3 物料衡算和热量衡算

2.2 热量衡算 四、热量衡算步骤：同物料衡算 五、热量衡算结果表达：动力消耗表和物料流程图
动力消耗一览表
序号 动力 消耗定额（单 使用 单位 规格 每小时消耗 每年消耗 名称 耗） 情况
2.2 热量衡算 六、热量衡算举例
例3：对例1的蒸发过程作热量衡算 已知条件如下： （1）单效蒸发 （2）原料卤水的温度15℃，定压热容Cp0=2.7kJ/(kg· ℃) (3）卤水的浓缩热可以忽略； （4）常压下45%氯化镁溶液的沸点为165℃ （5）加热蒸汽压力为Po=600kPa （6）蒸发室操作压力为P1=47kPa (7) 蒸发器热损失率为5%
设计任务所规定的已知条件 与过程有关的物理化学参数
① 生产规模和生产时间。生产时间指全年的有效生产天数，应根据全厂检 修、车间检修、生产过程和设备的特殊性、生产管理水平等因素考虑。 ② 有关的定额和技术指标。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、转化率、选择性、单程收率、总收率等。有些 数据由经验确定。 ③ 原辅材料、产品、中间产品的规格，包括原料的有效成分和杂质含量， 气体或液体混合物的组成等。 ④ 与过程有关的物理化学参数。如临界参数、密度或比体积、状态方程参 数、蒸气压、气液平衡常数或平衡关系等。
2.3 常用化工计算软件
• 计算机技术的迅速发展使原来复杂、繁琐、费时的化工工 艺计算变得简便快捷，许多原来无法直接进行，只能简化 近似的计算变得可能和精确，通过对模拟计算中模块的正 确选择，可同时完成物料衡算和能量衡算。 • 计算机用于化工设计主要有：物性数据检索、化工过程模
拟设计（CAPD）、计算机辅助绘图设计（CAD）、计算机
物料衡算、热量衡算是工艺设计的基础，在生产方法和工艺 流程确定后即可进行。 根据所需设计项目的年产量，通过对全过程或单元过程的 物料衡算，可以计算出原料的消耗量、副产品量以及输出 过程物料的损耗量及三废生成量； 作能量衡算，计算出蒸汽、水、电、煤或其他燃料的消耗 定额； 确定所生成产品的技术经济指标； 根据衡算所得的各单元设备的物流量及其组成、能量负荷 及其等级，对生产设备和辅助设备进行选型或设计，从而 对过程所需设备的投资及其项目可行性进行估价。
仪表及自控设计等。
2.1 物料衡算 二、物料衡算的依据
(1)设计任务书中确定的技术方案、产品生产能力、年工作时及操作方法。
(2)建设单位或研究单位所提供的要求、设计参数及实验室试验或中试等数
据，主要： a)化工单元过程的主要化学反应方程式、反应物配比、转化率、选择
性、总收率、催化剂状态及加入配比量、催化剂是否回收使用、安全性能
质量基准 干湿基准
2.1 物料衡算 2、质量基准
当系统介质为液、固相时，选择一定质量的原料或产品作为 计算基准是合适的。如以煤、石油、矿石为原料的化工 过程采用一定量的原料，例如：1kg、1000kg等作基准。 如果所用原料或产品系单一化合物，或者由已知组成百 分数和组分分子量的多组分组成，那么用物质的量（摩 尔）作基准更方便。
45%
蒸发器
F1，45%MgCl2 52%水
对水作衡算：
F 68% F1 52%+W
蒸发水量：W=6.38t/h
2.1 物料衡算 例2：真空制盐过程物料衡算
① 原料：硫酸钙型岩盐卤水，卤水组成为：NaCl 300g/L(接
近饱和，其它杂质忽略不计，卤水相对密度：1180 Kg/m3; ② 生产规模：300000 t/h; ③ 连续生产，年有效生产时间8000h； ④ 产品质量指标：精制工业盐，质量达到GB/T 5462—2003优 级， NaCl≥99.1% ⑤ NaCl的回收率：95%
2.1 物料衡算
（5）收集数据资料 （6）列出物料衡算方程
（7）列出过程的全部独立物料平衡方程式及其他相关
约束式 （8）选择计算基准 （9）统计变量个数与方程个数，确定设计变量的个数 及全部设计变量 （10）整理计算结果 （11）绘制物料流程图
2.1 物料衡算
数据资料收集包括：
2.2 热量衡算 三、热量衡算基准
关于计算基准：包括基准量（物料基准）、基准温度、基
准相态 基准量：和物料衡算的基准相同 基准温度：原则上可以任意选定，在计算过程中只要采用 统一基准即可，但一般热量衡算常用焓衡算，此时常用
0℃为温度基准
相态基准：只有在物料的组成中含有水而出现汽化或水蒸 气凝结时才需要规定。通常选择液态为基准。
2.1 物料衡算 3、体积基准

对气体物料进行衡算时选用体积基准。这时应将实际情 况下的体积换算为标准状态下的体积，即标准体积，用 m3（STP）表示。
4、干湿基准

生产中的物料，不论是气态、液态和固态，均含有一定 的水分，因而在选用基准时就有算不算水分在内的问题。 不计算水分在内的称为干基，否则为湿基。
F0
W1
1
F1
W2
2
F2
W3
3
F3
W4
4
F4
总进料
盐浆J1
J2
盐Gi
J3
J4
盐浆J
母液Ei
特殊性：卤水对NaCl饱和，且NaCl溶解度基本不随温度变化
xs G W 1 xs
W—蒸发水量kg/h G-析出NaCl量kg/h
Xs-NaCl的含量（质量浓度）%
2.2 热量衡算 一、热量衡算的目的
直接计算出过程所需供给或移出的热量，以确定需要
的加热剂及冷却剂的消耗量（如蒸汽消耗量、冷却水 消耗量； 计算出加热（冷却）设备的热负荷，从而为传热设备 的设计（设备的形式、尺寸、传热面积等）提供依据；
为非工艺专业(热工、电、给水、冷暖)设计提供设计
条件作准备。
2.2 热量衡算 二、热量衡算的依据：能量守恒定律
2.1 物料衡算
物料衡算方程：质量守恒定律
F F D D F
I O P R
A
式中：
FI——输入系统的物料量；
Fo——从系统输出的物料量；
Dp—系统内生成的物料量； DR—系统内消耗的物料量； FA——系统内积累的物料量；
2.1 物料衡算
对于连续过程（稳定操作过程），系统内不积累物料，
设备尺寸，并对过程投资进行经济成本分析。
2.3 常用化工计算软件
PRO/Ⅱ系列软件是美国Simulation Sciences.Inc.开发的
流程模拟应用软件。它具有很广泛的功能：设计新工艺；
估算新工厂的投资；旧厂挖潜改造；环境评估；工厂事故 诊断；工厂收率与利润的优化与提高等。 FLOWTRAN是由美国孟山都公司开发的一套流程模拟软件， 它采用序贯模块法设计，含有设备规格及费用设计子程序，
辅助工程（CAE）等。
2.3 常用化工计算软件 A、流程模拟软件 • 目前，常用商业化化工模拟计算软件有： ASPEN PLUS、PRO/Ⅱ、FLOWTRAN、ESIGN和HYSYS。
ASPEN PLUS ( Advanced System for Process Engineering)模拟系统是1976年美国麻省理工学院（MIT） 设计。它可用于计算稳态过程的物料平衡、能量平衡和
2 物料衡算和热量衡算
第一章 重点 1、化工厂特点 2、化工基本建设程序 3、我国化工工程设计的种类
4、我国化工设计的四级审核制度
5、化工设计阶段的划分及依据 6、化工工程初步设计（扩初设计）的程序和相应 的设计成果
本章主要内容 2.1 物料衡算 2.2 热量衡算 2.3 常用化工计算软件 本章重点： 物料衡算方法 热量衡算方法
一般情况下：
Q
进
Q出
Q1 Q2 Q3 Q4 Q5
Q1——输入系统的各流股带入的热量（kJ） Q2——过程热效应（kJ），规定放出热量为“-”，吸收热量为“+” Q3——从系统输出的各流股带出的热量（kJ） Q4——消耗在加热设备各个部件上的热量（kJ），对于连续过程Q4=0 Q5——设备向四周散失的热量（kJ）
2.1 物料衡算 五、物料衡算举例
例1：以提溴废液为原料，蒸发法生产卤片。设计条件如下：
（1）年生产能力：100000 t/a卤片，卤片含氯化镁45%，其它 盐3%； （2）年有效生产时间：8000 h/a； （3）原料：提溴废液，含氯化镁 30%，其它盐类2%； （4）氯化镁的回收率：98%； 损失：工艺损失和机械损失
实际应用性强。
2.3 常用化工计算软件 B、单元过程计算软件
由北京石油化工学院开发的“化工过程计算软件”、青岛
化工学院开发的工程化学模拟系统—“化工之星”等
ຫໍສະໝຸດ BaiduC、绘图设计软件
AutoCAD, PIPING, PDMS, AUTOPLANT等
2.1 物料衡算 四、物料衡算的程序
（1）确定衡算的对象、体系与环境，并画出计算对象
的草图。对于整个生产流程，要画出物料流程示意图
（或流程框图）。绘制物料流程图时，要着重考虑物 料的种类和走向，输入和输出要明确；
（2）确定计算任务，明确哪些是已知项，哪些是待求
项，选择适当的数学公式，力求计算方法简便； （3）确定过程所涉及的组分； （4）对物流流股进行编号，并标注物流变量；
(爆炸上下限)等。 b)原料及产品的分离方式，各步的回收率，采用物料分离剂时，加入
分离剂的配比。
c)特殊化学品的物性，如沸点、熔点、饱和蒸汽压、闪点等。 (3)工艺流程示意图。
2.1 物料衡算 三、物料衡算基准 时间基准 体积基准 1、时间基准
• 对于连续生产，以一段时间间隔作为计算基准，如1秒、1小 时、1天等的投料量或产品量。这种基准可直接联系到生产 规模和设备设计计算，如年产100万吨真空制盐装置，年操 作时间为8000h，每小时的平均产量为125t。 • 对间歇生产，一般可以一釜或一批料的生产周期作为基准。
2.2 热量衡算 六、热量衡算举例
例4：真空制盐四效蒸发热量衡算 已知条件如下： （1）蒸发流程 （2）原料卤水的温度15℃，定压热容Cp0=3.4kJ/(kg· ℃) (3）卤水的浓缩热可以忽略； （4）常压饱和氯化钠溶液的沸点升为8℃ （5）加热蒸汽压力为Po=400kPa （6）混合冷凝器操作压力为Pk=8kPa (7) 其它条件详见表
即FA=0
F F D D 0
I O P R
系统内无化学反应，则
D D 0
P R
F F 0
I O
F F
I
O
2.1 物料衡算 物料衡算结果表达——表格
原材料及中间物料消耗/产出一览表
序号 物料 单位 规格 名称 消耗/产出定 额（单耗） 每小时消 耗/产出 每年消耗 备注 /产出
1、计算基准：1h 2、每小时产量：
G= 100000 =12.5t/h 8000
F 3、每小时原料量F： 12.5 0.45 19.13t / h 0.30 0.98
F 30% F1 45%
4、每小时蒸发水量W：
蒸发水量W F，30%MgCl2 68%水
蒸发排料量：F1 19.13 30% 12.75t / h
2.1 物料衡算 主要内容： 物料衡算的目的 物料衡算的依据 物料衡算的基准 物料衡算的程序 物料衡算举例
2.1 物料衡算 一、物料衡算的目的
(1)确定原材料消耗定额； (2)确定各设备的输入及输出的物流量，摩尔分率组成及其他
组成表示方法。并列表，在此基础上进行设备的选型及设计，
并确定三废排放位置、数量及组成，有利于进一步提出三废 治理的方法； (3)作为热量计算的依据； (4)根据计算结果绘出物流图，可进行管路设计及材质选择，