物料衡算和能量衡算
化工中的物料衡算和能量衡算
化工中的物料衡算和能量衡算化72 王琪2007011897 在化工原理的绪论课上，戴老师曾强调过化工原理的核心内容是“三传一反”即传质、传动、传热和反应，而物理三大定律——质量守恒、动量守恒、能量守恒正是三传的核心与实质，因此这三大定律在化工中统一成一种核心的方法：衡算。
正是衡算，使原本复杂的物理定律的应用变得简单，实用性强，更符合工程学科的特点。
为此化工中的物料衡算和能量衡算很重要，本文将分别从物料衡算、能量衡算讨论化工中的衡算问题，然后将讨论二者结合的情况。
物料衡算在台湾的文献中称为“质量平衡”，它反映生产过程中各种物料之间量的关系，是分析生产过程与每个设备的操作情况和进行过程与设备设计的基础。
一般来说物料衡算按下列步骤进行，为表示直观，做成流程图。
绘制流程图时应注意：1.用简洁的长方形来表达一个单元，不必画蛇添足；2.每一条物质流线代表一个真实的流质流动情况；3.区别开放与封闭的物质流4.区别连续操作与分批操作（间歇生产）5.不必将太复杂的资料写在物质流线上确定体系也比较重要，对于不同体系，衡算基准和衡算关系会有不同。
合适的基准对于衡算问题的简化很重要，根据过程特点通常有如下几种：1.时间基准：连续生产，选取一段时间间隔如1s，1min，1h，1d；间歇生产以一釜或一批料的生产周期为基准，对于非稳态操作，通常以时间微元dt为基准。
2.质量基准，对于固相、液相体系，常采用此基准，如1kg，100kg，1t，1000lb等。
3.体积基准（质量基准衍生）：适用于气体，但要换成标准体积；适用于密度无变化的操作。
4.干湿基准：水分算在内和不算在内是有区别的，惯例如下：烟道气：即燃烧过程产生的所有气体，包括水蒸气，往往用湿基；奥氏分析：即利用不同的溶液来相继吸收气体试样中的不同组分从而得到气体组分，往往用干基。
化肥、农药常指湿基，而硝酸、盐酸等则指干基。
选取基准后，就要确定着眼物料了。
通常既可从所有物料出发，也可根据具体情况，从某组分或某元素着眼。
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。
物料衡算与能量衡算概论
物料衡算与能量衡算概论物料衡算与能量衡算是在工业领域中广泛应用的两个重要概念。
物料衡算是指对物质流动的量与质进行测量、监测和分析的过程，用来确定物料的输入、输出以及处理过程中的损耗情况。
而能量衡算则是指对能量流动的量和质进行测量、监测和分析的过程，用来确定能源的输入、输出以及转化利用的效率。
物料衡算和能量衡算在工业生产中都具有重要的作用。
首先，它们可以帮助企业确定物料和能量的浪费情况，找出能源的低效率使用和损耗问题，从而提出改善措施，节约物料和能源，降低生产成本。
其次，物料衡算和能量衡算可以帮助企业优化生产流程，提高产能和效率。
通过对物料和能量的输入、输出以及处理过程的分析，企业可以找出生产过程中不必要的浪费和瓶颈，并进行改进和优化。
此外，物料衡算和能量衡算也可以帮助企业监测和评估环境压力，实施环境保护措施，达到可持续发展的目标。
物料衡算和能量衡算的方法和技术主要包括数据采集、监测和分析。
在物料衡算中，通常会采集和监测物料的进出量、质量以及转化过程中的损耗情况。
常用的方法有称量、计量、流量计、采样等。
在能量衡算中，通常会采集和监测能源的进出量、质量以及转化过程中的损耗情况。
常用的方法有电表、气表、温度计、压力表等。
通过这些数据的分析，可以得出物料和能源的流动情况，评估效率和损耗，并进一步进行改进和优化。
需要注意的是，物料衡算和能量衡算虽然互相关联，但并不完全一致。
物料衡算主要关注物质流动的量和质，而能量衡算则关注能量流动的量和质。
在实际应用中，物料衡算和能量衡算往往结合起来进行，通过对物料和能量的双重衡算，可以更全面地了解生产过程中的问题和优化方向。
综上所述，物料衡算和能量衡算是工业生产中重要的概念和方法。
它们的应用可以帮助企业节约物料和能源，提高生产效率，降低成本。
同时，物料衡算和能量衡算也有助于企业实施环境保护措施，实现可持续发展。
因此，在现代工业生产中应该重视物料衡算和能量衡算，积极推广和应用。
《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。
物料衡算和能量衡算
由上述可得100kg混合原料可制得的热麦汁量为：
（73.16÷12）×100=609.66（kg）
又知汁在20℃时的相对密度为1.084，而100℃热麦汁比
20℃时的麦汁 体积增加1.04倍，故热麦汁（100℃）体积为：
（609.66÷1.084）×1.04=584.92L
（2） 添加酒花量： 609.66×0.2%=1.22kg
和在数值上是相等的原理来绘制的，平衡图
的内容包括：物料名称、质量、成品质量、
物料的流向、投料顺序等项。绘制物料平衡
图时，实线箭头表示物料主流向，必要时用
细实线表示物料支流向，见下图。
图6-2 班产12.5 吨原汁猪肉物料平衡图
（2）物料平衡表 ▪ 物料平衡表是物料平衡计算的另一种表示形式，
其内容与平衡图相同，其格式 如下：
全年生产天数为300天，设旺季生产240天，淡季生产 60天。旺季每天糖化数为7次，淡季每天生产次数为5次，则 全年糖化次数为：
240×7+60×5=1980（次） 计算的基础数据可算出每次投料量及其他项目的物料平衡。 （1）每次糖化的原料量为: 混合原料: (30000000/1980)×(100/513.92)=2948.3(kg) 大麦: 2948.3×0.75=2211.2(kg) 大米: 2948.3×0.25=737.1(kg) （2）热麦汁量: (609.66/100)×2948.3=17974.6(L) （3）冷麦汁量: (541.05/100)×2948.3=15951.77(L) （4）酒花用量: (1.22/100)×2948.3=35.97(kg) （5）发酵成品液： (532.39/100)×2948.3=15696(L) （6）清酒液：(524.41/100)×2948.3=15461(L)
4物料衡算与能量衡算
4.1 物料衡算
4)确定计算任务；
根据衡算示意图和反应方程式，分析每一步骤和每一设备
中物料的变化情况，选定合适的计算公式，分析数据资料， 明确已知量与可以查到的或计算求出的未知量，为收集数 据资料和建立计算程序做好准备。
5)收集相关数据资料；
▲生产规模(生产能力或原料处理量)； ▲生产时间(年工作时数)；
2、按操作状态
稳定状态操作和不稳定状态操作两类物料衡算。
3、按衡算范围
单元操作过程(或单个设备)和全流程两类物料衡算。
4.1 物料衡算
三、物料平衡方程
理论依据是质量守恒定律，即在一个孤立体系中无论物质发 生怎样变化(不包括核反应)，其质量始终保持不变。 物料平衡方程式的基本表达式为：
∑F0=∑D+A+∑B
▲选择性 ▲单程收率
选择性 =
生成目的产物的原料量 反应掉的原料量 生成目的产物的原料量 原料投料量
单程收率 =
×100%
转化率、选择性、单程收率的关系
单程收率 ＝ 转化率 × 选择性
▲原料、助剂、中间产物和产品的规格和组成；
▲有关的物化常数。 3.1 物料衡算
4.1 物料衡算
6)选定计算基准；
①时间基准：连续生产，一般以㎏/h或kmol/h为基准。
式中，F0—输人体系的物料质量；
D— 离开体系的物料质量； A— 体系内积累的物料质量； B— 损失的物料质量(如跑、冒、滴、漏)
注意: ⑴对于连续系统而言，其系统的累积量为零；
⑵系统是计算时确定的计算范围(工厂、车间、工段、设备等)。
4.1 物料衡算
四、物料衡算的基本步骤
1)确定衡算范围；
首先要确定衡算的范围。衡算范围可能有如下3种情况： ①流程中某一个单元设备；
物料衡算与能量衡算
➢ 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＝
＝
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
式中 为F I物i,输 质 的出 F 转i,输 化率/入 ; i Fi,输入i / i
已知反应 i器1中CO的转化率为0 80，由此得反应器1的反
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。不然会使计算繁琐，甚至无法
求解。
4 3.1 混合过程
例1 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质量;
边界线Boundary Line围起来的区域构成衡算范围;
2写出化学反应方程式;包括主反应和副反应; （计算分子量）
（3）确定计算任务，确定过程所涉及的组分， 明确哪些是已知项，哪些是待求项，如年产量 生产能力、年工作日、产率、产品纯度要求等。
（4）选择计算基准
5收集计算需要数据资料 （6）列出物料衡算方程式,进行物料衡算 列出过程的全部独立物料平衡方程式及其他相
应速率：
r＝
＝0.80.2×100 + 0.5×214 ＝
101.6Fm,输o入 l/h/
物流4中每一物流的流率
已知r后;物流4中每一物流的流率可以用物料衡算求得， 即：
N2平衡： F4,N2＝0 78×100＝78mol/h CO平衡： F4,co＝127 – r＝25.4mol/h H2O平衡： F4,H2O＝628 – r＝526.4mol/h CO2平衡： F4,CO2＝2 + r＝103.6mol/h H2平衡： F4,H2＝107 + r＝208.6mol/h
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
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。
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
物料衡算和热量衡算
物料衡算和热量衡算在化工生产过程中，原料、水、电、蒸汽消耗量、主副产品产量等，都是十分重要的工艺指标。
为了得到这些数值，衡量生产过程的先进性，需要进行生产过程中局部的或全过程的物料衡算和热量衡算。
第一节物料衡算一、物料衡算及其分类物料衡算是根据质量守恒定律，对化工过程中的各股物料进行分析和定量计算，以确定它们的数量、组成和相互比例关系，并确定它们在物理变化或化学变化过程中相互转移或转化的定量关系的过程。
通过物料衡算计算转化率、选择性，筛选催化剂、确定最佳工艺条件，对装置的生产情况做出分析，判断装置是否处于最佳运转状态，为强化生产过程提供依据和途径。
因此，物料衡算是化工科研、设计、生产及其它工艺计算、设备计算的基础。
物料衡算按其衡算范围，有单元操作（或单个设备）的物料衡算与全流程（即包括各个单元操作的全套装置）的物料衡算；按其操作方式，有连续操作的物料衡算与间歇操作的物料衡算；按有无反应过程，有无化学反应过程的物料衡算与有化学反应过程的物料衡算；此外，还有带循环的化工过程的物料衡算。
物料衡算的计算一般分为两种情况。
一种是在已有的装置上，对一个车间、一个工段、一个设备或几个设备，利用实际测定的数据(或理论计算数据)，算出另外一些不能直接测定的物料量，由此，对这个装置的生产情况作出分析，找出问题，为改进生产提出措施。
另一种是对新车间、新工段、新设备作出设计，即利用本厂或别的工厂已有的生产实际数据(或理论计算数据)，在已知生产任务下算出需要原料量，副产品生成量和三废的生成量，或在已知原料量的情况下算出产品，副产品和三废的量。
二、物料衡算的依据和衡算范围物料衡算的理论依据是质量守恒定律，即在一个孤立的系统中，不论物质发生任何变化，其质量始终不变。
质量守恒定律是对总质量而言的，它既不是一种组分的质量，也不是指体系的总摩尔数或某一组分的摩尔数。
在化学反应过程中，体系中组分的质量和摩尔数发生变化，而且在很多情况下总摩尔数也发生变化，只有总质量是不变的。
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。
化工中物料衡算和热量衡算公式
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。
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。
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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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车间收率和阶段收率
➢ 在作整个车间的物料衡算时，常需要用车间 总收率、阶段收率这些基本概念。
车间收率和车间产品及原料消耗关系如下：
车间收率
成品质量折算为原料量
总
原料消耗量
100 %
或
成品产量
总 原料消耗量折算为成品 量 100 %
➢ 阶段收率则表示一个工段或工序的产品或半成 品输出量，折算为投入物料量与实际投入物料 量之间的比例关系，可用下式表示：
➢ 物料衡算可分操作型计算和设计型 计算。
➢ 操作型计算是指对已建立的工厂、 车间或单元操作及设备等进行计算。
➢ 设计型计算是指对建立一个新的工 厂、车间或单元操作及设备进行物 料衡算，这是设计计算的第一步， 也是整个设计的基础，在此基础上 进行热量衡算、设备工艺计算，则 可以确定设备选型、工艺尺寸、台 数以及公用工程所需水、电、汽、 冷冻、真空及压缩空气等需要量。
物料衡算常用基本概念和方法
➢ 质量守恒定律 质量守恒定律是指“进入一个系统的全部物料量必 等于离开这个系统的全部物料量，再加上过程中损失 量和在系统中积累量”。依据质量守恒定律，对一研 究系统作物料衡算，可用下式表示： ∑G进=∑G出+∑G损+∑G积
式中 ∑G进--输入物料总和； ∑G出--离开物料量总和； ∑G损--总的损失量； ∑G积--系统中积累量。 分批操作（间歇操作）的设备，当终点时，物料全 部排出则系统内物料积累为零，对于稳定连续操作， 系统物料累积量亦为零。在此情况下，上式可写成： ∑G进=∑G出+∑G损
顺程法
法和返程法才能完 从原成料。进入系统开始，沿
着物料走向，逐一计算
返程法 从最后的产品开始，按物料
流程逆向的顺序进行计算
物料衡算的步骤
➢ 1)画出物料衡算流程示意图 绘制物料流程图时，要着重确定生
产工艺路线，考虑物料的来龙去脉。 每一种物料都要表示在图上，并注 明每种物料的重量、组成、体积、 温度和压力等数据，不允许有差错 和遗漏，并反复核对。如果是待求 项，需用字形符号标写清楚。
第五章 物料衡算和能量衡算
5.1 物料衡算 5.2 能量衡算
ห้องสมุดไป่ตู้
物料衡算的作用与意义
➢ 依据质量守衡定律，以设备或生产过程作为研 究系统，对其进、出口处进行定量计算，称之 为物料衡算。
➢ 在复合材料生产过程中，物料衡算对于控制生 产过程有着重要的指导意义。在实际生产过程 中，物料衡算可以揭示物料的浪费和生产过程 的反常现象，从而帮助找出改进措施，提高成 品率及减少副产品、杂质和三废排放量。
物料衡算的步骤
➢ 3)确定计算项目 根据物料流程示意图和化学反
应式，分析物料在每一台设备 中的数量、成分和品种发生了 哪些变化。近一步明确已知项 和待求项。根据已知项和待求 项的数学关系，寻找简捷的计 算方法，以节省计算时间和减 少错误发生率。
物料衡算的步骤
➢ 4)收集数据 计算项目确定后，需要收集的
数据和资料也就明确了。应收 集的数据资料一般包括：生产 规模、生产时间（年工作时 数）、有关收率和转化率、原 料、辅助材料，中间产品和产 品的规格、有关物理化学常数 等。在查找有关数据时应注意 数据资料的正确性、可靠性和 适用范围。
物料衡算的步骤
➢ 5)选准计算基准 在物料衡算过程中，计算基准选得
物料衡算的步骤
➢ 6)进行物料衡算
根据物质质量守恒定律，凡是进入设备进行操作的 物料量必须等于操作后离开设备的物料量。但实际 上，在生产过程中物料必然有损失，即产出量少于 投入量，其差额即为物料损失量。
∑G入＝∑G出＋∑G损 式中 ∑G入----进入物料量的总和；
∑G出----离开物料量的总和； ∑G损----损失物料量的总和。 上述物料衡算式适用于整个生产过程，也适用于生 产过程的任何一个步骤和每一台设备、在物料衡算 中，可以进行总的物料衡算，也可以对混合物中某 一组成进行物料衡算。
物料衡算的步骤
➢ 2)列出化学反应式 列出各个过程的主、副化学反应
式，明确反应前后的物料组成和 它们之间的定量关系。需要注意 的是，当副反应很多时，对那些 次要的，而且所占比重很小的副 反应可以略去，而对那些产生有 毒物质或明显影响产品质量的副 反应，其量虽小，却不能略去， 因为这是以后进行某些精制分离 设备设计和三废治理设计的重要 依据。
适当，可以大大简化计算手续。按 照不同情况可以采用吨、公斤、m3 作为计算单位。一般，对于气体采 用m3作为计算单位比较方便。间歇 生产过程的物料衡算一般以每批产 量作为计算基准，而连续过程的物 料衡算则采用每小时产量作为计算 基准。在计算过程中还必须注意， 将各个量的单位统一为同一单位制， 保持前后一致，以避免发生差错。
阶段产品或半成品输出 量折算为投入物料量
阶段
投入物料量
100 %
➢ 车间收率与阶段收率之间关系可用下式表示： η总=η1.η2.η3.……ηn
式中η1，η2，η3，…，ηn为各阶段收率。
物料衡算的方法及步骤
➢一个工艺流程，对常一由些多复个杂生的产工工艺序组成，要
进行各工序、各流设备程的作物物料料衡衡算算，，则需按一定 的顺序进行。 需要同时应用顺程
物料衡算的作用与意义
➢ 物料衡算还可以检验生产过程 的完善程度，对生产工艺设计 工作也有着重要指导作用。物 料衡算是计算原料与产品之间 的定量关系，由此定出原料和 辅助材料的用量、制订原料和 辅助材料的单耗指标以及生产 过程中各个阶段的原料和辅助 材料的损耗量及其组成。
➢物料衡算也是能量衡算、定型设备 选型、非定型设备工艺计算和其他 工艺计算的基础。通过物料衡算可 以算出各工段所处理的物料量(各组 分的成分、重量和体积)，便可以定 出生产过程所需设备台数、容量和 主要尺寸以及计算管道尺寸等。所 以物料衡算是复合材料工艺计算的 重要部分。
物料衡算的步骤
➢ 7)整理和校核计算结果 在计算过程中，每一步都要认
真计算和认真校核，做到及时 发现差错，防止差错延续扩大， 以致造成大量返工。待计算全 部结束后将计算结果整理清楚， 列成表格。表中要列出进入和 离开的物料名称、数量、成分 及其百分数。再全面校核，直 到计算完全正确为止。
物料衡算的步骤