物料衡算和能量衡算全解

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衡算计算范围示意图：
1
2
3
图中方框表示一个体系，虚线表示体系边界。 共有三个流股，进料1、2及出料3。
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一、物料衡算依据 1. 理论依据——质量守恒定律
物料衡 算范围
单元操作的物料衡算——化工设备设计的前提 化工过程的物料衡算——化工过程设计的前提 输入量－输出量＋生成量－消耗量＝积累量
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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，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300~330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。
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பைடு நூலகம்
可建议： 以1t产品为基准 以1mol某反应物为基准 在连续操作中，以单位时间，即㎏/h或kmol/h作基准；在 间歇操作中，以㎏/批为基准
有化学变化的过程，适宜采用质量作基准；无化学变化的过 程，以质量或kmol/h为基准
对于液固系统常用单位质量作基准，而液相常用单位体积作 基准
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(7) 选择计算基准； (8) 统计变量个数与方程个数，确定设计变量个数及全部设计变量。 (9) 整理并校核计算结果，并根据需要换算基准，最后列成表格即物 流表。 (10) 绘制物料流程图，编写物流表作为设计文件成果编入正式设计 文件。
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衡算计算范围示意图：
边界线（Boundary Line）围起来的区域构成衡算范围。
12.02 525.2
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无化学反应的物料衡算 在化工过程中，一些只有物理变化，不发生化学反应的单元 操作，如混合、蒸馏、蒸发、干燥、吸收、结晶、萃取等。
二、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：
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(1) 时间基准——对连续生产过程，常以单位时间(如d、h、s）的投料 量或产品量为计算基准。 (2) 批量基准——以每批操作或一釜料的生产周期为基准。 ㎏/批 (3) 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 品作为计算基准较适合。 (4) 物质的量基准：对于有化学反应的过程因化学反应的按摩尔进行的， 用物质的量基准更方便。 (5) 标准体积基准：对气体物料进行衡算，可采用标准体积基准， Nm3(STP)，既排除T、p的影响，又可直接换算为摩尔。 (6) 干湿基准：由于物料中均含有一定量的水分，选用基准时就有算不 算水分的问题。湿基计算水分，干基不计算水分。 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。
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例:某尿素厂的生产能力为6万t尿素/a,年操作日300d，尿素 的氨耗为0.6t氨/t尿素，生产过程的氨损失按5%考虑，已知以 1t氨为基准的某股气体的组成和量如下表所示。
组成 ％(mol) CO2 28.56 CO 1.2 H2 52.61 N2 17.05 CH4 0.575 合计 100
物料衡算的一般表达式为：
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
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对有化学反应的过程：总物料衡算+元素衡算式 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。
kmol
54.30
2.29
100.04
32.43
1.093
190.99
列出该股气体的组成和流量表。 60000×0.6×1.05 解:小时氨耗为 300×24
=5.25t/h
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以1t氨为基准的各组分的kmol量乘以5.25所得结果为流量。
气体的流量和组成如下表所示:
组成 ％(mol) kmol/h CO2 28.56 285.1 CO 1.2 H2 52.61 N2 17.05 170.2 CH4 0.575 5.74 合计 100 998.3
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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。 分数约束式 约束式 设备约束式 ① 进料配比为一常数； ② 分流器出口物流具有相同的组成； ③ 相平衡常数； ④ 化学反应平衡常数； ⑤ 化学反应的转化率、选择性或其他限 度。
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第四章 物料衡算与能量衡算
Chart4 materiel balance and energy balance
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4.1 物料衡算
4.2 能量衡算
4.3 化工模拟软件在化工设计中的应用
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4.1 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。 通过物料衡算解决以下问题： 计算原料消耗量、副产品量； 输出过程物料的损耗量及三废的生成量； 在物料衡算基础上做能量衡算，计算蒸汽、水、电、煤或其他燃料 的消耗定额。 计算产品的技术经济指标。 为生产设备和辅助设备的选型及设计、管路设施与公用工程的设 计等方面提供依据。