1、1第三章第三章 物料衡算與能量衡算物料衡算與能量衡算 物料衡算與能量衡算是進行化工工藝過程設計物料衡算與能量衡算是進行化工工藝過程設計及技術經濟評價的基本依據。通過對全生產過程或及技術經濟評價的基本依據。通過對全生產過程或單元過程的物料和能量的衡算，計算得到：單元過程的物料和能量的衡算，計算得到： 1 1）主、副產品產量；）主、副產品產量； 2 2）原材料的消耗定額，過程的物料損耗；）原材料的消耗定額，過程的物料損耗； 3 3）“三廢三廢”的生成量及組成；的生成量及組成； 4 4）水、電、汽或其他燃料等消耗定額；）水、電、汽或其他燃料等消耗定額； 5 5）設計物料流程圖。）設計物料流程圖。 2

2、 根據物料衡算和能量的衡算結果，可以：根據物料衡算和能量的衡算結果，可以： 1 1）對生產設備進行設計和選型；）對生產設備進行設計和選型； 2 2）確定產品成本等各項技術經濟指標，從而）確定產品成本等各項技術經濟指標，從而可以定量地評述所選擇的工藝路線、生產方法及可以定量地評述所選擇的工藝路線、生產方法及工藝流程在經濟上是否合理，技術上是否先進。工藝流程在經濟上是否合理，技術上是否先進。3物料衡算物料衡算 一、物料衡算的概念：一、物料衡算的概念： 在化工過程中，物料平衡是指在化工過程中，物料平衡是指“在單位時間在單位時間內進入系統（體系）的全部物料質量必定等于離內進入系統（體系）的全部物料質量

3、必定等于離開該系統（體系）的全部物料質量再加上損失掉開該系統（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。的與積累起來的物料質量。” ” 對物料平衡進行計對物料平衡進行計算稱為物料衡算。算稱為物料衡算。 物料平衡的理論依據是物料平衡的理論依據是質量守恒定律質量守恒定律，即在，即在一個孤立體系中不論物質發生任何變化一個孤立體系中不論物質發生任何變化( (不包括核不包括核反應反應) )它的質量始終保持不變。它的質量始終保持不變。4二、物料衡算的分類二、物料衡算的分類1 1、按操作方式、按操作方式 分為間歇操作、連續操作及半連續操作等三分為間歇操作、連續操作及半連續操作等三 類物料衡算。

4、類物料衡算。2 2、按狀態、按狀態 將其分為穩定狀態操作和不穩定狀態操作兩類將其分為穩定狀態操作和不穩定狀態操作兩類 衡算。衡算。3 3、按衡算范圍、按衡算范圍 分為單元操作過程分為單元操作過程( (或單個設備或單個設備) )和和全流程全流程的兩的兩 類物料衡算。類物料衡算。5三、物料平衡方程式三、物料平衡方程式 1 1、概念：、概念：根據質量守恒定律，對某一個體系內質根據質量守恒定律，對某一個體系內質量流動及變化的情況用數學式描述物料平衡關系則量流動及變化的情況用數學式描述物料平衡關系則為物料平衡方程式。其基本表達式為：為物料平衡方程式。其基本表達式為： F0=D+A+B 式中，式中，F0

5、輸入體系的物料質量；輸入體系的物料質量； D 離開體系的物料質量；離開體系的物料質量； A 體系內積累的物料質量；體系內積累的物料質量； B 損失的物料質量損失的物料質量( (如跑、冒、滴、漏如跑、冒、滴、漏) ) 62 2、注意的事項、注意的事項(1)(1)物料平衡是指質量平衡，不是體積或物質的物料平衡是指質量平衡，不是體積或物質的量量( (摩爾數摩爾數) )平衡。若體系內有化學反應，則平衡。若體系內有化學反應，則衡算式中各項用摩爾時為單位時，必須考衡算式中各項用摩爾時為單位時，必須考慮反應式中的化學計量系數慮反應式中的化學計量系數 。 (2)(2)對于無化學反應體系，能列出獨立物料平衡對于

6、無化學反應體系，能列出獨立物料平衡式的最多數目等于輸入和輸出的物流里的組式的最多數目等于輸入和輸出的物流里的組分數。分數。(3)(3)在寫平衡方程式時，要盡量使方程式中所包在寫平衡方程式時，要盡量使方程式中所包含的未知數最少。含的未知數最少。 三、物料平衡方程式三、物料平衡方程式7 1 1、畫出流程示意圖、畫出流程示意圖 稀溶液稀溶液二次蒸汽二次蒸汽F, wFW加熱蒸汽加熱蒸汽冷凝水冷凝水提濃液提濃液B，wB四、物料衡算的步驟四、物料衡算的步驟82 2、列出主、副化學反應式、列出主、副化學反應式3 3、確定計算任務、確定計算任務4 4、收集數據資料（、收集數據資料（生產規模、時間，收率、轉化生

7、產規模、時間，收率、轉化率，原材料及產品規格，有關物理化學常數）率，原材料及產品規格，有關物理化學常數）5 5、選定計算基準、選定計算基準（時間，質量，體積）（時間，質量，體積）6 6、建立物料平衡方程，展開計算、建立物料平衡方程，展開計算7 7、整理并校核計算結果、整理并校核計算結果8 8、繪制物料流程圖、填寫物流表、繪制物料流程圖、填寫物流表四、物料衡算的步驟四、物料衡算的步驟91無反應無反應例例1 采用蒸發方法將濃度為采用蒸發方法將濃度為10NaOH及及10NaCl的水溶液進行濃縮。蒸發時只有部分水分汽化成的水溶液進行濃縮。蒸發時只有部分水分汽化成為水蒸氣而逸出，部分為水蒸氣而逸出，部分

8、NaCl結晶成晶粒而留在結晶成晶粒而留在母液中。操作停止后，分析母液的成分為：母液中。操作停止后，分析母液的成分為：50NaOH，2NaCl及及48H2O。若每批處理。若每批處理1000 kg原料液，試求每批操作中：原料液，試求每批操作中：1)獲得的母液量，獲得的母液量，2)蒸發出的水分量，蒸發出的水分量，3)結晶出的結晶出的NaCl量。量。五、物料衡算計算舉例五、物料衡算計算舉例1011計算過程計算過程解：解：本題為間歇過程，因此以每批處理量為基準進本題為間歇過程，因此以每批處理量為基準進行物料衡算。流程示意圖行物料衡算。流程示意圖2-2組分物料衡算：組分物料衡算：NaOH平衡平衡 1000

9、 x 0.1 = 0.5F4NaCl平衡平衡 1000 x 0.1 = 0.02F4 + F3H2O平衡平衡 1000(1-0.1-0.1)= F2 + 0.48F4解方程得：解方程得： F2 = 704kg，F3 = 96kg，F4 = 200kg122.有反應有反應例例2 甲醇制造甲醛的反應過程為：甲醇制造甲醛的反應過程為： CH30H + 1/2 O2 HCHO + H20 反應物及生成物均為氣態，若使用反應物及生成物均為氣態，若使用50的過的過量空氣，且甲醇的轉化率為量空氣，且甲醇的轉化率為75，試計算反，試計算反應后氣體混合物的摩爾組成。應后氣體混合物的摩爾組成。五、物料衡算計算舉例

10、五、物料衡算計算舉例13解：解： 畫出流程圖畫出流程圖 空氣空氣(過量過量50%)CH3OHHCHOH2ON2催化催化反應器反應器CH3OH計算過程計算過程14基準：基準：1 mol CH3OH根據反應方程式根據反應方程式 O2(需要需要)= 0.5 mol； O2(輸入輸入)= 1.5 0.5 = 0.75 mol； N2(輸入輸入)= N2(輸出輸出)= 0.75(79/21)= 2.82 molCH3OH為限制反應物為限制反應物反應的反應的CH3OH = 0.75 1 = 0.75 mol因此，因此，HCHO(輸出輸出)= 0.75mol CH3OH(輸出輸出)= 1-0.75=0.25

11、mol O2(輸出輸出)= 0.75-0.75x0.5=0.375mol H2O(輸出輸出)= 0.75mol15計算結果計算結果組分組分molmol%CH3OH0.2505.0HCHO0.75015.2H2O0.75015.2O20.3757.6N22.82057.0總計總計4.945100.016一、能量衡算定義一、能量衡算定義 根據能量守恒定律，利用能量傳遞和轉化根據能量守恒定律，利用能量傳遞和轉化的規則，用以確定能量比例和能量轉變的定量的規則，用以確定能量比例和能量轉變的定量關系的過程稱為能量衡算。關系的過程稱為能量衡算。能量衡算能量衡算17二、能量衡算可以解決的問題二、能量衡算可以解

12、決的問題(1)(1)確定物料輸送機械和其它操作機械所需要的功率；確定物料輸送機械和其它操作機械所需要的功率；(2)(2)確定各單元操作過程所需熱量或冷量，及其傳遞確定各單元操作過程所需熱量或冷量，及其傳遞速率；計算換熱設備的工藝尺寸；確定加熱劑或速率；計算換熱設備的工藝尺寸；確定加熱劑或冷卻劑的消耗量，為其他專業如供汽、供冷、供冷卻劑的消耗量，為其他專業如供汽、供冷、供水專業提供設條件；水專業提供設條件； (3)(3)化學反應常伴有熱效應，導致體系的溫度上升或化學反應常伴有熱效應，導致體系的溫度上升或下降，為此需確定為保持一定反應溫度所需的移下降，為此需確定為保持一定反應溫度所需的移出或加入的

13、熱傳遞速率；出或加入的熱傳遞速率； 18二、能量衡算可以解決的問題二、能量衡算可以解決的問題(4)(4)為充分利用余熱，必須采取有效措施，使過程的為充分利用余熱，必須采取有效措施，使過程的總能耗降低到最低程度。為提高能量利用率，降總能耗降低到最低程度。為提高能量利用率，降低能耗提供重要依據。低能耗提供重要依據。(5)(5)最終確定總需求能量和能量的費用。最終確定總需求能量和能量的費用。19 能量衡算平衡方程式能量衡算平衡方程式 E = Q - W E:表示體系能量總變化；表示體系能量總變化； Q: 表示體系從環境吸收的熱量；表示體系從環境吸收的熱量； W: 表示環境對體系所做的功。表示環境對體

14、系所做的功。三、能量平衡方程式三、能量平衡方程式201 1、熱量衡算有兩種情況：、熱量衡算有兩種情況： 1 1）對單元設備做熱量衡算；）對單元設備做熱量衡算； 2 2）整個過程的熱量衡算。）整個過程的熱量衡算。 （當各個工序或單元操作之間有熱量交換時，（當各個工序或單元操作之間有熱量交換時，必須做全過程的熱量衡算。）必須做全過程的熱量衡算。）四、熱量衡算四、熱量衡算212 2、熱量衡算方程式、熱量衡算方程式 Q入入= Q出出 + Q損損 式中式中:Q入入 一輸入設備熱量總和；一輸入設備熱量總和； Q出出 輸出設備熱量總和；輸出設備熱量總和； Q損損 損失熱量總和。損失熱量總和。四、熱量衡算四、

15、熱量衡算223 3、熱量衡算步驟、熱量衡算步驟(1)(1)繪制以單位時間為基準的物料流程圖，確定熱量平繪制以單位時間為基準的物料流程圖，確定熱量平衡范圍；衡范圍；(2)(2)在物料流程圖上標明已知在物料流程圖上標明已知T T、P P、相態等已知條件；、相態等已知條件；(3)(3)選定計算基準溫度。由于手冊、文獻上查到的熱力選定計算基準溫度。由于手冊、文獻上查到的熱力學數據大多數是學數據大多數是273K273K或或298K298K的數據，故選此溫度為的數據，故選此溫度為基準計算比較方便。相態的確定也很重要；基準計算比較方便。相態的確定也很重要；(4)(4)列出熱量衡算式，然后用數學方法求解未知值

16、；列出熱量衡算式，然后用數學方法求解未知值；(5)(5)整理并校核計算結果，列出熱量平衡表。整理并校核計算結果，列出熱量平衡表。四、熱量衡算四、熱量衡算234 4、進行熱量衡算注意事項、進行熱量衡算注意事項(1)(1)熱量衡算時要先根據物料的變化和走向，認熱量衡算時要先根據物料的變化和走向，認真分析熱量間的關系，然后根據熱量守衡定律真分析熱量間的關系，然后根據熱量守衡定律列出熱量關系式。列出熱量關系式。(2)(2)要弄清楚過程中出現的熱量形式，以便搜集要弄清楚過程中出現的熱量形式，以便搜集有關的物性數據。有關的物性數據。四、熱量衡算四、熱量衡算24(3)(3)計算結果是否正確適用，關鍵在于數據

17、的正確計算結果是否正確適用，關鍵在于數據的正確性和可靠性。性和可靠性。(4)(4)間歇操作設備，傳熱量間歇操作設備，傳熱量Q隨時間而變化，因此隨時間而變化，因此要用不均衡系數將設備的熱負荷由要用不均衡系數將設備的熱負荷由kJ/臺換算臺換算為為kJ/h。(5)(5)選定設備的換熱面積要大于理論計算。選定設備的換熱面積要大于理論計算。 4 4、進行熱量衡算注意事項、進行熱量衡算注意事項四、熱量衡算四、熱量衡算25例例1 某化工廠計劃利用廢氣的廢熱，進入廢熱鍋爐某化工廠計劃利用廢氣的廢熱，進入廢熱鍋爐的廢氣溫度為的廢氣溫度為450，出口廢氣的溫度為，出口廢氣的溫度為260，進入鍋爐的水溫為進入鍋爐的水溫為25，產生的飽和水蒸氣溫，產生的飽和水蒸氣溫度為度為233.7，3.0MPa，(絕壓絕壓)，廢氣的平均熱，廢氣的平均熱容為容