最新化工设计概论--第三章-物料衡算与能量衡算教学讲义PPT课件
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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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南京工业大学 包宗宏
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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南京工业大学 包宗宏
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
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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南京工业大学 包宗宏
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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南京工业大学 包宗宏
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
化工设计 物料和能量衡算PPT课件
第23页/共110页
具体：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），Nm3
⑷ 干湿基准 干基（不含水），湿基（含水）
第24页/共110页
• 4 、物料衡算的程序（步骤）
( l ）搜集计算数据。 ( 2 ）画出物料流程简图。 ( 3 ）确定衡算体系。 ( 4 ）写出化学反应方程式，包括主反应
过量反应物超过限制反应物所需理论量的部分占所需理论量的百 分数。
第40页/共110页
• 4 、转化率（x ） 某一反应物反应掉的量占其输入量的百分数。
• 5 、选择性（S ） 反应物反应成目的产物所消耗的量占反应物反应掉的量的百分数 转化率与选择性是反应过程的两个主要技术指标。
• 6 、收率（Y ） 目的产物的量除以反应物（通常指限制反应物）输入量，以百分数表示。它可
压缩系数、蒸气压、气一液平衡关系等。 • ( 2 ）热力学物性数据——
如内能、焓、嫡、热容、相变热、自由能、自由焓等。 • ( 3 ）化学反应和热化学数据——
如反应热、生成热、燃烧热、反应速度常数、活化能，化学平衡常数等。 • ( 4 ）传递参数——
如粘度、扩散系数、导热系数等。
第10页/共110页
度：96℉ 水的正常冰点：32℉,水的正常沸点：
212℉ 其间均分180等份 其单位为℉ 4、兰金温标，°R
与开氏温标相似，也是以最低理论温度 为0度的一种绝对温标。 其0度为-459、58℉ （-460℉），所以0℉即460℉。 • 四种温度的关系
第6页/共110页
• 二）压力(压强） • 三）流量 • 四）组成
以用物质的量（摩尔数）或质量进行计算。 转化率、选择性与收率三者之间的关系 : Y = S x
具体：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），Nm3
⑷ 干湿基准 干基（不含水），湿基（含水）
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• 4 、物料衡算的程序（步骤）
( l ）搜集计算数据。 ( 2 ）画出物料流程简图。 ( 3 ）确定衡算体系。 ( 4 ）写出化学反应方程式，包括主反应
过量反应物超过限制反应物所需理论量的部分占所需理论量的百 分数。
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• 4 、转化率（x ） 某一反应物反应掉的量占其输入量的百分数。
• 5 、选择性（S ） 反应物反应成目的产物所消耗的量占反应物反应掉的量的百分数 转化率与选择性是反应过程的两个主要技术指标。
• 6 、收率（Y ） 目的产物的量除以反应物（通常指限制反应物）输入量，以百分数表示。它可
压缩系数、蒸气压、气一液平衡关系等。 • ( 2 ）热力学物性数据——
如内能、焓、嫡、热容、相变热、自由能、自由焓等。 • ( 3 ）化学反应和热化学数据——
如反应热、生成热、燃烧热、反应速度常数、活化能，化学平衡常数等。 • ( 4 ）传递参数——
如粘度、扩散系数、导热系数等。
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度：96℉ 水的正常冰点：32℉,水的正常沸点：
212℉ 其间均分180等份 其单位为℉ 4、兰金温标，°R
与开氏温标相似，也是以最低理论温度 为0度的一种绝对温标。 其0度为-459、58℉ （-460℉），所以0℉即460℉。 • 四种温度的关系
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• 二）压力(压强） • 三）流量 • 四）组成
以用物质的量（摩尔数）或质量进行计算。 转化率、选择性与收率三者之间的关系 : Y = S x
物料衡算与能量衡算培训课件
•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。
路漫漫其悠远
一种废酸，组成为23％(质量％)HNO3，57％H2SO4 和20％H2O，加入93％的浓H2SO4及90％的浓HNO3 ，要求混合成27％ HNO3及60％ H2SO4的混合酸，计 算所需废酸及加入浓酸的数量。
x x •4 •D2 D2， D2’
•单元 Ⅱ
•单元 Ⅰ
•1
•F
•x1，x1’
路漫漫其悠远
•3
x x •W1 W1 W1’
•5
x x •W2 W2， W2’
•结论：
•两单元过程可处理为：单元Ⅰ、单元Ⅱ和总过程单元 •可列平衡方程：两组单元平衡方程式和一组总平衡方程式。其 中每一组方程均由S个独立的物料平衡方程式所构成。
•对稳定操作过程，积累量=0 •输入量-输出量+生成量-消耗量=0
•对无化学反应的过程： 输入量－输出量＝积累量 •对无化学反应的稳定操作过程：输入量＝输出量
路漫漫其悠远
•2. 数据基础 • (1) 技术方案、操作方法、生产能力、年工作时。 • (2) 建设单位或研究单位的要求、设计参数、小试及中试数据
•乙醇产品
• 解得 F1=2667kg／h , F2 = 5000kg／h , F3=6667kg／h • 校核： • 依据醇平衡：0.4F1=0.01F3 + F4 左右两边相等，结果准确。
路漫漫其悠远
多单元系统
• 对系统中的每一个设备都要计算其流量及组 成，这种系统就称为多单元系统。
路漫漫其悠远
一种废酸，组成为23％(质量％)HNO3，57％H2SO4 和20％H2O，加入93％的浓H2SO4及90％的浓HNO3 ，要求混合成27％ HNO3及60％ H2SO4的混合酸，计 算所需废酸及加入浓酸的数量。
x x •4 •D2 D2， D2’
•单元 Ⅱ
•单元 Ⅰ
•1
•F
•x1，x1’
路漫漫其悠远
•3
x x •W1 W1 W1’
•5
x x •W2 W2， W2’
•结论：
•两单元过程可处理为：单元Ⅰ、单元Ⅱ和总过程单元 •可列平衡方程：两组单元平衡方程式和一组总平衡方程式。其 中每一组方程均由S个独立的物料平衡方程式所构成。
•对稳定操作过程，积累量=0 •输入量-输出量+生成量-消耗量=0
•对无化学反应的过程： 输入量－输出量＝积累量 •对无化学反应的稳定操作过程：输入量＝输出量
路漫漫其悠远
•2. 数据基础 • (1) 技术方案、操作方法、生产能力、年工作时。 • (2) 建设单位或研究单位的要求、设计参数、小试及中试数据
•乙醇产品
• 解得 F1=2667kg／h , F2 = 5000kg／h , F3=6667kg／h • 校核： • 依据醇平衡：0.4F1=0.01F3 + F4 左右两边相等，结果准确。
路漫漫其悠远
多单元系统
• 对系统中的每一个设备都要计算其流量及组 成，这种系统就称为多单元系统。
化工设计 第3章 物料衡算和热量衡算PPT课件
2005-09-26
化工设计
6
3.1 物料衡算
• 例1 某化工厂要求设计一套从气体中回收丙酮的装置系统，流 程框图如下，要求由已知资料，计算各物流的流率 （kg/h），以便进行设备设计。
2005-09-26
化工设计
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3.1 物料衡算
• 解：
由于除空气进料后的其余组成均是以质量百分数表示的， 所以取基准：100 kmol 气体进料。因此，将空气—— 丙酮的摩尔分率转换成质量分率
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化工设计
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3.2 热量衡算
2005-09-26
化工设计
32
3.3 化工计算基础数据及来源
• 在化工计算以及化工工艺和设备设计中，必不可 少地要用到有关化合物的物性数据。例如，进行 化工过程物料与能量衡算时，需要用到密度或比 容、沸点、蒸汽压、烩、热容及生成热等等的物 性数据；设计一个反应器时，则需要知道化学反 应热的数据；计算传热过程时，需要导热系数的 数据等等。这些数据习惯上称为“化工基础数 据”，它是由物料本身的物理化学性质所决定的。 因此，又被称作“物化数据”或“物性数据”。
2005-09-26
化工设计
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3.2 热量衡算
• 方法
– 计算依据 热力学第一定律（能量守恒定律） – 平衡方程
Q W H g h u 2/2
在进行设备设计时，位能变化、动能变化、 外功等项相对较小，可忽略。所以流动系统的 能量衡算式为
H Q
2005-09-26
化工设计
23
3.2 热量衡算
2005-09-26
化工设计
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3.2 热量衡算
分解液组成
2005-09-26
物料衡算和能量衡算培训课件(PPT 125页)
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（5）收集数据资料，数据资料包括两类：即设计 任务所规定的已知条件，与过程有关的物理化 学参数，具体包括以下内容：
①生产规模和生产时间，生产规模是设计任务所 规定（T/年），生产时间是指全年的有效生产 天数300～330天/年（计约8000h）。
②有关定额的技术指标，这类数据通常指产品单 耗、配料比、循环比、固液比、气液比、回流 比、利用率、单程收率、回收率等等。
24
（9）整理并校核计算结果，当计算完成后， 对计算结果进行整理，并根据需要换算基准， 最后列成表格即物流表。
（10）绘制物料流程图，编写物流表作为设 计文件成果编入正式设计文件。
25
综上所述步骤，可归纳如下：
①、陈述的问题； ②、列出可获得的数据； ③、画出衡算方框图； ④、对物流流股及各组分编号； ⑤、确定衡算范围； ⑥、建立系统各参数的基准； ⑦、建立各组分和总物料的衡算方程； ⑧、解析方程； ⑨、校核计算结果； ⑩、绘制物料流程图，编写物流表。
23
进行化工过程设计，要确定各个物理量的数值，如进料 流率、浓度、温度、压力、热负荷、机械功的输入和输出， 传热面积的大小及理论塔板数等，这些物理量都是相互关联 相互制约的，因此设计者只能规定其中若干变量的数值，这 些变量称为设计变量。如果设计过程中给定数值的物理量少 于设计变量的数目，设计就不会有结果；反之，给定数值的 物理量数目过多设计也无法进行。
从而为，设备选型以及设备尺寸，管路设施与公用工 程提供依据。
2
化工过程有许多输入流股和输出流股， 本章内容是讲授确定这些流股的策略与方法， 物料衡算与热量横算是化工工程师接触最频 繁的计算。
3
§3-1 工艺计算前的准备工作
一、工艺性资料的收集
（5）收集数据资料，数据资料包括两类：即设计 任务所规定的已知条件，与过程有关的物理化 学参数，具体包括以下内容：
①生产规模和生产时间，生产规模是设计任务所 规定（T/年），生产时间是指全年的有效生产 天数300～330天/年（计约8000h）。
②有关定额的技术指标，这类数据通常指产品单 耗、配料比、循环比、固液比、气液比、回流 比、利用率、单程收率、回收率等等。
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（9）整理并校核计算结果，当计算完成后， 对计算结果进行整理，并根据需要换算基准， 最后列成表格即物流表。
（10）绘制物料流程图，编写物流表作为设 计文件成果编入正式设计文件。
25
综上所述步骤，可归纳如下：
①、陈述的问题； ②、列出可获得的数据； ③、画出衡算方框图； ④、对物流流股及各组分编号； ⑤、确定衡算范围； ⑥、建立系统各参数的基准； ⑦、建立各组分和总物料的衡算方程； ⑧、解析方程； ⑨、校核计算结果； ⑩、绘制物料流程图，编写物流表。
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进行化工过程设计，要确定各个物理量的数值，如进料 流率、浓度、温度、压力、热负荷、机械功的输入和输出， 传热面积的大小及理论塔板数等，这些物理量都是相互关联 相互制约的，因此设计者只能规定其中若干变量的数值，这 些变量称为设计变量。如果设计过程中给定数值的物理量少 于设计变量的数目，设计就不会有结果；反之，给定数值的 物理量数目过多设计也无法进行。
从而为，设备选型以及设备尺寸，管路设施与公用工 程提供依据。
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化工过程有许多输入流股和输出流股， 本章内容是讲授确定这些流股的策略与方法， 物料衡算与热量横算是化工工程师接触最频 繁的计算。
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§3-1 工艺计算前的准备工作
一、工艺性资料的收集
化工计算第三章3化学反应过程物料衡算PPT课件
混合燃料中氢与甲烷的比例：
H2 = 0.90 1 CH4 8.13 9
混合燃料与空气的比例：
混 空 合 气 燃 =0.99料 0 .148.1 23110
2．利用化学平衡常数进行衡算
对有平衡反应过程的物料衡算，除了
需要建立物料或元素衡算式以外，常常还 需要利用反应的平衡关系来计算产物的平 衡组成。
烟道气中N2量： 0 .72 12 m 0= 2 7 0 o .2 2 m l2o
以为联系组分，根据式
Fxt,f =Pxt,p ，
即空气中的与烟道气中量相等，有输入的空气量：
72.22mo=l91.42mol
其中O2量：
0.79
9 .4 1 m 2 0 .o 2= 1 l 1 .2 9 m 0ol
F xFT＝P xPT ，即
F
x
= PT
P
x
FT
用联系组分作衡算，尤其是对含未知量较 多的物料衡算，可以使计算简化。
第三章 物料衡算
选择联系组分时，如果体系中存在数种联 系组分，那么，此时就要选择一个适宜的联系组 分，或联合采用以减小误差。但是，应该注意， 当某个联系组分数量很小，而且此组分的分析相 对误差又较大时，则不宜选用。
4、具有循环、排放即旁路过程的物料衡算 在化工过程中，有一些具有循环、排放及旁路 的过程，这类过程的物料衡算与以上介绍的方法 相类似，只是需要先根据已知的条件及所求的未 知量选择合适的衡算体系，列出物料衡算式再求 解。如果存在联系组分，则可以利用联系组分计 算。
第三章 物料衡算
新鲜 原料F
循环物料R
由C的平衡燃料中CH4量：8.13mol CH4完全燃烧消耗O2量： 8 .1m 3 2 o = 1 l.2 6 m 6ol H2完全燃烧耗O2量：( 1.2 9 - 1 0 .2 6 - 2 6 .4)m 9= 0 o .4m l5ol
H2 = 0.90 1 CH4 8.13 9
混合燃料与空气的比例：
混 空 合 气 燃 =0.99料 0 .148.1 23110
2．利用化学平衡常数进行衡算
对有平衡反应过程的物料衡算，除了
需要建立物料或元素衡算式以外，常常还 需要利用反应的平衡关系来计算产物的平 衡组成。
烟道气中N2量： 0 .72 12 m 0= 2 7 0 o .2 2 m l2o
以为联系组分，根据式
Fxt,f =Pxt,p ，
即空气中的与烟道气中量相等，有输入的空气量：
72.22mo=l91.42mol
其中O2量：
0.79
9 .4 1 m 2 0 .o 2= 1 l 1 .2 9 m 0ol
F xFT＝P xPT ，即
F
x
= PT
P
x
FT
用联系组分作衡算，尤其是对含未知量较 多的物料衡算，可以使计算简化。
第三章 物料衡算
选择联系组分时，如果体系中存在数种联 系组分，那么，此时就要选择一个适宜的联系组 分，或联合采用以减小误差。但是，应该注意， 当某个联系组分数量很小，而且此组分的分析相 对误差又较大时，则不宜选用。
4、具有循环、排放即旁路过程的物料衡算 在化工过程中，有一些具有循环、排放及旁路 的过程，这类过程的物料衡算与以上介绍的方法 相类似，只是需要先根据已知的条件及所求的未 知量选择合适的衡算体系，列出物料衡算式再求 解。如果存在联系组分，则可以利用联系组分计 算。
第三章 物料衡算
新鲜 原料F
循环物料R
由C的平衡燃料中CH4量：8.13mol CH4完全燃烧消耗O2量： 8 .1m 3 2 o = 1 l.2 6 m 6ol H2完全燃烧耗O2量：( 1.2 9 - 1 0 .2 6 - 2 6 .4)m 9= 0 o .4m l5ol
化工设计-物料衡算和能量衡算41页PPT
•
29、在一切能够接受法律支配的人类 的状态 中，哪 里没有 法律， 那里就 没有自 由。— —洛克
•
30、风俗可以造就法律，也可以废除 法律。 ——塞·约翰逊
41、学问是异常珍贵的东西，从任何源泉吸 收都不可耻。——阿卜·日·法拉兹
化工设计-物料衡算和能量衡算
•
26、我们像鹰一样，生来就是自由的 ，但是 为了生 存，我 们不得 不为自 己编织 一个笼 子，然 后把自 己关在 里面。 ——博 莱索
•
27、法律如果不讲道理，即使延续时 间再长 ，也还 是没有 制约力 的。— —爱·科 克
•
28、好法律是由坏风俗创造出来的。 ——马 克罗维 乌斯
42、只有在人群中间，才能认识自 己。——德国
43、重复别人所说的话，只需要教育； 而要挑战别人所说的话，则需要头脑。—— 玛丽·佩蒂博恩·普尔
44、卓越的人一大优点是：在不利与艰 难的遭遇里百折不饶。——贝多芬
45、自己的饭量自己知道。——苏联
化工生产物料和能量平衡PPT课件
3
.
1.1 概述
间歇操作过程：原料在生产操作开始时一次加入， 然后进行反应或其它操作，一直到操作完成后，物 料一次排出。在整个操作时间内，没有物料进出设 备，设备中各部分的组成、条件随时间不断变化。
连续操作过程：在整个操作期间，设备的进料和出 料是连续流动的，原料不断稳定地输人生产设备， 同时不断从设备排出总量相等的物料。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。
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。
4
.
1.1 概述
稳定状态操作过程（稳定过程）：整个化工过程的 操作条件（如温度、压力、物料量及组成等）不随 时间而变化，只是设备内不同点有差别。
不稳定状态操作过程（不稳定过程）：操作条件随 时间而不断变化的过程。
((369))
25
.
例1.2.3-2
9个方程，只有6个独立，可任选两组方程求解。
本题应选先体系C，因2、4、5的组成均为已知，只 有S2、S4、S5三个未知量，可从(7)、(8)、(9)三式直 接求解。得：
S2=520 mol/h S4=150 mol/h S5=330 mol/h
再任选一组（体系A或B）衡算方程，即再由(1)、 (2)、(3)或(4)、(5)、(6)可解得
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。
5
.
1.2 物料平衡
6
.
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
进入体系的物料量出＝体输系的物料量 ＋体系积累的物料量
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四、热量衡算
1、热量衡算有两种情况： 1）对单元设备做热量衡算； 2）整个过程的热量衡算。
（当各个工序或单元操作之间有热量交换时， 必须做全过程的热量衡算。）
20
四、热量衡算
2、热量衡算方程式 ∑Q入= ∑Q出 + ∑Q损
式中:∑Q入 一输入设备热量总和； ∑Q出 —输出设备热量总和； ∑Q损 —损失热量总和。
22
四、热量衡算
4、进行热量衡算注意事项 (1)热量衡算时要先根据物料的变化和走向，认
真分析热量间的关系，然后根据热量守衡定律 列出热量关系式。 (2)要弄清楚过程中出现的热量形式，以便搜集 有关的物性数据。
23
四、热量衡算
4、进行热量衡算注意事项
(3)计算结果是否正确适用，关键在于数据的正确 性和可靠性。
9
10
计算过程
解：本题为间歇过程，因此以每批处理量为基准进 行物料衡算。流程示意图2-2 组分物料衡算： NaOH平衡 1000 x 0.1 = 0.5F4 NaCl平衡 1000 x 0.1 = 0.02F4 + F3 H2O平衡 1000(1-0.1-0.1)= F2 + 0.48F4 解方程得： F2 = 704kg，F3 = 96kg，F4 = 200kg
21
四、热量衡算
3、热量衡算步骤
(1)绘制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T、P、相态等已知条件； (3)选定计算基准温度。由于手册、文献上查到的热力
学数据大多数是273K或298K的数据，故选此温度为 基准计算比较方便。相态的确定也很重要； (4)列出热量衡算式，然后用数学方法求解未知值； (5)整理并校核计算结果，列出热量平衡表。
11
五、物料衡算计算举例
2.有反应 例2 甲醇制造甲醛的反应过程为：
CH30H + 1/2 O2 HCHO + H20 反应物及生成物均为气态，若使用50％的过 量空气，且甲醇的转化率为75％，试计算反 应后气体混合物的摩尔组成。
12
计算过程
解： 画出流程图
CH3OH
空气 (过量50%)
催化 反应器
率，原材料及产品规格，有关物理化学常数）
5、选定计算基准（时间，质量，体积） 6、建立物料平衡方程，展开计算 7、整理并校核计算结果 8、绘制物料流程图、填写物流表
8
五、物料衡算计算举例
1．无反应 例1 采用蒸发方法将浓度为10％NaOH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％H2O。若每批处理1000 kg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。
化工设计概论--第三章-物料衡 算与能量衡算
根据物料衡算和能量的衡算结果，可以： 1）对生产设备进行设计和选型； 2）确定产品成本等各项技术经济指标，从而
可以定量地评述所选择的工艺路线、生产方法及工 艺流程在经济上是否合理，技术上是否先进。
2
§物料衡算
一、物料衡算的概念：
在化工过程中，物料平衡是指“在单位时间 内进入系统（体系）的全部物料质量必定等于离 开该系统（体系）的全部物料质量再加上损失掉 的与积累起来的物料质量。” 对物料平衡进行计 算称为物料衡算。
100.0
15
§3.2 能量衡算
一、能量衡算定义
根据能量守恒定律，利用能量传递和转化 的规则，用以确定能量比例和能量转变的定量 关系的过程称为能量衡算。
16
二、能量衡算可以解决的问题
(1)确定物料输送机械和其它操作机械所需要的功率； (2)确定各单元操作过程所需热量或冷量，及其传递
速率；计算换热设备的工艺尺寸；确定加热剂或 冷却剂的消耗量，为其他专业如供汽、供冷、供 水专业提供设条件； (3)化学反应常伴有热效应，导致体系的温度上升或 下降，为此需确定为保持一定反应温度所需的移 出或加入的热传递速率；
(4)间歇操作设备，传热量Q随时间而变化，因此 要 用 不 均 衡 系 数 将 设 备 的 热 负 荷 由 kJ/ 台 换 算 为kJ/h。
(5)选定设备的换热面积要大于理论计算。
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五、热量衡算举例
例1 某化工厂计划利用废气的废热，进入废热锅炉 的废气温度为450℃，出口废气的温度为260℃， 进入锅炉的水温为25℃，产生的饱和水蒸气温 度为233.7℃，3.0MPa，(绝压)，废气的平均热 容为32.5 kJ／(kmol·℃)，试计算每100 kmol的 废气可产生的水蒸汽量?
CH3OH(输出)= 1-0.75=0.25mol O2(输出)= 0.75-0.75x0.5=0.375mol H2O(输出)= 0.75mol
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计算结果
组分
CH3OH HCHO
H2O O2 N2 总计
mol 0.250 0.750 0.750 0.375 2.820 4.945
mol% 5.0 15.2 15.2 7.6 57.0
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。
3
四、物料衡算的步骤
1、画出流程示意图
稀溶液 F, wF
二次蒸汽
W
加热蒸汽 冷凝水
提浓液
B，wB
7
四、物料衡算的步骤
2、列出主、副化学反应式 3、确定计算任务 4、收集数据资料（生产规模、时间，收率、转化
CH3OH HCHO
H2O N2
13
基准：1 mol CH3OH 根据反应方程式 O2(需要)= 0.5 mol；
O2(输入)= 1.5 × 0.5 = 0.75 mol； N2(输入)= N2(输出)= 0.75(79/21)= 2.82 mol CH3OH为限制反应物 反应的CH3OH = 0.75 × 1 = 0.75 mol 因此，HCHO(输出)= 0.75mol
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二、能量衡算可以解决的问题
(4)为充分利用余热，必须采取有效措施，使过程的 总能耗降低到最低程度。为提高能量利用率，降 低能耗提供重要依据。
(5)最终确定总需求能量和能量的费用。
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三、能量平衡方程式
能量衡算平衡方程式
△E = Q - W △E:表示体系能量总变化； Q: 表示体系从环境吸收的热量； W: 表示环境对体系所做的功。
四、热量衡算
1、热量衡算有两种情况： 1）对单元设备做热量衡算； 2）整个过程的热量衡算。
（当各个工序或单元操作之间有热量交换时， 必须做全过程的热量衡算。）
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四、热量衡算
2、热量衡算方程式 ∑Q入= ∑Q出 + ∑Q损
式中:∑Q入 一输入设备热量总和； ∑Q出 —输出设备热量总和； ∑Q损 —损失热量总和。
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四、热量衡算
4、进行热量衡算注意事项 (1)热量衡算时要先根据物料的变化和走向，认
真分析热量间的关系，然后根据热量守衡定律 列出热量关系式。 (2)要弄清楚过程中出现的热量形式，以便搜集 有关的物性数据。
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四、热量衡算
4、进行热量衡算注意事项
(3)计算结果是否正确适用，关键在于数据的正确 性和可靠性。
9
10
计算过程
解：本题为间歇过程，因此以每批处理量为基准进 行物料衡算。流程示意图2-2 组分物料衡算： NaOH平衡 1000 x 0.1 = 0.5F4 NaCl平衡 1000 x 0.1 = 0.02F4 + F3 H2O平衡 1000(1-0.1-0.1)= F2 + 0.48F4 解方程得： F2 = 704kg，F3 = 96kg，F4 = 200kg
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四、热量衡算
3、热量衡算步骤
(1)绘制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T、P、相态等已知条件； (3)选定计算基准温度。由于手册、文献上查到的热力
学数据大多数是273K或298K的数据，故选此温度为 基准计算比较方便。相态的确定也很重要； (4)列出热量衡算式，然后用数学方法求解未知值； (5)整理并校核计算结果，列出热量平衡表。
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五、物料衡算计算举例
2.有反应 例2 甲醇制造甲醛的反应过程为：
CH30H + 1/2 O2 HCHO + H20 反应物及生成物均为气态，若使用50％的过 量空气，且甲醇的转化率为75％，试计算反 应后气体混合物的摩尔组成。
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计算过程
解： 画出流程图
CH3OH
空气 (过量50%)
催化 反应器
率，原材料及产品规格，有关物理化学常数）
5、选定计算基准（时间，质量，体积） 6、建立物料平衡方程，展开计算 7、整理并校核计算结果 8、绘制物料流程图、填写物流表
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五、物料衡算计算举例
1．无反应 例1 采用蒸发方法将浓度为10％NaOH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％H2O。若每批处理1000 kg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。
化工设计概论--第三章-物料衡 算与能量衡算
根据物料衡算和能量的衡算结果，可以： 1）对生产设备进行设计和选型； 2）确定产品成本等各项技术经济指标，从而
可以定量地评述所选择的工艺路线、生产方法及工 艺流程在经济上是否合理，技术上是否先进。
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§物料衡算
一、物料衡算的概念：
在化工过程中，物料平衡是指“在单位时间 内进入系统（体系）的全部物料质量必定等于离 开该系统（体系）的全部物料质量再加上损失掉 的与积累起来的物料质量。” 对物料平衡进行计 算称为物料衡算。
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§3.2 能量衡算
一、能量衡算定义
根据能量守恒定律，利用能量传递和转化 的规则，用以确定能量比例和能量转变的定量 关系的过程称为能量衡算。
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二、能量衡算可以解决的问题
(1)确定物料输送机械和其它操作机械所需要的功率； (2)确定各单元操作过程所需热量或冷量，及其传递
速率；计算换热设备的工艺尺寸；确定加热剂或 冷却剂的消耗量，为其他专业如供汽、供冷、供 水专业提供设条件； (3)化学反应常伴有热效应，导致体系的温度上升或 下降，为此需确定为保持一定反应温度所需的移 出或加入的热传递速率；
(4)间歇操作设备，传热量Q随时间而变化，因此 要 用 不 均 衡 系 数 将 设 备 的 热 负 荷 由 kJ/ 台 换 算 为kJ/h。
(5)选定设备的换热面积要大于理论计算。
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五、热量衡算举例
例1 某化工厂计划利用废气的废热，进入废热锅炉 的废气温度为450℃，出口废气的温度为260℃， 进入锅炉的水温为25℃，产生的饱和水蒸气温 度为233.7℃，3.0MPa，(绝压)，废气的平均热 容为32.5 kJ／(kmol·℃)，试计算每100 kmol的 废气可产生的水蒸汽量?
CH3OH(输出)= 1-0.75=0.25mol O2(输出)= 0.75-0.75x0.5=0.375mol H2O(输出)= 0.75mol
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计算结果
组分
CH3OH HCHO
H2O O2 N2 总计
mol 0.250 0.750 0.750 0.375 2.820 4.945
mol% 5.0 15.2 15.2 7.6 57.0
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。
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四、物料衡算的步骤
1、画出流程示意图
稀溶液 F, wF
二次蒸汽
W
加热蒸汽 冷凝水
提浓液
B，wB
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四、物料衡算的步骤
2、列出主、副化学反应式 3、确定计算任务 4、收集数据资料（生产规模、时间，收率、转化
CH3OH HCHO
H2O N2
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基准：1 mol CH3OH 根据反应方程式 O2(需要)= 0.5 mol；
O2(输入)= 1.5 × 0.5 = 0.75 mol； N2(输入)= N2(输出)= 0.75(79/21)= 2.82 mol CH3OH为限制反应物 反应的CH3OH = 0.75 × 1 = 0.75 mol 因此，HCHO(输出)= 0.75mol
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二、能量衡算可以解决的问题
(4)为充分利用余热，必须采取有效措施，使过程的 总能耗降低到最低程度。为提高能量利用率，降 低能耗提供重要依据。
(5)最终确定总需求能量和能量的费用。
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三、能量平衡方程式
能量衡算平衡方程式
△E = Q - W △E:表示体系能量总变化； Q: 表示体系从环境吸收的热量； W: 表示环境对体系所做的功。