第3章物料衡算和能量衡算

1、化工设计电子课件化工设计化工设计第三章第三章 物料衡算与能量衡算物料衡算与能量衡算 Chart3 materiel balance and energy balance化工设计电子课件3.1 物料衡算物料衡算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。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：通过物料衡算解决以下问题： 计算原料消耗量、副产品量；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；输出过程物料的损耗量及三废的生成量； 在物料衡算基础做能量衡算，计算蒸汽、水、电、煤或其他燃料的在物料衡算基础做能量衡算，计算蒸汽、水、

2、电、煤或其他燃料的消耗定额。消耗定额。 计算产品的技术经济指标。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。计等方面提供依据。化工设计电子课件一、物料衡算依据一、物料衡算依据1. 理论依据理论依据质量守恒定律质量守恒定律物料衡物料衡算范围算范围单元操作的物料衡算单元操作的物料衡算化工设备设计的前提化工设备设计的前提化工过程的物料衡算化工过程的物料衡算化工过程设计的前提化工过程设计的前提物料衡算的一般表达式为：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输入量输出量生成量消耗

3、量积累量对稳定操作过程，积累量对稳定操作过程，积累量=0输入量输入量-输出量输出量+生成量生成量-消耗量消耗量=0 对无化学反应的过程：对无化学反应的过程： 输入量输出量积累量输入量输出量积累量对无化学反应的稳定操作过程：对无化学反应的稳定操作过程：输入量输出量输入量输出量 化工设计电子课件对有化学反应的过程对有化学反应的过程：总物料衡算：总物料衡算+元素衡算式元素衡算式2. 数据基础数据基础(1) 技术方案、操作方法、生产能力、年工作时。技术方案、操作方法、生产能力、年工作时。 (2) 建设单位或研究单建设单位或研究单位的要求位的要求、设计参数、小试及中试数据：、设计参数、小试及中试数据：化

4、工单元过程的化工单元过程的化学反应式化学反应式、原料配比、转化率、选择率、总收、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；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原料及产品的分离方式，分离剂的用量，各步的回收率；，分离剂的用量，各步的回收率；特殊化学品的物性特殊化学品的物性：沸点、熔点、饱和蒸汽压、闪点等。：沸点、熔点、饱和蒸汽压、闪点等。(3) 工艺流程示意图。工艺流程示意图。 二、物料衡算基准二、物料衡算基准p 物料衡算时须物料衡算时须选择计算基准选择计算基准，并在计算过程中，并在计算过程中保持一致保持一致。p 一般计算过程的基准有

5、以下几种：一般计算过程的基准有以下几种：化工设计电子课件(1) 时间基准时间基准对连续生产过程，常以单位时间对连续生产过程，常以单位时间(如如d、h、s）的投料）的投料量或产品量为计算基准。量或产品量为计算基准。 (2) 批量基准批量基准以每批操作或一釜料的生产周期为基准。以每批操作或一釜料的生产周期为基准。 (3) 质量基准质量基准当系统介质为液、固相时，选择一定质量的原料或当系统介质为液、固相时，选择一定质量的原料或产品作为计算基准较适合。产品作为计算基准较适合。 (4) 物质的量基准：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对于有化学反应的过程因化学反应的按摩尔进行的，用

6、物质的量基准更方便。的，用物质的量基准更方便。(5) 标准体积基准：标准体积基准：对气体物料进行衡算，可采用标准体积基准，对气体物料进行衡算，可采用标准体积基准，Nm3(STP)，既排除，既排除T、p的影响，又可直接换算为摩尔。的影响，又可直接换算为摩尔。 (6) 干湿基准：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。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

7、同一基准上进行。算及能量衡算应在同一基准上进行。 化工设计电子课件三、物料衡算的基本程序三、物料衡算的基本程序(1) 确定确定衡算对象和范围衡算对象和范围，画出计算对象的草图。注意物料种类和走，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。向，明确输入和输出。 (2) 确定确定计算任务计算任务，明确已知项、待求项，选择数学公式，力求使计，明确已知项、待求项，选择数学公式，力求使计算方法简化。算方法简化。(3) 确定过程所确定过程所涉及的组分涉及的组分，并对所有组分依次编号。，并对所有组分依次编号。(4) 对物流的对物流的流股进行编号流股进行编号，并标注物流变量。，并标注物流变量。(5

8、) 收集数据资料收集数据资料（设计任务所规定已知条件，与过程有关物理化学（设计任务所规定已知条件，与过程有关物理化学参数）：参数）： 生产规模生产规模（设计任务所规定，（设计任务所规定，t/年）和年）和生产时间生产时间（指全年有效生（指全年有效生产天数产天数300330天天/年，计约年，计约8000h）。）。 有关定额的技术指标有关定额的技术指标，通常指产品单耗、配料比、循环比、固液，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。比、气液比、回流比、利用率、单程收率、回收率等等。 化工设计电子课件原辅材料、产品、中间产品的规格；原辅材料、产品、中间产品的

9、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。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，对有化学反应的还要写出化学反应方程式，指出其转化率和选择性。应的还要写出化学反应方程式，指出其转化率和选择性。约束式约束式分数约束式分数约束式设备约束式设备约束式 进料配比为一常数；进料配比为一常数； 分流器出口物流具有相同的组成；分流器出口物流具有相同的组成； 相平衡常数；相平衡

10、常数； 化学反应平衡常数；化学反应平衡常数； 化学反应的转化率、选择性或其他限化学反应的转化率、选择性或其他限度。度。 化工设计电子课件(7) 选择计算基准；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。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。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。文件。 三、物料衡算举例三、物料衡算举例 化工设计电

11、子课件3.2 能量衡算能量衡算化工生产中，需要通过能量衡算解决的问题：化工生产中，需要通过能量衡算解决的问题： 确定物料输送机械和其他操作机械所需确定物料输送机械和其他操作机械所需功率功率。 确定各单元过程所需确定各单元过程所需热量或冷量热量或冷量及其及其传递速率传递速率。 化学反应所需的化学反应所需的放热速率放热速率和和供热速率供热速率。 做好做好余热综合利用余热综合利用。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础上进行能量衡算，能量衡算的步骤与物料衡算相同。在物料衡算基础上进行能量衡算，能量衡算的步骤与物料衡算相同。 根据热力学第一定律，能量衡算方程可写为：根据热力学第一定律，

12、能量衡算方程可写为：Q+W=E =Ek+Ep+ U W = Wt +Ws，Wt为流动功，为流动功，Ws为轴功为轴功；化工设计电子课件1. 封闭体系的能量衡算方程封闭体系的能量衡算方程封闭体系特点：封闭体系特点：与环境只有能量交换，而无物质交换，如与环境只有能量交换，而无物质交换，如间歇操作间歇操作过过程，体系物质的程，体系物质的动能、位能、压力能无变化动能、位能、压力能无变化，则：，则： U = Q + W若体系与环境没有功的交换，即若体系与环境没有功的交换，即W = 0，则：，则：Q = U2. 流动体系的能量衡算方程流动体系的能量衡算方程物料连续通过边界进出物料连续通过边界进出能量输入速率

13、能量输入速率-能量输出速率能量输出速率=能量积累速率能量积累速率连续稳定流动过程的总能量衡算方程为：连续稳定流动过程的总能量衡算方程为：WQpvuzgU)(212sWQuzgH221化工设计电子课件3. 热量衡算式及说明热量衡算式及说明 热量衡算式热量衡算式 在反应器、蒸馏塔、蒸发器、换热器等化工设备中，在反应器、蒸馏塔、蒸发器、换热器等化工设备中，W、 Ek、 Ez与与Q、 U和和 H的相比，可以忽略。的相比，可以忽略。总能量衡算式为：总能量衡算式为： 封闭体系封闭体系 Q = U 敞开体系敞开体系 Q = H 对这些设备做能量衡算的实质就是进行热量衡算。对这些设备做能量衡算的实质就是进行热

14、量衡算。 连续稳定流动体系的热量衡算：连续稳定流动体系的热量衡算： Q = H1 H2 或或 Q = U1 U2实际计算时，还常使用下式：实际计算时，还常使用下式： Qin = QoutQ1+ Q2+ Q3= Q4+ Q5+ Q6Q1物料带入热量；物料带入热量；Q2加热介质供给或输出的热量，输入为正，输出为负；加热介质供给或输出的热量，输入为正，输出为负；化工设计电子课件Q3过程的热效应，吸正放负；过程的热效应，吸正放负；Q4物料带出热量；物料带出热量；Q5消耗在加热设备各部件上的热量；消耗在加热设备各部件上的热量；Q6设备向四周的散热损失；设备向四周的散热损失； 热量衡算的步骤热量衡算的步骤

15、 建立单位时间为基准的建立单位时间为基准的物料流程图或物料平衡表物料流程图或物料平衡表。选定选定计算基准温度和计算相态计算基准温度和计算相态：可选：可选0(273K)、25(298K)或其或其他温度作为基准温度。他温度作为基准温度。在物料流程图上标明已知温度、压力、相态等条件，查出或计算在物料流程图上标明已知温度、压力、相态等条件，查出或计算每每个物料的焓值，标注在图上个物料的焓值，标注在图上。 列出列出热量衡算式热量衡算式，用数学方法求解。，用数学方法求解。 当生产过程及物料组成较复杂时，可列出当生产过程及物料组成较复杂时，可列出热量衡算表热量衡算表。 化工设计电子课件4. 机械能衡算式机械能衡