物料衡算与热量衡算培训课件

物料衡算常用基本概念和方法
质量守恒定律 质量守恒定律是指“进入一个系统的全部物料量必等 于离开这个系统的全部物料量，再加上过程中损失量和 在系统中积累量”。依据质量守恒定律，对一研究系统 作物料衡算，可用下式表示：
∑F进=∑F出+∑F损+∑F积 式中 ∑F进--输入物料总和； ∑F出--离开物料量总和；
(1)
总体物料衡算：
NI
Fi
NT
Fi
Fiei Fmem
i 1
i NI 1
NI
NT
(2) 组分的物料衡算： Fi Zi, j Fi Zi, j
Fi Zi, j Fm Zm, j
(j=1,2, ……,NC)
i 1
i NI 1
(3) 组成的约束条件：NC Zi, j 1; Zi, je j 1 (i=1,2, ……,NT) j 1
(i-C4)，20%异戊烷(i-C5)和40%正戊烷(n-C5)的混合物
引入精馏塔分离，塔顶馏分为含50%C3，44%i-C4，
5%i-C5和 1%n-C5的混合物，塔底引出流股中仅含1%
简单混合例题
例5.1 将含有40%(质量百分率)硫酸的废液与98%浓硫 酸混合生产90%的硫酸，产量为1000kg/h。各溶液的 第二组分为水，试完成其物料衡算。
F1=? H2SO4 Z1,1=0.40
1
H2O Z1,2=0.60
F2=?
2
H2SO4 Z2,1=0.98
H2O Z2,2=0.02
混 合
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
图5.3 硫酸简单混合系统计算结果
几个组分就有几个独立方程； 几个组分就有几个独立变量； 几个组分流股方程中就有几项。
b.简单分离
物料衡算可分操作型计算和设计型计算。
操作型计算是指对已建立的工厂、车间或单元 操作及设备等进行计算。
设计型计算是指对建立一个新的工厂、车间或 单元操作及设备进行物料衡算，这是设计计算 的第一步，也是整个设计的基础，在此基础上 进行热量衡算、设备工艺计算，则可以确定设 备选型、工艺尺寸、台数以及公用工程所需水、 电、汽、冷冻、真空及压缩空气等需要量。
式中：Fi—第i个股的总流率，kg/h (kmol/h); Fi,j—第i个股中j 组分的流率，kg/h (kmol/h); Zi,j—第i个股中j 组分的组成; NI —进入流股数； NT — 物质流股总数；NC — 总组分数目;
Vj —反应物中第j 组分的化学计量系数，反应物为负，生成物为正。
4.1.2 混合器和分离器的物料衡算
a. 简单混合
1
混合器
Biblioteka Baidu
NT
2
NT-1
NT 1
图3.2 简单混合系统示意图
FNT Fi Fiei
i 1
NT 1
(Fi Zi, j )i NT (Fi Zi, j ) (j=1,2, ……, NC)
i 1
FNT Z NT , j Fi Zi, j
i=1,2, ……, NT-1 j=1,2, ……, NC
➢ 物料衡算还可以检验生产过程的完善程度，对生产 工艺设计工作也有着重要指导作用。物料衡算是计 算原料与产品之间的定量关系，由此定出原料和辅 助材料的用量、制订原料和辅助材料的单耗指标以 及生产过程中各个阶段的原料和辅助材料的损耗量 及其组成。
➢ 物料衡算也是能量衡算、定型设备选型、非定型设 备工艺计算和其他工艺计算的基础。通过物料衡算 可以算出各工段所处理的物料量(各组分的成分、重 量和体积)，便可以定出生产过程所需设备台数、容 量和主要尺寸以及计算管道尺寸等。所以物料衡算 是复合材料工艺计算的重要部分。
H2SO4 55.2 0.40 844.8 0.98 900.0 0.90 H2O 82.8 0.60 17.2 0.02 100.0 0.10 合计 138.0 1.00 862. 1.00 1000 1.00
结果分析
F1=138 kg/h H2SO4 Z1,1=0.40
1
H2O Z1,2=0.60
3 F3=1000 kg/h
H2SO4 Z3,1=0.90
器
H2O Z3,2=0.10
图5.3 硫酸简单混合系统示意图
计算结果
解: 水： 0.6F1+0.02F2=0.1F3=100 总： F1+F2=F3=1000
联立：F1= 138 kg/h F2= 862 kg/h
流股 40%硫酸 (1) 98%硫酸 (2) 90%硫酸 (3) 组分 kg/h 质量分率 kg/h 质量分率 kg/h 质量分率
NT
F1 Fi i2
NT
F1Z1, j Fi Zi, j i2 F1=F2+F3；
1
分
2
离 器
3
图5.4 简单分离系统示意图
( j =1,2, ……, NC )
F1 Z1, j Fi Zi, j
(i 2,3, , NT ) ( j 1,2, , NC )
b.简单分离例题-自由度分析
例5.2 将一个含有20%(摩尔分率)丙烷(C3), 20%异丁烷
∑F损--总的损失量； ∑F积--系统中积累量。 分批操作（间歇操作）的设备，当终点时，物料全部 排出则系统内物料积累为零，对于稳定连续操作，系统 物料累积量亦为零。在此情况下，上式可写成：
∑F进=∑F出+∑F损
4.1 简单的物料衡算
4.1 简单的物料衡算
质量守恒定律： 物料衡算的基本准则是质量守恒定律。 以稳态为例：
4 物料衡算与热量衡算
物料衡算的作用与意义
依据质量守衡定律，以设备或生产过程作 为研究对象，对其进、出口处进行定量计算， 称之为物料衡算。
在复合材料生产过程中，物料衡算对于控 制生产过程有着重要的指导意义。在实际生产 过程中，物料衡算可以揭示物料的浪费和生产 过程的反常现象，从而帮助找出改进措施，提 高成品率及减少副产品、杂质和三废排放量。
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)
4.1 简单的物料衡算
① 分析问题； 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。
美国黄石公园
4.1.1 简单的衡算模型
1
NI ＋1
2
NI ＋2
(张量基本知识)
NI
NT
图5.1 简单衡算系统示意图