分子科学与工程-设计概论

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1、化工设计概论张金利天津大学化工基础实验中心310OfficeTel:27890643Email:zhangjinli@tju.edu.cn课题组主页：cpi.tju.edu.cn1第三章物料衡算与能量衡算物料衡算与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。通过对全生产过程或单元过程的物料和能量的衡算，计算得到：1）主、副产品产量；2）原材料的消耗定额，过程的物料损耗；3）“三废”的生成量及组成；4）水、电、汽或其他燃料等消耗定额；5）设计物料流程图。2第三章物料衡算与能量衡算根据物料衡算和能量的衡算结果，可以

2、：1）对生产设备进行设计和选型；2）确定产品成本等各项技术经济指标，从而可以定量地评述所选择的工艺路线、生产方法及工艺流程在经济上是否合理，技术上是否先进。3第一节物料衡算物料衡算的概念：在化工过程中，物料平衡是指“在单位时间内进入系统（体系）的全部物料质量必定等于离开该系统（体系）的全部物料质量再加上损失掉的与积累起来的物料质量。”对物料平衡进行计算称为物料衡算。物料平衡的理论依据是质量守恒定律，即在一个孤立体系中不论物质发生任何变化(不包括核反应)它的质量始终保持不变。4物料衡算的分类1、按操作方式分为间歇操作、连续操

3、作及半连续操作等三类物料衡算；2、按状态将其分为稳定状态操作和不稳定状态操作两类衡算。3、按衡算范围分为单元操作过程(或单个设备)和全流程的两类物料衡算；5物料平衡（衡算）方程式根据质量守恒定律，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物料平衡方程式。一般物料衡算方程积累=输入–输出+生成–消耗6物料平衡通用表达式•积累=输入–输出+生成–消耗•在稳态操作时：积累=0•输入=输出-生成+消耗•无化学反应时：生成=0•输入=输出+消耗•当系统无泄漏时，消耗=0•输入=输出7基本步骤•提出问题•建立模型•

4、求解模型•解释结果8物料衡算的步骤1、画出流程示意图二次蒸汽W稀溶液加热蒸汽F,wf凝水提浓液B，wB9物料衡算步骤1、画出流程图2、列出主、副化学反应式3、收集数据资料（生产规模、时间，收率、转化率，原材料及产品规格，有关物理化学常数）4、确定计算任务（提出问题）5、选定计算基准（时间，质量，体积）6、建立物料平衡方程，（建立数学模型）7、整理并校核计算结果（求解模型）8、绘制物料流程图、填写物流表（解释结果）10列物料平衡式时应注意的事项(1)物料平衡是指质量平衡，不是体积或物质的量(摩尔数)平衡。若体系内有化学反应，

5、则衡算式中各项用摩尔／时为单位时，必须考虑反应式中的化学计量系数。质量平衡～摩尔数平衡11列物料平衡式时应注意的事项(2)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。方程数～未知数(3)在写平衡方程式时，要尽量使方程式中所包含的未知数最少。12物料衡算计算举例1．无反应例1采用蒸发方法将浓度为10％NaOH及10％NaCl的水溶液进行浓缩。蒸发时只有部分水分汽化成为水蒸气而逸出，部分NaCl结晶成晶粒而留在母液中。操作停止后，分析母液的成分为：50％NaOH，2％NaCl及48％HO。

6、2若每批处理1000kg原料液，试求每批操作中：1)获得的母液量，2)蒸发出的水分量，3)结晶出的NaCl量。1314计算过程解：本题为间歇过程，因此以每批处理量为基准进行物料衡算。流程示意图2-2组分物料衡算（线性代数方程组）NaOH平衡1000x0.1=0.5F4NaCl平衡1000x0.1=0.02F+F43HO平衡1000(1-0.1-0.1)=F+0.48F224解方程得：F=704kg，F=96kg，23F=200kg154物料衡算计算举例2.有反应甲醇制造甲醛的反应过程为：CH0H+1/2OHCHO+H032

7、2反应物及生成物均为气态，若使用50％的过量空气，且甲醇的转化率为75％，试计算反应后气体混合物的摩尔组成。16物料衡算计算举例解：画出流程图CHOH3CH3OH催化HCHO空气反应器H2O(过量50%)N217分析•空气=氧气+氮气+？•根据空气组成和氧气量，计算氮气量计算过程基准：1molCHOH3根据反应方程式O(需要)=0.5mol；2O(输入)=1.5×0.5=0.75mol；2N(输入)=N(输出)=0.75(79/21)=2.82mol22CHOH为限制反应物3反应的CHOH=0.75×1=0.75mol3因

8、此HCHO(输出)=0.75molCHOH(输出)=1-0.75=0.25mol3O(输出)=0.75-0.75x0.5=0.375mol219HO(输出)=0.75mol2计算结果组分molmol%CHOH0.2505.03HCHO0.75015.2HO0.75015.22O0.3757.62N2.8