物料衡算和热量衡算..
物料衡算和热量衡算
3 物料衡算依据原理：输入的物料量=输出的物料量+损失的物料量3.1 衡算基准年生产能力：2000吨/年年开工时间：7200小时产品含量：99%3.2 物料衡算反应过程涉及一个氧化反应过程，每批生产的产品相同，虽然有原料对叔丁基甲苯和溶剂甲苯的循环，第一批以后循环的物料再次进入反应，但每批加料相同。
在此基础上，只要计算第一个批次的投料量，以后加料一样。
反应釜内加热时间2h、正常的反应时间18h、冷却时间1h。
加上进料和出料各半个小时，这个生产周期一共2+18+1+1=22h。
所以在正常的生产后，每22小时可以生产出一批产品。
每年按300天生产来计算，共开工7200小时，可以生产327个批次。
要求每年生产2000吨对叔丁基苯甲酸，则每批生产2000÷327＝6.116吨。
产品纯度99 %( wt %)实际过程中为了达到高转化率和高反应速率，需要加入过量对叔丁基甲苯做溶剂，反应剩余的原料经分离后循环使用。
3.2.1 各段物料(1) 原料对叔丁基甲苯的投料量设投料中纯的对叔丁基甲苯为X kg，则由C11H16C11H14O2 M 148.24 178.23m x 6054.8得x=6054.8×148.24÷178.23=5036.0 kg折合成工业原料的对叔丁基甲苯质量为5036.0÷0.99=5086.9kg实际在第一批生产过程加入的对叔丁基甲苯为6950.3kg（2）氧气的通入量生产过程中连续通入氧气,维持釜内压力为表压0.01MPa,进行氧化反应。
实际生产过程中,现场采集数据结果表明,通入的氧气量为1556.8 kg，设反应消耗的氧气量为x kg3/2O2C11H14O2 M 31.99 178.23m x 6054.8 得x= 3/2×6054.8×31.99÷178.23=1630.1kg此时采用的空气分离氧气纯度可达99%，因此折合成通入的氧气为1630.1÷0.99=1646.6 kg即在反应过程中，需再连续通入1646.6kg氧气。
物料衡算和热量衡算
3 物料衡算和热量衡算计算基准年产 4500 吨的二氯甲烷氯化吸取，年工作日 330 天，每天工作 24 小时，每 小时产二氯甲烷：物料衡算和热量衡算反响器的物料衡算和热量衡算本反响为强放热反响，如不把握反响热并移走，温度会急剧上升，产生猛烈的燃烧反响， 是氯化物发生裂解反响。
由此可以通过参与过量的甲烷得到循环气，以之作为稀释剂移走反 应热。
〔一〕 计算依据〔1〕 二氯甲烷产量为： kg/h ，即： kmol/h ； 〔2〕 原料组成含: Cl 2 96%，CH 495%；（3） 进反响器的原料配比〔摩尔比〕: Cl 2：CH 4：循环气=1： （4） 出反响器的比例: CH 2Cl 2：CHCl 3=1：〔质量比〕(CHCl 3+CCl 4)/CH 2Cl 2=〔摩尔比〕；（5） 操作压力: 〔表压〕；（6） 反响器进口气体温度 25o C ，出口温度 420o C 。
〔二〕 物料衡算反Cl 2应CH 3Cl CH 2Cl 2 CHCl 3CH 4CCl 4 HCl假设循环气不参与反响，只起到带走热量的作用。
则设进口甲烷为 X kmol/h ，=h出反响器的一氯甲烷Y kmol/h，氯化氢Z kmol/h。
由进反响器的原料配比〔摩尔比〕Cl2：CH4：循环气=1：原料组成含: Cl2 96%，CH495%。
由CH2Cl2：CHCl3=1：〔质量比〕可得CHCl3每小时产量为：×=h由(CHCl3+CCl4)/CH2Cl2=〔摩尔比〕可得CCl4的量为×－=h用元素守衡法则：Cl 元素守衡=Y+×2+×3+×4+Z ①H 元素守衡4X=3Y+×2++Z ②C 元素守衡X=Y+++ ③解方程①①③得X=hY=hZ=h （1）所以反响器进口原料中各组分的流量：Cl2: ×=h=h 〔纯〕=h=h 〔含杂质〕CH4: h=h 〔纯〕=h=h 〔含杂质〕循环气流量：3×= kmol/h= Nm3/h其中：CH3Cl：kmol/hN2：×4%＋×3%= kmol/hCO2：×2%= kmol/h可知：= 得进口Cl2为kmol/h3 CH 4：－－－= kmol/h进口气体总量： ＋＋= kmol/h（2） 反响器出口中各组分流量：CH 3Cl ： kmol/h CH 2Cl 2： kmol/h CHCl 3 ： kmol/h CCl 4： kmol/h HCl ： kmol/h 循环气： kmol/h出口气体总量：＋＋＋＋= kmol/h（3） 出口气体中各组分的含量：CH 3Cl ： ×100%=%CH 2Cl 2：×100%=%CHCl ： ×100%=% CCl 4： ×100%=% HCl ： ×100%=% N 2：×100%=%CO 2： ×100%=% CH 4： ×100%=%表 3—1 反响器物料平衡组分kmol/h反响器进口组成%〔mol 〕 kg/h反响器出口kmol/h组成%〔mol 〕 kg/hCH 4 Cl 2 CH 3Cl CH 2Cl 22 2CHCl 3 CCl 4 HClN 2 CO 2 总计100 100〔三〕 热量衡算以 25℃为基准温度由《氯碱工业理化常数手册》查得如下数据：420℃时，由《氯碱工业理化常数手册》查得如下数据：物质n(kmol)CH 3ClCH 2Cl 2CHCl 3CCl 4HClN COΔt = 420－25=395℃输入焓：∑输入H = 0表 3—2 反响物料标准摩尔生成焓Δf/〔kJ/mol 〕 物质输入 输出CH 4Cl 2CO 2CH 3Cl CH 2Cl 2 CHCl 3 CCl 4HCln(kmol) Δf0 -100Δ f =∑ 生成物 n Δ H θ－∑ f m 反响物n Δ H θ=－×106 kJ f m 表 3—3 生成物的标准摩尔定压热容/(J ﹒K -1﹒mol -1)输出焓：∑ 输出 H = ∑nΔt = ×106 kJ℃时，由《氯碱工业理化常数手册》查得如下数据：物质n(kmol) CH4CH3Cl N2CO2考虑4%热损失，则×106×〔1-4%〕=则Q = Q放出带出循环气能带走的热量恰好为反响气放出的热量，是反响温度保持在420℃左右可以维持反响顺当进展。
化工设计概论第三章_物料衡算与能量衡算
化工设计概论第三章_物料衡算与能量衡算物料衡算与能量衡算是化工设计中非常重要的环节，它们是进行化工过程的关键步骤，对化工产品的质量和产量有着直接的影响。
本章将介绍物料衡算与能量衡算的概念、原则和方法，并结合实际案例进行详细说明。
一、物料衡算物料衡算是指在化工过程中对物料的输入、输出量进行定量分析和计算，以确定每种物料的用量和流量。
物料衡算的目的是保证化工过程中物料的平衡，确保物料的流动和转化符合设计要求。
物料衡算的基本原则是质量守恒定律和能量守恒定律。
根据质量守恒定律，物理系统中的物质质量是不变的，即输入物质的总质量等于输出物质的总质量。
根据能量守恒定律，物理系统中的能量总量是不变的，即输入能量的总量等于输出能量的总量。
物料衡算的方法主要有两种：物质衡算和元素衡算。
物质衡算是根据物料的化学组成进行衡算，以化学方程式为基础，通过分子计数法和平衡方程法计算物料的输入和输出量。
元素衡算是根据物料中各元素的含量进行衡算，以确定每种元素的输入和输出量。
物料衡算的步骤一般包括以下几个方面：确定衡算参考物质，编写化学方程式，计算输入物质的总质量，计算输出物质的总质量，计算每种物质的输入和输出量。
在实际衡算过程中，还需要考虑补料和损耗等因素，对补料和损耗进行补偿。
二、能量衡算能量衡算是指在化工过程中对能量的输入、输出量进行定量分析和计算，以确定每种能量的用量和转化效率。
能量衡算的目的是保证化工过程中能量的平衡，以提高能量利用效率。
能量衡算的基本原则是能量守恒定律和能量转化效率的最大化。
根据能量守恒定律，物理系统中的能量总量是不变的，即输入能量的总量等于输出能量的总量。
能量转化效率是指能量输入与输出的比值，衡量能量转化过程的效果。
提高能量转化效率有助于降低能源消耗和环境污染。
能量衡算的方法主要有两种：热力衡算和焓能衡算。
热力衡算是根据化学反应的热效应进行衡算，以热平衡方程为基础，计算输入和输出热量的总量。
焓能衡算是根据物料的热焓变化进行衡算，以焓平衡方程为基础，计算输入和输出焓能的总量。
3-物料衡算和热量衡算
3 物料衡算和热量衡算 3.1计算基准年产4500吨的二氯甲烷氯化吸收，年工作日330天，每天工作24小时，每小时产二氯甲烷：4500×103330×24=568.18kg/h3.2物料衡算和热量衡算3.2.1反应器的物料衡算和热量衡算本反应为强放热反应，如不控制反应热并移走，温度会急剧升高，产生强烈的燃烧反应，是氯化物发生裂解反应。
由此可以通过加入过量的甲烷得到循环气，以之作为稀释剂移走反应热。
（一） 计算依据（1） 二氯甲烷产量为：568.18 kg/h ，即：6.69 kmol/h ； （2） 原料组成含: Cl 2 96%，CH 495%；（3） 进反应器的原料配比（摩尔比）: Cl 2：CH 4：循环气=1：0.68：3.0 （4）出反应器的比例: CH 2Cl 2：CHCl 3=1：0.5（质量比）(CHCl 3+CCl 4)/CH 2Cl 2=0.38（摩尔比）；（5） 操作压力: 0.08MPa （表压）；（6） 反应器进口气体温度 25o C ，出口温度420o C 。
3Cl 2Cl 2 3 4 假设循环气不参与反应，只起到带走热量的作用。
则设进口甲烷为X kmol/h ，出反应器的一氯甲烷 Y kmol/h ，氯化氢 Z kmol/h 。
由进反应器的原料配比（摩尔比） Cl 2：CH 4：循环气=1：0.68：3.0 原料组成含: Cl 2 96%，CH 495%。
可知：Cl296%⁄X 95%⁄=10.68得进口Cl 2为1.48X kmol/h由 CH 2Cl 2：CHCl 3=1：0.5（质量比）可得 CHCl 3每小时产量为：568.18×0.5/119.5=2.38kmol/h 由 (CHCl 3+CCl 4)/CH 2Cl 2=0.38（摩尔比）可得 CCl 4的量为 0.38×6.69－2.38=0.162kmol/h 用元素守衡法则： Cl 元素守衡 2.96X=Y+6.69×2+2.38×3+0.162×4+Z ① H 元素守衡 4X=3Y+6.69×2+2.38+Z ② C 元素守衡 X=Y+6.69+2.38+0.162 ③ 解方程①①③得X=24.87kmol/hY=15.64kmol/hZ=36.81kmol/h（1）所以反应器进口原料中各组分的流量：Cl2: 24.87×1.48=36.81kmol/h=824.49Nm3/h （纯）36.81/0.96=38.34kmol/h=865.82Nm3/h （含杂质）CH4: 24.87kmol/h=557.09Nm3/h （纯）24.87/0.95=26.18kmol/h=585.79Nm3/h （含杂质）循环气流量：3×38.34=115.02 kmol/h=2576.45 Nm3/h其中：CH3Cl：15.64 kmol/hN2：38.34×4%＋26.18×3%=2.319 kmol/hCO2：26.18×2%=0.524 kmol/hCH4：115.02－15.64－2.319－0.524=96.54 kmol/h 进口气体总量：38.34＋26.18＋96.54=161.06 kmol/h （2）反应器出口中各组分流量：CH3Cl：15.64 kmol/hCH2Cl2：6.69 kmol/hCHCl3：2.38 kmol/hCCl4： 0.162 kmol/hHCl： 36.81 kmol/h循环气：115.02 kmol/h出口气体总量：115.02＋36.81＋0.162＋2.38＋6.69=161.06 kmol/h （3）出口气体中各组分的含量：CH3Cl： 15.64/161.06×100%=9.65%CH2Cl2：6.69/161.06×100%=4.15%CHCl3： 2.38/161.06×100%=1.48%CCl4： 0.162/161.06×100%=0.10%HCl： 36.81/161.06×100%=22.85%N2： 2.319/161.06×100%=1.44%CO2： 0.524/161.06×100%=0.33%CH4： 96.54/161.06×100%=59.94%表3—1反应器物料平衡组分反应器进口反应器出口kmol/h组成%（mol）kg/h kmol/h组成%（mol）kg/h CH4121.4175.381942.5696.5459.941544.64 Cl236.8122.852513.51CH3Cl15.649.65789.82 CH2Cl2 6.69 4.15568.65 CHCl3 2.38 1.48284.41 CCl40.1620.1024.95 HCl36.8122.851343.57 N2 2.319 1.44106.67 2.319 1.44106.67 CO20.5240.3323.070.5240.3323.06总计161.061004685.80161.061004685.80（三）热量衡算以25℃为基准温度由《氯碱工业理化常数手册》查得如下数据：表3—2 反应物料标准摩尔生成焓Δf H m θ/（kJ/mol ）Δf H m θ=∑生成物n Δf H m θ－∑反应物n Δf H m θ=－3.455×106 kJ420℃时，由《氯碱工业理化常数手册》查得如下数据：表3—3生成物的标准摩尔定压热容C p,m θ/(J ﹒K -1﹒mol -1)物质 CH 3Cl CH 2Cl 2 CHCl 3 CCl 4 HCl N 2 CO 2n(kmol) 15.64 6.69 2.38 0.16236.81 2.319 0.524 C p,m θ66.07 45.975 88.287 98.88729.9630.65 52.27Δt = 420－25=395℃输出焓：∑输出H = ∑n C p,m θΔt = 1.093×106 kJ 输入焓：∑输入H = 0则放出的热量：Q 放出=Δf H m θ+∑输出H+∑输入H=－2.362×106 kJ222.5℃时，由《氯碱工业理化常数手册》查得如下数据：表3—4 循环气各物质的标准摩尔定压热容C p,m θ/(J ﹒K -1﹒mol -1) 物质 CH 4CH 3Cl N 2 CO 2n(kmol) 96.54 15.64 2.319 0.524 C p,m θ49.6254.8330.81 53.43循环气带出热量：Q 带出=∑n C p,m θΔt=2.27×106 kJ考虑4%热损失，则2.362×106×（1-4%）=2.27 则Q 放出= Q 带出循环气能带走的热量恰好为反应气放出的热量，是反应温度保持在420℃左右可以维持反应顺利进行。
化工原理_物料衡算和热量衡算
（4）湿物料的焓I’
包括：绝干物料的焓（0C为基准）和
物料中水分的焓（0C、液态水为基准 ）
二、物料衡算
新鲜空气
L, t0 , H0
预热
1 产品 量
G1 , w1( X1 )湿物料
热空气
L, t1 , H1
产品
干燥
G2 , w2( X 2 )
废气
L, t2 , H 2
G2
1 1
w1 w2
G1
(5-30)
四、干燥过程在湿焓图上的表达
1 典型干燥过程
将热量衡算式各项除以W:
G l( I2 - I1 ) = QD - W ( I'2 -I'1 ) - QL
代入： l 1 H2 H1
ε
=
I2 H2
-
I1 H1
=
QD
G W
(
I'2 -I'1
) - QL
B
根据e 的值，把干燥器分成两大类： t2
2 水分气化 量
绝干物料量
W G1 G2 G( X1 X 2) G = G1(1- w1 ) = G2(1-w2 )
单位!
9、要学生做的事，教职员躬亲共做； 要学生 学的知 识，教 职员躬 亲共学 ；要学 生守的 规则， 教职员 躬亲共 守。21.7.2221.7.22T hursday, July 22, 2021
H0,t0,I0
预热
Qp
QL
L
H1,t1,I1
G1,w1, q1,I’1
干燥
L
H2,t2,I2
G2,w2, q2,I’2
QD
整个系统： 进入 离开
热空气 物料 加入 损失
4物料衡算与能量衡算
4.1 物料衡算
4)确定计算任务；
根据衡算示意图和反应方程式，分析每一步骤和每一设备
中物料的变化情况，选定合适的计算公式，分析数据资料， 明确已知量与可以查到的或计算求出的未知量，为收集数 据资料和建立计算程序做好准备。
5)收集相关数据资料；
▲生产规模(生产能力或原料处理量)； ▲生产时间(年工作时数)；
2、按操作状态
稳定状态操作和不稳定状态操作两类物料衡算。
3、按衡算范围
单元操作过程(或单个设备)和全流程两类物料衡算。
4.1 物料衡算
三、物料平衡方程
理论依据是质量守恒定律，即在一个孤立体系中无论物质发 生怎样变化(不包括核反应)，其质量始终保持不变。 物料平衡方程式的基本表达式为：
∑F0=∑D+A+∑B
▲选择性 ▲单程收率
选择性 =
生成目的产物的原料量 反应掉的原料量 生成目的产物的原料量 原料投料量
单程收率 =
×100%
转化率、选择性、单程收率的关系
单程收率 ＝ 转化率 × 选择性
▲原料、助剂、中间产物和产品的规格和组成；
▲有关的物化常数。 3.1 物料衡算
4.1 物料衡算
6)选定计算基准；
①时间基准：连续生产，一般以㎏/h或kmol/h为基准。
式中，F0—输人体系的物料质量；
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)
注意: ⑴对于连续系统而言，其系统的累积量为零；
⑵系统是计算时确定的计算范围(工厂、车间、工段、设备等)。
4.1 物料衡算
四、物料衡算的基本步骤
1)确定衡算范围；
首先要确定衡算的范围。衡算范围可能有如下3种情况： ①流程中某一个单元设备；
物料衡算与能量衡算
➢ 2计算反应器1的反应速率;然后计算物流4的组成
由反应速率的定义式得：
r＝
＝
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
式中 为F I物i,输 质 的出 F 转i,输 化率/入 ; i Fi,输入i / i
已知反应 i器1中CO的转化率为0 80，由此得反应器1的反
分多个衡算体系; 此时，必须选择恰当的衡算体系，
这是很重要的步骤。不然会使计算繁琐，甚至无法
求解。
4 3.1 混合过程
例1 一种废酸;组成为23％质量％HNO3，57％ H2SO4和20％H2O，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质量;
边界线Boundary Line围起来的区域构成衡算范围;
2写出化学反应方程式;包括主反应和副反应; （计算分子量）
（3）确定计算任务，确定过程所涉及的组分， 明确哪些是已知项，哪些是待求项，如年产量 生产能力、年工作日、产率、产品纯度要求等。
（4）选择计算基准
5收集计算需要数据资料 （6）列出物料衡算方程式,进行物料衡算 列出过程的全部独立物料平衡方程式及其他相
应速率：
r＝
＝0.80.2×100 + 0.5×214 ＝
101.6Fm,输o入 l/h/
物流4中每一物流的流率
已知r后;物流4中每一物流的流率可以用物料衡算求得， 即：
N2平衡： F4,N2＝0 78×100＝78mol/h CO平衡： F4,co＝127 – r＝25.4mol/h H2O平衡： F4,H2O＝628 – r＝526.4mol/h CO2平衡： F4,CO2＝2 + r＝103.6mol/h H2平衡： F4,H2＝107 + r＝208.6mol/h
物料衡算与热量衡算
结果(jiē guǒ)分析
F1=138 kg/h H2SO4 Z1,1=0.40
1
H2O Z1,2=0.60
F2=862 kg/h
2
H2SO4 Z2,1=0.98
H2O Z2,2=0.02
混 合
3 F3=1000 kg/h
H2SO4 Z3,1=0.90
器
H2O Z3,2=0.10
j 1
j 1
总质量(zhìliàng) (2)
NC
NC
F2 Z2, j j,k F1 Z1, j j,k ( k=1,2,…NE )
j 1
j 1
式中：NE 表示(biǎoshì)化学元素的数目； αj,k 是在第 j 组分中第 k 个元素的原子数。
1 反应 2
M j F1 Z 1, j
M jF2Z 2,j
质量(zhìliàng)守恒定律： 物料衡算的基本准则是质量(zhìliàng)守 恒定律。以稳态为例：
物质总流量守恒 原子总数量守恒
摩尔流率守恒 (无化学反应)
第五页，共121页。
4.1 简单(jiǎndān)的物料衡算
① 分析问题(wèntí)； ② 画流程图； ③ 确定系统，分析自由度； ④ 选定计算基准； ⑤ 列出衡算模型，并求解。
空惰气性组O分2
-2
-5
1 反应 2 产品
图5.4 甲醇氧化(yǎnghuà)制甲醛简化流
解：基准：F1=100 kmol/程h甲图醇进料
CH3OH -1
O2 -2
HCHO -3 H2O -4
惰性组分 -5
CH3OH+0.5O2
HCHO+H2O
甲醇 V1=-1； 氧V2=-0.5； 甲醛V3=1；水V4=1
第五章物料衡算和能量衡算
（3） 冷麦汁量为： 584.92×（1－0.075）=541.05L
（4） 发酵成品液量： 541.05×（1－0.016）=532.39L
（5） 清酒量（过滤）为：532.39×（1－0.015）=524.41L
（6） 成品啤酒量为： 524.41×（1－0.02）=计算方法
（三） 用气量的衡算 （一）“单位产品耗气量定额”估算法
（二）用气量的计算法
谢谢观赏！
2020/11/5
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图中用简单的方框表示过程中的设备，用线条和箭头表示每个流股的途径和流向。并标 出每个流股的已知变量（如流量、组成）及单位。对一些未知的变量，可用符号表示。
（四）计算步骤
③ 选定计算基准，一般以吨/日或kg/h为单位。 ④ 列出物料衡算式，然后用数学方法求解。
在食品生产过程中，一些只有物理变化、未发生化学反应的单元操作，如混合、 蒸馏、干燥、吸收、结晶、萃取等，这些过程可以根据物料衡算式，列出总物料 和各组分的衡算式，再用代数法求解。 对于有化学反应的单元操作，可以采用化学反应式进行衡算。
第二节 能量衡算
在食品工厂生产中，能量的消耗是一项重要的技术经济指标，它是衡量工艺过 程、设备设计、操作制度是否先进合理的主要指标之一。
能量衡算的基础是物料衡算，只有在进行完物料衡算后才能做能量衡算。
（一）热量衡算 （1）热量衡算的依据
（2）热量衡算的依据
（3）热量衡算的方法和步骤
热量衡算实例— 棉籽油热量计算实例
由上述可得100kg混合原料可制得的热麦汁量为：
（73.16÷12）×100=609.66（kg）
又知汁在20℃时的相对密度为1.084，而100℃热麦汁比20℃时的麦汁 体积增加
化工设计之物料衡算及热量衡算
每小时需要的乙苯量： ＝530Kg/h 每小时需要的乙苯量： 530/0.98＝540.8Kg/h 每小时需要的水蒸气的量： 540.8×2.6＝1406.08Kg/h 其余为甲苯，则甲苯量为：540.8×0.02=10.8Kg/h （2）产物组成 苯乙烯的产率为90%，可知理论苯乙烯的量为： 208.3/0.9＝231.4Kg/h
能量衡算
特殊过程能量衡算时的简化如下：
• • • •
绝热过程（Q ＝ 0） △H ＝W 无做功过程（W ＝ 0） △H ＝Q 无功、无热量传递过程(Q ＝0，W ＝0) △H ＝0 间歇过程△(PV) ＝0 △U ＝Q ＋W
化学反应过程的能量衡算
• 对于无化学反应的能量衡算问题，由于都是物理 过程，所以只要计算进出口流股相对于参考态的焓， 即可计算出焓值
- h 2.22
=25.81kJ/mol
- h 42.22
=42.9kJ/mol
则溶液稀释后能量的变化为 △H=（42.9-25.81）*3.125=53.41KJ 该能量使得水的温度升高
根据Q=Cm△T Q为总能量， C为水的比热容， m为水的质量， △T为温度变化量
查水的比热容为
4.2 103 kJ / kg ℃
每小时转化的乙苯量为： ＝235.9Kg/h＝2.23Kmol/h 未反应的乙苯量为：540.8－235.9＝304.9Kg/h 生成的甲苯量： 2.23×0.05×92＋10.8＝21.1Kg/h
生成的苯量：
2.23×0.03×78＝5.22Kg/h
生成的焦炭量：
2.23×0.02×7×12＝3.75Kg/h
第二种基准中的物质，是组成反应物和产物的、以自然 形态存在的原子。
18
化工设计之物料衡算和热量衡算
素的衡算方程。
• 稳态过程（连续），体系内无物料积累。
Ns
体系内发生化学反应
输 物 入 料 的 量 ± 反 消 应 耗 生 的 成 物 或 料 量 ＝ 输 物 出 料 的 量 ＋ 积 物 累 料 的 量
列物料衡算式时应注意： 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。 2.若体系内有化学反应，则平衡式中各项用摩尔/时为单位时，必须考虑反应式的化学反应系数。因为 反应前后物料中的分子数不守恒。
解：
1、画物料流程简图
设 X—废酸量，；
Y—浓H24量，；
Z—浓3量； 2、选择标准，可以选废酸或浓度的量为基准，也可以用混合酸的量为基准，因为四种酸的组成 均已知，选任何一种作基准计算都很方便。
3、列物料衡算式，该体系有3种组分，可以列出3个未知量。
基准：100混合酸 总物料衡算式 100
（1）
混合后的酸，含132O，所以计算结果正确。 以上物料衡算式，亦可以选总物料衡算式及H24与3两个衡算式，或H24、3和H2O三个组分进行 计算，均可以求得上述结果。
代数法求解时，列衡算式应注意下列几点： 1、无化学反应体系，能列出的独立物料衡算式数目，最多等于输入和输出物料中化学组分的数目。
2、首先列出含有未知量数目最少的物料衡算方程，以便于解题。
①时间基准 （单位时间可取1d、1h或1s等等）。 ②批量基准 ③质量基准 例如: 可取某一基准物流的质量为100为基准计算。 ④物质的量基准 ⑤标准体积基准
化工设计之物料衡算及热量衡算
化工设计之物料衡算及热量衡算化工设计中的物料衡算和热量衡算是非常重要的步骤，可以帮助工程师确定所需的原料数量和能源消耗。
本文将讨论物料衡算和热量衡算的原理、方法和应用。
一、物料衡算物料衡算是指根据化工过程的原理和条件，计算出所需原料的数量。
1.原料衡算的原理在化工过程中，根据反应式、反应的平衡常数、物料的摩尔平衡和原料的纯度等信息，可以得出原料的物质平衡方程。
2.原料衡算的方法（1）平衡更新法：根据反应式及其他物质平衡方程，利用线性方程组求解方法，逐步逼近平衡条件，得出原料数量的近似解。
（2）摩尔关系法：利用反应的摩尔比例来计算原料的摩尔数量。
根据反应的平衡常数和其他物质平衡方程，可以得到原料的摩尔数量。
3.原料衡算的应用物料衡算在化工过程中有广泛的应用。
例如，在合成反应中，根据反应需求，确定所需原料的摩尔数量；在萃取过程中，根据溶剂和溶质的摩尔比例，计算溶液中的溶质浓度。
二、热量衡算热量衡算是指根据化工过程的热力学原理和条件，计算出所需的能量消耗。
1.热量衡算的原理根据热力学定律，可以计算化学反应的焓变，并以此来确定反应所需的热量。
热量衡算也需要考虑其他因素，如物料的温度、压力变化等。
2.热量衡算的方法（1）焓变法：根据反应的焓变和反应的摩尔比例，计算出反应所需的热量。
焓变可以通过实验测量或热力学数据库来获取。
（2）能量平衡法：考虑物料流动和热交换等因素，通过能量平衡方程求解，计算出能量的输入和输出。
3.热量衡算的应用热量衡算在化工过程中的应用非常广泛。
例如，在高温燃烧反应中，需要计算反应所需的燃料气体的热量；在蒸汽发生器中，需要计算蒸汽的产生量和燃料的热量供应。
物料衡算和热量衡算是化工设计中不可或缺的两个步骤，可以帮助工程师确定原料的用量和能量消耗，从而优化过程设计、提高生产效率和节约能源。
在进行衡算时，需要准确地获取物料的性质数据，合理地选择计算方法，并考虑到实际操作条件的变化，以保证设计结果的可靠性和实用性。
物料衡算和热量衡算
qn,V‘> qn,V
qn,L‘ ＝ qn,L＋ qn,F C：气液混合物进料
qn,V‘＝ qn,V
qn,L < qn,L‘ < qn,L＋ qn,F D：饱和蒸汽进料
qn,V‘ < qn,V
qn,L ＝ qn,L‘
qn,V ＝ qn,V’＋ qn,F
E：过热蒸汽进料
qn,L‘ < qn,L
qn,V > qn,V ‘ ＋ qn,F
进料热状况参数的定义式：
δ=
q′ n,L
−
q n,L
q
n,F
对进料板作物料衡算
（1）
对进料板作热量衡算：
（2）
(3)
代入(1), →
[qn.F – (qn.L’ – qn.L)]Hv = qnFHF – (qn,L‘ － qn,L)HL
即
δ
=
qn′ ,L − qn,L qn,F
一般精馏操作，xd由生产任务规定，R由设计者 确定
∴精馏段操作线为直线， 直线若不符合恒摩尔流假设，则不为直线 作图：过（xd，xd）点，截距为xd/R+1
1
(3)提馏段操作线Operating Line for the Stripping Section
以提馏段的任一块塔板与塔釜之间为物料衡算范围
6.4.2梯级图解法
3
1.0
dHale Waihona Puke xd R+10 xw
xf
xd 1.0
梯级图解法计算理论板数
4
6.3.2 物料衡算和热量衡算 （1）全塔物料衡算
塔顶回收率＝ qn,D xd qn ,F x f
干燥过程的物料衡算与热量衡算
干燥过程的物料衡算与热量衡算1. 引言在工业生产中，许多物料需要经过干燥过程才能达到所需的水分含量。
干燥过程是将物料中的水分蒸发或驱除的过程，其中物料的衡算和热量的衡算是非常重要的。
本文将介绍干燥过程中的物料衡算和热量衡算的基本原理和方法。
2. 物料衡算物料衡算是指在干燥过程中对物料的质量进行衡量和追踪的过程。
通常情况下，物料的衡算可以分为进料衡算和出料衡算两个部分。
2.1 进料衡算在干燥过程中，物料的进料衡算是指对进入干燥设备的物料进行质量的测量和记录。
通常情况下，进料衡算可以通过称重装置、质量流量计等设备进行。
物料的进料衡算可以用以下公式表示：进料量 = 初始物料质量 - 终止物料质量2.2 出料衡算在干燥过程中，物料的出料衡算是指对从干燥设备中出来的物料进行质量的测量和记录。
同样地，出料衡算也可以通过称重装置、质量流量计等设备进行。
物料的出料衡算可以用以下公式表示：出料量 = 初始物料质量 - 终止物料质量3. 热量衡算热量衡算是指在干燥过程中对热量的衡量和追踪的过程。
热量衡算是确定干燥设备所需的热量输入和物料中的水分蒸发所需的热量的关键。
3.1 热量平衡公式热量平衡公式是用于计算干燥过程中所需的热量输入和物料中的水分蒸发所需的热量的关系。
热量平衡公式如下：热量输入 = 热量输出 + 热量损失其中，热量输入是指干燥设备所需的热量输入，热量输出是指物料中的水分蒸发所需的热量，热量损失是指在干燥过程中因为传导、对流和辐射等现象导致的热量损失。
3.2 热量输入的计算热量输入可以通过以下公式计算：热量输入 = 干燥空气的热量 + 干燥空气的水分蒸发热量 + 加热设备的热量其中，干燥空气的热量可以通过湿空气焓值表或湿空气定压比热容表进行查找，干燥空气的水分蒸发热量可以通过水的蒸发热量进行计算，加热设备的热量可以通过加热元件的功率和加热时间进行计算。
3.3 热量输出的计算热量输出可以通过以下公式计算：热量输出 = 出料量 * 物料的比热 * (物料的初始水分含量 - 物料的终止水分含量)其中，出料量是指干燥过程中物料的出料量，物料的比热可以通过物料的物性表进行查找，物料的初始水分含量和物料的终止水分含量可以通过物料的质量衡算进行计算。
化工中物料衡算和热量衡算公式
物料衡算和热量衡算物料衡算根据质量守恒定律，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。
通过物料衡算可以计算原料与产品间的定量转变关系，以及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。
物料衡算的基础物料衡算的基础是物质的质量守恒定律，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。
∑G1=∑G2+∑G3+∑G4∑G2：——输人物料量总和；∑G3：——输出物料量总和；∑G4：——物料损失量总和；∑G5：——物料积累量总和。
当系统内物料积累量为零时，上式可以写成：∑G1=∑G2+∑G3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。
物料衡算的基准(1)对于间歇式操作的过程，常采用一批原料为基准进行计算。
(2)对于连续式操作的过程，可以采用单位时间产品数量或原料量为基准进行计算。
物料衡算的结果应列成原材料消耗定额及消耗量表。
消耗定额是指每吨产品或以一定量的产品(如每千克针剂、每万片药片等)所消耗的原材料量；而消耗量是指以每年或每日等时间所消耗的原材料量。
制剂车间的消耗定额及消耗量计算时应把原料、辅料及主要包装材料一起算入。
热量衡算制药生产过程中包含有化学过程和物理过程，往往伴随着能量变化，因此必须进行能量衡算。
又因生产中一般无轴功存在或轴功相对来讲影响较小，因此能量衡算实质上是热量衡算。
生产过程中产生的热量或冷量会使物料温度上升或下降，为了保证生产过程在一定温度下进行，则外界须对生产系统有热量的加入或排除。
通过热量衡算，对需加热或冷却设备进行热量计算，可以确定加热或冷却介质的用量，以及设备所需传递的热量。
热量衡算的基础热量衡算按能量守恒定律“在无轴功条件下，进入系统的热量与离开热量应该平衡”，在实际中对传热设备的衡算可由下式表示Q 1+Q 2+Q 3=Q 4+Q 5+Q 6 （1—1）式中： Q 1—所处理的物料带入设备总的热量，KJ;Q 2—加热剂或冷却剂与设备和物料传递的热量（符号规定加热剂加入热量为“+”，冷却剂吸收热量为“-”），KJ;Q 3—过程的热效率，（符号规定过程放热为“+”；过程吸热为“-”）Q 4—反应终了时物料的焓（输出反应器的物料的焓）Q 5—设备部件所消耗的热量，KJ;Q 6—设备向四周散失的热量，又称热损失,KJ;热量衡算的基准可与物料衡算相同，即对间歇生产可以以每日或每批处理物料基准。
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3 物料衡算依据原理：输入的物料量=输出的物料量+损失的物料量3.1 衡算基准年生产能力：2000吨/年年开工时间：7200小时产品含量：99%3.2 物料衡算反应过程涉及一个氧化反应过程，每批生产的产品相同，虽然有原料对叔丁基甲苯和溶剂甲苯的循环，第一批以后循环的物料再次进入反应，但每批加料相同。
在此基础上，只要计算第一个批次的投料量，以后加料一样。
反应釜内加热时间2h、正常的反应时间18h、冷却时间1h。
加上进料和出料各半个小时，这个生产周期一共2+18+1+1=22h。
所以在正常的生产后，每22小时可以生产出一批产品。
每年按300天生产来计算，共开工7200小时，可以生产327个批次。
要求每年生产2000吨对叔丁基苯甲酸，则每批生产2000÷327＝6.116吨。
产品纯度99 %( wt %)实际过程中为了达到高转化率和高反应速率，需要加入过量对叔丁基甲苯做溶剂，反应剩余的原料经分离后循环使用。
3.2.1 各段物料(1) 原料对叔丁基甲苯的投料量设投料中纯的对叔丁基甲苯为X kg，则由C11H16C11H14O2 M 148.24 178.23m x 6054.8得x=6054.8×148.24÷178.23=5036.0 kg折合成工业原料的对叔丁基甲苯质量为5036.0÷0.99=5086.9kg实际在第一批生产过程加入的对叔丁基甲苯为6950.3kg（2）氧气的通入量生产过程中连续通入氧气,维持釜内压力为表压0.01MPa,进行氧化反应。
实际生产过程中,现场采集数据结果表明,通入的氧气量为1556.8 kg，设反应消耗的氧气量为x kg3/2O2C11H14O2 M 31.99 178.23m x 6054.8 得x= 3/2×6054.8×31.99÷178.23=1630.1kg此时采用的空气分离氧气纯度可达99%，因此折合成通入的氧气为1630.1÷0.99=1646.6 kg即在反应过程中，需再连续通入1646.6kg氧气。
（3）催化剂催化剂采用乙酰丙酮钴(Ⅲ)，每批加入量10.4 kg（4）水的移出量设反应生产的水为x kgH2O C11H14O2M 18.016 178.23m x 6054.8得x=6054.8×18.016÷178.23=612 kg产生的水以蒸汽的形式从反应釜上方经过水分离器移出。
3.2.2 设备物料计算（1）计量槽对叔丁基甲苯计量槽：一个反应釜每次需加入的对叔丁基甲苯质量为3475.1÷2=3475.15 kg对叔丁基甲苯回收计量槽：每批反应结束后产生母液1834.8kg甲苯计量槽：每批需加入甲苯做溶剂，加入量为396.1 kg（2）反应釜：反应结束后，经过冷却、离心分离后，分离出水612kg，剩余的对叔丁基甲苯1834.8kg循环进入下一批产品的生产。
分离出来的固体质量为：6950.3+10.4+1646.6-612-1834.8=6160.5 kg 。
（3）进入离心机的物料：6950.3＋10.4＋1646.6－1834.8－612=6160.5kg （4）脱色釜：分离机分离出来的粗产品移入脱色釜，加入甲苯做溶剂，加入量为396.1 kg，搅拌升温将产品溶解，再加入76.5 kg活性碳进行脱色。
进入脱色釜物料：6160.5+396.1+76.5=6633.1kg 。
（5）保温过滤器：分离出废碳104.3kg ，滤液6633.1－104.3=6528.8kg （6）结晶槽：每次过滤产生的滤液6528.8÷2=3264.4kg（7）产品离心机：结晶槽中的浆状物料放入离心机中进行过滤，每批过滤出滤液甲苯361.4 kg ，过滤过程中由于甲苯挥发造成的损失约34.9 kg 。
过滤后的滤饼用528 kg 水分批洗涤滤饼，产生废水521 kg 。
从过滤器移出湿滤饼：528+6132.5-521=6139.5 kg（8）干燥器：除去产品中含有的水6.3 kg ，最后得到产品.：6139.5-6.3=6133.2kg图3.1物料衡算汇总图（以kg 为单位）：4 热量衡算原理：输入的热量=输出的热量+损耗的热量催化剂10.4对叔丁基甲苯917.4对叔丁基甲苯3475.1氧气823.3反应釜水306冷凝器3058.3离心分离器活性碳76.5脱色釜3557.9保温过滤器废碳104.3甲苯计量槽396.1361.4冷却结晶槽离心分离器滤饼干燥器产品对叔丁基苯甲酸30583075.3洗涤水528废水5213064.33453.6对叔丁基甲苯6950.3氧气 1646水612 6160.5 对叔丁基甲苯1834.8 6633.1产品对叔丁基苯甲酸6133.2 干燥器 6139.5滤饼 6132.5 6528.8氧气 1646.6 水6124.1 反应釜4.1.1 升温阶段 物料数据：进料对叔丁基甲苯3475.1kg ，氧气一共2380 kg ，进料温度都为常温25℃，在反应釜里利用夹套加热至反应温度170℃。
平均温度都为：（25+170）=67.5℃由液烃比热算图（物性数据计算中液烃比热章节）： 已知对叔丁基甲苯的比重：0.853 查得67.5 ℃ 下的比热为 0.56千卡/公斤·℃=2.34 kJ/kg·k)氧气的比热容计算：)(22-+++=DT CT BT A R c p639.3=A 310506.0-⨯=B 510227.0⨯=C 0=D)110227.0310506.0639.3(314.825T T cp ⨯--⨯+⨯=9183.0=p c kJ/kg·k ）==∆t p mc Q 1 3.169×105kJ/kg·k ）对叔丁基甲苯的吸热量：t mc Q p ∆=2=3475.1×2.34×（170—25）=1.179×106 kJ/kg·k)加热介质：用热导油进行加热，选用YD―300系列热导油，令其进口温度为230℃，出口温度为200℃。
中间加设加热器使热油循环进行加热。
基本数据如下：表4.1 YD―300系列热导油密度（㎏/m 3） 比热容（kJ/㎏·k ） 导热系数（W/m·k ） YD―300系列热导油200℃ 889250℃ 855200℃ 2.43250℃ 2.60200℃ 0.11250℃ 0.107200℃～230℃的平均密度为882.2kg/m 3，平均比热容为2.481kJ/(kg·k)，平均导热系数为0.11w/(m·k)。
由公式τt mc Q p ∆= 加热时间为2h ，可计算出每小时所需热油循环量:τt c Q m p ∆=/=10053.1kg/h4.1.2反应阶段 燃烧热：查得燃烧热：氧气为:0 水为：0燃烧热估算（参考文献：化工数据导引，王福安主编）： Cardozo 法估算:N H S C 56.60621.206)(--=∆ N H l C 13.61098.196)(--=∆∑∆+=iC N N NNc —化合物中C 原子总数 ΔNi=各种结构和物相修正系数对叔丁基甲苯：N=11+（-1.173-0.031+0.012ln4-0.031+0.012ln1)=9.78 N H l C 13.61098.196)(--=∆=-6165.05kJ/mol=-4.159×104kJ/kg 对叔丁基苯甲酸：N=11+(-1.173-0.013+0.012ln4-1.038)=8.79N H S C 56.60621.206)(--=∆=-5537.87kJ/mol=-3.107×104kJ/kg 过程如下：170℃原料25℃原料25℃产物170℃产物ΔΔH 1ΔH 2ΔH 3H∑=∆=∆t mc H p 12543.4×2.34×（25—170）+823.3×0.9183×10-3×（25—170）=—8.63×105 KJ氧气的燃烧热对叔丁基甲苯的燃烧热水的燃烧热热对叔丁基苯甲酸的燃烧3/2Q -Q -Q +=∆Q H 2=-3.107×104×3027.4-(-4.159×104)×2518.0=1.066×103KJ∑=∆=∆t mc H p 33027.4×2.193×（170—25）+306×4.174×（170—25） =1.148×106 kJ=∆+∆+∆=∆321H H H H —8.63×105 +1.066×103+1.148×106=2.86×105 kJ由公式τt mc Q p ∆= 反应时间为18h ，可计算出每小时所需热油循环量:τp c Q m /==6406.8kg/h 4.1.3保温阶段表4.2 常年运行工况允许的最大热损失表4.3 保温层平均温度m T 值加热和反应过程都需要保温，保温阶段需要吸热量：反应釜内反映温度为170℃，内插查得允许的最大热损失为125.6W/m 2,平面型单层绝热层，在最大热损失下绝热层厚度的计算[]1s s T T Q αδλ⎛⎫-=- ⎪ ⎪∂⎝⎭ )113.4(-()0.0420.0002370m T λ=+⨯- )213.4(- ()'6 1.163s s ω∂=∂+⨯ )313.4(-s T —管道或设备的外表面温度，无衬里时，取介质正常运行温度，℃；T α—环境温度，室外保温，取历年的年平均值的平均值；λ—绝热材料在平均温度下的热导率，W/(m·k)；设备、管道及附件表面温度（℃）50 100 150 200 250 允许最大热损失（W/m 2）5893116140163周围空气温度（℃）介质温度（℃） 100150 200 250 257095125150s ∂—绝热层外表面周围空气的放热系数，W/(m 2·k)δ—绝热层厚度，m ；[]Q —绝热层外表面单位面积的最大允许热损失量，W/m 2； m T —保温层的平均厚度；查表4.3得m T =107 's ∂—对保温 's ∂取11；W/(m 2·k)ω—风速，取5m/s ； 将数据代入公式得)16.12525170(sδλδ--=）（7010700023.0042.0-⨯+=λ()21165 1.16328.4w/(m k)s ∂=+⨯⨯=⋅求得 0505.0=λ 05652.0=δ，圆整后取070.0=δ。