工艺过程必要的安全衡算

　　1 物料衡算

　　物料衡算是在工艺流程确定后进行的。目的是根据原料与产品之间的定量转化关系，计算原料的消耗量，各种中间产品、产品和副产品的产量，生产过程中各阶段的消耗量以及组成，进而为热量衡算、其他工艺计算及设备计算打基础。

　　物料衡算是以质量守恒定律为基础对物料平衡进行计算。物料平衡是指“在单位时间内进入系统(体系)的全部物料质量必定等于离开该系统的全部物料质量再加上损失掉的和积累起来的物料质量”，即：

　　对于连续操作过程，系统内物料积累量等于零。所谓系统，是指所计算的生产装置，它可以是一个工厂，一个车间，一个工段，也可以是一个设备。

　　上式为稳流系统总物料衡算方程式，它不但适用于总物料衡算，也适用于任一组分或元素的物料衡算。

　　现实中，物料衡算应用于两种情况：一种是对已有装置进行标定，即利用实际测定的数据(或理论计算数据)计算出另一些不能直接测量的物料量，进而，对这个装置的生产情况进行分析，确定生产能力，衡量操作水平，为改进生产提出措施；另一种是对新装置进行设计，即利用已有的生产实际数据(或理论计算数据)，在已知生产任务下计算出需用原料量、产品量、副产品量和三废的生成量；或在已知原料量的情况下，计算出产品、副产品和三废的量。此外，通过物料衡算，可以计算出原料消耗定额，并在此基础上作出能量平衡，计算出动力消耗量和消耗定额，计算出生产过程所需热量(或冷量)是多少，同时为设备计算、选型及台套确定提供依据。能量的产生和运行转换的方式与维系能量平衡的条件以及系统热量平衡和热量积累突变成的条件都必须在衡算中认真进行分析。

　　物料衡算的类型，按计算范围分为单元操作(或单个设备)的物料衡算与全流程(用包括各个单元操作的全套装置)的物料衡算；按操作方式分为连续操作的物料衡算和间歇操作的物料衡算；此外，还有带循环过程的物料衡算。

　　1．1 连续过程的物料衡算

　　连续过程的物料衡算可以按前述步骤进行，方法有以下几种。

　　(1)直接求算法 物料衡算中，对应比较简单或仅有一个反应而且仅有一个未知数的情况，可以通过化学计量系数直接求算。

　　对于包括几个化学反应的过程，其物料衡算应该依物料流动的／顷序分步进行。为此，必须清楚过程的主要反应和必要的工艺条件，将过程划分为几个计算部分依次计算。计算中一般选择一个基准，有时也用多个基准，但选多个基准时结果要进行换算。

　　(2)利用结点进行衡算 在化工生产中，常常会有某些产品的组成需要用旁路调节才能送往下一个工序的情况，这时就要利用结点进行衡算。常见的三股物流的交叉点参见第3章图3—1，存在多股物流的情况。利用结点进行衡算是一种计算技巧，对任何过程的衡算都适用。

　　(3)利用联系组分进行物料衡算 生产过程中常有不参加反应的物料，称这种物料为惰性物料。由于它的数量在反应器的进、出物料中不变化，可以利用它和其他物料在组分中的比例关系求取其他物料的数量。这种惰性物料就是衡算联系物。

　　利用联系物做物料衡算可以简化计算。有时在同一系统中可能有数个惰性物质，可联合采用以减少误差。但要注意当某些惰性物质数量很少，且组分分析相对误差很大时，则不宜选用此惰性物质作联系物。

　　1．2 间歇过程的物料衡算

　　间歇过程的物料衡算同样应按物料衡算的步骤进行。但必须建立时间平衡关系，即设备与设备之间处理物料的台数与操作时间要平衡，才不至于造成设备之间生产能力大小相差悬殊的不合理状况。可是往往因化工单元过程影响因素不同，以及间歇过程和连续过程同时采用，在进行时间平衡时，需考虑不均衡系数，而不均衡系数的选取则应根据生产周期的每项操作时间来分析影响提高生产效率的关键问题。

　　1．3 循环过程的物料衡算

　　在化工生产中，循环过程比较多见，如部分产品的循环(如回流)；未反应原料分离后再重新参加反应等。 目的是维持操作、控制产品品质、降低原料消耗、提高原料利用率等。

　　2 热量衡算

　　热量衡算以能量守恒定律为基础，即在稳定的条件下，进入系统的能量必然等于离开系统的能量和损失能量之和。通过计算传人或传出的热量，确定加热剂或冷却剂的消耗能量以及其他能量的消耗；计算传热面积以决定换热设备的工艺尺寸；确定合理利用热量的方案以提高热量综合利用的效率。

　　热量衡算有两种情况：一种是对单元设备做热量衡算，当各个单元设备之间没有热量交换时，只需对个别设备做计算；另一种是整个过程的热量衡算，当各工序或单元操作之间有热量交换时，必须做全过程的热量衡算。热量衡算时应充分考虑在热平衡破坏时热量流动的方向及其后果。

　　热量衡算的基本过程是在物料衡算的基础上进行单元设备的热量衡算(在实际设计中常与设备计算结合进行)，然后再进行整个系统的热量衡算，尽可能做到热量的综合利用，如果发现原设计中有不合理的地方，可以考虑改进设备或工艺，重新进行计算。热量衡算的结果为系统与设备的热平衡安全提供了依据。

　　2.1单元设备的热量衡算

　　单元设备的热量衡算就是对一个设备根据能量守恒定律进行热量衡算。内容包括计算传人或传出的热量，以确定有效热负荷；根据热负荷确定加热剂(或冷却剂)的消耗量和设备必须满足的传热面积。

　　1．方法与步骤

(1)画出单元设备的物料流向及变化示意图。
(2)根据物料流向及变化，列出热量衡算方程式。

 式中——设备或系统与外界环境各种换热量之和，其中常常包括热损失(低温时是传人的热量)，kJ；———离开设备或系统各股物料的焓之和，kJ；
——进入设备或系统各股物料的焓之和，kJ。
　　此外，在解决实际问题中，热平衡方程式还可以写成 如下形式：

　　　(3)搜集有关数据。主要收集已知物料量、工艺条件(温度、压力)以及有关物性数据和热力学数据，如比热容、汽化潜热、标准生成热等。

　　(4)确定计算基准温度。在进行热量衡算时，应确定一个合理的基准温度，一般以273K(0℃)和298K(25℃)为基准温度。其次，还要确定基准相态。

(5)各种热量的计算。

　1)各种物料带人(出)的热量Q₁和Q_Ⅰ的计算。

式中mi ——物料的质量，kg； 

　　2)过程热效应Q₃的计算。过程的效应可以分为两类：一类是化学反应热；另一类是状态热。这些数据可以从手册中查取或从实际生产数据中获取，也可按有关公式求得。

　　3)加热设备消耗的热量，Q_Ⅰ的计算。
式中　mw——设备各部分的质量，kg;;

　　　cpw——设备各部分物料的比热容，kj/(kg.k)

　　

　　当周围介质为空气作自然对流时，而壁面温度tw。又在323—627K的范围内，可按下列经验公式求取.　
　　　　　　　　aT＝8+0．05tw(2—6)
　　有时根据保温层的情况，热损失Qn可按所需热量的10％左右估算。如果整个过程为低温，则热平衡方程式的Qn为负值，表示冷量的损失。
　　5)传热剂向设备传人或传出的热量Q2的计算。
　　Q₂在热量衡算中是待求取的数值。当Q₂求出以后，就可以进一步确定传热剂种类(加热剂或冷却剂)、用量及设备所具备的传热面积。若Q₂为正值，则
　　表示设备需要加热；若Q₂为负值，表示需要从设备内部取出热量。
　　(6)列出热量平衡表。
　　(7)传热剂用量的计算。化工生产过程中，传人传出设备的热量往往是通过传热剂按一定方式来传递的。因此，对传热剂的选择及用量的计算是热量计算中必不可少的内容。
　　加热剂用量的计算。在化工生产中常用的加热剂有水蒸气、烟道气、电能，有时也用联苯醚等有机载热体等。
　　①间接加热时水蒸气消耗量的计算：　

　
　　(8)传热面积的计算。在化工生产中，温度是重要的因素，为了及时地控制过程中的物料温度，使整个生产过程在适宜的温度下进行，就必须使所用的换热设备有足够的传热面积，传热面积的计算通常由热量衡算式算出所传递的热量Q2，再根据传热速率方程求取传热面积。

　　间歇过程传热量往往随时间而变化，在计算传热面积时，要考虑到反应过程吸热(或放热)强度不均匀的特点，应以整个过程中单位时间传热量最大的阶段为依据，也就是说反应设备传热面积应按过程中的热负荷最大阶段的传热速率来决定。所以在计算传热面积时，必须先计算整个过程多个阶段的热量，通过比较才能决定热负荷最大的阶段，从而确定传热面积的大小。
　　
　　2．注意事项
　　
　　(1)根据物料走向及变化具体了解和分析热量之间的关系，然后根据能量守恒定律列出热量关系式。式(2—2)适用于一般情况。由于热效应有吸热和放热，有热量损失和冷量损失，所以式中的热量将有正、负两种情况，故在使用时需根据具体情况进行分析。另外，计算过程中有些热量很小的可忽略不计。
　　
　　(2)弄清过程中存在的热量形式，确定需要收集的数据。化工过程中的热效应数据(包括反应热、溶解热、结晶热等)可以直接从有关资料、手册中查取。
　　
　　(3)计算结果是否符合实际，关键在于能否收集到可靠的数据。
　　
　　(4)间歇操作设备常用kJ／台为计算基准。因热负荷随时间而变化，所以可用不均衡关系换算成kJ／h，不均衡系数则应根据具体情况取经验值，换算公式为

　　此外，间歇操作时还应计算加热(冷却)设备的热量Q5。
　　
　　2.2系统热量平衡计算
　　
　　系统热量平衡是对一个换热系统，一个车间(工段)和全厂(或联合企业)的热量平衡。其依据的基本原理仍然是能量守恒定律，即进入系统的热量等于出系统的热量和损失热量之和。
　　
　　通过对整个系统能量平衡的计算求出能量的综合利用。由此来检验流程设计时提出的能量回收方案是否合理，按工艺流程图检查重要的能量损失是否都考虑到了回收利用，有无不必要的交叉换热，核对原设计的能量回收装置是否符合工艺过程的要求。
　　
　　通过各设备加热(冷却)利用量计算，把各设备的水、电、气、燃料的用量进行汇总。求出每吨产品的动力消耗定额如表2—9所示，每小时、每昼夜的最大，用量以及年消耗量等。
　　
　　动力消耗包括自来水(一次水)、循环水(二次水)、冷冻盐水、蒸汽、电、石油气、重油、氮气、压缩空气等。
　　
　　动力消耗量根据设备计算的能量平衡部分及操作时间求出。消耗量的日平均值是以一年中平均每日消耗量计，小时平均值则以日平均值为准。每昼夜与每小时最大消耗量是以其平均值乘上消耗系数求取，消耗系数需根据实际情况确定。动力规格指蒸汽的压力、冷冻盐水的进、出口温度等。