第3章物料衡算和能量衡算

化工設(shè)計(jì)第三章物料衡算與能量衡算Chart3materielbalanceandenergybalance3.1物料衡算物料衡算—運(yùn)用質(zhì)量守恒定律，對(duì)化工過程或設(shè)備進(jìn)行定量計(jì)算。通過物料衡算解決以下問題：計(jì)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；在物料衡算基礎(chǔ)做能量衡算，計(jì)算蒸汽、水、電、煤或其他燃料的消耗定額。計(jì)算產(chǎn)品的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。為生產(chǎn)設(shè)備和輔助設(shè)備的選型及設(shè)計(jì)、管路設(shè)施與公用工程的設(shè)計(jì)等方面提供依據(jù)。一、物料衡算依據(jù)

1.理論依據(jù)——質(zhì)量守恒定律物料衡算范圍單元操作的物料衡算——化工設(shè)備設(shè)計(jì)的前提化工過程的物料衡算——化工過程設(shè)計(jì)的前提物料衡算的一般表達(dá)式為：

輸入量－輸出量＋生成量－消耗量＝積累量

對(duì)穩(wěn)定操作過程，積累量=0輸入量-輸出量+生成量-消耗量=0對(duì)無(wú)化學(xué)反應(yīng)的過程：輸入量－輸出量＝積累量

對(duì)無(wú)化學(xué)反應(yīng)的穩(wěn)定操作過程：輸入量＝輸出量

對(duì)有化學(xué)反應(yīng)的過程：總物料衡算+元素衡算式2.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(shí)。(2)建設(shè)單位或研究單位的要求、設(shè)計(jì)參數(shù)、小試及中試數(shù)據(jù)：化工單元過程的化學(xué)反應(yīng)式、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；原料及產(chǎn)品的分離方式，分離劑的用量，各步的回收率；特殊化學(xué)品的物性：沸點(diǎn)、熔點(diǎn)、飽和蒸汽壓、閃點(diǎn)等。(3)工藝流程示意圖。二、物料衡算基準(zhǔn)

物料衡算時(shí)須選擇計(jì)算基準(zhǔn)，并在計(jì)算過程中保持一致。一般計(jì)算過程的基準(zhǔn)有以下幾種：(1)時(shí)間基準(zhǔn)——對(duì)連續(xù)生產(chǎn)過程，常以單位時(shí)間(如d、h、s）的投料量或產(chǎn)品量為計(jì)算基準(zhǔn)。(2)批量基準(zhǔn)——以每批操作或一釜料的生產(chǎn)周期為基準(zhǔn)。(3)質(zhì)量基準(zhǔn)——當(dāng)系統(tǒng)介質(zhì)為液、固相時(shí)，選擇一定質(zhì)量的原料或產(chǎn)品作為計(jì)算基準(zhǔn)較適合。(4)物質(zhì)的量基準(zhǔn)：對(duì)于有化學(xué)反應(yīng)的過程因化學(xué)反應(yīng)的按摩爾進(jìn)行的，用物質(zhì)的量基準(zhǔn)更方便。(5)標(biāo)準(zhǔn)體積基準(zhǔn)：對(duì)氣體物料進(jìn)行衡算，可采用標(biāo)準(zhǔn)體積基準(zhǔn)，Nm3(STP)，既排除T、p的影響，又可直接換算為摩爾。(6)干濕基準(zhǔn)：由于物料中均含有一定量的水分，選用基準(zhǔn)時(shí)就有算不算水分的問題。濕基計(jì)算水分，干基不計(jì)算水分。實(shí)際計(jì)算時(shí)，必須根據(jù)具體情況選擇合適的基準(zhǔn)，過程的物料衡算及能量衡算應(yīng)在同一基準(zhǔn)上進(jìn)行。三、物料衡算的基本程序

(1)確定衡算對(duì)象和范圍，畫出計(jì)算對(duì)象的草圖。注意物料種類和走向，明確輸入和輸出。(2)確定計(jì)算任務(wù)，明確已知項(xiàng)、待求項(xiàng)，選擇數(shù)學(xué)公式，力求使計(jì)算方法簡(jiǎn)化。(3)確定過程所涉及的組分，并對(duì)所有組分依次編號(hào)。(4)對(duì)物流的流股進(jìn)行編號(hào)，并標(biāo)注物流變量。(5)收集數(shù)據(jù)資料（設(shè)計(jì)任務(wù)所規(guī)定已知條件，與過程有關(guān)物理化學(xué)參數(shù)）：

生產(chǎn)規(guī)模（設(shè)計(jì)任務(wù)所規(guī)定，t/年）和生產(chǎn)時(shí)間（指全年有效生產(chǎn)天數(shù)300~330天/年，計(jì)約8000h）。有關(guān)定額的技術(shù)指標(biāo)，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。原輔材料、產(chǎn)品、中間產(chǎn)品的規(guī)格；與過程有關(guān)有物理化學(xué)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。(6)列出過程全部獨(dú)立物料平衡方程式及其相關(guān)約束式，對(duì)有化學(xué)反應(yīng)的還要寫出化學(xué)反應(yīng)方程式，指出其轉(zhuǎn)化率和選擇性。約束式分?jǐn)?shù)約束式設(shè)備約束式①進(jìn)料配比為一常數(shù)；②分流器出口物流具有相同的組成；③相平衡常數(shù)；④化學(xué)反應(yīng)平衡常數(shù)；⑤化學(xué)反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率、選擇性或其他限度。(7)選擇計(jì)算基準(zhǔn)；(8)統(tǒng)計(jì)變量個(gè)數(shù)與方程個(gè)數(shù)，確定設(shè)計(jì)變量個(gè)數(shù)及全部設(shè)計(jì)變量。(9)整理并校核計(jì)算結(jié)果，并根據(jù)需要換算基準(zhǔn)，最后列成表格即物流表。(10)繪制物料流程圖，編寫物流表作為設(shè)計(jì)文件成果編入正式設(shè)計(jì)文件。三、物料衡算舉例

3.2能量衡算

化工生產(chǎn)中，需要通過能量衡算解決的問題：⑴確定物料輸送機(jī)械和其他操作機(jī)械所需功率。⑵確定各單元過程所需熱量或冷量及其傳遞速率。⑶化學(xué)反應(yīng)所需的放熱速率和供熱速率。⑷做好余熱綜合利用。能量衡算的基本方程式

在物料衡算基礎(chǔ)上進(jìn)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(xué)第一定律，能量衡算方程可寫為：Q+W=E=Ek+Ep+UW=Wt+Ws，Wt為流動(dòng)功，Ws為軸功；

1.封閉體系的能量衡算方程

封閉體系特點(diǎn)：與環(huán)境只有能量交換，而無(wú)物質(zhì)交換，如間歇操作過程，體系物質(zhì)的動(dòng)能、位能、壓力能無(wú)變化，則：U=Q+W若體系與環(huán)境沒有功的交換，即W=0，則：Q=U

2.流動(dòng)體系的能量衡算方程——物料連續(xù)通過邊界進(jìn)出能量輸入速率-能量輸出速率=能量積累速率連續(xù)穩(wěn)定流動(dòng)過程的總能量衡算方程為：3.熱量衡算式及說明

⑴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，W、Ek、Ez與Q、U和H的相比，可以忽略?？偰芰亢馑闶綖椋?/p>

封閉體系Q=?U

敞開體系Q=?H

對(duì)這些設(shè)備做能量衡算的實(shí)質(zhì)就是進(jìn)行熱量衡算。連續(xù)穩(wěn)定流動(dòng)體系的熱量衡算：

Q=H1–H2或

Q=U1–U2實(shí)際計(jì)算時(shí)，還常使用下式：Qin=QoutQ1+Q2+Q3=Q4+Q5+Q6Q1——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(fù)；Q3——過程的熱效應(yīng)，吸正放負(fù)；Q4——物料帶出熱量；Q5——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；⑵熱量衡算的步驟

①建立單位時(shí)間為基準(zhǔn)的物料流程圖或物料平衡表。②選定計(jì)算基準(zhǔn)溫度和計(jì)算相態(tài)：可選0℃(273K)、25℃(298K)或其他溫度作為基準(zhǔn)溫度。③在物料流程圖上標(biāo)明已知溫度、壓力、相態(tài)等條件，查出或計(jì)算每個(gè)物料的焓值，標(biāo)注在圖上。④列出熱量衡算式，用數(shù)學(xué)方法求解。⑤當(dāng)生產(chǎn)過程及物料組成