第六章物料及能量平衡
化学工程中的物料平衡与能量平衡分析
化学工程中的物料平衡与能量平衡分析在化学工程中，物料平衡与能量平衡分析是关键的技术手段，用于解决工业过程中涉及物质传递和能量转换的问题。
本文将详细介绍物料平衡与能量平衡分析的基本原理、应用场景和计算方法。
一、物料平衡分析物料平衡分析是化学工程中最基本的分析方法之一，用于确定研究对象所涉及物质的输入和输出情况，从而找出可能的损耗或累积情况。
1. 基本原理物料平衡分析建立在质量守恒定律的基础上，即输入物质总质量等于输出物质总质量。
在化学工程中，物料平衡分析可以应用于任何与物质传递相关的过程，例如反应器、蒸馏塔、萃取塔等。
2. 应用场景物料平衡分析在化学工程实践中有着广泛的应用场景。
例如，在化工生产过程中，通过物料平衡分析可以确定原料的消耗量、产物的生成量以及副产物的生成量，从而优化工艺流程和提高产量。
3. 计算方法物料平衡分析的计算方法主要包括计算输入物料总质量、计算输出物料总质量、计算输入和输出物料之间的质量差异等。
具体的计算方法根据不同的工程情况而定，常用的方法包括流程图法、代数方程法和矩阵法等。
二、能量平衡分析能量平衡分析是化学工程中另一个重要的分析方法，用于确定研究对象所涉及能量的输入和输出情况，从而找出可能的能量损耗或累积情况。
1. 基本原理能量平衡分析建立在能量守恒定律的基础上，即输入能量总量等于输出能量总量。
在化学工程中，能量平衡分析可以应用于任何与能量转换相关的过程，例如加热与冷却、蒸发与凝结等。
2. 应用场景能量平衡分析在化学工程实践中同样具有广泛的应用场景。
例如，在工业生产过程中，通过能量平衡分析可以确定各个环节的能耗情况，从而优化能源利用和节约能源。
3. 计算方法能量平衡分析的计算方法主要包括计算输入能量总量、计算输出能量总量、计算输入和输出能量之间的能量差异等。
具体的计算方法也根据不同的工程情况而定，常见的方法包括热量平衡法、熵平衡法和焓平衡法等。
综上所述，物料平衡分析与能量平衡分析是化学工程中不可或缺的分析工具。
【课件】第6章第1讲能量平衡方程PPT
三、能量平衡方程
能量守恒与转换 一切物质都具有能量，能量是物质固有的特性。 能量可分为两大类，一类是系统蓄积的能量，如
动能、势能和热力学能，它们都是系统状态的函 数。另一类是过程中系统和环境传递的能量，常 见有功和热量，它们不是状态函数，而与过程有 关。 热量是因为温度差别引起的能量传递，做功是由 势差引起的能量传递。因此，热和功是两种本质 不同且与过程传递方式有关的能量形式。
二、热力学第一定律
孤立系统热力学第一定律 孤立系统无论经历何种变化，其能量守恒。孤立系
统中各种能量的形式可以相互转化，但能量不会凭 空产生，也不会自行消灭，能量在各种形式之间进 行转化时，总的能量数值保持不变。
二、热力学第一定律
封闭系统的热力学第一定律
封闭系统是指那些与环境之间只有能量交换而无物质 交换的系统。没有物质交换表示与物质交换相关的动 能和势能的变化项为零，于是封闭系统的热力学第一 定律可表示为
四、稳流系统的热力学第一定律及其应用
在截面1 至2 之间的任何一点处的流体，既受到它上游 流体的推动，也同时推动下游流体，做功数值一致，但 是方向相反，因此相互抵消，流动净功为零。
H =U +pV
∴
四、稳流系统的热力学第一定律及其应用
讨论： (1) 流体流经换热器、反应器等传质设备
单位质量的流体带入、带出能量的形式为动能 (u2/2)，势能(gZ)和热力学能(U)。
E1
U1
1 2
u12
gz1
E2
U2
1 2
u22
gz2
6.1.2 能量平衡方程
系统与环境交换功W，实际上由两部分组成。一
物料与能量衡算
组分
苯酐
顺 酐 邻二甲苯
O2
N2
其他
合计
%（mol） 0.65
0.04
0.03
16.58
78
4.70
100
O-xylene air
【O】 Conversion
O-xylene
O2 Benzoic acid anhydride
Cis-butenedioic anhydride
N2 Others
４、以节点进行计算
）
则总蒸发水量为
W总
8000（0 1
15 ） 60
60000k
g
/
h
四效蒸发系统的物料衡算过程
第三效蒸发水量为
15
W
80000(1
) 17.8
12600kg
/
h
进入第Ⅳ的料液量 80000-12600=67400kg/h
则第Ⅳ效的蒸发水量WⅣ为
67400(1 17.8 ) 14300kg / h 22.6
输入(某种元素)＝输出(同种元素) ➢对反应过程中化学反应很复杂，无法用一、 两个反应式表示的物料衡算，可以列出元素 衡算式，用代数法求解。
丙烷充分燃烧时，要供给的空气量为理论量的125%，问每 10mol燃烧产物，需多少mol的空气？反应：
C3H8+5O2
3CO2+4H2O
丙烷 空气 （O2 N2）
101.01
0.2
101.01 303.12 R
R=100.92kmol/h
Eg1-4 合成氨方面的工艺计算
循环气R
原料F1 F2 1%氩气、 甲烷
reactor
驰放气F4
12.5%惰性气 体
8. 第六章 化工过程的能量分析
2）稳态流动体系：
d (mE)体系 u2 u2 （H gZ） （H gZ） m２ Q Ws 1m1 ２ 2 2
m1 m2 m
稳定流动体系没有 物质及能量的积累
m1 m2 dm
d (mE)体系 0
u2 u2 （H gZ） （H gZ） m２ Q Ws 0 1m1 ２ 2 2 单位质量稳流体系的能量方程：
热量是因为温度差别引起的能量传递，而做功是由势 差引起的能量传递。
因此，热和功是两种本质不同且与过程传递方式有关 的能量形式。
不是状态函数
当能量以热和功的形式传入体系后， 增加的是内能。
a. 内能
U=f(T,P, x)
系统内部所有粒子除整体势能和整体动能外， 全部能量的总和。
分子内动能：分子不是静止，在任一时刻做平 动、转动和振动。 分子内势能：分子间具有相互作用力，同时分 子间存在相互间的距离。 分子内部的能量：分子由原子构成，原子由原 子核和核外高速运转的电子构成，它们会带来一 定能量。
④阀门的节流
H
u 2
2
gZ Q Ws
将流体通过阀门前后所发生的状态变化。 ——节流过程 throttling process ∵ △Ek=0；△Ep=0 ；Ws=0；Q=0
∴ △H =0
H1=H2
理想气体通过节流阀温度不变
混合设备
混合两种或多种 流体是很常见的。
混合器
混合设备
H u 2
2 dH udu gdZ Q W
dH dU pdV Vdp
gZ Q Ws
H U pV
dU Q pdV
Vdp udu gdZ WS
化工生产物料和能量平衡
(1) 简单过程的物料衡算
Hale Waihona Puke 全塔总质量衡算F DW
2
D, xD
全塔各组分的质量衡算
FxFi DxDi WxWi
F, xF
精
1
馏
塔
F——进塔原料流量，kmol/h； D——塔顶产品流量，kmol/h；
3
W, xW
W——塔底产品流量，kmol/h；
xFi——进料中各组分的摩尔分数； xDi——塔顶产品中各组分的摩尔分数； xWi——塔底产品中各组分的摩尔分数。
kg/h 227.8 11159.4 11387.2
塔低馏出物 ％(wt) kmol/h
2.0
2.92
98.0 121.3
100 124.2
％(mol) 2.35 97.65 100
(2) 有多个设备过程的物料衡算
可先划分出多个衡算体系
C 2A
4B
1
过程 I
过程 II
5
3
每个衡算体系均可列出相应的衡算方程。
1.2.4 有化学反应过程的物料平衡
化学反应使体系产生新物质，各化学物质进入与输 出体系的量或质量流率就会不平衡。反应速率、转 化率、产物收率等因素对物料平衡都有影响。 工业化学反应过程中，当反应原料比不按化学计量 比时，根据反应物的化学计量数大小可分为：
(1)限制反应物：以最小化学计量数存在的反应物。 (2)过量反应物：用量超过限制反应所需理论量的反
1.2.3 无化学反应过程的物料平衡
若物料中有n个组分，可列出n个组分的衡算式和一 个总物料衡算式，共n+1个衡算方程
归一定律
xF1 xF 2 xFn＝1
n
xFi 1
物料平衡与能量平衡化学工程与化学工艺的计算方法差异
物料平衡与能量平衡化学工程与化学工艺的计算方法差异一、引言在化学工程与化学工艺领域，物料平衡和能量平衡是两个关键的计算方法。
物料平衡主要用于确定化学反应中物质的流动和转化情况，而能量平衡则关注于能量的转移和转换。
本文将探讨物料平衡和能量平衡在化工领域中的计算方法差异。
二、物料平衡的计算方法物料平衡是化工领域中的重要工具，用于确定化学过程中各种物质的输入和输出量，以及物质在不同单位操作之间的流动情况。
在进行物料平衡计算时，需要考虑以下几个因素：1. 输入与输出流量：物料平衡中的首要任务是确定各种物质的输入和输出流量。
这可以通过测量或估算来获得，例如通过质量流量计或者根据反应方程和反应条件推导得出。
2. 反应转化率：在物料平衡计算中，需要考虑反应的转化率。
转化率表示化学物质在反应中转化为产物的程度。
这可以通过实验测定或者根据反应动力学原理得出。
3. 损失与废料处理：在物料平衡计算中，还需要考虑各种损失和废料的处理情况。
这些损失可以是物料在操作过程中的泄漏或者由于反应的副反应产生的废料。
基于以上考虑因素，物料平衡的计算方法通常涉及以下步骤：1. 列出物料平衡方程：根据反应方程和反应条件，列出物料平衡方程。
方程的左侧代表输入物料，右侧代表输出物料。
2. 确定未知量和已知量：在方程中，未知量是需要求解的物质的数量或浓度。
已知量是已经通过测量或者推导得出的物质的数量或浓度。
3. 应用质量平衡原理：根据质量守恒定律，通过代入已知量和未知量，求解未知量的值。
通常需要解决一个线性方程组。
4. 检验与调整：对于得出的解，需要进行检验和调整，确保物料平衡方程成立。
这可以通过检测输入和输出流量是否平衡来进行。
三、能量平衡的计算方法能量平衡也是化工领域中重要的计算方法，它用于确定化学过程中能量的输入和输出情况，以及能量在不同单位操作之间的转移和转换。
在进行能量平衡计算时，需要考虑以下几个因素：1. 热量输入与输出：能量平衡的首要任务是确定热量的输入和输出。
金属冶炼中的物料平衡与能量平衡控制
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出平衡”。
在金属冶炼过程中，物料平 衡控制是确保冶炼过程高效 、稳定、安全的重要手段。
通过物料平衡控制，可以精确 控制原料和产品的数量和质量 ，提高冶炼效率和产品质量。
物料平衡计算方法
物料平衡计算主要包括质量守 恒和元素守恒两个原则。
质量守恒是指在一个化学反应 过程中，反应前后物质的质量
是相等的。
01
智能化控制
随着人工智能和大数据技术的应用，金属冶炼过程中的物料平衡与能量
平衡控制正朝着智能化方向发展，通过实时数据采集和智能算法优化，
实现精准控制和高效生产。
02
绿色环保
随着环保意识的提高，金属冶炼过程中的物料平衡与能量平衡控制将更
加注重环保和资源循环利用，降低能耗和减少废弃物排放，实现可持续
发展。
案例二
总结词
在有色金属冶炼中，物料平衡与能量平衡控制对于环境保护和资源利用具有重要 意义。
详细描述
在处理铜、铝、锌等有色金属时，需合理配置原料和燃料，以减少废料产生和能 源消耗。通过精确控制，实现高效、清洁的生产过程，降低对环境的影响。
案例三
总结词
贵金属冶炼中，物料平衡与能量平衡控制对于提高贵金属回收率和降低生产成本至关重 要。
详细描述
在提取金、银等贵金属的过程中，需要精确计算原料中贵金属的含量，以及各种添加剂 的作用，确保物料平衡。同时，优化工艺参数和能源利用，以实现节能减排和经济效益
的最大化。
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DATE
ANALYSIS
SUMMAR Y
炼铁物料平衡及能量平衡计算
1
23456 7
8 9 10
产 品 Fe Mn V Nb Ti Cr Cu K,Na P S
生 铁 0.9975 0.70 0.8 0.70 0.10 0.85 1.00
1.00
炉 渣 0.0025 0.30 0.2 0.30 0.90 0.15
0.95 0.00
炉渣粘度以1450~1500℃(炉缸温度)时，0.2~0.6Pas为好。
炉渣性能和脱硫能力验算
脱硫能力：
按拉姆教授的最低碱性氧化物经验公式：
(RO)min
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
50 0.25(Al2O3) 3(S)
0.3[Si] 30[S] u
要求：实际(RO) = (CaO)+(MgO)+(MnO)+(FeO) (RO)min 。
元素和化合物的存在状态
焦炭：
工业分析：CF、S(有机硫为主)、灰分、挥发分、
Moist
化学分析：
以Fe2O3给出，需折算
灰分： CaO、SiO2、MgO、Al2O3、P2O5、FeO、FeS 挥发分：CO、CO2、CH4、H2、N2
煤粉：
工业分析：CF、S、灰分、挥发分、H2O 化学分析：
Q
R0
SiO 2矿 SiO 2尘
SiO 2废 SiO 2焦 60 28 10 [Si]
SiO
2喷
CaO 矿 CaO
喷
CaO废 CaO尘
CaO 焦
CaO%熔 R 0 SiO 2 %熔
SiO2矿 = 矿石量 SiO2%矿 SiO2废 = 废铁量 SiO2%废 SiO2焦 = 干焦比 SiO2%焦灰 SiO2喷 = 喷吹量 SiO2%喷 SiO2尘 = 炉尘量 SiO2%尘
化学工程中的物料平衡
化学工程中的物料平衡在化学工程领域，物料平衡是一个至关重要的概念。
它是指在化学过程中，针对不同组分的质量和能量进行追踪和计算，以确保化学反应过程中物料的流动和转化是准确可靠的。
本文将探讨化学工程中的物料平衡的基本原理、应用以及解决方法。
一、物料平衡的基本原理在化学工程中，物料平衡是以质量守恒定律和能量守恒定律为基础的，主要用于描述物料在化学反应中的转化和流动。
它基于以下原理进行计算：1. 质量守恒：在封闭系统中，物料的质量不会丢失或增加，因此进入系统的物料质量必须等于离开系统的物料质量。
2. 能量守恒：在化学反应中，通过热交换或热量释放的方式，能量可以转化为其他形式，但总能量守恒。
因此，进入系统的能量必须等于离开系统的能量。
基于以上原理，我们可以建立物料平衡方程，以追踪物料在化学过程中的流动和转化。
二、物料平衡的应用物料平衡在化学工程中有着广泛的应用。
它可以用于以下方面：1. 设计化学反应过程：物料平衡可以帮助工程师确定反应过程中各组分的输入和输出量，以便优化反应条件和提高产率。
2. 生产过程控制：通过对物料平衡的实时监测和调整，可以确保生产过程中物料流动和转化的稳定性，以提高产品质量和生产效率。
3. 建立工艺流程图：物料平衡是绘制工艺流程图的基础，通过分析各个单元操作的物料流动和转化情况，可以清晰地描述整个工艺过程。
4. 资源利用和环境保护：通过物料平衡的计算和分析，可以评估和优化化学过程中的物料和能量损失，实现资源的有效利用和环境的可持续发展。
三、解决物料平衡的方法在解决物料平衡问题时，我们可以采用以下方法：1. 建立平衡方程：根据化学反应方程和组分的质量变化关系，建立物料平衡方程。
通过对方程的求解，可以得到各组分的质量和能量平衡。
2. 利用物料性质关系：根据物料的性质，例如密度、浓度、比热等，通过流量、浓度、温度等变量的测量，将物料性质与质量平衡联系起来，进一步简化平衡方程的求解过程。
3. 应用计算机模拟：借助计算机软件和数值模拟方法，可以对复杂的化学过程进行物料平衡的计算和分析，实现更精确和高效的结果。
化学工程中的物料平衡与能量平衡
化学工程中的物料平衡与能量平衡随着工业的不断发展，化学工程的应用范围也越来越广泛，特别是在制药、化工、生物工程等领域，其作用不可或缺。
其中物料平衡和能量平衡是化学工程中至关重要的概念，无论是在工艺设计、操作控制或生产管理中，都有着重要的意义。
一、物料平衡1. 概念说明物料平衡，即对于化学工程系统中原料、产物、中间体、废物等各种物质的流量、浓度、质量的计算和分析。
其基本原理是对于任何封闭于系统之内的物料，在任意时刻，其输入和输出必须平衡，即输入物质和输出物质质量之和相等，即：输入 = 输出物料平衡是化学工程中的基本内容之一，它为设计、操作控制提供了依据，同时对于工艺流程的优化和改进也具有重要意义。
2. 物料平衡的应用物料平衡在化学工程中的应用十分广泛，主要包括以下几个方面：（1）工艺设计：物料平衡是系统工程设计的基础，通过分析输入和输出的材料量和组成，设计更加高效的反应器、分离器等设备。
（2）操作控制：通过物料平衡的计算和分析，对生产过程进行监控和控制，发现问题并及时解决，以保证物质的平衡和稳定运行。
（3）生产管理：通过对进出料流量的监测和管理，分析物质的损耗和浪费，进行成本计算和费用控制。
（4）环境保护：对于含有污染物的废物，可以通过物料平衡计算出其产生量和处理量，用于环境保护的方案安排。
二、能量平衡1. 概念说明能量平衡是指化学工程系统内一定时间内进入和离开系统的热能量和化学能量的平衡状态，即：输入的热能量和化学能量 = 输出的热能量和化学能量能量平衡是化学工程设计和生产运行不可或缺的一项重要内容，它可以帮助生产企业更好地了解系统的能量流动情况，实现能源的高效利用和节能减排。
2. 能量平衡的应用（1）系统设计：能量平衡为设计能够提供重要依据，通过分析各种能源的输入和输出量，合理设计反应器和其他设备，实现最高效的能量利用。
（2）工艺控制：通过能量平衡计算和分析，可以实时监控系统的能量平衡情况，分析发生的异常情况并及时纠正，避免能量浪费。
炼铁配料物料平衡及能量平衡计算
炼铁配料物料平衡及能量平衡计算在炼铁过程中，炼铁配料的物料平衡和能量平衡计算起着至关重要的作用。
物料平衡和能量平衡是确保炼铁过程稳定和高效运行的基础。
下面将对炼铁配料的物料平衡和能量平衡进行详细的介绍。
首先，物料平衡是指在炼铁过程中，通过对原料、废料、中间产品等物料的输入、输出进行分析和计算，以保证炼铁过程中各物料的平衡。
在炼铁过程中，原料主要有铁矿石、焦炭和废杂铁等，而中间产品包括铁水、渣、煤气等。
物料平衡的计算主要涉及到原料的输入量、产量的计算以及中间产品的产量等。
通过物料平衡计算，可以实时了解炼铁过程中原料和中间产品的流量和组成，为炼铁生产过程提供准确的物料管理。
其次，能量平衡是指在炼铁过程中，通过对能源的输入、输出进行分析和计算，以保证炼铁过程中能量的平衡。
在炼铁过程中，能源主要有焦炭的燃烧产生的热能、电能等。
能量平衡的计算主要涉及到各能源的输入量、输出量以及能源转化的效率等。
通过能量平衡计算，可以了解炼铁过程中各能源的利用情况，为炼铁过程提供节能优化的依据。
在炼铁配料的物料平衡和能量平衡计算中，需要考虑到各种因素的影响，如原料成分的变化、反应热的变化等。
同时，还需要进行精确的测量和分析，以保证计算的准确性。
在实际炼铁过程中，物料平衡和能量平衡的计算是一个复杂的过程，需要配备合适的仪器设备和专业的技术人员进行操作。
总之，炼铁配料的物料平衡和能量平衡计算是确保炼铁过程稳定和高效运行的关键环节。
通过物料平衡和能量平衡的计算，可以实现原料的合理利用和能源的高效利用，为炼铁过程提供技术支持和指导，同时也为炼铁工艺的改进和优化提供了重要的依据。
在炼铁过程中，炼铁配料的物料平衡和能量平衡计算是确保生产过程稳定运行和高效能源利用的关键因素。
炼铁配料的物料平衡是通过对原料、废料和中间产品等物料的输入和输出进行分析和计算，以确保炼铁过程中各物料的平衡和合理利用。
而能量平衡则是通过对能源的输入和输出进行分析和计算，以保证炼铁过程中能源的平衡和高效利用。
化工生产物料和能量平衡解析
3)对连续流动体系，用单位时间作计算基准有时较 方便。例如：以1小时、1天等的投料量或产品量 作基准。
4)对于气体物料，如果环境条件(如温度、压力)已 定，则可选取体积作基准。
1.2.2 基本方法
(3)根据过程的不同情况选择物料衡算式进行计算。
具体进行物料计算时，可采用下列步骤
通过物料平衡和能量衡算可以确定各物料的流量、 组成、状态和物化性质，从而为确定设备尺寸、管 道设计、仪表设计、公用工程设计以及建筑、结构 设计提供依据。
1.1 概述
物料和能量衡算是化工技术人员必须掌握的基本技 能，也是学习和对化工过程进行深入研究时，推导 数学模型基本方程的重要基础。
化工过程根据其操作方式可以分成间歇操作、连续 操作以及半连续操作三类。或者将其分为稳定状态 操作和不稳定状态操作两类。在对某个化工过程作 物料或能量衡算时，必须了解生产过程的类别。
3
1.2.2 基本方法
(2)选择计算基准 进行物料、能量衡算时，必须选择一个计算基准。 从原则上讲，任何一种计算基准都能得到正确的解 答，但计算基准选择得恰当，可以使计算简化，避 免错误。
1.2.2 基本方法
根据过程特点，选择计算基准时应注意以下几点：
1)应选择已知变量数最多的流股作为计算基准。例 如：某一个体系，反应物组成只知其主要成份， 而产物的组成已知，就可以选用产物的单位质量 或单位体积作基准，反之亦然。
化工过程操作状态不同，其物料或能量衡算的方程 亦有差别。
1.2 物料平衡
1.2.1 基本概念
进行物料衡算的理论依据是质量守恒定律，即在一 个独立的体系中，无论物质发生怎样的变化，其质 量保持不变。 物料衡算基本式
物料和能量平衡和例题讲解
列出总物料和各组分的衡算式，再用代数法求解。
1.2.3 无化学反应过程的物料平衡
若每个股流有n个组分，
P, xPi
则可列出下列衡算式：
F, xFi
1
过程
2
总物流衡算式
FPW
3
W, xWi
各组分的衡算式
FF xiPP xiWW xi
F——进入体系的物料； P、W——输出体系的物料； xFi、xPi、xWi——分别为F、P、W中组分i的质量分数（对 于没有化学反应的过程，也可用摩尔数）。
1.2.3 无化学反应过程的物料平衡
若物料中有n个组分，可列出n个组分的衡算式和一 个总物料衡算式，共n+1个衡算方程
归一定律
xF 1xF2xF＝ n1
n
xF i 1
i 1
xP 1xP2xP＝ n1 xW 1xW 2xW ＝ n 1
n
xP i 1
i 1
n
xW i1
i 1
n+1个方程中，只有任意n个方程是独立的。 对有n个组分的体系，只需求解n个未知量。
1.2.2 基本方法
例：含CH4 90％和 C2H6 10％(mol％)的天然气与空 气在混合器中混合，得到的混合气含CH4 8％。 试计算100mol天然气应加入的空气量及得到的 混合气量。
100mol 天然气 CH4 0.90 C2H6 0.10
1 2
Amol 空气
混合过程
Mmol 混合气 CH4 0.08 C2H6 x 空气 1-0.08-x
化工过程操作状态不同，其物料或能量衡算的方程 亦有差别。
1.2 物料平衡
1.2.1 基本概念
炼铁配料物料平衡及能量平衡计算
炼铁配料物料平衡及能量平衡计算炼铁是常用的冶金工艺之一，用于将铁矿石经过冶炼过程转化为纯净的铁金属。
在炼铁过程中，物料平衡和能量平衡是非常重要的计算，以确保工艺过程的稳定和效率。
物料平衡是指在炼铁过程中，对原料、中间产物和最终产品进行质量平衡的计算。
通常情况下，炼铁过程中的原料主要包括铁矿石、煤粉和石灰石。
铁矿石中的铁含量决定了最终产品的纯度，而煤粉提供燃料热量和还原剂，石灰石则用于炼渣和稳定炉渣的性质。
物料平衡的计算包括对原料和产物之间的质量流量进行跟踪和追踪，以确保没有任何成分丢失或浪费。
能量平衡是指在炼铁过程中，对热量输入和输出进行计算，以确保能量的有效利用。
在炼铁过程中，炉内的高温反应需要大量的热能供应。
将铁矿石和煤粉混合后，放入高炉内进行冶炼，燃烧过程产生的热量会将铁矿石还原为铁金属。
而石灰石的加入和炉渣的形成也会释放热量。
能量平衡的计算包括对燃料、冷却剂和其他热能输入与排出的热能流量进行计算和比较。
在进行物料平衡和能量平衡计算时，一般会采用质量流量法和能量流量法。
通过对所有物质的质量和能量输入与输出进行计算，可以得到物质和能量的平衡。
这些计算可以提供关于反应效率、煤粉和铁矿石投入比例以及能源利用效率的重要信息。
总之，物料平衡和能量平衡的计算在炼铁过程中起着至关重要的作用。
通过对原料、中间产物和最终产品的质量平衡和热量平衡进行追踪和计算，可以确保炼铁工艺的稳定和高效运行。
这些计算也对工厂的产量、效率和环保方面的改进提供了技术支持。
炼铁是一门具有悠久历史的工艺，旨在将铁矿石转化为纯净的铁金属。
在炼铁过程中，物料平衡和能量平衡的计算是确保工艺过程稳定和高效运行的关键。
物料平衡的计算是指对原料、中间产物和最终产品的质量流量进行追踪和计算，以确保原料和产物在工艺过程中没有丢失或浪费。
在炼铁过程中，主要原料包括铁矿石、煤粉和石灰石。
铁矿石是炼铁的主要原料，其中的铁含量决定了最终产品的纯度。
煤粉作为燃料和还原剂，提供炉内所需的热量和还原反应所需的碳。
工厂和装置(车间)的物料、能量和公用工程平衡
工厂和装置(车间)的物料、能量和公用工程平衡工厂和装置（车间）的物料、能量和公用工程平衡是指在生产过程中，通过物料的输入、能量的转换和利用以及公用工程的维护，使得整个生产系统形成稳定的闭环，实现物料、能量和公用工程之间的平衡。
一、物料平衡物料平衡是指在整个生产过程中，对物料的输入和输出进行衡量和控制，以实现物料的合理利用和节约。
具体来说，物料平衡主要包括原材料的输入、中间产物的转化和成品的输出三个方面。
首先，原材料的输入是生产过程的起点。
在工厂和装置中，原材料通常是指具有一定的化学组成和物理性质的原物质，它是生产过程中的主要输入物料。
原材料的输入包括数量、质量和容积等各方面的考虑，需要根据实际情况进行合理设定。
其次，中间产物的转化是指在生产过程中，通过一系列的反应、分离和处理方法，将原材料转化为中间产物。
中间产物通常是指生产过程中的中间产物，它是实现产品结构和性能的重要环节。
中间产物的转化需要考虑反应条件、转化率、选择性等因素，以确保生产过程的高效和稳定。
最后，成品的输出是生产过程的终点。
成品的输出是判断生产过程是否成功的重要指标，它通常包括数量、质量和外观等多个方面的要求。
成品的输出需要根据市场需求进行合理设计，并且要充分考虑生产过程中的各种因素，以确保成品的质量和产量。
二、能量平衡能量平衡是指在生产过程中，对能量的输入、转换和利用进行衡量和控制，以实现能量的高效利用和节约。
在工厂和装置中，能量通常包括热能、动能和化学能等多个方面的考虑。
首先，能量的输入是生产过程的能量来源。
能量的输入通常是指对外界能源的获取和利用，例如电力、天然气、燃煤等。
能量的输入需要根据生产过程的需求和供应条件进行合理选择，以确保生产过程的正常运行和能源的高效利用。
其次，能量的转换是指将输入的能量转化为生产过程所需的能量形式。
能量的转换通常通过一系列的转换设备和方法进行，例如锅炉、发电机、涡轮机等。
能量的转换需要考虑能源的类型、转换效率和传递损失等因素，以确保能量的高效转换和利用。
化工过程中的物料平衡与能量平衡控制
化工过程中的物料平衡与能量平衡控制重庆湘渝盐化责任有限公司摘要：化工过程中的物料平衡与能量平衡控制是确保工程操作正常运行和资源高效利用的关键要素。
物料平衡涉及跟踪原材料和产物在过程中的流动，以确保没有物质浪费。
能量平衡控制则关注能源的输入和输出，以提高能源效率和降低生产成本。
这两个方面的控制对于可持续化工过程至关重要，有助于减少环境影响并提高经济效益。
未来，随着新兴技术的发展，化工工程领域将不断寻求更精确的建模和控制方法，以应对日益复杂的生产需求，同时实现资源和能源的可持续利用。
物料平衡与能量平衡控制将继续在化工工程中发挥重要作用，推动行业向更加环保和高效的方向迈进。
关键词：化工过程；物料平衡；能量平衡引言化工过程的设计和运营需要高度的精确性和控制，以确保产品质量、安全性和经济效益。
在这一领域，物料平衡和能量平衡控制是至关重要的概念。
物料平衡涉及追踪化工过程中原材料、反应产物和中间体的流动，以确保资源的高效利用、减少浪费和确保产品的一致性。
与此同时，能量平衡控制关注能源的输入和输出，以最大程度地提高能源效率、降低生产成本和减少环境影响。
本文将探讨物料平衡和能量平衡的基础概念、计算方法以及其在化工过程中的关键作用。
我们还将考察当前面临的挑战以及未来可能的发展趋势，包括新兴技术的应用和可持续化工过程的前景。
物料平衡和能量平衡控制的深入研究对于实现可持续化工生产和资源管理至关重要。
一、物料平衡与能量平衡基础（一）物料平衡的概念与应用物料平衡是化工过程工程师在处理原材料、反应产物和副产品时的核心概念。
它涉及追踪和量化物料在进程中的流动，以确保质量和数量的一致性。
物料平衡的目的是分析过程中物质的输入、输出和积累，从而掌握工程系统的运行情况。
这种平衡对于确定反应效率、材料利用率和废物生成率至关重要。
它在化工、制药、食品加工等领域中广泛应用。
（二）能量平衡的概念与应用能量平衡是另一个重要的工程原理，它关注能量在工程系统中的传递和转化。
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• 在本书的范围之内，绝大多数情况为连续稳定过 程，故将重点讨论这种情况。 一般情况下，物料衡算的步骤如下： 首先，确定衡算对象，根据题目要求它可以是 总物料、某个组分、某个元素等； 其次，确定衡算范围，根据题目要求它可以是 一个系统、一个车间、某个设备；设备的某个局 部等……； 最后，确定衡算基准，根据题目要求它可以是 单位质量，单位时间等。 在上述三者确定后，根据物料衡算方程分别列 出具体的物料衡算方程（一个或多个），再解方 程或方程组即可。现举例如下：
一、物料衡算、热量衡算及单位换算 物料衡算、
• 如图1．1所示，将酒精-水混合物料送至高位槽， 经预热器加热后送精馏塔进行分离。高位槽直径 为1m，槽底流出管内径为0.025m。当管内流速 恒定为 时，物料经预热器温度由20℃升高到85℃。 进料浓度含酒精40%（质量分率）。 • （1）问：①预热器混合液的平均密度为多少？② 进料处，塔内表压为0.1kg/cm2，绝压为多少Pa？ ③酒精-水混合液在进料温度下得比热容是多少？
• 其中：a—组分在混合液体中的质量分率
（2） 压强的表示方法及单位
• 流体的压强有三种表示方法：绝对压强、表压强、真空度。 • 绝对压强：以绝对零压作起点计算的压强，称为绝对压强， 是流体的真实压强。 • 表压强：压强表上读取的压强值，称为表压强。 • 真空度：真空表上读取的压强值，称为真空度。 • 表压强、真空度与绝对压强、大气压强的关系为： • 表压强=绝对压强－大气压强 • 真空度=大气压强－绝对压强 • 压强的单位较多，除SI制的Pa（帕斯卡）外，还有atm （标准大气压）、某液体柱高度、bar(巴)或kgf/cm2等， 它们之间的换算关系为： • 1atm＝1.033kgf/cm2＝760mmHg＝10.33mH2O＝ 1.0133bar＝1.0133×105Pa
• （3）比热是流体的物性数据之一，纯液体 的比热与温度有关，其关系可在物理化学 手册中查得。混合溶液的比热可由纯物质 的数据估算，估算公式为： • 其中：a—组分在混合液体中的质量分率。 • 不同单位制中比热的单位不同，使用时要 注意单位之间的换算。
（4）物料衡算：
• ①物料衡算是质量守恒定律的一种表达方 式，物料衡算的通式为： • —输入系统的物料总和 • —输出系统的物料总和 • —累计得物料量 • 当定态操作时，物料累计量为零，物料衡 算式可简化为：
热量衡算式也可以写成
• • • •
其中： w—物料的质量； H—物料的焓。 b) 热量衡算的步骤 热量衡算的基本步骤与物料衡算相同，只 是由于焓是相对值，需指明基准温度和基 准的状态。
解题思路： 解题思路：
• （1） ①混合液体的密度计算式：
• 其中，a1、a2已知，ρ水、ρ乙醇可从书后的附表 中查得，但是由于液体的密度受温度的影响，所 以应该先求出预热器中混合液的定性温度，通常 取液体的进出口平均温度。 • ②根据表压强 绝对压强－大气压强知，绝对压强 压强=绝对压强 压强 绝对压强－大气压强知， =表压强 大气压强 表压强+大气压强 表压强 大气压强，带入数据即可。然后再根据 压强单位之间的换算关系进行单位的换算。
• 2. 衡算对象的基准不 变，改变衡算范围如 图1-2B所示。 总物料 S =R + P KNO3 0.5 × S = 0.375 × R + P（14%） 将上两式代入数据联 解得： R = 766.6 kg/hr S = 947.9 kg/hr 即为 所求
图1-2B
•
应该指出，确定衡算范围是很重要的，如 确定的衡算范围不当，无法求解。一般来 说，要尽量使已知条件和所求量穿越衡算 范围，这样才能列入衡算方程中。这种技 巧可在今后的学习和练习中逐步掌握。
• 讨论提示 讨论提示： • （1）液体的密度与温度有无关系？纯液体的密度 数据怎样获得？液体混合物的密度应该怎样计算？ • （2）压强有几种表示方法？各种表示方法的关系 是什么？各种单位之间如何换算？ • （3）混合物的比热容怎样计算？比热容与温度有 什么关系？题中所给的单位应该如何处理？ • （4）物料衡算与热量衡算的步骤如何？在衡算过 程中应该注意哪些问题？在具体计算中遇到哪些 问题,有什么启示？
②物料衡算的步骤为
• a)首先画一个流程图表示进行的过程，用方 框表示设备，输入或输出设备的物流方向 用箭头表示。 • b)划定衡算的系统并确定衡算的对象。 • c)选择衡算基准，对连续操作，常以单位时 间为基准；对间歇操作，常以一批操作为 基准。
（5）能量衡算
• a）由于化工中涉及的能量主要是热能或热 量，因此热量衡算就成为化工计算中最常 用的能量衡算。 • 热量衡算的依据是能量守恒定律，即： • 式中： —各流股带入的热量总和； • —各流股带出的热量总和； • QL—向周围环境散失的热量
第四节 化工生产工艺流程图、单位制
• 在化学工程问题中，常常碰到一些很复杂的生产 过程。例如氨碱法制纯碱，从饱和食盐水氨化、 碳酸化开始，经过过滤、煅烧、洗涤，滤液经蒸 氨解吸、循环使用等一系列过程。当描述这样一 个复杂过程时，必须用简便的方法来组织给定的 技术资料，列出已知和未知的条件，最好的方法 是将该过程描绘一成个流程图。化学工业中使用 的流程图，一般有表示产品流向的工艺流程图和 工厂建设中实际使用的施工流程图。后者根据施 工的要求，尚可细分为配管图、仪表自控图、电 工配线图、公用工程流程图等。
• 工艺流程（又称生产流程或工业流程）图，是指 从原料开始到最终产品所经过的生产步骤，把各 步骤所用的设备，按其几何形状以一定的比例画 出，设备之间按其相对位置及其相互关系衔接起 来，象这样一种表示整个生产过程全貌的图就称 为生产工艺流程图，简称生产流程。生产工艺流 程反映出工厂或车间的实际情况，即把设计的各 个主要设备以及同时计算出的物料平衡、热量平 衡一起写在流程图上。但在教科书中的生产流程 则多为原则的是示意流程。生产工艺示意流程， 它只是定性的描绘出由原料变化为成品所经过的 化工过程及设备的主要线路，其设备只按大致的 几何形状画出，甚至用方框图表示也可，设备之 间的相对位置也不要求准确。用方框图进行各种 衡算，既简单、显目，也很方便。如本章前几节 就多次用过。
• 例1-1 如图1-2A所示，浓 度为20%（质量百分数， 下同）的KNO3水溶液以 1000kg/hr流量送入蒸发器， 在某温度下蒸出一部分水 而得到浓度为50%的 KNO3水溶液，再送入结 晶器冷却析出含有4%水分 的KNO3晶体并不断取走。 浓度为37.5%的KNO3饱 和母液则返回蒸发器循环 处理，该过程为连续稳定 过程，试求： 1. 结晶产品量P，水分 蒸发量W； 2. 循环母液量R，浓缩 量S。
第六章物料与热量衡算
由于物料衡算与热量衡算是化工设计的基础，是生产 中检查考核、定额分析的重要手段，也是本课程中化 工计算的基础，因此，在进入后几章的学习之前，必 须把物、热衡算的方法搞清楚。 一、 物料衡算的具体作法 对于连续稳定过程，物料衡算的方程是： ΣM入=ΣM出 或 进 = 出 为代数方程 对不稳定过程，物料衡算的方程为： ΣMλ=ΣM出+M累积 或 进 = 出 + 累积 为代数方 程
二、 热量衡算的具体作法
• 与物料衡算相类似，热量衡算由于衡算对 象已经确定，只须确定衡算范围和衡算基 准即可。但热量衡算的基准有其特点，它 包含数量基准、温度基准和相态基准。数 量基准是指选那个量作基准来衡算热量。 对于连续操作一般以单位时间进料量（即 进料速率）为基准，而温度和相态基准的 确定才能从有关手册中查得相关的热力学 数据以便用于衡算，举例说明如下：
图1.1(1.1)
• （2）预热器加热介质为150℃的饱和蒸汽，冷凝 水温为95℃，求每小时加热料液所需的加热蒸汽 量为多少？（不考虑管道及预热器的热损失） • （3）塔顶产品含酒精90%，冷凝后的液体一部分 作为产品，一部分回流入塔，回流量与产品量之 比为2.5：1（质量比），塔底残液中含酒精5% （以上均为质量分率）。求每小时产品量、残液 量和进冷凝器的蒸汽量。 • （4）若输送泵突然损坏时，高位槽中液位高 ， 小管流出速度u（单位m/s）与高位槽液位高Z （单位m）的关系为 ，问高位槽所存料液经多少 时间流完？ • （5）泵损坏后立即在高位槽上另外引入一股进料， 进料管内径为0.025m，料液以0.62m/s的速度匀 速加入，料液从槽底部小管连续流出，问高位槽 中液位下降到1.1m需要多少时间？
• ③查手册，得出85℃时水和乙醇的比热，换算成 SI制，再带入混合液比热的计算公式。 • （2）根据能量衡算的步骤，选择合适的体系和基 准，分别计算出进出预热器的各股物流携带的热 量，带入热量衡算方程，从而求出所需的加热蒸 汽量。 • （3）由于正常的精馏操作是定态过程，根据定态 过程的物料衡算式，根据具体情况选择不同的体 系就可求出。 • （4）当泵损坏时，高位槽流动系统变为不稳定流 动，根据物料衡算的通式，分别求出dt时间内进 入、离开和高位槽内的积累量，找出时间与高位 槽液为之间的微分关系式，然后再积分即可求出 所需时间。 • （5）计算思路与（4）相同。
• 工艺流程图中所表示的主要设备包括反应器、塔 器、热交换器、加热炉、过滤机、离心分离机、 干燥器、压缩机、泵等单位操作使用的全部与罐 类。这些设备的几何形状，在化学工业界已被公 认为标准的主要设备符号，将在以后的课程中逐 步介绍。 工艺流程图的实例，可参见课本p280图9-25。 关于单位制，本课程一律采用国际单位制，即 SI制。在本书中出现其它单位制的时候，将给出 其于SI制的换算关系。在例题或习题中如果碰到， 则应将其换算成SI制。否则，因单位制不统一而 造成计算的结果与准确
• 相关知识： 相关知识： • （1） 密度的概念及计算 • 单位体积流体所具有的质量称为流体的密度。任 一流体的密度都是随温度和压强的改变而改变的。 • 液体的密度随压强的变化很小，一般可忽略。不 同温度下纯液体的密度一般可在物理化学手册或 有关资料中查得。混合液体的密度可用近似的方 法求的。若各组分在混合前、后体积没有变化， 则混合液体密度的计算公式为：