精选物料衡算与能量衡算培训课件PPT48页
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南京工业大学 包宗宏
Case Study - Acetone Recovery
Correct choice of physical property models and accurate physical property parameters are essential for obtaining accurate simulation results.
在模拟计算起始向软件输入组分时，一定要把化学反应中可能 新生成的组分添加进去。
对于非数据库组分，可按照1.3节介绍的方法，将运行模式改成 “Property Estimation”，对非数据库组分的物性进行估算后， 再将软件运行模式改成 “Flowsheet”进行物料衡算。
对于含电解质的过程，要考虑可能存在的离子反应，借助于软 件中的电解质向导，确认体系中的真实组分、表观组分、结晶 化合物。
简单化工操作单元的能量衡算可以手工进行，复杂化工流程的 能量衡算手工计算非常困难，而任何情况下使用模拟软件进行 化工过程的能量衡算都是很方便的。
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2.1.2 衡算方程式 化工工艺计算中的物料平衡是指“在单位时间内进入衡算系 统的全部物料质量，必定等于离开该系统的全部物料质量、加 上损失掉与积累起来的物料质量。”
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2.1.4 用每软个数件据进包文行件物对模料拟衡体系算的与组分能、量工艺衡条算件、的要点 (6)尽量使用软物 的件热性力方自学法带已基经础的确数过定据，，程尤部数其分是还据包包包含含了了。针动在对力该学软体数件系据。安装目录中，有 一个“GUI”文件夹，包含了多个软件模拟计算例题的子文件夹。
“App”文件夹：对对 子各于 组电分种解，化质各过级工程电过，离数过程据程完包的文反整件应模中方包程拟含式的了、体化文系学件中 反的 应；全 平部 衡分 常子 数组 与分 各与 离离 子
对的二元交互作用参数。以软件自带的“.bkp” 数据包文件作为模
拟计算的起点，可以免除物性方法选择、反应方程式输入等步骤，
2.1 衡算方法 2.1.1基本概念
物料平衡的理论依据是质量守恒定律，即在一个孤立体系中 不论物质发生任何变化(不包括核反应)它的质量始终保持不变。
在化工过程中，能量衡算是根据能量守恒定律，利用能量传 递和转化的规则，以确定能量比例和能量转变定量关系的过程。 能量衡算的理论依据是热力学第一定律，即体系的能量总变化 (ΔE)等于体系所吸收的热减去环境对体系所做的功。
PRWS, RKSWS 及其衍生方程
南京工业大学 包宗宏
模拟 体系
不含电解质 含极性物质
含电解质
P>1MPa
有二元交互 作用参数
无二元交互 作用参数
不含极性物质
ELECNRTL, PITZER 及其衍生方程
PSRK, PR, RKS 及其衍生方程
NRTL, UNIQUAC 及其衍生方程
含-HOC的衍生 活度系数方程
几乎所有的单元操作模型都需要热力学性质与传递性质的计算, 其中主要有逸度系数、相平衡常数、焓、熵、Gibbs自由能、 密度、粘度、导热系数、扩散系数、表面张力等。
没有任何一个热力学模型与传递模型能适用于所有的物系和所 有的过程。因此，性质方法的恰当选择和正确使用决定着计算 结果的准确性、可靠性和模拟成功与否。
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OVHD
FEED
5000 lbmol/hr 10 mole % acetone 90 mole % water
COLUMN
BTMS
Specification: 99.5 mole % acetone recovery
Ideal Approach
Predicted number of stages 11 required
此蒸汽的68%进入全厂蒸汽管网，15%用于对进入酸性气 燃烧炉的空气进行预热，5%用于对进入酸性气燃烧炉的酸 性气体进行预热，7%用于对进入第一级CLAUS反应器的酸 性气体进行预热，5%用于对进入第二级CLAUS反应器的酸 性气体进行预热。
WILS, NRTL, UNIQUAC
及其衍生方程 P<1MPa
有二元 交互作 用参数
液液 平衡
汽液 平衡
WILS-HF
六聚 有汽相
缔合
二聚 无汽相
缔合
不含 电解质
UNIF-NTH, UNIF-HOC
无二元 交互作
液液 平衡
UNIFAC-LL
有汽相
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含极性 物质
含电
用参数 P>1MPa
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2.1.4 用软件进行物料衡算与能量衡算的要点
(2) 选择合适的物性计算方法。ASPEN PLUS软件把模拟计 算一个流程所需要的热力学性质与传递性质的计算方法与计算 模型都组合在一起，称之为性质方法，每种性质方法以其中主 要的热力学模型冠名，软件中共有80多种性质方法供操作者选 择使用。针对不同的模拟体系，选择合适的性质方法用于模拟 过程是获得正确计算结果的前提。
“Asy”文件夹：提直供接原进行始流实程绘验制数与物据流，输入包，含模拟了计全算结球果各正确地的原可能油性的要大实得
沸点数据；
多。如果“.bkp” 数据包文件中的组分与操作者欲模拟计算过程的 组分有少量的差异，也可以对数据包文件中的组分进行调整。
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“Elecins”文件夹：综合过程数据包与电解质过程数据包，包含 93个电解质过程的“.bkp” 数据包文件；
使用图2-1的前提是已知模拟过程的物流组成、体系压力、温 度范围。
图2-1并未概括软件中所有的物性方法，随着软件版本的更新， 新的物性方法也会不断充实进来，但该图给出了一个物性方法 的选择方向。
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2.1.4 用软件进行物料衡算与能量衡算的要点
(3)输入组分的数量要完整。用软件进行物料衡算时，首先必 须向软件输入组分名称，通知软件调用数据库中该组分的全部 物性数据参与运算。
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2.1.4 用软件进行物料衡算与能量衡算的要点 (4)熟悉模块功能及其计算方法。软件中的模块本质上是计算 方法的图形显示，有的一个模块仅对应一种算法，有的一个模 块可包含几种算法，可根据运算操作者意愿选择运行。熟悉软 件的模块功能，可快速正确地建立起物料衡算的模拟流程。
连续流动系统的总能量衡算式是柏努利方程式，即：
在进行设备的能量衡算时，位能变化、动能变化、外功等项 相对较小，可忽略不计，因此稳流系统总能量衡算可简化为热 量衡算。
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2.1.3 衡算的基本步骤
(1)收集数据资料。一般需要收集的数据和资料包括生产规模 和生产时间(即年生产时数)、有关的定额、收率、转化率、原 料、辅助材料、产品、中间产品的规格、与过程计算有关的物 理化学常数等。
(5)了解软件对物性术语的缩写。ASPEN PLUS是全英文软 件，操作界面上的指令都用英文全名表示，易于理解。但物流 的物性均用缩略语表示，很难记忆。在编制物料平衡表时，需 要同时列出各物流的物性，这就要向软件提出输出特定物性数 据的要求，若能熟悉软件常用物性术语的缩写方式，则可方便 地输出物流的物性。
物料衡算是化工生产过程中，用以确定物料比例和物料转 变定量关系的计算过程，这是化工工艺计算中最基本、最重 要的内容之一。
物料衡算的结果也是能量衡算的依据，掌握物料带入或带 出体系的能量多少，以计算化工过程需要提供或移除的热量， 控制能量的供给速率和放热速率，进—步算出物质之间交换 的热量以及整个过程的热量分布情况。
例2-1. 混酸过程。eh2so4.aprbkp数据包。 现用三种酸配制硝化混合酸，原料浓硝酸、浓硫酸、循环 酸的质量配比为1: 2: 2，设混合过程绝热。求： ⑴混合酸的组成； ⑵混合酸的温度、密度、粘度、表面张力。
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2.2.1 混合过程
例2-2. 蒸汽分配。 某硫磺回收装置的废热锅炉产生4 MPa（g）的饱和水蒸 汽25000 kg/h。
结果是否正确，不能指望模拟软件提供结论, 而应依靠自己的 判断。判断的基础是运算操作者对模拟过程的细致了解、化工 专业知识的深刻领会、模拟过程工业背景的熟悉程度、工业装 置的现场操作数据等综合评价。
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2.2 简单物理过程
2.2.1 混合过程 多股物料的混合与一股物料分流成多股物料是化工生产中 常见的操作，其物料衡算可以用ASPEN PLUS 中的混合器与 分流器进行模拟。
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2.1.3 衡算的基本步骤 (3)确定化学反应方程式。列出各个过程的主、副化学反应 方程式，明确反应和变化前后的物料组成及各个组分之间的定 量关系，若计算反应器大小，还需要掌握反应动力学数据。
(4)确定计算任务。根据工艺流程示意图和化学反应方程式， 分析物流热流经过每一过程、每一设备在数量、组成、及物流 热流走向所发生的变化。
酯酯酯
醇醇醇醇
二二醇二醇二醇醇
水水水水
含极性物质
模拟 体系
PR, LK-PLOCK,
PR-BM, PKS, RKSBM及其衍生方程
全是真实组分
CHAO-SEA, GRAYSON, BK10
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不含极性物质
P>0.1MPa
含虚拟组分 真空
BK10, IDEAL
P<1MPa
SR-POLAR,
汽液 平衡
缔合
解质
UNIFAC 及其衍生方程
无汽相 缔合
2.1.4 用软件进行物料衡算与能量衡算的要点
若性质方法选择不当，只要模拟过程收敛，即使结果不合理， 软件也不会提示出错信息。
另一方面，即使性质方法选择正确，但使用不当也会产生错误 结果。因为性质方法计算的准确程度由模型方程式本身和它的 用法所决定，如热力学模型的使用往往涉及原始数据的合理选 取、模型参数的估计、从纯物质参数计算混合物参数时混合规 则的选择等问题，均需要正确处理。
“Datapkg” 文件夹：包含了15个综合化工过程的“.bkp” 数据包 文件。
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2.1.4 用软件进行物料衡算与能量衡算的要点 (7)学会判断计算结果的正确性。当一个模拟过程运算正常收 敛后，软件状态栏上提示 “Results Available”，表示计算有了 结果，这并不表示结果正确。
因此，物料衡算与能量衡算是进行化工工艺设计、过程经 济评价、节能分析以及过程最优化的基础。
在用化工模拟软件进行流程的物料衡算与能量衡算时，虽 然可以大大提高计算的速率，但仍然需要遵守物料衡算与能 量衡算的基本规则，把规则应用于软件的操作之中，软件计 算结果才可能合理与可行。
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Approximate cost in dollars 520,000
Equation of State Approach
7
390,000
Activity Coefficient Model Approach
42
880,000
常见有机化合物极性增加顺序：
烃烃烃
Hale Waihona Puke 醚 醚醚醚醛 醛醛醛
酮酮 酮酮
酯酯酯
酮酮酮酮
(2)选定计算基准。温度的因次可采用“℃”或“K”，压力的因 次可采用“kPa”、“atm” 或其它，压力基准可选用绝对压力或 表压。
物流量的计算基准可选质量基准、摩尔基准、体积基准。对 于连续生产，以“s、h、d”作为投料量或产品量的时间基准。
用模拟软件进行衡算时，以单位时间的投料量为起点进行计 算比较方便。当系统介质为固体或液体时，一般以质量为计算 基准，对气体物料进行计算时，一般选体积作为计算基准。
(5)画出工艺流程示意图。着重考虑物流热流的流向，对设 备的外形、尺寸、比例等并不严格要求，与物料、能量衡算有 关内容必须无一遗漏，所有物流热流管线均须画出。
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2.1.3 衡算的基本步骤 (6) 根据工艺流程图抽象出模拟流程。要充分理解基本工艺 路线，明确本流程的主干与枝干，选择软件中合适的模块、或 模块组合构成软件模拟流程，以反映流程的模拟需求。
(7)校核计算结果。当计算全部完成后，对计算结果进行整 理，编制物料热量平衡表或绘制物料流程图。通过物料热量平 衡表可以直接检查计算是否准确，分析结果组成是否合理，并 易于发现存在问题，从而判断其合理性，提出改进方案。
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2.1.4 用软件进行物料衡算与能量衡算的要点 (1) 选择合适的因次模板。因次模板是ASPEN PLUS软件为 不同工艺过程编制的因次集，分为普通模拟过程与石油加工过 程两大类，每大类又含有若干套，每套都包含英制与公制两种 因次集，如表2-1。
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Case Study - Acetone Recovery
Correct choice of physical property models and accurate physical property parameters are essential for obtaining accurate simulation results.
在模拟计算起始向软件输入组分时，一定要把化学反应中可能 新生成的组分添加进去。
对于非数据库组分，可按照1.3节介绍的方法，将运行模式改成 “Property Estimation”，对非数据库组分的物性进行估算后， 再将软件运行模式改成 “Flowsheet”进行物料衡算。
对于含电解质的过程，要考虑可能存在的离子反应，借助于软 件中的电解质向导，确认体系中的真实组分、表观组分、结晶 化合物。
简单化工操作单元的能量衡算可以手工进行，复杂化工流程的 能量衡算手工计算非常困难，而任何情况下使用模拟软件进行 化工过程的能量衡算都是很方便的。
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2.1.2 衡算方程式 化工工艺计算中的物料平衡是指“在单位时间内进入衡算系 统的全部物料质量，必定等于离开该系统的全部物料质量、加 上损失掉与积累起来的物料质量。”
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2.1.4 用每软个数件据进包文行件物对模料拟衡体系算的与组分能、量工艺衡条算件、的要点 (6)尽量使用软物 的件热性力方自学法带已基经础的确数过定据，，程尤部数其分是还据包包包含含了了。针动在对力该学软体数件系据。安装目录中，有 一个“GUI”文件夹，包含了多个软件模拟计算例题的子文件夹。
“App”文件夹：对对 子各于 组电分种解，化质各过级工程电过，离数过程据程完包的文反整件应模中方包程拟含式的了、体化文系学件中 反的 应；全 平部 衡分 常子 数组 与分 各与 离离 子
对的二元交互作用参数。以软件自带的“.bkp” 数据包文件作为模
拟计算的起点，可以免除物性方法选择、反应方程式输入等步骤，
2.1 衡算方法 2.1.1基本概念
物料平衡的理论依据是质量守恒定律，即在一个孤立体系中 不论物质发生任何变化(不包括核反应)它的质量始终保持不变。
在化工过程中，能量衡算是根据能量守恒定律，利用能量传 递和转化的规则，以确定能量比例和能量转变定量关系的过程。 能量衡算的理论依据是热力学第一定律，即体系的能量总变化 (ΔE)等于体系所吸收的热减去环境对体系所做的功。
PRWS, RKSWS 及其衍生方程
南京工业大学 包宗宏
模拟 体系
不含电解质 含极性物质
含电解质
P>1MPa
有二元交互 作用参数
无二元交互 作用参数
不含极性物质
ELECNRTL, PITZER 及其衍生方程
PSRK, PR, RKS 及其衍生方程
NRTL, UNIQUAC 及其衍生方程
含-HOC的衍生 活度系数方程
几乎所有的单元操作模型都需要热力学性质与传递性质的计算, 其中主要有逸度系数、相平衡常数、焓、熵、Gibbs自由能、 密度、粘度、导热系数、扩散系数、表面张力等。
没有任何一个热力学模型与传递模型能适用于所有的物系和所 有的过程。因此，性质方法的恰当选择和正确使用决定着计算 结果的准确性、可靠性和模拟成功与否。
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OVHD
FEED
5000 lbmol/hr 10 mole % acetone 90 mole % water
COLUMN
BTMS
Specification: 99.5 mole % acetone recovery
Ideal Approach
Predicted number of stages 11 required
此蒸汽的68%进入全厂蒸汽管网，15%用于对进入酸性气 燃烧炉的空气进行预热，5%用于对进入酸性气燃烧炉的酸 性气体进行预热，7%用于对进入第一级CLAUS反应器的酸 性气体进行预热，5%用于对进入第二级CLAUS反应器的酸 性气体进行预热。
WILS, NRTL, UNIQUAC
及其衍生方程 P<1MPa
有二元 交互作 用参数
液液 平衡
汽液 平衡
WILS-HF
六聚 有汽相
缔合
二聚 无汽相
缔合
不含 电解质
UNIF-NTH, UNIF-HOC
无二元 交互作
液液 平衡
UNIFAC-LL
有汽相
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含极性 物质
含电
用参数 P>1MPa
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2.1.4 用软件进行物料衡算与能量衡算的要点
(2) 选择合适的物性计算方法。ASPEN PLUS软件把模拟计 算一个流程所需要的热力学性质与传递性质的计算方法与计算 模型都组合在一起，称之为性质方法，每种性质方法以其中主 要的热力学模型冠名，软件中共有80多种性质方法供操作者选 择使用。针对不同的模拟体系，选择合适的性质方法用于模拟 过程是获得正确计算结果的前提。
“Asy”文件夹：提直供接原进行始流实程绘验制数与物据流，输入包，含模拟了计全算结球果各正确地的原可能油性的要大实得
沸点数据；
多。如果“.bkp” 数据包文件中的组分与操作者欲模拟计算过程的 组分有少量的差异，也可以对数据包文件中的组分进行调整。
南京工业大学 包宗宏
“Elecins”文件夹：综合过程数据包与电解质过程数据包，包含 93个电解质过程的“.bkp” 数据包文件；
使用图2-1的前提是已知模拟过程的物流组成、体系压力、温 度范围。
图2-1并未概括软件中所有的物性方法，随着软件版本的更新， 新的物性方法也会不断充实进来，但该图给出了一个物性方法 的选择方向。
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南京工业大学 包宗宏
2.1.4 用软件进行物料衡算与能量衡算的要点
(3)输入组分的数量要完整。用软件进行物料衡算时，首先必 须向软件输入组分名称，通知软件调用数据库中该组分的全部 物性数据参与运算。
15/40
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2.1.4 用软件进行物料衡算与能量衡算的要点 (4)熟悉模块功能及其计算方法。软件中的模块本质上是计算 方法的图形显示，有的一个模块仅对应一种算法，有的一个模 块可包含几种算法，可根据运算操作者意愿选择运行。熟悉软 件的模块功能，可快速正确地建立起物料衡算的模拟流程。
连续流动系统的总能量衡算式是柏努利方程式，即：
在进行设备的能量衡算时，位能变化、动能变化、外功等项 相对较小，可忽略不计，因此稳流系统总能量衡算可简化为热 量衡算。
3/40
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2.1.3 衡算的基本步骤
(1)收集数据资料。一般需要收集的数据和资料包括生产规模 和生产时间(即年生产时数)、有关的定额、收率、转化率、原 料、辅助材料、产品、中间产品的规格、与过程计算有关的物 理化学常数等。
(5)了解软件对物性术语的缩写。ASPEN PLUS是全英文软 件，操作界面上的指令都用英文全名表示，易于理解。但物流 的物性均用缩略语表示，很难记忆。在编制物料平衡表时，需 要同时列出各物流的物性，这就要向软件提出输出特定物性数 据的要求，若能熟悉软件常用物性术语的缩写方式，则可方便 地输出物流的物性。
物料衡算是化工生产过程中，用以确定物料比例和物料转 变定量关系的计算过程，这是化工工艺计算中最基本、最重 要的内容之一。
物料衡算的结果也是能量衡算的依据，掌握物料带入或带 出体系的能量多少，以计算化工过程需要提供或移除的热量， 控制能量的供给速率和放热速率，进—步算出物质之间交换 的热量以及整个过程的热量分布情况。
例2-1. 混酸过程。eh2so4.aprbkp数据包。 现用三种酸配制硝化混合酸，原料浓硝酸、浓硫酸、循环 酸的质量配比为1: 2: 2，设混合过程绝热。求： ⑴混合酸的组成； ⑵混合酸的温度、密度、粘度、表面张力。
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2.2.1 混合过程
例2-2. 蒸汽分配。 某硫磺回收装置的废热锅炉产生4 MPa（g）的饱和水蒸 汽25000 kg/h。
结果是否正确，不能指望模拟软件提供结论, 而应依靠自己的 判断。判断的基础是运算操作者对模拟过程的细致了解、化工 专业知识的深刻领会、模拟过程工业背景的熟悉程度、工业装 置的现场操作数据等综合评价。
18/40
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2.2 简单物理过程
2.2.1 混合过程 多股物料的混合与一股物料分流成多股物料是化工生产中 常见的操作，其物料衡算可以用ASPEN PLUS 中的混合器与 分流器进行模拟。
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2.1.3 衡算的基本步骤 (3)确定化学反应方程式。列出各个过程的主、副化学反应 方程式，明确反应和变化前后的物料组成及各个组分之间的定 量关系，若计算反应器大小，还需要掌握反应动力学数据。
(4)确定计算任务。根据工艺流程示意图和化学反应方程式， 分析物流热流经过每一过程、每一设备在数量、组成、及物流 热流走向所发生的变化。
酯酯酯
醇醇醇醇
二二醇二醇二醇醇
水水水水
含极性物质
模拟 体系
PR, LK-PLOCK,
PR-BM, PKS, RKSBM及其衍生方程
全是真实组分
CHAO-SEA, GRAYSON, BK10
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不含极性物质
P>0.1MPa
含虚拟组分 真空
BK10, IDEAL
P<1MPa
SR-POLAR,
汽液 平衡
缔合
解质
UNIFAC 及其衍生方程
无汽相 缔合
2.1.4 用软件进行物料衡算与能量衡算的要点
若性质方法选择不当，只要模拟过程收敛，即使结果不合理， 软件也不会提示出错信息。
另一方面，即使性质方法选择正确，但使用不当也会产生错误 结果。因为性质方法计算的准确程度由模型方程式本身和它的 用法所决定，如热力学模型的使用往往涉及原始数据的合理选 取、模型参数的估计、从纯物质参数计算混合物参数时混合规 则的选择等问题，均需要正确处理。
“Datapkg” 文件夹：包含了15个综合化工过程的“.bkp” 数据包 文件。
17/40
2.1.4 用软件进行物料衡算与能量衡算的要点 (7)学会判断计算结果的正确性。当一个模拟过程运算正常收 敛后，软件状态栏上提示 “Results Available”，表示计算有了 结果，这并不表示结果正确。
因此，物料衡算与能量衡算是进行化工工艺设计、过程经 济评价、节能分析以及过程最优化的基础。
在用化工模拟软件进行流程的物料衡算与能量衡算时，虽 然可以大大提高计算的速率，但仍然需要遵守物料衡算与能 量衡算的基本规则，把规则应用于软件的操作之中，软件计 算结果才可能合理与可行。
1/40
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Approximate cost in dollars 520,000
Equation of State Approach
7
390,000
Activity Coefficient Model Approach
42
880,000
常见有机化合物极性增加顺序：
烃烃烃
Hale Waihona Puke 醚 醚醚醚醛 醛醛醛
酮酮 酮酮
酯酯酯
酮酮酮酮
(2)选定计算基准。温度的因次可采用“℃”或“K”，压力的因 次可采用“kPa”、“atm” 或其它，压力基准可选用绝对压力或 表压。
物流量的计算基准可选质量基准、摩尔基准、体积基准。对 于连续生产，以“s、h、d”作为投料量或产品量的时间基准。
用模拟软件进行衡算时，以单位时间的投料量为起点进行计 算比较方便。当系统介质为固体或液体时，一般以质量为计算 基准，对气体物料进行计算时，一般选体积作为计算基准。
(5)画出工艺流程示意图。着重考虑物流热流的流向，对设 备的外形、尺寸、比例等并不严格要求，与物料、能量衡算有 关内容必须无一遗漏，所有物流热流管线均须画出。
5/40
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2.1.3 衡算的基本步骤 (6) 根据工艺流程图抽象出模拟流程。要充分理解基本工艺 路线，明确本流程的主干与枝干，选择软件中合适的模块、或 模块组合构成软件模拟流程，以反映流程的模拟需求。
(7)校核计算结果。当计算全部完成后，对计算结果进行整 理，编制物料热量平衡表或绘制物料流程图。通过物料热量平 衡表可以直接检查计算是否准确，分析结果组成是否合理，并 易于发现存在问题，从而判断其合理性，提出改进方案。
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2.1.4 用软件进行物料衡算与能量衡算的要点 (1) 选择合适的因次模板。因次模板是ASPEN PLUS软件为 不同工艺过程编制的因次集，分为普通模拟过程与石油加工过 程两大类，每大类又含有若干套，每套都包含英制与公制两种 因次集，如表2-1。