化工設(shè)計(jì)-3 物料衡算與能量衡算

化工設(shè)計(jì)任課教師：張宇第三章

物料衡算與能量衡算進(jìn)行計(jì)算前，必須熟悉有關(guān)化工過程的基本原理、生產(chǎn)方法和工藝流程，然后以示意圖的形式表示出整個(gè)化工過程的主要設(shè)備及全部進(jìn)出物料，并選定所需的操作條件，再逐一進(jìn)行計(jì)算。對(duì)生產(chǎn)過程中整個(gè)或局部過程進(jìn)行衡算，可計(jì)算出主、副產(chǎn)品的產(chǎn)量，原材料的消耗定額、三廢排放量及組成、能源消耗量、產(chǎn)品產(chǎn)率等各項(xiàng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，從而定量評(píng)述所選擇的工藝路線、生產(chǎn)方法及工藝流程在經(jīng)濟(jì)上是否合理，技術(shù)上是否先進(jìn)。物料衡算與能量衡算物料衡算與能量衡算3.1物料衡算設(shè)計(jì)改造工藝流程和設(shè)備了解和控制生產(chǎn)操作過程核算生產(chǎn)過程的經(jīng)濟(jì)效益

物料衡算確定生產(chǎn)過程中物料比例和物料轉(zhuǎn)變的定量關(guān)系的過程，是化工工藝計(jì)算中最基本、最重要的內(nèi)容之一。確定主副產(chǎn)品的產(chǎn)率確定原材料消耗定額確定生產(chǎn)過程的損耗量選擇最有效的工藝路線確定設(shè)備容量、數(shù)量及尺寸對(duì)設(shè)備進(jìn)行最佳設(shè)計(jì)物料平衡在單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入體系的全部物料質(zhì)量必定等于離開該體系的全部物料質(zhì)量再加上損失掉的與積累起來(lái)的物料質(zhì)量。理論依據(jù)質(zhì)量守恒定律，即在一個(gè)孤立體系中不論物質(zhì)發(fā)生任何變化(不包括核反應(yīng))，它的質(zhì)量始終保持不變。物料衡算對(duì)已有的生產(chǎn)設(shè)備或過程利用實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)，計(jì)算出另一些不能直接測(cè)定的物料量。用此計(jì)算結(jié)果對(duì)生產(chǎn)情況進(jìn)行分析，做出判斷，提出改進(jìn)措施。設(shè)計(jì)一種新的設(shè)備或過程，由物料衡算求出進(jìn)出各設(shè)備的物料量、組成。結(jié)合能量衡算，確定設(shè)備的工藝尺寸及整個(gè)工藝過程。物料平衡方程是指用數(shù)學(xué)式描述某一個(gè)體系內(nèi)進(jìn)出物料質(zhì)量變化情況。體系是指物料衡算的范圍，根據(jù)實(shí)際需要人為選定。體系可以是一個(gè)或多個(gè)設(shè)備，也可是一個(gè)單元操作或整個(gè)化工過程。根據(jù)質(zhì)量守恒定律，某一體系的物料平衡方程為：式中：F0、D、A、B分別為輸入體系、離開體系、體系內(nèi)積累、過程損失的物料質(zhì)量。物料平衡方程對(duì)于體系內(nèi)的任一組分或任一元素進(jìn)行衡算，如體系內(nèi)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，則：式中：Xi為反應(yīng)過程生成或消耗的i組分的量；Xif、Xid、Xia、Xib為i組分在F、D、A、B中的分率。物料平衡方程如體系內(nèi)不積累物料，即連續(xù)穩(wěn)定的操作過程，則積累的物料質(zhì)量A為零，總物料衡算式為：如體系內(nèi)沒有化學(xué)反應(yīng)，對(duì)任一組分或任一元素作衡算時(shí)Xi=0，則：物料平衡方程物料平衡是指質(zhì)量平衡，而不是體積或物質(zhì)的量mol平衡。若體系內(nèi)有化學(xué)反應(yīng)，則衡算式中各項(xiàng)以mol/h為單位時(shí)，必須考慮反應(yīng)式中的化學(xué)計(jì)量系數(shù)。對(duì)于無(wú)化學(xué)反應(yīng)體系，能列出獨(dú)立物料平衡式的最多數(shù)目等于輸入和輸出物流的組分?jǐn)?shù)。寫平衡方程時(shí)要盡量使方程中所包含的未知數(shù)最少。列物料平衡式時(shí)注意事項(xiàng)1)畫出工藝流程示意圖：表達(dá)物料的流動(dòng)變化情況，注明物料的名稱、數(shù)量、組成及流向，注明與計(jì)算有關(guān)的工藝條件，如相態(tài)、配比等。2)列出化學(xué)反應(yīng)方程式：列出各過程的主副化學(xué)反應(yīng)方程式，明確反應(yīng)前后物料組成及各個(gè)組分之間的定量關(guān)系。注意：當(dāng)副反應(yīng)較多時(shí)，次要且所占比重小的副反應(yīng)可以略去或?qū)㈩愋拖嘟暮喜?。但產(chǎn)生有毒物質(zhì)或明顯影響產(chǎn)品質(zhì)量的副反應(yīng)不能隨便略去。3)確定計(jì)算任務(wù)：分析數(shù)據(jù)資料，進(jìn)一步明確已知項(xiàng)和待求的未知項(xiàng)。物料衡算基本步驟4)收集數(shù)據(jù)資料：生產(chǎn)規(guī)模和生產(chǎn)時(shí)間(根據(jù)任務(wù)書明確生產(chǎn)規(guī)模，大型化工裝置年工作7200h)，消耗定額、收率、轉(zhuǎn)化率，原料、輔助材料、產(chǎn)品的規(guī)格，與計(jì)算有關(guān)的物理化學(xué)常數(shù)。5)選擇計(jì)算基準(zhǔn)：連續(xù)生產(chǎn)以一段時(shí)間如1h、1天，間歇生產(chǎn)以一釜或一批料的生產(chǎn)周期為計(jì)算基準(zhǔn)。6)建立物料平衡方程，展開計(jì)算。7)整理并校核計(jì)算結(jié)果。物料衡算基本步驟3.2能量衡算有些過程需要消耗大量能量，如反應(yīng)、蒸發(fā)、干燥、蒸餾。根據(jù)能量守恒定律，利用能量傳遞和轉(zhuǎn)化的規(guī)則，用以確定能量比例和能量轉(zhuǎn)變的定量關(guān)系的過程。有些過程能夠釋放大量能量，如燃燒、放熱化學(xué)反應(yīng)過程等。能量衡算計(jì)算物料進(jìn)入或帶出體系的能量能量核算目的對(duì)于新設(shè)計(jì)的生產(chǎn)車間：確定設(shè)備的熱負(fù)荷；根據(jù)設(shè)備熱負(fù)荷的大小、所處理物料的性質(zhì)及工藝要求選擇傳熱器的型式、計(jì)算傳熱面積、確定設(shè)備的主要工藝尺寸；確定傳熱所需加熱劑或冷卻劑的用量等。能量核算目的對(duì)于已投產(chǎn)的生產(chǎn)車間：更加合理利用能量，以最大限度降低單位產(chǎn)品的能耗。能耗是制造單位質(zhì)量或體積產(chǎn)品能量消耗的費(fèi)用，其不僅與生產(chǎn)的工藝路線有關(guān)，也與生產(chǎn)管理的水平有關(guān)。能量衡算解決問題

確定物料輸送設(shè)備(泵、壓縮機(jī))和其他操作設(shè)備(攪拌、過濾)所需功率，以確定設(shè)備大小、尺寸及型號(hào)。確定各單元操作過程所需的熱量或冷量；計(jì)算換熱設(shè)備尺寸；確定加熱劑或冷卻劑的消耗量，為其他專業(yè)如供汽供水提供設(shè)計(jì)條件。確定為保持一定反應(yīng)溫度所需移出或加入的熱傳遞數(shù)率，為反應(yīng)器設(shè)計(jì)及選型提供依據(jù)。為充分利用余熱，提高能量利用率，降低能耗提供重要依據(jù)。最終確定總需求能量和能量的費(fèi)用，并用來(lái)確定過程在經(jīng)濟(jì)上的可行性。能量衡算根據(jù)能量守恒定律，任何均相體系在Δt時(shí)間內(nèi)的能量平衡關(guān)系，用文字表述如下：體系在Δt內(nèi)產(chǎn)生的能量是指體系內(nèi)因核反應(yīng)所釋放的能量，故化工生產(chǎn)此項(xiàng)一般為零。體系在t+Δt時(shí)的能量體系在t時(shí)的能量在Δt內(nèi)通過邊界進(jìn)入體系的能量在Δt內(nèi)通過邊界離開體系的能量體系在Δt內(nèi)產(chǎn)生的能量-=+-熱量衡算熱量衡算在能量衡算中占主要地位，可以對(duì)單元設(shè)備或整個(gè)過程進(jìn)行熱量衡算。熱量衡算方程式：輸入=輸出+損失對(duì)于單元設(shè)備，熱量衡算方程式：

Q1+Q2+Q3=Q4+Q5+Q6

式中Q1、Q4為各股物料帶入、帶出設(shè)備的熱量；Q2為加熱劑或冷卻劑傳遞給設(shè)備和物料的熱量；Q3為過程的各種熱效應(yīng)，如反應(yīng)熱、溶解熱；Q5為消耗在加熱設(shè)備的熱量；Q6為設(shè)備向外界環(huán)境散失的熱量；1)