第二章 质量衡算与能量衡算
第二章质量衡算与能量衡算
第一节常用物理量
1．什么是换算因数？英尺和米的换算因素是多少？
2．什么是量纲和无量纲准数？单位和量纲的区别是什么？
3．质量分数和质量比的区别和关系如何？试举出质量比的应用实例。
4．大气污染控制工程中经常用体积分数表示污染物的浓度，试说明该单位的优点，并阐述与质量浓度的关系。
5．平均速度的涵义是什么？用管道输送水和空气时，较为经济的流速范围为多少？
第二节质量衡算
1.进行质量衡算的三个要素是什么？
2.简述稳态系统和非稳态系统的特征。
3.质量衡算的基本关系是什么？
4.以全部组分为对象进行质量衡算时，衡算方程具有什么特征？
5.对存在一级反应过程的系统进行质量衡算时，物质的转化速率如何表示？
第三节能量衡算
1．物质的总能量由哪几部分组成？系统内部能量的变化与环境的关系如何？2．什么是封闭系统和开放系统？
3．简述热量衡算方程的涵义。
4．对于不对外做功的封闭系统，其内部能量的变化如何表现？
5．对于不对外做功的开放系统，系统能量能量变化率可如何表示？
第三章流体流动
第一节管流系统的衡算方程
1．用圆管道输送水，流量增加1倍，若流速不变或管径不变，则管径或流速如
何变化？
2．当布水孔板的开孔率为30％时，流过布水孔的流速增加多少？
3．拓展的伯努利方程表明管路中各种机械能变化和外界能量之间的关系，试简述这种关系，并说明该方程的适用条件。
4．在管流系统中，机械能的损耗转变为什么形式的能量？其宏观的表现形式是什么？
5．对于实际流体，流动过程中若无外功加入，则流体将向哪个方向流动？6．如何确定流体输送管路系统所需要的输送机械的功率？
第二节流体流动的内摩擦力
1.简述层流和湍流的流态特征。
2.什么是“内摩擦力”？简述不同流态流体中“内摩擦力”的产生机理。
3.流体流动时产生阻力的根本原因是什么？
4．什么情况下可用牛顿黏性定律计算剪切应力？牛顿型流体有哪些？
5．简述温度和压力对液体和气体黏度的影响。
第三节边界层理论
1. 什么是流动边界层？边界层理论的要点是什么？
2．简述湍流边界层内的流态，以及流速分布和阻力特征。
3．边界层厚度是如何定义的？简述影响平壁边界层厚度的因素，并比较下列几组介质沿平壁面流动时，哪个边界层厚度较大：
（1）污水和污泥；
（2）水和油；
（3）流速大和流速小的同种流体。
4. 为什么管道进口段附近的摩擦系数最大？
5. 简述边界层分离的条件和过程。
6. 当逆压梯度相同时，层流边界层和湍流边界层分离点的相对位置如何?请解释其原因。
第四节流体流动的阻力损失
1．简述运动中的物体受到阻力的原因。流线型物体运动时是否存在形体阻力？2．简述流态对流动阻力的影响。
3．分析物体表面的粗糙度对流动阻力的影响，举应用实例说明。
4.不可压缩流体在水平直管中稳态流动，试分析以下情况下，管内压力差如何变化：
（1）管径增加一倍；
（2）流量增加一倍；
（3）管长增加一倍。
5．试比较圆管中层流和湍流流动的速度分布特征。
6．试分析圆管湍流流动的雷诺数和管道相对粗糙度对摩擦系数的影响。
第五节管路计算
1.管路设计中选择流速通常需要考虑哪些因素?
2.简单管路具有哪些特点？
3.分支管路具有哪些特点？
4.并联管路具有哪些特点？
5.分析管路系统中某一局部阻力变化时，其上下游流量和压力的变化。
第六节流体测量
1.简述测速管的工作原理和使用时的注意事项。
2.分析孔板流量计和文丘里流量计的相同点和不同点。
3.使用转子流量计时读数为什么需要换算？测定气体的流量计能否用来测量液
体？
4.简述转子流量计的安装要求。
第四章热量传递
第一节热量传递的方式
1.什么是热传导？
2.什么是对流传热？分别举出一个强制对流传热和自然对流传热的实例。
3.简述辐射传热的过程及其特点
4.试分析在居室内人体所发生的传热过程，设室内空气处于流动状态。
5.若冬季和夏季的室温均为18℃，人对冷暖的感觉是否相同？在哪种情况下觉
得更暖和？为什么？
第二节热传导
1. 简述傅立叶定律的意义和适用条件。
2．分析导温系数和导热系数的涵义及影响因素。
3．为什么多孔材料具有保温性能？保温材料为什么需要防潮？
4．当平壁面的导热系数随温度变化时，若分别按变量和平均导热系数计算，导热热通量和平壁内的温度分布有何差异。
5. 若采用两种导热系数不同的材料为管道保温，试分析应如何布置效果最好。
第三节对流传热
1．简述影响对流传热的因素。
2．简述对流传热的机理、传热阻力的分布及强化传热的措施。
3．为什么流体层流流动时其传热过程较静止时增强？
4．传热边界层的范围如何确定？试分析传热边界层与流动边界层的关系。
5. 试分析影响对流传热系数的因素。
6．分析圆直管内湍流流动的对流传热系数与流量和管径的关系，若要提高对流传热系数，采取哪种措施最有效？
7．流体由直管流入短管和弯管，其对流传热系数将如何变化？为什么？
8．什么情况下保温层厚度增加反而会使热损失加大？保温层的临界直径由什么决定？
9．间壁传热热阻包括哪几部分？若冷热流体分别为气体和液体，要强化换热过程，需在哪一侧采取措施？
10．什么是传热效率和传热单元数？
第四节辐射传热
1．分析热辐射对固体、液体和气体的作用特点。
2．比较黑体和灰体的特性及其辐射能力的差异。
3. 温度对热辐射和辐射传热的影响。
4．分析物体辐射能力和吸收能力的关系。
5．简述气体发射和吸收辐射能的特征，分析温室效应产生的机理。
第五节换热器
1.简述换热器的类型。
2.什么是间壁式换热器，主要包括哪几种类型？
3.列管式换热器式最常用的换热器，说明什么是管程、壳程，并分析当气体和
液体换热时，气体宜通入哪一侧？
4．简述增加传热面积的方法。
5．试分析提高间壁式换热器传热系数的途径。
第五章质量传递
第一节环境工程中的传质工程
1.简述环境工程中常见的传质过程及其应用领域？
第二节质量传递的基本原理
2.什么是分子扩散和涡流扩散？
3.简述费克定律的物理意义和适用条件。
4.简述温度、压力对气体和液体分子扩散系数的影响。
5.对于双组分气体物系，当总压和温度提高1倍时，分子扩散系数将如何变化？
6.分析湍流流动中组分的传质机理。
第三节分子传质
1．什么是总体流动？分析总体流动和分子扩散的关系。
2．在双组分混合气体的单向分子扩散中，组分A的宏观运动速度和扩散速度的关系？
3．单向扩散中扩散组分总扩散通量的构成及表达式。
4. 简述漂移因子的涵义。
5. 分析双组分混合气体中,当N B=0、N B=-N A及N B=-2N A时，总体流动对组分传质速率的影响。
第四节对流传质
1. 简述对流传质的机理和传质阻力的分布。
2．传质边界层的范围如何确定？试分析传质边界层与流动边界层的关系。3．为什么流体层流流动时其传质速率较静止时增大？
4．虚拟膜层的涵义是什么？试比较对流传质速率方程和费克定律的异同。5．比较对流传热和对流传质的区别。为什么对流传质存在两种情况？
6. 简述影响对流传质速率的因素和强化传质的措施。
第六章沉降
第一节沉降分离的基本概念
1. 简述沉降分离的原理、类型和各类型的主要特征。
2. 简要说明环境工程领域涉及哪些沉降分离的过程，并说明其沉降类型和作用力。
3. 颗粒的几何特性如何影响颗粒在流体中受到的阻力？
4. 不同流态区，颗粒受到的流体阻力不同的原因是什么？
5. 颗粒和流体的哪些性质会影响到颗粒所受到的流体阻力，怎么影响？
第二节重力沉降
1. 简要分析颗粒在重力沉降过程中的受力情况。
2. 层流区颗粒的重力沉降速度主要受哪些因素影响？
3. 影响层流区和紊流区颗粒沉降速度的因素有何不同，原因何在？
4. 流体温度对颗粒沉降的主要影响是什么？
5. 列出你所知道的环境工程领域的重力沉降过程。
6. 分析说明决定重力沉降室除尘能力的主要因素是什么？
7. 通过重力沉降过程可以测定颗粒和流体的哪些物性参数，请你设计一些的测定方法。
第三节离心沉降
1. 简要分析颗粒在离心沉降过程中的受力情况。
2. 比较离心沉降和重力沉降的主要区别。
3. 同一颗粒的重力沉降和离心沉降速度的关系怎样？
4. 简要说明旋风分离器的主要分离性能指标。
5. 标准旋风分离器各部位尺寸关系是什么？
6. 旋风分离器和旋流分离器特点有何不同？
7. 离心沉降机和旋流分离器的主要区别是什么。
8. 在环境工程领域有哪些离心沉降过程。
第四节其它沉降
1. 电沉降过程中颗粒受力情况如何，沉降速度与哪些因素有关。
2. 简述电除尘器的组成和原理。
3. 电除尘器的优点是什么。
4. 惯性沉降的作用原理是什么，主要受哪些因素的影响。
5. 惯性沉降应用的优缺点是什么。
6. 环境工程领域有哪些电除尘和惯性除尘过程。
第七章过滤
第一节过滤操作的基本概念
1. 过滤过程在环境工程领域有哪些应用。
2. 环境工程领域中的过滤过程，使用的过滤介质主要有哪些？
3. 过滤的主要类型有哪些？
4. 表面过滤和深层过滤得主要区别是什么？
第二节表面过滤的基本理论
1. 表面过滤得过滤阻力由哪些部分组成？
2. 表面过滤速度与推动力和阻力的关系，如何表示？
3. 过滤常数与哪些因素有关？
4. 恒压过滤和恒速过滤的主要区别是什么？
5. 如何通过实验测定过滤常数、过滤介质的比当量过滤体积和压缩指数？
6. 洗涤过程和过滤过程有什么关系？
7. 间歇式过滤机和连续式过滤机的相同点和不同点是什么？
第三节深层过滤的基本理论
1. 混合颗粒和颗粒床层有哪些主要的几何特性？。
2. 混合颗粒的平均粒径和颗粒床层的当量直径如何定义？
3. 流体通过颗粒床层的实际流速与哪些因素有关，与空床流速是什么关系？
4. 深层过滤速度与推动力和阻力的关系，如何表示？
5. 悬浮颗粒在床层中的运动包括哪些主要行为？
6. 流体在深层过滤中的水头损失如何变化，主要存在哪些变化情况？
7. 如何防止滤料表层的堵塞，为什么？
第八章吸收
第一节吸收的基本概念
1. 简述吸收的基本原理和过程。
2. 吸收的主要类型是什么？
3. 环境工程领域有哪些吸收过程。
4. 环境工程领域吸收的特点是什么？
第二节物理吸收
1. 亨利定律有哪些表达形式，意义如何？
2. 如何通过平衡曲线判断传质方向，其物理意义何在？
3. 举例说明如何改变平衡条件来实现传质极限的改变。
4. 吸收过程的基本步骤是什么？
5. 双膜理论的基本论点是什么？
6. 吸收速率与传质推动力和传质阻力的关系，有哪些表达形式？
7. 吸收的传质阻力有哪几个部分组成，如何表示，关系如何？
8. 简要说明气体性质对传质阻力的不同影响，并举例说明。
第三节化学吸收
1. 化学吸收与物理吸收的主要区别是什么？
2. 化学反应对吸收过程有哪些影响？
3. 如何联系化学吸收的气液平衡和反应平衡？
4. 如何解释化学吸收中传质速率的增加？
5. 化学反应速率的不同如何影响化学吸收？
6. 化学吸收的适用范围是什么？
第四节吸收设备的主要工艺计算
1. 吸收塔两相流动的方式各有什么优缺点？
2. 板式塔和填料塔的主要区别是什么？
3. 画图说明并流和逆流操作线和平衡线的不同。
4. 最小吸收剂如何确定，吸收剂用量选择遵循什么原则？
5. 总体积传质系数的物理意义是什么？
6. 传质单元的意义是什么，传质单元数和传质单元高度与哪些因素有关。
7. 吸收过程计算的基本关系式有哪些？
第九章吸附
第一节吸附分离操作的基本概念
1. 吸附分离的基本原理。
2. 简要说明吸附根据不同的分类方法可以分为哪些类型。
3. 吸附在环境工程领域有哪些应用，举例说明。
第二节吸附剂
1. 常用的吸附剂有哪些？
2. 吸附剂的主要特性是什么？
3. 简述一下几种吸附剂的制备、结构和应用特性：活性炭、活性炭纤维、炭分
子筛、硅胶、活性氧化铝和沸石分子筛。
第三节吸附平衡
1. 环境条件如何影响吸附平衡？
2. Freundlich方程的形式和适用范围。
3. Langmuir方程的基本假设是什么？
4. Langmuir方程的形式和适用范围。
5. BET方程的物理意义是什么？
6. 如何表示吸附剂对不同吸附质的选择性？
7. 简要说明液体吸附的吸附等温式形式和适用范围。
第四节吸附动力学
1. 吸附过程的基本步骤是什么？
2. 吸附过程可能的控制步骤是什么？
第五节吸附操作与吸附穿透曲线
1. 常见的吸附分离设备和操作方式有哪些？
2. 接触过滤吸附中，单级吸附、多级吸附和多级逆流吸附的平衡线和操作线关
系如何，画示意图说明。
3. 接触过滤多级逆流吸附最小吸附剂如何确定，画示意图说明。
4. 固定床吸附中，床层可以分为几个区域，各区域的特点是什么？
5. 简述固定床吸附从开始到完全失去吸附能力的变化过程。
6. 画出穿透曲线的示意图，并在图中标出穿透点、终点、剩余吸附量和饱和吸附量。
第十一章反应动力学基础
第一节反应器和反应操作
1. 反应器的一般特性主要指哪几个方面？
2.反应器研究开发的主要任务是什么？
3. 什么是间歇操作、连续操作和半连续操作？它们一般各有哪些主要特点？
4. 什么是空间时间和空间速度？它们所表达的物理意义分别是什么？
5. 一般情况下，反应器内的流体流动状态会对反应结果产生影响，为什么？
6. 根据反应物料的流动与混和状态，反应器可分为哪些类型。
7.反应器设计的基本内容包括哪几个方面？它通常使用哪几类基本方程？
第二节反应的计量关系
1.什么是膨胀因子？膨胀因子为1的反应体系，反应后系统的物质的量将如何
变化？若是膨胀因子为0.5的反应体系，则如何变化？
2.什么是简单反应和复杂反应？可逆反应属于哪一类反应？为什么？
3.什么是均相内反应和界面反应？
4.对于连续反应器，某一关键组分的转化率的一般定义是什么？
5.对于实际规模的化学反应器，影响某一关键组分的转化率的主要因素是什
么？
第三节反应动力学
1.若将反应速率的定义写成－rA＝－dCA/dt，该定义式成立的条件是什么？说
明理由。
2.气－固相反应的反应速率有哪几种表达方式？气－液相反应哪？
3. 什么是反应级数？它的大小能否反映反应速率的大小？为什么？
4. 对于某一化学反应，它的速率常数是否与反应物的浓度有关？催化剂能否改变速率常数的大小？
5. 零级不可逆单一反应有哪些主要特点？
6. 一级不可逆单一反应有哪些主要特点？
7. 二级不可逆单一反应有哪些主要特点？
8. 对于可逆单一反应，反应物的浓度能减少到零吗？为什么？ 9. 在平行反应中，什么是主反应？什么是副反应和副产物？
10. （9）对于串联反应，其中间产物的浓度随反应时间如何变化？在实际操作中能否将中间产物的浓度控制到最大值？如何控制？
第III 篇 综合练习题
一、环境工程原理基础
1．1 简答题 1．
写出下列物理量的量纲
（1） 粘度μ；（2）扩散系数D 。 答：（1）粘度μ的量纲：11[]ML t μ--= （2）扩散系数D 的量纲：21[]D M t -= 2．
简述等分子反向扩散和单向扩散过程及传质通量的区别。
答：单向扩散时存在流体的总体流动，因此扩散组分的传质通量增加。 3．
边界层分离的条件是什么？层流边界层和湍流边界层哪个更容易发
生边界层分离？为什么？
答：粘性作用和存在逆压梯度是流动分离的两个必要条件 层流边界层更容易发生分离。
原因：层流边界层中近壁处速度随y 的增长缓慢，逆压梯度更容易阻滞靠近壁面的低速流体质点。
4．
水在圆形直管中呈层流流动。若流量不变，说明在下列情况下，摩
擦阻力的变化情况：
（1）管长增加一倍；（2）管径增加一倍。
答： 2
2
m
f u d l h λ=?∑
层流时：64Re
λ=
管长增加一倍时，阻力损失增加一倍；管径增加一倍时，阻力损失减小为原来的1/16。
5．
试写出几种主要的强化间壁式换热器传热效果的具体措施。
答：根据传热基本方程，可通过增加传热面积、增大传热系数和推动力来强化传热。具体措施包括：（1）采用小直径管、异形表面、加装翅片等；（2）改变两侧流体相互流向，提高蒸汽的压强可以提高蒸汽的温度，增加管壳式换热器的壳程数；（3）提高流体的速度，增强流体的扰动，采用短管换热器，防止结垢和及时清除污垢等。
6．
网球的粗糙表面有利于减少运动阻力，试解释原因。
答：运动阻力包括摩擦阻力和形体阻力。由于球面面积较小，网球运动速度较快，形体阻力占主要地位。表面粗糙可以使边界层湍流化，使边界层分离点后移，减少形体阻力，从而减少运动阻力。
7．
水在光滑圆形直管中流动，分析以下情况下因摩擦阻力而产生的压
降的变化情况：
（1） 水在管中呈层流流动，流量不变，管长增加一倍或管径增加一倍； （2） 水作湍流流动，管长及管径不变，流量增加一倍，摩擦系数为
4
1Re 3164.0=λ。
答：压降2
2
m
f l u p d ρλ?=
（1） 层流时，64
Re
λ=
，管长增加一倍时，压降增加一倍；管径增加一倍
时，压降减小为原来的1/16。
（2） 湍流时，4
1
Re 3164.0=λ，流量增加一倍时，压降增加，为原来的5.19（或2（2＋1/4））倍。
8．
某热水管道采用两种导热系数不同的保温材料进行保温，若保温材
料厚度相同，为了达到较好的保温效果，应将哪种材料放在内层，试解释原因。
答：应将导热系数小的材料放在内层。 证明过程：设12λλ>
当1λ在内层，有2
3121
21121
2ln ln 2()/r r T T r r Q L T T R πλλ?? ?- ?==-+
? ??? 当2λ在内层，有23121
221221ln ln 2()/r r T T r r Q L T T R πλλ?? ?- ?==-+
?
???
为比较12Q Q >的大小，将上两式相除，可得12/1Q Q >，因此应将2λ放在内层。
9．
转子流量计在安装和使用中应注意什么？
答：安装转子流量计时应注意：
（1）转子流量计必须垂直安装,若倾斜度1度将造成0.8％的误差。
（2）转子流量计必须安装在垂直管路上，且流体流动的方向必须由下往上。
使用时应注意：测量流体和环境条件是否与出厂时标定的相同，如不同，需对读数进行校正
10. 流体在管内流动时，同时发生传热或传质过程。当流速增加致使流态发生变化时，对流动和传递过程产生什么影响？当流体流过弯管时，与直管有什么不同？
答：流动转化为湍流后，流动阻力增加，传热或传质阻力减少。流体流过弯管时，由于离心力的作用，扰动加剧，使阻力损失增加，传递系数增大，传递过程被强化。
11. 流体中组分A 的含量为,0
A c ，与平壁面接触，壁面上组分A 的含量为
,A i
c ，
且
,0A c >,A i
c 。试绘制当流体分别为静止、沿壁面层流流动和湍流流动时，组分A
在壁面法向上的浓度分布示意图。
a.静止时
b.层流流动
c.湍流流动
答：图15-1 综合练习题1.1(11)图答案见上图。
12. 设冬天室内的温度为1T ，室外温度为2T ，1T >2T 。在两温度保持不变的情况下，试绘制下列三种情况下从室内空气到室外大气温度分布示意图。
（1）室外平静无风，不考虑辐射传热； （2）室外冷空气以一定流速流过砖墙表面；
（3）除了室外刮风外，还考虑砖墙与四周环境的辐射传热。
13. 流体沿平壁面流动时，同时发生传质过程。当流速增加致使流动状态由层流变为湍流时，试分析流动边界层厚度的变化，以及对流动阻力和传质阻力产生的影响。
答：边界层厚度与流速有关，流速增加，边界层厚度减少。流动由层流变成湍流，速度梯度变大，摩擦力增加，流动阻力增加；边界层厚度减少，而传质阻力主要集中在边界层，湍流加大了液体的对流，浓度梯度增大，传质阻力减少。
14. 流体沿壁面流动时，有时会出现边界层分离的现象。试论述 （1）边界层分离的条件；
（2）流动状态对边界层分离和流动阻力的影响。
答：（1）边界层分离的条件：流体具有粘滞性，产生逆压梯度，将靠近界
C A0
C A0
L A c ,A i c
L
A c ,A i c
L
A c ,A i c
C A0
室内T 1
室外T 2
室内T 1
室外T 2 室内T 1
室外T 2
面的慢流体的速度阻滞为零，即可发生边界层分离。
（2）层流边界层速度变化较湍流小，慢速流体更容易被阻滞。所以，湍流边界层分离比层流延后。由于湍流边界层分离延后，分离点下移，尾流区较小，所以其形体阻力小。
15. 有一个套管换热器，内管外侧装有翅片，用水冷却空气，空气和水各应走哪里（管内和壳间）？试解释原因。
答：装有翅片的目的一方面是为了加大接触面积；另一方面是为了破坏边
界层形成以提高对流传热系数。由总传热速率方程 可以看到：
要提高传热器的传热效果，应当提高限制步骤的传热效果。因此，在用水冷却空气的换热过程中，空气对流传热慢，是制约因素。所以，翅片应放在空气一侧，即空气走壳间，水走管内。
16．燃烧废气中含有SO 2，欲采用吸收法去除。根据你所学的知识，分析提高去除效率的方法。
答：吸收法可近似认为单向扩散，,,,()AB A A i A o B m
D p
N p p RTLp =
-。由上式可知，为了提高吸收效率，可以增加SO 2的浓度（浓缩尾气），换用高效的吸收液（碱液等）；同时即使更换新的吸收液；增大吸收液与SO 2的接触面积（雾状喷淋）；适当增加温度和压强，以加快碱液对SO 2的吸收速率。
1．2 某城市生活污水采用完全混合曝气法处理，水量为3×104m 3/d ，BOD 5
浓度为200mg/L ，要求稳态运行时，出水BOD 5浓度达到一级排放标准，即
30mg/L ，曝气池中有机物的降解遵循一级反应，反应速率为 （反应速率
常数0.1d -1）。
（1）确定曝气池的有效容积；
（2）若曝气池中污泥浓度为2000 mg/L ，回流污泥浓度为4000 mg/L ，求沉淀池的污泥回流比R 。
曝气池
沉淀池
污泥回流
X
V ,0
,c Q r
X R ,e
c Q ,0.1r c =1122
11
m T Q b A A A αλα?=+
+
解：（1）以曝气池和沉淀池为衡算系统，以BOD 5为衡算对象，由物料衡算方程得：
o V e V d q q rV V dt
ρ
ρρ--= 系统稳态运行，
d dt
ρ
＝0；代入相应数值得： 0113430.1200/30/0.130/170
0.130000/171030
e e V V
V
V V r
q q V
mg L mg L d mg L q V d m d m ρρρ---==-=??=
÷?=? （2）以曝气池为衡算系统，以污泥为衡算对象。由衡算方程，得
(1)r V V X Rq X R q =+
43434000/310/2000/(1)310/2000(1)0.5(1)40001100%
mg L R m d mg L R m d
R R R R ???=?+??=+=+==
1．3一直径为2m 的贮槽中装有质量分数为0.1的氨水，因疏忽没有加盖，则氨以分子扩散形式挥发。假定扩散通过一层厚度为5mm 的静止空气层。在101KN/m 2、20℃下，氨的分子扩散系数为1.8×10－5m 2/s ，计算12小时中氨的挥发损失量。计算中不考虑氨水浓度的变化，氨在时的相平衡关系为
)K N /m (2692x p =。
解：氨在水中的摩尔分数为：
/0.1/17
0.105//0.1/170.9/18
m m m x M x x M x M =
=++氨氨水水氨氨＝
由题中的相平衡关系算出氨在液面上的分压,A i p ＝269×0.105=28.2KN/m 2 氨在空气中的分压为,0A p ＝0
空气的分压：
在水面上：2,,101.328.273.1/B i A i p p p KN m =-=-= 在空气中：2,0,0101.30101.3/B A p p p KN m =-=-= 空气的对数平均分压为：
,0,2.,0,101.373.1
85.5/ln(/)ln(101.3/73.1)
B B i B m B B i p p p KN m p p --=
==
因此，氨在空气中的扩散速率为：
,,0,220.064101.3
()(28.20)
8.3142930.00585.50.175/ 2.975/A A i A B m D P N p p RTZ p kmol m h kg m h ??=
-=-????=?=?
水槽的表面积为
220.7852 3.14A m =?=
12小时氨的挥发损失量为： G ＝2.975×3.14×24=224.4kg/d
1．4将水从贮水池输送到处理构筑物中，原有一条管路，直径为500mm 。为增加输水量，在该管旁增加一条新管，管径为250mm 。两管均为水平敷设，长度相等，为1000m ，流动处于阻力平方区，摩擦系数为0.02。当两管的出水端单独接入构筑物和合并后接入构筑物时，两管中的流量比为多少？当两管长度为10m 时，流量比为多少？
解：（1）管长为1000m 时，阻力损失主要为沿程损失，局部损失可以忽略。 两管单独接入构筑物或合并后接入构筑物时，两管的水力损失应相等
有：12
221212
1222u u l l d d ρρλλ= 即：55
12
121122
:(
):()v v d d q q l l λλ= 其中，1λ＝2λ＝0.02；1l ＝2l ＝1000m ；1d :2d ＝500: 250
所以，12:42 5.6v v q q ==
（2）管长为10m 时，沿程阻力损失和局部阻力损失均要考虑。 当两管单独接入构筑物时，两管的水力损失分别为： （注：以下两式中删除了分母中的g ）
大管：11
111112
222222
111121 1.00.40.5 1.92222222
f u u u u u u u l h d ?λ?=++=++=
小管：2
222222222222
2221222 1.00.80.5 2.32222222
f u u u u u u u l h d ?λ?=++=++=
两管水力损失相等，12f f h h = 故12 2.3: 1.9
u u =
所以2
111222
:() 4.4v v u d q q u d =
?= 当两管合并后接入构筑物时，忽略交汇点处水力损失：
大管：11
1112
2222
11111 1.00.4 1.422222
f u u u u u l h d ?λ=+=+=
小管：2
22222222
222122 1.00.8 1.822222
f u u u u u l h d ?λ=+=+=
两管水力损失相等，12f f h h = 故129:7
u u =
所以2
111222
:() 4.5v v u d q q u d =?=
1．5有一外径为150mm 的钢管，为减少热损失，今在管外包以两层绝热层。已知两种绝热材料的热传导系数之比为1：2，两种绝热层厚度都为30mm 。试比较两种绝热材料不同顺序放置时的热损失。设两种情况下内外温度不变。
解：设两种绝热材料的导热系数为1λ：2λ＝1：2 当导热系数1λ的材料放在内层时：
1212
112
12
11221122
1122
()
m m m m m m m m T L d d T
T T
Q b b
b b R
b d d A A L d L d λλπλλλλλπλπ????=
==
=
+++
（1）
其中，
1011060
178.6210
ln ln
150m d d d d d -=
== 21221
60239.0270
ln ln
210m d d d d d -=
== 将1m d ，2m d 代入式（1）得（注：式（2）和（4）最后一项的分母中增加了λ1）
12121212
1111
178.62239.0656.6m m m m T L d d T L d d Q b b λλπλλπλλλ??=
=??+? （2）
当导热系数2λ的材料放在内层时：
1212
212
12
21122112
2112
()
m m m m m m m m T L d d T T T
Q b b
b b R
b d d A A L d L d λλπλλλλλπλπ????=
==
=
+++
（3）
向式（3）代入1m d ，2m d 得
12121212
2111
2178.6239.0596.2m m m m T L d d T L d d Q b b λλπλλπλλλ??=
=??+? （4）
比较式（2）和（4）可以看到12Q Q <
即把导热系数较小的绝热材料放在内层可以减少热损失。
1.6 某一双池塘系统如图所示。上游流量为10×104m 3/d ，其中有机物浓度为20mg/L 。第一个池塘的容积为5.0×104m 3，第二个池塘的容积为3.0×104m 3。有一股流量为1×104m 3/d 的污水进入第一个池塘，有机物浓度为120 mg/L 。有机物降解符合一级反应动力学，降解速率常数为0.30d －1。不考虑蒸发、渗漏或降雨等因素，假设每一个池塘都呈完全混合状态，求稳定状态下每个池塘出水的有机
物料衡算与能量衡算
物料衡算与能量衡算 5.1概述 工艺通过甲苯和甲醇采用纳米ZSM-5分子筛催化下通过烷基化反应制得对二甲苯，得到了高纯度的对二甲苯，并且在工艺流程中实现了甲苯和甲醇的循环利用，达到了经济环保的要求。 设计过程中利用Aspen Plus 对全流程进行模拟，并在此基础上完成物料衡算、能量衡算。以工段为单位进行物流衡算，全流程分为甲苯甲醇烷基化反应工段、闪蒸——倾析工段、脱甲苯工段、对二甲苯提纯工段。 5.2物料衡算 5.2.1物料衡算基本原理 系统的物料衡算以质量守恒为理论基础，研究某一系统内进出物料量及组成的变化，即： 系统累计的质量=输入系统的质量-输入系统的质量+反应生成的质量-反应消耗的质量 假设系统无泄漏： R R O U T IN C G F F dt dF -+-=/ 当系统无化学反应发生时： O U T IN F F dt dF -=/ 在稳定状态下： 0/=-=O U T IN F F dt dF ，O U T IN F F = 注：IN F —进入系统的物料流率； OUT F —流出系统的物料流率； R G —反应产生物料速率； R C —反应消耗物料速率。
5.2.2 物料衡算任务 通过对系统整体以及部分主要单元的详细物料衡算，得到主、副产品的产量、原料的消耗量、“三废”的排放量以及最后产品的质量指标等关键经济技术指标，对所选工艺路线、设计流程进行定量评述，为后阶段的设计提供依据。 5.2.3系统物料衡算 详见附录，物料衡算一览表。 5.3能量衡算 5.3.1基本原理 系统的能量衡算以能量守恒为理论基础，研究某一系统内各类型的能量的变化，即： 输入系统的能量=输出系统的能量+系统积累的能量 对于连续系统： ∑∑-=+IN O U T H H W Q 注：Q —设备的热负荷； W —输入系统的机械能； ∑OUT H —离开设备的各物料焓之和； ∑IN H —进入设备的各物料焓之和。 本项目的能量衡算以单元设备为对象，计算由机械能转换、化学反应释放能量和单纯的物理变化带来的热量变化。 5.3.2能量衡算任务 (1) 、确定流程中机械所需的功率，为设备设计和选型提供依据。 (2) 、确定精馏各单元操作中所需的热量或冷量及传递速率，确定加热剂和冷剂的用量，为后续换热和公用工程的设计做准备。 (3) 、确定反应过程中的热交换量，指导反应器的设计和选型。
能量衡算方程式
能量衡算方程式 在图1-9所示的定态流动系统中，流体从截面1-1′流入，经粗细不同的管道，从截 面2-2′流出。管路上装有对流体作功的泵2及向流体输入或从流体取出热量的换热器1。 衡算范围：内壁面、1-1′与2-2′截面间。 衡算基准：1kg流体。 基准水平面：o-o′ 设u1、u2分别为流体在截面1-1′与2-2′处的流速，m/s；p1、p2分别为流体在截 面1-1′与2-2′处的压强，Pa。 1kg流体进、出系统时输入和输出的能量有下面各项： （1）内能物质内部能量的总和称为内能。1kg流体输入与输出的内能分别以U1和 U2表示，其单位为J/kg。 （2）位能流体因受重力的作用，在不同的高度处具有不同的位能，相当于质量为m 的流体自基准水平面升举到某高度Z所作功，即： 位能=mgZ 位能的单位是N·m或者J。 1kg流体输入与输出的位能分别为gZ1与gZ2，其单位为J/kg。位能是个相对值，随 所选的基准水平面位置而定，在基准水平面以上的位能为正值，以下的为负值。 （3）动能流体以一定的速度运动时，便具有一定的动能．质量为m，流速为u的流体所具有的动能为： 动能=mu2/2 动能的单位是N·m或J 1kg流体输入与输出的动能分别为u12/2与u22/2，其单位为J/kg。 （4）静压能(压强能) 静止流体内部任一处都有一定的静压强。流动着的流体内部任 何位置也都有一定的静压强。如果在内部有液体流动的管壁上开孔，并与一根垂直的玻璃 管相接，液体便会在玻璃管内上升，上升的液柱高度便是运动着流体在该截面处的静压强 的表现。对于图1-9所示的流动系统，流体通过截面1-1′时，由于该截面处流体具有一 定的压力，这就需要对流体作相应的功，以克服这个压力，才能把流体推进系统里去。于 是通过截面1-1′，的流体必定要带着与所需的功相当的能量进入系统，流体所具有的这 种能量称为静压能或流动功。
物料衡算与热量衡算讲解
第4章物料衡算与热量衡算 4.1 物料衡算 物料衡算即是利用物料的能量守恒定律对其进行前后操作后物料总量与产品以及物料损失状况的计算方法，也就是进入设备用于生产的物料总数恒等于产物与物料损失的总量。物料衡算与生产经济效益有着直接的关系。 物料衡算需要在知道产量和产品规格的前提下进行所需的原、辅材料量、废品量以及消耗量的计算。 物料衡算的意义： （1）知道生产过程中所需的热量或冷量； （2）实际动力消耗量； （3）能够为设备选型、台数、决定规格等提供依据； （4）在拟定原料消耗定额基础上，进一步计算日消耗量、时消耗量，能够为所需设备提供必要的基础数据。 4.1.1 年工作日的选取 （1）年工作时间365-11（法定节假日）=354×24=8496（小时） （2）设备大修 25天/年=600小时/年 （3）特殊情况停车 15天/年=360小时/年 （4）机头清理、换网过滤 6次/年 8小时/次 [354-(25+15)]×1/6次/天×8小时/次=396小时=16.5天=17天 （5）实际开车时间 365－11－25－15－17=297天 8496－600－360－396=7140小时 （6）设备利用系数 K=实际开车时间/年工作时间=7140/8496=0.84 4.1.2 物料衡算的前提及计算 （1）挤出成型阶段 物料衡算的前提是应在已知产品规格和产量的前提下进行许多原辅材料量、废品量及消耗量的计算。 1 已知：PVC片材的年生产量为28500吨，其中物料自然消耗率为0.1%，产品合格率为94%，回收率为90%。每年生产297天，二班轮流全天24小时生产。物料衡算如下： 年需要物料量 M=合格产品量/合格率=28500/0.94≈30319.15t 1年车间进料量 M= M/（1-物料自然消耗率）=30319.15t /（1-0.1%）≈30349.50t 12年自然消耗量M=M-M=30349.50-30319.15=30.35t 132年废品量 M=M-合格产品量=30319.15-28500=1819.15t 14每小时车间处理物料量 M=30319.15/297/24h≈4.25t 5年回收物料量
第四章 物料衡算
第四章物料衡算 1.教学目的与要求 掌握化工过程物料衡算的基本方法，包括无化学反应的物料衡算、有化学反应的物料衡算。 2.主要教学内容 物料衡算式、物料衡算的基本方法、无化学反应的物料衡算、有化学反应的物料衡算以及物料衡算的计算机解题。 3.重点与难点： 重点：无化学反应及有化学反应的物料衡算方法 难点：具有循环、排放及旁路过程的物料衡算 4.学时分配： 8+6S 学时 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。 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—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。 物料衡算的理论依据是质量守恒定律，即在—个孤立物系中，不论物质发生任何变化，它的质量始终不变(不包括核反应，团为核反应能量变比非常大，此定律不适用)。
第一节物料衡算式 4－1 化工过程的类型 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。或行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型。 间歇操作过程： 4－2 物料衡算式 物料衡算是研究某一个体系内进、出物料量及组成的变化。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累量之和。所以，物料衡算的基本关系式应该表示为； 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，必须把由反应消耗或生成的量亦考虑在内。所以(4—1)式成为： 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。 但是，列物料衡算式时应该注意，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。出为反应前后物料中的分子数不守恒。 第二节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，
物料衡算与热量衡算讲解
第 4 章物料衡算与热量衡算 4.1物料衡算物料衡算即是利用物料的能量守恒定律对其进行前后操作后物料总量与产品以及物料损失状况的计算方法，也就是进入设备用于生产的物料总数恒等于产物与物料损失的总量。物料衡算与生产经济效益有着直接的关系。 物料衡算需要在知道产量和产品规格的前提下进行所需的原、辅材料量、废品量以及消耗量的计算。 物料衡算的意义： （1）知道生产过程中所需的热量或冷量； （2）实际动力消耗量； （3）能够为设备选型、台数、决定规格等提供依据； （4）在拟定原料消耗定额基础上，进一步计算日消耗量、时消耗量，能够为所需设备提供必要的基础数据。 4.1.1 年工作日的选取 （1）年工作时间365-11 （法定节假日）=354×24=8496（小 时） （2）设备大修25 天/ 年=600 小时/ 年 （3）特殊情况停车15 天/年=360 小时/ 年 （4）机头清理、换网过滤6次/年8 小时/次 [354-（25+15）] ×1/6 次/天×8 小时/次=396小时=16.5 天=17 天（5 ）实际开车时间 365－11－25－15－17=297 天8496－600－360－396=7140 小 时 （6 ）设备利用系数 K= 实际开车时间/ 年工作时间=7140/8496=0.84 4.1.2 物料衡算的前提及计算 （1）挤出成型阶段物料衡算的前提是应在已知产品规格和产量的前提下进行许多原辅材 料量、废品量及消耗量的计算
已知：PVC 片材的年生产量为28500 吨，其中物料自然消耗率为 0.1% ，产品合格率为94%，回收率为90% 。每年生产297 天，二班轮流全天24 小时生产。物料衡算如下： 年需要物料量 M 1=合格产品量/合格率=28500/0.94 ≈30319.15t 年车间进料量 M2= M 1/（1-物料自然消耗率）=30319.15t / （1-0.1% ） ≈30349.50t 年自然消耗量 M3=M 2-M 1=30349.50-30319.15=30.35t 年废品量 M4=M 1-合格产品量=30319.15-28500=1819.15t 每小时车间处理物料量M 5=30319.15/297/ 24h≈4.25t 年回收物料量 M6=M 4×回收率=1819.15 ×90%≈1637.23t 新料量 M7=M 2-M 6=30349.50-1637.23=28712.27t 2）造粒阶段 ① 确定各岗位物料损失率塑化造粒工段物料损耗系数
热量衡算
热量衡算 1计算方法与原则 1.1热量衡算的目的及意义 热量衡算的主要目的是为了确定设备的热负荷。根据设备热负荷的大小、所处理物料的性质及工艺要求再选择传热面的形式、计算传热面积、确定设备的主要工艺尺寸。传热所需的加热剂或冷却剂的用量也是以热负荷的大小为依据而进行计算的。 1.2热量衡算的依据及必要条件 热量衡算的主要依据是能量守恒定律，其数学表达式为 Q1+ Q2+Q3=Q4+Q5+Q6 式1 其中： Q1——物料带入到设备的热量，kJ Q2——加热剂或冷却剂传给设备和所处理物料的热量，kJ Q3——过程热效应，kJ Q4——物料离开设备所消耗的热量，kJ Q5——加热或冷却设备所消耗的热量，kJ Q6——设备向环境散失的热量，kJ Q1（Q4）=ΣmC P(t2- t0)kJ式2 m——输入或输出设备的物料质量，kg C P——物料的平均比热容，kJ/(kg?℃) t2——物料的温度，℃ t0——基准温度，℃ Q5=ΣC P M(t2-t1)kJ式3 M——设备各部件的质量，kg C P——设备各部件的比热容，kJ/(kg?℃)
t1——设备各部件的初始温度，℃ t ——设备各部件的最终温度，℃ 2 Q5+Q6=10%Q总式4 热量衡算是在车间物料衡算的结果基础上而进行的，因此，车间物料衡算表是进行车间热量衡算的首要条件。其次还必须收集有关物质的热力学数据，例如比热容，相变热，反应热等。本设计还将涉及到的所有物料的热力学数据汇总成表4，以便于后期的计算。 1.3热量衡算基准 因为物料衡算计算的是各个岗位的天处理量，所以热量衡算计算的也是某个设备天换热介质消耗量，同时温度基准采用的是0℃做基准。当然，进行传热面积校核时，是根据批处理量计算。
化工中的物料衡算和能量衡算
化工中的物料衡算和能量衡算 化72 王琪2007011897 在化工原理的绪论课上，戴老师曾强调过化工原理的核心内容是“三传一反” 即传质、传动、传热和反应，而物理三大定律——质量守恒、动量守恒、能量守 恒正是三传的核心与实质，因此这三大定律在化工中统一成一种核心的方法：衡 算。正是衡算，使原本复杂的物理定律的应用变得简单，实用性强，更符合工程 学科的特点。为此化工中的物料衡算和能量衡算很重要，本文将分别从物料衡算、 能量衡算讨论化工中的衡算问题，然后将讨论二者结合的情况。 物料衡算在台湾的文献中称为“质量平衡”，它反映生产过程中各种物料 之间量的关系，是分析生产过程与每个设备的操作情况和进行过程与设备设计的 基础。一般来说物料衡算按下列步骤进行，为表示直观，做成流程图。 绘制流程图时应注意： 1.用简洁的长方形来表达一个单元，不必画蛇添足； 2.每一条物质流线代表一个真实的流质流动情况； 3.区别开放与封闭的物质流 4.区别连续操作与分批操作（间歇生产） 5.不必将太复杂的资料写在物质流线上 确定体系也比较重要，对于不同体系，衡算基准和衡算关系会有不同。 合适的基准对于衡算问题的简化很重要，根据过程特点通常有如下几种： 1.时间基准：连续生产，选取一段时间间隔如1s，1min，1h，1d；间歇生产以一釜或一批料的生产周期为基准，对于非稳态操作，通常以时间微元dt为基准。 2.质量基准，对于固相、液相体系，常采用此基准，如1kg，100kg，1t，1000lb
等。 3.体积基准（质量基准衍生）：适用于气体，但要换成标准体积；适用于密度无变化的操作。 4.干湿基准：水分算在内和不算在内是有区别的，惯例如下： 烟道气：即燃烧过程产生的所有气体，包括水蒸气，往往用湿基； 奥氏分析：即利用不同的溶液来相继吸收气体试样中的不同组分从而得到气体组分，往往用干基。 化肥、农药常指湿基，而硝酸、盐酸等则指干基。 选取基准后，就要确定着眼物料了。通常既可从所有物料出发，也可根据具体情况，从某组分或某元素着眼。对于有化学反应的过程，参加反应的组分不能被选作着眼物料。 列物料衡算方程式时计算中要注意单位一致。列方程时，要注意：物料平衡是关于质量的平衡，而不是关于体积或者摩尔数的平衡。只有密度相同时才可列关于体积的方程，根据元素守恒可列相应的关于摩尔数的方程。 物料衡算方程的基本形式为：（以下均为质量，若密度不变，也可用体积或体积流速） 输入+产生=输出+积累+消耗。 对于无反应的物理过程，没有产生和消耗，所以输入=输出+积累，如果是稳态过程，积累=0，则方程变为：输入=输出。以下分别对特定的单元操作讨论物料衡算关系。 1.输送：连续性方程，进管液体=出管液体；进泵液体=出泵液体 2.过滤：总平衡：输入的料浆=输出的滤液+输入的滤饼； 液体平衡：料浆中的液体=滤液中的液体+滤饼中的液体 3.蒸发：原料液=积累+母液+晶体+水蒸气 其他过程类似。值得注意的是，如果对于每个组分列物料衡算方程，则总衡算方程不用列出，因为其不独立。一般来说，对于无反应的物理过程，如果有n 个组分，就可以列出n个方程。 对于有化学反应的过程，物料衡算要更复杂一些，因为反应中原子重新组合，消耗旧物质，产生新物质，所以每一个物质的摩尔量和质量流速不平衡。此外，在化学反应中，还涉及化学反应速率、转化率、产物的收率等因素。为了有利于反应的进行，往往一种反应物要过量。因此在进行反应过程的物料衡算时，应考虑以上因素。对于不参加反应的惰性物质列衡算方程通常比较方便。通常来讲，总质量衡算和元素衡算用得较多，组分衡算对于有化学反应的过程不可以用。 有化学反应的过程物料衡算通常有以下几种方法：直接计算法、利用反应速率进行物料衡算、元素衡算法、化学平衡常数法、结点衡算法、联系组分衡算法等。
物料衡算
第一节物料衡算式 4－1 化工过程的类型 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。或行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型。 间歇操作过程： 4－2 物料衡算式 物料衡算是研究某一个体系内进、出物料量及组成的变化。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累量之和。所以，物料衡算的基本关系式应该表示为； 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，必须把由反应消耗或生成的量亦考虑在内。所以(4—1)式成为： 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。 但是，列物料衡算式时应该注意，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。出为反应前后物料中的分子数不守恒。 第二节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。 4－3 画物料流程简图方法
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。4—4 计算基准及其选择 进行物料、能虽衡算时，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，不能什硬性规定。 根据不同过程的特点，选样计算基准时，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。
物料衡算和热量衡算
3 物料衡算 依据原理：输入的物料量=输出的物料量+损失的物料量 3.1 衡算基准 年生产能力：2000吨/年 年开工时间：7200小时 产品含量：99% 3.2 物料衡算 反应过程涉及一个氧化反应过程，每批生产的产品相同，虽然有原料对叔丁基甲苯和溶剂甲苯的循环，第一批以后循环的物料再次进入反应，但每批加料相同。在此基础上，只要计算第一个批次的投料量，以后加料一样。 反应釜内加热时间2h、正常的反应时间18h、冷却时间1h。加上进料和出料各半个小时，这个生产周期一共2+18+1+1=22h。所以在正常的生产后，每22小时可以生产出一批产品。每年按300天生产来计算，共开工7200小时，可以生产327个批次。要求每年生产2000吨对叔丁基苯甲酸，则每批生产2000÷327＝6.116吨。产品纯度99 %( wt %) 实际过程中为了达到高转化率和高反应速率，需要加入过量对叔丁基甲苯做溶剂，反应剩余的原料经分离后循环使用。 3.2.1 各段物料 (1) 原料对叔丁基甲苯的投料量 设投料中纯的对叔丁基甲苯为X kg，则由 C11H16C11H14O2 M 148.24 178.23 m x 6054.8 得x=6054.8×148.24÷178.23=5036.0 kg 折合成工业原料的对叔丁基甲苯质量为5036.0÷0.99=5086.9kg 实际在第一批生产过程加入的对叔丁基甲苯为6950.3kg （2）氧气的通入量 生产过程中连续通入氧气,维持釜内压力为表压0.01MPa,进行氧化反应。实
际生产过程中,现场采集数据结果表明,通入的氧气量为1556.8 kg，设反应消耗的氧气量为x kg 3/2O2C11H14O2 M 31.99 178.23 m x 6054.8 得x= 3/2×6054.8×31.99÷178.23=1630.1kg 此时采用的空气分离氧气纯度可达99%，因此折合成通入的氧气为1630.1÷0.99=1646.6 kg即在反应过程中，需再连续通入1646.6kg氧气。 （3）催化剂 催化剂采用乙酰丙酮钴(Ⅲ)，每批加入量10.4 kg （4）水的移出量 设反应生产的水为x kg H2O C11H14O2 M 18.016 178.23 m x 6054.8 得x=6054.8×18.016÷178.23=612 kg 产生的水以蒸汽的形式从反应釜上方经过水分离器移出。 3.2.2 设备物料计算 （1）计量槽 对叔丁基甲苯计量槽： 一个反应釜每次需加入的对叔丁基甲苯质量为3475.1÷2=3475.15 kg 对叔丁基甲苯回收计量槽：每批反应结束后产生母液1834.8kg 甲苯计量槽：每批需加入甲苯做溶剂，加入量为396.1 kg （2）反应釜：反应结束后，经过冷却、离心分离后，分离出水612kg，剩余的对叔丁基甲苯1834.8kg循环进入下一批产品的生产。分离出来的固体质量为：6950.3+10.4+1646.6-612-1834.8=6160.5 kg 。 （3）进入离心机的物料：6950.3＋10.4＋1646.6－1834.8－612=6160.5kg （4）脱色釜：分离机分离出来的粗产品移入脱色釜，加入甲苯做溶剂，加入量为396.1 kg，搅拌升温将产品溶解，再加入76.5 kg活性碳进行脱色。进入
化工原理(天大版)干燥过程的物料衡算与热量衡算
1 8.3干燥过程的物料衡算与热量衡算 干燥过程是热、质同时传递的过程。进行干燥计算，必须解决干燥中湿物料去除的水分量及所需的热空气量。湿物料中的水分量如何表征呢？ 湿物料中的含水量有两种表示方法 1.湿基含水量w 湿物料总质量 湿物料中水分的质量= w kg 水/kg 湿料 2.干基含水量X 量 湿物料中绝干物料的质湿物料中水分的质量= X kg 水/kg 绝干物料 3.二者关系 X X w +=1w w X -=1 说明：干燥过程中，湿物料的质量是变化的，而绝干物料的质量是不变的。因此，用干基含 水量计算较为方便。 图8.7 物料衡算 符号说明： L ：绝干空气流量，kg 干气/h ； G 1、G 2：进、出干燥器的湿物料量，kg 湿料/h ； G c ：湿物料中绝干物料量，kg 干料/h 。 产品 G 2, w 2, (X 2), θ2 G 1, w 1, (X 1), θ1 L, t 2 , H 2
目的：通过干燥过程的物料衡算，可确定出将湿物料干燥到指定的含水量所需除去的水分量及所需的空气量。从而确定在给定干燥任务下所用的干燥器尺寸，并配备合适的风机。 1.湿物料的水分蒸发量W[kg 水/h] 通过干燥器的湿空气中绝干空气量是不变的，又因为湿物料中蒸发出的水分被空气带 走，故湿物料中水分的减少量等于湿物料中水分汽化量等于湿空气中水分增加量。即： [])]([][)(1221221121H H L W X X G w G w G G G c -==-=-=- 所以：1212221 1 2111w w w G w w w G G G W --=--=-= 2.干空气用量L[kg 干气/h] 1212) (H H W L H H L W -=∴-=Θ 令121H H W L l -== [kg 干气/kg 水] l 称为比空气用量，即每汽化1kg 的水所需干空气的量。 因为空气在预热器中为等湿加热，所以H 0＝H 1，0 21211H H H H l -=-=，因此l 只与空气的初、终湿度有关，而与路径无关，是状态函数。 湿空气用量：)1(0'H L L += kg 湿气/h 或)1(0'H l l += kg 湿气/kg 水 湿空气体积：H s L V υ= m 3湿气/h 或H s l V υ=' m 3湿气/kg 水 通过干燥器的热量衡算，可以确定物料干燥所消耗的热量或干燥器排出空气的状态。作为计算空气预热器和加热器的传热面积、加热剂的用量、干燥器的尺寸或热效率的依据。 1.流程图 温度为，湿度为H 0，焓为的新鲜空气，经加热后的状态为t 1、H 1、I 1，进入干燥器与湿物料接触，增湿降温，离开干燥器时状态为t 2、H 2、I 2，固体物料进、出干燥器的流量为G 1、G 2，温度为θ1、θ2，含水量为X 1、X 2。通过流程图可知，整个干燥过程需外加热量有两处，预热器内加入热量Q p ，干燥器内加入热量Q d 。外加总热量Q ＝Q p ＋Q d 。将Q 折合
能量衡算
能量衡算 4.1热量衡算的目的 热量衡算主要是为了确定设备的热负荷，根据设备热负荷的大小、 所处理物料的性质及工艺确定设备的主要工艺尺寸。 4.2热量衡算依据 热量衡算的主要依据是能量守恒定律，以车间物料衡算的结果为基 础而进行的，所以，车间物料衡算表是进行车间热量衡算的首要条件。 4.3液化加热蒸汽量 4.3.1加热蒸汽消耗量D 可按下式计算: D＝GC(t2－t1)/(I－λ﹚ 式中： G——淀粉浆量(kg/h) C——淀粉浆比热容[kJ/(kg·K)] t1——浆料初温(10+273=293K) t2——液化温度(90+273=363K) I——加热蒸汽焓2738kJ/kg(0.3Mpa ，表压) λ——加热蒸汽凝结水的焓，在363K时为377kJ/kg 4.3.2淀粉浆量G 根据物料衡算,日投工业淀粉1543.84Kg，由于为连续化液化，1543.84/24=64.3(Kg/h) 。 加水量为1：2.5， 粉浆量为G= 64.3× 3.5=225.14（kg/h） 4.3.3 粉浆干物质浓度 64.3× 86% × 100%÷225.14=24.6% 4.3.4粉浆干物质C 可按下式计算：C=C o*X+C水*(100-X) 式中： C o——淀粉质比热容,取1.55kJ/(kg·K) X——粉浆干物质含量,24.6% C水——水的比热容4.18KJ/(kg·K) C=1.55×24.6/100＋4.18×(100-24.6)/100=3.53[kJ/kg·K] 4.3.5蒸汽用量 D=64.3×3.53×(363-283)/(2738-377)=7.68(kg/h) 灭菌是将液化液由90℃加热至100℃，在100℃时的λ为419kJ/kg ，则灭菌所用蒸汽量： D灭=64.3×3.53×(100-90)/(2738-419)=9.8（kg/h )。 由于要求在内使液化液由90℃加热至100℃，则蒸汽高峰量为:
热量衡算
热量衡算与热交换计算 热量衡算与热交换计算 一、热量衡算 传热计算根据总传热方程进行：Q=KA△tm 对于一个热交换器，传热计算的内容有两种，一为设计计算，即根据给定的传热量，确定热交换器的几何尺寸和结构参数；二为校核计算，即对某些热交换器，根据它的尺寸和结构进行校核，看其能否满足传热量的要求。这两种计算的关键都在于传热面积是否合适，计算的基本依据是总传热方程以及与之相关的热量衡算式，在第四节中，已对总传热方程进行了较为详细的讨论，下面介绍热交换中的热量衡算式。 当热损失为零时，对热交换器作热量衡算可得到单位时间的传热量，此传热量又叫热负荷，即式3-20中的传热速率Q。 热负荷分为两种，即工艺热负荷和设备热负荷，工艺热负荷是指工艺上要求的在单位时间内需要对物料加入或取出的热量，用QL表示，单位为W。设备热负荷是热交换器所具备的换热能力，所以设备热负荷也就是热交换器的传热速率Q。当热损失不可忽略时，为满足工艺要求，Q应大于QL。 由热量衡算得到的是工艺热负荷QL。如果流体不发生相变化，比热取平均温度下的比热，则有： QL=whcph(T1-T2)=wccpc(t2-t1) ( 3-29) 式中w----流体的质量流量，kg/s； cp----流体的平均定压比热，kJ/(kg?K); T----热流体温度，K； t----冷流体温度，K； （下标h和c分别表示热流体和冷流体，下标1和2表示热交换器的进口和出口）式3-29是热交换器的热量衡算式，也称为热平衡方程。若流体在换热过程中有相变，例如饱和蒸汽冷凝成同温度冷凝液时，则有： QL=whr=wccpc(t2-t1) (3-30) 式中wh----饱和蒸汽的冷凝速率，kg/s； r----饱和蒸汽的冷凝潜热，kJ/kg； 当饱和蒸汽在热交换器中冷凝后，冷凝液液温度继续下降到T2,两部分热量（即潜热和显热）要加起来计算，这时： QL=wh[r+cph(Ts-T2)]=wccpc(t2-t1) 式中cph-----冷凝液的比热，kJ/kg?K； Ts------冷凝液饱和温度，K。 为满足工艺要求，应该使热交换器的传热速率等于或略大于工艺热负荷， 即： Q≥QL (3-31)
化工能量衡算
制药生产过程中包含有化学过程和物理过程，往往伴随着能量变化，因此必须进行能 量衡算。又因生产中一般无轴功存在或轴功相对来讲影响较小，因此能量衡算实质上 是热量衡算。生产过程中产生的热量或冷量会使物料温度上升或下降，为了保证生产 过程在一定温度下进行，则外界须对生产系统有热量的加入或排除。通过热量衡算， 对需加热或冷却设备进行热量计算，可以确定加热或冷却介质的用量，以及设备所需 传递的热量。 热量衡算的基础 热量衡算按能量守恒定律“在无轴功条件下，进入系统的热量与离开热量应该平衡”，在实际中对传热设备的衡算可由下式表示 Q1+Q2+Q3=Q4+Q5+Q6 （1—1） 式中： Q1—所处理的物料带入设备总的热量，KJ; Q2—加热剂或冷却剂与设备和物料传递的热量（符号规定加热剂加入热 量为“+”，冷却剂吸收热量为“-”），KJ; Q3—过程的热效率，（符号规定过程放热为“+”；过程吸热为“-”） Q4—反应终 了时物料的焓（输出反应器的物料的焓） Q5—设备部件所消耗的热量，KJ; Q6—设备向四周散失的热量，又称热损失,KJ; 热量衡算的基准可与物料衡算相同，即对间歇生产可以以每日或每批处理物料基准。（计算传热面积的热负荷必须以每小时作为基准，而该时间必须是稳定传热时间）热 量衡算温度基准，一般规定25℃。热量衡算式中各项计算从（1—1）式中可得： Q2 =Q 4+Q5+Q6-Q1-Q3 (1—2) 式中各项可用以下计算方法（1）Q1和Q4的计算 Q1和Q4均可以用下式计算： Q=∑miciT1(T2) 式中： mi—反应物体系中组分I的质量，Kg; ci—组分i在0—T℃时的平均比热容，KJ/(Kg*℃)或KJ/(Kmol·℃); T1(T2)—反应物系反应前后的温度，℃ （2）Q3的计算
啤酒糖化车间物料衡算与热量衡算
# 30000t/a12°淡色啤酒糖化车间物料衡算与热量衡算） 二次煮出糖化法是啤酒生产常用的糖化工艺，下面就以此工艺为基准进行糖化车间的热量衡算。由于没有物料数量等基础数据，因此，从物料计算开始。 已知物料定额的基础数据如表，绝对谷物的比热容为1.55Kj/kg*K, 12°麦汁在20℃时的相对密度为1.084，100℃时热麦汁的体积是20℃时的1.04倍；煮沸温度下（常压100℃）水的气化潜热为I＝2257.2 Kj/kg，加热过程热损失取15％，0.3MPa的饱和水蒸气I＝2725.2 Kj/kg，相应冷凝水的焓为561.47 Kj/kg，蒸汽热效率为0.95， I物料衡算 啤酒厂糖化车间的物料衡算主要项目为原料（麦芽、大米）和酒花用量，热麦汁和冷麦汁量，废渣量（糖化糟和酒花糟）等。 1.糖化车间工艺流程示意图 2.工艺技术指标及基础数据 我国啤酒生产现况决定了相应的指标，有关生产原料的配比、工艺指标及生产过程的损失等数据如上表所示。 根据基础数据，首先进行100kg原料生产12°淡色啤酒的物料计算，然后进行100L12°淡色啤酒的物料衡算，最后进行30000t/a啤酒厂糖化车间的物料平衡计算。 3. 100kg原料（75％麦芽，25％大米）生产12°淡色啤酒的物料计算 （1）热麦汁量 麦芽收率为：0.75（100－6）÷100＝70.5％ 大米受率为：0.92（100－13）÷100＝80.04％ 混合原料受得率为： （0.75×70.5％+0.25×80.04％）98.5％＝71.79％ 由此可得100kg混合原料可制得的12°热麦汁量为： （71.79÷12）×100＝598.3kg 12°麦汁在20℃时的相对密度为1.084，而100℃热麦汁的体积是20℃时的1.04倍，故热麦汁（100℃）的体积为： （598.3÷1.084）×1.04＝574 （L） （2）冷麦汁量为 574×（1－0.075）＝531 （L） （3）发酵液量为： 531×（1－0.016）＝522.5 （L） （4）过滤酒量为：
第五章 能量衡算
第五章能量衡算 第一节概述 第二节热量衡算 第三节过程的热效应 第四节热量衡算举例 第五节加热剂、冷却剂及其其他能量消耗的计算 5.1 概述 5.1.1能量衡算的目的和意义 计算过程能耗指标进行方案比较，选定先进生产工艺。 能量衡算数据是设备选型和计算的依据； 是组织、管理、生产、经济核算和最优化的基础 5.1.2能量衡算的的依据及必要条件 依据为能量守恒定律 条件：物料衡算的数据，相关热力学物性数据。 5.1.3能量守恒的基本方程 输出能量+消耗能量+积累能量＝输入能量+生成能量 5.1.4能量衡算的分类 单元设备的能量衡算和系统的能量衡算 5.2 热量衡算 5.2.1热量平衡方程式 Q1—物料带入设备的热量，kJ； Q2—加热剂或冷却剂传给设备及所处理物料的热量，kJ； Q3—过程的热效应，kJ；（注意符号规定） Q4—物料带出设备的热量，kJ； Q5—加热或冷却设备所消耗的热量或冷量，kJ； Q6—设备向环境散失的热量，kJ。 注意各Q的符号规定 Q2为设备的热负荷。若Q2为正值，需要向设备及所处理的物料提供热量；反之，表明需要从设备及所处理的物料移走热量。 对间歇操作，按不同的时间段分别计算Q2的值，并取其最大值作为设备热负荷的设计依据。
5.2.2 各项热量的计算 1、计算基准 一般情况下，可以0℃和1.013?105 Pa为计算基准 有反应的过程，也常以25℃和1.013?105Pa为计算基准。 2、Q1或Q4的计算 无相变时 物料的恒压热容与温度的函数关系常用多项式来表示： 若知物料在所涉及温度范围内的平均恒压热容，则： 3、Q3的计算 过程的热效应由物理变化热Q P和化学变化热Q C两部分组成 物理变化热是指物料的浓度或状态发生改变时所产生的热效应。若过程为纯物理过程，无化学反应发生，如固体的溶解、硝化混酸的配制、液体混合物的精馏等，则 Q C＝0 。 化学变化热是指组分之间发生化学反应时所产生的热效应，可根据物质的反应量和化学反应热计算。 4、Q5的计算 稳态操作过程 Q5＝0 非稳态操作过程由下式求Q5 Q5=∑GC P（T2-T1) G—设备各部件的质量，kg； C p—设备各部件材料的平均恒压热容，kJ?kg-1?℃-1； T1—设备各部件的初始温度，℃； T2—设备各部件的最终温度，℃。 与其他各项热量相比，Q5的数值一般较小，因此，Q5常可忽略不计。 5、Q6的计算 对有保温层的设备或管道，αT可用下列公式估算。 （1）空气在保温层外作自然对流，且T W<150℃ 在平壁保温层外，αT＝9.8+0.07（TＷ－Ｔ） 在圆筒壁保温层外，αT＝9.４+0.0５２（TＷ－Ｔ） (2)空气沿粗糙壁面作强制对流 当空气流速u不大于5m?s-1时，αT可按下式估算 αT＝6.2+4.2u 当空气速度大于5m?s-1时，αT可按下式估算 αT＝7.8u0.78
热量衡算
第二章 能量衡算 2.1 能量衡算概述 物料衡算完成后，对于没有传热要求的设备，可以由物料处理量，物料的性质及工艺要求进行设备的工艺设计，以确定设备的型式，台数，容积以及重要尺寸。对于有传热要求的设备则必须通过能量衡算，才能确定设备的主要工艺尺寸。无论进行物理过程的设备或是化学过程的设备，多数伴有能量传递过程，所以必须进行能量衡算。 2.2 能量衡算目的 对于新设计的生产车间，能量衡算的主要目的是为了确定设备的热负荷。根据设备热负荷的大小，所处理物料的性质及工艺要求在选择传热面的型式，计算传热面积，确定设备的主要尺寸。传热所需要的加热剂或冷却剂的用量也是以热负荷的大小为依据而进行计算的。对于有些伴有热效应的过程，其物料衡算也要通过与能量衡算的联合求解才能得出最后的结果。 2.3 能量衡算依据 能量衡算的主要依据是能量守恒定律。能量守恒定律是以车间物料衡算的结果为基础而进行的。 2.4 能量衡算过程 2.4.1 反应釜的热量衡算 反应工段的热量衡算主要体现在反应釜和夹套。 对于有传热要求的的设备，其热量衡算为： 654321Q Q Q Q Q Q ++=++； 式中 1Q —物料带入到设备的热量kJ ； 2Q —加热剂传给设备的热量kJ ； 3Q —物理变化及化学反应的热效应kJ ； 4Q —物料离开设备所带走的热量kJ ； 5Q —消耗于提高设备本身温度的热量kJ ； 6Q —设备向环境散失的热量kJ 。
物料热量衡算以天为单位。 1Q 与4Q 的计算 1Q 与4Q 均可按照下式计算：()tkJ mc Q Q p ∑= 41 式中m —输入或输出设备的物料量，kg p c —物料的平均比热容，()C kg kJ ??/ t —物料的温度，℃。 该式的计算标准是标准状态，即Pa C 3101013.10??及为计算标准。 固体和液体的比热容可以采用下式计算： M n c c p ∑?=α 184 .4； []1 式中：αc —元素的原子比热容，()C kg kJ ??/ ； n —分子中同一原子的原子数； M —化合物的分子量，kmol kg /。 相关元素的原子比热容值： []1 碳C )/(8.21C kg kJ c ??=α； 氢H C kg kJ c ??=/3.42α； 氧O C kg kJ c ??=/0.63α 计算比热容得到： 丙烯酸正丁酯 C kg kJ c p ??=?+?+??=/720.2128 0.623.4128.27184.41 甲基丙烯酸甲酯 C kg kJ c p ??=?+?+??=/527.2100 0.623.488.25184.42 醋酸乙烯酯 C kg kJ c p ??=?+?+??=/384.286 0.623.468.24184.43 丙烯酸 C kg kJ c p ??=?+?+?? =/185.272 .623.448.23184.44 同理计算出水的比热容 C kg kJ c p ??=/394.35。 有前面物料平衡计算可知
物料衡算和热量衡算
物料衡算和热量衡算 以下计算部分将对石灰石-石膏法的脱硫工艺进行物料衡算、热量衡算、反应器的设计和换热器的设计等具体的步骤 物料衡算简化运算条件：物料衡算主要针对脱硫装置系统（即喷淋塔）和制浆系统（石灰石浆液）来进行的，两个系统之间来联系的纽带是在脱硫塔内进行的脱硫反应，即钙硫比（Ca/S）（选择为1.02,下面将详细论述）。以下条件在计算方法中被简化 （1）不包括吸收塔的损失 （2）假设烟气带入的粉尘为零 （3）假设工艺水和石灰石不含杂质 （4）假设原烟气和净烟气没有夹带物代入和带出系统 （5）假设没有除雾器冲洗水 （6）假设没有泵的密封水 （7）假设工艺系统是封闭的，没有环境物质的进入和流出 3.1吸收系统物料衡算和相关配置 喷淋塔内主要进行脱硫反应，由锅炉引风压机引来的烟气，经过增压风机升压后，从吸收塔中下部进入吸收塔，脱硫除雾后的净烟气从吸收塔顶部侧向离开吸收塔，塔的下部为浆液池。 前面已经详细地介绍了脱硫反应的机理，由此可知反应的物料比例为 CaCO3s Ca s 1.02S s 1.02SO2 1.02 : 1.02 : 1 : 1 设原来烟气二氧化硫SO2质量浓度为 a （mg/m3）,根据理想气体状态方程 PV二nRT 可得：7700mg/m3273K amg/m3(273 145)K 求得： 4 4 a=1.18X 104mg/m4 而原来烟气的流量（145C时）为20X 104（m3/h）换算成标准状态时（设为V a） 200000m3/h (145 273)K V a273K 求得 V a=1.31 X 105 m3/h=36.30 m3/s 故在标准状态下、单位时间内每立方米烟气中含有二氧化硫质量为
干燥过程的物料衡算和热量衡算
第三节 干燥过程的物料衡算和热量衡算 对干燥流程的设计中，物料衡算解决的问题： （1）物料气化的水分量W （或称为空气带走的水分量）； （2）空气的消耗量（包括绝干气消耗量L 和新鲜空气消耗量L 0）。 而热量衡算的目的，是计算干燥流程的热能耗用量及各项热量分配（即预热器换热量 p Q ，干燥器供热量D Q 及干燥器热损失L Q ）。 一、湿物料中含水率表示法 湿物料＝水分＋绝干物料 （一）湿基含水量w %100?= 总质量 水 m m w （８－１２） 工业上常用这种方法表示湿物料的含水量。 （二）干基含水量X X ＝湿物料中水分质量／湿物料中绝干料质量 （８－１３） 式中 X ――湿物料的干基含水量，kg 水分.(kg 绝干料)-1。 两者关系： X X w += 1 （８－１４） 或 w w X -= 1 （８－１５）
二、干燥器的物料衡算 图８－７ 各流股进、出逆流干燥器的示意图 图８－７中，G ――绝干物料流量，kg 绝干料.s -1； L ――绝干空气消耗量，kg 绝干气.s -1； H 1 ,H 2――分别为湿空气进、出干燥器时的湿度，kg.（kg 绝干气）-1； G 1 ,G 2――分别为湿物料进、出干燥器时的流量，kg 湿物料.s -1； X 1 ,X 2――分别为湿物料进、出干燥器时的干基含水量，kg 水分.（kg 绝干料）-1。 （一）水分蒸发量W )()(122121H H L G G X X G W -=-=-= （８－１６） 其中 )1()1(2211w G w G G -=-= （８－１７） （二）空气消耗量L 对干燥器作水分物料衡算：2211GX LH GX LH +=+ 则： ()121221H H W H H X X G L -= --= （８－１８） 若设： 121 H H W L l -= = （８－１９） 式中 l ――每蒸发１kg 水分消耗的绝干空气量，称为单位空气消耗量，kg 绝干 气.(kg 水分)-1； L ――单位时间内消耗的绝干空气量，kg 绝干气.s -1。