化工设计概论-__物料衡算及能量衡算.ppt

第五章 物料衡算与能量衡算 物料衡算与能量衡算是进行化工工艺过程设计及技术经济评价的基本依据。通过对全生产过程或单元过程的物料和能量的衡算，计算得到： 1）主、副产品产量； 2）原材料的消耗定额，过程的物料损耗； 3）“三废”的生成量及组成； 4）水、电、汽或其他燃料等消耗定额； 5）设计物料流程图。 第五章 物料衡算与能量衡算 根据物料衡算和能量的衡算结果，可以： 1）对生产设备进行设计和选型； 2）确定产品成本等各项技术经济指标，从而可以定量地评述所选择的工艺路线、生产方法及工艺流程在经济上是否合理，技术上是否先进。 第一节 物料衡算 物料衡算的概念： 物料平衡的理论依据是质量守恒定律，即在一个孤立体系中不论物质发生任何变化(不包括核反应)它的质量始终保持不变。 系统中的积累=输入-输出+生成-消耗 注：生成或消耗是因化学反应生成或消耗的量；积累项可正可负。 积累项=0，稳态过程，输入=输出-生成+消耗 无化学反应，输入=输出 物料衡算的分类 1、按操作方式 分为间歇操作、连续操作两类物料衡算； 2、按状态 将其分为稳定状态操作和不稳定状态操作两类 衡算。 3、按衡算范围 分为单元操作过程(或单个设备)和全流程的两 类物料衡算； 4、按衡算对象 总质量衡算、组份衡算、元素衡算；可参考表5-1 物料平衡方程式 根据质量守恒定律，对某一个体系内质量流动及变化的情况用数学式描述物料平衡关系则为物料平衡方程式。其基本表达式为： ∑F0=∑D+A+∑B　 　 式中，F0—输入体系的物料质量； D— 离开体系的物料质量； A— 体系内积累的物料质量； 　　 B— 损失的物料质量(如跑、冒、滴、漏) 物料衡算的步骤 1、画出流程示意图（框图） 物料衡算步骤 2、收集数据资料（生产规模、时间，收率、转化率，原材 料及产品规格，有关物理化学常数） 3、确定由物料平衡求解的任务 4、确定计算的范围（系统的边界） 5、列出主、副化学反应式 6、约束条件（归一方程、恒沸组成、相平衡数据） 7、选定计算基准（时间，质量，体积，干湿基准，例5-1） 8、建立物料平衡方程，计算（流体流量及组成，能量衡算等） 9、整理并校核计算结果（绘制物料流程图、填写物流表） 10、结论（说明题意求解的问题，计算误差的范围） 列物料平衡式时应注意的事项 (1)物料平衡是指质量平衡，不是体积或物质的量(摩尔数)平衡。若体系内有化学反应，则衡算式中各项用摩尔／时为单位时，必须考虑反应式中的化学计量系数 。 列物料平衡式时应注意的事项 (2)对于无化学反应体系，能列出独立物料平衡式的最多数目等于输入和输出的物流里的组分数。 (3)在写平衡方程式时，要尽量使方程式中所包含的未知数最少。 物料平衡的一般分析 进料-------出料 物料：单组份、多组分；均相、非均相。 已知物流的流量及组成——物料及组分衡方程式——求解未知物流的流量和组成 等式： 1）物料平衡方程式（三类） 2）物流的约束式（归一、恒沸、相平衡、溶解度等） 3）设备的约束式 物料平衡的一般分析 变量： Nv=Ns(Nc+1)+Np 设计变量(需要赋值的变量)： Nd=Nv-Ne 要求给定的设计变量数刚好等于需要的个数，否则会出现矛盾或无解的情况。 原材料的消耗定额 （1）转化率（化学反应进程的标志） 反应物的反应量/反应物的进料量 （2）选择性 目标产物所消耗的反应物的量/被转化掉的原料的量 (3) 收率 目标产物所消耗的反应物的量/反应物的进料量 =转化率×选择性 （4）限制反应物（最小化学计量存在的反应物） （5）过量反应物（超过最小化学计量的反应物） 过量度=（输入量-需要量）/需要量 物料衡算计算举例 1．无反应 例1 采用蒸发方法将浓度为10％NaOH及10％NaCl的水溶液进行浓缩。蒸发时只有部分水分汽化成为水蒸气而逸出，部分NaCl结晶成晶粒而留在母液中。操作停止后，分析母液的成分为：50％NaOH，2％NaCl及48％H2O。若每批处理1000 kg原料液，试求每批操作中：1)获得的母液量，2)蒸发出的水分量，3)结晶出的NaCl量。 计算过程 物料衡算计算