第3章物料衡算和能量衡算

化工设计第三章物料衡算与能量衡算Chart3materielbalanceandenergybalance3.1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。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周期为基准。(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。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，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，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。三、物料衡算举例

3.2能量衡算

化工生产中，需要通过能量衡算解决的问题：⑴确定物料输送机械和其他操作机械所需功率。⑵确定各单元过程所需热量或冷量及其传递速率。⑶化学反应所需的放热速率和供热速率。⑷做好余热综合利用。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。

根据热力学第一定律，能量衡算方程可写为：Q+W=E=Ek+Ep+UW=Wt+Ws，Wt为流动功，Ws为轴功；

1.封闭体系的能量衡算方程

封闭体系特点：与环境只有能量交换，而无物质交换，如间歇操作过程，体系物质的动能、位能、压力能无变化，则：U=Q+W若体系与环境没有功的交换，即W=0，则：Q=U

2.流动体系的能量衡算方程——物料连续通过边界进出能量输入速率-能量输出速率=能量积累速率连续稳定流动过程的总能量衡算方程为：3.热量衡算式及说明

⑴热量衡算式

在反应器、蒸馏塔、蒸发器、换热器等化工设备中，W、Ek、Ez与Q、U和H的相比，可以忽略。总能量衡算式为：

封闭体系Q=∆U

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。连续稳定流动体系的热量衡算：

Q=H1–H2或

Q=U1–U2实际计算时，还常使用下式：Qin=QoutQ1+Q2+Q3=Q4+Q5+Q6Q1——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；Q3——过程的热效应，吸正放负；Q4——物料带出热量；Q5——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；⑵热量衡算的步骤

①建立单位时间为基准的物料流程图或物料平衡表。②选定计算基准温度和计算相态：可选0℃(273K)、25℃(298K)或其他温度作为基准温度。③在物料流程图上标明已知温度、压力、相态等条件，查出或计算每个物料的焓值，标注在图上。④列出热量衡算式，用数学方法求解。⑤当生产过程及物料组成