第五章 物料衡算和能量衡算

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

2. 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系统，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。

3. 物料衡算的作用与意义 • 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。

4. 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。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。

5. 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。

6. 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： ∑G进=∑G出+∑G损+∑G积 式中 ∑G进--输入物料总和； ∑G出--离开物料量总和；∑G损--总的损失量； ∑G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： ∑G进=∑G出+∑G损

7. 车间收率和阶段收率 • 在作整个车间的物料衡算时，常需要用车间总收率、阶段收率这些基本概念。 车间收率和车间产品及原料消耗关系如下： 车间收率 或

8. 阶段收率则表示一个工段或工序的产品或半成品输出量，折算为投入物料量与实际投入物料量之间的比例关系，可用下式表示：阶段收率则表示一个工段或工序的产品或半成品输出量，折算为投入物料量与实际投入物料量之间的比例关系，可用下式表示： • 车间收率与阶段收率之间关系可用下式表示： η总=η1.η2.η3.……ηn 式中η1，η2，η3，…，ηn为各阶段收率。

9. 物料衡算的方法及步骤 对一些复杂的工艺流程作物料衡算，需要同时应用顺程法和返程法才能完成。 • 一个工艺流程，常由多个生产工序组成，要进行各工序、各设备的物料衡算，则需按一定的顺序进行。 顺程法 从原料进入系统开始，沿着物料走向，逐一计算 返程法 从最后的产品开始，按物料流程逆向的顺序进行计算

10. 物料衡算的步骤 • 1)画出物料衡算流程示意图 • 绘制物料流程图时，要着重确定生产工艺路线，考虑物料的来龙去脉。每一种物料都要表示在图上，并注明每种物料的重量、组成、体积、温度和压力等数据，不允许有差错和遗漏，并反复核对。如果是待求项，需用字形符号标写清楚。

11. 物料衡算的步骤 • 2)列出化学反应式 • 列出各个过程的主、副化学反应式，明确反应前后的物料组成和它们之间的定量关系。需要注意的是，当副反应很多时，对那些次要的，而且所占比重很小的副反应可以略去，而对那些产生有毒物质或明显影响产品质量的副反应，其量虽小，却不能略去，因为这是以后进行某些精制分离设备设计和三废治理设计的重要依据。

12. 物料衡算的步骤 • 3)确定计算项目 • 根据物料流程示意图和化学反应式，分析物料在每一台设备中的数量、成分和品种发生了哪些变化。近一步明确已知项和待求项。根据已知项和待求项的数学关系，寻找简捷的计算方法，以节省计算时间和减少错误发生率。

13. 物料衡算的步骤 • 4)收集数据 • 计算项目确定后，需要收集的数据和资料也就明确了。应收集的数据资料一般包括：生产规模、生产时间（年工作时数）、有关收率和转化率、原料、辅助材料，中间产品和产品的规格、有关物理化学常数等。在查找有关数据时应注意数据资料的正确性、可靠性和适用范围。

14. 物料衡算的步骤 • 5)选准计算基准 • 在物料衡算过程中，计算基准选得适当，可以大大简化计算手续。按照不同情况可以采用吨、公斤、m3作为计算单位。一般，对于气体采用m3作为计算单位比较方便。间歇生产过程的物料衡算一般以每批产量作为计算基准，而连续过程的物料衡算则采用每小时产量作为计算基准。在计算过程中还必须注意，将各个量的单位统一为同一单位制，保持前后一致，以避免发生差错。

15. 物料衡算的步骤 • 6)进行物料衡算 • 根据物质质量守恒定律，凡是进入设备进行操作的物料量必须等于操作后离开设备的物料量。但实际上，在生产过程中物料必然有损失，即产出量少于投入量，其差额即为物料损失量。 ∑G入＝∑G出＋∑G损 式中 ∑G入----进入物料量的总和； ∑G出----离开物料量的总和； ∑G损----损失物料量的总和。 上述物料衡算式适用于整个生产过程，也适用于生产过程的任何一个步骤和每一台设备、在物料衡算中，可以进行总的物料衡算，也可以对混合物中某一组成进行物料衡算。

16. 物料衡算的步骤 • 7)整理和校核计算结果 • 在计算过程中，每一步都要认真计算和认真校核，做到及时发现差错，防止差错延续扩大，以致造成大量返工。待计算全部结束后将计算结果整理清楚，列成表格。表中要列出进入和离开的物料名称、数量、成分及其百分数。再全面校核，直到计算完全正确为止。

17. 物料衡算的步骤 • 8)绘制物料流程图 • 根据计算结果正式绘制物料流程图。物料流程图是表示物料衡算结果的一种简单清楚的表示方法。它能清楚地表示出物料在流程或设备中的变化结果。物料流程图要作为设计成果，编入设计文件。

18. 连续过程的物料衡算 • 对于有物料再循环的连续过程，其物料衡算就比较复杂。在一些复合材料生产过程中往往将未反应的原料再返回生产过程中去，使之继续反应，以提高转化率；有时为了降低消耗定额，提高经济效益，也采用再循环方法。

19. 物料循环量要用循环系数法或解联立方程式的方法来计算。物料循环量要用循环系数法或解联立方程式的方法来计算。 • 循环系数法是通过求取循环系数来确定循环的物料量。循环系数与循环物料量的关系如下式所示： • 式中 G新鲜----加入设备的新鲜物料量； G循环----返回设备的循环物料量； Kp -----循环系数。 • 当循环系数Kp为已知时，即可求得物料的循环量，因为新鲜物料量可由产量求得。

20. 物料衡算的基本要素 物料衡算有两个基本要素，即计算的对象和计算的范围。 • 1)按计算的对象，可分为总物料衡算和某组分物料衡算，假如加入系统的物质有a、b、c、…，而出系统的物质为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、…，则物料总衡算可用图 (a)表示。假如这些物质中均含有组分A，则对A组分的物料衡算可用图 (b)表示。 • 一般说来，总物料衡算较简单,某组成的物料衡算较复杂，这需要将其组分的含量进行分析，并表示出来。 （a）第n工序总物料衡算图 （b）第n工序A组分

21. 物料衡算的基本要素 • 2)按衡算的范围，可分为全厂、全车间、全工段、某工序或某设备的物料衡算。计算时，需先明确计算范围。如图5-2所示。 • 图5-2 物料衡算范围示意图

22. 如果对整个系统进行物料衡算，即按A1A2A3A4边界线范围进行，则该系统物料平衡式为：如果对整个系统进行物料衡算，即按A1A2A3A4边界线范围进行，则该系统物料平衡式为： 进料(F1＋F2)＝出料(P＋V＋W) • 为了求得系统内各设备单元间的物料流量，需将有关单元分割出来作为衡算系统。例如，按边界C1C2C3C4划分出来，其物料平衡式为： 配料M－旁路物料R＝反应物N

23. 物料衡算的基本要素 • 一个独立方程，可以解出一个未知数。若已知配料M和反应物N，则可求出旁路的物料量R。同样，可以把配料、分离工序单独分割作为衡算系统，若有必要，也可以把B1C2C3B4包围的部分作为衡算范围。 • 对生产过程中一系列工序都要进行物料衡算时，若绘成表格形式，则可方便地进行计算。

24. 196＃不饱和聚酯树脂配方设计

25. 能量衡算解析 • 能量消耗费用是复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，在复合材料工艺设计中，能量衡算是十分重要的基本设计项目。能量衡算的目的在于定量地表示出工艺过程各部分的能量变化，确定需要加入或可供利用的能量，确定过程及设备的工艺条件和热负荷。 • 能量衡算主要包括热能、动能、电能和化学能等。能量衡算的主要任务如下：

26. 能量衡算的主要任务 • （1）确定各单元过程所需热量或冷量以及传热速率，为其他工程，如供汽、给水等提供设计依据； • （2）化学反应常伴有热效应，导致体系的温度变化，需确定为保持一定的反应温度所需的放热速率和传热速率； • （3）通过能量衡算，分析工程设计和操作中热量利用是否经济合理，以提高热量利用水平； • （4）确定泵、压缩机等输送机械和搅拌、过滤等操作机械所需功率。

27. 能量衡算解析 • 在复合材料工艺计算中，根据能量守恒原理： 能量积累率＝能量进入率－能量流出率＋反应热生成率－反应热消耗率 • 当过程没有化学反应时： 能量积累率＝能量进入率－能量流出率 • 当过程没有化学反应，并处于稳态时： 能量进入率＝能量流出率

28. 能量衡算解析 • 复合材料生产一般在规定的压力、温度和时间等工艺条件下进行。生产过程中包括化学过程和物理过程，往往伴随着能量变化，因此必须进行能量衡算。复合材料生产中一般无轴功存在或轴功相对来讲影响较小，可忽略不计，热量是一种最主要的能量形式，能量衡算实际上是热量衡算，因此，在本节中主要讨论热量衡算。热量衡算又可以分为单元设备热量衡算和系统热量衡算。

29. 能量衡算解析 • 生产过程中所产生的化学反应热效应及物理状态变化热效应会使物料温度上升或下降，为了保证生产过程在一定温度条件下进行，则需环境对生产系统有热量的加入或放出，这便是热量衡算的目的。 • 对新车间设计，热量衡算是在物料衡算的基础上进行。通过热量衡算，可确定传热设备的热负荷，即在规定的时间中加入或移出的热量，从而确定传热剂的消耗量，选择合适的传热方式，计算传热面积。 • 热量衡算和物料衡算相结合，通过工艺计算，可确定设备工艺尺寸，如设备的台数、容积、传热面积等。对已投产的生产车间或设备装置进行热量衡算，对热量的合理利用、提高传热设备的热效率、回收余热、最大限度地降低产品的能耗有其重要意义。

30. 能量衡算解析 • 在进行热量衡算时，首先要对复合材料生产过程中的单元设备进行热量衡算。通过热量衡算，算出设备的有效热负荷，由热负荷确定加热剂或冷却剂的用量、设备的传热面积等。

31. 单元设备热量衡算步骤 • （1）绘制设备的热平衡图 • 在复合材料生产过程中，进、出设备的热量大致可分为下列几种：物料带入设备的热量，过程的热效应，反应物带出的热量，传热剂传入或传出的热量，设备的热损失等等。 • 对一个单元设备而言，上面所提到的热量形式不一定都有，也有可能还有其他形式的热量。为了帮助分析和减少差错，先绘制设备的热平衡图，在图上将进、出设备的各种形式的热量标注出来，并核实无误。

32. 单元设备热量衡算步骤 • （2）确定热量衡算式 • 根据能量守恒定律，结合热量传递的特点，按设备热平衡图中标注的各种形式的热量，列热量衡算式。

33. 单元设备热量衡算步骤 • （3）收集有关资料 • 热量衡算涉及到物料量、物料的状态和有关物质的热力学参数，如比热容、潜热、反应热、溶解热、稀释热和结晶热等。这些热力学数据可以从有关的物性参数手册、书刊等资料上查得，也可以从工厂实际生产数据中取得。如果从上面的途径中无法得到有关数据，可以根据有关热力学关联式计算或通过实验测得。

34. 单元设备热量衡算步骤 • （4）选择计算基准温度 • 在进行热量计算时，基准温度选择不恰当，会给计算带来许多不便。因此，在同一个计算中，要选择同一个计算基准温度，而且要使计算尽量地简单、方便。一般情况下，选择25℃为基准温度，较为简便。

35. 单元设备热量衡算步骤 • （5）计算各种形式热量的值 • 在进行热量计算时，首先要拟订好计算程序，以免遗漏，特别是对于复杂体系的热量衡算，尤其要注意这一条。 • （6）列出热量平衡表 • 计算完毕后，将所得结果汇总，列出热量平衡表，检查热量是否平衡。

36. 热量衡算计算方法 过程的热效应 • 热量衡算按能量守恒定律，在无轴功的条件下，进入系统的热量与离开热量应该平衡，在实际中对传热设备的热量衡算可由下式表示： Q1＋Q2＋Q3＝Q4＋Q5+Q6 所处理的物料带入设备中的热量（KJ） 设备各部件所消耗的热量（KJ） 设备向四周散失的热量，又称热损失（KJ） 加热剂或冷却剂与设备和物料传递的热量 离开设备物料带走的热量（KJ）

37. 热量衡算计算方法 • 热量衡算的时间基准可与物料衡算相同，即对间歇生产可以每日或每批处理物料作基准。对连续生产以每小时作基准。但不管是间歇还是连续生产，计算传热面积的热负荷，必须以每小时作基准，而该时间必须是稳定传热时间。热量衡算温度基准，一般规定以25℃或0℃，也可以进料温度作基准。 • 从式中可得： • Q2＝Q4＋Q5＋Q6－Q1－Q3 加热剂或冷却剂与设备和物料传递的热量

38. 热量衡算计算方法 • （1）Q1与Q4计算 Q1（Q4）＝∑GiCPI(t－to) • 式中Gi----物料质量（kg）； • CPI----物料平均等压比热容（KJ/kg℃）； • t----物料的温度（℃）； • to----计算基准温度（℃）。 • Gi的数值可由物料衡算结果而定，t 的数值由生产工艺确定，CPI则可从手册中查得，或用估算法得到。

39. 热量衡算计算方法 • （2）Q5计算 • 消耗在加热或冷却设备上的热量可按下式计算： Q5＝∑GiCPI(t2－t1) • 式中 Gi----设备各部件的质量（kg） CPI---设备各部件的比热容kJ/(kg·℃) t1----设备各部件的初温度（℃） t2----设备各部件的终温度（℃）

40. 热量衡算计算方法 • （3）Q6计算 • 设备向四周散失的热量Q6可按下式计算： Q6＝∑Aαt(twz－ t0)τ×10-3 式中 A--设备散热表面积（m2）； • αt----散热表面向周围介质的联合给热系数W/(m2·℃)； • twz---器壁向四周散热的表面温度（℃）； • to----周围介质温度（℃）； • τ----过程连续时间（s）。

41. 热量衡算计算方法 • （4）过程热效应Q3计算 • 过程热效应可分为两类，一类是化学过程热效应即化学反应热效应，另一类是物理过程热效应，即物理状态变化热，如溶解、结晶、蒸发、冷凝、熔融、升华及浓度变化等吸入或放出热量。纯物理过程无化学反应热效应，但物料经历化学变化过程，除化学反应热效应外，往往伴随着物料状态变化热效应，则两者应结合在一起考虑，可用下式计算： Q3＝Qr＋Qp 式中 Qr----化学反应热效应（kJ）； Qp----物理过程热效应（kJ）。