物料衡算

三.工艺设计计算

3.1 物料横算

3.1.1物料衡算的意义

物料横算，是在已知产品规格和产量前提下算出所需原料量、废品量及消耗量。同时，还可拟定出原料消耗定额，并在此基础上做能量平衡计算。通过物料横算可算出：

(1) 实际动力消耗量

(2) 生产过程所需热量或冷量

(3) 为设备选型、决定规格、台数（或台时产量）提供依据

(4) 在拟定原料消耗定额的基础上，可进一步计算日消耗量，每小时消耗量等设备所需的基础数据。

综上所述，物料衡算是紧密配合车间生产工艺设计而进行的，因此，物料衡算是工艺设计过程的一项重要的计算内容。 3.1.2物料横算的方法

塑料制品的生产过程多采用全流程、连续操作的形式。 物料衡算的步骤如下：

(1) 确定物料衡算范围，画出物料衡算示意图，注上与物料衡算有关的数据。物料衡算示意图如下：

(2) 说明计算任务。如：年产量、年工时数等。

(3) 选定计算基准。生产上常用的计算基准有：①单位时间产品数量或单位时间原谅投入量，如：kg/h，件/h，t/h（连续操作常采用此种基准）；②加入设备的原料量（间歇操作常采用此种基准）。 (4) 由已知数据，根据下列公式进行物料衡算：

ΣG1=ΣG1+ΣG3

式中：ΣG1——进入设备的物料量总和

ΣG2——离开设备的正品量和次品量总和 ΣG3——加工过程中物料损失量总和 (5) 收集数据资料。一般包括以下方面： ①年生产时间：连续生产300~350 d 间歇生产200~250 d

连续生产时，年生产的天数较多，在300d左右，其他时间将考虑全长检修，车间检修或5%~10%意外停机。当间歇生产时，就要减去全年的休息日，目前为双休日加上法定假日全年约为110d，所以间歇生产比连续生产少110个工作日。

总之，确定了每年有效地工作时数后就能正确定出物料衡算的时间基准，算出每小时的生产任务，进而在以后的计算中选定设备的规格。具体的选择天数要通过分析得出。

②有关定额、合格率、废品率、消耗率、回收率等。在任何一个产品加工过程中，合格产品都不是百分之百。由于设备原因、原材料原因以及人为原因都可能造成废品的出现。加工不同的产品出现废品的几率有差异，要具体情况具体分析。才外还应考虑车间管理水平、设备先进水平等，取高值与低值都应有充分的论据。经过电铲研究后发现：塑料制品合格率为85%~95%、自然损耗率为0.1%~0.15%，这主要是贮存、运输、

加工前的消耗。回收率则应根据具体情况（如：原料品种或制品情况等）考虑，但又不可能百分之百的回收再利用，所以，回收率一般在80%~90%而回收利用率小于原料的10%。

(6) 物料衡算结果应列成物料衡算汇总表，必要时画出物料衡算图。 3.1.3物料衡算的计算

已知年产量为4000t的塑料制品，已确定合格率为90%,自然损耗率为0.15%，，求年消耗原料量。

合格产品量

年进机料量m1= ————— =4000t/90%=4444.45t

合格率

取输送，混合两步中损耗率均为0.05%，则进入混合机的料量m2=m1/（1-0.05%）=4446.67t

则进入输送段物料量m3=m2/(1-0.05%)=4448.90t，即年进车间料量为m3 则废料量m4=m1-4000=4444.45-4000=444.45t

回收物料量m5=m4*95%=444.45*95%=422.23t

考虑回收，则年进机新物料量m6==m1-m5=4444.45-422.23=4022.22t 则小时车间处理量m7=年进车间料量为m3/年生产时间=4448.90/（300*24）=0.618t/h=618kg/h

则自然损耗量m8=m3-m1=4448.90t-4444.45t=4.45t

列表4（有回收情况） 合格率 废品率 自然损耗率 年进车间料量 年进机料量

90% 10% 0.1% 4448.90t 4444.45t 合格产品 废品 自然损耗量 小时车间处理量 年进机新物料量 4000t 444.45t 4.45t 618kg/h 4022.22t 配方中各组分的投料量，损耗量，总料量及每小时处理物料量列表5如下： 序号 组分配份数 方 质量分年进机料量损耗量 数 （t/a） (t/a) 总物料量 (t/a) 1 2 PPR 100 98.81% 4391.56 0.20% 8.89 4.40 0.01 每小时处理物料量(kg/h) 4395.96 609.94 8.90 1.23 成核剂0.2 TMB-4 3 抗氧剂0.5 1010 0.50% 22.22 0.02 22.24 3.09 4 5 DLTP 总计 0.5 0.50% 22.22 4444.89 0.02 4.45 22.24 3.09 101.2 100% 4449.34 617.35 注：表中数据计算说明

（1） 各组分进机料量=总进机料量*质量分数 （2） 各组分损耗量=总损耗量*质量分数 （3） 各组分总料量=进机料量+损耗量

（4） 各组分每小时处理物料量=每组分进机料量/年生产时间（7200h）

3.2.热量恒算

3.2.1热量恒算的意义

在车间设计中进行物料衡算的目的：为保证顺利进行成型加工，确定加

热所需的热量，并核算加热电功率，一方面作为选择设备的依据，另一方面作为计算耗电量的依据，确定冷却需排出的热量，一方面可以计算出冷却介质的消耗量。另一方面作为选择换热设备的依据。

3.2.2热量恒算的方法

塑料制品成型加工过程更多采用对单元设备的热量衡算。

热量衡算遵循能量守恒定律，热量学第一定律是热量衡算的理论依据，即若忽略机器的散热，不考虑摩擦剪切生热，则加热器放出的热量(Qv)应该等于物料所吸收热量(Qi)。 热平衡公式为：Qv= Qi

上式是通用公式，具体应用时应注意以下几个问题： (1) 正确建立热量之间平衡关系。

(2) 必须弄清过程中存在的热量形式，及热损失。从而确定所要收集的物性

数据集数据的可靠性，以保证计算的准确性。

(3) 要合理划定计算范围。一般可以和设备的进口和出口一致。

(4) 合理确定计算基准。计算基准是指数量上的基准和基准态。数量基准按

处理每公斤物料计算；基准态一般是以25℃作基准温度。

在热塑性塑料成型过程中，最常用的热量来源为电能转变成热能，主要有两种方法：电阻加热、电感加热。电加热装置简单、干净、无污染，温度调节也很方便，所以广泛用于塑料成型加工过程中。热量衡算的方法有：①温差法；②焓差法；③潜热法。设计中常涉及前两种，故重点介绍温差法和焓差法。

①温差法

qh=qm,h·ch(T1-T2)

qc=qm,h·cc(T4-T3)

式中 qm,h 、qm,c——热流体和冷流体的质量流量，kg/s

ch 、cc——热流体和冷流体的比热容，J/(kg·K) T1、T2——热流体最初和最终的温度，K

T4、T3——冷流体最终和最初的温度，K ②焓差法

qh=qm,h (h1-h2) qc=qm,c (h4-h3)

式中 qm,h 、qm,c——热流体和冷流体的质量流量，kg/s

h1 、h2——热流体最初和最终的焓值，J/kg h4 、h3——冷流体最初和最终的焓值，J/kg

以上两种计算方法比较：焓差法是采用不同状态下的焓值计算，这与工程无关，所以用此法计算时可以不考虑物料由于相变过程而产生的相变潜热或结晶等。温差法的计算则与工程有关，在没有相变产生的工程中可用此法进行计算。

3.3热量恒算的计算

挤出机生产PPR热水管，年产量为4000t，原料初温定为T2=25℃，口模出口温度定为T1=220℃，CPP，h=1.9kj/(kg*k),计算挤出机所需热功率，单位时间内物料所需热量。

忽略机器的散热损失，不考虑机器摩擦剪切生热，即挤出机加热提供热量等于物料所吸收的热量，假设此过程无相变，因此可以利用温差法进行计算。 PPR树脂的质量流量为qPPR，h=609.94/3600=0.170kg/s

则单位质量流量物料需要吸收的热量为Q=qPPR，h*CPPR，h（T1 -T2）=

qPPR

，h

*CPP，h（T1 -T2）=0.170*1.9*(220-25)=62.985kj/s=62.985kw

说明：物料所需热量，即为挤出机应提供的热量，所以选择设备的加热功率值必须大于此值，将加热损失考虑进去。

四．设备的计算与选型

4.1设备的选择原则

在物料衡算和热量衡算的基础上进行设备选型剂计算，以确定车间内设备的类

型，规格尺寸和台数，并为经济核算和工艺布置提供条件。由于塑料成型加工方法很多，设备类型也较多，所以实现同一工艺要求，可选用不同的成型方法和不同的成型设备。设备的选型与计算要充分考虑工艺上的要求，尽量选择先进设备。 设备选择的原则应从技术、经济和我国的具体情况等方面考虑。

（1）技术先进、经济合理 技术先进、经济合理是设备选择的总原则。体现在：①所选用设备要与设计的生产规模相适应，在允许的条件下，能获得最大的台时产量。②设备适应产品的品种要求，确保产品质量。③提高连续化、大型化程度，提高劳动生产率，降低劳动强度。④降低能源消耗，注意保护环境。⑤设备结构简单，操作及维修保养方便。

（2）设备的可靠性 设备中所选用设备一定要可靠，特别是主要设备，应坚持经过生产实践的原则。只有设备的性能可靠，才能保证建成后一次试车投产成功。 （3）设备的选用要立足国内 塑料工业发展的历史并不长，但近几十年发展速度相当快，与之配套的塑料成型机械设备的生产已形成规模，并具有一定的水平。所以，为了减少投资、促进我国塑料制造工业的发展，在设备选型时要立足国内。

4.2设备的选择目的

⑴按照产品规格完成年生产任务保证生产质量； ⑵按工艺流程购置生产所需设备； ⑶为进行成本计算核算提供依据；

⑷若成套设备有定型设备，则购置成套设备；没有成套设备，则选择主机然后对辅机进行工艺设计。

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