第3章物料衡算和能量衡算

1 H gz u 2 Q Ws 2
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3. 热量衡算式及说明 ⑴ 热量衡算式 在反应器、蒸馏塔、蒸发器、换热器等化工设备中，W、Ek、 Ez与Q、 U和H的相比，可以忽略。总能量衡算式为： 封闭体系 Q = ∆U 敞开体系 Q = ∆H 对这些设备做能量衡算的实质就是进行热量衡算。
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(7) 选择计算基准； (8) 统计变量个数与方程个数，确定设计变量个数及全部设计变量。 (9) 整理并校核计算结果，并根据需要换算基准，最后列成表格即 物流表。 (10) 绘制物料流程图，编写物流表作为设计文件成果编入正式设计 文件。 三、物料衡算举例
化工设计电子课件Biblioteka 3.2 能量衡算 在物料衡算基础上进行能量衡算，能量衡算的步骤与物料衡算相同。 化工生产中，需要通过能量衡算解决的问题： ⑴ 确定物料输送机械和其他操作机械所需功率。 ⑵ 确定各单元过程所需热量或冷量及其传递速率。 ⑶ 化学反应所需的放热速率和供热速率。 ⑷ 做好余热综合利用。 能量衡算的基本方程式 根据热力学第一定律，能量衡算方程可写为： Q+W=E =Ek+Ep+U W = Wt +Ws，Wt为流动功，Ws为轴功；
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一、物料衡算依据 1. 理论依据——质量守恒定律
物料衡 算范围
单元操作的物料衡算——化工设备设计的前提 化工过程的物料衡算——化工过程设计的前提
物料衡算的一般表达式为： 输入量－输出量＋生成量－消耗量＝积累量 对稳定操作过程，积累量=0 输入量-输出量+生成量-消耗量=0 对无化学反应的过程： 输入量－输出量＝积累量
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4. 机械能衡算式 连续稳定流动过程的总能量衡算方程为：
1 H gz u 2 Q Ws 2
在一些单元操作中，Q、U与动能和位能变化及外功相比，相 对较小，如流体流入流出贮罐、贮槽、工艺设备、输送设备、废料排 放，管道流动等过程。 单位质量不可压缩流体流动时的机械能衡算式：
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第三章 物料衡算与能量衡算
Chart3 materiel balance and energy balance
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3.1 物料衡算 物料衡算—运用质量守恒定律，对化工过程或设备进行定量计算。 通过物料衡算解决以下问题： 计算原料消耗量、副产品量； 输出过程物料的损耗量及三废的生成量； 在物料衡算基础做能量衡算，计算蒸汽、水、电、煤或其他燃料的 消耗定额。 计算产品的技术经济指标。 为生产设备和辅助设备的选型及设计、管路设施与公用工程的设 计等方面提供依据。
连续稳定流动体系的热量衡算： Q = H 1 – H 2 或 Q = U1 –U2
实际计算时，还常使用下式： Qin = Qout Q1+ Q2+ Q3= Q4+ Q5+ Q6 Q1——物料带入热量； Q2——加热介质供给或输出的热量，输入为正，输出为负；
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Q3——过程的热效应，吸正放负；
Q4——物料带出热量； Q5——消耗在加热设备各部件上的热量； Q6——设备向四周的散热损失；
⑵ 热量衡算的步骤 ① 建立单位时间为基准的物料流程图或物料平衡表。 ②选定计算基准温度和计算相态：可选0℃(273K)、25℃(298K)或其 他温度作为基准温度。 ③在物料流程图上标明已知温度、压力、相态等条件，查出或计算每 个物料的焓值，标注在图上。 ④ 列出热量衡算式，用数学方法求解。 ⑤ 当生产过程及物料组成较复杂时，可列出热量衡算表。
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原辅材料、产品、中间产品的规格； 与过程有关有物理化学参数，如临界参数、密度或比体积、状态方 程参数、蒸汽压、气液平衡常数或平衡关系等。 (6) 列出过程全部独立物料平衡方程式及其相关约束式，对有化学反 应的还要写出化学反应方程式，指出其转化率和选择性。 分数约束式 约束式 设备约束式 ① 进料配比为一常数； ② 分流器出口物流具有相同的组成； ③ 相平衡常数； ④ 化学反应平衡常数； ⑤ 化学反应的转化率、选择性或其他限 度。
二、物料衡算基准
物料衡算时须选择计算基准，并在计算过程中保持一致。 一般计算过程的基准有以下几种：
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(1) 时间基准——对连续生产过程，常以单位时间(如d、h、s）的投料 量或产品量为计算基准。 (2) 批量基准——以每批操作或一釜料的生产周期为基准。 (3) 质量基准——当系统介质为液、固相时，选择一定质量的原料或 产品作为计算基准较适合。 (4) 物质的量基准：对于有化学反应的过程因化学反应的按摩尔进行 的，用物质的量基准更方便。 (5) 标准体积基准：对气体物料进行衡算，可采用标准体积基准， Nm3(STP)，既排除T、p的影响，又可直接换算为摩尔。 (6) 干湿基准：由于物料中均含有一定量的水分，选用基准时就有算 不算水分的问题。湿基计算水分，干基不计算水分。 实际计算时，必须根据具体情况选择合适的基准，过程的物料衡 算及能量衡算应在同一基准上进行。
gz u 2 / 2 p / h f he
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三、物料衡算的基本程序 (1) 确定衡算对象和范围，画出计算对象的草图。注意物料种类和走 向，明确输入和输出。 (2) 确定计算任务，明确已知项、待求项，选择数学公式，力求使计 算方法简化。 (3) 确定过程所涉及的组分，并对所有组分依次编号。 (4) 对物流的流股进行编号，并标注物流变量。 (5) 收集数据资料（设计任务所规定已知条件，与过程有关物理化学 参数）： 生产规模（设计任务所规定，t/年）和生产时间（指全年有效生 产天数300~330天/年，计约8000h）。 有关定额的技术指标，通常指产品单耗、配料比、循环比、固液 比、气液比、回流比、利用率、单程收率、回收率等等。
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1. 封闭体系的能量衡算方程 封闭体系特点：与环境只有能量交换，而无物质交换，如间歇操作过 程，体系物质的动能、位能、压力能无变化，则： U = Q + W
若体系与环境没有功的交换，即W = 0，则： Q =U 2. 流动体系的能量衡算方程——物料连续通过边界进出
能量输入速率-能量输出速率=能量积累速率 连续稳定流动过程的总能量衡算方程为： 1 U gz u 2 ( pv) Q W 2
对无化学反应的稳定操作过程：输入量＝输出量
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对有化学反应的过程：总物料衡算+元素衡算式 2. 数据基础 (1) 技术方案、操作方法、生产能力、年工作时。 (2) 建设单位或研究单位的要求、设计参数、小试及中试数据： 化工单元过程的化学反应式、原料配比、转化率、选择率、总收 率，催化剂状态、用量、回收方法、安全性能等； 原料及产品的分离方式，分离剂的用量，各步的回收率； 特殊化学品的物性：沸点、熔点、饱和蒸汽压、闪点等。 (3) 工艺流程示意图。