1、第五章 物料衡算和能量衡算,5.1 物料衡算,5.2 能量衡算,物料衡算的作用與意義,依據(jù)質(zhì)量守衡定律，以設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程作為研究系統(tǒng)，對(duì)其進(jìn)、出口處進(jìn)行定量計(jì)算，稱(chēng)之為物料衡算。 在復(fù)合材料生產(chǎn)過(guò)程中，物料衡算對(duì)于控制生產(chǎn)過(guò)程有著重要的指導(dǎo)意義。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，物料衡算可以揭示物料的浪費(fèi)和生產(chǎn)過(guò)程的反常現(xiàn)象，從而幫助找出改進(jìn)措施，提高成品率及減少副產(chǎn)品、雜質(zhì)和三廢排放量。,物料衡算還可以檢驗(yàn)生產(chǎn)過(guò)程的完善程度，對(duì)生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)工作也有著重要指導(dǎo)作用。物料衡算是計(jì)算原料與產(chǎn)品之間的定量關(guān)系，由此定出原料和輔助材料的用量、制訂原料和輔助材料的單耗指標(biāo)以及生產(chǎn)過(guò)程中各個(gè)階段的原料和輔助材料的損耗量及

2、其組成。,物料衡算的作用與意義,物料衡算也是能量衡算、定型設(shè)備選型、非定型設(shè)備工藝計(jì)算和其他工藝計(jì)算的基礎(chǔ)。通過(guò)物料衡算可以算出各工段所處理的物料量(各組分的成分、重量和體積)，便可以定出生產(chǎn)過(guò)程所需設(shè)備臺(tái)數(shù)、容量和主要尺寸以及計(jì)算管道尺寸等。所以物料衡算是復(fù)合材料工藝計(jì)算的重要部分。,物料衡算可分操作型計(jì)算和設(shè)計(jì)型計(jì)算。 操作型計(jì)算是指對(duì)已建立的工廠(chǎng)、車(chē)間或單元操作及設(shè)備等進(jìn)行計(jì)算。 設(shè)計(jì)型計(jì)算是指對(duì)建立一個(gè)新的工廠(chǎng)、車(chē)間或單元操作及設(shè)備進(jìn)行物料衡算，這是設(shè)計(jì)計(jì)算的第一步，也是整個(gè)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行熱量衡算、設(shè)備工藝計(jì)算，則可以確定設(shè)備選型、工藝尺寸、臺(tái)數(shù)以及公用工程所需水、電、汽、

3、冷凍、真空及壓縮空氣等需要量。,物料衡算常用基本概念和方法,質(zhì)量守恒定律 質(zhì)量守恒定律是指“進(jìn)入一個(gè)系統(tǒng)的全部物料量必等于離開(kāi)這個(gè)系統(tǒng)的全部物料量，再加上過(guò)程中損失量和在系統(tǒng)中積累量”。依據(jù)質(zhì)量守恒定律，對(duì)一研究系統(tǒng)作物料衡算，可用下式表示： G進(jìn)=G出+G損+G積 式中 G進(jìn)-輸入物料總和； G出-離開(kāi)物料量總和；G損-總的損失量； G積-系統(tǒng)中積累量。 分批操作（間歇操作）的設(shè)備，當(dāng)終點(diǎn)時(shí)，物料全部排出則系統(tǒng)內(nèi)物料積累為零，對(duì)于穩(wěn)定連續(xù)操作，系統(tǒng)物料累積量亦為零。在此情況下，上式可寫(xiě)成： G進(jìn)=G出+G損,車(chē)間收率和階段收率,在作整個(gè)車(chē)間的物料衡算時(shí)，常需要用車(chē)間總收率、階段收率這些基本概

4、念。 車(chē)間收率和車(chē)間產(chǎn)品及原料消耗關(guān)系如下： 車(chē)間收率 或,階段收率則表示一個(gè)工段或工序的產(chǎn)品或半成品輸出量，折算為投入物料量與實(shí)際投入物料量之間的比例關(guān)系，可用下式表示： 車(chē)間收率與階段收率之間關(guān)系可用下式表示： 總=1.2.3.n 式中1，2，3，n為各階段收率。,物料衡算的方法及步驟,順程法,返程法,一個(gè)工藝流程，常由多個(gè)生產(chǎn)工序組成，要進(jìn)行各工序、各設(shè)備的物料衡算，則需按一定的順序進(jìn)行。,從原料進(jìn)入系統(tǒng)開(kāi)始，沿著物料走向，逐一計(jì)算,從最后的產(chǎn)品開(kāi)始，按物料流程逆向的順序進(jìn)行計(jì)算,對(duì)一些復(fù)雜的工藝流程作物料衡算，需要同時(shí)應(yīng)用順程法和返程法才能完成。,物料衡算的步驟,1)畫(huà)出物料衡算流程示

5、意圖 繪制物料流程圖時(shí)，要著重確定生產(chǎn)工藝路線(xiàn)，考慮物料的來(lái)龍去脈。每一種物料都要表示在圖上，并注明每種物料的重量、組成、體積、溫度和壓力等數(shù)據(jù)，不允許有差錯(cuò)和遺漏，并反復(fù)核對(duì)。如果是待求項(xiàng)，需用字形符號(hào)標(biāo)寫(xiě)清楚。,2)列出化學(xué)反應(yīng)式 列出各個(gè)過(guò)程的主、副化學(xué)反應(yīng)式，明確反應(yīng)前后的物料組成和它們之間的定量關(guān)系。需要注意的是，當(dāng)副反應(yīng)很多時(shí)，對(duì)那些次要的，而且所占比重很小的副反應(yīng)可以略去，而對(duì)那些產(chǎn)生有毒物質(zhì)或明顯影響產(chǎn)品質(zhì)量的副反應(yīng)，其量雖小，卻不能略去，因?yàn)檫@是以后進(jìn)行某些精制分離設(shè)備設(shè)計(jì)和三廢治理設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。,物料衡算的步驟,3)確定計(jì)算項(xiàng)目 根據(jù)物料流程示意圖和化學(xué)反應(yīng)式，分析物料在

6、每一臺(tái)設(shè)備中的數(shù)量、成分和品種發(fā)生了哪些變化。近一步明確已知項(xiàng)和待求項(xiàng)。根據(jù)已知項(xiàng)和待求項(xiàng)的數(shù)學(xué)關(guān)系，尋找簡(jiǎn)捷的計(jì)算方法，以節(jié)省計(jì)算時(shí)間和減少錯(cuò)誤發(fā)生率。,物料衡算的步驟,4)收集數(shù)據(jù) 計(jì)算項(xiàng)目確定后，需要收集的數(shù)據(jù)和資料也就明確了。應(yīng)收集的數(shù)據(jù)資料一般包括：生產(chǎn)規(guī)模、生產(chǎn)時(shí)間（年工作時(shí)數(shù)）、有關(guān)收率和轉(zhuǎn)化率、原料、輔助材料，中間產(chǎn)品和產(chǎn)品的規(guī)格、有關(guān)物理化學(xué)常數(shù)等。在查找有關(guān)數(shù)據(jù)時(shí)應(yīng)注意數(shù)據(jù)資料的正確性、可靠性和適用范圍。,物料衡算的步驟,5)選準(zhǔn)計(jì)算基準(zhǔn) 在物料衡算過(guò)程中，計(jì)算基準(zhǔn)選得適當(dāng)，可以大大簡(jiǎn)化計(jì)算手續(xù)。按照不同情況可以采用噸、公斤、m3作為計(jì)算單位。一般，對(duì)于氣體采用m3作為計(jì)算

7、單位比較方便。間歇生產(chǎn)過(guò)程的物料衡算一般以每批產(chǎn)量作為計(jì)算基準(zhǔn)，而連續(xù)過(guò)程的物料衡算則采用每小時(shí)產(chǎn)量作為計(jì)算基準(zhǔn)。在計(jì)算過(guò)程中還必須注意，將各個(gè)量的單位統(tǒng)一為同一單位制，保持前后一致，以避免發(fā)生差錯(cuò)。,物料衡算的步驟,6)進(jìn)行物料衡算 根據(jù)物質(zhì)質(zhì)量守恒定律，凡是進(jìn)入設(shè)備進(jìn)行操作的物料量必須等于操作后離開(kāi)設(shè)備的物料量。但實(shí)際上，在生產(chǎn)過(guò)程中物料必然有損失，即產(chǎn)出量少于投入量，其差額即為物料損失量。 G入G出G損 式中 G入-進(jìn)入物料量的總和； G出-離開(kāi)物料量的總和； G損-損失物料量的總和。 上述物料衡算式適用于整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程，也適用于生產(chǎn)過(guò)程的任何一個(gè)步驟和每一臺(tái)設(shè)備、在物料衡算中，可以進(jìn)行總

8、的物料衡算，也可以對(duì)混合物中某一組成進(jìn)行物料衡算。,物料衡算的步驟,7)整理和校核計(jì)算結(jié)果 在計(jì)算過(guò)程中，每一步都要認(rèn)真計(jì)算和認(rèn)真校核，做到及時(shí)發(fā)現(xiàn)差錯(cuò)，防止差錯(cuò)延續(xù)擴(kuò)大，以致造成大量返工。待計(jì)算全部結(jié)束后將計(jì)算結(jié)果整理清楚，列成表格。表中要列出進(jìn)入和離開(kāi)的物料名稱(chēng)、數(shù)量、成分及其百分?jǐn)?shù)。再全面校核，直到計(jì)算完全正確為止。,物料衡算的步驟,8)繪制物料流程圖 根據(jù)計(jì)算結(jié)果正式繪制物料流程圖。物料流程圖是表示物料衡算結(jié)果的一種簡(jiǎn)單清楚的表示方法。它能清楚地表示出物料在流程或設(shè)備中的變化結(jié)果。物料流程圖要作為設(shè)計(jì)成果，編入設(shè)計(jì)文件。,物料衡算的步驟,連續(xù)過(guò)程的物料衡算,對(duì)于有物料再循環(huán)的連續(xù)過(guò)程，

9、其物料衡算就比較復(fù)雜。在一些復(fù)合材料生產(chǎn)過(guò)程中往往將未反應(yīng)的原料再返回生產(chǎn)過(guò)程中去，使之繼續(xù)反應(yīng)，以提高轉(zhuǎn)化率；有時(shí)為了降低消耗定額，提高經(jīng)濟(jì)效益，也采用再循環(huán)方法。,物料循環(huán)量要用循環(huán)系數(shù)法或解聯(lián)立方程式的方法來(lái)計(jì)算。 循環(huán)系數(shù)法是通過(guò)求取循環(huán)系數(shù)來(lái)確定循環(huán)的物料量。循環(huán)系數(shù)與循環(huán)物料量的關(guān)系如下式所示： 式中 G新鮮-加入設(shè)備的新鮮物料量； G循環(huán)-返回設(shè)備的循環(huán)物料量； Kp -循環(huán)系數(shù)。 當(dāng)循環(huán)系數(shù)Kp為已知時(shí)，即可求得物料的循環(huán)量，因?yàn)樾迈r物料量可由產(chǎn)量求得。,物料衡算的基本要素,物料衡算有兩個(gè)基本要素，即計(jì)算的對(duì)象和計(jì)算的范圍。 1)按計(jì)算的對(duì)象，可分為總物料衡算和某組分物料衡算，

10、假如加入系統(tǒng)的物質(zhì)有a、b、c、，而出系統(tǒng)的物質(zhì)為、，則物料總衡算可用圖 (a)表示。假如這些物質(zhì)中均含有組分A，則對(duì)A組分的物料衡算可用圖 (b)表示。 一般說(shuō)來(lái)，總物料衡算較簡(jiǎn)單,某組成的物料衡算較復(fù)雜，這需要將其組分的含量進(jìn)行分析，并表示出來(lái)。 （a）第n工序總物料衡算圖 （b）第n工序A組分,2)按衡算的范圍，可分為全廠(chǎng)、全車(chē)間、全工段、某工序或某設(shè)備的物料衡算。計(jì)算時(shí)，需先明確計(jì)算范圍。如圖5-2所示。 圖5-2 物料衡算范圍示意圖,物料衡算的基本要素,如果對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行物料衡算，即按A1A2A3A4邊界線(xiàn)范圍進(jìn)行，則該系統(tǒng)物料平衡式為： 進(jìn)料(F1F2)出料(PVW) 為了求得系統(tǒng)

11、內(nèi)各設(shè)備單元間的物料流量，需將有關(guān)單元分割出來(lái)作為衡算系統(tǒng)。例如，按邊界C1C2C3C4劃分出來(lái)，其物料平衡式為： 配料M旁路物料R反應(yīng)物N,一個(gè)獨(dú)立方程，可以解出一個(gè)未知數(shù)。若已知配料M和反應(yīng)物N，則可求出旁路的物料量R。同樣，可以把配料、分離工序單獨(dú)分割作為衡算系統(tǒng)，若有必要，也可以把B1C2C3B4包圍的部分作為衡算范圍。 對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中一系列工序都要進(jìn)行物料衡算時(shí)，若繪成表格形式，則可方便地進(jìn)行計(jì)算。,物料衡算的基本要素,196不飽和聚酯樹(shù)脂配方設(shè)計(jì),能量消耗費(fèi)用是復(fù)合材料制品主要成本之一，合理的利用能量可以降低成本。因此，在復(fù)合材料工藝設(shè)計(jì)中，能量衡算是十分重要的基本設(shè)計(jì)項(xiàng)目。能量衡算

12、的目的在于定量地表示出工藝過(guò)程各部分的能量變化，確定需要加入或可供利用的能量，確定過(guò)程及設(shè)備的工藝條件和熱負(fù)荷。 能量衡算主要包括熱能、動(dòng)能、電能和化學(xué)能等。能量衡算的主要任務(wù)如下：,能量衡算解析,（1）確定各單元過(guò)程所需熱量或冷量以及傳熱速率，為其他工程，如供汽、給水等提供設(shè)計(jì)依據(jù)； （2）化學(xué)反應(yīng)常伴有熱效應(yīng)，導(dǎo)致體系的溫度變化，需確定為保持一定的反應(yīng)溫度所需的放熱速率和傳熱速率； （3）通過(guò)能量衡算，分析工程設(shè)計(jì)和操作中熱量利用是否經(jīng)濟(jì)合理，以提高熱量利用水平； （4）確定泵、壓縮機(jī)等輸送機(jī)械和攪拌、過(guò)濾等操作機(jī)械所需功率。,能量衡算的主要任務(wù),在復(fù)合材料工藝計(jì)算中，根據(jù)能量守恒原理：

13、能量積累率能量進(jìn)入率能量流出率反應(yīng)熱生成率反應(yīng)熱消耗率 當(dāng)過(guò)程沒(méi)有化學(xué)反應(yīng)時(shí)： 能量積累率能量進(jìn)入率能量流出率 當(dāng)過(guò)程沒(méi)有化學(xué)反應(yīng)，并處于穩(wěn)態(tài)時(shí)： 能量進(jìn)入率能量流出率,能量衡算解析,復(fù)合材料生產(chǎn)一般在規(guī)定的壓力、溫度和時(shí)間等工藝條件下進(jìn)行。生產(chǎn)過(guò)程中包括化學(xué)過(guò)程和物理過(guò)程，往往伴隨著能量變化，因此必須進(jìn)行能量衡算。復(fù)合材料生產(chǎn)中一般無(wú)軸功存在或軸功相對(duì)來(lái)講影響較小，可忽略不計(jì)，熱量是一種最主要的能量形式，能量衡算實(shí)際上是熱量衡算，因此，在本節(jié)中主要討論熱量衡算。熱量衡算又可以分為單元設(shè)備熱量衡算和系統(tǒng)熱量衡算。,能量衡算解析,生產(chǎn)過(guò)程中所產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)熱效應(yīng)及物理狀態(tài)變化熱效應(yīng)會(huì)使物料溫度上

14、升或下降，為了保證生產(chǎn)過(guò)程在一定溫度條件下進(jìn)行，則需環(huán)境對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)有熱量的加入或放出，這便是熱量衡算的目的。 對(duì)新車(chē)間設(shè)計(jì)，熱量衡算是在物料衡算的基礎(chǔ)上進(jìn)行。通過(guò)熱量衡算，可確定傳熱設(shè)備的熱負(fù)荷，即在規(guī)定的時(shí)間中加入或移出的熱量，從而確定傳熱劑的消耗量，選擇合適的傳熱方式，計(jì)算傳熱面積。 熱量衡算和物料衡算相結(jié)合，通過(guò)工藝計(jì)算，可確定設(shè)備工藝尺寸，如設(shè)備的臺(tái)數(shù)、容積、傳熱面積等。對(duì)已投產(chǎn)的生產(chǎn)車(chē)間或設(shè)備裝置進(jìn)行熱量衡算，對(duì)熱量的合理利用、提高傳熱設(shè)備的熱效率、回收余熱、最大限度地降低產(chǎn)品的能耗有其重要意義。,能量衡算解析,在進(jìn)行熱量衡算時(shí)，首先要對(duì)復(fù)合材料生產(chǎn)過(guò)程中的單元設(shè)備進(jìn)行熱量衡算。通過(guò)

15、熱量衡算，算出設(shè)備的有效熱負(fù)荷，由熱負(fù)荷確定加熱劑或冷卻劑的用量、設(shè)備的傳熱面積等。,能量衡算解析,單元設(shè)備熱量衡算步驟,（1）繪制設(shè)備的熱平衡圖 在復(fù)合材料生產(chǎn)過(guò)程中，進(jìn)、出設(shè)備的熱量大致可分為下列幾種：物料帶入設(shè)備的熱量，過(guò)程的熱效應(yīng)，反應(yīng)物帶出的熱量，傳熱劑傳入或傳出的熱量，設(shè)備的熱損失等等。 對(duì)一個(gè)單元設(shè)備而言，上面所提到的熱量形式不一定都有，也有可能還有其他形式的熱量。為了幫助分析和減少差錯(cuò)，先繪制設(shè)備的熱平衡圖，在圖上將進(jìn)、出設(shè)備的各種形式的熱量標(biāo)注出來(lái)，并核實(shí)無(wú)誤。,（2）確定熱量衡算式 根據(jù)能量守恒定律，結(jié)合熱量傳遞的特點(diǎn)，按設(shè)備熱平衡圖中標(biāo)注的各種形式的熱量，列熱量衡算式。,

16、單元設(shè)備熱量衡算步驟,（3）收集有關(guān)資料 熱量衡算涉及到物料量、物料的狀態(tài)和有關(guān)物質(zhì)的熱力學(xué)參數(shù)，如比熱容、潛熱、反應(yīng)熱、溶解熱、稀釋熱和結(jié)晶熱等。這些熱力學(xué)數(shù)據(jù)可以從有關(guān)的物性參數(shù)手冊(cè)、書(shū)刊等資料上查得，也可以從工廠(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)中取得。如果從上面的途徑中無(wú)法得到有關(guān)數(shù)據(jù)，可以根據(jù)有關(guān)熱力學(xué)關(guān)聯(lián)式計(jì)算或通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得。,單元設(shè)備熱量衡算步驟,（4）選擇計(jì)算基準(zhǔn)溫度 在進(jìn)行熱量計(jì)算時(shí)，基準(zhǔn)溫度選擇不恰當(dāng)，會(huì)給計(jì)算帶來(lái)許多不便。因此，在同一個(gè)計(jì)算中，要選擇同一個(gè)計(jì)算基準(zhǔn)溫度，而且要使計(jì)算盡量地簡(jiǎn)單、方便。一般情況下，選擇25 為基準(zhǔn)溫度，較為簡(jiǎn)便。,單元設(shè)備熱量衡算步驟,（5）計(jì)算各種形式熱量的值

17、在進(jìn)行熱量計(jì)算時(shí)，首先要擬訂好計(jì)算程序，以免遺漏，特別是對(duì)于復(fù)雜體系的熱量衡算，尤其要注意這一條。 （6）列出熱量平衡表 計(jì)算完畢后，將所得結(jié)果匯總，列出熱量平衡表，檢查熱量是否平衡。,單元設(shè)備熱量衡算步驟,熱量衡算按能量守恒定律，在無(wú)軸功的條件下，進(jìn)入系統(tǒng)的熱量與離開(kāi)熱量應(yīng)該平衡，在實(shí)際中對(duì)傳熱設(shè)備的熱量衡算可由下式表示： Q1Q2Q3Q4Q5+Q6,熱量衡算計(jì)算方法,所處理的物料帶入設(shè)備中的熱量（KJ）,加熱劑或冷卻劑與設(shè)備和物料傳遞的熱量,過(guò)程的熱效應(yīng),設(shè)備各部件所消耗的熱量（KJ）,離開(kāi)設(shè)備物料帶走的熱量（KJ）,設(shè)備向四周散失的熱量，又稱(chēng)熱損失（KJ）,熱量衡算的時(shí)間基準(zhǔn)可與物料衡算

18、相同，即對(duì)間歇生產(chǎn)可以每日或每批處理物料作基準(zhǔn)。對(duì)連續(xù)生產(chǎn)以每小時(shí)作基準(zhǔn)。但不管是間歇還是連續(xù)生產(chǎn)，計(jì)算傳熱面積的熱負(fù)荷，必須以每小時(shí)作基準(zhǔn)，而該時(shí)間必須是穩(wěn)定傳熱時(shí)間。熱量衡算溫度基準(zhǔn)，一般規(guī)定以25或0，也可以進(jìn)料溫度作基準(zhǔn)。 從式中可得： Q2Q4Q5Q6Q1Q3,熱量衡算計(jì)算方法,加熱劑或冷卻劑與設(shè)備和物料傳遞的熱量,（1）Q1與Q4計(jì)算 Q1（Q4）GiCPI(tto) 式中 Gi-物料質(zhì)量（kg）； CPI-物料平均等壓比熱容（KJ/kg）； t-物料的溫度（）； to-計(jì)算基準(zhǔn)溫度（）。 Gi的數(shù)值可由物料衡算結(jié)果而定，t 的數(shù)值由生產(chǎn)工藝確定，CPI則可從手冊(cè)中查得，或用估算法得到。,熱量衡算計(jì)算方法,（2）Q5計(jì)算 消耗在加熱或冷卻設(shè)備上的熱量可按下式計(jì)算： Q5GiCPI(t2t1) 式中 Gi-設(shè)備各部件的質(zhì)量（kg） CPI-設(shè)備各部件的比熱容kJ/(kg) t1-設(shè)備各部件的初溫度（） t2-設(shè)備各部件的終溫度（）,熱量衡算計(jì)算方法,（3）Q6計(jì)算 設(shè)備向四周散失的熱量Q6可按下式計(jì)算： Q6At(twz t0)10-3 式中 A-設(shè)備散熱表面積（m2）； t-散熱