化工设计第二章工艺计算

第二章工艺计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。第二章工艺计算根据物料衡算和能量的衡算结果，可以：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。第一节物料衡算物料衡算的概念：对物料平衡进行计算称为物料衡算。即以生产过程或生产单元设备为研究对象，对其进出口处进行定量计算。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。物料衡算的分类1、按操作方式分为间歇操作、连续操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；物料平衡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。其基本表达式为：∑G1=∑G2+∑G3+∑G4式中，G1—输人体系的物料质量；G2—离开体系的物料质量；G3—体系内积累的物料质量；G4—损失的物料质量(如跑、冒、滴、漏)物料衡算的方法和步骤1、选定衡算范围，画出流程示意图稀溶液二次蒸汽F,wfW加热蒸汽凝水提浓液B，wB物料衡算步骤2、确定发生的反应，列出主、副化学反应式3、确定计算任务4、收集数据资料（生产规模、时间，转化率，选择性，收率、质量收率，原材料及产品规格，有关物理化学常数）5、选定计算基准（时间，质量，体积，干湿）6、建立物料平衡方程，展开计算7、整理并校核计算结果8、绘制物料流程图、填写物流表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，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。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。(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。连续过程的物料衡算•直接求算法：对于过程简单，比如只有一个未知数的时候。•利用结点进行衡算：多股物料的进出•利用联系组分进行物料衡算：有惰性物料存在的时候例题（类型：连续有反应）1、35页例2-12、甲醇制造甲醛的反应过程为：CH30H+1/2O2HCHO+H20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。物料衡算计算举例解：画出流程图空气(过量50%)CH3OHHCHOH2ON2催化反应器CH3OH基准：1molCH3OH根据反应方程式O2(需要)=0.5mol；O2(输入)=1.5×0.5=0.75mol；N2(输入)=N2(输出)=0.75(79/21)=2.82molCH3OH为限制反应物反应的CH3OH=0.75×1=0.75mol因此HCHO(输出)=0.75molCH3OH(输出)=1-0.75=0.25molO2(输出)=0.75-0.75x0.5=0.375molH2O(输出)=0.75mol计算过程计算结果组分molmol%CH3OH0.2505.0HCHO0.75015.2H2O0.75015.2O20.3757.6N22.82057.0总计4.945100.0间歇过程的物料衡算•间歇过程的特点是将原料一次性装入反应器内，化学反应达到要求的反应程度后，停止反应卸出全部物料。•因为间歇反应的物系组成随时间而变，所以物料衡算必须建立时间平衡关系。例题（类型：间歇过程无反应）1、38页例2-22、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％H2O。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。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，组分物料衡算：NaOH平衡1000x0.1=0.5F4NaCl平衡1000x0.1=0.02F4+F3H2O平衡1000(1-0.1-0.1)=F2+0.48F4解方程得：F2=704kg，F3=96kg，F4=200kg带循环和旁路的物料衡算•在化工生产中，通常将未反应的原料分离后再返回重新参加反应，或将部分产品回流。•计算方法：试差法、代数解法1.循环过程新鲜原料P总进料总产物净产品P循环流R混合分离工艺过程ⅠⅡⅢⅣ•2、其他类型循环及旁路过程•（了解即可）例题•1、41页例2-3•2、41页例2-4作业：•57页•3、6、8•请与下周三，课前，由学习委员收齐交给我。第二节热量衡算能量衡算定义根据能量守恒定律，利用能量传递和转化的规则，用以确定能量比例和能量转变的定量关系的过程称为能量衡算。热量衡算是能量衡算的一种。热量衡算的目的和任务(1)确定物料输送机械和其它操作机械所需要的功率；(2)确定各单元操作过程所需热量或冷量，及其传递速率；计算换热设备的工艺尺寸；确定加热剂或冷却剂的消耗量，为其他专业如供汽、供冷、供水专业提供设条件；(3)化学反应常伴有热效应，导致体系的温度上升或下降，为此需确定为保持一定反应温度所需的移出或加入的热传递速率；(4)为充分利用余热，必须采取有效措施，使过程的总能耗降低到最低程度。为提高能量利用率，降低能耗提供重要依据。(5)最终确定总需求能量和能量的费用。热量衡算热量衡算有两种情况：1）对单元设备做热量衡算；2）整个系统的热量衡算。（当各个工序或单元操作之间有热量交换时，必须做整个系统的热量衡算。）热量衡算方程式∑Q入=∑Q出-∑Q损式中:∑Q入一输入设备热量总和；∑Q出—输出设备热量总和；∑Q损—损失热量总和。单元设备的热量衡算主要内容包括：计算传入或传出的热量1.方法与步骤：(1)绘制以单位时间为基准的物料流程图，确定热量平衡范围；在物料流程图上标明已知温度、压力、相态等已知条件；(2)根据物料流向及变化，列出热量衡算方程式。∑Q=∑Q出-∑Q进(3)搜集有关数据。(4)选定计算基准温度。由于手册，文献上查到的热力学数据大多数是273K或298K的数据，故选此温度为基准温度，计算比较方便。计算时相态的确定也是很重要的。(5)各种热量的计算。列出热量衡算式，然后用数学方法求解未知值；(6)整理并校核计算结果，列出热量平衡表。单元设备的热量衡算(7)传热剂用量的计算。分为加热剂和冷却剂用量计算。(8)传热面积的计算。单元设备的热量衡算2.注意事项(1)热量衡算时要先根据物料的变化和走向，认真分析热量间的关系，然后根据热量守衡定律列出热量关系式。(2)要弄清楚过程中出现的热量形式，以便搜集有关的物性数据。单元设备的热量衡算(3)计算结果是否正确适用，关键在于数据的正确性和可靠性。(4)间歇操作设备，传热量Q随时间而变化，因此要用不均衡系数将设备的热负荷由千焦／台换算为千焦／小时。(5)选定设备的换热面积要大于理论计算。系统的热量衡算•系统热量平衡的作用通过对整个系统能量平衡的计算求出能量的综合利用率。•系统热量平衡计算步骤与单元设备的计算步骤基本相同。热量衡算举例例1某化工厂计划利用废气的废热，进入废热锅炉的废气温度为450℃，出口废气的温度为260℃，进入锅炉的水温为25℃，产生的饱和水蒸气温度为233.7℃，3.0MPa，(绝压)，废气的平均热容为32.5kJ／(kmol·℃)，试计算每100kmol的废气可产生的水蒸汽量?解：过程如图，基准：100kmol的废气。锅炉的能量平衡为：计算结果第三节典型设备工艺设计与选型分类：1）一类称定型设备或标准设备；2）一类称非定型设备或非标准设备。化工设备工艺设计，对于定型设备来说就是选型，对于非定型设备来说就是通过化工计算，提出型式、材料、尺寸和其它一些要求，由化工设备专业进行工程机械加工设计，由有关机械加工厂制造。设备设计与选型的基本要求1）．合理性；2）．可靠性，先进性；3）．安全性：4）．经济性。全面贯彻先进、适用、高效、安全、可靠、经济俭省的原则，审慎地研究，认真地设计。设备设计与选型的基本要求1.技术经济指标（生产能力，消耗系数，设备价格，设备的管理费用，产品总成本）2.设备结构要求（强度，刚性，被腐蚀，密封性，减少材料用量）设备设计的基本内容•（一）定型设备的选型（生产能力选用偏高一级的）•（二）非定型设备的设计选型（通过化工计算后，提出设备类型、材料、尺寸和其他一些工艺要求）•（三）物料输送设备泵•1.泵的类型各种泵的特性•2.泵扬程和流量的确定•3.泵扬程和流量的校核•4.泵的轴功率的校核•5.泵的台数和备用•6.离心泵安装高度的校核•7.泵输送系统的设计化工生产常用泵螺杆泵往复泵塑料泵喷射器（左）液下泵（右）屏蔽泵屏蔽泵由于没有转轴密封，可以做到绝对无泄漏，因而在化工装置中的使用已愈来愈普遍。屏蔽泵的原理和结构特点普通离心泵的驱动是通过联轴器将泵的叶轮轴与电动轴相连接，使叶轮与电动机一起旋转而工作，而屏蔽泵是一种无密封泵，泵和驱动电机都被密封在一个被泵送介质充满的压力容器内，此压力容器只有静密封，并由一个电线组来提供旋转磁场并驱动转子。这种结构取消了传统离心泵具有的旋转轴密封装置，故能做到完全无泄漏。屏蔽泵把泵和电机连在一起，电动机的转子和泵的叶轮固定在同一根轴上，利用屏蔽套将电机的转子和定子隔开，转子在被输送的介质中运转，其动力通过定子磁场传给转子。隔膜泵隔膜泵是利用螺杆的回转来吸排液体的。隔膜泵中间螺杆为主动螺杆，由原动机带动回转，两边的螺杆为从动螺杆，随主动螺杆作反向旋转。主、从动螺杆的螺纹均为双头螺纹。由于各螺杆的相互啮合以及螺杆与衬筒内壁的紧密配合，在泵的吸入口和排出口之间，就会被分隔成一个或多个密封空间。随着螺杆的转动和啮合，这些密封空间在泵的吸入端不断形成，将吸入室中的液体封入其中，并自吸入室沿螺杆轴向连续地推移至排出端，将封闭在各空间中的液体不断排出。小结：选泵的工作方法和基本程序1．列出选泵的岗位和介质的基础数据；2.确定选泵的流量和扬程；3．选择泵的类型，确定具体型号；4．换算泵的性能；5．确定泵的安装高度；6．确定泵的台数和备用率；7．校核泵的轴功率选定泵的材料及轴封；8．确定冷却水或驱动蒸汽的耗用量；9．选用电动机；10．填写选泵规格表。（四）换热设备的设计与选型一、换热器的分类1．按工艺功能分类(1)冷却器(2)加热器(3)再沸器(4)冷凝器(5)蒸发器(6)过热器(7)废热锅炉(8)换热器2．按传热方式和结构分类根据热量传递方法不同，可以分间壁式，直接式和蓄热式。二、常用的换热器夹套式换热器，蛇管式换热器，套管式换热器，管壳式换热器，板式换热器，螺旋板式等。三、换热器设计的一般原则1.流体流速的选择2.流体的流程选择3.换热器两端冷、热流体温差的取值4.压力降的选择5.污垢热阻的选择四、管壳式换热器的设计和系列选用1.汇总设计数据、分析设计任务2.设计换热流程3.选择换热器的材质4.选择换热器的类型5.确定换热器中介质的流向6.确定和计算平均温差7.计算热负荷，流体对流传热系数8.估计污垢热阻并初算出总传热系数K9.计算总传热面积A10.调整温度差再算一次传热面积11.选用系列换热器型号12.验算换热器的压力降•三、编制设备及装配图一览表