《化工设计》赣晶课程 3-1物料衡算式 化工过程的类型 化工过程操作状态不同,其物料或能量衡算的方程亦有差别。 化工过程根据其操作方式可以分成间歇操作、连续操作以及半连续操作三类。或者 将其分为稳定状态操作和不稳定状态操作两类。在对某个化工过程作物料或能量衡算时, 必须先了解生产过程的类别 闻歇操作过程:原料在生产操作开始时一次加入,然后进行反应或其他操作,一直 到操作完成后,物料一次排出,即为间歇操作过程。此过程的特点是在整个操作时间内, 再无物料进出设备,设备中各部分的组成、条件随时间而不断变化。 连续操作过程:在整个操作期间,原料不断稳定地输入生产设备,同时不断从设备 排出同样数量(总量)的物料。设备的进料和出料是连续流动的,即为连续操作过程。在 整个操作期间,设备内各部分组成与条件不随时间而变化 半连续操作过程:操作时物料一次输入或分批输入,而出料是连续的,或连续输入 物料,而出料是一次或分批的。 间歇操作过程通常遥用于生产规模比较小、产品品种多或产品种类经常变化的生产, 例如制药、染料以及产量比较小的助剂等精细化工产品的生产用间歇过程比较多。也有 些电于反应物的物理性质或反应条件的限制,采用连续过程有困难,例如悬浮聚合,则只 能用间!歇过程。间歇过程的优点是操作简便,但每批生产之间需要加料、出料等辅助生 产时间,劳动强度大,产品质量不易稳定。 连续过程由于减少了加料、出料等辅助生产时间,设备利用率较高,操作条件稳定, 产品质量容易保证,加之,反应设备内各点条件稳定,便于设计结构合理的反应器和采用 先进的工艺流称以便于实现自动控制和提高生产能力,因此,适用于大规模的生产,例如 硫酸、合成氨、聚氯乙烯等等化学产品的生产均采用连续过程, 稳定状态操作就是整个化工过程的操作条件(如温度、压力、物料量及组成等)如 果不随时间而变化,只是设备内不同点有差别,这种过程称为稳定状态操作过程,或称稳 定过程。如果操作条件随时间而不断变化的,则称为不稳定状态操作过程,或称不稳定过 间歇过程及半连续过程是不稳定状态操作。连续过程在正常操作期间,操作条件比 较稳定,此时属稳定状态操作多在开、停工期间或操作条件变化和岀现故障时,则属不稳 定状态操作。 物料衡算式 物料衡算是硏究某一个体系内进、出物料量及组成的变化。所谓体系就是物料衡算 的范、围,它可以根据实际需要人为地选定。体系可以是一个设备或几个设备,也可以是 一个单元操作或整个化工过程。 进行物料衡算时,必须首先确定衡算的体系 根据质量守恒定律,对某一个体系,输入体系的物料量应该等于输出物料量与体系 内积果量之和。所以,物料衡算的基本关系式应该表示为 输入的)(输出的),(积累的 物料量物料量八物料量 如果体系内发生化学反应,则对任一个组分或任一种元素作衡算时,必须把反应消 耗或生成的量亦考虑在内。即 输入的.(反应生成或 H输出的)(积景的 物料量丿(消耗的物料量丿(物料量八(物料量
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第三拿化二计挑 上式对反应物作衡算时,由反应而消耗的量,应取减号;对生成物作衡算时,由反 应而生成的量,应取加号。 列物料衡算式时应注意,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,则平衡式中各项用摩尔/时为党委时,必须考虑反应式中的化学 计量系数。因为反应前后物料中的分子数不守恒 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 过程 2 P 无化学反应的 连续过程物料衡算 可列出物料衡算式 总物料衡算式 F=P+w 每种组分衡算式 W P 对于连续不稳定过程,由于该过程内物料量及组成等随时间而变化,因此,物料衡算 式须写成以时间为自变量的微分方程,表示体系内在某一瞬时的平衡 3-2物料衡算的基本方法 进行物料衡算时,为了能顺利地解题,避免错误,必须掌握解题技巧,按正确的解题 方法和步骤进行。尤其是对复杂的物料衡算题,更应如此,这样才能获得准确的计算结果。 1、画物料流程简图 求解物料衡算问题,首先应该根据给定的条件画出流程简图。图中用简单的方框表示 过程中的设备,用线条和箭头表示每个流股的途径和流向。并标出每个流股的已知变量(如 流量、组成)及单位。对一些未知的变量,可用符号表示。 2、计算基准及其选择 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 对于不同化工过程,采用什么基准适宜,需视具体情况而定,不能作硬性规定。例如, 当进料的组成未知时(譬如以煤、原油等作为原料),只能选单位质量作基准,当密度已 知时,也可选体积作基准。但是,不能选1摩尔煤或1摩尔原油作基准,因为不知道它们的 分子量。对有化学反应的体系,可以选某一个反应物的物质的量(摩尔如作基准,因为化 学反应是按反应物之间的摩尔比进行的。 根据不同过程的特点,选择计算基准时,应该注意以下几点 (1)应选择已知变量数最多的流股作为计算基准 (2)对液体或固体的体系,常选取单位质量作基准。 (3)对连续流动体系,用单位时间作计算基准有时较方便。 (4)对于气体物料,如果环境条件(如温度、压力)已定,则可选取体积作基准。 3、物料衡算的步骤 进行物料衡算时,尤其是那些复杂的物料衡算,为了避免错课,建议采用下列计算步
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