第三章物料衡算与能量衡算
物料衡算和热量衡算
物料衡算和热量衡算1. 引言物料衡算和热量衡算是在工程设计和过程优化中常用的方法和工具。
物料衡算是指通过对物料的进出量、质量和组成等参数的分析，计算出物料的平衡以及物料流动过程中的相关参数。
热量衡算是指通过对热量的进出量、热平衡等参数的分析，计算出热量在系统中的平衡和流动情况。
本文将介绍物料衡算和热量衡算的基本概念、方法和应用。
2. 物料衡算2.1 物料平衡物料平衡是对物料流动系统中物料的进出量进行分析和计算的过程。
物料平衡的基本原理是质量守恒定律，即在封闭系统中，物料的质量不会发生净变化。
物料平衡可用于分析物料的流动路径、损耗情况以及优化物料的使用和回收。
2.2 物料衡算的方法常用的物料衡算的方法包括输入-输出法和组分衡算法。
- 输入-输出法：通过记录系统中物料的进出量，计算出物料的平衡情况。
该方法适用于物料流动较简单且没有复杂反应的系统。
具体步骤包括确定进料和产出物料的量和质量，计算进出物料的差值，并检查误差，使其趋近于零。
- 组分衡算法：通过对物料组分的平衡进行计算，得到物料的进出量。
该方法适用于需要考虑物料成分变化的系统。
具体步骤包括确定进料和产出物料的组分及其相对含量，计算进出物料组分的差值，并检查误差。
2.3 物料衡算的应用物料衡算在化工、冶金、环境工程等领域有广泛的应用，例如： - 在化工生产中，物料衡算可以用于优化原料的使用和能源的消耗，减少产品的损耗和废物的排放。
- 在冶金过程中，物料衡算可以用于优化矿石的选矿和冶炼过程，提高生产效率和产品质量。
- 在环境工程中，物料衡算可以用于分析和优化废物处理和排放过程，减少对环境的污染。
3. 热量衡算3.1 热量平衡热量平衡是对热量在系统中的分布和流动进行分析和计算的过程。
热量平衡的基本原理是热力学第一定律，即能量守恒定律。
热量衡算可以用于分析热量的传递、损失和利用情况，以及优化热能的使用和节约。
3.2 热量衡算的方法常用的热量衡算的方法包括输入-输出法和能量平衡法。
化工过程设计 第三章 物料衡算与热量衡算(1)
各流股组份数一览表
HAC 24%
11 循环流 进料 HAC 30％ H2O 69.8% H2SO4 0.2% 萃 取 塔 4
流股号 1 2 3
组份数 3 3 3 4 2 2 2 2
1
2
12
3
混合器1
4
5 6 7 8 9 10 11 12
E 7% HAC H2O H2SO4 混合器2
溶 剂 回 收 塔
7（2） E 99% H2O 1％
附加关系式数
自由度
9（4）
（2）溶剂提馏塔及整体的自由度分析
11（2） 循环流
HAC 24%
进料 HAC 30％ 1（3） H2O 69.8% H2SO4 0.2% 混合器1 2（3）
萃 取 塔
3（3） 12（2） 溶 剂 回 收 塔 产品流 HAC 99% H2O 1% 产 品 精 馏 塔
独立MB方程数
已知流股变量数 已知其它关系式数 自由度 2、具体MB计算（略）
在开始下一节讲授之前，大家先考虑一个精馏塔的MB问题。 例题：有人提出了一个无反应的单精馏塔流程的方案，试做其MB计算:
100 C3 i-C4 i-C5 C5 kmol/h 0.20 0.30 0.20 0.30
2 1 精 馏 塔 3
MB与HB计算是化工工艺设计中最基本，也是最主要的计算内容。
一、化工流程（过程）中MB、HB、EB三者之间的关系 1、MB与HB之间的关系 MB有可能能单独（不依赖HB而独立）求解； HB一般不能单独求解； （间壁式换热器除外） 当MB不能独立求解时，它就必须与HB联合起来，求解CB。 2、EB与HB之间的关系 流程压力水平不高，而且压力变化也不大，系统能量只考虑其热 焓，而忽略其动能、势能等机械能，在这种情况下：
第三章 能量衡算
O2 200 0 75 635.25 H2O (气)
150 1435.5
已知氨的消耗量为100mol/h，反应的标准反应热
H
0 r
=-904.6kJ/mol，则反应放出的热量：
nAR
H
0 r
100 (904.6)
22615kJ
/h
A
4
H
H
0 r
输出ni Hi
输入 niHi 22615 （635.25 845.3 1435.5） 0
19700kJ / h
化工设计电子课件
（四）以标准生成热为基础进行衡算
一、生成热
在标准状态下，由构成组成的元素生成1mol组分
时的焓差。任何反应的标准反应热可以由反应物和生
成物的生成热计算得到。反之，组分的生成热也可以
其中,
niHi
nn
n
ni
H
0 f
,298
K
T2
298 niCP,idT
n
H
/ i ,298
K
i 1
i 1
n i 是组分i的量（kmol/h）；
H
0 f
,298K
是组分i的标准生成热(kJ/mol)；
C P,i 是组分i的等压热容(kJ/mol.K)；
H i,298K 是进料组分i在基准温度下从进料相态变为基准相态时
热锅炉冷却，废热锅炉产生4.5atm的饱和蒸汽。已知
进水温度为20℃，压力为4.5atm，进料水与甲醇的
摩尔比为0.2。假如锅炉是绝热操作，求甲醇的出口温
第 三
度。
章
物 料 衡 算 与 能 量 衡 算
精选3物料衡算与能量衡算
总计
100
2947
100.00
例题3-1解
可列出总物料平衡式： 1200+F2= F3+ F4+ F5各组分平衡式： 丙酮 0.0295 F2 =0.99 F4+0.05 F5 水 1200=0.01 F4 +0.95 F5 空气 0.9705 F2 = F3
图3－3
解
基准：物流1为100mol/h；正反应的反应速率为r（mol/h）（1）过程先由总单元过程摩尔衡算式进行计算，总衡算式为：N2衡算 F5，N2 =0.78×100＝78mol/hCO平衡 0＝0.2×100+0.5F2 – rH2O平衡 F5,H2O＝F3 – rCO2平衡 F5,CO2＝0.02×100 + rH2平衡 F5,H2＝0.5F2 + r
（2）计算反应器1的反应速率，然后计算物流4的组成由反应速率的定义式得： r＝ ＝ 式中 为I物质的转化率。已知反应器1中CO的转化率为0.80，由此得反应器1的反应速率： r＝ ＝0.8[0.2×100 + 0.5×214] ＝101.6mol/h
（2）质量基准
当系统介质为液、固相时，选择一定质量的原料或产品作为计算基准是合适的。如以煤、石油、矿石为原料的化工过程采用一定量的原料，例如：1kg、1000kg等作基准。如果所用原料或产品系单一化合物，或者由已知组成百分数和组分分子量的多组分组成，那么用物质的量（摩尔）作基准更方便。
（3）体积基准
解：（1）画出流程示意图，确定计算范围。
图3.2
（2）原料乙苯量1
G1 G2 G3 G4 G5 M：106.17 63 151.17 18.02
对气体物料进行衡算时选用体积基准。这时应将实际情况下的体积换算为标准状态下的体积，即标准体积，用m3（STP）表示。
最新第三章物料衡算和能量衡算(热量)
例题： • 两种组成不同的煤气在预热器中混合。并从25℃加热到127℃，
以供燃烧炉使用。两种煤气的流量分别为0.4kmol/s和0.1kmol/s。 预热器的热损失为150kJ/s。试计算预热器应提供的热量。 计算中煤气的焓取下列数值： 25℃时，第一种煤气为765kJ／kmol；第二种煤气为846kJ／kmol。 127℃时，混合煤气的焓值为3640kJ／kmol。
p
' c
和假临界温度
T
' c
，求得
混合气体的对比压力和对比温度，
解： 以1s为计算基准。根据公式：
( ) ∑ ∑ ( ) ∑ Q =n iH io- utn jH jin
Q Q 提 ＋ Q 供 损 Q 提 1 供 k 5J0
H o＝ u ( 0 t .4 0 .1 ) 3k 6 J 1 4k 8 0J 20
H in ( 0 . 4 7 0 6 . 1 8 5 ) k 4 3 J 6 . 6 k 9J 0
• 例题： 已知常压下气体甲烷0～t℃的平均定压摩尔热容数据如下：
• 试求常压下甲烷在200℃到800℃温度范围的平均定压摩尔热容， 并计算15kmol甲烷在常压下从800℃降温到200℃所放出的热量。
解：假设如下热力学途径：
• 从 C p,m t 表中查得，
Cp,m3.9 6k6J/k ( mK o)l Cp,m5.5k6J/k ( mK o)l
• 1、热容 • 2、焓 • 3、汽化热 • 4、反应热
1. 热容
(1)热容与温度的关系 • 热容是给定条件下，系统每升高1K所吸收的热。随温度
而变。根据过程不同，用分为等压热容和等容热容。 • 描述定压热容Cp与温度之间的关系一般有三种方法：
2化工设计概论第三章_物料衡算与能量衡算
2化工设计概论第三章_物料衡算与能量衡算物料衡算与能量衡算是化工设计中非常重要的内容，本文将从物料衡算和能量衡算两个方面进行介绍。
一、物料衡算物料衡算是指在化工生产过程中，对各种原料、中间体和产品的质量、数量和成分进行准确计算的过程。
物料衡算的目的是确定生产过程中各种物料的需求量，确保生产过程稳定和产品质量符合要求。
物料衡算的方法主要有质量衡算和量衡衡算两种。
质量衡算是以物料的质量为基础进行计算，通过分析反应进入和离开反应器的质量，计算物料的损失和转化率等。
量衡衡算是以物料的容积或重量为基础进行计算，通过对物料流动的速度、压力、体积和化学反应速率等参数的测量，来计算物料的数量和流动性。
物料衡算的具体步骤包括：确定物料流程图，定义物料的属性和流动参数，编写物料表，进行物料平衡方程的建立，计算各物料的需求量和产量等。
二、能量衡算能量衡算是指在化工生产过程中，对能量的输入、输出和损失进行准确计算和分析的过程。
能量衡算的目的是确保生产过程中的能量平衡和能源利用效率的提高。
能量衡算的方法主要有热平衡法和能量流平衡法两种。
热平衡法是基于热力学原理，通过测量和计算热量的流入和流出来进行能量衡算。
能量流平衡法是基于能量守恒原理，通过对能量流动的速度、温度和压力等参数的测量，来计算能量的输入和输出。
能量衡算的具体步骤包括：确定能量流程图，定义能量的属性和流动参数，编写能量表，进行能量平衡方程的建立，计算各能量的输入量和输出量等。
三、物料衡算和能量衡算的关系在进行物料衡算和能量衡算时，需要考虑以下几个方面：1.反应进程的热力学和动力学特性对物料和能量衡算有重要影响。
在确定衡算方法和参数时，需考虑反应的热效应和速率等因素。
2.物料的组成和性质对衡算结果有重要影响。
不同物料具有不同的热容量、蒸发潜热和燃烧热等参数，这些参数直接影响到能量衡算的结果。
3.流程设计和设备选择对衡算结果也有影响。
不同的流程和设备对物料流动的速度、压力和温度等参数有不同的要求，这些参数直接影响到物料和能量衡算的结果。
化工设计——第三章物料衡算和能量衡算
第一节 连续过程的物料衡算
二、物料衡算的基本程序 确定衡算的对象和范围。 (1) 确定衡算的对象和范围。 确定计算任务。 (2) 确定计算任务。 确定过程所涉及的组分， (3) 确定过程所涉及的组分 ， 并对所有组分依 次编号。 次编号。 对物流流股进行编号，并标注物流变量。 (4) 对物流流股进行编号，并标注物流变量。 收集数据资料。 (5) 收集数据资料。
2C2 H 4 + O2 → 2C2 H 4O
同时存在副反应： 同时存在副反应： C
2
H 4 + 3O2 → 2CO2 + 2 H 2O
如果进料物质的流量为1000mol/h，进料中含C 如果进料物质的流量为1000mol/h，进料中含C2H4 1000mol/h 摩尔分数为10% 乙烯的转化率为25% 10%， 25%， 摩尔分数为10%，乙烯的转化率为25%，生成产物的 的选择性为80% 80%， C2H4的选择性为80%，计算反应器出口物流的流量与 组成。 组成。
第一节 连续过程的物料衡算
四、反应过程的物料衡算
Ns Nr
∑ F x + ∑V
i =1 i ij m =1
jm m
r = 0( j = 1, 2, ⋅⋅⋅, N c )
第一节 连续过程的物料衡算
[例3-1]在化学反应器中，利用乙烯部分氧化制 1]在化学反应器中， 在化学反应器中 取环氧乙烷， 取环氧乙烷，是将乙烯在过量空气存在条件下通 过银催化剂进行。主反应： 过银催化剂进行。主反应：
第一节 连续过程的物料衡算
2、 选择基准 ， 可以选废酸或浓酸的量为 、 选择基准， 基准，也可以用混合酸的量为基准， 基准，也可以用混合酸的量为基准，因为 四种酸的组成均已知， 四种酸的组成均已知，选任何一种作基准 计算都很方便。 计算都很方便。 3、列物料衡算式，该体系有 种组分，可 种组分， 、列物料衡算式，该体系有3种组分 以列出3个独立方程 所以能求出3个未知 个独立方程， 以列出 个独立方程，所以能求出 个未知 量。 基准： 基准：100kg混合酸 混合酸
《化工设计》 第三章物料衡算和热量衡算
对于没有化学反应的过程，一般上列写各组分的衡算方程， 只有涉及化学反应量，才列写出各元素的衡算方程。
• 稳态过程（连续），体系内无物料积累。
F
x f1
P
xp1
W
xw1
F
x f2
P xp2
W
xw2
7.将物料衡算结果列成输入－输出物料表（物料平 衡表），画出物料平衡图。
物料衡算表
组分
输入
质量，kg/d
组分
输出
质量，kg/d
杂质 合计
杂质 合计
8.校核计算结果（结论）。
五、无化学反应的物料衡算
• 在系统中，物料没有发生化学反应的过程， 称为无反应过程。
（三）、物料衡算基准 物料衡算过程，必须选择计算基准，并在整个运算
中保持一致。若基准选的好，可使计算变得简单。
①时间基准 （单位时间可取1d、1h或1s等等）。 ②批量基准； ③质量基准 例如: 可取某一基准物流的质量为100Kg
为基准计算。 ④物质的量基准； ⑤标准体积基准；
（四）、物料衡算的基本程序
100.00
解：
水F1 1200kg/h
吸 收 塔
混合气体F2，1.5 （mol）%丙酮
空气F3
蒸 馏 塔
冷凝器
废料F5:丙酮5%，
95% 水
产品F4 丙酮99%，水1%
本系统包括三个单元．即吸收塔、蒸馏塔和冷凝器。由于 除空气进料外的其余组成均是以质量百分数表示的，所以 将空气-丙酮混合气进料的摩尔百分数换算为质量百分数。 基准：100kmol气体进进料。
化工设计概论第三章_物料衡算与能量衡算
化工设计概论第三章_物料衡算与能量衡算物料衡算与能量衡算是化工设计中非常重要的环节，它们是进行化工过程的关键步骤，对化工产品的质量和产量有着直接的影响。
本章将介绍物料衡算与能量衡算的概念、原则和方法，并结合实际案例进行详细说明。
一、物料衡算物料衡算是指在化工过程中对物料的输入、输出量进行定量分析和计算，以确定每种物料的用量和流量。
物料衡算的目的是保证化工过程中物料的平衡，确保物料的流动和转化符合设计要求。
物料衡算的基本原则是质量守恒定律和能量守恒定律。
根据质量守恒定律，物理系统中的物质质量是不变的，即输入物质的总质量等于输出物质的总质量。
根据能量守恒定律，物理系统中的能量总量是不变的，即输入能量的总量等于输出能量的总量。
物料衡算的方法主要有两种：物质衡算和元素衡算。
物质衡算是根据物料的化学组成进行衡算，以化学方程式为基础，通过分子计数法和平衡方程法计算物料的输入和输出量。
元素衡算是根据物料中各元素的含量进行衡算，以确定每种元素的输入和输出量。
物料衡算的步骤一般包括以下几个方面：确定衡算参考物质，编写化学方程式，计算输入物质的总质量，计算输出物质的总质量，计算每种物质的输入和输出量。
在实际衡算过程中，还需要考虑补料和损耗等因素，对补料和损耗进行补偿。
二、能量衡算能量衡算是指在化工过程中对能量的输入、输出量进行定量分析和计算，以确定每种能量的用量和转化效率。
能量衡算的目的是保证化工过程中能量的平衡，以提高能量利用效率。
能量衡算的基本原则是能量守恒定律和能量转化效率的最大化。
根据能量守恒定律，物理系统中的能量总量是不变的，即输入能量的总量等于输出能量的总量。
能量转化效率是指能量输入与输出的比值，衡量能量转化过程的效果。
提高能量转化效率有助于降低能源消耗和环境污染。
能量衡算的方法主要有两种：热力衡算和焓能衡算。
热力衡算是根据化学反应的热效应进行衡算，以热平衡方程为基础，计算输入和输出热量的总量。
焓能衡算是根据物料的热焓变化进行衡算，以焓平衡方程为基础，计算输入和输出焓能的总量。
化工生产过程物料衡算和能量衡算
化工生产过程物料衡算和能量衡算一、物料衡算物料衡算主要是对物料在生产过程中的流动进行定量分析和计算。
它包括物料的进出口流量、过程中的转化和损失等方面。
物料衡算的目的是确定物料的流动情况，以控制和优化生产过程。
物料衡算通常涉及以下几个方面：1.原料的输入和产物的输出：从化工生产过程的角度来看，物料衡算的第一步是确定原料的输入和产物的输出。
这可以通过物料的质量或体积以及流量来衡量。
2.过程中的转化：化工生产过程中，原料经过一系列的化学反应、物理过程和分离步骤，转化成所需的产物。
物料衡算需要确定过程中每个反应、过程或分离步骤涉及的物料流量和转化率，以及产物的纯度和收率。
3.丢失与损耗：化工生产过程中常常存在物料的丢失和损耗，如挥发、固体颗粒的落地损失等。
物料衡算需要考虑这些损耗，并尽量减少它们的发生。
物料衡算的重要性在于通过对物料流动的定量分析，可以帮助工程师了解和控制生产过程中的物料转化、损耗和产物生成情况，从而优化生产过程。
二、能量衡算能量衡算是对化工生产过程中能量转换的定量分析和计算。
它涉及到能源的输入与输出以及能量的转化。
能量衡算可用于改善能源效率，减少能源消耗和废弃物的排放。
能量衡算主要包括以下几个方面：1.能源输入：能源是化工生产过程中的重要驱动力之一，常见的能源包括电能、燃料、蒸汽等。
能量衡算需要确定能源的类型、质量或热值、消耗量和运用效率。
2.能量转化：化工生产过程中会发生能量的转化，如化学反应产生的热能、电能转化为机械能等。
能量衡算需要考虑这些能量转化过程，并计算能量的转化率和损耗。
3.能源的输出：化工生产过程中也会有能源的输出，如废热、废气、废水等。
能量衡算需要确定这些能源输出的类型、质量或热值、排放量以及处理方式。
能量衡算的目的是优化能源的利用，提高能源效率，减少能源消耗和环境污染。
通过定量分析和计算能量流动，能量衡算可以帮助工程师了解和控制能源输入与输出，寻找能源转化和能耗的瓶颈，提出改进方案，提高生产过程的能量利用率。
物料衡算与能量衡算
2.作为热量计算的依据。
3.根据计算结果绘出物流图，可进行管路设计及 材质选择，仪表及自控设计、对生产设备和辅 助设备进行选型或设计。
6
物料衡算的依据 （1）设计任务书 （2）建设单位或研究单位所提供的数据 （3）工艺流程示意图
7
物料衡算的基准
时间基准：对连续稳定过程，用单位时间的物 料量作基准。 质量基准：固体或液体物料，选用单位质量为 基准； 当量基准：对化学反应过程，选用kmol，因为 反应为等当量反应。 体积基准：气体物料，选用m3（STP），因它 不随T、P变化。 干湿基准：对含水分的物料，选干基（不计水 分），即水分变化时选干基。
质量流量/( kg/h)
1770.89 126.49 4777.5 1249.95 31.20 11.18 14.98 22.43 24.31
C6H5C2H5 C6H5CH3 H2O C6H5C2H3 C6H6 C2H4 CH4 C H2
合计
296.169
8027.5
310.482
8028.93
25
(2) 选择性
Φ= 主产物生成量折成原料量 ×100%
15
反应消耗的原料量
(3) 收率 η=
产物的实际产量
按原料计算得理论产量
×100%
转化率、选择性和收率之间的关系： 收率=转化率×选择性 即
η=x × Φ
16
（4）限制组分——较昂贵的反应物全部反应， 较难得或要严格控制的反应物应充分利用 （5）过量组分——价格低廉、易得的反应物过 量
（1）画出流程示意图，确定计算范围。
年工作时间 8000h
C6H5C2H5 C6H5CH3、H2O
收率40% 选择性90%
第三章物料衡算和能量衡算上课
解：画出流程示意图。
F3 ？ 馏出液
总物料平衡式： F1＋F2=F3＋F4
组分物料平衡式： 苯平衡： F2 = 0.75 F3 水平衡： 0.6F1=0.24F3
F1？ 料液
乙醇 40% 水 60%
F2 ？ 苯
乙醇 1% 水 24% 苯 75%
F4=1000kg/h
乙醇产品
物料衡算的方法和步骤
①画出流程示意图。 ②列出已知数据。 ③列出由物料平衡所需求解的问题。 ④决定系统的边界。 ⑤写出主、副产品的化学反应方程式。 ⑥约束条件确定。 ⑦选择计算基准。 ⑧进行物料平衡计算。 ⑨列出物料平衡表，并进行校核。 ⑩写出结论。
第三章物料衡算和能量衡算上课
浓硝酸 ykg
HNO3 0.90 H2O 0.10
⑴ 时间基准： 连续（小时，天……）
间歇（釜，批……） ⑵ 质量基准 kg，mol， kmol …… ⑶ 体积基准 m3（STP） ⑷ 干湿基准
干基（不含水），湿基（含水） 例：100kg湿物料，其中含水10kg，按 湿基：含水率为 10%； 若按干基：含水率为10/（100-10） ×100%=11.11% 实际计算时，必须根据具体情况选择合适的基准，过程的物 料衡算及能量衡算应在同一基准上进行。 第三章物料衡算和能量衡算上课
三、物料衡算的基本程序 (1) 确定衡算对象和范围，画出计算对象的草图。注意物料种类
和走向，明确输入和输出。 (2) 确定计算任务，明确已知项、待求项，选择数学公式，力求
使计算方法简化。 (3) 确定过程所涉及的组分，并对所有组分依次编号。 (4) 对物流的流股进行编号，并标注物流变量。 (5) 收集数据资料（设计任务所规定已知条件，与过程有关物理
第3章 物料衡算和能量衡算
化学工程系化工与制药教研室
制药工程设计课程 Design of Pharmaceutical Engineering
未反应的乙苯量（980-435.11）kg/h=544.89 kg/h，即为5.140kmol/h
化学工程系化工与制药教研室
制药工程设计课程 Design of Pharmaceutical Engineering
进反应器纯乙苯量1000kg/h×98%=980kg/h，即为
9.245kmol/h
原料中甲苯量1000 kg/h×2%=20kg/h，即为0.217kmol/h
水蒸气量980 kg/h×1.5=1470kg/h，即为81.667kmol/h
制药工程设计课程 Design of Pharmaceutical Engineering
表3-1 各物料的摩尔质量
物料
摩尔质量/(g/mol)
C6H5C2H5
106
C6H5C2H3
104
C6H6
78
C6H5CH3
92
H2O
18
CH4
16
C2H4
28
C
12
H2
2
基准：选1000kg/h乙苯原料为计算基准
【例7】 试计算合成甲醇过程中反应混合物的平衡组成。设原料气中H2
由苯乙烯选择性，生成苯乙烯量4.109 kmol/h×90%=3.698 kmol/h， 即为384.60kg/h 由各物质的选择性，有 输出的甲苯量4.109 kmol/h×5%+0.217 kmol/h =0.423 kmol/h，即为38.92kg/h 生成的苯量4.109 kmol/h×3% =0.123 kmol/h，即为9.60kg/h 生成的乙烯量4.109 kmol/h×3% =0.123 kmol/h，即为3.44kg/h 生成的碳量4.109 kmol/h×2%×7 =0.575 kmol/h，即为6.9kg/h 生成的甲烷量4.109 kmol/h×（5%+2%） =0.288 kmol/h，即为4.61kg/h 输出的氢量4.109 kmol/h×（90%-5%+2%×3） =3.739 kmol/h，即为7.48kg/h 输出水量=输入水量（不参与反应）1470kg/h，即为81.667kmol/h 实际每小时要求苯乙烯的产量10000×1000kg/8000h=1250kg/h 比例系数1250/384.60=3.25
第3章 物料衡算和能量衡算
上例中，m=2, n=4 ∴ 独立反应数： N反应= 4-2=2
1. 2.
对有化学反应的过程，应写独立的反应方程 式或独立反应数。例如碳与氧的燃烧过程 ：
C O2 CO2 1 C O2 CO 2 1 CO O2 CO2 2 CO2 C 2CO
①
②
③ ④
这4个反应是否是独立的呢？如何判断呢？
10
反应过程中，若有m种元素和n个组分参与反应 时，独立反应数为： N反应=n-m
设计过程中各种计算通常以小时或是以设备为单位进 行，而设计任务却是指定年产量，此时应注意计算基 准。 12
例3-1 设计一个年产量为10000t（吨）的间歇本 体法聚丙烯设备装置，由二个反应釜并联操作， 反应釜的操作时间表如下 置换 进料 聚合反应 0.5h 0.5h 5.0h
z kg H N O 3 0.90 H 2 O 0.10 y kg H 2 S O 4 0.93 0.07 H2O
废酸
x kg
混合过程
混合酸
H NO 3 0.27 H 2 S O 4 0.60 H2O 0.13
H N O 3 0.23 H 2 S O 4 0.57 H 2 O 0.20
23
2)、选择基准
a）稳定操作过程（即稳流过程）： （3-2） （3-3） b）系统内无化学反应：
( ) ( Fi FiFo )FoW W
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03章 化工计算-物料衡算
副反应为：
C2H4 + 3O2 → 2CO2 + 2H2O
进料中乙烯含量0.10，乙烯转化率25%，目标产物的选择性80%。 计算反应器出口物流组成。
2
Epoxidation Process
C2H4 Air（O2+N2）
基准: 100 mol C2H4 空气流量: 900 mol Air
（5）可行性研究报告、各国文摘和专利、各类工艺书籍、各 类调查报告、各种化工过程与设备计算等书籍。
一. 设计计算前的准备工作
4. 几本常用的化工设计资料和手册 （1） Industrial Chemicals （2） Encyclopedia of Chemical Technology （3） Science and Technology （4） Chemical Abstracts （C.A） （5） Handbook of Technology （6） I.C.T （物性手册） （7） 化工工艺设计手册 （8） 材料与零部件手册
O2 :
189 mol O2
N2 :
711 mol N2
乙烯转化率 25%，即25 mol C2H4反应掉， Fixed bed 产物中含C2H4 75 mol
SEP
C2H4O C2H4 CO2 H2O O2 N2
生成环氧乙烷消耗 25×80%= 20 mol 生成环氧乙烷: 20 mol 氧化成CO2消耗乙烯25 - 20 = 5.0 mol 生成CO2 : 5.0×2 = 10 mol 生成H2O : 10 mol O2总消耗量 20×1/2 + 5.0×3 = 25 mol
1-12.5%-3.75% = 83.75% 其中，H2 : 83.75%×3/4 = 62.81%
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。
化工生产过程物料衡算和能量衡算
其中：对硝基乙苯 1999.9×0.5=1000kg
邻硝基乙苯
1999.9×0.44=880kg
间硝基乙苯
1999.9×0.06=120kg
废酸量
其中： 已反应硝酸
1404.6 63 833.5kg 106.17
生成水
1404.6 18 238.1kg 106.17
剩余硝酸 891.9-833.5=58.4kg
CH4，0.25kmol/h H2O(g)，1.50 kmol/h CO，0.50 kmol/h
CO2，0.25 kmol/h H2，2.5 kmol/h
2.确定基准 以25℃为基准温度。
3.列出能量衡算方程 假设系统保温良好，Q损=0，根据题意，转化过程中需
向转化器提供的热量为： Q=△H
其中△H=∑Hi出-∑Hi入 Hi=ni△HFiθ+ niCP25-500△t= ni (△HFiθ+ CP25-500△t)
4.查取手册得到有关热力学数据
各组分的标准生成焓△HFiθ和25～500℃间的平均 摩尔定压热容CP,m见下表：
组分 △HFθ/（kJ·kmol） CP,m/（kJ·kmol·℃-1） △t/℃ △HFiθ+ CP25-500△t/（kJ·kmol）
CH4
-74.85×103
48.76
475
-51689
3.物料衡算
（1）碳元素平衡 nCH4入= nCO + nCO2 +nCH4出
即
1= nCO + nCO2 +0.25
nCO + nCO2=0.75
(1)
（2）氧元素平衡 nH2O入= nCO + 2nCO2 +nH2O出
化工设计第三章 物料衡算和能量衡算
物料衡算
①物料平衡方程
C2H4 － F1x11 F2 x21 2r1 r2 0 O2 －－ F1x12 F2 x22 r1 3r2 0 N2－－ F1x13 F2 x23 0 C2H4O F2 x24 2r1 0 CO2 － F2 x25 2r2 0 H2O－ F2 x26 2r2 0
������ （5）Handbook of Technology
������ （6）I.C.T （国际物理、化学和工艺数值手册）
������ （7）化工工艺设计手册
������ （8）材料与零部件手册
§3-2 物料衡算
对已有的生产设备或装置，利用实际测定的数 据，算出另一些不能直接测定的物料量。用此 计算结果，对生产情况进行分析、作出判断、 提出改进措施。
⑵ 计算简图，如图3-1所示
1
F1
x11，x12，x13
r1 r2
催化反应器
γφ
F2 x21 x22 x23 x24 x25 x26
⑶ 方程与约束式 ①物料平衡方程 根据
Ns
Nr
Fixij jmrm 0( j 1,2,..., Nc )
i1
m1
2
四、连续过程的物料衡算
由题意取 F1, x11, 1 , ,
为一组设计变量，其值分别为：
F1=1000 mol/h
x11 0.1
1 0.25 0.8
0.21 / 0.79 0.2658
四、连续过程的物料衡算
【解】 ⑸ 求解方程组
物料衡算
方程式（1）与式（3）中只含两个未知数 x11 , x13 可首先
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Nv ＝ Ns (Nc＋1) ＋ Np Nv－系统的总变量； Ns －物流中的组分数； Nc －物流的股数； Np －设备参数
Nd ＝ Nv －Ne Nd－设计变量数； Ne －独立方程数；
第三章物料衡算与能量衡算
§3.4 物料衡算
§3.4.1 基本原理
D. 物料衡算的程序
10. 整理计算结果，并根据需要列成原材料消耗表
① 化工单元过程的主要化学反应方程式、反应物配比、转化率、 选择性、总收率、催化剂状态及加入配比量、催化剂是否回 收使用、安全性能（爆炸上下限）等。
② 原料及产品的分离方式，各步的回收率，采用物料分离剂时， 加入分离剂的配比。
③ 特殊化学品的物性，如沸点、熔点、饱和蒸汽压、闪点等
第三章物料衡算与能量衡算
间歇过程及半连续过程是不稳定状态操作。连续过程在正常 操作期间，操作条件比较稳定，此时属稳定状态操作多在开、停 工期间或操作条件变化和出现故障时，则属不稳定状态操作。
第三章物料衡算与能量衡算
§3.4 物料衡算
✓0
§3.4.1 基本原理
A. 物料衡算的目的
1. 确定原材料的消耗定额，判断是否达到设计要求。 2. 确定各设备的输入及输出的物流量，摩尔分率组成及
主要内容包括：
1. 化工过程； 2. 化工工艺流程； 3. 化工过程开发； 4. 化工过程基本参数—温度、压力、流量、化学组成等基本概念。
第三章物料衡算与能量衡算
§3.1 工艺过程及过程参数 §3.1.1 化工过程
化工过程：是指由原料经化学处理和物理处理加工成化学 产品或中间产品的生产过程。它包括许多工序，每个工序又由 若干个或若干组设备（如反应器、蒸馏塔、吸收塔、干燥塔， 分离器、换热器及输送设备等等）组合而成。物料通过各设备 时，完成某种化学或物理处理，最终成为合格的产品。
第三章物料衡算与能量衡算
§3.4 物料衡算
§3.4.1 基本原理
D. 物料衡算的程序
7. 列出过程的全部独立的物料衡算方程式及其他相关约束式， 化学反应方程式，明确反应前后物料组成和各个组分之间的 定量关系、转化率、选择性
8. 选择计算基准
9. 统计变量个数与方程个数，确定设计变量的个数及全部设计 变量
第三章物料衡算与能量 衡算
2020/12/7
第三章物料衡算与能量衡算
主要内容
➢化工过程及过程参数 ➢化工工艺流程 ➢物料衡算 ➢热量衡算
第三章物料衡算与能量衡算
§3.1 工艺过程及过程参数
化工计算主要是应用守恒定律来研究化工过程的物料衡算和 能量衡算问题。在进行计算时，必须熟悉有关化工过程的一些 术语及基础知识。
（3）机械设备、仪表及控制手段：
设备材料、制造、贮运、安装、维修、检测、备品备件、正常操
作及事故处理等。
第三章物料衡算与能量衡算
§3.1 工艺过程及过程参数 §3.1.2 化工过程
化工过程常用流程图来表示。所谓流程图，就是把生产过 程中物料经过的设备按其形状画出示意图，并画出各设备之间 的主要物料管线及其流向。简化的流程图可以用方框来表示设 备或设备组，称方框流程图。在工艺流程设计中，还有其他类 型的流程图，如表明物料量的物料流程图、以装置为单元的装 置流程图、以管线为主的管线流程图以及带测量仪表控制点的 流程图等。
如果把水蒸气计算在内，氧和氮的百分比就变了。
甲烷水蒸气催化转化制取氢气，转化炉的进料量，以干基计算为 7×103m3（STP)/h，如以湿基计算则可达到3×104m3（STP)/h 湿基：化 肥、农药等化工产品，尿素、甲醛、乙醇。干基：硝酸
第三章物料衡算与能量衡算
§3.4 物料衡算 §3.4.1 基本原理
D. 物料衡算的程序 1. 确定衡算的对象、体系与环境，并画出计算对象的草图
输入物料
输出物料
体系
整操 过 工 某
个作 程 段 一
生单 中 或 设
产元 的 工 备
流
部序
程
分
第三章物料衡算与能量衡算
§3.4 物料衡算
§3.4.1 基本原理
D. 物料衡算的程序
2. 确定计算任务，明确哪些是已知项，哪些是待求项，选 择适当的数学公式，力求计算方法简便。
第三章物料衡算与能量衡算
§3.3 化工过程类型
✓0
§3.3.2 稳定状态操作和不稳定状态操作
1.稳定状态操作
整个化工过程的操作条件（如温度、压力、物料量及组成等） 如果不随时间而变化，只是设备内不同点有差别，这种过程称为 稳定状态操作过程，或称稳定过程。
2.不稳定状态操作
如果操作条件随时间而不断变化的，则称为不稳定状态操作 过程，或称不稳定过程。
2. 连续操作过程：
1. 在整个操作期间，原料不断稳定地输入生产设备，同时不断从设备排出同 样数量（总量）的物料。设备的进料和出料是连续流动的，即为连续操作过 程。在整个操作期间，设备内各部分组成与条件不随时间而变化。
3. 半连续操作过程：
操作时物料一次输入或分批输入，而出料是连续的，或连续输入物料，而 出料是一次或分批的。
§3.4 物料衡算
✓0
§3.4.1 基本原理
C. 物料衡算的基准 1. 时间基准：
① 连续生产：一段时间的投料量或生产产品量作为计算基准；
② 间歇生产：一釜或一批料的生产周期作为基准
例：年产300kt乙烯装置，年操作时间为8000h，则每小时的平均产量为37.5t。
年处理量为9000kt炼油厂，年操作时间为8000h，则每小时的平均产量为 1125t。
原材料消耗一览表（三聚氰氨）
序号 原料名称
单位
1
尿素
t
2
液氨
t
3
催化剂
t
4
道生
kg
5
氮气
m3(STP)
6
熔盐
kg
7
燃料油
t
8
包装袋
套
11. 绘制物料流程图
规格 含氨量≥46.3%
99.5%
工业级 99.5% 工业级
450×800
成品消耗定额 （单耗） 2.3 0.2 0.01 0.225 36 0.32 0.815 40
发现一种新的化学反应使之实施于生产或开发一个新的化 工过程，从技术角度来考察，主要决定于下述三类因素：
（1）化学工艺因素：
反应体系本性、温度、压力、组成、催化剂等操作条件以及体系 的反应速度、转化率、循环比等。
（2）化学工程因素：
体系的物性、相态、热性质、传递性质、传热传质方式、 物料 （流体及固体）输送、反应技术、分离技术等。
第三章物料衡算与能量衡算
§3.1 工艺过程及过程参数 §3.1.2 化工过程
第三章物料衡算与能量衡算
§3.1 工艺过程及过程参数
§3.1.3 化工过程的开发
化工过程开发是指一个化学反应从实验室过渡到第一套生产装 置的全部过程。
化工过程开发，首先是决定于化学反应的可能性、转化率及反 应速度是否具有工业价值，产物分离的难易程度以及机械、设备、 材料是否可行。当然，最终取决于是否有经济效益。
的反应。
第三章物料衡算与能量衡算
§3.1 工艺过程及过程参数
§3.1.1 化工过程
化 工 设 备 所 进
平衡收率 化学反应是整个化工过程的核心。 反应速度
控制或减少副反应
蒸馏 分离或提纯 结晶
萃取
行 的 改变温度
主 要 改变压力
操 作
混合
第三章物料衡算与能量衡算
§3.1 工艺过程及过程参数
§3.1.1 化工过程
每小时消耗量 每年消耗量
1.75 0.147
30 m3/h 0.66 33.3
10800 1070 60 1.35 21.6×104 1.9 4910 240×103
第三章物料衡算与能量衡算
§3.5 物料衡算举例
§3.5.1 无反应过程的物料衡算
[例3-1] 某化工厂要求设计一套从气体中回收丙酮的装置系 统，并计算回收丙酮的费用。系统的流程框图如图所示， 要求有已知的资料，列出各物流的流率（kg/h），以便能 确定设备的大小，并计算蒸馏塔的进料组分。
化工过程
单元操作 反应过程
第三章物料衡算与能量衡算
§3.1 工艺过程及过程参数 §3.1.1 化工过程
单元操作：不改变物料的化学性质，只改变物理
化
性质。如流体输送、传热、蒸馏、干
工
燥、蒸发、结晶、萃取、吸收、吸附、
过
过滤和破碎等
程 反应过程：改变物料的化学性质。如氢和氮合
成氨的反应；乙烯氧化成环氧乙烷以氮和氢为原料合成氨的工艺过程，可采用物质的量为基准。
第三章物料衡算与能量衡算
§3.4 物料衡算
✓0
§3.4.1 基本原理
C. 物料衡算的基准 3. 体积基准：
① 对气体物料进行衡算时选用体积基准 ② 应将实际情况下的体积换算为标准状态下的体积
例：在化工生产过程中经常使用的干空气以及在合成氨中使用的原 料煤气和水煤气就可以用体积为基准 用m3（STP）表示
第三章物料衡算与能量衡算
§3.4 物料衡算
✓0
§3.4.1 基本原理
C. 物料衡算的基准
2. 质量基准：
① 当系统介质为液、固相时，选择一定质量的原料或产品作为计算 基准
② 如果原料或产品是单一化合物，或由已知组成百分数和组分分子 量的多组分组成，可用物质的量作为计算基准
例：以石油、煤、矿石为原料的化工厂，可采用一定量的原料为基准。 1kg、1000kg、100t
2. 气体的预热和合成
工
艺
3. 氨的分离
步 骤
4. 未反应氢、氮气体的循环
5. 惰性气体的排放
第三章物料衡算与能量衡算