化工设计概论第三章_物料衡算与能量衡算
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：
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
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。
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：
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一、物料衡算公式1.物料总量计算公式物料总量计算公式可以根据物质的密度（ρ）和体积（V）来计算。
公式如下：物料总量=密度×体积2.物料质量计算公式物料质量计算公式可以根据物质的密度（ρ）、体积（V）和物质的质量（m）之间的关系得出。
公式如下：质量=密度×体积3.物料浓度计算公式物料浓度计算公式可以根据溶质的质量（m）和溶液的体积（V）来计算。
公式如下：浓度=质量/体积4.溶液的重量和体积之间的关系溶液的重量可以根据溶液的密度（ρ）和溶液的体积（V）相乘得到。
公式如下：重量=密度×体积1.热量传递计算公式热量传递计算公式可以用于计算传热功率（Q）和传热面积（A）之间的关系。
公式如下：Q=h×A×ΔT其中，h为传热系数，ΔT为温差。
2.物料的热量计算公式物料的热量计算公式可以根据物料的质量（m）、比热容（Cp）和温度变化（ΔT）来计算。
公式如下：热量=质量×比热容×温度变化3.水的蒸发热计算公式水的蒸发热计算公式可以根据水的质量（m）和蒸发热（ΔHvap）来计算。
热量=质量×蒸发热三、补充说明1. 密度（ρ）是物质单位体积的质量，常用的单位有千克/立方米（kg/m^3）或克/立方厘米（g/cm^3）。
2. 比热容（Cp）是物质单位质量的热容量，表示单位质量物质温度升高1℃所需的热量，常用的单位是千焦/千克·℃（kJ/kg·°C）或焦/克·℃（J/g·°C）。
3.传热系数（h）是衡量热传导性能的参数，表示单位面积上的热量流入或流出的速率，常用的单位是瓦特/平方米·℃（W/m^2·°C）。
4.温度变化（ΔT）是物质的温度差，常用的单位是摄氏度（℃）或开尔文（K）。
5. 蒸发热（ΔHvap）是物质从液态转变为气态所需的热量，常用的单位是焦耳/克（J/g）或千焦/千克（kJ/kg）。
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。
化工设计概论物料衡算与能量衡算
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
17
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。
18
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。
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；
19
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。）
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。
第三章物料衡算和能量衡算-1(物料)
转化率、选择性和收率
（1）转化率
某一反应物的转化总量 X 该反应物的起始量 （2-13）
关键反应物——反应物中价值最高的组分，为使 其尽可能转化，常使其他反应组分过量。
不可逆反应，关键组分的转化率最大为100%。
可逆反应，关键组分的转化率≤其平衡转化率。
排放
新鲜原料
反应系统
分离系统产品循ຫໍສະໝຸດ 物流物料、能量衡算的目的和内容
• 在于定量研究生产过程，为过程设计和操 作最佳化提供依据。
• 对过程中的各个设备和工序，逐个计算各 物料的流量、组成及热流量和温度，定量 地表示所研究的对象。
物料、能量衡算的意义
• ①计算生产过程的原材料消耗指标、能耗定额和产品产 率等 。
• ②根据物料衡算和能量衡算数据和设备恰当的生产强度， 可以设计或选择设备的类型、台数及尺寸。物料衡算和 能量衡算是设备计算的依据。
应特别注意，过量百分比是基于限制反应物 100%的转化，而不论真实反应是否完全或不完 全。
在燃烧过程中，通常采用过量空气，即实际供给的空 气量超过使燃料中可燃物完全燃烧所需的理论空气量， 多余的空气，即为“过量空气”。一般燃烧器，空气 过量为5-20%。
①燃气或烟道气
经过燃烧过程所产生的气体，包括其所含的水蒸 气的称为湿气，不包括水蒸气在内的称为干气。
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。
(2) 批量基准——以每批操作或一釜料的生产周期为基准。 (3) 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
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
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内容，对于化工流程的合理设计和优化具有重要意义。
物料衡算主要是指通过对原料、中间体和产物等物质在化工过程中的流动情况进行定量分析和计算，以达到合理使用和节约能源的目的。
能量衡算则是指化工过程中的能量流动情况的定量分析和计算。
物料衡算从物质的守恒原理出发，根据质量守恒定律和组分守恒定律，通过对物料在化工过程中的流动情况进行分析和计算，掌握物料流动的方式、速度和量，以及各个组分的分布情况。
物料衡算可以帮助化工工程师确定化工过程中原料的用量、中间体的产率、产品的纯度等重要参数，以及评估流程的合理性和可行性。
此外，物料衡算还可以帮助化工工程师预测和解决流程中可能遇到的问题，如混合不均、反应转化率低等，从而优化化工过程。
能量衡算在化工设计中同样非常重要。
能量衡算通过对化工过程中能量的流动和转换情况进行分析和计算，掌握能量的源头、消耗和转化等关键信息。
在能量衡算中，化工工程师需要对化工过程中的各个单位操作和设备进行能量平衡分析，如反应器、蒸发器、冷凝器等，以此来评估和优化能量利用的效率。
同时，能量衡算还可以帮助化工工程师检查和解决可能存在的能量损失和能量不平衡问题，从而提高化工过程的能量利用效率。
物料衡算和能量衡算在化工设计中有很多应用。
例如，在新工艺的设计和改进中，通过物料衡算可以确定合理的原料用量和物料流动方式，从而达到降低生产成本和提高产品质量的目的。
在设备的设计和选型中，通过能量衡算可以评估不同设备的能量消耗和效益，选择最适合的设备。
在工艺的优化和节能改造中，通过物料衡算和能量衡算可以找出能量损失的原因和途径，提出相应的改进方案，从而降低能耗和生产成本。
总之，物料衡算和能量衡算是化工设计中非常重要的内容。
通过物料衡算和能量衡算，化工工程师可以更好地理解和掌握化工过程中物质和能量的流动情况，从而进行合理的设计和优化，以实现降低成本、提高效益和节约资源的目标。
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
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物料衡算和热量衡算是化工工程设计中非常重要的内容。
物料衡算是指在化工工程中对物料的流动进行计算和衡量的过程，而热量衡算则是指对化工工程中的热量流动进行计算和衡量的过程。
下面将详细介绍这两个内容。
首先，物料衡算是化工工程设计中的一个必不可少的环节。
物料衡算要基于反应的化学反应原理或工艺流程，计算出物料的各项数据，如流量、摩尔质量、摩尔仓数等。
具体的衡算步骤包括：确定物料的基本特性，如摩尔质量、密度等；确定物料的流动量和流速；根据反应方程式和反应器的驱动力，计算出反应速率；进一步计算出反应器的物料应用时间（HRT），以衡量物料在反应器中的停留时间。
物料衡算的目的是为了选择合适的设备和工艺流程，以确保化工工程的安全运行。
通过物料衡算，可以计算出物料在不同设备中的流速和停留时间，从而判断是否需要增加搅拌装置或延长反应器的体积等改进措施。
此外，物料衡算还能帮助设计人员确定各种物料转移设备的大小和形式，以满足工艺流程的需求。
其次，热量衡算是物料衡算的重要组成部分，也是化工工程中的关键环节。
热量衡算要根据物料的热力学特性及其运动过程，计算出热量的流动和传递。
具体的衡算步骤包括：测定物料的初始和终止温度；计算物料的比热容和比焓；计算物料在设备中的热量传递和损失；计算过程中发生的温度变化和热量变化；计算设备的热损失和热水平；最终评估设备的热效率。
热量衡算的目的是为了保证化工工程的热平衡和能量效率。
通过热量衡算，可以计算出各个设备和工艺过程的热量损失和热交换，从而判断是否需要增加散热装置或回收热量等改进措施。
此外，热量衡算还能帮助设计人员确定各种热交换设备的大小和形式，以满足工艺流程的需求。
总结来说，物料衡算和热量衡算是化工工程设计中非常重要的内容。
物料衡算可以帮助设计人员选择合适的设备和工艺流程，确保化工工程的安全运行；热量衡算则可以保证化工工程的热平衡和能量效率。
通过物料衡算和热量衡算，设计人员可以更好地优化工艺流程，提高化工工程的效率和经济性。
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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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。
热量衡算
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。）
热量衡算方程式
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
列物料平衡式时应注意的事项
(1)物料平衡是指质量平衡，不是体积或 物质的量(摩尔数)平衡。若体系内有 化学反应，则衡算式中各项用摩尔／ 时为单位时，必须考虑反应式中的化 学计量系数 。
计算结果
组分
CH3OH
mol
0.250
mol%
5.0
HCHO
H2O
0.750
0.750
15.2
15.2
O2
N2 总计
0.375
2.820 4.945
7.6
57.0 100.0
第二节 能量衡算
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。
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
化，因此要用不均衡系数将设备的 热负荷由千焦／台换算为千焦／小 时。
(5)选定设备的换热面积要大于理论计算。
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?
HCHO H2O N2
计算过程
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 CH3OH(输出)= 1-0.75=0.25mol O2(输出)= 0.75-0.75x0.5=0.375mol H2O(输出)= 0.75mol
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)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。
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。
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。
(4)间歇操作设备，传热量Q随时间而变
∑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。
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温度、压力、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 度为基准温度，计算比较方便。计算时相态的确 定也是很重要的； (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。
物料衡算计算举例
2.有反应 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。
物料衡算计算举例
解： 画出流程图
CH3OH CH3OH
空气 (过量50%)
催化 反应器
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。
第一节 物料衡算
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。 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。
解：过程如图，基准：100 kmol的废气。 锅炉的能量平衡为：
计算结果
作业
1. 一种废酸，组成为 22 ％ ( 质量％ )HNO3 ， 57 ％ H2SO4和21％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，试完成该过程的物料衡算。
∑F0=∑D+A+∑B 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)
物料衡算的步骤
1、画出流程示意图
稀溶液 F,wf
B，wB W
二次蒸汽 加热蒸汽 凝水 提浓液
物料衡算步骤
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、转化率，原材
物料衡算的分类
1、按操作方式 分为间歇操作、连续操作及半连续操作等三 类物料衡算； 2、按状态 将其分为稳定状态操作和不稳定状态操作两类 衡算。 3、按衡算范围 分为单元操作过程(或单个设备)和全流程的两 类物料衡算；
物料平衡方程式
根据质量守恒定律，对某一个体系内质量流 动及变化的情况用数学式描述物料平衡关系则为 物料平衡方程式。其基本表达式为：
第三章 物料衡算与能量衡算
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。通过对全生 产过程或单元过程的物料和能量的衡算，计算 得到： 1）主、副产品产量； 2）原材料的消耗定额，过程的物料损耗； 3）“三废”的生成量及组成； 4）水、电、汽或其他燃料等消耗定额； 5）设计物料流程图。
列物料平衡式时应注意的事项
(2) 对于无化学反应体系，能列出独立物料 平衡式的最多数目等于输入和输出的物 流里的组分数。 (3) 在写平衡方程式时，要尽量使方程式中 所包含的未知数最少。
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。