化工设计-3 物料衡算与能量衡算

化工设计任课教师：张宇第三章

物料衡算与能量衡算进行计算前，必须熟悉有关化工过程的基本原理、生产方法和工艺流程，然后以示意图的形式表示出整个化工过程的主要设备及全部进出物料，并选定所需的操作条件，再逐一进行计算。对生产过程中整个或局部过程进行衡算，可计算出主、副产品的产量，原材料的消耗定额、三废排放量及组成、能源消耗量、产品产率等各项技术经济指标，从而定量评述所选择的工艺路线、生产方法及工艺流程在经济上是否合理，技术上是否先进。物料衡算与能量衡算物料衡算与能量衡算3.1物料衡算设计改造工艺流程和设备了解和控制生产操作过程核算生产过程的经济效益

物料衡算确定生产过程中物料比例和物料转变的定量关系的过程，是化工工艺计算中最基本、最重要的内容之一。确定主副产品的产率确定原材料消耗定额确定生产过程的损耗量选择最有效的工艺路线确定设备容量、数量及尺寸对设备进行最佳设计物料平衡在单位时间内进入体系的全部物料质量必定等于离开该体系的全部物料质量再加上损失掉的与积累起来的物料质量。理论依据质量守恒定律，即在一个孤立体系中不论物质发生任何变化(不包括核反应)，它的质量始终保持不变。物料衡算对已有的生产设备或过程利用实测的数据，计算出另一些不能直接测定的物料量。用此计算结果对生产情况进行分析，做出判断，提出改进措施。设计一种新的设备或过程，由物料衡算求出进出各设备的物料量、组成。结合能量衡算，确定设备的工艺尺寸及整个工艺过程。物料平衡方程是指用数学式描述某一个体系内进出物料质量变化情况。体系是指物料衡算的范围，根据实际需要人为选定。体系可以是一个或多个设备，也可是一个单元操作或整个化工过程。根据质量守恒定律，某一体系的物料平衡方程为：式中：F0、D、A、B分别为输入体系、离开体系、体系内积累、过程损失的物料质量。物料平衡方程对于体系内的任一组分或任一元素进行衡算，如体系内发生化学反应，则：式中：Xi为反应过程生成或消耗的i组分的量；Xif、Xid、Xia、Xib为i组分在F、D、A、B中的分率。物料平衡方程如体系内不积累物料，即连续稳定的操作过程，则积累的物料质量A为零，总物料衡算式为：如体系内没有化学反应，对任一组分或任一元素作衡算时Xi=0，则：物料平衡方程物料平衡是指质量平衡，而不是体积或物质的量mol平衡。若体系内有化学反应，则衡算式中各项以mol/h为单位时，必须考虑反应式中的化学计量系数。对于无化学反应体系，能列出独立物料平衡式的最多数目等于输入和输出物流的组分数。写平衡方程时要尽量使方程中所包含的未知数最少。列物料平衡式时注意事项1)画出工艺流程示意图：表达物料的流动变化情况，注明物料的名称、数量、组成及流向，注明与计算有关的工艺条件，如相态、配比等。2)列出化学反应方程式：列出各过程的主副化学反应方程式，明确反应前后物料组成及各个组分之间的定量关系。注意：当副反应较多时，次要且所占比重小的副反应可以略去或将类型相近的合并。但产生有毒物质或明显影响产品质量的副反应不能随便略去。3)确定计算任务：分析数据资料，进一步明确已知项和待求的未知项。物料衡算基本步骤4)收集数据资料：生产规模和生产时间(根据任务书明确生产规模，大型化工装置年工作7200h)，消耗定额、收率、转化率，原料、辅助材料、产品的规格，与计算有关的物理化学常数。5)选择计算基准：连续生产以一段时间如1h、1天，间歇生产以一釜或一批料的生产周期为计算基准。6)建立物料平衡方程，展开计算。7)整理并校核计算结果。物料衡算基本步骤3.2能量衡算有些过程需要消耗大量能量，如反应、蒸发、干燥、蒸馏。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。有些过程能够释放大量能量，如燃烧、放热化学反应过程等。能量衡算计算物料进入或带出体系的能量能量核算目的对于新设计的生产车间：确定设备的热负荷；根据设备热负荷的大小、所处理物料的性质及工艺要求选择传热器的型式、计算传热面积、确定设备的主要工艺尺寸；确定传热所需加热剂或冷却剂的用量等。能量核算目的对于已投产的生产车间：更加合理利用能量，以最大限度降低单位产品的能耗。能耗是制造单位质量或体积产品能量消耗的费用，其不仅与生产的工艺路线有关，也与生产管理的水平有关。能量衡算解决问题

确定物料输送设备(泵、压缩机)和其他操作设备(搅拌、过滤)所需功率，以确定设备大小、尺寸及型号。确定各单元操作过程所需的热量或冷量；计算换热设备尺寸；确定加热剂或冷却剂的消耗量，为其他专业如供汽供水提供设计条件。确定为保持一定反应温度所需移出或加入的热传递数率，为反应器设计及选型提供依据。为充分利用余热，提高能量利用率，降低能耗提供重要依据。最终确定总需求能量和能量的费用，并用来确定过程在经济上的可行性。能量衡算根据能量守恒定律，任何均相体系在Δt时间内的能量平衡关系，用文字表述如下：体系在Δt内产生的能量是指体系内因核反应所释放的能量，故化工生产此项一般为零。体系在t+Δt时的能量体系在t时的能量在Δt内通过边界进入体系的能量在Δt内通过边界离开体系的能量体系在Δt内产生的能量-=+-热量衡算热量衡算在能量衡算中占主要地位，可以对单元设备或整个过程进行热量衡算。热量衡算方程式：输入=输出+损失对于单元设备，热量衡算方程式：

Q1+Q2+Q3=Q4+Q5+Q6

式中Q1、Q4为各股物料带入、带出设备的热量；Q2为加热剂或冷却剂传递给设备和物料的热量；Q3为过程的各种热效应，如反应热、溶解热；Q5为消耗在加热设备的热量；Q6为设备向外界环境散失的热量；1)