化工設計-3 物料衡算與能量衡算

化工設計任課教師：張宇第三章

物料衡算與能量衡算進行計算前，必須熟悉有關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化工過程的主要設備及全部進出物料，并選定所需的操作條件，再逐一進行計算。對生產(chǎn)過程中整個或局部過程進行衡算，可計算出主、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)率等各項技術經(jīng)濟指標，從而定量評述所選擇的工藝路線、生產(chǎn)方法及工藝流程在經(jīng)濟上是否合理，技術上是否先進。物料衡算與能量衡算物料衡算與能量衡算3.1物料衡算設計改造工藝流程和設備了解和控制生產(chǎn)操作過程核算生產(chǎn)過程的經(jīng)濟效益

物料衡算確定生產(chǎn)過程中物料比例和物料轉變的定量關系的過程，是化工工藝計算中最基本、最重要的內容之一。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備容量、數(shù)量及尺寸對設備進行最佳設計物料平衡在單位時間內進入體系的全部物料質量必定等于離開該體系的全部物料質量再加上損失掉的與積累起來的物料質量。理論依據(jù)質量守恒定律，即在一個孤立體系中不論物質發(fā)生任何變化(不包括核反應)，它的質量始終保持不變。物料衡算對已有的生產(chǎn)設備或過程利用實測的數(shù)據(jù)，計算出另一些不能直接測定的物料量。用此計算結果對生產(chǎn)情況進行分析，做出判斷，提出改進措施。設計一種新的設備或過程，由物料衡算求出進出各設備的物料量、組成。結合能量衡算，確定設備的工藝尺寸及整個工藝過程。物料平衡方程是指用數(shù)學式描述某一個體系內進出物料質量變化情況。體系是指物料衡算的范圍，根據(jù)實際需要人為選定。體系可以是一個或多個設備，也可是一個單元操作或整個化工過程。根據(jù)質量守恒定律，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、體系內積累、過程損失的物料質量。物料平衡方程對于體系內的任一組分或任一元素進行衡算，如體系內發(fā)生化學反應，則：式中：Xi為反應過程生成或消耗的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不積累物料，即連續(xù)穩(wěn)定的操作過程，則積累的物料質量A為零，總物料衡算式為：如體系內沒有化學反應，對任一組分或任一元素作衡算時Xi=0，則：物料平衡方程物料平衡是指質量平衡，而不是體積或物質的量mol平衡。若體系內有化學反應，則衡算式中各項以mol/h為單位時，必須考慮反應式中的化學計量系數(shù)。對于無化學反應體系，能列出獨立物料平衡式的最多數(shù)目等于輸入和輸出物流的組分數(shù)。寫平衡方程時要盡量使方程中所包含的未知數(shù)最少。列物料平衡式時注意事項1)畫出工藝流程示意圖：表達物料的流動變化情況，注明物料的名稱、數(shù)量、組成及流向，注明與計算有關的工藝條件，如相態(tài)、配比等。2)列出化學反應方程式：列出各過程的主副化學反應方程式，明確反應前后物料組成及各個組分之間的定量關系。注意：當副反應較多時，次要且所占比重小的副反應可以略去或將類型相近的合并。但產(chǎn)生有毒物質或明顯影響產(chǎn)品質量的副反應不能隨便略去。3)確定計算任務：分析數(shù)據(jù)資料，進一步明確已知項和待求的未知項。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)時間(根據(jù)任務書明確生產(chǎn)規(guī)模，大型化工裝置年工作7200h)，消耗定額、收率、轉化率，原料、輔助材料、產(chǎn)品的規(guī)格，與計算有關的物理化學常數(shù)。5)選擇計算基準：連續(xù)生產(chǎn)以一段時間如1h、1天，間歇生產(chǎn)以一釜或一批料的生產(chǎn)周期為計算基準。6)建立物料平衡方程，展開計算。7)整理并校核計算結果。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、蒸發(fā)、干燥、蒸餾。根據(jù)能量守恒定律，利用能量傳遞和轉化的規(guī)則，用以確定能量比例和能量轉變的定量關系的過程。有些過程能夠釋放大量能量，如燃燒、放熱化學反應過程等。能量衡算計算物料進入或帶出體系的能量能量核算目的對于新設計的生產(chǎn)車間：確定設備的熱負荷；根據(jù)設備熱負荷的大小、所處理物料的性質及工藝要求選擇傳熱器的型式、計算傳熱面積、確定設備的主要工藝尺寸；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。能耗是制造單位質量或體積產(chǎn)品能量消耗的費用，其不僅與生產(chǎn)的工藝路線有關，也與生產(chǎn)管理的水平有關。能量衡算解決問題

確定物料輸送設備(泵、壓縮機)和其他操作設備(攪拌、過濾)所需功率，以確定設備大小、尺寸及型號。確定各單元操作過程所需的熱量或冷量；計算換熱設備尺寸；確定加熱劑或冷卻劑的消耗量，為其他專業(yè)如供汽供水提供設計條件。確定為保持一定反應溫度所需移出或加入的熱傳遞數(shù)率，為反應器設計及選型提供依據(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用，并用來確定過程在經(jīng)濟上的可行性。能量衡算根據(jù)能量守恒定律，任何均相體系在Δt時間內的能量平衡關系，用文字表述如下：體系在Δt內產(chǎn)生的能量是指體系內因核反應所釋放的能量，故化工生產(chǎn)此項一般為零。體系在t+Δt時的能量體系在t時的能量在Δt內通過邊界進入體系的能量在Δt內通過邊界離開體系的能量體系在Δt內產(chǎn)生的能量-=+-熱量衡算熱量衡算在能量衡算中占主要地位，可以對單元設備或整個過程進行熱量衡算。熱量衡算方程式：輸入=輸出+損失對于單元設備，熱量衡算方程式：

Q1+Q2+Q3=Q4+Q5+Q6

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