第四章物料衡算

第四章物料衡算第四章物料衡算1.教学⽬的与要求掌握化⼯过程物料衡算的基本⽅法，包括⽆化学反应的物料衡算、有化学反应的物料衡算。

2.主要教学内容物料衡算式、物料衡算的基本⽅法、⽆化学反应的物料衡算、有化学反应的物料衡算以及物料衡算的计算机解题。

3.重点与难点：重点：⽆化学反应及有化学反应的物料衡算⽅法难点：具有循环、排放及旁路过程的物料衡算4.学时分配： 8+6S 学时物料衡算是化⼯计算中最基本、也是最重要的内容之⼀，它是能量衡算的基础。

通常，物料衡算有两种情况，⼀种是对已有的⽣产设备或装置，利⽤实际测定的数据，算出另—些不能直接测定的物料量。

⽤此计算结果，对⽣产情况进⾏分析、作出判断、提出改进措施。

另⼀种是设计⼀种新的设备或装置，根据设计任务，先作物料衡算，求出进出各设备的物料量，然后再作能量衡算，求出设备或过程的热负荷，从⽽确定设备尺⼨及整个⼯艺流程。

物料衡算的理论依据是质量守恒定律，即在—个孤⽴物系中，不论物质发⽣任何变化，它的质量始终不变(不包括核反应，团为核反应能量变⽐⾮常⼤，此定律不适⽤)。

第⼀节物料衡算式4－1 化⼯过程的类型化⼯过程根据其操作⽅式可以分成间歇操作、连续操作以及半连续操作三类。

或⾏将其分为稳定状态操作和不稳定状态操作两类。

在对某个化⼯过程作物料或能量衡算时，必须先了解⽣产过程的类型。

间歇操作过程：4－2 物料衡算式物料衡算是研究某⼀个体系内进、出物料量及组成的变化。

根据质量守恒定律，对某⼀个体系，输⼊体系的物料量应该等于输出物料量与体系内积累量之和。

所以，物料衡算的基本关系式应该表⽰为；如果体系内发⽣化学反应，则对任⼀个组分或任⼀种元素作衡算时，必须把由反应消耗或⽣成的量亦考虑在内。

所以(4—1)式成为：上式对反应物作衡算时．由反应⽽消耗的量，应取减号，对⽣成物作衡算时，由反应⽽⽣成的量，应取加号。

但是，列物料衡算式时应该注意，物料平衡是指质量平衡，不是体积或物质的量(摩尔数)平衡。

化工中物料衡算和热量衡算公式一、物料衡算公式1.物料总量计算公式物料总量计算公式可以根据物质的密度（ρ）和体积（V）来计算。

公式如下：物料总量=密度×体积2.物料质量计算公式物料质量计算公式可以根据物质的密度（ρ）、体积（V）和物质的质量（m）之间的关系得出。

公式如下：质量=密度×体积3.物料浓度计算公式物料浓度计算公式可以根据溶质的质量（m）和溶液的体积（V）来计算。

公式如下：浓度=质量/体积4.溶液的重量和体积之间的关系溶液的重量可以根据溶液的密度（ρ）和溶液的体积（V）相乘得到。

公式如下：重量=密度×体积1.热量传递计算公式热量传递计算公式可以用于计算传热功率（Q）和传热面积（A）之间的关系。

公式如下：Q=h×A×ΔT其中，h为传热系数，ΔT为温差。

2.物料的热量计算公式物料的热量计算公式可以根据物料的质量（m）、比热容（Cp）和温度变化（ΔT）来计算。

公式如下：热量=质量×比热容×温度变化3.水的蒸发热计算公式水的蒸发热计算公式可以根据水的质量（m）和蒸发热（ΔHvap）来计算。

热量=质量×蒸发热三、补充说明1. 密度（ρ）是物质单位体积的质量，常用的单位有千克/立方米（kg/m^3）或克/立方厘米（g/cm^3）。

2. 比热容（Cp）是物质单位质量的热容量，表示单位质量物质温度升高1℃所需的热量，常用的单位是千焦/千克·℃（kJ/kg·°C）或焦/克·℃（J/g·°C）。

3.传热系数（h）是衡量热传导性能的参数，表示单位面积上的热量流入或流出的速率，常用的单位是瓦特/平方米·℃（W/m^2·°C）。

4.温度变化（ΔT）是物质的温度差，常用的单位是摄氏度（℃）或开尔文（K）。

5. 蒸发热（ΔHvap）是物质从液态转变为气态所需的热量，常用的单位是焦耳/克（J/g）或千焦/千克（kJ/kg）。

第四章物料衡算❖第一节概述❖第二节物料衡算基本理论❖第三节物料衡算举例4.1 概述❖4.1.1.物料衡算的重要性❖求出各种物料的数量和组成，设计由定性转入定量。

❖设计中，物料衡算是最先进行的计算项目，其结果是后续各单项设计的依据，物料衡算结果的直接关系到整个工艺设计可靠程度。

❖4.1.2.物料衡算的依据❖工艺流程示意图以及为物料衡算收集的有关资料。

4.1.3.物料衡算的作用❖将工艺流程示意图进一步深化，可绘制出物料流程图。

❖在物料衡算的基础上，可进行能量衡算、设备的选型或工艺设计，以确定设备的容积、台数和主要工艺尺寸、确定消耗定额、进行车间布置设计和管道设计。

❖对已投产的设备、装置、车间或工厂进行物料衡算，以寻找薄弱环节，为改进生产、完善管理提供可靠的依据❖可作为判断工程项目是否达到设计要求以及检查原料利用率和三废处理完善程度的一种手段。

4.1.4.物料衡算的类型❖按物质变化分为：❖物理过程的物料衡算❖化学过程的物料衡算❖按操作方式分为：❖连续过程的物料衡算❖间歇过程的物料衡算❖按衡算目的分为：4.2 物料衡算的基本理论4.2.1物料平衡方程式❖理论基础是质量守恒定律。

❖1.物理过程❖稳态过程，物料在体系内没有累积2.化学过程❖对于稳态过程使用上述各式时要注意以下几点：4.2.2 衡算基准❖1、时间基准❖对连续稳定流动体系，以单位时间作基准。

该基准可与生产规模直接联系❖对间歇过程，以处理一批物料的生产周期作基准。

❖2、质量基准❖对于液、固系统，因其多为复杂混合物选择一定质量的原料或产品作为计算基准。

❖若原料产品为单一化合物或组成已知，取物质量（mol）作基准更方便。

3、体积基准❖对气体选用体积作基准。

通常取标况下体积Nm3(Hm3)❖在进行物料衡算或热量衡算时，均须选择相应的衡算基准。

合理地选择衡算基准，不仅可以简化计算过程，而且可以缩小计算误差基准选取中几点说明：❖（1）上面几种基准具体选哪种（有时几种共用）视具体条件而定，难以硬性规定。

第四章物料衡算与能量衡算本设计的产量为320吨/年的清爽沐浴露，工作时间250天，则每天的产量：G1=320×1000÷250=1280Kg，根据本设计的特点选用的是间歇式的批量化生产工艺，本工厂设计每天的工作时数是8小时，并分2批进行生产。

则每批产量G2=1280÷2=640Kg 每批生产所需要的时间为8÷2=4h。

在生产过程中，由于设备的问题，如加热、冷却、过滤、包装和输送等都会造成原料和成品的不同程度的损失，对总的生产来说这个损失是不可忽略的，必须把损失量算入到总的生产量中去，本工厂设计设计的产品的收率都为97%，损失量为3%。

因此，沐浴露一年的实际原料用量：G=320÷97%=329.89t每天的实际原料用量: G‵=329.89×1000÷250=1319.56Kg每批的实际原料用量：G批=1319.56Kg÷2=659.78kg根据物料衡算式可知：∑G1=∑G2+∑G3，式中的∑G1表示输入原料的总量，∑G2表示为输出后的总量，∑G3表示生产过程中损失总量。

现以每批的原料为计算的基准，得：∑G1=659.78kg ，∑G2=∑G1×97%=659.78×97%=640kg ，∑G3=∑G1×3%=659.78kg×3%=19.79kg1.输入原料的用量如下：G MAP=∑G1×38.5%=494.84×38.5%=254.02kgG月桂酸=∑G1×11%=72.57 kgG乙二醇二硬脂酸酯=∑G1×2%=13.19kgG KOH =∑G1×3.8%=25.07 kgG5-羟磺酸甜菜碱=∑G1×6%=39.59 kgG羟乙基纤维素=∑G1×0.8%=5.28 kgG珠光片=∑G1×1.5%=9.90 kgG EDTA-2Na=∑G1×0.1%=0.66 kgG凯松=∑G1×0.1%=0.66kgG香精=∑G1×0.3%=1.98 kgG柠檬酸=∑G1×0.1%=0.66kgG M550=∑G1×1.6%=10.56 kgG薄荷脑=∑G1×0.5%=3.30kgG 水=∑G1×66.3%=437.43kg2.输出原料用量如下G MAP=∑G2×38.5%=640×38.5%=246.4kg G月桂酸=∑G2×11%=70.4 kgG乙二醇二硬脂酸酯=∑G2×2%=12.8kgG KOH =∑G2×3.8%=24.32kgG5-羟磺酸甜菜碱=∑G2×6%=38.4 kgG羟乙基纤维素=∑G2×0.8%=5.12kgG珠光片=∑G2×1.5%=9.6kgG EDTA-2Na=∑G2×0.1%=0.64 kgG凯松=∑G2×0.1%=0.64kgG香精=∑G2×0.3%=1.92 kgG柠檬酸=∑G2×0.1%=0.64kgG M550=∑G2×1.6%=10.24 kgG薄荷脑=∑G2×0.5%=3.5 kgG 水=∑G2×66.3%=424.32kg3. 由以上的数据可得沐浴露生产的物料衡算表如下：能量衡算已知能量衡算式如下：∑Q入=∑Q出+∑Q设备式中∑Q入表示物料进入时带入反应釜的热量，∑Q出表示物料带出时热量，∑Q设备表示设备带出的热量。

第4章物料衡算与热量衡算4.1 物料衡算物料衡算即是利用物料的能量守恒定律对其进行前后操作后物料总量与产品以及物料损失状况的计算方法，也就是进入设备用于生产的物料总数恒等于产物与物料损失的总量。

物料衡算与生产经济效益有着直接的关系。

物料衡算需要在知道产量和产品规格的前提下进行所需的原、辅材料量、废品量以及消耗量的计算。

物料衡算的意义：（1）知道生产过程中所需的热量或冷量；（2）实际动力消耗量；（3）能够为设备选型、台数、决定规格等提供依据；（4）在拟定原料消耗定额基础上，进一步计算日消耗量、时消耗量，能够为所需设备提供必要的基础数据。

4.1.1 年工作日的选取（1）年工作时间365-11（法定节假日）=354×24=8496（小时）（2）设备大修 25天/年=600小时/年（3）特殊情况停车 15天/年=360小时/年（4）机头清理、换网过滤 6次/年 8小时/次[354-(25+15)]×1/6次/天×8小时/次=396小时=16.5天=17天（5）实际开车时间365－11－25－15－17=297天8496－600－360－396=7140小时（6）设备利用系数K=实际开车时间/年工作时间=7140/8496=0.844.1.2 物料衡算的前提及计算（1）挤出成型阶段物料衡算的前提是应在已知产品规格和产量的前提下进行许多原辅材料量、废品量及消耗量的计算。

已知：PVC片材的年生产量为28500吨，其中物料自然消耗率为0.1%，产品合格率为94%，回收率为90%。

每年生产297天，二班轮流全天24小时生产。

物料衡算如下：年需要物料量M1=合格产品量/合格率=28500/0.94≈30319.15t年车间进料量M2= M1/（1-物料自然消耗率）=30319.15t /（1-0.1%）≈30349.50t年自然消耗量M3=M2-M1=30349.50-30319.15=30.35t年废品量M4=M1-合格产品量=30319.15-28500=1819.15t每小时车间处理物料量M5=30319.15/297/24h≈4.25t年回收物料量M6=M4×回收率=1819.15×90%≈1637.23t新料量（2）造粒阶段①确定各岗位物料损失率塑化造粒工段物料损耗系数②物料平衡计算进入本工序的物料量=出料量/（1-本工序的损失率）进入风送物料量：新造粒量：30319.15×（1-5%）=28803.19t（颗粒中需加入回收物料为总量的5%）进入输送的物料量：28803.19t /(1-0.2%)=28860.91t进入挤出造粒物料量：28860.91/(1-0.5%)=29005.94t进入冷混机的物料量：29005.94/(1-0.1%)=29034.98t进入高混机的物料量：29034.98/(1-0.1%)=29064.04进入筛选输送物料量：29064.04/(1-0.5%)=29210.09t（3）物料中各组分需求量物料中各组分需求量计算方法：（1）年组分需要量(t)物料年需要量×组分占整个物料量的百分比=组分年需要量（2）日组分需要量(t)年组分需要量÷实际开车天数（297）=日组分需要量（3）每小时组分需要量（kg）年组分需要量÷实际开车时（7140）=每小时组分需要量根据衡算，计算出实际每天需要量及日需要量和每小时需要量，见表表每年需要量及日需要量和每小时需要量根据计算画出物料衡算流程图29210.09吨/年→造粒工段→28803.19吨/年→挤出成型工段→285000吨/年↓↑↓406.9吨/年1515.96吨/年1819.15吨/年（总损失）（加回收料）（损失+下脚料）4.2热量衡算在热塑性塑料成型过程中，必须将原料进行加热至粘流态（高弹态）再成型，需要将加热量传递给塑料，成型后的冷却定型需要将热量除去。