第三章? 化工计算 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。  例1：如图表示无化学反应的连续过程物料流程。图中方框表示一个体 系，虚线表示体系边界。共有三个流股，进料F 及出料P和W。有两个组 分。每个流股的流量及组成如图所示。图中x为质量分数。  第三节  化工物料衡算的自由度分析 3－2?? 物料平衡算的一般分析 3-2.1 衡算方程及约束式    1、物料平衡方程式：系统总物料平衡式；各组分平衡式；原子平衡式。    2、物流约束式：归一方程；气液平衡方程( yj = Kjxj ); 恒沸组成等。    3、设备约束式：两物流流率比；回流比等。        总物料平衡方程只有一个；有几个组分就有几个组分平衡方程式。在 物流约束式中，每一股物流就有一个归一方程。  3-2.2 变量    系统中物流含有组分数Ne，每一股物流的变量数为（ Ne+1）。如果该 系统有Ns股物流通过系统边界，有Np个设备参数，那么系统总变量数Nv为: Nv = Ns(Ne+1)+Np    Nv——系统总变量数； Ne——物流中的组分数，也为独立方程数；    Ns——物流的股数；   Np——设备参数（即设备约束式）。 3-2.3 设计变量   物料衡算前，由设计者赋值的变量称为设计变量，给予变量定值。总变量 数为Nv，独立方程数为Ne，设计变量数Nd则为                                       Nd = Nv - Ne 举例：一个由四个精馏塔和一个分流器组成的化工流程示意图，流程中无化学反应，所有的组成为摩尔分数。设计要求从塔2塔底出来的流股流率50%回流到塔1，试计算确定流程中所有未知流股流率和组成。 分析：共有25个变量，其中11个已知，剩余14个未知变量。可列出的平衡方程数为13个，加上1个设计约束附加方程，共有14个独立方程，过程自由度为零。 求解：逐个单元求解。先从自由度最小者入手求解，再解相邻的自由度较小单 元，直到计算出所有单元。最后计算出所有的未知流股变量。 解得        F2=286.53,   F3=756.45               X3,C2=0.2786； X3,C3=0.5231； X3,C4=0.1983；代入塔1和分流器方程中，得到               F5=85.959； F4=200.5711； F6=42.9795； F7=42.9795；  塔3：物料衡算式   F3= F8 + F9，X3,C2F3=X8,C2F8 ，X3,C4F3=0.002F8+0.3F9。     解得：F8=258.17，X8,C2=0.8162， X8,C3=0.1818， X8,C4=0.0020，                F9=498.28，X9,C3=0.70， X9,C4=0.30。 物料衡算一览表（流率：mol / h，XCi：摩尔分数） 练习题                           小   结1、认识到自由度分析是物料衡算计算的有力工具，掌握物   料衡算的求解步骤；2、在自由度分析之前，必须会根据流程特点判断流程中各   流股所含的组份数；3、会判断流程设计是否是弹性设计，会挑选合适的计算基   准；4、会根据自由度分析结果判断衡算计算顺序，尤其是应该   注意更新自由度分析；5、不能忽视具体的求解计算过程。 具体求解过程 1.求解整体的物料衡算  设整体（全程）基于CO的反应速率为r mol/h。   F5,N2=0.78×100 = 78 mol/h               F5,H2=0.5F2 +r    F5,H2=3F5,N2=3×78=234 mol/h      F5,CO=100×0.2+0.5F2 –r                     F5,CO2=100×0.02 +r    F5,H2O=F3 – r                                        F3=2×(F1 + F2) 物料衡算结果表             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。           循环过程在稳态下操作时，物料的质量既不积累也不消失，各流股的组分恒定。但是，如果原料中含有不反应的杂质或惰性物质，经长时间的循环会使其浓度逐渐增加，因此就必须把一部分循环物料不断地排放掉，以维持进料中杂质的含量不再增大。 通常对有循环过程的物料衡算，若已知总转化率，可以先做总物料衡算； 若已知单程转化率，则可以先从反应器衡算做起。 一、能量的形式    动能  Ek   运动着的流体具有动能；   位能  EP   流体处在自某一基准高度而具有的能量。   静压能 Ez 流体由于一定的静压强而具有的能量。   内能 U  是指物体除了宏观的动能和位能外所具有的能量。U = f（T ） 二、几个与能量衡算有关的重要物理量   1. 热量  Q    2. 功     W    3. 焓     H                 H ＝U + PV   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  = 输出的能量 + 积累的能量 - 生成能量  1. 总能量衡算         连续稳定流动过程的总能量衡算 ?H +?Ek + ?Ep = Q + W         间歇过程的总能量衡算 ?U +?Ek + ?Ep = Q + W 一般间歇操作，能量、位能差项等于零，即?Ek＝0，?Ep＝0， 所以上式又可简化为  ?U = Q + W    此式即为热力学第一定律的数学式，此处W的符号以环境向体系作功 为正。 ?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/kg·k，试计算空气出口温度（热 损失忽略不计）。  其中：   ΣQ入=ΣQ蒸汽 + ΣQ冷空气                 =0.01×H蒸汽 +1 × H冷空气   ΣQ出=ΣQ热空气 + ΣQ冷凝水                    =1×1.005(T-298) + 0.01 × H冷凝水  1 2 5 3 4 N2，  0.78 CO， 0.2 CO2，0.02 100mol/h H2，0.50 CO，0.50 H2O，1.0 （g） CO，0.01 反应器 I 反应器 II 1 0 自由度 0 0 已知附加关系式数 0 1 已知单元变量数 4+1=5 4+2=6 已知流股变量数 5 5 衡算方程数 1 1 单元变量总数 10 11 流股变量总数 反应器II 反应器I 项目 分析：求解完整体物料衡算式后，得到了F2、F
第3章 化工计算.ppt