【正文】 第四章 物料衡算 Material Balance 沈海民 15988460002(670002) 浙江工業(yè)大學(xué)精細(xì)化工研究所 概述 1 計(jì)算中用的基本量 物理過程的物料衡算 化學(xué)反應(yīng)的物料衡算 2 3 4 目 錄 概 述 物料衡算是化工工藝設(shè)計(jì)中最基本的設(shè)計(jì)內(nèi)容，是工藝設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。 主副產(chǎn)品的產(chǎn)量 原材料消耗定額 生產(chǎn)過程中的損耗 三廢產(chǎn)生量 物料的浪費(fèi) 生產(chǎn)過程的反?，F(xiàn)象 物 料 衡 算 物料衡算的理論依據(jù) “ 質(zhì)量 守衡定律” 在化工過程中，物料平衡是指：進(jìn)入一個(gè)裝置（或設(shè)備）的全部物料的量，必定等于離開這個(gè)裝置（或設(shè)備）的全部物料的量（包括損失量）和系統(tǒng)內(nèi)累積起來的物料的量。 輸入 =輸出 +累積 ∑F=∑D+W （ 1）基本式： 輸入 +生成 =輸出 +消耗 +累積 “生成”、“消耗”是指由于化學(xué)反應(yīng)而生 成、消耗的質(zhì)量 （ 2）對 穩(wěn)態(tài) 過程： 累積項(xiàng) =0 輸入 +生成 =輸出 +消耗 *穩(wěn)態(tài)（定態(tài)）過程： 系統(tǒng)內(nèi)任一部分的參數(shù)， 不隨時(shí)間而變，只隨空間位置而改變，是存在 于連續(xù)操作的一個(gè)過程，其特征為： 累積項(xiàng) =0 有化學(xué)反應(yīng)時(shí)的物料衡算 無化學(xué)反應(yīng)的穩(wěn)態(tài)過程： 輸入 =輸出 穩(wěn)態(tài)過程物料衡算式 物料平衡形式 無化學(xué)反應(yīng) 有化學(xué)反應(yīng) 總平衡式 總質(zhì)量平衡式 是 是 總摩爾平衡式 是 否 組分平衡式 組分質(zhì)量平衡式 是 否 組分摩爾平衡式 是 否 元素原子 平衡式 元素原子質(zhì)量平衡式 是 是 元素原子摩爾平衡式 是 是 物 料 衡 算 的 基 本 步 驟 1. 畫 出工藝 流程 示意 圖 2. 列 出化學(xué) 方程式 3. 確定計(jì)劃任務(wù) 4. 收集數(shù)據(jù) ?物料的名稱，數(shù)量，組成及流向 ?與計(jì)算有關(guān)的工藝條件如： P， T，配比等 ?未知的，待求的未知項(xiàng)，用字母， 符號標(biāo)定清楚。 ?畫出與物料衡算有關(guān)的設(shè)備及管線 ?寫明反應(yīng)過程的熱效應(yīng) ?省略次要的副反應(yīng) ?分析未知 ?選擇公式 收集數(shù)據(jù) ? 生產(chǎn)規(guī)模和生產(chǎn)時(shí)間 （年生產(chǎn)時(shí)數(shù)） 生產(chǎn)規(guī)模在設(shè)計(jì)任務(wù)書中已有，若是中間車間應(yīng)根據(jù)消耗定額來確定生產(chǎn)規(guī)模，要考慮物料在 車間回流 的情況。 大型化工廠 一般 8000小時(shí) /年 對要 經(jīng)常維修或試驗(yàn)性車間 一般 7200小時(shí) /年 很少的廠可達(dá) 8400小時(shí) /年 ? 有關(guān)的定額，收率，轉(zhuǎn)化率 的數(shù)據(jù)收集 要注意可靠性準(zhǔn)確性，并了解其單位與基準(zhǔn) ? 原料，輔助材料，產(chǎn)品，中間產(chǎn)品的規(guī)格 ? 與計(jì)算 有關(guān)的物理化學(xué)常數(shù) 如密度，蒸汽壓，相平衡常數(shù) 5. 選擇 計(jì)算 基準(zhǔn) 6. 建立物料平衡方程， 進(jìn)行 物料衡算 7. 整理并校核 計(jì)算結(jié)果 8. 繪制 物料流程圖， 填寫 物料平衡表。 列出的數(shù)學(xué)關(guān)聯(lián)式的數(shù)目應(yīng)與 所求未知項(xiàng)的數(shù)目相同，若數(shù)學(xué) 式不夠，用試差法求解。 ?時(shí)間基準(zhǔn) ?質(zhì)量基準(zhǔn) ?體積基準(zhǔn) ?干濕基準(zhǔn) 對 連續(xù)生產(chǎn)過程 可用 單位時(shí)間的物料量或單位時(shí)間的 產(chǎn)品量 作計(jì)算基準(zhǔn)，如三十萬噸 NH3廠，可以每小時(shí)產(chǎn) NH3量作物料衡算基準(zhǔn)，年生產(chǎn)時(shí)間 8000h（ 7200h）， 30 104/8000= T/h 對 間歇生產(chǎn)過程 可以 一套或一批料的生產(chǎn)周期 作基準(zhǔn)。 如一個(gè)反應(yīng)釜，每次投料 800kg，完成一個(gè)操作周期為 4h，則每小時(shí)處理物料 200kg/h作計(jì)算基準(zhǔn)。 時(shí)間基準(zhǔn) 質(zhì)量基準(zhǔn) 當(dāng)進(jìn)行衡算的系統(tǒng)其物料緣于固相或液相時(shí)，可選擇 一定 質(zhì)量的原料或產(chǎn)品作為計(jì)算基準(zhǔn) ，如以煤，礦石，石油為 原料的化工過程可選用 1kg原料為計(jì)算基準(zhǔn)。 特別是原料或產(chǎn)品是單一化合物，或其組成是已知的，選 此作計(jì)算基準(zhǔn)更為方便。 體積基準(zhǔn) 當(dāng)物料是氣體時(shí)，可選用體積為基準(zhǔn)，通常都換算成 STP（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)） 下的體積，這樣可排除 T， P變化帶 來的影響，而且容易把體積換算成 mol數(shù)（除以 ）。 不論是固態(tài)，液態(tài)或氣態(tài)物質(zhì)往往都含有一定的水分，因此就出現(xiàn)干基，濕基的問題。 若進(jìn)行衡算時(shí)，把水分去掉則稱 干基 ，把水分一起算入稱為 濕基 ，二者可互算。 干濕基準(zhǔn) *選作基準(zhǔn)的物料，必須是已知條件最多，并與其它物料 關(guān)系明確之物。 物料平衡表 輸 入 輸 出 名稱 重量 組成 % 單重 名稱 重量 組成 % 單重 混酸 435 HNO3 47 H2SO4 49 H2O 4 廢酸 291 HNO3 1 H2SO4 H2O 75 氯 苯 混合料 394 C6H5Cl 92 NO2C6H4Cl 8 硝基 物層 538 C6H5Cl NO2C6H4Cl 共計(jì) 829 100 100 829 共計(jì) 829 100 100 829 基準(zhǔn)：每小時(shí) 單位： kg 廢酸層 組分 重量 % HNO3 H2SO4 H2O NCB 混合料 組分 重量 % NCB CB 萃取廢酸 組分 重量 % 氯苯 組分 重量 % CB 100 萃 取 硝 化 單 位： kg/h 物料流程圖 + 概述 1 計(jì)算中用的基本量 物理過程的物料衡算 化學(xué)反應(yīng)的物料衡算 2 3 4 目 錄 1. 摩爾分?jǐn)?shù)、質(zhì)量分?jǐn)?shù)、平均分子量 tii nnx ?tii nny ?tii FFx ?tii FFy ?tii mmw ?tii WWw ?tii GGw ?inii xMM ???1摩爾分?jǐn)?shù) 對于流動(dòng)物系 質(zhì)量分?jǐn)?shù) 對于流動(dòng)物系 平均分子量 摩爾流量 質(zhì)量流量 質(zhì)量流速 2. 流體的流量和流速 AQu?體積流量： m3/h、 m3/min、 m3/s 流體的線速度：流體單位時(shí)間內(nèi)在流動(dòng)的方向上所流 經(jīng)的距離 , m/s 質(zhì)量流量：單位時(shí)間內(nèi)流經(jīng)管道或設(shè)備的流體的質(zhì)量 kg/h、 kg/min、 kg/s 質(zhì)量流速：單位時(shí)間內(nèi)流經(jīng)管道或設(shè)備的單位橫截面積 的流體的質(zhì)量 kg/h、 kg/min、 kg/s AWG?摩爾流量： kmol/h、 kmol/min、 kmol/s 體積流量 質(zhì)量流量 線速度 W=Qρ=uAρ 3. 氣體的體積和密度 1） 一般壓力、溫度 1M Pa 按 理想 氣體對待 PV=nRT ptnV 273 ????ptFQ 273 ????ptMg 101 273273 ?????RTMpg ??或 2） 高壓下 1M Pa 按 真實(shí) 氣體對待 PV=ZnRT Z為 壓縮因子 ，為 對比壓力 pr、 對比溫度 Tr的函數(shù) cpp?rpcTT?rT8p r??cpp8T r??cTT臨界值 H He和 Ne 根據(jù) pr和 Tr查表得 Z ZRTMpg ?? RTZpMmixg ??如為混合氣體