第3章物料衡算和能量衡算

1、化工設(shè)計電子課件化工設(shè)計化工設(shè)計第三章第三章 物料衡算與能量衡算物料衡算與能量衡算 Chart3 materiel balance and energy balance化工設(shè)計電子課件3.1 物料衡算物料衡算物料衡算物料衡算運用質(zhì)量守恒定律，對化工過程或設(shè)備進行定量計算。運用質(zhì)量守恒定律，對化工過程或設(shè)備進行定量計算。通過物料衡算解決以下問題：通過物料衡算解決以下問題： 計算原料消耗量、副產(chǎn)品量；計算原料消耗量、副產(chǎn)品量； 輸出過程物料的損耗量及三廢的生成量；輸出過程物料的損耗量及三廢的生成量； 在物料衡算基礎(chǔ)做能量衡算，計算蒸汽、水、電、煤或其他燃料的在物料衡算基礎(chǔ)做能量衡算，計算蒸汽、水、

2、電、煤或其他燃料的消耗定額。消耗定額。 計算產(chǎn)品的技術(shù)經(jīng)濟指標。計算產(chǎn)品的技術(shù)經(jīng)濟指標。 為生產(chǎn)設(shè)備和輔助設(shè)備的選型及設(shè)計、管路設(shè)施與公用工程的設(shè)為生產(chǎn)設(shè)備和輔助設(shè)備的選型及設(shè)計、管路設(shè)施與公用工程的設(shè)計等方面提供依據(jù)。計等方面提供依據(jù)。化工設(shè)計電子課件一、物料衡算依據(jù)一、物料衡算依據(jù)1. 理論依據(jù)理論依據(jù)質(zhì)量守恒定律質(zhì)量守恒定律物料衡物料衡算范圍算范圍單元操作的物料衡算單元操作的物料衡算化工設(shè)備設(shè)計的前提化工設(shè)備設(shè)計的前提化工過程的物料衡算化工過程的物料衡算化工過程設(shè)計的前提化工過程設(shè)計的前提物料衡算的一般表達式為：物料衡算的一般表達式為：輸入量輸出量生成量消耗量積累量輸入量輸出量生成量消耗

3、量積累量對穩(wěn)定操作過程，積累量對穩(wěn)定操作過程，積累量=0輸入量輸入量-輸出量輸出量+生成量生成量-消耗量消耗量=0 對無化學反應(yīng)的過程：對無化學反應(yīng)的過程： 輸入量輸出量積累量輸入量輸出量積累量對無化學反應(yīng)的穩(wěn)定操作過程：對無化學反應(yīng)的穩(wěn)定操作過程：輸入量輸出量輸入量輸出量 化工設(shè)計電子課件對有化學反應(yīng)的過程對有化學反應(yīng)的過程：總物料衡算：總物料衡算+元素衡算式元素衡算式2. 數(shù)據(jù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)(1) 技術(shù)方案、操作方法、生產(chǎn)能力、年工作時。技術(shù)方案、操作方法、生產(chǎn)能力、年工作時。 (2) 建設(shè)單位或研究單建設(shè)單位或研究單位的要求位的要求、設(shè)計參數(shù)、小試及中試數(shù)據(jù)：、設(shè)計參數(shù)、小試及中試數(shù)據(jù)：化

4、工單元過程的化工單元過程的化學反應(yīng)式化學反應(yīng)式、原料配比、轉(zhuǎn)化率、選擇率、總收、原料配比、轉(zhuǎn)化率、選擇率、總收率，催化劑狀態(tài)、用量、回收方法、安全性能等；率，催化劑狀態(tài)、用量、回收方法、安全性能等； 原料及產(chǎn)品的分離方式原料及產(chǎn)品的分離方式，分離劑的用量，各步的回收率；，分離劑的用量，各步的回收率；特殊化學品的物性特殊化學品的物性：沸點、熔點、飽和蒸汽壓、閃點等。：沸點、熔點、飽和蒸汽壓、閃點等。(3) 工藝流程示意圖。工藝流程示意圖。 二、物料衡算基準二、物料衡算基準p 物料衡算時須物料衡算時須選擇計算基準選擇計算基準，并在計算過程中，并在計算過程中保持一致保持一致。p 一般計算過程的基準有

5、以下幾種：一般計算過程的基準有以下幾種：化工設(shè)計電子課件(1) 時間基準時間基準對連續(xù)生產(chǎn)過程，常以單位時間對連續(xù)生產(chǎn)過程，常以單位時間(如如d、h、s）的投料）的投料量或產(chǎn)品量為計算基準。量或產(chǎn)品量為計算基準。 (2) 批量基準批量基準以每批操作或一釜料的生產(chǎn)周期為基準。以每批操作或一釜料的生產(chǎn)周期為基準。 (3) 質(zhì)量基準質(zhì)量基準當系統(tǒng)介質(zhì)為液、固相時，選擇一定質(zhì)量的原料或當系統(tǒng)介質(zhì)為液、固相時，選擇一定質(zhì)量的原料或產(chǎn)品作為計算基準較適合。產(chǎn)品作為計算基準較適合。 (4) 物質(zhì)的量基準：物質(zhì)的量基準：對于有化學反應(yīng)的過程因化學反應(yīng)的按摩爾進行對于有化學反應(yīng)的過程因化學反應(yīng)的按摩爾進行的，用

6、物質(zhì)的量基準更方便。的，用物質(zhì)的量基準更方便。(5) 標準體積基準：標準體積基準：對氣體物料進行衡算，可采用標準體積基準，對氣體物料進行衡算，可采用標準體積基準，Nm3(STP)，既排除，既排除T、p的影響，又可直接換算為摩爾。的影響，又可直接換算為摩爾。 (6) 干濕基準：干濕基準：由于物料中均含有一定量的水分，選用基準時就有算由于物料中均含有一定量的水分，選用基準時就有算不算水分的問題。濕基計算水分，干基不計算水分。不算水分的問題。濕基計算水分，干基不計算水分。 實際計算時，必須根據(jù)具體情況選擇合適的基準，過程的物料衡實際計算時，必須根據(jù)具體情況選擇合適的基準，過程的物料衡算及能量衡算應(yīng)在

7、同一基準上進行。算及能量衡算應(yīng)在同一基準上進行。 化工設(shè)計電子課件三、物料衡算的基本程序三、物料衡算的基本程序(1) 確定確定衡算對象和范圍衡算對象和范圍，畫出計算對象的草圖。注意物料種類和走，畫出計算對象的草圖。注意物料種類和走向，明確輸入和輸出。向，明確輸入和輸出。 (2) 確定確定計算任務(wù)計算任務(wù)，明確已知項、待求項，選擇數(shù)學公式，力求使計，明確已知項、待求項，選擇數(shù)學公式，力求使計算方法簡化。算方法簡化。(3) 確定過程所確定過程所涉及的組分涉及的組分，并對所有組分依次編號。，并對所有組分依次編號。(4) 對物流的對物流的流股進行編號流股進行編號，并標注物流變量。，并標注物流變量。(5

8、) 收集數(shù)據(jù)資料收集數(shù)據(jù)資料（設(shè)計任務(wù)所規(guī)定已知條件，與過程有關(guān)物理化學（設(shè)計任務(wù)所規(guī)定已知條件，與過程有關(guān)物理化學參數(shù)）：參數(shù)）： 生產(chǎn)規(guī)模生產(chǎn)規(guī)模（設(shè)計任務(wù)所規(guī)定，（設(shè)計任務(wù)所規(guī)定，t/年）和年）和生產(chǎn)時間生產(chǎn)時間（指全年有效生（指全年有效生產(chǎn)天數(shù)產(chǎn)天數(shù)300330天天/年，計約年，計約8000h）。）。 有關(guān)定額的技術(shù)指標有關(guān)定額的技術(shù)指標，通常指產(chǎn)品單耗、配料比、循環(huán)比、固液，通常指產(chǎn)品單耗、配料比、循環(huán)比、固液比、氣液比、回流比、利用率、單程收率、回收率等等。比、氣液比、回流比、利用率、單程收率、回收率等等。 化工設(shè)計電子課件原輔材料、產(chǎn)品、中間產(chǎn)品的規(guī)格；原輔材料、產(chǎn)品、中間產(chǎn)品的

9、規(guī)格；與過程有關(guān)有物理化學參數(shù)，如臨界參數(shù)、密度或比體積、狀態(tài)方與過程有關(guān)有物理化學參數(shù)，如臨界參數(shù)、密度或比體積、狀態(tài)方程參數(shù)、蒸汽壓、氣液平衡常數(shù)或平衡關(guān)系等。程參數(shù)、蒸汽壓、氣液平衡常數(shù)或平衡關(guān)系等。 (6) 列出過程全部獨立物料平衡方程式及其相關(guān)約束式列出過程全部獨立物料平衡方程式及其相關(guān)約束式，對有化學反，對有化學反應(yīng)的還要寫出化學反應(yīng)方程式，指出其轉(zhuǎn)化率和選擇性。應(yīng)的還要寫出化學反應(yīng)方程式，指出其轉(zhuǎn)化率和選擇性。約束式約束式分數(shù)約束式分數(shù)約束式設(shè)備約束式設(shè)備約束式 進料配比為一常數(shù)；進料配比為一常數(shù)； 分流器出口物流具有相同的組成；分流器出口物流具有相同的組成； 相平衡常數(shù)；相平衡

10、常數(shù)； 化學反應(yīng)平衡常數(shù)；化學反應(yīng)平衡常數(shù)； 化學反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率、選擇性或其他限化學反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率、選擇性或其他限度。度。 化工設(shè)計電子課件(7) 選擇計算基準；選擇計算基準；(8) 統(tǒng)計變量個數(shù)與方程個數(shù)，確定設(shè)計變量個數(shù)及全部設(shè)計變量。統(tǒng)計變量個數(shù)與方程個數(shù)，確定設(shè)計變量個數(shù)及全部設(shè)計變量。(9) 整理并校核計算結(jié)果，并根據(jù)需要換算基準，最后列成表格即整理并校核計算結(jié)果，并根據(jù)需要換算基準，最后列成表格即物流表。物流表。(10) 繪制物料流程圖，編寫物流表作為設(shè)計文件成果編入正式設(shè)計繪制物料流程圖，編寫物流表作為設(shè)計文件成果編入正式設(shè)計文件。文件。 三、物料衡算舉例三、物料衡算舉例 化工設(shè)計電

11、子課件3.2 能量衡算能量衡算化工生產(chǎn)中，需要通過能量衡算解決的問題：化工生產(chǎn)中，需要通過能量衡算解決的問題： 確定物料輸送機械和其他操作機械所需確定物料輸送機械和其他操作機械所需功率功率。 確定各單元過程所需確定各單元過程所需熱量或冷量熱量或冷量及其及其傳遞速率傳遞速率。 化學反應(yīng)所需的化學反應(yīng)所需的放熱速率放熱速率和和供熱速率供熱速率。 做好做好余熱綜合利用余熱綜合利用。能量衡算的基本方程式能量衡算的基本方程式在物料衡算基礎(chǔ)上進行能量衡算，能量衡算的步驟與物料衡算相同。在物料衡算基礎(chǔ)上進行能量衡算，能量衡算的步驟與物料衡算相同。 根據(jù)熱力學第一定律，能量衡算方程可寫為：根據(jù)熱力學第一定律，

12、能量衡算方程可寫為：Q+W=E =Ek+Ep+ U W = Wt +Ws，Wt為流動功，為流動功，Ws為軸功為軸功；化工設(shè)計電子課件1. 封閉體系的能量衡算方程封閉體系的能量衡算方程封閉體系特點：封閉體系特點：與環(huán)境只有能量交換，而無物質(zhì)交換，如與環(huán)境只有能量交換，而無物質(zhì)交換，如間歇操作間歇操作過過程，體系物質(zhì)的程，體系物質(zhì)的動能、位能、壓力能無變化動能、位能、壓力能無變化，則：，則： U = Q + W若體系與環(huán)境沒有功的交換，即若體系與環(huán)境沒有功的交換，即W = 0，則：，則：Q = U2. 流動體系的能量衡算方程流動體系的能量衡算方程物料連續(xù)通過邊界進出物料連續(xù)通過邊界進出能量輸入速率

13、能量輸入速率-能量輸出速率能量輸出速率=能量積累速率能量積累速率連續(xù)穩(wěn)定流動過程的總能量衡算方程為：連續(xù)穩(wěn)定流動過程的總能量衡算方程為：WQpvuzgU)(212sWQuzgH221化工設(shè)計電子課件3. 熱量衡算式及說明熱量衡算式及說明 熱量衡算式熱量衡算式 在反應(yīng)器、蒸餾塔、蒸發(fā)器、換熱器等化工設(shè)備中，在反應(yīng)器、蒸餾塔、蒸發(fā)器、換熱器等化工設(shè)備中，W、 Ek、 Ez與與Q、 U和和 H的相比，可以忽略。的相比，可以忽略?？偰芰亢馑闶綖椋嚎偰芰亢馑闶綖椋?封閉體系封閉體系 Q = U 敞開體系敞開體系 Q = H 對這些設(shè)備做能量衡算的實質(zhì)就是進行熱量衡算。對這些設(shè)備做能量衡算的實質(zhì)就是進行熱

14、量衡算。 連續(xù)穩(wěn)定流動體系的熱量衡算：連續(xù)穩(wěn)定流動體系的熱量衡算： Q = H1 H2 或或 Q = U1 U2實際計算時，還常使用下式：實際計算時，還常使用下式： Qin = QoutQ1+ Q2+ Q3= Q4+ Q5+ Q6Q1物料帶入熱量；物料帶入熱量；Q2加熱介質(zhì)供給或輸出的熱量，輸入為正，輸出為負；加熱介質(zhì)供給或輸出的熱量，輸入為正，輸出為負；化工設(shè)計電子課件Q3過程的熱效應(yīng)，吸正放負；過程的熱效應(yīng)，吸正放負；Q4物料帶出熱量；物料帶出熱量；Q5消耗在加熱設(shè)備各部件上的熱量；消耗在加熱設(shè)備各部件上的熱量；Q6設(shè)備向四周的散熱損失；設(shè)備向四周的散熱損失； 熱量衡算的步驟熱量衡算的步驟

15、 建立單位時間為基準的建立單位時間為基準的物料流程圖或物料平衡表物料流程圖或物料平衡表。選定選定計算基準溫度和計算相態(tài)計算基準溫度和計算相態(tài)：可選：可選0(273K)、25(298K)或其或其他溫度作為基準溫度。他溫度作為基準溫度。在物料流程圖上標明已知溫度、壓力、相態(tài)等條件，查出或計算在物料流程圖上標明已知溫度、壓力、相態(tài)等條件，查出或計算每每個物料的焓值，標注在圖上個物料的焓值，標注在圖上。 列出列出熱量衡算式熱量衡算式，用數(shù)學方法求解。，用數(shù)學方法求解。 當生產(chǎn)過程及物料組成較復(fù)雜時，可列出當生產(chǎn)過程及物料組成較復(fù)雜時，可列出熱量衡算表熱量衡算表。 化工設(shè)計電子課件4. 機械能衡算式機械能衡