用物質(zhì)的量（摩爾）作基準更方便。（3））體體積積基基準準對氣氣體體物物料料進進行行衡衡算算時時選選用用體體積積基基準準。。這這時時應應將將實實際際情情況況下下的的體體積積換換算算為為標標準準狀狀態(tài)態(tài)下下的的體體積積，，即即標標準準體體積積，，用用m3（STP））表示示。。（4））干干濕濕基基準準生產(chǎn)產(chǎn)中中的的物物料料，，不不論論是是氣氣態(tài)態(tài)、、液液態(tài)態(tài)和和固固態(tài)態(tài)，，均均含含有有一一定定的的水水分分，，因因而而在在選選用用基基準準時時就就有有算算不不算算水水分分在在內(nèi)內(nèi)的的問問題題。。不不計計算算水水分分在在內(nèi)內(nèi)的的稱稱為為干干基基，，否否則則為為濕濕基基。。物料料衡衡算算的的程程序序1（1））確確定定衡衡算算的的對對象象、、體體系系與與環(huán)環(huán)境境，，并并畫畫出出計計算算對對象象的的草草圖圖。。對對于于整整個個生生產(chǎn)產(chǎn)流流程程，，要要畫畫出出物物料料流流程程示示意意圖圖（（或或流流程程框框圖圖））。。繪繪制制物物料料流流程程圖圖時時，，要要著著重重考考慮慮物物料料的的種種類類和和走走向向，，輸輸入入和和輸輸出出要要明明確確（2）確定計計算任務，明明確哪些是已已知項，那些些是待求項，，選擇適當?shù)牡臄?shù)學公式，，力求計算方方法簡便（3）確定過過程所涉及的的組分（4）對物流流流股進行編編號，并標注注物流變量物料衡算的程程序2（5）收集數(shù)據(jù)資料料（6）列出物料衡算算方程（7）列出過程的全全部獨立物料料平衡方程式式及其他相關關約束式（8））選擇計計算基基準（9））統(tǒng)計計變量量個數(shù)數(shù)與方方程個個數(shù)，，確定定設計計變量量的個個數(shù)及及全部部設計計變量量（10）整理計計算結結果（11）繪繪制物物料流流程圖圖(5)收集數(shù)數(shù)據(jù)資資料a）生產(chǎn)規(guī)規(guī)模和和生產(chǎn)產(chǎn)時間間。生生產(chǎn)規(guī)規(guī)模為為設計計任務務中所所規(guī)定定，生生產(chǎn)時時間指指全年年的有有效生生產(chǎn)天天數(shù)b）有關的的定額額和技技術指指標。。這類類數(shù)據(jù)據(jù)通常常指產(chǎn)產(chǎn)品單單耗、、配料料比、、循環(huán)環(huán)比、、固液液比、、汽液液比、、回流流比、、利用用率、、轉(zhuǎn)化化率、、選擇擇性、、單程程收率率、總總收率率等。。有些些數(shù)據(jù)據(jù)由經(jīng)經(jīng)驗確確定。。c）原輔材料料、產(chǎn)品品、中間間產(chǎn)品的的規(guī)格，，包括原原料的有有效成分分和雜質(zhì)質(zhì)含量，，氣體或或液體混混合物的的組成等等。d）與過程有有關的物物理化學學參數(shù)。。列出物料料衡算方方程即：（Fi-F0）+（Dp-Dr）＝W（3-1）進入過程單元的物料量Fi流出過程單元的物料量Fo在過程單元內(nèi)生成的物料量Dp在過程單元內(nèi)消耗的物料量Dr過程單元內(nèi)積累的物料量W物料衡算算方程的的簡化形形式穩(wěn)定操作作過程（Fi-F0）+（Dp-Dr）＝0系統(tǒng)內(nèi)無無化學反反應（Fi-F0）＝W系統(tǒng)內(nèi)無無化學反反應的穩(wěn)穩(wěn)定操作作過程（Fi-F0）＝0原材料消消耗一覽覽表序號原料名稱單位規(guī)格成品消耗定額（單耗2）每小時消耗量每年消耗量備注1尿素t含氨量≥46.3％2.31.7510800

2液氨t99.5％0.20.1471070

3催化劑t

0.01

60

4道生1kg工業(yè)級0.225

1.35

5氮氣m3(STP)99.5％3630m3/h21.6×104≥0.4Mpa6熔鹽kg工業(yè)級0.32

1.9

7燃料油t

0.8150.664910

8包裝袋套450×8004033.3240×103

物料衡算算舉例A．無化學反反應過程程的物料料衡算B．有化學反反應的物物料衡算算C．帶循環(huán)和和旁路過過程的物物料衡算算A．無反應過過程的物物料衡算算在系統(tǒng)中中，物料料沒有發(fā)發(fā)生化學學反應的的過程，，稱為無無反應過過程。這這類過程程通常又又稱為化化工單元元操作，，諸如流流體輸送送、粉碎碎、換熱熱、混合合、分離離（吸收收、精餾餾、萃取取、結晶晶、過濾濾、干燥燥）等。。例題3-1設計一套套從氣體體中回收收丙酮的的裝置系系統(tǒng)，并并計算回回收丙酮酮的費用用。系統(tǒng)統(tǒng)的流程程框圖如如圖3-1所示示，要求求由已知知的條件件，列出出各物流流的流率率（kg/h））,以便便能確定定設備的的大小，，并計算算蒸餾塔塔的進料料組分。。流程圖圖3.1水已知物料料參數(shù)表表組成kmolkg質(zhì)量，（mol）%丙酮1.5872.95空氣98.5286097.05總計1002947100.00例題3-1解可列出總總物料平平衡式：：1200+F2=F3+F4+F5各組分平平衡式：：丙酮0.0295F2=0.99F4+0.05F5水1200=0.01F4+0.95F5空氣0.9705F2=F3補充數(shù)據(jù)據(jù)（1）每每小時進進入系統(tǒng)統(tǒng)的氣體體混合物物，離開開系統(tǒng)的的產(chǎn)品或或廢液的的物流量量（2）進進入蒸鎦鎦塔的組組分B．有反應的的物料衡衡算（1）直直接計計算法；；（2）利利用反反應速率率進行物物料衡算算；計算方法法（3）元元素平衡衡；（4）以以化學學平衡進進行衡算算；（5）以以結點點進行衡衡算；（6）利利用聯(lián)聯(lián)系組分分進行衡衡算。例題3-2年產(chǎn)300t對-硝基基乙苯工工段物料料衡算，，原料乙乙苯純度度95％％，硝化化混酸組組成為：：HNO332%，，H2SO456%，，H2O12%。粗乙苯與與混酸質(zhì)質(zhì)量比1：1.885。對硝硝基乙苯苯收率50％，，硝化產(chǎn)產(chǎn)物為硝硝基乙苯苯的混合合物，其其比例對對：鄰：：間＝0.5：：0.44：0.06。配置置混酸所所用的原原料：H2SO493%，，HNO396％及H2O，年工作日日300天，假假設轉(zhuǎn)化化率為100％％，間歇歇生產(chǎn)。。解：（1）畫出出流程示示意圖，，確定計計算范圍圍。圖3.2（2）原原料乙苯苯量1G1G2G3G4G5M：106.1763151.1718.02基準：間間歇生產(chǎn)產(chǎn)，以每每天生產(chǎn)產(chǎn)的kg為基準準（2）原原料乙苯苯量2對硝基乙乙苯：G3==1000kg乙苯量：：G1==1404.6kg原料乙苯苯量：1404.6/0.95＝1478.6kg雜質(zhì)量：：1478.6-1404.6＝74kg（3）配配酸酸量量混酸量：：1478.6××1.855=2742.8kg純HNO3量：2742.8××0.32＝877.7kg96%HNO3量：877.7/0.96=914.3kg純H2SO4量：2742.8××0.56=1536kg93%H2SO4量：1563/0.93=1651.6kg加水量：：2742.8-914.3-1651.6＝176.9kg（4）硝硝化已知轉(zhuǎn)化化率為100％，G3：G4：G5=0.5：0.44：0.06硝化物產(chǎn)產(chǎn)量：＝＝1999.7kg其中硝基基乙苯：：對位：1999.9××0.5＝1000kg鄰位：1999.9××0.44＝880kg間位：1999.7-1000-880=119.7kg廢酸量HNO3消耗量：：×63＝833.5kgH2O生成量：：×18.02＝238.4kg廢酸中HNO3量：877.7-833.5＝44.2kgH2SO4量：1536kgH2O量：329.1+238.4＝567.5kg廢酸總量量：44.2+1536+567.5＝2147.7kg廢酸組成成：HNO32.06％，H2SO471.52%，H2O26.42%表3-2硝化化過程的的物料衡衡算表輸入輸出組分質(zhì)量，kg/d組分質(zhì)量，kg/dHNO3877.7HNO344.2H2SO41536H2SO41536H2O329.1H2O567.5C6H5-C2H51404.6C6H5-C2H5硝基乙苯對位鄰位間位1000880119.7雜質(zhì)74雜質(zhì)74合計4221.4合計4221.4例3-3合成氨原原料氣中中的CO通過變換換反應器器而除去去，如圖圖3-3所示。在在反應器器1中大部分分轉(zhuǎn)化，，反應器器2中完全脫脫去。原原料氣是是由發(fā)生生爐煤氣氣（78％N2，20％CO，2％CO2）和水煤煤氣（50%H2，50％CO）混合而而成的半半水煤氣氣。在反反應器中中與水蒸蒸汽發(fā)生生反應。。得到物物流中Ｈ２與Ｎ３之比為３３：１，，假定水水蒸汽流流率是原原料氣總總量（干干基）的的兩倍，，同時反反應器1中CO的轉(zhuǎn)化率率為80%,試計算中中間物流流（4）的組成成。圖3－3解基準：物物流1為100mol/h；正反應應的反應應速率為為r（mol/h）（1）過程先先由總單單元過程程摩爾衡衡算式進進行計算算，總衡衡算式為為：N2衡算F5，N2=0.78×100＝78mol/hCO平衡0＝0.2××100+0.5F2–rH2O平衡F5,H2O＝F3––rCO2平衡F5,CO2＝0.02×100+rH2平衡F5,H2＝0.5F2+r已知H2與N2之比為3：1F5,H2＝3F5,N2＝3×78＝234mol/h原料氣（（干基））與水蒸蒸汽之比比為1：2F3＝2（F1+F2）將H2和CO平衡式相相加，消消去r，得：F2＝234-20＝214mol/h將F2值代入CO平衡式中中，得：：r＝20+107＝127mol/hF3＝2×（100+214）＝628mol/h最后，由CO2和H2O平衡得：F5,CO2＝129mol/h；F5,H2O＝628-127＝501mol/h（2）計算反應應器1的反應速率率，然后計計算物流4的組成由反應速率率的定義式式得：r＝＝＝式中為為I物質(zhì)的轉(zhuǎn)化化率。已知反應器器1中CO的轉(zhuǎn)化率為為0.80，由此得反反應器1的反應速率率：r＝＝＝0.8[0.2×100+0.5×214]＝101.6mol/h物流4中每每一物流的的流率已知r后，物流4中每一物流流的流率可可以用物料料衡算求得得，即：N2平衡：F4,N2＝0.78××100＝78mol/hCO平衡：F4,co＝127––r＝25.4mol/hH2O平衡：F4,H2O＝628––r＝526.4mol/hCO2平衡：F4,CO2＝2+r＝103.6mol/hH2平衡：F4,H2＝107+r＝208.6mol/h物流4的組成（摩摩爾分率））為：N2：0.083；CO：0.027；H2O：0.559；CO2：0.110；H2：0.221。C．帶循環(huán)和和旁路過程程的物料衡衡算（1）試差法。。估計循環(huán)環(huán)流量，并并繼續(xù)計算算至循環(huán)回回流的那一一點。將估估計值與計計算值進行行比較，并并重新假定定一個估計計值，一直直計算到估估計值與計計算值之差差在一定的的誤差范圍圍內(nèi)。（2）代數(shù)解法法。在循環(huán)環(huán)存在時，，列出物料料平衡方程程式，并求求解。一般般方程式中中以循環(huán)流流量作為未未知數(shù)，應應用聯(lián)立方方程的方法法進行求解解。在只有一個個或兩個循循環(huán)物流的的簡單情況況，只要計計算基準及及系統(tǒng)邊界界選擇適當當，計算常常可簡化。。一般在衡衡算時，先先進行總的的過程衡算算，再對循循環(huán)系統(tǒng)，，列出方程程式求解。。對于這類類物料衡算算，計算系系統(tǒng)選取得得好壞是關關鍵的解題題技巧。例3-4K2CrO4從水溶液重重結晶處理理工藝是將將每小時4500mol含33.33％（mol）的K2CrO4新鮮溶液和和另一股含含36.36％（mol）K2CrO4的循環(huán)液合合并加入至至一臺蒸發(fā)發(fā)器中，蒸蒸發(fā)溫度為為120℃，用0.3MPa的蒸汽加熱熱。從蒸發(fā)發(fā)器放出的的濃縮料液液含49.4％（mol）K2CrO4進入結晶槽槽，在結晶晶槽被冷卻卻，冷至40℃，用冷卻水水冷卻（冷冷卻水進出出口溫差5℃）。然后過過濾，獲得得含K2CrO4結晶的濾餅餅和含36.36％（mol）K2CrO4的濾液（這這部分濾液液即為循環(huán)環(huán)液），濾濾餅中的K2CrO4占濾餅總物物質(zhì)的量的的95％。K2CrO4的分子量為為195。試計算：：蒸發(fā)器蒸發(fā)發(fā)出水的量量；K2CrO4結晶的產(chǎn)率率；循環(huán)液（mol）/新鮮液（mol）的比率；；蒸發(fā)器和結結晶器的投投料比（mol）。解：為了明確理理解該重結結晶處理工工藝，先畫畫出流程框框圖，如圖圖示。將每每一流股編編號且分析析系統(tǒng)：圖3－4基準：4500mol/h新鮮原料，，以K表示K2CrO4，W表示H2O。設：F1——進入蒸發(fā)器器的新鮮物物料量（mol/h）；F2——進入蒸發(fā)器器的循環(huán)物物料量即濾濾液量（mol/h）；F3——新鮮液和循循環(huán)液混合合后的物料料量（mol/h）；F4——出蒸發(fā)器的的物料量（（mol/h）；F5——結晶過濾后后的濾餅總總量（mol/h）；F6——蒸發(fā)器蒸出出的水量（（mol/h）；Pc——結晶過濾后后濾餅中K的物質(zhì)量（（mol/h）；Ps——結晶過濾后后濾餅中濾濾液的物質(zhì)質(zhì)量（mol/h）；x3——新鮮液和循循環(huán)液混合合后的K2CrO4組成(mol/h）。從已知條件件可看出，，濾餅里的的溶液和結結晶固體之之間存在如如下的關系系（mol）：Ps=0.05×（Pc+Ps）Ps=0.05263Pc對系統(tǒng)1物質(zhì)K平衡：0.3333×F1=Pc+0.3636×Ps聯(lián)立解得：：Pc=1472molK2CrO4/h，Ps=77.5mol溶液/hH2O物料平衡：：F1（1-0.3333）=F6+F5××0.05×（1-0.3636）得：F6=2950.8mol/h結晶過濾的的總物料平平衡：F4=Pc+Ps+F2F4=F2+1549.5結晶器水的的平衡：F4（1-0.494）=（F2+1549.5×0.05）×（1-0.3636）聯(lián)立求解得得：F2=5634.6mol/h；F4=7184mol/h則：循環(huán)液液/新鮮料液＝＝5634.6/7184＝1.25最后，通過過混合點系系統(tǒng)3的物料平衡衡或蒸發(fā)器器的物料平平衡求出F3?；旌宵c的物物料平衡：：（F1+F2）＝F3得：F3=10134.6mol/h由蒸發(fā)器的的物料平衡衡可校核F3的計算是否否正確：F3=F4+F6因此，設計計的蒸發(fā)器器與結晶槽槽的投料比比為：F3/F4=10134.6/7184=1.413.2熱量衡算3.2.1基本原理理3.2.2加熱劑與與冷卻劑3.2.3熱量衡算算中的幾個個問題3.2.4熱量衡算算舉例3.2.1基本原理能量衡算的的基本方程程式熱量計算中中各種熱量量的說明依據(jù)能量衡算是是以熱力學學第一定律律為依據(jù)，，能量是熱熱能、電能能、化學能能、動能、、輻射能的的總稱?；どa(chǎn)中中最常用的的能量形式式為熱能，，故化工設設計中經(jīng)常常把能量設設計稱為熱熱量計算。。目的通過熱量衡衡算可確定傳熱設備的的熱負荷，以此為依依據(jù)設計傳傳熱設備的的形式、尺尺寸、傳熱熱面積等，，并為反應應器、結晶晶器、塔式式設備、輸輸送設備、、壓縮系統(tǒng)統(tǒng)、分離及及各種控制制儀表等提提供參數(shù)，，以確定單單位產(chǎn)品的的能耗指標標；同時也也為非工藝藝專業(yè)（熱熱工、電、、給水、冷冷暖）設計計提供設計計條件作準準備。步驟熱量衡算的的一般步驟驟與物料衡衡算相同，，亦包括劃劃分系統(tǒng)、、畫出流程程簡圖、列列寫方程式式與約束式式，求解方方程組及結結果整理等等若干步驟驟。A.能量量衡算的基基本方程式式根據(jù)熱力學學第一定律律，能量衡衡算方程式式的一般形形式為：△E＝Q+W（3-7）式中，△E－體系總能能量變化；；Q－體系從環(huán)環(huán)境中吸收收的能量；；W－環(huán)境對體體系所做的的功。能量衡算的的基本方程程式2在熱量衡算算中，如果果無軸功條條件下，進進入系統(tǒng)加加熱量與離離開系統(tǒng)的的熱量應平平衡，即在在實際應用用中對傳熱熱設備的熱熱量衡算可可表示為：：∑Q進＝∑Q出（（3-8）Q1+Q2+Q3＝Q4+Q5+Q6（3-9）式中：Q1－所處理的物物料帶到設備備中去的熱量量（KJ）；Q2－由加熱劑（（或冷卻劑））傳給設備的的熱量或加熱熱與冷卻物質(zhì)質(zhì)所需的熱量量（KJ）;符號規(guī)定，輸輸入（加熱））為“+”，輸出（冷卻卻）為“-”。Q3－過程的熱效效應（kJ）；符號規(guī)定定，放熱為““-”，吸熱為“+”，應注意Q=－△H。Q4－反應產(chǎn)物由由設備中帶出出的熱量（kJ）；Q5－消耗在加熱熱設備各個部部件上的熱量量（kJ）；Q6－設備向四周周散失的熱量量（kJ）。B．熱量計算中中各種熱量的的說明（1）計算基準，，可取任何溫溫度，對有化化學反應的過過程，一般取取25℃作為計算基準準。（2）物料的顯熱熱可用焓值或或比熱進行計計算，在化工工計算中常用用恒壓熱容Cp，由于比熱容容是溫度的函函數(shù)，常用冪冪次方程式表表示，因此其其計算式可表表示為：Q＝n（3-10）式中：n－物料量（mol）；Cp－物料比熱容容（kJ/mol·℃）,Cp=a+bT+cT2+dT3+eT4T－溫度（℃），T2為物料溫度，，T1為基準溫度。。（3）關于Q2熱負荷的計算算。對于間歇歇操作，各段段時間操作情情況不一樣，，則應分段作作熱量平衡，，求出各不同同時間的Q2，然后得到最最大需要量。。（4）Q3為過程的熱效效應，包括過過程的狀態(tài)熱熱（相變化產(chǎn)產(chǎn)生的熱）和和化學反應熱熱。相變化一一般可由手冊冊查閱，對無無法查閱的汽汽化熱可由特特魯頓法則估估算，反應熱熱由生成熱和和燃燒熱計算算。B．熱量計算中中各種熱量的的說明2（5）設備加熱所所需熱量Q5在穩(wěn)定操作過過程中不出現(xiàn)現(xiàn)，在間歇操操作的升溫降降溫階段也有有設備的升溫溫降溫熱產(chǎn)生生，可用下式式計算：Q5=∑∑GCp（t2–t1）（（3-11）式中：G－設備各個部部件重量；Cp－各部件熱容容（kJ/kg··℃）t2－設備各部件件加熱后溫度度；t1－設備各部件件加熱前溫度度；設備加熱前的的溫度t1可取為室溫，，加熱終了時時的溫度取加加熱劑一側（（高溫th）與被處理一一側（低溫te）溫度的算術術平均值：t2=（th+te）/2B．熱量計算中中各種熱量的的說明3（6）設備向四周周散失的熱量量Q6可由下式計算算得：Q6=∑∑FαT（tw–t）τ×10-3（3-12）其中：F－設備散熱表表面積m2；αT－散熱表面向向四周圍介質(zhì)質(zhì)的聯(lián)合給熱熱系數(shù)。W/m2·℃℃；tw－散熱表面的的溫度（有隔隔熱層時應為為絕熱層外表表），℃；t－周圍介質(zhì)溫溫度，℃；τ－散熱持續(xù)的的時間，s。B．熱量計算中中各種熱量的的說明4B．熱量計算中中各種熱量的的說明5絕熱層外空氣氣自然對流當tw<150℃時：平壁隔熱層外外αT＝3.4+0.06（tw-t）（3-13）管或圓筒壁隔隔熱層外αT＝8.1+0.045（tw-t）（3-14）空氣沿粗糙面面強制對流u≤≤5m/s時，αT＝5.3+3.6u（3-15）u>5m/s時，αT＝6.7u0.78（3-16）3.2.2加加熱熱劑與與冷卻卻劑A.加熱劑劑的選選擇要要求B.加熱劑劑和冷冷卻劑劑C.加熱劑劑和冷冷卻劑劑的用用量D.熱量衡衡算結結果整整理A.加熱劑劑的選選擇要要求在較低低壓力力下可可達到到較高高溫度度；化學穩(wěn)穩(wěn)定性性高；；沒有腐腐蝕作作用；；熱容量量大；；冷凝熱熱大；；無火災災或爆爆炸危危險性性；無毒性性；價廉；；溫度易易于調(diào)調(diào)節(jié)。。B.加加熱熱劑和和冷冷卻劑劑序號加熱劑冷卻劑使用溫度范圍℃給熱系數(shù)w/(m2·℃)優(yōu)缺點及使用場合1熱水40～10050～1400對于熱敏性的物料用熱水加熱較為保險,但傳熱情況不及蒸汽好,且本身易冷卻,不易調(diào)節(jié)2飽和蒸汽100～180300～3200冷凝潛熱大,熱利用率高,溫度易于調(diào)節(jié)控制,如用中壓或高壓蒸汽,使用溫度還可提高3過熱蒸汽180～300可用于需較高溫度的場合,但傳熱效果比蒸汽低的多,且不易調(diào)節(jié),較少使用4導熱油180～25058～175不需加熱即可得到較高溫度,使用方便,加熱均勻5道生液180～250110～450為C6H5-C6H526.5%與C6H5-O-C6H573.5%的混合物,加熱均勻,溫度范圍廣,易于調(diào)節(jié),蒸汽冷凝潛熱大,熱效率高,需道生爐及循環(huán)裝置6道生蒸汽250～350340～6807煙道氣500～100012～50可用煤、煤氣或燃油燃燒得到，可得到較高溫度，特別適用于直接加熱空氣的場合8電加熱500設備簡單、干凈、加熱快，溫度高，易于調(diào)節(jié)。但成本高，適用于用量不太大、要求高的場合。9熔鹽400～540NaNO240%；KNO353%NaNO37%的混合物?？捎糜谛韪邷氐墓I(yè)生產(chǎn)。但本身熔點高，管道和換熱器都需要保溫。傳熱系數(shù)高，蒸汽壓低，穩(wěn)定。10冷卻水30～20是最普遍的保溫劑，使用設備簡單，控制方便，廉價11冰0～30大多用于染料工業(yè)中直接防于鍋內(nèi)調(diào)節(jié)反應，穩(wěn)定效果較好，但會使反應液沖淡，并使反應鍋體積增大12冷凍鹽水-15～30使用方便，冷卻效果好，但需冷卻系統(tǒng)，投資大，一般用于冷卻水無法達到的低溫冷卻。C.加加熱熱劑和和冷卻卻劑的的用量量1（1）直接接蒸汽汽加熱熱時的的蒸汽汽用量量：G=Q2/（ΔH––CPtK）（3-17）式中：：G———蒸汽消消耗量量（Kg）；Q2———由加熱熱劑傳傳給設設備或或物料料加熱熱所需需的熱熱量（（KJ）；ΔH——蒸汽加加熱焓焓量（（KJ/Kg）；tK———被加熱熱液體體的最最終溫溫度（（℃）；CP———被加熱熱液體體的比比熱容容（KJ/Kg·℃℃）。為簡化化起見見，通通常蒸蒸汽加加熱時時的蒸蒸汽用用量計計算僅僅考慮慮蒸汽汽放出出的冷冷凝熱熱。（2）間接接蒸汽汽加熱熱時的的蒸汽汽的用用量：：G=Q2/（ΔH––CPtn）（3-18）式中：：G———蒸汽消消耗量量（Kg）；Q2———由加熱熱劑傳傳給設設備或或物料料加熱熱所需需的熱熱量（（KJ）；ΔH——蒸汽加加熱焓焓量（（KJ/Kg）；tn———冷凝水水的最最終溫溫度（（℃）；CP———被加熱熱液體體的比比熱容容（KJ/Kg·℃℃）。C.加加熱熱劑和和冷卻卻劑的的用量量2（3）燃料料消耗耗量：：M=Q2/ηTQP（3-19）式中：：W———冷卻劑劑消耗耗量Q2——由加熱熱劑傳傳給設設備或或物料料加熱熱所需需的熱熱量（（KJ）；ηT——爐子的的熱效效率；；QP——燃料的的熱值值（KJ/Kg）。C.加加熱熱劑和和冷卻卻劑的的用量量3（4）冷冷卻劑劑消耗耗量W＝Q2/Cp（tK–tH）（（3-20）式中：：W—冷卻劑劑消耗耗量（（kg）；Q2—由加熱熱劑傳傳給設設備或或物料料冷卻卻所需需的熱熱量（（kJ）；Cp—冷卻劑劑的比比熱容容（kJ/kg·℃℃）；tk—放出的的冷卻卻劑的的平均均溫度度（℃）；tH—冷卻劑劑的最最初溫溫度（（℃）。C.加加熱熱劑和和冷卻卻劑的的用量量4C.加加熱熱劑和和冷卻卻劑的的用量量5（5）電能能消耗耗量E＝Q2/860ηη（3-21）式中中：：E－電電能能消消耗耗量量（（kWh）；；Q2－由由加加熱熱劑劑傳傳熱熱設設備備或或物物料料所所需需的的熱熱量量（（kJ）；；η——電熱熱裝裝置置的的電電工工效效率率，，一一般般取取0.85～0.95。D．．熱熱量量衡衡算算結結果果整整理理通過過熱熱量量衡衡算算以以及及加加熱熱劑劑、、冷冷卻卻劑劑等等的的用用量量計計算算，，結結合合設設備備計計算算與與設設備備操操作作時時間間安安排排（（在在間間歇歇操操作作中中此此項項顯顯得得特特別別重重要要））等等工工作作。。即即可可求求出出生生成成某某產(chǎn)產(chǎn)品品的的整整個個裝裝置置的的動動力力消消耗耗及及每每噸噸產(chǎn)產(chǎn)品品的的動動力力消消耗耗定定額額，，由由此此可可得得動動力力消消耗耗的的每每小小時時最最大大用用量量，，每每晝晝夜夜用用量量和和年年消消耗耗量量，，并并列列表表將將計計算算結結果果匯匯總總表3-4動動力力消消耗耗一一覽覽表表序號動力名稱單位規(guī)格成品消耗定額（單耗/t）每小時消耗量每年消耗量使用情況1蒸汽t0.2MPa0.040.064302.4采暖（150d/a）2蒸汽t≥0.8MPa2.140.756840連續(xù)3電kWh380V6909404.33×106連續(xù)4電kWh6000V5804203.60×106連續(xù)5循環(huán)水m35℃溫差852.66772.12×104連續(xù)6軟水m3工業(yè)級52.515600連續(xù)7空氣0.7~0.8MPa46.81536（m3/d）3.61×105連續(xù)3.2.3熱熱量量衡衡算算中中的的幾幾個個問問題題有效平均溫差差壁溫的確定A.有效平均溫差有效平均溫差差是傳熱的平平均推動力。。它是換熱器器計算中的一一個重要參數(shù)數(shù)。應注意有有效平均溫差差不一定等于于對數(shù)平均溫溫差，只是在在一個特定的的條件下才等等于對數(shù)平均均溫差。（1）列管式式換熱器兩換換熱介質(zhì)純逆逆流流向時，，有效平均溫溫差等于對數(shù)數(shù)平均溫差。。如圖（a））所示。(2)列管式式換熱器兩換換熱介質(zhì)純并并流流向時,有效溫度等等于對數(shù)平均均溫差.如圖圖(b)所示示。（3）其他流流向，如圖所所示的二管程程換熱器，有有效平均差為為：其中：φ為校校正系數(shù)，校校正系數(shù)﹤1，應盡量控控制在0.8以上。（4）反應釜釜間歇冷卻過過程這種間歇過程程的有效平均均溫度差和冷冷卻劑的最終終溫度卻過程程開始到結束束在不斷變化化，因此既不不能用起始狀狀態(tài)的有效平平均溫差，也也不能用終止止狀態(tài)的有效效平均溫差來來代表整個過過程的有效平平均溫差。這這時可用一個個經(jīng)驗公式求求得較為合理理的有效平均均溫差。反應釜加熱與與冷卻圖3-7間歇冷卻圖3-8間歇加熱有效平均溫差差經(jīng)驗公式（（冷卻）（3-25））（3-26））A冷卻劑的平均均最終溫度：：t2Cp=t1+△tm，有效lnA（5）反應釜釜間歇加熱過過程這種間歇過程程的有效平均均溫差和加熱熱劑的最終溫溫度從過程開開始到結束在在不斷變化，，因此既不能能用起始狀態(tài)態(tài)的有效平均均溫差，也不不能用終止狀狀態(tài)的有效平平均溫差來代代表整個過程程的有效平均均溫差。這時時可用一個經(jīng)經(jīng)驗公式求得得較為合理的的有效平均溫溫差。有效平均溫差差經(jīng)驗公式（（加熱）（3-27））（3-28））加熱劑的平均均最終溫度：：T2Cp=T1-△tm,有效lnAAB.壁溫的確確定在換熱設備的的設計計算時時，壁溫的確確定是很重要要的。在計算算總的傳熱系系數(shù)和計算散散熱時需要確確定壁溫。冷壁溫示意圖3-9熱流體側壁溫溫：tw1＝t1–K（t1–t2）/α1（3-29）冷流體側壁溫溫：tw2＝t2+K（t1–t2）/α2（3-30）式中:k———總傳熱系數(shù)，，w/(m20C)α1——熱流體到器壁壁的給熱系數(shù)數(shù)，W/(m2。0C)α2——冷流體到器壁壁的給熱系數(shù)數(shù)，W/(m2。0C)t1——熱流體溫度，，0Ct2——冷流體溫度，，0C器壁平均溫度度tw=(tw1+tw2)/2一般金屬器壁壁tw=tw1=tw2當：α1=α2時tw=(t1+t2)/2α1?α2時tw=t1，k≈α2α1?α2時tw=t2，k≈α1故壁溫接近于于α值較大側流體體的溫度。粗粗估壁溫為：：tw=（α1t1+α2t2）/(α1+αα2)3.2.4熱熱量衡算算舉例[例3-5]化工生產(chǎn)中常常以煤或重油油為燃料，在在鍋爐內(nèi)燃燒燒產(chǎn)生蒸汽。。試計算鍋爐爐中：（1）燃煤鍋爐中中，每噸煤燃燃燒產(chǎn)生的蒸蒸汽量；（2）燃油鍋爐中中，每噸重油油燃燒產(chǎn)生的的蒸汽量。解：從鍋爐手手冊中查到，，我國國產(chǎn)煤煤的平均燃燒燒熱為：23012KJ/kg;重油的平均燃燃燒熱33472KJ/kg。由熱量平衡可可知：Q煤=n蒸汽△H蒸汽即n蒸汽=Q煤/△H蒸汽壓力為1.3MPa飽和水蒸氣的的汽化熱為1976.70KJ/kg，鍋爐效率按按60%計。每噸煤的產(chǎn)蒸蒸汽量：n蒸汽=Q煤/△H蒸汽=23012×60%/1976.7=6.98t/t煤每噸重油的產(chǎn)產(chǎn)蒸汽量：n蒸汽=Q重油/△H蒸汽=33472×60%/197607=10.16t/t重油[例3-6]在0.2MPa、5000C下含苯蒸汽汽通過兩個個換熱器（（換熱器1、換熱器2）后被冷卻卻至2000C。其中在換換熱器2中鍋爐給水水由750C、5MPa被加熱至飽飽和，由氣氣液分離器器出來的飽飽和水在換換熱器1中被加熱至至沸騰。該該蒸汽混合合物與換熱熱器2出來的飽和和水在混合合器中混合合，然后進進入氣液分分離器分離離出飽和蒸蒸汽。如果果通過換熱熱器1的水量為通通過換熱器器2的水量的12倍，求換熱熱器1所產(chǎn)生的蒸蒸汽量和每每摩爾工藝藝物流所產(chǎn)產(chǎn)生的蒸汽汽量。圖3.10流程框圖解：這是一一個無化學學反應的多多單元系統(tǒng)統(tǒng)，每股物物流中僅含含有一種物物質(zhì)。因為為苯的沸點點為800C，所以含苯苯工藝物流流是以氣相相通過。已已知物流1、2和6是液相，5是氣相，3和4是氣液混合合物。根據(jù)對本過過程分析，，其計算順順序為：總過程熱熱交換換器2熱交換器1氣液分離器器能量衡算能能量量衡算能能量衡算物物料、、能量衡算（1）物物料衡算方方程總平衡F1=F5分離器平衡衡F3=F5+F6混合器平衡衡F3=F4+F2=F6+F1實際上總平平衡式為分分離器和混混合器平衡衡式的總和和?；鶞?，選物物流F7為100mol/h（2）熱熱量衡算算方程a)總平衡F1[hv(飽和,5MPa)-hl(750C,5MPa)]=F7[hv（5000C,0.2MPa）-hv(2000C,0.2MPa)]CPV(苯)=18.587-1.174×10-2T+1.275×10-3T2-2.080×10-6T3+1.053×10-9T4F1====b)換熱熱器2的平平衡F1[hv(飽和，5MPa)-hl(750C,5MPa)]=F7[hv（5000C，0.2MPa）-hv(2000C,0.2MPa)]=F7=16.31KJ.mol=先用值估計計T,即即：=160.9J.mol/K==即：T=574.5K然后以此作作為初值，，用下式作作迭代計算算。T=473.15+迭代計算結結果迭代次數(shù)012345T/K574.5674.98586.02586.58586.65586.61因此得到換換熱器1和換熱器2間（即F8處）苯物流的溫溫度為586.61K（313.460C）c)換熱熱器1的平平衡F7[hv(5000C,0.2MPa)-hv(2000C,0.2MPa)]=12F1[h混(飽和,5MPa)-hl(飽和,5MPa)]H混(飽和,5MPa)=hl(飽和,5MPa)+=1154.5+100*31.96/12*1.95=12.91kg/kg設水蒸氣質(zhì)質(zhì)量百分比比為w，則則：1291.15=2794.2w+1154.5(1-w)即：w=0.08334d)氣液分分離器的物物料平衡核核算F3=F6+F5=12F1+F1=13*1.95=25.337kg/hF5hV(飽和,5MPa)+F6hL(飽和,5MPa)=F3h混,3(飽和,5MPa)13*1.95h混,3=1.95hV(飽和,5MPa)+12*1.95hL(飽和,5MPa)h混,3=1/13hV+12/13hL=whV+(1-w)hLw=0.07692F5中的蒸汽量量為：w×F3=0.07692××25.337=1.95kg/h=0.0195kg/(mol工藝氣)3.3運用計算軟軟件進行化化工工藝計計算3.3.1概述計算機技術術的迅速發(fā)發(fā)展使原來來復雜、繁繁瑣、費時時的化工工工藝計算變變得簡便快快捷，許多多原來無法法直接進行行，只能簡簡化近似的的計算變得得可能和精精確，通過過對模擬計計算中模塊塊的正確選選擇，可同同時完成物物料衡算和和能量衡算算。計算機用于于化工設計計主要有：：物性數(shù)據(jù)據(jù)檢索、化化工過程模模擬設計（（CAPD）、計算機機輔助繪圖圖設計（CAD）、計算機機輔助工程程（CAE）等。A.流程模擬軟軟件目前，常用用商業(yè)化化化工模擬計計算軟件有有：ASPENPLUS、PRO/ⅡⅡ、FLOWTRAN、ESIGN和HYSYS。（1）ASPENPLUSASPENPLUS(AdvancedSystemforProcessEngineering)模擬系統(tǒng)統(tǒng)是1976年美國國麻省理工工學院（MIT）設設計。它可可用于計算算穩(wěn)態(tài)過程程的物料平平衡、能量量平衡和設設備尺寸，，并對過程程投資進行行經(jīng)濟成本本分析。（2）PRO/Ⅱ系系列軟件PRO/ⅡⅡ系列軟件是是美國SimulationSciences.Inc.開發(fā)的流程程模擬應用用軟件。它具具有有很很廣廣泛泛的的功功能能：：設設計計新新工工藝藝；；估估算算新新工工廠廠的的投投資資；；舊舊廠廠挖挖潛潛改改造造；；環(huán)環(huán)境境評評估估；；工工廠廠事事故故診診斷斷；；工工廠廠收收率率與與利利潤潤的的優(yōu)優(yōu)化化與與提提高高等等。。PRO/ⅡⅡ采用用最最優(yōu)優(yōu)化化方方法法自自動動排排序序的的序序貫貫模模塊塊法法，，迭迭代代過過程程選選用用Wegstein加速速和和Broyden加速速，，整整個個過過程程收收斂斂加加快快。。含有有豐豐富富的的單單元元操操作作模模型型，，有有前前饋饋、、反反饋饋和和多多變變量量控控制制等等多多種種控控制制方方法法。。它的的熱熱力力學學模模型型包包括括狀狀態(tài)態(tài)方方程程、、密密度度模模型型、、氣氣液液平平衡衡常常