第四章 物料衡算

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。

❖（2）通常选择已知变量数最多的物料流股作基准较方便。

❖（3）取一定物料量作基准，相当于增加了一个已知条件（当产物和原料的量均未知时，使隐条件明朗化）。

❖（4）选取相对量较大的物流作基准，可减少计算误差。

4.2.3 衡算范围

❖体系——为讨论一个过程，人为地圈定这个过程的全部或一部分作为一个完整的研究对象，这个圈定的部分叫体系。

❖衡算范围可以是一台设备、一套装置、一个工段、一个车间、一个工厂等。

❖环境——体系以外的部分叫环境。

❖边界——体系与环境的分界线（人为地圈定）。

❖衡算中只涉及通过（进出）边界的物料流股。其余可不考虑。

4.2.4 物料衡算的方法和步骤

❖(1) 明确衡算目的

❖如通过物料衡算确定生产能力、纯度、收率等数据。

❖(2) 绘出物料流程示意图，划定衡算范围

❖画流程简图步骤及要点如下：

❖1）流程简图中的设备可用方框表示;

❖2）用线条和箭头表示物料流股的途径和流向；

❖3）标出流股的已知变量（流量、组成等）

❖4）未知量用符号表示。

❖根据已知量和未知量划定体系，应特别注意尽量利用已知条件，要求的未知量要通过体系边界，且应使通过边界的物料流股的未知项尽量少。

❖(3) 写出所有化学反应方程式。

❖包括所有主副反应，且为配平后的，将各反应的选择性、收率注明。❖(4) 收集与物料衡算有关的计算数据

❖规模和年生产日；原辅材料、中间体及产品的规格；有关的定额和消

耗指标；有关的物理化学常数，如密度、蒸气压、相平衡常数等。

❖ (5) 选定衡算基准。

❖计算中要将基准交代清楚，过程中基准变换时，要加以说明。

❖ (6) 列出物料平衡方程式，进行物料衡算。

❖无化学反应体系，按：（4-1）、（4-2）（连续稳定过程）式

❖有化学反应体系，按：（4-3）、（4-4）（稳定过程）式。

❖要求所列独立方程式的数目=未知数的数目

(7) 编制物料平衡表。

❖由计算结果查核计算正确性，必要时说明误差范围

(8)必要时画出物料衡算图（过程复杂时）

4.3 物料衡算举例

❖4.3.1 物理过程的物料衡算

❖1.简单物理过程的物料衡算

❖例4-1 硝化混酸配制过程的物料衡算。已知混酸组成为H2SO4 46%(质量百分比，下同)、HNO3 46%、H2O 8%，配制混酸用的原料为92.5%的工业硫酸、98%的硝酸及含H2SO4 69%的硝化废酸。试通过物料衡算确定配制1000kg混酸时各原料的用量。为简化计算，设原料中除水外的其它杂质可忽略不计。

解：混酸配制过程可在搅拌釜中进行。以搅拌釜为衡算范围，绘出混酸配制过程的物料衡算示意图。图中为92.5%的硫酸用量，为98%的硝酸用量，为含69%硫酸的废酸用量。

解：取设备为衡算体系，1000千克混酸为计算基准

❖对HNO3进行物料衡算得

❖0.98 G硝酸= 0.46⨯1000 (a)

❖对H2SO4进行物料衡算得

❖0.925 G硫酸+ 0.69G废酸=0.46⨯1000 (b)

❖对H2O进行物料衡算得

❖0.02G硝酸+0.075G硫酸+0.31G废酸=0.08⨯1000 (c)

❖解得：G硝酸=469kg,G硫酸=399.5kg,G废酸=131.1kg

❖混酸配制过程的物料平衡表(略）

例 4-2 一种废酸，组成为23％(w%)

HNO3，57％H2SO4和20％H2O，加入93％的H2SO4及90％的HNO3，要求混合成