第3章_物料衡算

2005-09-26
化工设计
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3.1 物料衡算
• 例1 某化工厂要求设计一套从气体中回收丙酮的装置系统，流 程框图如下，要求由已知资料，计算各物流的流率 （kg/h），以便进行设备设计。
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3.1 物料衡算
• 解：
由于除空气进料后的其余组成均是以质量百分数表示的， 所以取基准：100 kmol 气体进料。因此，将空气—— 丙酮的摩尔分率转换成质量分率
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3.2 热量衡算
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3.3 化工计算基础数据及来源
• 在化工计算以及化工工艺和设备设计中，必不可 少地要用到有关化合物的物性数据。例如，进行 化工过程物料与能量衡算时，需要用到密度或比 容、沸点、蒸汽压、烩、热容及生成热等等的物 性数据；设计一个反应器时，则需要知道化学反 应热的数据；计算传热过程时，需要导热系数的 数据等等。这些数据习惯上称为“化工基础数 据”，它是由物料本身的物理化学性质所决定的。 因此，又被称作“物化数据”或“物性数据”。
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3.2 热量衡算
• 方法
– 计算依据 热力学第一定律（能量守恒定律） – 平衡方程
Q W H g h u 2/2
在进行设备设计时，位能变化、动能变化、 外功等项相对较小，可忽略。所以流动系统的 能量衡算式为
H Q
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3.2 热量衡算
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3.2 热量衡算
分解液组成
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化工设计第3章物料衡算与能量衡算在化工设计中，物料衡算与能量衡算是非常重要的步骤。

物料衡算主要是指对化工过程中所使用的各种原材料的进出量进行计算，能够帮助工程师了解原料的使用情况，为后续的工艺设计提供依据。

而能量衡算则是对化工过程中的能量转化进行计算，可以获得能量消耗和产生的数据，有助于优化能源利用，提高生产效益。

物料衡算的主要步骤包括：确定物料流程图、编制原料清单、计算物料进出量和考虑损失。

首先，需要根据工艺流程确定物料的流向，画出物料流程图，明确物料的进出口。

然后，根据物料流程图编制原料清单，列出每种原料及其使用量。

接下来，根据反应方程式和化学平衡计算物料的进出量。

最后，要考虑到物料的损失情况，例如挥发、流失和反应损失等，并对损失量进行合理估计。

能量衡算的主要步骤包括：确定能量流程图、计算能量损失和能量转化。

首先，需要根据工艺流程确定能量的流向，画出能量流程图，明确能量的进出口。

然后，根据各个过程单元的热平衡计算能量的损失，例如由于传热而损失的热量。

接着，需要计算能量的转化，例如燃料的燃烧、蒸汽的产生等。

最后，通过能量衡算可以得到能量的消耗和产生数据，为能源优化提供依据。

物料衡算和能量衡算的结果可以互相影响。

例如，在物料衡算中，如果其中一种原料的进出量大幅增加，会导致能量的消耗也增加。

而在能量衡算中，如果能源的利用率提高，能够减少原料的消耗。

因此，在进行物料衡算和能量衡算时，需要综合考虑两者的关系，以达到优化生产效益的目的。

总之，物料衡算和能量衡算是化工设计过程中非常重要的环节。

通过对物料和能量的计算和衡算，可以获得关键数据，为后续的工艺设计和能源优化提供依据，提高生产效益，降低成本。

因此，对于化工工程师来说，掌握物料衡算和能量衡算的方法和技巧非常重要。

第三章物料衡算3.1 概述1.概念：根据质量守恒定律,以生产过程或生产单元设备为研究对象,对其进出口处进行定量计算,称为物料衡算。

2.意义：通过物料衡算可以计算原料与产品间的定量转变关系，并计算各种原料的消耗量，各种中间产品、副产品的产量、损耗量及组成。

物料衡算是所有工艺计算的基础，通过物料衡算可确定设备容积、台数、主要尺寸，同时可进行热量衡算、管路尺寸计算等。

3.2 物料衡算的基础物料衡算的基础是物质的守恒定律，即进入一个系统的全部物料量必等于离开系统的全部物料量，再加上过程中的损失量和在系统中的积累量。

亦即：∑m1＝∑m2＋∑m3＋∑m4式中∑m1—输入物料量总和，kg；∑m2—输出物料总量和，kg；∑m3—物料损失量总和，kg；∑m4—物料积累量总和，kg；当系统内物料积累量为零时，上式可写成：∑m1＝∑m2＋∑m33.3 物料衡算的基准1. 间歇式操作过程：常采用一批原料为基准进行计算2. 连续式操作过程：可采用单位时间产品数量或原料量为基准进行计算。

3. 本设计的生产方式为间歇式生产。

4. 包装形式：纸板桶，25kg/桶。

3.4 物料衡算的过程3.4.1 生产规程本次设计内容为化学原料药多功能生产车间工程项目，该车间拟生产阿齐沙坦〔产品年产量为25t/a〕。

该工厂每年根据节假日、设备维护与工艺验证时间，全年生产时间为250天。

生产组织根据车间工艺要求可采用以下倒班方式：倒班方式一：3 班制／天，每天生产时间24 h〔0:00-24:00〕，每周工作5 天；倒班方式二：2 班制／天，每天工作16 h〔7:00-23:00〕，每周工作7 天;注：倒班方式任选其中1 种或2 种组合；结晶釜日常连续运行不纳入倒班时间。

3.4.2 原辅料衡算过程1. 阿齐沙坦原辅料衡算过程每批产生硫辛酸4 桶，包装规格25kg ／桶，一批的产量为：4×25=100kg生产一批阿齐沙坦需要AZ-5量为：100÷÷÷÷÷÷÷×0.99=270.29kg杂质含量：273.02－270.29=2.73kg (1) 环合工序物料衡算投料量：×0.5=136.51kg×0.80=218.42kg×0.2=54.60kg×0.20=54.60kgAZ-6(2) 加成工序物料衡算投料量：×0.91=248.4 5kg÷0.8=310.56kg×0.2=62.11kg环合工序物料衡算结果(2) 加成工序物料衡算投料量：×0.91=248.4 5kg×1.02=253.42kg盐酸羟胺×1.20=298.14kg×4.80=1192.56kg×3.66=909.33kg乙醇：248.4 5×加成工序物料衡算结果(3) 缩合工序物料衡算投料量：××0.2=37.28kg×0.28= 52.17kg×4.12=767.71kg×缩合工序物料衡算结果(4) 环合工序物料衡算投料量：××3.20=488.95kg×÷×环合工序物料衡算结果(5) 水解工序物料衡算投料量：××6.6=816.87kg×0.25=30.94kg×0.15=18.57kg水解工序物料衡算结果(6) 精制工序物料衡算①投料量：××4.00=435.66kg×0.10=10.89kg(7) 粉碎包装按要求粉碎、总混、内包、外包、入库。

例题： • 两种组成不同的煤气在预热器中混合。并从25℃加热到127℃，
以供燃烧炉使用。两种煤气的流量分别为0.4kmol/s和0.1kmol/s。 预热器的热损失为150kJ/s。试计算预热器应提供的热量。 计算中煤气的焓取下列数值： 25℃时，第一种煤气为765kJ／kmol；第二种煤气为846kJ／kmol。 127℃时，混合煤气的焓值为3640kJ／kmol。
p
' c
和假临界温度
T
' c
，求得
混合气体的对比压力和对比温度，
解： 以1s为计算基准。根据公式：
( ) ∑ ∑ ( ) ∑ Q =n iH io- utn jH jin
Q Q 提 ＋ Q 供 损 Q 提 1 供 k 5J0
H o＝ u ( 0 t .4 0 .1 ) 3k 6 J 1 4k 8 0J 20
H in ( 0 . 4 7 0 6 . 1 8 5 ) k 4 3 J 6 . 6 k 9J 0
• 例题： 已知常压下气体甲烷0～t℃的平均定压摩尔热容数据如下：
• 试求常压下甲烷在200℃到800℃温度范围的平均定压摩尔热容， 并计算15kmol甲烷在常压下从800℃降温到200℃所放出的热量。
解：假设如下热力学途径：
• 从 C p,m t 表中查得，
Cp,m3.9 6k6J/k ( mK o)l Cp,m5.5k6J/k ( mK o)l
• 1、热容 • 2、焓 • 3、汽化热 • 4、反应热
1. 热容
(1)热容与温度的关系 • 热容是给定条件下，系统每升高1K所吸收的热。随温度
而变。根据过程不同，用分为等压热容和等容热容。 • 描述定压热容Cp与温度之间的关系一般有三种方法：