第三章物料衡算和能量衡算
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：
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
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。
化工设计知识题及解答第三章
第三章物料衡算与热量衡算习题1连续常压蒸馏塔进料为含苯质量分数(下同)38％(wt)和甲苯62％的混合溶液，要求馏出液中能回收原料中97％的苯，釜残液中含苯不低于2％。
进料流量为20000kg ／h ，求馏出液和釜残液的流量和组成。
解：苯的相对分子质量为78，甲苯的相对分子质量为92。
以下标B 代表苯。
进料中苯的摩尔分数 38780.419638627892FB x ==+釜残液中苯的摩尔分数 2780.023*********WB x ==+进料平均相对分子质量 0.419678(10.4196)9286.13M =⨯+-⨯= 进塔原料的摩尔流量 2000232.2/86.13F kmol h == 依题意，馏出液中能回收原料中97%的苯，所以97.430.9794.51/DB Dx kmol h =⨯=作全塔苯的质量衡算得 FB DB WB Fx Dx Wx =+作全塔总质量衡算得 F W D =+ 将已知数据代人上述质量衡算方程得 232.20.419694.510.02351⨯=+ 232.2W D =+解得 124.2/,108/W kmol h D kmol h == 所以，94.5194.510.8752DB x ===习题2 采用蒸发方法将浓度为10%NaOH （质量浓度）及10%NaCl 的水溶液进行浓缩。
蒸发时只有部分水分汽化成为水蒸气而逸出，部分NaCl 结晶成晶粒而留在母液中。
操作停止后，分析母液的成分为：50%NaOH ，2%NaCl 及48%H 2O 。
若每批处理1000kg 原料液，试求每批操作中：1）获得的母液量，2）蒸发出的水分量，3）结晶出的NaCl 量。
解：所选择的基准为：每批处理量，1000kg 原料液总物料衡算F1 = F2 + F3 + F4组分物料衡算NaOH 平衡 1000×0.1=0.5F4 NaCl 平衡 1000×0.1=0.02F4+F3H 2O 平衡 1000（1-0.1-0.1）=F2+0.48F4 解得： F2=704kg ，F3=96kg ，F4=200kg 习题3 丙烷充分燃烧时要使空气过量25％，燃烧反应方程式为： 38222534C H O CO H O +→+试计算得到100摩尔燃烧产物（又称烟道气）需要加入的空气的摩尔量。
3物料衡算和能量衡算
反应物及生成物均为气态。甲醇的转化率为75％，
四、连续过程的物料衡算
解：画出流程示意图，如下图：
CH3OH HCHO
CH3OH 空气
（过量50%)
催化反应器
H2O O2 N2
基准：1mol CH3OH 根据反应式，需氧＝0.5 氧入=0.5×1.5=0.75 氮入＝氮出＝0.75×(79/21)=2.82
混合器H2SO4质量平衡
四、连续过程的物料衡算
【例3-1】
物料衡算
【解】
解得
W1＝138 kg/h; W2＝862 kg/h
可列出物料衡算表：
例3-1物料衡算表
四、连续过程的物料衡算
【例3-2】
物料衡算
连续常压精馏塔进料为含苯（质量分数，下同）38%（wt) 和甲苯62%的混合溶液，要求馏出液中能回收原料中97%的苯， 釜残液中含苯不高于2%，进料流量为20000kg/h，求馏出液和 釜残液的流量和组成，并填写精馏塔物料平衡表。 【解】 以下标B代表苯 ?思路 由已知条件可以获得 xFB，xWB，xDB，F， 然后求得W、D 作全塔总质量衡算得 F= D + W 作全塔苯的质量衡算得 FxFB=DxDB+WxWB
§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。 设计一种新的设备或装置，根据设计任务，先作 物料衡算，求出进出各设备的物料量，然后再作 能量衡算，求出设备或过程的热负荷，从而确定 设备尺寸及整个工艺流程。
四、连续过程的物料衡算
【解】 进料液平均相对分子质量
物料衡算和能量衡算概述
物料衡算和能量衡算概述物料衡算和能量衡算是工程和科学领域中常用的方法，用于描述和研究物质和能量的流动。
物料衡算关注物质的进出和转化过程，而能量衡算关注能量的转化和利用情况。
本文将对物料衡算和能量衡算进行概述，并介绍其在不同领域中的应用。
1. 物料衡算物料衡算是对物质的进出和转化过程进行量化和分析的方法。
它主要基于质量守恒定律，即不可创造或破坏物质。
物料衡算通常涉及以下几个方面的内容：1.1 进料和出料物料衡算中的进料和出料是指物质从系统的外部进入或离开系统的过程。
进料和出料可以是固体、液体或气体，可以通过不同的方式进行，如输送带、管道或容器。
衡算这些进料和出料的数量和质量可以帮助我们了解物质的流动情况和系统的整体效率。
1.2 转化和反应物料衡算还涉及物质的转化和反应过程。
在这些过程中，我们可以追踪和量化物质的变化，以及转化或生成的产物。
这对于研究化学反应、工艺过程和生态系统中的物质转化至关重要。
物料衡算可以帮助我们优化转化过程，提高反应效率，并监测环境中的物质循环。
1.3 混合和分离物料衡算还涉及物质的混合和分离过程。
在这些过程中，不同组分的物质可以混合在一起，或者通过特定的方法进行分离。
衡算混合物和分离物的组分和比例可以帮助我们优化混合和分离过程，并控制产品的质量和纯度。
1.4 废物和排放物料衡算还关注废物和排放物的产生和处理。
在生产和工艺过程中，废物和排放物可能对环境造成负面影响。
通过衡算废物和排放物的产生量和组分，我们可以找到减少和处理这些废物的方法，以减少对环境的影响。
2. 能量衡算能量衡算是对能量的转化和利用过程进行量化和分析的方法。
它基于能量守恒定律，即能量既不能创造也不能破坏，只能从一种形式转化为另一种形式。
能量衡算通常涉及以下几个方面的内容：2.1 能量流动能量衡算关注能量的流动。
能量可以通过传导、传热、传质和传动等方式在系统中传递和转移。
衡算能量流动的路径、速度和效率可以帮助我们了解能量转化的过程和系统的能量利用效率。
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。
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
流体稳态流动时的物料衡算和能量衡算.ppt
• 二者关系：ｑｍ＝ ｑｖ﹒ρ
• ２、流速：
•工程中的流速指的是的是平均流速。 W＝Ｖ／Ａ。单位：［m／s］
• 三、流体稳态流动时的物料衡算——连 续性方程
当流体在管内做稳态流动时，流过各截 面的质量流量都相等。即
• 本节重点：
• 1、连续性方程式及其应用。
• 2、理想流体和实际流体的伯努利方程式 及其应用。
q q q
m1
m2
m3
对不可压缩流体，
q q q
v1
v2
v3
即：
A w A w A w
11
22
33
• 例：在φ７６×３的钢管中流动的气体 的绝对压强为１００ｋｐａ，若该气体 保持温度不变，加压到５００ｋｐａ后 在另一细钢管中流动，气体的质量流量 保持不变，并且要求流速变化也很小， 是选择此管的直径。
2、系统与外界交换的能量。 １、与热交换器交换的能量Ｑe ２、输送机械向系统输入的功ｍ﹒Ｈe
伯努利方程
３、能量衡算
若流体在流动过程中，温度不变，且与外
界无热量交换。则
mgz1 1 mw12 p1 m mHe
2
mgz2 1 mw2 2 P2 m mhf
2
化简为：
Z1
qm qv. w.A.
• 三、流体稳态流动时的物料衡算——连续性方程
qm1 qm2 qm3
• 四、流体稳态流动时的能量衡算——伯努利方程
一、稳态流动与非稳 态流动
1、稳态流动： 在一个正常的连续 生产过程中，管路 及设备内任何与流 动方向垂直的截面 上，流体的温度、 压强、组成、流量 等都有确定的数，并
物料衡算与能量衡算概述
物料衡算与能量衡算概述物料衡算和能量衡算是工程和科学领域中常用的两种衡算方法。
它们通过对物质和能量的流动、转化和交换进行计量和分析，帮助我们深入了解和优化各种过程。
物料衡算是对物质流动进行计量和分析的方法。
它涉及到物质的进入、转化、分配和产出。
物料衡算可以应用于各种领域，如化学工程、环境工程、制造业等。
通过物料衡算，我们可以了解物质的流动路径、转化效率、丢失情况等，从而优化生产过程、减少资源浪费和环境污染。
物料衡算的基本原理是质量守恒定律。
质量守恒定律指出，在封闭系统中，物料的总质量是恒定的。
根据这一原理，我们可以建立物料衡算的数学模型，通过收集输入、输出和转化过程中的数据，计算出不同组分的质量变化和物料平衡。
能量衡算是对能量流动进行计量和分析的方法。
它涉及到能量的转换、传输和耗散过程。
能量衡算可以应用于热力学、能源工程、电力系统等领域。
通过能量衡算，我们可以了解能量的流向、转化效率、损耗情况等，从而提高能源利用效率、降低能源消耗和环境影响。
能量衡算的基本原理是能量守恒定律。
能量守恒定律指出，在封闭系统中，能量是守恒的，不能被创造或毁灭。
根据这一原理，我们可以建立能量衡算的数学模型，通过收集输入、输出和转化过程中的能量数据，计算出能量的变化和能量平衡。
物料衡算和能量衡算是相互关联的。
在许多实际问题中，物料和能量是同时存在和相互转化的。
比如，在化学反应过程中，原料物料进入反应器，经过反应转化为产物，并伴随能量的释放或吸收。
这时，物料衡算和能量衡算可以结合起来，共同揭示反应过程中物质和能量的变化和平衡。
总之，物料衡算和能量衡算是重要的工程和科学分析方法，通过对物质和能量的衡量和分析，帮助我们深入了解和优化各种过程。
物料衡算和能量衡算的应用可以促进可持续发展和资源节约的实现。
物料衡算和能量衡算作为工程和科学领域中的重要分析方法，广泛应用于化工、环境、制造等许多领域。
通过物料和能量的衡算，我们可以深入了解和优化各种过程，并促进可持续发展和资源节约的实现。
化工设计之物料衡算及热量衡算
每小时需要的乙苯量： ＝530Kg/h 每小时需要的乙苯量： 530/0.98＝540.8Kg/h 每小时需要的水蒸气的量： 540.8×2.6＝1406.08Kg/h 其余为甲苯，则甲苯量为：540.8×0.02=10.8Kg/h （2）产物组成 苯乙烯的产率为90%，可知理论苯乙烯的量为： 208.3/0.9＝231.4Kg/h
能量衡算
特殊过程能量衡算时的简化如下：
• • • •
绝热过程（Q ＝ 0） △H ＝W 无做功过程（W ＝ 0） △H ＝Q 无功、无热量传递过程(Q ＝0，W ＝0) △H ＝0 间歇过程△(PV) ＝0 △U ＝Q ＋W
化学反应过程的能量衡算
• 对于无化学反应的能量衡算问题，由于都是物理 过程，所以只要计算进出口流股相对于参考态的焓， 即可计算出焓值
- h 2.22
=25.81kJ/mol
- h 42.22
=42.9kJ/mol
则溶液稀释后能量的变化为 △H=（42.9-25.81）*3.125=53.41KJ 该能量使得水的温度升高
根据Q=Cm△T Q为总能量， C为水的比热容， m为水的质量， △T为温度变化量
查水的比热容为
4.2 103 kJ / kg ℃
每小时转化的乙苯量为： ＝235.9Kg/h＝2.23Kmol/h 未反应的乙苯量为：540.8－235.9＝304.9Kg/h 生成的甲苯量： 2.23×0.05×92＋10.8＝21.1Kg/h
生成的苯量：
2.23×0.03×78＝5.22Kg/h
生成的焦炭量：
2.23×0.02×7×12＝3.75Kg/h
第二种基准中的物质，是组成反应物和产物的、以自然 形态存在的原子。
18
物料衡算和能量衡算概述
物料衡算和能量衡算概述物料衡算和能量衡算是重要的工程技术方法，用于分析和评估生产过程中的物质流动和能源消耗情况。
物料衡算是计算和跟踪物料进入和离开系统的方法，而能量衡算则是评估能源在系统中的利用情况。
物料衡算的基本原理是物质守恒定律，即在一个封闭的系统中，物质的总量应保持恒定。
通过跟踪物料的进出流量，并对物料在过程中的转化和转移进行记录和检测，可以更好地了解生产过程中物质的变化情况。
物料衡算可应用于各种行业，例如化工、制造业和环境工程等。
能量衡算是评估能源利用情况的方法，其基本原理是能量守恒定律，即能量在一个封闭的系统中不会凭空消失或产生。
通过分析能源输入和输出的数量和质量，并计算能源在不同过程中的转化损失，可以评估能源利用的效率和效益。
能源衡算在能源管理和环境保护中起到了重要作用，可帮助企业降低能源消耗和减少环境污染。
物料衡算和能量衡算常常结合使用，相互补充。
通过将物料流和能量流结合起来分析，可以更精确地评估生产过程中的资源利用效率，并提出改进措施。
这些技术方法对于企业实施节能减排、提高生产效率和降低生产成本具有重要意义。
总之，物料衡算和能量衡算是分析和评估生产过程中物质流动和能源消耗的重要工程技术方法。
它们基于守恒定律的原理，通过计算和跟踪物料和能量的进出流量，评估资源利用效率，为企业的持续发展和可持续发展做出贡献。
物料衡算和能量衡算是工程领域中的重要方法，用于分析和评估生产过程中的物质流动和能源消耗情况。
这些衡算方法的应用范围广泛，可以应用于各个行业和领域，包括制造业、化工、能源与环境等。
下面将对物料衡算和能量衡算进行更详细的介绍。
物料衡算是一种计算和追踪物料进入和离开系统的方法，目的是了解物料在生产过程中的变化情况。
物料衡算基于物质守恒定律，即在一个封闭的系统中，物质的总量应保持不变。
通过记录和追踪每个物料的进出流量，并对物料在过程中的转化和转移进行计算和检测，可以更好地了解生产过程中物质的变化情况。
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%
Aspen物料衡算与能量衡算
2.1 衡算方法
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
南 京 工 业 大 学 包 宗 宏
6/40
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。
南 京 工 业 大 学 包 宗 宏
含虚拟组分 真空
BK10, IDEAL
P<1MPa
SR-POLAR,
PRWS, RKSWS 及其衍生方程
南
京
工 业
模拟
大 学
体系
包 宗 宏
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
连续流动系统的总能量衡算式是柏努利方程式，即：
南
京
工
业
大 学
在进行设备的能量衡算时，位能变化、动能变化、外功等项
包 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
宗 宏
量衡算。
3/40
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。
物料衡算和能量衡算
并联管路
qV1 : qV 2 : qV 3
d15 :
1l1
d25 :
2l2
d35
3l3
（3）总流量与支管流量关系：
qV qV1 qV 2 qV 3
2020年3月1日星期日
29
流体输送管路计算
管路计算
计算用例：在上图所示的输水管路中，已知水的总流量为 3m3/s，
水温为 20℃ 。各支管总长度分别为 l1=1200m，l2=1500m，l3=800m； 管径 d1=600 mm, d2=500 mm，d3=800 mm； 求 AB 间的阻力损失及各 管的流量。已知输水管为铸铁管 ，ε=0.3 mm 。
数 1 20 。支管很短，除阀门阻
力外其他阻力可以忽略，试求：
（1）当所有阀门全开 (ξ=6.4) 时， 总流量为多少 m3/s?
计算用图
（2）再增设同样支路10个，各支路阻力同前，总流量有何变化?
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24
流体输送管路计算
管路计算
解答：
（1）忽略分流点阻力，在液面1与支管出口端面2间列机械能衡算
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2
概
述
物料衡算有两种情况，一种是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。用此结果对生产情况 进行分析、做出判断、提出改进措施。
另一种是设计一种新的设备工装置，根据设计任务，先做物料衡算， 求出进出各设备的物料量，然后再做能量衡算，求出设备或过程的热负 荷，从而确定设备尺寸及整个工艺流程。
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3
概
述
物料衡算的理论依据是质量守恒定律，即在一个孤立的物系中， 不论物质发生任何变化，它的质量始终不变。
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Q 1+Q 2+Q 3=Q 4+Q 5+Q 6 （1—1）式中： Q 1—所处理的物料带入设备总的热量，KJ;Q 2—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;Q 3—过程的热效率，（符号规定过程放热为“+”；过程吸热为“-”）Q 4—反应终了时物料的焓（输出反应器的物料的焓）Q 5—设备部件所消耗的热量，KJ;Q 6—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。
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2、物料衡算的步骤 例：乙苯反应器内的反应如下：
乙烯+苯→乙苯
乙苯+乙烯→二乙苯 二乙苯+苯→乙苯 二乙苯+乙烯→三乙苯 三乙苯+苯→乙苯，二乙苯
乙Hale Waihona Puke 、二乙苯→甲苯、二甲苯、正丁苯、异丙苯、 杂环化合物
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化工设计
Design of Chemical Engineering
§3-2 物料衡算
◆
3、物料衡算的基准 进行物料衡算时，必须选择一计算基准，并在整个 运算中保持一致。若基准选得好，计算变得简单。
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化工设计
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§3-2 物料衡算 （Ⅲ）变量 有Ns股物流， Nc个组分数，Np个设备参数
总变量数：
Nv= Ns（Nc +1）+ Np
设计变量：
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化工设计
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§3-2 物料衡算 ⑴ 转化率
划分多个衡算体系。此时，必须选择恰当的衡
算体系，这是很重要的步骤。不然会使计算繁
甚至无法求解。
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Design of Chemical Engineering
例3-3：
有两个蒸馏塔的分离装臵，将含50%苯、30%甲苯20% (mol%) 二甲苯的混合物分成较纯的三个馏分，其流程图及各流股 组成如图。计算蒸馏1000 mol/h原料所得各流股的量及进塔 Ⅱ物料的组成。
生产步骤和化学反应（包括主、付反应）; 各步骤所需的原料，中间体规格和物理化学性质; 成品的规格和物化性质; 每批加料量或单位时间进料量; 各生产步骤的产率；
(2)工艺流程图及说明； (3)热量计算参数和设备计算数据(ΔH、Cp、K、λ、α等)； (4)流体输送过程参数(μ、ρ、摩擦系数等)。
3
化工设计
◆
3. 资料的来源
（1）科研单位（研究报告） （2）设计单位（设计图纸、设计说明书） （3）基建单位（厂址方案、基建工程资料和安装工程 资料）
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§3-1 设计计算前的准备工作
(4)生产单位(现场操作数据和实际的经济技术指标)
车间原始资料、各种生产报表 工艺操作规程 设备岗位操作法 设备维护检修规程及设备维修纪录卡 劳动保护及安全技术规程 车间化验室的分析研究资料 车间实测数据 工厂科室掌握的技改资料 供销科的产品目录和样本 财务科的产品原料单耗及成本分析资料 全厂职工劳动福利的生活资料
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100 x= = 93.7kmol 1.068
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（3）基准：100kmol烟道气 以元素平衡法：C3H8 + 5O2 = 3CO2 + 4H2O C平衡 H2平衡 O2平衡 N2平衡 烟道气总量 过剩氧气 解出：空气量 C3H8 N2 O2 CO2 H2O
式、管件、阀件等）;
（11）环境保护、安全保护等规范和资料。
4
化工设计
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◆
§3-1 设计计算前的准备工作 2. 工程性资料的收集
（1）气象、地质资料; （2）公用工程的消耗量，辅助设施能力; （3）总图运输、原料输送方式、储存方式; （4）上、下水资料; （5）配电工程资料; （6）仪表自控资料等。
13
31.76
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（2）.基准：1kmol空气 实际供氧 0.21/1.25=0.168kmol； 燃烧C3H8 0.21/（5×1.25） =0.0336kmol；
供给空气量 其中氮气量 产生：CO2 H2O O2 N2 合计 1kmol； 0.79kmol； 0.101kmol； 0.135kmol； 0.042kmol； 0.79kmol； 1.068kmol；
（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
7
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Design of Chemical Engineering
§3-1 设计计算前的准备工作 （5）传质过程系数，相平衡数据;
（6）冷冻过程的热力学参数;
（7）具体的工艺操作条件（温度T、压力P、流量G）; （8）介质物性和材质性能，材质数据，腐蚀数据;
（9）车间平立面布臵的参考资料;
（10）管道设计资料（管道配臵、管道材质、架设方
②系统内无化学反应: Fi－Fo＝W
③系统内无化学反应的稳态操作过程: Fi－Fo＝0
化工设计
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Design of Chemical Engineering
§3-2 物料衡算
◆
2、物料衡算的步骤
1）化工过程分析； 2）画出方框图（方框流程图）； 3）分析化学反应过程，写出主、副反应化学反应方程式； 4）确定衡算体系； 5）根据设计要求确定（写明年产量、年工作日或每昼夜的）
生产能力、产率、产品的纯度要求等；
6）选定计算标准，并在图上注明所选的基准值； 7）收集计算需要的数据； 8）列出物料衡算式，及其他相关约束式，进行物料衡算； 9）将物料衡算结果列成物料平衡表，画出物料平衡图。
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化工设计
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§3-2 物料衡算
（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。
6
化工设计
Design of Chemical Engineering
§3-1 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
§３.3
车间物料衡算
稳态过程以各物流的总流量Fi及组成xij表示,则有：
Fx v r
i ij
Ns
Nr
jm m
0
i 1
m 1
（j=1,2,…,Nc） (3—5)
式中
Fi——第i股物流物质的量流量； xij——第j组分在第i股物流中的摩尔分数； vjm——第j组分在第m个化学反应中的化学计量系数； rm——第m个化学反应的反应速率； Nr——过程中所包含的化学反应个数。
物理吸收、结晶、提纯、脱水等
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化工设计
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3.3.1 无化学反应过程的物料衡算 例3-2： 三个未知数需三个方程： 总物料平衡式 F 1+ F 2= F 3+ F 4
F3 F1 料液 乙醇 40% 水 60% F2 苯
馏出液 乙醇 水 24% 苯 75%
组分物料平衡式
苯平衡 F2=0.75 F3
水平衡
醇平衡
0.6F1= 0.24F3
（1－0.6）F1=F4
化工设计
乙醇产品 F4=1000kg/h
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Design of Chemical Engineering
3.3.1 无化学反应过程的物料衡算
◆
２.有多个设备过程的物料衡算
对有多个设备的过程，进行物料衡算时，可以
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化工设计
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3.3.1 无化学反应过程的物料衡算 对于非反应的连续稳态过程，式(3-5)可简化为：
Fx
i
Ns
ij
0
i 1
(j=1,2,…,Nc）
◆
1.简单过程的物料衡算(无化学反应、单设备) 常见操作有:混合、蒸馏、精馏、增湿、气体混合 物的部分冷凝、液体混合物的部分气化、闪蒸、
反应物的反应量 转化率 = 反应物的进料量
n A0 n A xA = n A0
⑵ 选择性
生成目的产物所消耗的 反应物量 100% 选择性 = 原料的反应量
β=
(nC nC 0 ) / c ( n A0 n A ) / a
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化工设计
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（1）.基准：1kmol原料气C3H8 燃烧用氧 实际供氧 5×1.25 = 供给空气量 其中氮气量 产生：CO2 H2 O O2 N2 合计 100 29.76 x= = 93.7kmol 5kmol； 6.25kmol； 29.76kmol； 23.51kmol 3kmol； 4kmol； 1.25kmol； 23.51kmol； 31.76kmol；
Design of Chemical Engineering
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§3-2 物料衡算
◆
4、约束式
可分为两类：
（Ⅰ）分数约束式 当一般物流的组成用摩尔分数或质量分数表示时， 有下式成立：
x
j1
Nc
ij
1
(i=1,2,…，Ns)
(3-2)
式中xij—第j组分在第i股物流中的摩尔分数(或质量分数)； Ns—物流的股数； Nc—物流组分数。
2、确定原材料消耗定额; 3、确定各物流的流量、组成和状态; 4、确定每一个设备内物质转换与能量传递速度。
目的：
为确定操作方式，设备选型以及设备尺寸、管路
设施与公用工程提供依据。