Aspen物料衡算与能量衡算
物料及热量平衡
物料衡算与热量衡算概述物料衡算与能量衡算是进行化工工艺过程设计及技术经济评价的基本依据。
通过对全程工艺或单元过程作详细的物料和能量的衡算，可以计算出主、副产品的产量，原材料的消耗定额，生产过程的物料损耗，“三废”排放量及组成，能量消耗量等各项技术经济指标。
从而定量的评价所选择工艺路线，生产方法与工艺流程的经济上是否合理，技术上是否先进，为下阶段的设计工作提供数据和依据。
物料衡算物料衡算的理论基础物料衡算是研究某个体系内进，出物料质量及组成的变化。
这个体系可以是一个设备或几个设备，也可以是一个单元操作过程或整个化工过程。
根据质量守恒定律，对某一个体系，输入体系的物料量应该等于输出物料量与体系内积累量之和。
所以，物料衡算的基本关系式表示为：∑F0=∑D+A+∑B （4-1）式中F0——输入体系的物料质量；D——输入体系的物料质量；A——体系内积累的物料质量；B——过程损失的物料质量（如跑、冒、滴、漏）该式为物料平衡的普遍式，可以对体系的总物料进行衡算。
如果体系内发生发生化学反应，则对任一个组分或任一种元素作衡算时，必须把由反应消耗或生成的量考虑在内。
上式改写为：FX if±X i=DX id+AX ia+BX ib （4-2）式中X——反应过程生成或消耗的i组分的量，反应生成i组分时则取“+”号，反应消耗i组分时则取“－”号；X if、X i、X id、X ib——i组分在F、D、A、B中的分率。
物料衡算包括总质量衡算、组分衡算和元素衡算。
对稳态过程、无化学反应有此可见，在有化学反应的过程中，其物料衡算方程式多数不能用进、出口物料的量列出。
因为反应前后的分子种类和数量可能发生变化，进入系统的物料总量不一定等于系统输出的总量。
物料衡算结果利用aspen plus进行流程的模拟得到的结果作为物料衡算的基础依据。
全程分为反应-再生工段，分离-精致工段全程模拟结果总工艺流程物料衡算一览表12 反应-再生工段68反应-再生工段模拟该工段主要包含4个反应器（其中两个反应，两个再生，切换使用），原料汽化器，原料产物换热器，原料加热炉，产物冷凝器，再生冷凝器，气液分离罐3 分离-精制工段分离-精制工段流程模拟图分离-精致工段主要包含预分离塔，脱戊烷塔，苯塔，甲苯塔，二甲苯塔还有富气分离塔以及各冷凝器与压缩机。
年产十万吨乙二醇项目-物料衡算与能量衡算计算书
年产十万吨乙二醇项目物料衡算与能量衡算目录物料平衡计算书 (1)1.1概述 (1)1.2 物料衡算的原理和准则 (1)1.3总项目核算 (2)1.3.1物料衡算任务 (2)1.3.2草酸二甲酯合成工段 (3)1.3.3碳酸二甲酯联产工段 (14)1.3.4草酸二甲酯加氢工段 (18)1.3.5乙二醇分离工段 (22)1.3.6总物料衡算 (29)1.4总结 (31)能量平衡计算书 (33)1.1总述 (33)1.2热量衡算的原理和准则 (33)1.3热量衡算任务 (34)1.4热量衡算 (34)1.4.1 草酸二甲酯合成工段 (34)1.4.2 碳酸二甲酯联产工段 (37)1.4.3 草酸二甲酯加氢工段 (38)1.4.4 乙二醇分离工段 (38)1.4总结 (40)物料平衡计算书1.1概述本项目利用新疆天业的电石尾气分离后的CO、H2 以及甲醇为主要原料合成乙二醇，最终可制得纯度为99.9%的聚酯级乙二醇，同时联产纯度为99.9%的碳酸二甲酯。
在确定整个工艺流程后，经Aspen Plus的全流程模拟，获得了更为准确的数据，由定型阶段转为定量阶段。
通过对整个生产系统、生产车间，以及部分重要的生产单元进行物料衡算计算出主、副产品的产量，原材料的消耗定额，“三废”排放量及组成，以及产品收率等各项经济技术指标，从而定量地评述初步设计所选择的工艺路线、生产方法及工艺流程在经济上是否合理，技术上是否先进，为后阶段的设计提供数据。
1.2 物料衡算的原理和准则物料衡算是以质量守恒定律为基础，对物料平衡进行的计算。
物料平衡是指“在单位时间内进入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再加上损失掉的和积累起来的物科质量”。
进行物料衡算时，先必须确定衡算的体系。
对于已经达到稳定的体系，通常满足以下关系：（进料量之和）-（出料量之和）=（系统累积量）当系统中有化学反应时可表示为：（进料量之和）-（出料量之和）+（反应消耗量）-（反应生成量）=（系统累积量）利用以上两个关系，可以对整个工艺系统或子系统进行物料衡算。
化工设计物料衡算与能量衡算
（2）元素平衡法：
• 利用进出系统各元素的原子数目不变的性质进行计算。
• 例：丙烷脱氢可以生产丙稀。可惜由于副反应使产物中含 有轻烃，且在催化剂表面有炭沉积。若在一反应器内，纯 丙烷被转化成以下气体混合物（以mol%计）：丙烷45、丙 稀20、乙烷6、乙烯1、甲烷3、氢25以及少量沉积的炭。设 反应器可以按比例扩大到处理58.2mol/d丙烷，计算所期望 的积炭速率？
• 输入空气则用于氢气燃烧的氧为：19.14-16.24-2.44=0.46mol,
• 故燃料中含氢0.46×2=0.92mol
• 燃料气中H2/ CH4=0.92/8.12=0.113,进料中（CH4+ H2） /空气
第三节 反应过程的能量衡算
❖ 能量衡算的意义：
三、物料衡算的基本步骤
1.确定衡算的对象和范围，并画出计算 对象的草图。
循环流
放空
进料
①
反应器
②
旁路
分离系统
③
产品 副产物或残渣
包括求解系统、衡算范围、衡算边界
2.确定计算任务； 3.确定过程所涉及的组分； 4.对物流流股进行编号，并标注物流变量； 5.收集数据资料：
化工设计第3章物料衡算与能量衡算
化工设计第3章物料衡算与能量衡算在化工设计中，物料衡算与能量衡算是非常重要的步骤。
物料衡算主要是指对化工过程中所使用的各种原材料的进出量进行计算，能够帮助工程师了解原料的使用情况，为后续的工艺设计提供依据。
而能量衡算则是对化工过程中的能量转化进行计算，可以获得能量消耗和产生的数据，有助于优化能源利用，提高生产效益。
物料衡算的主要步骤包括：确定物料流程图、编制原料清单、计算物料进出量和考虑损失。
首先，需要根据工艺流程确定物料的流向，画出物料流程图，明确物料的进出口。
然后，根据物料流程图编制原料清单，列出每种原料及其使用量。
接下来，根据反应方程式和化学平衡计算物料的进出量。
最后，要考虑到物料的损失情况，例如挥发、流失和反应损失等，并对损失量进行合理估计。
能量衡算的主要步骤包括：确定能量流程图、计算能量损失和能量转化。
首先，需要根据工艺流程确定能量的流向，画出能量流程图，明确能量的进出口。
然后，根据各个过程单元的热平衡计算能量的损失，例如由于传热而损失的热量。
接着，需要计算能量的转化，例如燃料的燃烧、蒸汽的产生等。
最后，通过能量衡算可以得到能量的消耗和产生数据，为能源优化提供依据。
物料衡算和能量衡算的结果可以互相影响。
例如，在物料衡算中，如果其中一种原料的进出量大幅增加，会导致能量的消耗也增加。
而在能量衡算中，如果能源的利用率提高，能够减少原料的消耗。
因此，在进行物料衡算和能量衡算时，需要综合考虑两者的关系，以达到优化生产效益的目的。
总之，物料衡算和能量衡算是化工设计过程中非常重要的环节。
通过对物料和能量的计算和衡算，可以获得关键数据，为后续的工艺设计和能源优化提供依据，提高生产效益，降低成本。
因此，对于化工工程师来说，掌握物料衡算和能量衡算的方法和技巧非常重要。
Aspen 物料衡算与能量衡算
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(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。
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ห้องสมุดไป่ตู้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。
工 业 大 学
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 包 宗 化合物。
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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。
化工设计物料衡算和热量衡算
化工设计物料衡算和热量衡算化工设计中的物料衡算和热量衡算是其重要组成部分，对于化工过程的正常运行和优化具有重要意义。
物料衡算主要是指对于化工过程中的原料、中间产物和最终产物的质量和数量进行计算和控制的过程。
而热量衡算则是指对于化工过程中的能量平衡的计算和分析。
化工设计中的物料衡算首先需要确定化工过程的原料组成和性质，包括原料的化学成分、物理性质和纯度等。
根据原料的性质和化学反应方程，可以计算出原料的消耗量和产物的生成量。
同时，还需要考虑到原料的损失和副反应的发生，以及可能的回收和再利用，从而对原料的总需求进行准确的衡算。
此外，物料的运输和储存也需要考虑到，包括原料的装卸和包装，以及仓库的容量和仓储条件等。
在化工过程中，热量的衡算是不可或缺的。
热量衡算主要包括热量输入和输出的计算和分析。
热量输入一般是通过化学反应或物理过程得到的，主要包括燃烧、加热和蒸发等。
热量输出则是指化工过程中热量的损失和传递，包括冷却、换热和放热等。
通过准确的热量衡算，可以确定化工过程中的热能转化效率和能量消耗情况，从而对能源的利用进行优化和改进。
在物料衡算和热量衡算中，还需要考虑到化工过程中可能存在的变化和调整。
化工过程中的原料组成和性质可能会随着时间的推移而发生变化，例如反应的进程或携带物等。
因此，在衡算过程中需要对变化因素进行考虑，并进行相应的调整。
例如，可以通过实验和模拟等手段对原料的性质和反应条件进行测定和预测，从而对衡算结果进行修正和优化。
总之，物料衡算和热量衡算是化工设计中的重要内容，对于化工过程的正常运行和优化具有重要的影响。
通过准确的物料衡算，可以确定化工过程中的原料需求和产物生成量，并进行合理的储存和管理。
通过热量衡算，可以确定化工过程中的能量平衡和热能转化效率，从而对能源的利用进行优化。
这些衡算结果可以为化工过程的生产计划、产品质量控制和能源管理提供重要参考。
化工设计物料衡算与能量衡算
化工设计物料衡算与能量衡算1. 引言在化工工程领域，进行物料衡算和能量衡算是设计过程中必不可少的一部分。
物料衡算和能量衡算的准确性对于化工工程的安全运行和高效生产至关重要。
本文将介绍化工设计中的物料衡算和能量衡算的基本原理和方法。
2. 物料衡算2.1 物料平衡原理物料平衡是化工设计中的一项基本工作，它基于质量守恒定律和能量守恒定律。
物料平衡的目的是确定进料、出料和中间流程中物料的流量和组成。
物料平衡的计算可以用以下公式表示：$$ \\text{进料量} = \\text{出料量} + \\sum\\text{反应物料量} + \\sum \\text{中间流程物料量} $$2.2 物料平衡计算步骤进行物料平衡计算时，需要按照以下步骤进行：1.确定系统边界：将化工系统划分为进料、出料和中间流程三个部分，并确定它们之间的物料流动关系。
2.收集物料数据：收集进料和出料的物料流量和组成数据，以及反应物料和中间流程物料的数据。
3.建立物料平衡方程：根据物料平衡原理，建立物料平衡方程。
4.解方程：根据已知数据和已建立的物料平衡方程，解方程求解未知量。
5.检查计算结果：检查计算结果是否符合物料平衡原理，如有差异则进一步分析和调整。
2.3 物料平衡实例分析下面以酯化反应过程为例，进行物料平衡计算。
2.3.1 系统边界划分将酯化反应系统划分为进料、出料和中间流程三部分。
进料包括酸和醇，出料为酯。
中间流程包括未反应的酸和醇。
2.3.2 物料数据收集收集进料和出料的物料流量和组成数据，以及反应物料和中间流程物料的数据。
假设进料中的酸的流量为100 kg/h，醇的流量为50 kg/h，反应物料中未反应的酸的流量为10 kg/h，未反应的醇的流量为5 kg/h。
2.3.3 建立物料平衡方程根据物料平衡原理，建立物料平衡方程。
酸的平衡方程：100 kg/h = 10 kg/h + 出料量醇的平衡方程：50 kg/h = 5 kg/h + 出料量2.3.4 解方程根据已知数据和已建立的物料平衡方程，解方程求解未知量。
合成气制甲醇aspen工艺流程
合成气制甲醇aspen工艺流程下载温馨提示:该文档是我店铺精心编制而成，希望大家下载以后，能够帮助大家解决实际的问题。
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Aspen物料衡算与能量衡算
(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。
南
京 工
(5)画出工艺流程示意图。着重考虑物流热流的流向，对设
业 大
备的外形、尺寸、比例等并不严格要求，与物料、能量衡算有
学 关内容必须无一遗漏，所有物流热流管线均须画出。
学 件中的电解质向导，确认体系中的真实组分、表观组分、结晶
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化合物。
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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。
醛醛醛醛
酮酮 酮酮
酯酯酯
酮酮酮酮
酯酯酯
醇醇醇醇
二二醇二醇二醇醇
水水水水
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含极性物质
PR, LK-PLOCK,
PR-BM, PKS, RKSBM及其衍生方程
模拟 体系
南
京
不含极性物质
工
业
大
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全是真实组分
CHAO-SEA, GRAYSON, BK10
P>0.1MPa
含虚拟组分 真空
BK10, IDEAL
(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
南 京
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
3 物料衡算和能量衡算
• 化学工程手册， 《化学工程手册》 编辑委员会 ，化学工业出版社，1980
• 化工工艺设计手册，国家医药管理局上海医药 设计院编，司设计院等编 ，化学工业出版社，1982
3 物料衡算与能量衡算
2 、估算
• 可以应用物理和化学的一些基本定律计算各种 物质的性质参数。
3 物料衡算与能量衡算
例题 苯与丙烯反应生产异丙苯，丙烯转化率为84％， 温度为523K、压力1.722MPa、苯与丙烯的摩尔比为 5。原料苯中含有5％的甲苯，假定不考虑甲苯的反应， 计算产物的组成。
解：画出流程简图
下标1，2， 3，4分别表 F2 示丙烯、苯、 x2,2 甲苯和异丙 x2,3 苯
• 基团贡献法
3 物料衡算与能量衡算
3 、用实验直接测定
• 实验直接测定。 • 以上三种数据来源，从手册或文献中查得数据最方便，
但往往有时数据不够完整，也会出现一些错误。用一些 理论的、半经验的和经验的公式估算，也是一种简便的 方法。当手册或文献中无法查得时，可以进行估算。直 接用实验测定得到的数据最可靠，只是实验比较费时间 又花钱。但是，如果查不到有关数据，而用公式估算得 到的结果精度又不够时，则必须用实验进行测定。
⑶转化率
转化率
反应物的反应量 反应物的进料量
注意：
xA
nA0 nA nA0
1）要注明是指那种反应物的转化率 ；
化工设计——第三章物料衡算和能量衡算
化工设计——第三章物料衡算和能量衡算在化工设计中，物料衡算和能量衡算是非常重要的步骤，能够帮助工程师确定所需的原料量和能量消耗，从而确保工艺的正常运行和产出的质量。
本章将介绍物料衡算和能量衡算的基本概念、方法和步骤，并结合实例进行说明。
物料衡算是指根据化工反应方程式和反应条件，计算出反应过程中所需的原料量和生成物的产量。
在进行物料衡算时，首先需要了解反应方程式和反应条件，然后确定产物的理论产量和选择适当的反应条件。
根据反应方程式可以计算出反应物的摩尔比例，从而推算出所需的原料量。
此外，还需要考虑反应物的纯度和反应的完全度，从而计算出实际需求的原料量。
在进行能量衡算时，需要考虑到反应过程中的热平衡问题。
热平衡是指在反应过程中吸热和放热的平衡状况。
反应过程中发生的放热或吸热会对反应速率和反应的完全度产生影响。
因此，在进行能量衡算时，需要计算出反应过程中的放热或吸热量，以及确定采取何种措施来保持反应的温度稳定。
物料衡算和能量衡算的步骤如下：1.确定反应方程式和反应条件。
根据反应方程式可以了解到反应物与产物之间的摩尔比例关系，从而推算出所需的原料量。
同时，还需要确定反应的温度、压力和反应时间等条件。
2.计算理论产量。
根据反应方程式和摩尔比例关系，可以计算出理论产量。
理论产量是指在完全反应情况下，根据所需原料的量计算得出的产物的量。
3.考虑反应的完全度和反应物的纯度。
反应过程中可能会有一些副反应或未完全反应的情况发生，从而影响到实际产量。
同时，还需要考虑到原料的纯度，因为原料的纯度不同也会影响到实际需求的原料量。
4.计算出实际需求的原料量和实际产物的产量。
根据前面的步骤计算出实际需求的原料量和实际产物的产量，并与理论值进行比较。
5.进行能量衡算。
根据反应过程中的吸热或放热情况，计算出反应过程中的热量变化。
根据所需的反应温度和反应热量，选择适当的降温或加热措施，以保持反应的温度稳定。
在进行物料衡算和能量衡算时，需要注意以下几点：1.实验数据的准确性和可靠性。
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。
化工设计第3、4章物料衡算和能量衡算和过程模拟
输出： HCHO（输出）= 0.75mol； CH3OH（输出）= 1－ 0.75 = 0.25mol； O2（输出）= 0.75－ 0.75×0.5=0.375mol； H2O（输出）= 0.75mol
循环过程(两种解法）
1) 确定加热剂或冷却剂的消耗量； 2)为公用工程（热工、电、锅炉、给水、冷暖）提供设计条件; 3) 为提高能量利用率，降低能耗提供重要依据; 4)确定总需求能量和能量的费用。
热量衡算步骤
(1)以单位时间为基准的物料流程图，确定热量平衡范围； (2)在物料流程图上标明已知温度、压力、相态等已知条件； (3)选定计算基准温度； (4)列出热量衡算式，求解未知值； (5)整理并校核计算结果，列出热量平衡表。
F1=2000kg/h 75%液体 25%固体
过滤机
滤饼 90%固体 F3=？kg/h 10%液体
F2=？kg/h 1%固体 99%液体
滤液
精馏过程
F3
F1 料液 乙醇 40% 水 60%
馏出液
乙醇=1% 水 24% 苯 75%
F2 苯
乙醇产品 F4=1000kg/h
化学反应过程的物料衡算
1.直接计算法
化工工程设计中需要大量的时间查找、筛选和估算物性数据。 衡算时必须有足够而准确的原始数据。原始数据的来源根据计算 性质而不同。 对于设计一个新的工艺过程，有关数据可由实验室试验或中试提 供，对于生产过程，则由生产装置测定而得到。当某些数据不能精确 测定或缺少时，可在工程设计计算所允许的范围内推算或假设。
过程模拟简介
过程模拟类型 模拟型、设计型、优化型
过程模拟的三要素 系统模型、物性数据和热力学方法、算法
第四章物料衡算和能量衡算
能量输入速率-能量输出速率=能量积累速率
连续稳定流动过程的总能量衡算方程为： U g z1 u2 (p)v Q W 2
Hgz1 2u2QW s
3. 热量衡算式及说明
⑴ 热量衡算式
在反应器、蒸馏塔、蒸发器、换热器等化工设备中，W、Ek、
设计化工单元操作：闪蒸罐，间歇精馏器，蒸馏器，液－液抽提精馏 器，侧线塔，压缩机，结晶器，旋流器，减压设备，溶解器，膨胀机， 闪蒸，带有固体的闪蒸，LNG多股流换热器，精确核算型换热器， 简单换热器，严格空冷器模型，加热/冷却曲线，混合器，相包络， 管道，聚合物反应器，泵，回流泵，阀，刮膜式蒸发器，平衡反应器， 转换反应器，吉布斯反应器，塞流反应器，平推流反应器，全混流反 应器， 间歇式反应器，固态颗粒分离器，分裂器，单变量控制器， 多变量的控制器，物流计算器，流程优化器，过程数据，用户自定义 操作单元，(电解质模块，SIMSCI外接的模块)等。 用户扩展功能：用户自定义物流属性包；增加用户组份数据；增加热 力学计算方法；增加自定义操作单元模块120个；增加自定义计算模 型7个；增加自定义电解质模型20个等。 分析工具：工况研究、优化器、单相变量控制器、多相变量控制器、 加热/冷却曲线等。
目前用的较多的化工流程模拟计算软件有PRO/II、HYSYS、 ASPEN PLUS等。
PRO/II 流程模拟软件 PRO/II 由美国模拟科学（SIMSCI）公司研发提供的。是目前石
油化工行业最全面的流程模拟软件，已被广泛地应用于化学过程的严 格的质量和能量平衡。
西安石油大学2006年也购买了该软件，20个用户终端。 PRO/II流程模拟软件功能特点
化工设计
第四章 物料衡算与能量衡算 Chart4 materiel balance and energy balance
化工设计之物料衡算及热量衡算
化工设计之物料衡算及热量衡算化工设计中的物料衡算和热量衡算是非常重要的步骤，可以帮助工程师确定所需的原料数量和能源消耗。
本文将讨论物料衡算和热量衡算的原理、方法和应用。
一、物料衡算物料衡算是指根据化工过程的原理和条件，计算出所需原料的数量。
1.原料衡算的原理在化工过程中，根据反应式、反应的平衡常数、物料的摩尔平衡和原料的纯度等信息，可以得出原料的物质平衡方程。
2.原料衡算的方法（1）平衡更新法：根据反应式及其他物质平衡方程，利用线性方程组求解方法，逐步逼近平衡条件，得出原料数量的近似解。
（2）摩尔关系法：利用反应的摩尔比例来计算原料的摩尔数量。
根据反应的平衡常数和其他物质平衡方程，可以得到原料的摩尔数量。
3.原料衡算的应用物料衡算在化工过程中有广泛的应用。
例如，在合成反应中，根据反应需求，确定所需原料的摩尔数量；在萃取过程中，根据溶剂和溶质的摩尔比例，计算溶液中的溶质浓度。
二、热量衡算热量衡算是指根据化工过程的热力学原理和条件，计算出所需的能量消耗。
1.热量衡算的原理根据热力学定律，可以计算化学反应的焓变，并以此来确定反应所需的热量。
热量衡算也需要考虑其他因素，如物料的温度、压力变化等。
2.热量衡算的方法（1）焓变法：根据反应的焓变和反应的摩尔比例，计算出反应所需的热量。
焓变可以通过实验测量或热力学数据库来获取。
（2）能量平衡法：考虑物料流动和热交换等因素，通过能量平衡方程求解，计算出能量的输入和输出。
3.热量衡算的应用热量衡算在化工过程中的应用非常广泛。
例如，在高温燃烧反应中，需要计算反应所需的燃料气体的热量；在蒸汽发生器中，需要计算蒸汽的产生量和燃料的热量供应。
物料衡算和热量衡算是化工设计中不可或缺的两个步骤，可以帮助工程师确定原料的用量和能量消耗，从而优化过程设计、提高生产效率和节约能源。
在进行衡算时，需要准确地获取物料的性质数据，合理地选择计算方法，并考虑到实际操作条件的变化，以保证设计结果的可靠性和实用性。
化工设计-物料衡算和能量衡算
二、化工流程自由度分析应注意的几个问题
1、流股变量 对一个含n种组份的单相流股，其流股变量描述为： F，T，P，x1， x2 ，……，x n－1 若压力P对热焓影响较小，则流股变量忽略P，变为： F，T，x1， x2 ，……，x n－1 进一步，若仅做MB计算，则流股变量忽略温度T，变为： F，x1， x2 ，……，x n－1 （共n个）
3.3 化工流程的物料衡算（不带反应）
本节主要目的：
1、化工流程的自由度分析； 2、利用自由度分析结果判断物料衡算计算顺序；
流 程 示 意 图
11 循环流 HAC 24% 进料 HAC 30％ H2O 69.8% H2SO4 0.2% 1 2 4 萃 取 塔
12
3
例题：有如图所示的一个连续流程， 用于稀醋酸的浓缩处理，图中E代 表某种溶剂组分。过程无任何化学 反应。已知： 1. 产品精馏塔进料中的HAc有 67.5%从产品流中产出。 2. F1=2.3F11 3. 图中所有组成均为质量百 分数。 要求： 1. 试作此过程的自由度分析， 列出自由度分析表 2. 指出完整的物料衡算（MB） 计算顺序 3. 求解出2号流股的组成及F2/F9
C3 i-C4 i-C5 i-C4 i-C5 C5
0.40
设计要求： 1、进料中85％的i-C5 从塔顶馏出；
0.20
2、组成均为摩尔分率；
解：该精馏塔系统的自由度分析如下： 流股变量数 MB方程数 已知流股变量数 已知其它关系式数 自由度 10 4 6 1 －1 5 0 0 0
MB计算时的自由度分析对设计条件正确与否起校验作用。
溶剂 回收塔
产品精 馏塔
4 （4 ） E 7% HAC H2O H2SO4 混合器2
5（2）
化工设计物料和能量衡算
化工设计物料和能量衡算1. 引言化工设计中的物料和能量衡算是一个关键的步骤，它涉及到化工工艺过程中物料的数量和能量的转化。
在化工过程中，物料进出口的计算和能量的平衡是确保工艺过程运行稳定和效果良好的重要因素。
本文将介绍化工设计中物料和能量衡算的基本原理和方法，并通过实例来说明。
2. 物料衡算物料衡算是指在化工过程中对物料质量和流量进行计算的过程。
它的目的是确定原料的消耗量、产物的产量和中间物的转化量，从而满足工艺过程的要求。
在物料衡算中，我们需要考虑以下几个方面：2.1 原料消耗量计算原料消耗量计算是衡算中的一个重要环节。
通常，化工工艺过程中会使用多种原料，而这些原料的消耗量会直接影响到产品的产量和质量。
原料消耗量的计算需要考虑原料的化学组成、反应的摩尔比以及反应的转化率等因素。
通过这些数据，我们可以对原料的消耗量进行准确的计算。
2.2 产物产量计算产物产量计算是另一个重要的衡算环节。
在化工过程中，我们通常希望得到高产量的产品。
产物产量的计算需要考虑反应的转化率以及反应过程中的损耗和副产物的生成等因素。
通过对这些因素的分析和计算，我们可以确定最终产品的产量，并优化工艺过程以提高产量。
2.3 中间物转化量计算中间物转化量计算是指在化工过程中，各种中间产物的转化量的计算。
中间产物是指在反应过程中生成的但不是最终产品的化合物。
中间物转化量的计算需要考虑反应的转化率以及反应过程中中间物的生成和消耗等因素。
通过对这些因素的计算，我们可以确定各个中间物的转化量，从而优化工艺过程。
3. 能量衡算能量衡算是指化工工艺过程中能量的转化和平衡的计算。
能量衡算的目的是确定工艺过程中的能量损失和能量转化效率，以提高工艺过程的能源利用效率和减少能源的消耗。
在能量衡算中，我们需要考虑以下几个方面：3.1 能量输入输出计算能量输入输出计算是能量衡算的一个基本环节。
在化工过程中，能量的输入通常是燃料或电能，而能量的输出包括产品的热能和工艺过程中的损耗。
Aspen物料衡算与能量衡算
包 宗 宏
17/40
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。
醛醛醛醛
酮酮 酮酮
酯酯酯
酮酮酮酮
酯酯酯
醇醇醇醇
二二醇二醇二醇醇
水水水水
11
含极性物质
PR, LK-PLOCK,
PR-BM, PKS, RKSBM及其衍生方程
模拟 体系
南
京
不含极性物质
工
业
大
学
包 宗 宏
全是真实组分
CHAO-SEA, GRAYSON, BK10
P>0.1MPa
含虚拟组分 真空
BK10, IDEAL
P>1MPa
UNIFAC 及其衍生方程
液液 平衡
汽液 平衡
UNIFAC-LL
有汽相 缔合
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。
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。
化工设计之物料衡算与能量衡算培训讲义
二、物料衡算基准 物料衡算时须选择计算基准，并在计算过程中保持一致。 一般计算过程的基准有以下几种：
(1) 时间基准——对连续生产过程，常以单位时间(如d、h、s）的投料 量或产品量为计算基准。
循环过程的物料衡算
➢例如在生产 中一般将未反应的原料与产品先分离，后循环返 回原料进口处，与新原料一起再进入反应器反应。
➢例如苯直接加氢转化环己烷中的循环过程：
新鲜Ｈ2
循环Ｈ2
混合器
纯C6H6
80%Ｈ2 20%C6H6
反应器
泠凝器
产物 3%H2
苯直接加氢转化环己烷中的循环过程的衡算
解：反应为：C6H6+3H2→C6H12 基准：100kmol/h环己烷 查苯的总转化率为99%
组成 ％(mol) kmol/h
CO2 28.56 285.1
CO H2 1.2 52.61 12.02 525.2
N2 17.05 170.2
CH4 0.575 5.74
合计 100 998.3
无化学反应的物料衡算
➢在化工过程中，一些只有物理变化，不发生化学反应的单元 操作，如混合、蒸馏、蒸发、干燥、吸收、结晶、萃取等。 这些过程都可以根据物料衡算式，列出总物料和各组分的衡 算式，再用代数法求解。
例：甲醇氧化制甲醛，其反应过程为 CH3OH + 1/2O2 →HCHO + H2O
反应物及生成物均为气态。甲醇的转化率为75％，若使 用50％的过量空气，试计算反应后气体混合物的摩尔组 成。
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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。
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。”
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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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。
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。
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(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
•OVHD
•FEED
•5000 lbmol/hr •10 mole % acetone •90 mole % water
•COLUMN
•BTMS
•Specification: 99.5 mole % acetone recovery
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常见有机化合物极性增加顺序：
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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.
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。
(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。
(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020/10/29
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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。
(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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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。