化工设计之物料衡算与能量衡算培训讲义

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1、化工设计第四章物料衡算与能量衡算Chart4materielbalanceandenergybalance4.1物料衡算4.2能量衡算4.3化工模拟软件在化工设计中的应用4.1物料衡算物料衡算—运用质量守恒定律，对化工过程或设备进行定量计算。通过物料衡算解决以下问题：计算原料消耗量、副产品量；输出过程物料的损耗量及三废的生成量；在物料衡算基础上做能量衡算，计算蒸汽、水、电、煤或其他燃料的消耗定额。计算产品的技术经济指标。为生产设备和辅助设备的选型及设计、管路设施与公用工程的设计等方面提供依据。衡算计算范围示意图

2、：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1、2及出料3。123一、物料衡算依据1.理论依据——质量守恒定律物料衡算范围单元操作的物料衡算——化工设备设计的前提化工过程的物料衡算——化工过程设计的前提物料衡算的一般表达式为：输入量－输出量＋生成量－消耗量＝积累量对稳定操作过程，积累量=0输入量-输出量+生成量-消耗量=0对无化学反应的过程：输入量－输出量＝积累量对无化学反应的稳定操作过程：输入量＝输出量对有化学反应的过程：总物料衡算+元素衡算式2.数据基础(1)技术方案、操作方法、生产能力、年

3、工作时。(2)建设单位或研究单位的要求、设计参数、小试及中试数据：化工单元过程的化学反应式、原料配比、转化率、选择率、总收率，催化剂状态、用量、回收方法、安全性能等；原料及产品的分离方式，分离剂的用量，各步的回收率；特殊化学品的物性：沸点、熔点、饱和蒸汽压、闪点等。(3)工艺流程示意图。二、物料衡算基准物料衡算时须选择计算基准，并在计算过程中保持一致。一般计算过程的基准有以下几种：(1)时间基准——对连续生产过程，常以单位时间(如d、h、s）的投料量或产品量为计算基准。(2)批量基准——以每批操作或一釜料的生产

4、周期为基准。㎏/批(3)质量基准——当系统介质为液、固相时，选择一定质量的原料或产品作为计算基准较适合。(4)物质的量基准：对于有化学反应的过程因化学反应的按摩尔进行的，用物质的量基准更方便。(5)标准体积基准：对气体物料进行衡算，可采用标准体积基准，Nm3(STP)，既排除T、p的影响，又可直接换算为摩尔。(6)干湿基准：由于物料中均含有一定量的水分，选用基准时就有算不算水分的问题。湿基计算水分，干基不计算水分。实际计算时，必须根据具体情况选择合适的基准，过程的物料衡算及能量衡算应在同一基准上进行。可建议：以

5、1t产品为基准以1mol某反应物为基准在连续操作中，以单位时间，即㎏/h或kmol/h作基准；在间歇操作中，以㎏/批为基准有化学变化的过程，适宜采用质量作基准；无化学变化的过程，以质量或kmol/h为基准对于液固系统常用单位质量作基准，而液相常用单位体积作基准三、物料衡算的基本程序(1)确定衡算对象和范围，画出计算对象的草图。注意物料种类和走向，明确输入和输出。(2)确定计算任务，明确已知项、待求项，选择数学公式，力求使计算方法简化。(3)确定过程所涉及的组分，并对所有组分依次编号。(4)对物流的流股进行编号，

6、并标注物流变量。(5)收集数据资料（设计任务所规定已知条件，与过程有关物理化学参数）：生产规模（设计任务所规定，t/年）和生产时间（指全年有效生产天数300~330天/年，计约8000h）。有关定额的技术指标，通常指产品单耗、配料比、循环比、固液比、气液比、回流比、利用率、单程收率、回收率等等。原辅材料、产品、中间产品的规格；与过程有关有物理化学参数，如临界参数、密度或比体积、状态方程参数、蒸汽压、气液平衡常数或平衡关系等。(6)列出过程全部独立物料平衡方程式及其相关约束式，对有化学反应的还要写出化学反应方程式

7、，指出其转化率和选择性。约束式分数约束式设备约束式①进料配比为一常数；②分流器出口物流具有相同的组成；③相平衡常数；④化学反应平衡常数；⑤化学反应的转化率、选择性或其他限度。(7)选择计算基准；(8)统计变量个数与方程个数，确定设计变量个数及全部设计变量。(9)整理并校核计算结果，并根据需要换算基准，最后列成表格即物流表。(10)绘制物料流程图，编写物流表作为设计文件成果编入正式设计文件。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。例:某尿素厂的生产能力为6万t尿素/a,年操

8、作日300d，尿素的氨耗为0.6t氨/t尿素，生产过程的氨损失按5%考虑，已知以1t氨为基准的某股气体的组成和量如下表所示。组成CO2COH2N2CH4合计％(mol)28.561.252.6117.050.575100kmol54.302.29100.0432.431.093190.99列出该股气体的组成和流量表。解:小时氨耗为60000×0.6×1.05300×24=5.25t/h