第3章物料衡算和能量衡算

化工設計第三章物料衡算與能量衡算Chart3materielbalanceandenergybalance3.1物料衡算物料衡算—運用質量守恒定律，對化工過程或設備進行定量計算。通過物料衡算解決以下問題：計算原料消耗量、副產品量；輸出過程物料的損耗量及三廢的生成量；在物料衡算基礎做能量衡算，計算蒸汽、水、電、煤或其他燃料的消耗定額。計算產品的技術經濟指標。為生產設備和輔助設備的選型及設計、管路設施與公用工程的設計等方面提供依據(jù)。一、物料衡算依據(jù)

1.理論依據(jù)——質量守恒定律物料衡算范圍單元操作的物料衡算——化工設備設計的前提化工過程的物料衡算——化工過程設計的前提物料衡算的一般表達式為：

輸入量－輸出量＋生成量－消耗量＝積累量

對穩(wěn)定操作過程，積累量=0輸入量-輸出量+生成量-消耗量=0對無化學反應的過程：輸入量－輸出量＝積累量

對無化學反應的穩(wěn)定操作過程：輸入量＝輸出量

對有化學反應的過程：總物料衡算+元素衡算式2.數(shù)據(jù)基礎

(1)技術方案、操作方法、生產能力、年工作時。(2)建設單位或研究單位的要求、設計參數(shù)、小試及中試數(shù)據(jù)：化工單元過程的化學反應式、原料配比、轉化率、選擇率、總收率，催化劑狀態(tài)、用量、回收方法、安全性能等；原料及產品的分離方式，分離劑的用量，各步的回收率；特殊化學品的物性：沸點、熔點、飽和蒸汽壓、閃點等。(3)工藝流程示意圖。二、物料衡算基準

物料衡算時須選擇計算基準，并在計算過程中保持一致。一般計算過程的基準有以下幾種：(1)時間基準——對連續(xù)生產過程，常以單位時間(如d、h、s）的投料量或產品量為計算基準。(2)批量基準——以每批操作或一釜料的生產周期為基準。(3)質量基準——當系統(tǒng)介質為液、固相時，選擇一定質量的原料或產品作為計算基準較適合。(4)物質的量基準：對于有化學反應的過程因化學反應的按摩爾進行的，用物質的量基準更方便。(5)標準體積基準：對氣體物料進行衡算，可采用標準體積基準，Nm3(STP)，既排除T、p的影響，又可直接換算為摩爾。(6)干濕基準：由于物料中均含有一定量的水分，選用基準時就有算不算水分的問題。濕基計算水分，干基不計算水分。實際計算時，必須根據(jù)具體情況選擇合適的基準，過程的物料衡算及能量衡算應在同一基準上進行。三、物料衡算的基本程序

(1)確定衡算對象和范圍，畫出計算對象的草圖。注意物料種類和走向，明確輸入和輸出。(2)確定計算任務，明確已知項、待求項，選擇數(shù)學公式，力求使計算方法簡化。(3)確定過程所涉及的組分，并對所有組分依次編號。(4)對物流的流股進行編號，并標注物流變量。(5)收集數(shù)據(jù)資料（設計任務所規(guī)定已知條件，與過程有關物理化學參數(shù)）：

生產規(guī)模（設計任務所規(guī)定，t/年）和生產時間（指全年有效生產天數(shù)300~330天/年，計約8000h）。有關定額的技術指標，通常指產品單耗、配料比、循環(huán)比、固液比、氣液比、回流比、利用率、單程收率、回收率等等。原輔材料、產品、中間產品的規(guī)格；與過程有關有物理化學參數(shù)，如臨界參數(shù)、密度或比體積、狀態(tài)方程參數(shù)、蒸汽壓、氣液平衡常數(shù)或平衡關系等。(6)列出過程全部獨立物料平衡方程式及其相關約束式，對有化學反應的還要寫出化學反應方程式，指出其轉化率和選擇性。約束式分數(shù)約束式設備約束式①進料配比為一常數(shù)；②分流器出口物流具有相同的組成；③相平衡常數(shù)；④化學反應平衡常數(shù)；⑤化學反應的轉化率、選擇性或其他限度。(7)選擇計算基準；(8)統(tǒng)計變量個數(shù)與方程個數(shù)，確定設計變量個數(shù)及全部設計變量。(9)整理并校核計算結果，并根據(jù)需要換算基準，最后列成表格即物流表。(10)繪制物料流程圖，編寫物流表作為設計文件成果編入正式設計文件。三、物料衡算舉例

3.2能量衡算

化工生產中，需要通過能量衡算解決的問題：⑴確定物料輸送機械和其他操作機械所需功率。⑵確定各單元過程所需熱量或冷量及其傳遞速率。⑶化學反應所需的放熱速率和供熱速率。⑷做好余熱綜合利用。能量衡算的基本方程式

在物料衡算基礎上進行能量衡算，能量衡算的步驟與物料衡算相同。

根據(jù)熱力學第一定律，能量衡算方程可寫為：Q+W=E=Ek+Ep+UW=Wt+Ws，Wt為流動功，Ws為軸功；

1.封閉體系的能量衡算方程

封閉體系特點：與環(huán)境只有能量交換，而無物質交換，如間歇操作過程，體系物質的動能、位能、壓力能無變化，則：U=Q+W若體系與環(huán)境沒有功的交換，即W=0，則：Q=U

2.流動體系的能量衡算方程——物料連續(xù)通過邊界進出能量輸入速率-能量輸出速率=能量積累速率連續(xù)穩(wěn)定流動過程的總能量衡算方程為：3.熱量衡算式及說明

⑴熱量衡算式

在反應器、蒸餾塔、蒸發(fā)器、換熱器等化工設備中，W、Ek、Ez與Q、U和H的相比，可以忽略。總能量衡算式為：

封閉體系Q=?U

敞開體系Q=?H

對這些設備做能量衡算的實質就是進行熱量衡算。連續(xù)穩(wěn)定流動體系的熱量衡算：

Q=H1–H2或

Q=U1–U2實際計算時，還常使用下式：Qin=QoutQ1+Q2+Q3=Q4+Q5+Q6Q1——物料帶入熱量；Q2——加熱介質供給或輸出的熱量，輸入為正，輸出為負；Q3——過程的熱效應，吸正放負；Q4——物料帶出熱量；Q5——消耗在加熱設備各部件上的熱量；Q6——設備向四周的散熱損失；⑵熱量衡算的步驟

①建立單位時間為基準的物料流程圖或物料平衡表。②選定計算基準溫度和計算相態(tài)：可選0℃(273K)、25℃(298K)或其他溫度作為基準溫度。③在物料流程圖上標明已知溫度、壓力、相態(tài)等條件，查出或計算每個物料的焓值，標注在圖上。④列出熱量衡算式，用數(shù)學方法求解。⑤當生產過程及物料組成