2022年物料衡算與能量衡算培訓(xùn)教材

1、第三章 物料衡算與能量衡算引言:由前述的工藝設(shè)計(jì)和流程設(shè)計(jì)程序可知,當(dāng)工藝方案確定后,就要進(jìn)行物料衡算,然后依據(jù)物料衡算的結(jié)果作能量衡算。那么,為什么作衡算？物料衡算和能量衡算的任務(wù)是什么?(也就是說,算什么?)怎樣算?(即衡算的方法和程序是什么?)因此,本章學(xué)習(xí)的主要目的是:明確物料衡算和能量衡算的目的與任務(wù);熟悉物料衡算和能量衡算的方法與程序,并熟練掌握運(yùn)用。可確定原材料消耗定額,判斷是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求。可確定各設(shè)備的輸入及輸出的物流量,摩爾分率組成及其他組成表示方法.并列表,在此基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)備的選型及設(shè)計(jì),并確定三廢排放位置、數(shù)量及組成,有利于進(jìn)一步提出三廢治理的方法。作為熱量計(jì)算的依據(jù)。

2、根據(jù)計(jì)算結(jié)果繪出物流圖，可進(jìn)行管路設(shè)計(jì)及材質(zhì)選擇，儀表及自控設(shè)計(jì)等。一、物料衡算的目的、任務(wù)、方法及程序1. 物料衡算的目的2. 物料衡算的任務(wù)一、物料衡算的目的、任務(wù)、方法及程序根據(jù)所需設(shè)計(jì)項(xiàng)目的年產(chǎn)量,運(yùn)用質(zhì)量守恒定律,對全過程或單元過程或設(shè)備進(jìn)行研究,計(jì)算輸入或輸出的物流量及組分等。整理計(jì)算結(jié)果,將計(jì)算的結(jié)果整理并根據(jù)所需的換算基準(zhǔn)列成原材料消耗表。繪制物料流程圖。3. 物料衡算的方法一、物料衡算的目的、任務(wù)、方法及程序收集可靠的依據(jù)或數(shù)據(jù)（即物料衡算的依據(jù)）恰當(dāng)?shù)剡x擇計(jì)算基準(zhǔn)根據(jù)不同的過程，列出合適的平衡式,并進(jìn)行計(jì)算。設(shè)計(jì)任務(wù)書中確定的技術(shù)方案、產(chǎn)品生產(chǎn)能力、年工作時(shí)及操作方法。建設(shè)

3、單位或研究單位所提供的要求、設(shè)計(jì)參數(shù)及實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)或中試等數(shù)據(jù),主要有:化工單元過程的主要化學(xué)反應(yīng)方程式、反應(yīng)物配比、轉(zhuǎn)化率、選擇性、總收率、催化劑狀態(tài)及加入配比量、催化劑是否回收使用、安全性能(爆炸上下限)等。 原料及產(chǎn)品的分離方式，各步的回收率，采用物料分離劑時(shí)，加入分離劑的配比。 特殊化學(xué)品的物性，如沸點(diǎn)、熔點(diǎn)、飽和蒸汽壓、閃點(diǎn)等。工藝流程示意圖3.1 物料衡算的依據(jù)時(shí)間基準(zhǔn)：對于連續(xù)生產(chǎn)，以1段時(shí)間間隔，如1秒、1小時(shí)、1天等的投料量或生產(chǎn)產(chǎn)品量作為計(jì)算基準(zhǔn)。這種基準(zhǔn)可直接聯(lián)系到生產(chǎn)規(guī)模和設(shè)備設(shè)計(jì)計(jì)算如年產(chǎn)300kt乙烯裝置，年操作時(shí)間為8000h，每小時(shí)的平均產(chǎn)量為37.5t。對間歇生

4、產(chǎn)，一般可以一釜或一批料的生產(chǎn)周期作為基準(zhǔn)。質(zhì)量基準(zhǔn)：當(dāng)系統(tǒng)介質(zhì)為液、固相時(shí)，選擇一定質(zhì)量的原料或產(chǎn)品作為計(jì)算基準(zhǔn)是合適的。如以煤、石油、礦石為原料的化工過程采用一定量的原料，例如：1kg、l00kg等作基準(zhǔn)。如果所用原料或產(chǎn)品系單一化合物，或者由已知組成百分?jǐn)?shù)和組分分子量的多組分組成，那么用物質(zhì)的量(摩爾)作基準(zhǔn)更為方便。3.2 物料衡算基準(zhǔn)體積基準(zhǔn)：對氣體物料，選用體積標(biāo)準(zhǔn)。這時(shí)應(yīng)將實(shí)際情況下的體積換算為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積，即標(biāo)準(zhǔn)體積，用m3(STP)表示。這樣不僅排除了因溫度、壓力變化帶來的影響，而且可直接換算為摩爾。氣體混合物中組分的體積分率同其摩爾分率在數(shù)值上是相同的。干濕基準(zhǔn)：不計(jì)算

5、水分在內(nèi)的稱為干基，否則為濕基。例如，空氣組成通常取含氧21，含氮79(體積)，這是以干基計(jì)算的；如果把水分(水蒸氣)計(jì)算在內(nèi)，氧氣、氮?dú)獾陌俜趾烤妥兞?。又如，甲烷水蒸氣催化轉(zhuǎn)化制取氫氣，轉(zhuǎn)化爐的進(jìn)料量，以干基計(jì)為7x103m3(STP)h。而以濕基計(jì)則可達(dá)到3x103m3(STP) h。通常的化工產(chǎn)品，如化肥、農(nóng)藥均是指濕基。例如年產(chǎn)尿素480kt，年產(chǎn)甲醛5kt等均為濕基；而年產(chǎn)硝酸50kt，則為干基。3.2 物料衡算基準(zhǔn)平衡式類型物料平衡形式無化學(xué)反應(yīng)有化學(xué)反應(yīng)總平衡式總質(zhì)量平衡式總物質(zhì)的量平衡式是是是非組分平衡式組分質(zhì)量平衡式組分物質(zhì)的量平衡式是是非非元素原子平衡式元素原子質(zhì)量平衡式

6、元素原子物質(zhì)的量平衡式是是是是3.3 物料平衡形式（穩(wěn)態(tài)過程）直接計(jì)算法；利用反應(yīng)速率進(jìn)行物料楊算；元素平衡；以化學(xué)平衡進(jìn)行衡算；以結(jié)點(diǎn)進(jìn)行衡算；利用聯(lián)系組分進(jìn)行衡算直接計(jì)算法是根據(jù)化學(xué)反應(yīng)方程式,運(yùn)用化學(xué)計(jì)量系數(shù)進(jìn)行計(jì)算的方法。 化學(xué)反應(yīng)過程物料衡算的方法有：4. 物料衡算程序收集數(shù)據(jù)資料.包括兩類:一類為設(shè)計(jì)任務(wù)所規(guī)定的已知條件;另一類為與過程有關(guān)的物理化學(xué)參數(shù)。畫出流程框圖.標(biāo)出所有流股,已知和未知變量;若很多流股,則將每個(gè)流股編號(見P25圖2-2).確定衡算體系.必要時(shí),用虛線表示體系邊界.寫出反應(yīng)式,包括主副反應(yīng),標(biāo)出有用的分子量.選擇合適的計(jì)算基準(zhǔn)列出衡算式,然后用數(shù)學(xué)方法求解.

7、整理計(jì)算結(jié)果,將計(jì)算的結(jié)果整理并根據(jù)所需的換算基準(zhǔn)列成原材料消耗表(見圖), 畫出物料流程圖有時(shí)還列成輸入-輸出物料表.原材料消耗一覽表(三聚氰胺裝置物料衡算結(jié)果換算) 物料衡算示例 1500t/a醋酸乙酯車間酯化器的物料計(jì)算 2.畫出工藝流程示意圖,標(biāo)出有關(guān)數(shù)據(jù),然后進(jìn)行計(jì)算引言：能量衡算在物料衡算結(jié)束后進(jìn)行。能量衡算的基礎(chǔ)是物料衡算，而物料衡算和能量衡算又是設(shè)備計(jì)算的基礎(chǔ)。全面的能量衡算應(yīng)該包括熱能、動(dòng)能、電能、化學(xué)能和輻射能等。但化工生產(chǎn)中最常用的能量形式為熱能，故化工設(shè)計(jì)中經(jīng)常把能量衡算稱為熱量衡算。二、能量衡算的主要任務(wù)和基本方法計(jì)算流程中某些設(shè)備的熱負(fù)荷或換熱量 計(jì)算換熱設(shè)備的熱負(fù)

8、荷 包括熱交換器,加熱器,冷卻器,汽化器,冷凝器,蒸飽塔塔頂冷凝器,蒸餾塔再沸器等。計(jì)算反應(yīng)器的換熱量 包括間歇釜式反應(yīng)器，連續(xù)釜式反應(yīng)釜，換熱式固定床反應(yīng)器，中間間接換熱式多段絕熱固定床反應(yīng)器，流化床反應(yīng)器，帶有冷卻或加熱套管的管式反應(yīng)器，內(nèi)設(shè)換熱裝置的鼓泡式反應(yīng)器等。計(jì)算吸收塔冷卻裝置的熱負(fù)荷 對一些熱效應(yīng)比較大的吸收過程(多見于化學(xué)吸收) 吸收塔內(nèi)設(shè)置冷卻裝量(制堿工業(yè)的碳化塔就是設(shè)有很多冷卻水箱的吸收塔)。冷卻裝置的熱負(fù)荷就是通過作吸收塔熱衡算得到的。2.1 熱量衡算的主要任務(wù)(三大任務(wù))算出熱劑和冷劑的用量或冷熱物流比或溫度冷激式多段絕熱固定床反應(yīng)器的冷激劑用量加熱蒸汽、冷卻水、冷凍

9、鹽水的用量, 這些量是其他工程如供熱、等的設(shè)計(jì)依據(jù)。有機(jī)高溫?zé)彷d體(如聯(lián)苯、導(dǎo)熱姆等)和熔鹽的循環(huán)量 工業(yè)上使用這些高溫?zé)彷d體時(shí)一般都設(shè)計(jì)成循環(huán)系統(tǒng)(例如鄰二甲苯氧化工段就有熔鹽循環(huán)系統(tǒng)(見下圖),循環(huán)流程中有貯罐、換熱器或廢熱鍋爐、循環(huán)泵等設(shè)備，這些設(shè)備的重要設(shè)計(jì)參數(shù)是熱載體的循環(huán)量，而熱載體的循環(huán)量則是通過熱量衡算確定的。2.1 熱量衡算的主要任務(wù)(三大任務(wù))算出熱劑和冷劑的用量或冷熱物流比或溫度冷凍系統(tǒng)的制冷量和冷凍劑循環(huán)量 化工生產(chǎn)中常用液態(tài)氨、液態(tài)乙烯、液態(tài)丙烯、氟里昂等作為冷凍劑，通過熱衡算可確定冷凍系統(tǒng)制冷量和冷凍劑的循環(huán)量，作為設(shè)計(jì)冷凍系統(tǒng)的基本參數(shù)，下圖是氨合成工段的液氨冷凍

10、循環(huán)示意圖。換熱器冷、熱支路的物流比例 在化工生產(chǎn)流程中，常設(shè)置不經(jīng)過換熱器的冷支路以調(diào)節(jié)物料溫度通過熱衡算可確定進(jìn)換熱器和進(jìn)冷支路的物流比例。設(shè)備進(jìn)、出口的各股物料中某股物料的溫度(已知其他各股物料溫度) 最常見的例子是求算吸收塔塔底吸收劑的溫度,因塔底吸收劑的溫度是計(jì)算塔底處吸收推動(dòng)力的必備條件。2.1 熱量衡算的主要任務(wù)(三大任務(wù))整理其衡算結(jié)果, 列出熱平衡表和動(dòng)力消耗一覽表。動(dòng)力消耗一覽表（或綜合表）是初步設(shè)計(jì)說明書中的一部分內(nèi)容，在熱量衡算和設(shè)備選型、設(shè)備工藝計(jì)算完成后，就可以列出動(dòng)力消耗表。動(dòng)力消耗綜合表的一般形式見下表。在匯總各個(gè)設(shè)備所需要的冷卻水、加熱蒸汽、須考慮一定的裕量，

11、建議采用1.2-1.3的系數(shù)。2.1 熱量衡算的主要任務(wù)(三大任務(wù))動(dòng)力消耗一覽表(三聚氰胺裝置能量衡算結(jié)果換算)通過熱量衡算,以及加熱劑、冷卻劑等的用量計(jì)算,再結(jié)合設(shè)備計(jì)算與設(shè)備操作時(shí)間安排(在間歇操作中此項(xiàng)顯得特別重要)等工作,即可求出生成某產(chǎn)品的整個(gè)裝置的動(dòng)力消耗及每噸產(chǎn)品的動(dòng)力消耗定額,由此可得動(dòng)力消耗的每小時(shí)最大用量，每晝夜用量和年消耗量,并列表將計(jì)算結(jié)果匯總。以三聚氰氦生成裝置為例,其能量計(jì)算結(jié)果如下表正確繪制熱量衡算圖，研究分析并標(biāo)明進(jìn)出系統(tǒng)的熱流股運(yùn)用能量守衡定律，列出熱量衡算式，然后進(jìn)行計(jì)算。在運(yùn)算中，應(yīng)注意三點(diǎn)：選好各股熱流的計(jì)算方法；確定好各組分的的熱力學(xué)數(shù)據(jù)，如比焓、比

12、熱容、相變熱等，可以由手冊查閱或進(jìn)行估算；選擇合適的計(jì)算基準(zhǔn)。2.2 熱量衡算的基本方法 熱量衡算的基本方程式根據(jù)熱力學(xué)第一定律，能量衡算方程式的一般形式為：在熱量衡算中,如果無軸功條件下,進(jìn)入系統(tǒng)加熱量與離開系統(tǒng)的熱量應(yīng)平衡,即在實(shí)際中對傳熱設(shè)備的熱量衡算可表示為： 熱量的計(jì)算方法 熱量的計(jì)算基準(zhǔn)數(shù)量上的基準(zhǔn)：指用哪個(gè)量出發(fā)來計(jì)算熱量?？上劝?kmol或1kg物料為基準(zhǔn)計(jì)算熱量，然后再換算為以小時(shí)作基淮的熱量。也可以直接用設(shè)備的小時(shí)進(jìn)料量來計(jì)算熱量。后者更為常用。相態(tài)的基準(zhǔn)(亦稱為基準(zhǔn)態(tài))：在熱量衡算中之所以要確定基準(zhǔn)態(tài)，是因?yàn)樵跓岷馑阒袕V泛使用焓這個(gè)熱力學(xué)函數(shù)，焓沒有絕對值，只有相對于某一

13、基準(zhǔn)態(tài)的相對值，從焓表和焓圖中查到的焓值，其實(shí)是與所在焓圖或焓表的基準(zhǔn)態(tài)的焓差，而各種焓和焓表所采用的基準(zhǔn)態(tài)不一定是相同的，所以在進(jìn)行熱衡算時(shí)需要規(guī)定基準(zhǔn)態(tài)?；鶞?zhǔn)態(tài)可以任意規(guī)定，不同物料可使用不同的基準(zhǔn)，但對同一種物料，其進(jìn)口和出口的基準(zhǔn)態(tài)必須相同。某化工廠年產(chǎn)3000t31%的鹽酸,其工藝流程如下圖所示: 熱量衡算示例1. 已知條件合爐成氣體泠卻器膜式吸收器尾氣吸收器緩沖罐阻火器緩沖罐要求對泠卻器和膜式吸收器作熱量衡算H2Cl2400-50050水稀酸11%31%HCl50廢氣廢氣排污. 熱量衡算鹽酸生產(chǎn)的物料平衡如圖所示（31%鹽酸/h為基準(zhǔn)） 熱量衡算的基準(zhǔn)：0 泠卻部分熱量計(jì)算H Cl

14、泠卻器HCl泠卻器熱量衡算圖H Cl熔解熱Q2鹽酸帶出熱量Q出口氣體帶出熱量Q合成爐氣帶入熱量Q泠卻水帶走熱量Q熱損失Q某化工廠年產(chǎn)3000t31%的鹽酸工藝物料流程圖 根據(jù)熱量衡算式：輸入輸出 對于HCl氣體泠卻器，可得 Q1 + Q=Q3+Q4+Q5+Q6 各項(xiàng)熱量的計(jì)算Q1=450時(shí)合成爐氣中各氣體帶入的熱量之和QHCl+QN2+QH2+QCO+Q水蒸氣=59.15103Q2=0.1341.603103=214.8KJ/hQ3=0.354272.21=96.32KJ/hQ4=50時(shí)各氣體帶出的熱量之和=9.302103Q6可忽略不計(jì)Q5=Q1+Q2-Q3-Q449.97103KJ/h水:

15、3040,C=4.18KJ/kg. 根據(jù)熱平衡式：5=WC/t W=Q5/(Ct) =49.97/4.18(40-30)=1195KJ/h 泠卻器熱平衡表(103)泠卻水用量的計(jì)算帶入熱量，KJ/h 帶出熱量， KJ/h 進(jìn)口氣體帶入熱量Q1 59.15 進(jìn)口氣體帶出熱量Q3 9.3氣體溶解熱量Q2 0.2148鹽酸帶出熱量Q4 0.09632 泠卻水帶走熱量Q5 49.97 合 計(jì) 59.36 59.36 HCl氣體吸收部分熱量計(jì)算膜式吸收器吸收器熱量衡算圖HCl熔解熱Q3鹽酸帶出熱量Q5氣體帶出熱量Q稀鹽酸帶入熱量Q2泠卻水帶走熱量Q6設(shè)備熱損失Q7氣體帶入熱量Q1進(jìn)出吸收器熱量分析如下圖

16、所示設(shè)備熱損失忽略不計(jì)根據(jù)熱平衡關(guān)系可得: Q1+Q2+Q3=Q4+Q5+Q6各項(xiàng)熱量的計(jì)算Q1=50時(shí)各氣體帶入的熱量之和=9.302103Q2=WI=290.5217.7=63.25103KJ/hQ3=WI=(116.12-50.65)1.70103=111.6103KJ/hQ4=尾氣中各氣體帶出的熱量之和=3.926103Q5=WI=373.0201.074.97103KJ/hQ6=Q1+Q2+Q3-Q4-Q5=105.2103KJ/H泠卻水用量的計(jì)算水:3040,C=4.18KJ/kg. 根據(jù)熱平衡式：6=WC/t W=Q6/(Ct) =105.2103/4.18(40-30)=2.518103KJ/h 膜式吸收器熱平衡表(見下表,103)帶入熱量，KJ/h 帶出熱量， KJ/h