化工设计之物料衡算和热量衡算

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1、第三章物料衡算和能量衡算物料衡算指根据各种物料之间的定量转化关系对进出整个生产装置、生产工序或单台设备的各股物料的数量及组成进行平衡计算。它是在工艺流程确定后最先进行的工艺计算。能量衡算是根据能量守恒定律，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。利用物理与化学的基本定律，对化工过程单元系统的物料与能量平衡进行定量计算。化工工艺设计过程评价节能分析过程最优化基础1、找出主、副产品的生成量、废物的排出量。2、确定原材料消耗定额。3、确定各物流的流量、组成和状态。4、确定

2、每一个设备内物质转换与能量传递速度。物料衡算和能量衡算解决确定操作方式，设备选型以及设备尺寸，管路设施与公用工程。提供依据一、物料衡算的目的(1)确定原材料消耗定额，判断是否达到设计要求。(2)确定各设备的输入及输出的物流量，摩尔分率组成及其他组成的表示方法，并列表，在此基础上进行设备的选型及设计，并确定三废排放位置、数量及组成，有利于进一步提出三废治理的方法。(3)作为热量计算的依据。(4)根据计算结果绘出物流图，可进行管路设计及材质选择，仪表及自控设计等。第一节物料衡算二、物料衡算的类型1.对已有的生产

3、设备或装置的物料衡算（一般的作业）2.对新的设备或装置的物料衡算（设计）利用实际测定的数据，算出另一些不能直接测定的物料量。用此结果，对生产情况进行分析、作出判断、提出改进措施。设计任务物料衡算各设备的物料量能量衡算设备或过程热负荷确定设备尺寸及整个工艺流程。三、物料衡算的依据(1)设计任务书中确定的技术方案、产品生产能力、年工作时及操作方法。(2)建设单位或研究单位所提供的要求、设计参数及实验室试验或中试等数据，主要有：a)化工单元过程的主要化学反应方程式、反应物配比、转化率、选择性、总收率、催化剂状态及

4、加入配比量、催化剂是否回收使用、安全性能(爆炸上下限)等。b)原料及产品的分离方式，各步的回收率，采用物料分离剂时，加入分离剂的配比。c)特殊化学品的物性，如沸点、熔点、饱和蒸汽压、闪点等。(3)工艺流程示意图四、物料衡算的基本方法（一）.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其操作方式：间歇操作、连续操作、半连续操作。（二）、物料平衡方程理论依据：质量守恒定律（Fi）进入过程单元的物料量－流出过程单元的物料量＋在过程单元内生成的物料量－在过程单元内消耗的物料量＝过程单元内累积的

5、物料量（Fo）（Dp）（Dr）（W）即：上式：即可对总物料，也可以对其中任一组分或元素列出。在下列情况下上式可简化为：①稳定操作过程（Fi－Fo）＋（Dp－Dr）＝W②系统内无化学反应的间歇操作：Fi－Fo＝W③系统内无化学反应的稳态操作过程：Fi－Fo＝0对于没有化学反应的过程，一般上列写各组分的衡算方程，只有涉及化学反应量，才列写出各元素的衡算方程。稳态过程（连续），体系内无物料积累。Fi—第i股物流物质的量流量；xij—第j组分在第i股物流中的摩尔分数；vjm—第j组分在第m个化学反应中的化学计量系数

6、;rm—第m个化学反应的反应速率；Nr—过程中所包含的化学反应个数。（三）、物料衡算基准物料衡算过程，必须选择计算基准，并在整个运算中保持一致。若基准选的好，可使计算变得简单。①时间基准（单位时间可取1d、1h或1s等等）。②批量基准③质量基准例如:可取某一基准物流的质量为100Kg为基准计算。④物质的量基准⑤标准体积基准（四）、物料衡算的基本程序1.收集计算需要的数据。(1)原料、辅料、中间产物及产品的规格。(2)过程中单位时间内的物流量。(3)有关消耗定额。(4)有关转化率、选择性、单程收率。(5)有关

7、物理化学常数。消耗定额是反映生产技术水平的一项重要经济指标，是进行物料衡算的基础数据之一。消耗定额是招生产每吨合格产品需要的原料、辅料及试剂等的消耗量。2.画物料流程简图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。表示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。料浆滤饼90%固体F1=2000kg/h过滤机F3=？kg/h10%液体75%液体25%固体滤液F2=？kg/h1%固体99%液体过滤过程对某反应系统，可画出

8、物料衡算方框图如下：3.确定衡算体系（衡算范围）。物料衡算是研究某一个体系进、出物料量及组成的变化。进行物料衡算时，必须首先确定衡算的体系。体系：物料衡算的范围。它可以根据实际需要人为地选定。体系一个设备或几个设备，一个单元操作一套装置或一个系统整个化工过程。单元单元单元衡算计算范围示意图：边界线（BoundaryLine）围起来的区域构成衡算范围。1、流程中某一个单元设备；2、流程中某几个单元设备组合的子流程；