《化工计算》PPT课件.ppt

化工设计作业,中北大学化工与环境学院,设计作业的目的、意义1通过化工设计的训练，进一步巩固加深所学的基础理论、基本技能和专业知识，使之系统化、综合化。2在化工设计中培养独立工作、独立思考并运用已学的知识解决实际工程技术问题的能力。3通过化工设计加强计算、绘图、编辑设计文件、使用规范化手册等最基本的工作实际能力的培养。4.通过化工设计的训练，树立起具有符合国情和生产实际的正确的设计思想和观点；树立起严谨、负责、实事求是、刻苦钻研、勇于探索并具有创新意识及与他人合作的工作作风。,设计作业的目的、意义工程设计是工程师工作实践中最富创造性的内容。设计能力不同于理论分析能力、表达能力和动手能力，它是一种如何将思维形式的知识转化为客观上尚未存在而可以实现的物质实体的创造能力，即不仅是认识客观、表现客观而且是创造客观的能力。,对化工设计的要求化工生产具有连续化、自动化程度高，且生产过程具有易燃、易爆、易腐蚀、能耗大、对环境有污染等特点。因此，在学生进行化工设计时要充分注意这些问题，使化工设计既能达到教学的基本训练的目的，又能使学生对工程实际问题有初步的认识和了解。为此对学生的化工设计提出如下基本要求。1.掌握化工生产过程设计的基本要求及主要内容；掌握设计原则，了解工厂与车间布置内容、厂址选择的方法和应遵循的原则。2.论证设计方案，确定设计流程及方法，掌握化工过程的物料衡算、热量衡算，以及主要工艺设备（反应器、分离设备、换热器等）的设计原则和方法。,对化工设计的要求3.基本掌握过程和设备的物料参数（如温度、压力、流量等）控制指标的确定方法和控制方案。4绘制物料流程图、带控制点工艺流程图和主要设备图的要求和标准。5.初步掌握投资与成本估算、价格估算和经济评价的基本内容和主要方法。了解经济分析与评价在设计决策中的意义。6.对水、电、汽等公用工程有所了解，并能使所设计的工程项目与公用工程相互匹配。7.提出所设计的工程项目对环境保护、安全措施的要求，并能与有关部门（或专业）共同商讨解决办法和实施方案。8.初步掌握撰写设计说明书、项目建议书和可行性研究报告的基本内容和要求。,化工设计说明书在化工设计完成后，要写出报告，即编制出化工设计说明书和绘制工程图纸。说明书和图纸是衡量学生的化工设计完成与否的主要依据，也是考核化工成绩的根据。因此在进行化工设计工作之前，就应先明确说明书所包括的内容，也是指导教师对学生的化工设计要求，以便按说明书的内容，安排设计工作计划和进程。设计说明书应包括以下内容：1.总论 2.生产流程或生产方案确定3.生产流程简述4.工艺计算书5.主要设备的工艺计算和设备选型6.原材料、动力消耗定额及消耗量7.车间成本估算8.环境保护与安全措施9.设计体会和收获10.参考文献11.附工程图纸,一、总论1概述说明所设计的产品的性能、用途和在国民经济中或对人民生活的重要性；该产品的市场需求；简述该产品的生产方法及特点。2文献综述通过从文献中所了解的内容，简述有关该产品的生产试验概况，国内外生产现状和发展趋势等(附一篇外文资料译文)。3.设计任务的依据或项目来源由指导教师指定的课题，还是从生产实际中承接的项目。4.设计产品所需的主要原材料规格、来源以及水、电、汽等的供应情况，结合设计地区供应情况说明之。5其他 如交通运输、节能和环保等措施。简要说明原料、产品及废渣的储运方式。简述能量综合利用情况，设计中所采用的节能措施。说明生产过程可能产生的有害物质排放和处理措施。,二、生产流程或生产方案确定 根据查阅文献和化工实习或实际调查所掌握的情况确定，有时是依据科学试验报告和小试结果进行放大设计，分析各种生产方法及其特点。简要叙述自己设计所选定的生产方法的依据和特点。画出一个简单流程图。三、生产流程简述 按生产顺序，从原料到成品依次叙述各种物料所经过的设备及其在该设备中所发生的变化；写出可能的化学反应方程式，说明其工艺条件，如温度、压力、流量及物料配比等；并说明原料、产品的贮存方式及其特殊要求，如涉及安全、环保的注意事项等。,四、工艺计算书 这部分内容是化工设计中的主要工作，在实际工业设计中，也是必不可少的。是在设计过程中的重要内容，是设计最终结果的主要依据。它应包括：物料衡算、热量衡算，必要时加上有效能衡算。五、主要设备的工艺计算和设备选型 根据设计任务工作量的大小，要选定12个主要设备（非定型设备）进行工艺计算。例如：主要反应器的工艺尺寸，催化剂的装填量；塔设备的直径、高度和填料的装量或塔板数目和结构尺寸以及流体流动阻力等。其他设备都作为辅助设备要根据生产能力，按前边的物料衡算结果进行选型。如泵、压缩机、换热器和槽罐等。对所选设备结果列出设备一览表。,六、原材料、动力消耗定额及消耗量根据物料衡算和热量衡算结果，换算为单位产品（吨）的消耗量（及消耗定额）和单位时间（小时和年）的消耗量。七、车间成本估算通过化工设计，使学生建立经济核算观点。产品车间成本或工厂成本可以体现设计的经济合理性。按表格10-4填写。八、环境保护与安全措施九、设计体会和收获通过化工设计，自己有何体会和收获，特别是如何综合运用所学的理论知识方面的体会。对自己的设计哪些特点值得肯定，还有哪些不足或不当之处，如有可能提出今后改进意见和措施。另外，对化工设计从教学上也可以提出一些意见和建议。,十、参考文献本次设计中参考的文献资料，特别是一些重要的参数来源，都要在说明书最后一一列出。按作者、文献名称、出版社和出版日期的顺序列出。十一、附工程图纸除文字说明书外，化工设计应包括下列图纸。(1)带控制点的工艺流程图；(2)主要设备装配图；(3)设备平面布置图与立面布置图；(4）主要车间的管道布置图。,化工设计作业要求：（1）每个同学自拟一个题目 年产 万吨 生产车间工艺设计 m3/h焦炉煤气脱硫工段工艺设计（2）提交的资料设计说明书（物料衡算表、设备一览表）、带控制点工艺流程图、车间布置图、主体设备图。图纸绘制不要求用大图，但要表达清楚基本内容。（3）提交的说明书必须手写，不要求将所有计算过程列出，但要求按照课本中所列项目全部设计过程写出。,4 化工计算,中北大学化工与环境学院,化 工 设 计,4.1化工过程及过程参数,化工计算主要是应用守恒定律来研究化工过程的物料衡算和能量衡算问题。在进行计算时，必须熟悉有关化工过程的一些术语及基础知识。例如，对合成氨或环氧乙烷生产过程作物料衡算和能量衡算，则首先需要了解有关合成氨或环氧乙烷生产的基本原理、生产方法和工艺流程，然后，才能以示意图的形式表示出整个化工过程的主要设备及全部进、出物流，并选定所需温度、压力或物料组成等条件，再逐一进行计算。,化 工 设 计,4.1化工过程及过程参数,由此可见，必须具有化工过程方面的基础知识，才能进行物料和能量衡算。本节内容主要内容包括：化工过程；化工工艺流程；化工过程开发；化工过程基本参数温度、压力、流量、化学组成等基本概念。,化 工 设 计,所谓化工过程，是指由原料经化学处理和物理处理加工成化学产品或中间产品的生产过程。它包括许多工序，每个工序又由若干个或若干组设备（如反应器、蒸馏塔、吸收塔、干燥塔，分离器、换热器及输送设备等等）组合而成。物料通过各设备时，完成某种化学或物理处理，最终成为合格的产品。化工过程中的各种设备所进行的主要操作可归纳为下列几类：1.化学反应；2.分离或提纯;3.改变温度;4.改变压力;5.混合。,4.1.1化工过程,化 工 设 计,1、化学反应 化学反应是整个化工过程的核心。一种化学反应是否能在工业上付诸实现取决于许多因素，如平衡收率（即反应系统达到平衡状态时，加入的原料转化为产品的数量）、反应速度、控制或减少副反应的可能性等。2、分离或提纯 化工生产中的分离过程就是将两种或两种以上组分的混合物分成纯的或比较纯的组分。由于生产中的化学反应过程常常存在副反应、反应不完全或使用溶剂等方面原因，使原料经反应后得到的产物往往不是一种纯的产物，而是几种组分的混合物，必须经分离或提纯后，才能成为较纯的产品。,4.1.1化工过程,化 工 设 计,分离过程通常只是一种物理过程，不发生化学反应。它是利用物质在相变化过程中某些物理性质（如沸点、熔点、溶解度等）的差异来进行的。如蒸馏是基于不同组分挥发度或沸点的不同；萃取基于一种物质在两种互不相溶的液体中溶解度不同等。3、改变温度 化学反应速度和收率、物质的相态变化（如蒸气的冷凝、液体的气化或凝固、固体的熔化等）以及物质的其他物理性质变化（如粘度、溶解度、表面张力等）等均与温度有密切的关系，改变温度可调节以上各性质达到所需的要求。物质的加热都要消耗能量。回收热量使热量充分利用，是化工厂提高经济效益的一个重要措施。,4.1.1化工过程,化 工 设 计,4、改变压力 化学反应的反应物或生成物中如有气体时，改变压力对平衡收率有影响。例如，合成氨反应，压力增高，氨的平衡产率就增加。除此之外物质的相态变化，如蒸气冷凝或液体气化等与压力亦有密切关系。当用泵或压缩机输送流体时，压力用于克服设备和管线中的阻力。5、混合 混合是与分离相反的一个过程。在化工生产中，常常需要将两种或两种以上物质混合在一起。通常，混合不消耗能量，只有为了加速混合使用搅拌器时，才消耗能量.,化 工 设 计,4.1.1化工过程,制备氯乙烯工艺流程设计示例,工 艺 流 程 设 计,温度、压力和相的变化；选择适当的设备来完成各个过程。,制备氯乙烯工艺流程设计示例,工 艺 流 程 设 计,选择适当的设备来完成各个过程。,小结：化工过程中的每一个设备进行上述一种或几种操作。设计化工过程，就是设计以上一系列操作，将其适当地、合理地组合起来，以改变原料的化学和物理性质，使之能够生产合格的产品。把完成这些操作的设备串连组合起来，就成为一个化工过程。,化 工 设 计,4.1.1化工过程,通常，发现一种新的化学反应使之实施于生产或开发一个新的化工过程，从技术角度来考察，它主要决定于下述三类因素：（1）化学工艺因素反应体系本性、温度、压力、组成、催化剂等操作条件以及体系的反应速度、转化率、循环比等。（2）化学工程因素体系的物性、相态、热性质、传递性质、传热传质方式、物料（流体及固体）输送、反应技术、分离技术等。（3）机械设备、仪表及控制手段设备材料、制造、贮运、安装、维修、检测、备品备件、正常操作及事故处理等。,化 工 设 计,4.1.1化工过程,决定一个具体的化工过程，除考虑其技术上的可行性外，还必须符合国家的政治、经济政策方针。诸如资源、环境、能源、劳动保护、工业布局等因素，并使之获得最佳的经济效益。化工设计的核心与理念就在于寻求技术上可行、可靠，经济上合理的化工过程来实现生产目标。,化 工 设 计,4.1.1化工过程,化工过程常用流程图来表示。所谓流程图，就是把生产过程中物料经过的设备按其形状画出示意图，并画出各设备之间的主要物料管线及其流向。简化的流程图可以用方框来表示设备或设备组，称方框流程图。在工艺流程设计中，还有其他类型的流程图，如表明物料量的物料流程图、以装置为单元的装置流程图、以管线为主的管线流程图以及带测量仪表控制点的流程图等。,化 工 设 计,4.1.2 化工工艺流程,工艺流程图能简明、扼要的表明化工产品的生产工序，看来一目了然。从工艺流程图可以初步了解生产方法、生产过程以及各主要物料的来龙去脉。在解物料和能量衡算题时，也需要用图来表示各设备之间的物料关系。因此，学会用流程图来表达化工过程，对工程技术人员是一项基本训练。,化 工 设 计,4.1.2 化工工艺流程,化工过程开发是指一个化学反应从实验室过渡到第一套生产装置的全部过程。化工过程开发，首先是决定于化学反应的可能性、转化率及反应速度是否具有工业价值，产物分离的难易程度以及机械、设备、材料是否可行。当然，最终取决于是否有经济效益。化工过程开发的第一步就是工艺流程设计。由于化学反应或产物的分离可用不同的方法来完成，因此，设计流程时，必须选择一个安全、可靠、经挤效益高的最佳方案。,化 工 设 计,4.1.3 化工过程开发,在化工生产过程中，能影响过程运行和状态的物理量，如温度、压力、流量及物料的百分组成或浓度等，在指定条件下它的数值恒定，条件改变其数值也随之变化，这些物理量称为过程参数。这些参数也常作为控制生产过程的主要指标。进行化工计算时，上述参数是基本数据，可以直接测定。对一些不易直接测定的参数，可找出与容易测定的参数之间的关系，通过计算求得，有时也可以根据经验数据选定。需要掌握温度、压力、流量及物料的百分组成或浓度等参数的基本概念及计算方法。查资料、计算、实验。,化 工 设 计,4.1.4 化工过程参数,4.2物料衡算,物料衡算是化工计算中最基本、也是最重要的内容之一，它是能量衡算的基础。一般在物料衡算之后，才能计算所需要提供或移走的能量。通常，物料衡算有两种情况，一种是对已有的生产设备或装置，利用实际测定的数据，算出另一些不能直接测定的物料量。用此计算结果，对生产情况进行分析、作出判断、提出改进措施。另一种是设计一种新的设备或装置，根据设计任务，先作物料衡算，求出进出各设备的物料量，然后再作能量衡算，求出设备或过程的热负荷，从而确定设备尺寸及整个工艺流程。,化 工 设 计,4.2物料衡算,物料衡算式：物料衡算也称为质量衡算，其依据是质量守恒定律。它反映一个过程中原料、产物、副产物等之间的关系，即进入的物料量必等于排出的物料量和过程中的积累量。输入物料的总量 排出物料的总量过程积累的总量,化 工 设 计,物料衡算示意图,物料衡算式：M入 M出 M,连续稳定流动：M入 M出,化 工 设 计,4.2物料衡算,进行物料衡算时，必须明确下面几点：,1.首先要确定衡算的系统，即衡算对象包括的范围。,2.其次要确定衡算的基准。,3.然后确定衡算的对象。,4.最后还要确定衡算对象的物理量及单位。,化 工 设 计,4.2 物料衡算,进行物料衡算的步骤：(1)搜集计算数据。(2)画出物料流程简图。(3)确定衡算体系。(4)写出化学反应方程式，包括主反应和副反应，标出有用的分子量。(5)选择合适的计算基准，并在流程图上注明所选的基准值。(6)列出物料衡算式，然后用数学方法求解。(7)将计算结果列成输入输出物料表(物料平衡表)。(8)校核计算结果。,化 工 设 计,4.2 物料衡算,化 工 设 计,4.2 物料衡算,化 工 设 计,4.2 物料衡算,化 工 设 计,4.2 物料衡算,化 工 设 计,4.2 物料衡算,化 工 设 计,4.2 物料衡算,化 工 设 计,4.2 物料衡算,化 工 设 计,在化工生产中，能量的消耗是一项重要的技术经济指标，它是衡量工艺过程、设备设计、操作制度是否先进合理的主要指标之一。能量衡算有两种类型的问题，一种是先对使用中的装置或设备，实际测定一些能量，通过衡算计算出另外一些难以直接测定的能量，由此作出能量方面的评价；另一类是在设计新装置或设备时，根据已知的或可设定的物料量求得未知的物料量或温度，和需要加入或移出的热量。能量衡算的基础是物料衡算，只有在进行完备的物料衡算后才能作出能量衡算。,4.3 能量衡算,化 工 设 计,4.3 能量衡算,化 工 设 计,1、能量的形式 能量衡算也象物料衡算那样，要用到守恒的概念，也就是计算进入的能量和离开的能量，因此就要分清不同的能量形式和表示的方法。动能（Ek）运动着的流体具有动能；位能（EP）物体自某一基准面移高到一定距离，由于这种位移而具有的能量。静压能（Ez）流体由于一定的静压强而具有的能量。内能（U）内能是指物体除了宏观的动能和位能外所具有的能量。设备或过程的热负荷，从而确定设备尺寸及整个工艺流程。,4.3.1 能量衡算的基本概念,化 工 设 计,2、几个与能量衡算有关的重要物理量(1)热量（Q）温度不同的两物体相接触或靠近，热量从热（温度高）的物体向冷（温度低）的物体流动，这种由于温度差而引起交换的能量，称为热量。热量是一种能量的形式，一定要有温度差或温度梯度，才会有热量的传递。(2)功（W）功是力与位移的乘积。在化工中常见的有体积功、流动功以及旋转轴的机械功等。以环境向体系作功为正、反之为负。功和热量都是能量传递的两种不同形式，它们不是物系的性质，因此不能说体系内或某物体有多少热量或功。,4.3.1 能量衡算的基本概念,化 工 设 计,2、几个与能量衡算有关的重要物理量(3)焓(H)定义是：HUPV 式中，P为压力,V为容积。对于纯物质，焓可表示成 H=H(T，P)对H全微分,4.3.1 能量衡算的基本概念,化 工 设 计,2、几个与能量衡算有关的重要物理量(4)热容 热容是一定量的物质改变一定的温度所需要的热量，可以看作是温度差T和引起温度变化的热量Q之间的比例常数。对于理想气体,4.3.1 能量衡算的基本概念,化 工 设 计,4.3.2 能量衡算的基本方法及步骤,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 一 输出的能量 积累的能量 由于物质具有各种形式的能量，因此作能量衡算时也应注意输入榆出体系的各种能量，上式中各项指的都是“总能量”，因为总能量中某部分能量并不总是守恒的。,化 工 设 计,4.3.2 能量衡算的基本方法及步骤,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，动能、位能差项等于零，即Ek0，EP0，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。,化 工 设 计,4.3.2 能量衡算的基本方法及步骤,2、热量衡算 热量衡算式：Q=H=H1 H2 Q=U=U1 U2(间歇过程)热量衡算就是计算在指定的条件下进出物料的焓差，从而确定过程传递的热量。在实际计算时，由于进出设备的物料不止一个，因此可改写为：Q=H1 H2 或 Q=U1 U2,化 工 设 计,4.3.2 能量衡算的基本方法及步骤,热量衡算有两种情况：一种是在设计时，根据给定的进出物料量及已知温度求另一殷物料的未知物料量或温度，常用于计算换热设备的蒸汽用量或冷却水用量。另一种是在原有的装置上，对某个设备，利用实际测定（有时也要作一些相应的计算）的数据，计算出另一些不能或很难直接测定的热量或能量，由此对设备作出能量上的分析。如根据各股物料进出口量及温度，找出该设备的热利用和热损失情况。热量衡算也需要确定基准，画出流程图，列出热量衡算表等。,化 工 设 计,4.3.2 能量衡算的基本方法及步骤,物料进入系统中，除带入一部分质量以外，还带入一部分热量。热量的多少，与物料所处的热状态有关。在热力学上，用“焓”表示物料所处的热状态。热量衡算式变为：(wH)入(wH)出 Q 热量衡算基准：数量基准、温度基准、相态基准,化 工 设 计,4.3.2 能量衡算的基本方法及步骤,3、机械能衡算 在反应器、蒸馏塔、蒸发器、换热器等化工设备中，功、动能、位能的变化，较之传热量、内能和烩的变化，是可以忽略的。因此，作这些设备的能量衡算时，总能量衡算式可以简成：Q=U(封闭体系）或Q=H(敞开体系）。,化 工 设 计,4.3.2 能量衡算的基本方法及步骤,3、机械能衡算 但在另一类操作中，情况刚好相反，即传热量、内能的变化与动能变化、位能变化、功相比，却是次要的了。这些操作大多是流体流入流出贮罐、贮槽、工艺设备、输送设备、废料排放设备。或在这些设备之间流动。连续稳定流动过程总能量衡算式：Hu2/2gZ(PV)QW 1千克不可压缩流体流动时的机械能衡算式：P/u2/2gZFW,