物料衡算和能量衡算.ppt

1、第五章 物料衡算和能量衡算,5.1 物料衡算,5.2 能量衡算,物料衡算的作用與意義,依據(jù)質(zhì)量守衡定律，以設(shè)備或生產(chǎn)過程作為研究系統(tǒng)，對其進、出口處進行定量計算，稱之為物料衡算。 在復(fù)合材料生產(chǎn)過程中，物料衡算對于控制生產(chǎn)過程有著重要的指導(dǎo)意義。在實際生產(chǎn)過程中，物料衡算可以揭示物料的浪費和生產(chǎn)過程的反?，F(xiàn)象，從而幫助找出改進措施，提高成品率及減少副產(chǎn)品、雜質(zhì)和三廢排放量。,物料衡算還可以檢驗生產(chǎn)過程的完善程度，對生產(chǎn)工藝設(shè)計工作也有著重要指導(dǎo)作用。物料衡算是計算原料與產(chǎn)品之間的定量關(guān)系，由此定出原料和輔助材料的用量、制訂原料和輔助材料的單耗指標以及生產(chǎn)過程中各個階段的原料和輔助材料的損耗量及

2、其組成。,物料衡算的作用與意義,物料衡算也是能量衡算、定型設(shè)備選型、非定型設(shè)備工藝計算和其他工藝計算的基礎(chǔ)。通過物料衡算可以算出各工段所處理的物料量(各組分的成分、重量和體積)，便可以定出生產(chǎn)過程所需設(shè)備臺數(shù)、容量和主要尺寸以及計算管道尺寸等。所以物料衡算是復(fù)合材料工藝計算的重要部分。,物料衡算可分操作型計算和設(shè)計型計算。 操作型計算是指對已建立的工廠、車間或單元操作及設(shè)備等進行計算。 設(shè)計型計算是指對建立一個新的工廠、車間或單元操作及設(shè)備進行物料衡算，這是設(shè)計計算的第一步，也是整個設(shè)計的基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上進行熱量衡算、設(shè)備工藝計算，則可以確定設(shè)備選型、工藝尺寸、臺數(shù)以及公用工程所需水、電、汽、

3、冷凍、真空及壓縮空氣等需要量。,物料衡算常用基本概念和方法,質(zhì)量守恒定律 質(zhì)量守恒定律是指“進入一個系統(tǒng)的全部物料量必等于離開這個系統(tǒng)的全部物料量，再加上過程中損失量和在系統(tǒng)中積累量”。依據(jù)質(zhì)量守恒定律，對一研究系統(tǒng)作物料衡算，可用下式表示： G進=G出+G損+G積 式中 G進-輸入物料總和； G出-離開物料量總和；G損-總的損失量； G積-系統(tǒng)中積累量。 分批操作（間歇操作）的設(shè)備，當終點時，物料全部排出則系統(tǒng)內(nèi)物料積累為零，對于穩(wěn)定連續(xù)操作，系統(tǒng)物料累積量亦為零。在此情況下，上式可寫成： G進=G出+G損,車間收率和階段收率,在作整個車間的物料衡算時，常需要用車間總收率、階段收率這些基本概

4、念。 車間收率和車間產(chǎn)品及原料消耗關(guān)系如下： 車間收率 或,階段收率則表示一個工段或工序的產(chǎn)品或半成品輸出量，折算為投入物料量與實際投入物料量之間的比例關(guān)系，可用下式表示： 車間收率與階段收率之間關(guān)系可用下式表示： 總=1.2.3.n 式中1，2，3，n為各階段收率。,物料衡算的方法及步驟,順程法,返程法,一個工藝流程，常由多個生產(chǎn)工序組成，要進行各工序、各設(shè)備的物料衡算，則需按一定的順序進行。,從原料進入系統(tǒng)開始，沿著物料走向，逐一計算,從最后的產(chǎn)品開始，按物料流程逆向的順序進行計算,對一些復(fù)雜的工藝流程作物料衡算，需要同時應(yīng)用順程法和返程法才能完成。,物料衡算的步驟,1)畫出物料衡算流程示

5、意圖 繪制物料流程圖時，要著重確定生產(chǎn)工藝路線，考慮物料的來龍去脈。每一種物料都要表示在圖上，并注明每種物料的重量、組成、體積、溫度和壓力等數(shù)據(jù)，不允許有差錯和遺漏，并反復(fù)核對。如果是待求項，需用字形符號標寫清楚。,2)列出化學(xué)反應(yīng)式 列出各個過程的主、副化學(xué)反應(yīng)式，明確反應(yīng)前后的物料組成和它們之間的定量關(guān)系。需要注意的是，當副反應(yīng)很多時，對那些次要的，而且所占比重很小的副反應(yīng)可以略去，而對那些產(chǎn)生有毒物質(zhì)或明顯影響產(chǎn)品質(zhì)量的副反應(yīng)，其量雖小，卻不能略去，因為這是以后進行某些精制分離設(shè)備設(shè)計和三廢治理設(shè)計的重要依據(jù)。,物料衡算的步驟,3)確定計算項目 根據(jù)物料流程示意圖和化學(xué)反應(yīng)式，分析物料在

6、每一臺設(shè)備中的數(shù)量、成分和品種發(fā)生了哪些變化。近一步明確已知項和待求項。根據(jù)已知項和待求項的數(shù)學(xué)關(guān)系，尋找簡捷的計算方法，以節(jié)省計算時間和減少錯誤發(fā)生率。,物料衡算的步驟,4)收集數(shù)據(jù) 計算項目確定后，需要收集的數(shù)據(jù)和資料也就明確了。應(yīng)收集的數(shù)據(jù)資料一般包括：生產(chǎn)規(guī)模、生產(chǎn)時間（年工作時數(shù)）、有關(guān)收率和轉(zhuǎn)化率、原料、輔助材料，中間產(chǎn)品和產(chǎn)品的規(guī)格、有關(guān)物理化學(xué)常數(shù)等。在查找有關(guān)數(shù)據(jù)時應(yīng)注意數(shù)據(jù)資料的正確性、可靠性和適用范圍。,物料衡算的步驟,5)選準計算基準 在物料衡算過程中，計算基準選得適當，可以大大簡化計算手續(xù)。按照不同情況可以采用噸、公斤、m3作為計算單位。一般，對于氣體采用m3作為計算

7、單位比較方便。間歇生產(chǎn)過程的物料衡算一般以每批產(chǎn)量作為計算基準，而連續(xù)過程的物料衡算則采用每小時產(chǎn)量作為計算基準。在計算過程中還必須注意，將各個量的單位統(tǒng)一為同一單位制，保持前后一致，以避免發(fā)生差錯。,物料衡算的步驟,6)進行物料衡算 根據(jù)物質(zhì)質(zhì)量守恒定律，凡是進入設(shè)備進行操作的物料量必須等于操作后離開設(shè)備的物料量。但實際上，在生產(chǎn)過程中物料必然有損失，即產(chǎn)出量少于投入量，其差額即為物料損失量。 G入G出G損 式中 G入-進入物料量的總和； G出-離開物料量的總和； G損-損失物料量的總和。 上述物料衡算式適用于整個生產(chǎn)過程，也適用于生產(chǎn)過程的任何一個步驟和每一臺設(shè)備、在物料衡算中，可以進行總

8、的物料衡算，也可以對混合物中某一組成進行物料衡算。,物料衡算的步驟,7)整理和校核計算結(jié)果 在計算過程中，每一步都要認真計算和認真校核，做到及時發(fā)現(xiàn)差錯，防止差錯延續(xù)擴大，以致造成大量返工。待計算全部結(jié)束后將計算結(jié)果整理清楚，列成表格。表中要列出進入和離開的物料名稱、數(shù)量、成分及其百分數(shù)。再全面校核，直到計算完全正確為止。,物料衡算的步驟,8)繪制物料流程圖 根據(jù)計算結(jié)果正式繪制物料流程圖。物料流程圖是表示物料衡算結(jié)果的一種簡單清楚的表示方法。它能清楚地表示出物料在流程或設(shè)備中的變化結(jié)果。物料流程圖要作為設(shè)計成果，編入設(shè)計文件。,物料衡算的步驟,連續(xù)過程的物料衡算,對于有物料再循環(huán)的連續(xù)過程，

9、其物料衡算就比較復(fù)雜。在一些復(fù)合材料生產(chǎn)過程中往往將未反應(yīng)的原料再返回生產(chǎn)過程中去，使之繼續(xù)反應(yīng)，以提高轉(zhuǎn)化率；有時為了降低消耗定額，提高經(jīng)濟效益，也采用再循環(huán)方法。,物料循環(huán)量要用循環(huán)系數(shù)法或解聯(lián)立方程式的方法來計算。 循環(huán)系數(shù)法是通過求取循環(huán)系數(shù)來確定循環(huán)的物料量。循環(huán)系數(shù)與循環(huán)物料量的關(guān)系如下式所示： 式中 G新鮮-加入設(shè)備的新鮮物料量； G循環(huán)-返回設(shè)備的循環(huán)物料量； Kp -循環(huán)系數(shù)。 當循環(huán)系數(shù)Kp為已知時，即可求得物料的循環(huán)量，因為新鮮物料量可由產(chǎn)量求得。,物料衡算的基本要素,物料衡算有兩個基本要素，即計算的對象和計算的范圍。 1)按計算的對象，可分為總物料衡算和某組分物料衡算，

10、假如加入系統(tǒng)的物質(zhì)有a、b、c、，而出系統(tǒng)的物質(zhì)為、，則物料總衡算可用圖 (a)表示。假如這些物質(zhì)中均含有組分A，則對A組分的物料衡算可用圖 (b)表示。 一般說來，總物料衡算較簡單,某組成的物料衡算較復(fù)雜，這需要將其組分的含量進行分析，并表示出來。 （a）第n工序總物料衡算圖 （b）第n工序A組分,2)按衡算的范圍，可分為全廠、全車間、全工段、某工序或某設(shè)備的物料衡算。計算時，需先明確計算范圍。如圖5-2所示。 圖5-2 物料衡算范圍示意圖,物料衡算的基本要素,如果對整個系統(tǒng)進行物料衡算，即按A1A2A3A4邊界線范圍進行，則該系統(tǒng)物料平衡式為： 進料(F1F2)出料(PVW) 為了求得系統(tǒng)

11、內(nèi)各設(shè)備單元間的物料流量，需將有關(guān)單元分割出來作為衡算系統(tǒng)。例如，按邊界C1C2C3C4劃分出來，其物料平衡式為： 配料M旁路物料R反應(yīng)物N,一個獨立方程，可以解出一個未知數(shù)。若已知配料M和反應(yīng)物N，則可求出旁路的物料量R。同樣，可以把配料、分離工序單獨分割作為衡算系統(tǒng)，若有必要，也可以把B1C2C3B4包圍的部分作為衡算范圍。 對生產(chǎn)過程中一系列工序都要進行物料衡算時，若繪成表格形式，則可方便地進行計算。,物料衡算的基本要素,196不飽和聚酯樹脂配方設(shè)計,能量消耗費用是復(fù)合材料制品主要成本之一，合理的利用能量可以降低成本。因此，在復(fù)合材料工藝設(shè)計中，能量衡算是十分重要的基本設(shè)計項目。能量衡算

12、的目的在于定量地表示出工藝過程各部分的能量變化，確定需要加入或可供利用的能量，確定過程及設(shè)備的工藝條件和熱負荷。 能量衡算主要包括熱能、動能、電能和化學(xué)能等。能量衡算的主要任務(wù)如下：,能量衡算解析,（1）確定各單元過程所需熱量或冷量以及傳熱速率，為其他工程，如供汽、給水等提供設(shè)計依據(jù)； （2）化學(xué)反應(yīng)常伴有熱效應(yīng)，導(dǎo)致體系的溫度變化，需確定為保持一定的反應(yīng)溫度所需的放熱速率和傳熱速率； （3）通過能量衡算，分析工程設(shè)計和操作中熱量利用是否經(jīng)濟合理，以提高熱量利用水平； （4）確定泵、壓縮機等輸送機械和攪拌、過濾等操作機械所需功率。,能量衡算的主要任務(wù),在復(fù)合材料工藝計算中，根據(jù)能量守恒原理：

13、能量積累率能量進入率能量流出率反應(yīng)熱生成率反應(yīng)熱消耗率 當過程沒有化學(xué)反應(yīng)時： 能量積累率能量進入率能量流出率 當過程沒有化學(xué)反應(yīng)，并處于穩(wěn)態(tài)時： 能量進入率能量流出率,能量衡算解析,復(fù)合材料生產(chǎn)一般在規(guī)定的壓力、溫度和時間等工藝條件下進行。生產(chǎn)過程中包括化學(xué)過程和物理過程，往往伴隨著能量變化，因此必須進行能量衡算。復(fù)合材料生產(chǎn)中一般無軸功存在或軸功相對來講影響較小，可忽略不計，熱量是一種最主要的能量形式，能量衡算實際上是熱量衡算，因此，在本節(jié)中主要討論熱量衡算。熱量衡算又可以分為單元設(shè)備熱量衡算和系統(tǒng)熱量衡算。,能量衡算解析,生產(chǎn)過程中所產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)熱效應(yīng)及物理狀態(tài)變化熱效應(yīng)會使物料溫度上

14、升或下降，為了保證生產(chǎn)過程在一定溫度條件下進行，則需環(huán)境對生產(chǎn)系統(tǒng)有熱量的加入或放出，這便是熱量衡算的目的。 對新車間設(shè)計，熱量衡算是在物料衡算的基礎(chǔ)上進行。通過熱量衡算，可確定傳熱設(shè)備的熱負荷，即在規(guī)定的時間中加入或移出的熱量，從而確定傳熱劑的消耗量，選擇合適的傳熱方式，計算傳熱面積。 熱量衡算和物料衡算相結(jié)合，通過工藝計算，可確定設(shè)備工藝尺寸，如設(shè)備的臺數(shù)、容積、傳熱面積等。對已投產(chǎn)的生產(chǎn)車間或設(shè)備裝置進行熱量衡算，對熱量的合理利用、提高傳熱設(shè)備的熱效率、回收余熱、最大限度地降低產(chǎn)品的能耗有其重要意義。,能量衡算解析,在進行熱量衡算時，首先要對復(fù)合材料生產(chǎn)過程中的單元設(shè)備進行熱量衡算。通過

15、熱量衡算，算出設(shè)備的有效熱負荷，由熱負荷確定加熱劑或冷卻劑的用量、設(shè)備的傳熱面積等。,能量衡算解析,單元設(shè)備熱量衡算步驟,（1）繪制設(shè)備的熱平衡圖 在復(fù)合材料生產(chǎn)過程中，進、出設(shè)備的熱量大致可分為下列幾種：物料帶入設(shè)備的熱量，過程的熱效應(yīng)，反應(yīng)物帶出的熱量，傳熱劑傳入或傳出的熱量，設(shè)備的熱損失等等。 對一個單元設(shè)備而言，上面所提到的熱量形式不一定都有，也有可能還有其他形式的熱量。為了幫助分析和減少差錯，先繪制設(shè)備的熱平衡圖，在圖上將進、出設(shè)備的各種形式的熱量標注出來，并核實無誤。,（2）確定熱量衡算式 根據(jù)能量守恒定律，結(jié)合熱量傳遞的特點，按設(shè)備熱平衡圖中標注的各種形式的熱量，列熱量衡算式。,

16、單元設(shè)備熱量衡算步驟,（3）收集有關(guān)資料 熱量衡算涉及到物料量、物料的狀態(tài)和有關(guān)物質(zhì)的熱力學(xué)參數(shù)，如比熱容、潛熱、反應(yīng)熱、溶解熱、稀釋熱和結(jié)晶熱等。這些熱力學(xué)數(shù)據(jù)可以從有關(guān)的物性參數(shù)手冊、書刊等資料上查得，也可以從工廠實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)中取得。如果從上面的途徑中無法得到有關(guān)數(shù)據(jù)，可以根據(jù)有關(guān)熱力學(xué)關(guān)聯(lián)式計算或通過實驗測得。,單元設(shè)備熱量衡算步驟,（4）選擇計算基準溫度 在進行熱量計算時，基準溫度選擇不恰當，會給計算帶來許多不便。因此，在同一個計算中，要選擇同一個計算基準溫度，而且要使計算盡量地簡單、方便。一般情況下，選擇25 為基準溫度，較為簡便。,單元設(shè)備熱量衡算步驟,（5）計算各種形式熱量的值

17、在進行熱量計算時，首先要擬訂好計算程序，以免遺漏，特別是對于復(fù)雜體系的熱量衡算，尤其要注意這一條。 （6）列出熱量平衡表 計算完畢后，將所得結(jié)果匯總，列出熱量平衡表，檢查熱量是否平衡。,單元設(shè)備熱量衡算步驟,熱量衡算按能量守恒定律，在無軸功的條件下，進入系統(tǒng)的熱量與離開熱量應(yīng)該平衡，在實際中對傳熱設(shè)備的熱量衡算可由下式表示： Q1Q2Q3Q4Q5+Q6,熱量衡算計算方法,所處理的物料帶入設(shè)備中的熱量（KJ）,加熱劑或冷卻劑與設(shè)備和物料傳遞的熱量,過程的熱效應(yīng),設(shè)備各部件所消耗的熱量（KJ）,離開設(shè)備物料帶走的熱量（KJ）,設(shè)備向四周散失的熱量，又稱熱損失（KJ）,熱量衡算的時間基準可與物料衡算

18、相同，即對間歇生產(chǎn)可以每日或每批處理物料作基準。對連續(xù)生產(chǎn)以每小時作基準。但不管是間歇還是連續(xù)生產(chǎn)，計算傳熱面積的熱負荷，必須以每小時作基準，而該時間必須是穩(wěn)定傳熱時間。熱量衡算溫度基準，一般規(guī)定以25或0，也可以進料溫度作基準。 從式中可得： Q2Q4Q5Q6Q1Q3,熱量衡算計算方法,加熱劑或冷卻劑與設(shè)備和物料傳遞的熱量,（1）Q1與Q4計算 Q1（Q4）GiCPI(tto) 式中 Gi-物料質(zhì)量（kg）； CPI-物料平均等壓比熱容（KJ/kg）； t-物料的溫度（）； to-計算基準溫度（）。 Gi的數(shù)值可由物料衡算結(jié)果而定，t 的數(shù)值由生產(chǎn)工藝確定，CPI則可從手冊中查得，或用估算法得到。,熱量衡算計算方法,（2）Q5計算 消耗在加熱或冷卻設(shè)備上的熱量可按下式計算： Q5GiCPI(t2t1) 式中 Gi-設(shè)備各部件的質(zhì)量（kg） CPI-設(shè)備各部件的比熱容kJ/(kg) t1-設(shè)備各部件的初溫度（） t2-設(shè)備各部件的終溫度（）,熱量衡算計算方法,（3）Q6計算 設(shè)備向四周散失的熱量Q6可按下式計算： Q6At(twz t0)10-3 式中 A-設(shè)備散熱表面積（m2）； t-散熱