化工中物料衡算和热量衡算公式

物料衡算和热量衡算物料衡算根据质量守恒定律，以生产过程或生产单元设备为研究对象，对其进出口处进行定量计算，称为物料衡算。通过物料衡算可以计算原料与产品间的定量转变关系，以及计算各种原料的消耗量，各种中间产品、副产品的产量、损耗量及组成。物料衡算的基础物料衡算的基础是物质的质量守恒定律，即进入一个系统的全部物料量必等于离开系统的全部物料量，再加上过程中的损失量和在系统中的积累量。∑G1=∑G2+∑G3+∑G4∑G2：——输人物料量总和；∑G3：——输出物料量总和；∑G4：——物料损失量总和；∑G5：——物料积累量总和。当系统内物料积累量为零时，上式可以写成：∑G1=∑G2+∑G3物料衡算是所有工艺计算的基础，通过物料衡算可确定设备容积、台数、主要尺寸，同时可进行热量衡算、管路尺寸计算等。物料衡算的基准(1)对于间歇式操作的过程，常采用一批原料为基准进行计算。(2)对于连续式操作的过程，可以采用单位时间产品数量或原料量为基准进行计算。物料衡算的结果应列成原材料消耗定额及消耗量表。消耗定额是指每吨产品或以一定量的产品(如每千克针剂、每万片药片等)所消耗的原材料量；而消耗量是指以每年或每日等时间所消耗的原材料量。制剂车间的消耗定额及消耗量计算时应把原料、辅料及主要包装材料一起算入。热量衡算制药生产过程中包含有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。又因生产中一般无轴功存在或轴功相对来讲影响较小，因此能量衡算实质上是热量衡算。生产过程中产生的热量或冷量会使物料温度上升或下降，为了保证生产过程在一定温度下进行，则外界须对生产系统有热量的加入或排除。通过热量衡算，对需加热或冷却设备进行热量计算，可以确定加热或冷却介质的用量，以及设备所需传递的热量。热量衡算的基础热量衡算按能量守恒定律“在无轴功条件下，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衡算可由下式表示Q1+Q2+Q3=Q4+Q5+Q6（1—1）式中：Q1—所处理的物料带入设备总的热量，KJ;Q2—加热剂或冷却剂与设备和物料传递的热量（符号规定加热剂加入热量为“+”，冷却剂吸收热量为“-”），KJ;Q3—过程的热效率，（符号规定过程放热为“+”；过程吸热为“-”）Q4—反应终了时物料的焓（输出反应器的物料的焓）Q5—设备部件所消耗的热量，KJ;Q6—设备向四周散失的热量，又称热损失,KJ;热量衡算的基准可与物料衡算相同，即对间歇生产可以以每日或每批处理物料基准。（计算传热面积的热负荷必须以每小时作为基准，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25℃。热量衡算式中各项计算从（1—1）式中可得：Q2=Q4+Q5+Q6-Q1-Q3(1—2)式中各项可用以下计算方法（1）Q1和Q4的计算Q1和Q4均可以用下式计算：Q=∑miciT1(T2)式中：mi—反应物体系中组分I的质量，Kg;ci—组分i在0—T℃时的平均比热容，KJ/(Kg*℃)或KJ/(Kmol·℃);T1(T2)—反应物系反应前后的温度，℃（2）Q3的计算Q3作为过程的热效率分为化学反应热效应和物理过程热效应，在这次反应中由于物理过程热效应较低，相比化学反应热效应可忽略不计，故过程热效应可由下式表示：3rpQQQ式中rQ—化学反应热效应，KJ；pQ—物理过程热效应，KJ；(可忽略不计)rQ可通过标准化学反应热0rq计算：0(1000/)rAArQGMq式中0rq—标准化学反应热，KJ/mol；AG—参与化学反应的A物质质量，Kg；AM—A物质分子量。000()()rcRcPqqq反应体系中各物质标准焓为：乙苯（40.219KJ/mol）苯（33.871KJ/mol）甲苯（18.029KJ/mol）0rq=（33.871+18.029-40.219）KJ/mol=51.86KJ/molrQ=3Q=(1000×35430×51.86/104.15)=17641860.78KJQ5=∑Micpi(T2—T1)Mi——设备上i部件质量，kg；cpi——设备上i部件比热容，kJ／(kg•℃)T1——设备各部件初温，℃；T2——设备各部件终温，℃。设备向四周散失的热量(Q6)的计算Q6=∑Aαt(TW2一T0)t×10-3A——设备散热表面积，m2；αt——散热表面向四周介质的联合给热系数，W／(m2•℃)；Tw2——四壁向四周散热时的表面温度，℃；To——周围介质温度，℃；t——过程持续时间，s。由加热剂或冷却剂传给设备和物料的热量的计算Q2=Q4+Q5+Q6-Q1-Q3选定加热剂(或冷却剂)，即可从有关手册查出该物质cp，再确定其进出口温差ΔT，则加热剂(或冷却剂)的用量为：w=Q2／cp•ΔTQ2=κA1•ΔTmκ——传热系数，kJ／(m2•h．℃)；Al——传热面积，m2；ΔTm——对数平均温差，℃。ΔTm=(ΔT1—ΔT2)/ln(ΔTl／ΔT2)从上式即可计算所需的传热面积。对不需加热或冷却的设备可不必进行热量计算，此时水、汽等消耗量的确定可从同类型的生产车间取得。热量衡算结束应列成动力消耗定额及消耗量表。附:管道内部膜系数，用：0.023....那个公式，管外用：a=9.4+0.052(tw-ta)式中：tw——外壁温度,C;ta——环境温度，C不过tw是外壁温度，未知，需要用热平衡方程，联立求解。计算起来并不轻松。(可能是某个单位的经验式，仅供参考)