{生产物料管理}物料衡算与能量衡算培训讲义PPT79页

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1、化工设计,第三章 物料衡算与能量衡算 Chart3 materiel balance and energy balance,主 要 内 容,物料衡算 能量衡算 化工模拟软件在化工设计中的应用,2,物料衡算的目的和意义,1、确定主、副产品的产量，原材料的消耗量，生产过程的物料损耗，各单元设备的流体流量及其组成以及“三废”的生成量判断是否达到设计要求（产品的技术经济指标）。 2、作为能量衡算的基础。 3、根据物料及能量衡算结果对生产设备和生产辅助设备进行设计和选型，对过程所需设备的投资及其可行性进行评价。,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。,一、物料衡算依据

2、,1. 理论依据质量守恒定律,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,对无化学反应的稳定操作过程：输入量输出量,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。,二、

3、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：, 时间基准： 连续（小时，天） 间歇（釜，批） 质量基准 kg，mol， kmol 体积基准 m3（STP） 干湿基准 干基（不含水），湿基（含水） 例：100kg湿物料，其中含水10kg，按 湿基：含水率为10%； 若按干基：含水率为10/（100-10）100%=11.11%,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。,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

4、，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300330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。,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

5、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。,约束式,分数约束式,设备约束式, 进料配比为一常数； 分流器出口物流具有相同的组成； 相平衡常数； 化学反应平衡常数； 化学反应的转化率、选择性或其他限度。,画出流程示意图。 列出已知数据。 列出由物料平衡所需求解的问题。 决定系统的边界。 写出主、副产品的化学反应方程式。 约束条件确定。 选择计算基准。 进行物料平衡计算。 列出物料平衡表，并进行校核。 写出结论。,物料衡算的方法和步骤,一种废酸，组成为23(质量)HNO3，57H2SO4和20H2O，加入93的浓H2SO4及90的浓HNO3 ，

6、要求混合成27 HNO3及60 H2SO4的混合酸，计算所需废酸及加入浓酸的数量。,混合器,浓硝酸,画出流程示意图。 列出已知数据。 列出由物料平衡所需求解的问题。 决定系统的边界。 写出主、副产品的化学反应方程式。 约束条件确定。 选择计算基准。 进行物料平衡计算。 列出物料平衡表，并进行校核。 写出结论。,物料衡算的方法和步骤,一种废酸，组成为23(质量)HNO3，57H2SO4和20H2O，加入93的浓H2SO4及90的浓HNO3 ，要求混合成27 HNO3及60 H2SO4的混合酸，计算所需废酸及加入浓酸的数量。,混合器,浓硝酸 HNO3 H2O,浓硫酸 H2SO4 H2O,HNO3

7、0.23 H2SO4 0.57 H2O 0.20,HNO3 H2SO4 H2O,0.90 0.10,0.93 0.07,0.27 0.60 0.13,画出流程示意图。 列出已知数据。 列出由物料平衡所需求解的问题。 决定系统的边界。 写出主、副产品的化学反应方程式。 约束条件确定。 选择计算基准。 进行物料平衡计算。 列出物料平衡表，并进行校核。 写出结论。,物料衡算的方法和步骤,混合器,HNO3 0.23 H2SO4 0.57 H2O 0.20,HNO3 H2SO4 H2O,ykg,zkg,xkg,0.90 0.10,0.93 0.07,0.27 0.60 0.13,一种废酸，组成为23(质

8、量)HNO3，57H2SO4和20H2O，加入93的浓H2SO4及90的浓HNO3 ，要求混合成27 HNO3及60 H2SO4的混合酸，计算所需废酸及加入浓酸的数量。,浓硝酸 HNO3 H2O,浓硫酸 H2SO4 H2O,画出流程示意图。 列出已知数据。 列出由物料平衡所需求解的问题。 决定系统的边界。 写出主、副产品的化学反应方程式。 约束条件确定。 选择计算基准。 进行物料平衡计算。 列出物料平衡表，并进行校核。 写出结论。,物料衡算的方法和步骤,一种废酸，组成为23(质量)HNO3，57H2SO4和20H2O，加入93的浓H2SO4及90的浓HNO3 ，要求混合成27 HNO3及60

9、H2SO4的混合酸，计算所需废酸及加入浓酸的数量。,混合器,HNO3 0.23 H2SO4 0.57 H2O 0.20,HNO3 H2SO4 H2O,ykg,zkg,xkg,0.90 0.10,0.93 0.07,0.27 0.60 0.13,浓硝酸 HNO3 H2O,浓硫酸 H2SO4 H2O,画出流程示意图。 列出已知数据。 列出由物料平衡所需求解的问题。 决定系统的边界。 写出主、副产品的化学反应方程式。 约束条件确定。 选择计算基准。 进行物料平衡计算。 列出物料平衡表，并进行校核。 写出结论。,物料衡算的方法和步骤,基准：100kg混合酸,混合器,HNO3 0.23 H2SO4 0.

10、57 H2O 0.20,HNO3 H2SO4 H2O,ykg,zkg,xkg,0.90 0.10,0.93 0.07,0.27 0.60 0.13,浓硝酸 HNO3 H2O,浓硫酸 H2SO4 H2O,画出流程示意图。 列出已知数据。 列出由物料平衡所需求解的问题。 决定系统的边界。 写出主、副产品的化学反应方程式。 约束条件确定。 选择计算基准。 进行物料平衡计算。 列出物料平衡表，并进行校核。 写出结论。,物料衡算的方法和步骤,总物料衡算式： x+y+z=100 组分衡算式： H2SO4 0.57x+0.93z=100*0.6=60 HNO3 0.23x+0.90y=100*0.27=27

11、 解得：x=41.8kg；y=19.2kg；z=39kg,混合器,HNO3 0.23 H2SO4 0.57 H2O 0.20,HNO3 H2SO4 H2O,ykg,zkg,xkg,0.90 0.10,0.93 0.07,0.27 0.60 0.13,浓硝酸 HNO3 H2O,浓硫酸 H2SO4 H2O,画出流程示意图。 列出已知数据。 列出由物料平衡所需求解的问题。 决定系统的边界。 写出主、副产品的化学反应方程式。 约束条件确定。 选择计算基准。 进行物料平衡计算。 列出物料平衡表，并进行校核。 写出结论。,物料衡算的方法和步骤,物料平衡表,校核结果：依据水平衡,混合器,HNO3 0.23

12、H2SO4 0.57 H2O 0.20,HNO3 H2SO4 H2O,ykg,zkg,xkg,0.90 0.10,0.93 0.07,0.27 0.60 0.13,浓硝酸 HNO3 H2O,浓硫酸 H2SO4 H2O,画出流程示意图。 列出已知数据。 列出由物料平衡所需求解的问题。 决定系统的边界。 写出主、副产品的化学反应方程式。 约束条件确定。 选择计算基准。 进行物料平衡计算。 列出物料平衡表，并进行校核。 写出结论。,物料衡算的方法和步骤,二、无化学反应的物料衡算,一个设备 简单过程 整个过程（可简化为一个设备单元） 多单元系统： 对有数个单元设备的系统中的每一个设备都要计算其流量及组

13、成。,精馏 例1：以苯为溶剂，用共沸精馏法分离乙醇水混合物，制取纯乙醇。假定料液混合物含水60%，乙醇40%，在精馏塔馏出液中含苯75%，水24%，其余为醇（组成均为质量分数）。若要求乙醇生产量为1000kgh，试计算精馏中所需的苯量。,简单过程,解：画出流程示意图。 总物料平衡式： F1F2=F3F4 组分物料平衡式： 苯平衡： F2 = 0.75 F3 水平衡： 0.6F1=0.24F3 解得 F1=2667kgh , F2 = 5000kgh , F3=6667kgh 校核： 依据醇平衡：0.4F1=0.01F3 + F4 左右两边相等，结果准确。,F1？ 料液,F2 ？ 苯,F3 ？

14、馏出液,F4=1000kg/h 乙醇产品,乙醇 40% 水 60%,乙醇 1% 水 24% 苯 75%,对系统中的每一个设备都要计算其流量及组成，这种系统就称为多单元系统。 如下图即为多单元系统,1,2,4,3,5,单元,单元,多单元系统,F x1， x1,D1 xD1， xD1,D2 xD2， xD2,W1 xW1 xW1,W2 xW2， xW2,结论： 两单元过程可处理为：单元、单元和总过程单元 可列平衡方程：两组单元平衡方程式和一组总平衡方程式。其中每一组方程均由S个独立的物料平衡方程式所构成。,多单元系统,例2：造纸厂的碱回收工段有一个四效蒸发器，将造纸废液（简称黑液）浓缩，供料方式为

15、，蒸发器的总处理能力为 80000kgh,从含15%（质量分数，下同）固形物浓缩到含60%固形物，第效后含17.8%固形物，第效后含22.6%固形物，第效后含31.5%固形物。按以上要求计算总蒸发水量和每一效蒸发器的蒸发水量。 解题思路：画出流程示意图列出已知数据列出待求解数据确定系统的边界列衡算式结论。,解：画出流程示意图，如图所示。,80000kg/h 15%,蒸汽,60%,31.5%,22.6%,17.8%,F进X进=（F进W）X出 式中 F进进口料液的流量，kgh； X进进口料液的质量分数，%； X出出口料液的质量分数，%； W当效的蒸发水量，kgh. 由上式可以得到 W = F进（1

16、X进X出） 则总的蒸发水量为 W总 = 80000（11560）=60000kgh,第效的蒸发水量 W =80000（11517.8）=12600kgh 第效的蒸发水量为 W = 67400（117.822.6）=14300kgh 第效的蒸发水量为 W = 53100（122.631.5）=15000kgh 第效的蒸发水量为 W = 53100（122.631.5）=15000kgh 校核： W总 = W + W + W +W 结论：W总 = 60000kgh； W = 12600kgh；W = 14300kgh；W = 15000 kgh；W = 18100 kgh。,1:在过滤机中将含有20%（质量分数）的固体料浆进行过滤，固体料浆的进