2011版化工设计第四章能量衡算
4物料衡算与能量衡算
9)设计绘制物料流程图(PFD)。
(Process Flowsheet Diagram, PFD)
4.1 物料衡算
五、物料衡算计算示例
1、无反应过程的物料衡算 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：
按330天(或8000小时)计算。但工艺技术尚未成熟、自动控制水平 较低或腐蚀较严重的装置或间歇操作可按300天(或7200小时)计算。
4.1 物料衡算 二、物料衡算的方法与步骤
▲消耗定额(每吨合格产品需要的原料、辅助原料以及动力等消耗 )；
▲转化率(表示反应物通过反应发生化学变化的程度)；
转化率 = 反应掉的原料量 原料投料量 ×100% ×100%
3)列出主、副化学反应方程式；
当副反应很多时，为了简化计算过程，可以将次要的、占 比重很小的副反应略掉；或者将类型相近的若干副反应合
并，以其中之一为代表。但该处理方式所引起的误差必须
在允许范围之内。 副反应不能忽略的情况：产生有害物质的副反应其量虽然 微小，却是进行某种分离精制设备设计和三废治理设施设 计的重要依据，该副反应不能忽略。
现代化工计算 单元4 单一化工过程能量衡算(教材)
1
2
计算结果:
Qp=1.3223106 kJ
04:55 单元4 单一化工过程能量衡算
返回
17
任务2 计算相变潜热
知识目标:掌握相变潜热的概念和常用的处理方法。 能力目标:能用Excel、ChemCAD计算相变潜热。
一、处理相变潜热的三种方法
（1）查手册 （2）经验公式 （3）实验测定 ☆计算举例
04:55 单元4 单一化工过程能量衡算 5
任务1 计算显热
一、 采用Excel进行显热计算
（一） ig状态变化过程Qp计算 方法1:采用cp=f (T)的表达式进 行积分计算。 cp=f (T)的数据如右表,Qp的积 分 式 计 算 可 采 用 Excel, 具 体可分为: (1)单元格驱动法 (2)自定义VBA函数计算法
Qp ncp(t1 t2 ) (t2 t1 ) 10 45.24(400 100) 135720 J
(2)由表格通过Excel回归成cp=f (T)经验公式,同方法1 回归表达式:cp=21.691+0.0633T4E-05T2+1E-08T 3 最终结果为：Qp=135325.4 J
04:55 单元4 单一化工过程能量衡算
返回
11
任务1 计算显热
一、 采用Excel进行显热计算
（一） ig状态变化过程Qp计算 课堂小练习:计算常压下10molCO2从400K~1100K所需的热量。
Qp n c p dT 10
T1 T2 1100
解:方法1——采用常压下的真实恒压摩尔热容数据计算 ,即采用cp=f (T)的经 验公式,由表可得:cp=f (T)=28.66+35.70103T10.36106T 2 J/(molK)
化工设计物料衡算与能量衡算
化工设计物料衡算与能量衡算1. 引言在化工工程领域，进行物料衡算和能量衡算是设计过程中必不可少的一部分。
物料衡算和能量衡算的准确性对于化工工程的安全运行和高效生产至关重要。
本文将介绍化工设计中的物料衡算和能量衡算的基本原理和方法。
2. 物料衡算2.1 物料平衡原理物料平衡是化工设计中的一项基本工作，它基于质量守恒定律和能量守恒定律。
物料平衡的目的是确定进料、出料和中间流程中物料的流量和组成。
物料平衡的计算可以用以下公式表示：$$ \\text{进料量} = \\text{出料量} + \\sum\\text{反应物料量} + \\sum \\text{中间流程物料量} $$2.2 物料平衡计算步骤进行物料平衡计算时，需要按照以下步骤进行：1.确定系统边界：将化工系统划分为进料、出料和中间流程三个部分，并确定它们之间的物料流动关系。
2.收集物料数据：收集进料和出料的物料流量和组成数据，以及反应物料和中间流程物料的数据。
3.建立物料平衡方程：根据物料平衡原理，建立物料平衡方程。
4.解方程：根据已知数据和已建立的物料平衡方程，解方程求解未知量。
5.检查计算结果：检查计算结果是否符合物料平衡原理，如有差异则进一步分析和调整。
2.3 物料平衡实例分析下面以酯化反应过程为例，进行物料平衡计算。
2.3.1 系统边界划分将酯化反应系统划分为进料、出料和中间流程三部分。
进料包括酸和醇，出料为酯。
中间流程包括未反应的酸和醇。
2.3.2 物料数据收集收集进料和出料的物料流量和组成数据，以及反应物料和中间流程物料的数据。
假设进料中的酸的流量为100 kg/h，醇的流量为50 kg/h，反应物料中未反应的酸的流量为10 kg/h，未反应的醇的流量为5 kg/h。
2.3.3 建立物料平衡方程根据物料平衡原理，建立物料平衡方程。
酸的平衡方程：100 kg/h = 10 kg/h + 出料量醇的平衡方程：50 kg/h = 5 kg/h + 出料量2.3.4 解方程根据已知数据和已建立的物料平衡方程，解方程求解未知量。
第四章3化学反应热量衡算
热量衡算的作用与意义
1确定功率：如流体输送、搅拌、过滤、粉碎等单 元操作中所需功率。 2确定热量或者冷量：如蒸发、蒸馏、冷凝、冷却、 闪蒸等所需热量或冷量。 3确定供热速率或放热速率：如化学反应中，由于 热效应（使体系温度的上升或下降）需确定的一个 合适温度。 4确定节能措施：为充分利用余热，降低总能耗采 取相应的措施。
热量衡算的方法与步骤
①分析各股物料之间的热平衡关系，必须根据各 股物料走向及变化具体分析热量间关系，然后借 助热平衡建立各热量之间的数学关系式。 ②收集数据 ③标绘能量衡算示意图 ④确定衡算范围 ⑤选定计算基准 ⑥输列输出—输入热平衡表
根据柯普法估算热容柯普法则：1mol化合物的总 热容Cp近似地等于化合物里以原子形式存在的元 素热容的总和
酯化反应的热量衡算图见2—2
顺酐 乙醇
t
水 反应釜 马来酸单酯 马来酸双酯
根据热量衡算式：Q1入+Q2入+Q给+Q反应=Q出1+Q 出2+Q出3 对于Q入与Q出的值应根据公式Q=Cm• t计算 进料温度按室温25℃，出料温度按130℃计算
以25℃为基准：
入料：Q入1=Cm• t=1.635*969.5*(130-25)=1.66*105kJ Q入2=Cm• t=4.2*1513.6*(130-25)=6.67*105kJ
对于反应器的计算，可根据键能来估算，其公式为
H=- (∑e) 式中表示了在反应中键能差和
的减量
-
(∑e) - (∑e)，基本上等于反应中 H 热焓的增量
表2—4 计算所用的键能
C
序号
1 2 3
名称 C-C H-H C-H
化工计算-能量衡算
能量衡算：Q=ΔH=0(绝热操作)
n水(H出-H进)水= n醇(H出-H进)醇 (H进)水=1507kJ/mol (H出)水=49460kJ/mol (H进)醇=0(基准)
H
醇
(19.05 9.1510-2 T )dT 出
723
T
9.1510-2 2 2 19.05(T 723) (T 723 ) kJ / mol 2 4.57510 2 T 2 19.05T 37688kJ mol /
流程图
500kg/h 44atm,450℃ 60m/s 5m
500kg/h 1atm, 360m/s
Q题过程
物料衡算
m=500/3600=0.139kg/s 能量衡算 m 2 0.139 2 EK u2 u1 (3602 602 ) 103 8.76kJ / s 2 2 EP m g( z 2 z1 ) 0.139 9.81 (5) 6.82 103 kJ / s
Clausius—Clapeyron方程
H v ln P* B RT
d ln P * H v 2 dT RT
Watson公式(已知T1时ΔHv，求T2时ΔHv)
H v 2
Tc T2 H v 1 T T c 1
0.38
标准熔化热 ΔHm（J/mol)≈9.2Tm(用于金属元素) ≈25Tm(用于无机化合物) ≈50Tm(用于有机化合物)
3
废热锅炉的能量衡算
甲醇蒸气离合成设备时的温度为450℃，经 废热锅炉冷却。废热锅炉产生4.5atm饱和 蒸汽。已知进水温度20℃，压力4.5atm。 进料水与甲醇的摩尔比为0.2。假设锅炉是 绝热操作，求甲醇的出口温度。
化工计算第四章物料衡算及课后习题及答案
第一节 物料衡算式 4—1 化工过程得类型
间歇操作 操作方式 半连续操作
连续操作
间歇操作: 原料一次加入,然后操作,最后一次出 料。
半连续操作: 进料分批,出料连续;或进料连 续,出料分批或一次。
特点: 间歇操作中,无物料进出设备,且设备内各 部分得组成和条件随时间而变。 半连续操作中,设备内各点得参 数(组成、条 件)随时间而变。
N元素平衡
2×0、79A＝2N
烟道气总量
M+N+P+Q＝100
过剩氧量
0、21A×0、25／1、25
＝M 解上述6个方程得要求得结果。(过程略)
由上例可知计算基准选取恰当与否,对计算难 易影响。所以要重视计算基准选取。
基准选取中几点说明:
(1)上面几种基准具体选哪种(有时几种共 用)视具体条件而定,难以硬性规定。
4、 写出化学反应方程式
包括所有主副反应,且为配平后得,将各反应 得选择性、收率注明。
5、选择合适得计算基准,并在流程图上注明基准值 计算中要将基准交代清楚,过程中基准变换时,
要加以说明。 6、列出物料衡算式,然后求解
1)列物料衡算式
无化学反应体系,按:(4—1)、(4—3)(连续稳定过程) 式。
(二)取1mol 空气为计算基准 1mol 空气为计算基准中氧量为0、21mol
燃烧丙烷耗氧量 0、21／1、25＝0、168 mol 燃烧丙烷得量 0、168／5＝0、 0336mol
衡算结果列于下表:
输
入
输
出
组分 摩尔 克 组分 摩尔 克
C3H8 0、
44 CO2 0、101 132
0336
O2 0、21 200 H2O 0、135 72
第四章物料衡算与能量衡算
第四章物料衡算与能量衡算本设计的产量为320吨/年的清爽沐浴露，工作时间250天，则每天的产量：G1=320×1000÷250=1280Kg，根据本设计的特点选用的是间歇式的批量化生产工艺，本工厂设计每天的工作时数是8小时，并分2批进行生产。
则每批产量G2=1280÷2=640Kg 每批生产所需要的时间为8÷2=4h。
在生产过程中，由于设备的问题，如加热、冷却、过滤、包装和输送等都会造成原料和成品的不同程度的损失，对总的生产来说这个损失是不可忽略的，必须把损失量算入到总的生产量中去，本工厂设计设计的产品的收率都为97%，损失量为3%。
因此，沐浴露一年的实际原料用量：G=320÷97%=329.89t每天的实际原料用量: G‵=329.89×1000÷250=1319.56Kg每批的实际原料用量：G批=1319.56Kg÷2=659.78kg根据物料衡算式可知：∑G1=∑G2+∑G3，式中的∑G1表示输入原料的总量，∑G2表示为输出后的总量，∑G3表示生产过程中损失总量。
现以每批的原料为计算的基准，得：∑G1=659.78kg ，∑G2=∑G1×97%=659.78×97%=640kg ，∑G3=∑G1×3%=659.78kg×3%=19.79kg1.输入原料的用量如下：G MAP=∑G1×38.5%=494.84×38.5%=254.02kgG月桂酸=∑G1×11%=72.57 kgG乙二醇二硬脂酸酯=∑G1×2%=13.19kgG KOH =∑G1×3.8%=25.07 kgG5-羟磺酸甜菜碱=∑G1×6%=39.59 kgG羟乙基纤维素=∑G1×0.8%=5.28 kgG珠光片=∑G1×1.5%=9.90 kgG EDTA-2Na=∑G1×0.1%=0.66 kgG凯松=∑G1×0.1%=0.66kgG香精=∑G1×0.3%=1.98 kgG柠檬酸=∑G1×0.1%=0.66kgG M550=∑G1×1.6%=10.56 kgG薄荷脑=∑G1×0.5%=3.30kgG 水=∑G1×66.3%=437.43kg2.输出原料用量如下G MAP=∑G2×38.5%=640×38.5%=246.4kg G月桂酸=∑G2×11%=70.4 kgG乙二醇二硬脂酸酯=∑G2×2%=12.8kgG KOH =∑G2×3.8%=24.32kgG5-羟磺酸甜菜碱=∑G2×6%=38.4 kgG羟乙基纤维素=∑G2×0.8%=5.12kgG珠光片=∑G2×1.5%=9.6kgG EDTA-2Na=∑G2×0.1%=0.64 kgG凯松=∑G2×0.1%=0.64kgG香精=∑G2×0.3%=1.92 kgG柠檬酸=∑G2×0.1%=0.64kgG M550=∑G2×1.6%=10.24 kgG薄荷脑=∑G2×0.5%=3.5 kgG 水=∑G2×66.3%=424.32kg3. 由以上的数据可得沐浴露生产的物料衡算表如下：能量衡算已知能量衡算式如下：∑Q入=∑Q出+∑Q设备式中∑Q入表示物料进入时带入反应釜的热量，∑Q出表示物料带出时热量，∑Q设备表示设备带出的热量。
化工设计物料和能量衡算
化工设计物料和能量衡算1. 引言化工设计中的物料和能量衡算是一个关键的步骤，它涉及到化工工艺过程中物料的数量和能量的转化。
在化工过程中，物料进出口的计算和能量的平衡是确保工艺过程运行稳定和效果良好的重要因素。
本文将介绍化工设计中物料和能量衡算的基本原理和方法，并通过实例来说明。
2. 物料衡算物料衡算是指在化工过程中对物料质量和流量进行计算的过程。
它的目的是确定原料的消耗量、产物的产量和中间物的转化量，从而满足工艺过程的要求。
在物料衡算中，我们需要考虑以下几个方面：2.1 原料消耗量计算原料消耗量计算是衡算中的一个重要环节。
通常，化工工艺过程中会使用多种原料，而这些原料的消耗量会直接影响到产品的产量和质量。
原料消耗量的计算需要考虑原料的化学组成、反应的摩尔比以及反应的转化率等因素。
通过这些数据，我们可以对原料的消耗量进行准确的计算。
2.2 产物产量计算产物产量计算是另一个重要的衡算环节。
在化工过程中，我们通常希望得到高产量的产品。
产物产量的计算需要考虑反应的转化率以及反应过程中的损耗和副产物的生成等因素。
通过对这些因素的分析和计算，我们可以确定最终产品的产量，并优化工艺过程以提高产量。
2.3 中间物转化量计算中间物转化量计算是指在化工过程中，各种中间产物的转化量的计算。
中间产物是指在反应过程中生成的但不是最终产品的化合物。
中间物转化量的计算需要考虑反应的转化率以及反应过程中中间物的生成和消耗等因素。
通过对这些因素的计算，我们可以确定各个中间物的转化量，从而优化工艺过程。
3. 能量衡算能量衡算是指化工工艺过程中能量的转化和平衡的计算。
能量衡算的目的是确定工艺过程中的能量损失和能量转化效率，以提高工艺过程的能源利用效率和减少能源的消耗。
在能量衡算中，我们需要考虑以下几个方面：3.1 能量输入输出计算能量输入输出计算是能量衡算的一个基本环节。
在化工过程中，能量的输入通常是燃料或电能，而能量的输出包括产品的热能和工艺过程中的损耗。
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
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
第四章物料衡算和能量衡算
化工设计电子课件
(1) 时间基准 时间基准——对连续生产过程，常以单位时间 如d、h、s）的投料 对连续生产过程， 对连续生产过程 常以单位时间(如 、 、 ） 量或产品量为计算基准。 量或产品量为计算基准。 (2) 批量基准 批量基准——以每批操作或一釜料的生产周期为基准。 以每批操作或一釜料的生产周期为基准。 以每批操作或一釜料的生产周期为基准 (3) 质量基准 质量基准——当系统介质为液、固相时，选择一定质量的原料或 当系统介质为液、 当系统介质为液 固相时， 产品作为计算基准较适合。 产品作为计算基准较适合。 (4) 物质的量基准：对于有化学反应的过程因化学反应的按摩尔进行 物质的量基准： 用物质的量基准更方便。 的，用物质的量基准更方便。 (5) 标准体积基准：对气体物料进行衡算，可采用标准体积基准， 标准体积基准：对气体物料进行衡算，可采用标准体积基准， Nm3(STP)，既排除 、p的影响，又可直接换算为摩尔。 的影响， ，既排除T、 的影响 又可直接换算为摩尔。 (6) 干湿基准：由于物料中均含有一定量的水分，选用基准时就有算 干湿基准：由于物料中均含有一定量的水分， 不算水分的问题。湿基计算水分，干基不计算水分。 不算水分的问题。湿基计算水分，干基不计算水分。 实际计算时，必须根据具体情况选择合适的基准， 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。 算及能量衡算应在同一基准上进行。
1 2 ∆H + g∆z + ∆u = Q +Ws 2
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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， 、 在反应器、蒸馏塔、蒸发器、换热器等化工设备中，W、∆Ek、 的相比， ∆Ez与Q、 ∆U和∆H的相比，可以忽略。总能量衡算式为： 、 和 的相比 可以忽略。总能量衡算式为： 封闭体系 Q = ∆U Q = ∆H 敞开体系 对这些设备做能量衡算的实质就是进行热量衡算。 对这些设备做能量衡算的实质就是进行热量衡算。 连续稳定流动体系的热量衡算： 连续稳定流动体系的热量衡算： ∑Q = ∑H1–∑H2 或 ∑ ∑Q = ∑U1 –∑U2 ∑ 实际计算时，还常使用下式： 实际计算时，还常使用下式： ∑Qin = ∑Qout Q1+ Q2+ Q3= Q4+ Q5+ Q6 Q1——物料带入热量； 物料带入热量； 物料带入热量 Q2——加热介质供给或输出的热量，输入为正，输出为负； 加热介质供给或输出的热量， 加热介质供给或输出的热量 输入为正，输出为负；
化工设计之物料衡算和热量衡算
素的衡算方程。
• 稳态过程（连续），体系内无物料积累。
Ns
体系内发生化学反应
输 物 入 料 的 量 ± 反 消 应 耗 生 的 成 物 或 料 量 ＝ 输 物 出 料 的 量 ＋ 积 物 累 料 的 量
列物料衡算式时应注意： 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。 2.若体系内有化学反应，则平衡式中各项用摩尔/时为单位时，必须考虑反应式的化学反应系数。因为 反应前后物料中的分子数不守恒。
解：
1、画物料流程简图
设 X—废酸量，；
Y—浓H24量，；
Z—浓3量； 2、选择标准，可以选废酸或浓度的量为基准，也可以用混合酸的量为基准，因为四种酸的组成 均已知，选任何一种作基准计算都很方便。
3、列物料衡算式，该体系有3种组分，可以列出3个未知量。
基准：100混合酸 总物料衡算式 100
（1）
混合后的酸，含132O，所以计算结果正确。 以上物料衡算式，亦可以选总物料衡算式及H24与3两个衡算式，或H24、3和H2O三个组分进行 计算，均可以求得上述结果。
代数法求解时，列衡算式应注意下列几点： 1、无化学反应体系，能列出的独立物料衡算式数目，最多等于输入和输出物料中化学组分的数目。
2、首先列出含有未知量数目最少的物料衡算方程，以便于解题。
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100为基准计算。 ④物质的量基准 ⑤标准体积基准
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。
化工计算 第四章物料衡算 第四节化学反应过程的物料衡算
第四节 化学反应过程的物料衡算
2．元素衡算法 元素衡算法是物料衡算的一种重要形式，是以反应过
程中参与反应的各种元素为对象列出平衡方程式而进行的 物料衡算。在化学反应过程中, 无论什么情况下，任何一 种元素都是平衡的。
当反应过程比较复杂，尤其是化学反应式无法写出时， 用直接计算法就无法解题了，这时用元素衡算法是比较合 适的，例石油裂解过程，过程中存在多种反应而又无法确 切知道各步反应所占的比例，这时可采用元素平衡的方法 进行物料衡算。在对这类过程进行物料衡算时，并不需要 考虑具体的化学反应，而是按照元素种类被转化及重新组 合的概念表示为： 输入（某种元素）=输出（同种元素）
高职高专“十一五”规划教材《化工计算》
第四节 化学反应过程的物料衡算
FH2O 53.6mol h1
FO2 4.62mol h1
燃烧气组成为：
CO2：
44.2 0.1490 14.9% 296.71
H2O：
53.6 296.71
0.1806
18.06%
O2 ： 4.62 0.0156 1.56%
第四节 化学反应过程的物料衡算
烟道气中O2量：0.0249100mol 2.49mol 烟道气中N2量：0.7222100mol 72.22mol 以为联系组分，根据式 F xt, f P xt,p，即空气中的与烟道气 中量相等，有输入的空气量：72.22mol 91.42mol
0.79
296.71
N2： 194.29 0.6548 65.48%
296.71
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第四节 化学反应过程的物料衡算
3．联系组分法 联系组分又称惰性组分，是指在整个生产中
化工过程开发——物料能量衡算(4)
物料衡算与能量衡算
李光兴 华中科技大学化学与化工学院
2011－09
§3.5 物料衡算举例
§3.5.1 无反应过程的物料衡算
[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， 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，列出各物流的流量（kg/h），以便能确定设 备的大小，并计算蒸馏塔的进料组分。
进入系统的物流为两个，离开的为三个，已知项为一个，因此未知
项有四个。
总物料平衡式：
以100kmol为基准
组成 kmol kg 丙酮 1.5 87
质量,(mol)% 2.95
1200＋F2＝F3 ＋ F4 ＋F5 丙酮：0.0295F2 ＝0.99 F4 ＋0.05F5
空气 98.5 2860 总计 100 2947
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。
解： 设 x——废酸量，kg；
y——浓H2SO4量，kg； z——浓HNO3量； kg
z kg
C2H5
C2H5
C2H5
＋ HNO3 H2SO4, H2O
G1
G2
NO2
G3
NO2
G4
MW: 106.17 63
151.17
＋ H2O NO2
G5
18.02
§3.5 物料衡算举例
§3.5.2 有反应过程的物料衡算
解： （2）原料乙苯量
对-硝基乙苯： G3＝300×1000/300 ＝1000kg/d 乙苯量： G3＝1000×106.17/(151.17×0.5) ＝1404.6kg/d 原料乙苯量： 1404.6/0.95 ＝1478.6kg/d 杂质量： 1478.6-1404.6 ＝74 kg/d
第四章 能量衡算
T2
p
T1
p
(二)、相变体系的能量衡算
二、 能量平衡方程式的应用（P107-108） ① 与热量变化相比，忽略轴功，动、势能变化， 焓变等 封闭系统 Q=△U 敝开系统 Q=△H ② 与①类相反，热能、内能的变化相对于动能、 热能及轴功来说是次要的，如流体输送，主要应 用柏努利方程。 由于化学反应都伴随着热效应，除绝热反应过 程外，对放热或吸热反应，需由系统排出或向系 统补充热量，过程的能量衡算以反应热的计算为 中心的热量衡算。
第四章化工过程的能量衡算
第一节 能量衡算的基本方法和基本程序 能量衡算的依据是热力学第一定律，根据能量守 恒原理，其衡算的通式可写为：
（输入能量 输出能量） （生成能量 消耗能量） 累积能量
（4-1）
某一具体单元设备，能量衡算式可写成如下形式：
Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6
塔顶气流带出的热量
按纯苯饱和蒸汽（79.11℃）计算 QV GD ( R 1)(rA C At A ) 6000 4.5 1.84 79.11 394 14.568 106 kJ/h 塔底产品带出热量 塔底产品的温度近似取纯甲苯的沸点（110.63℃）
QW GW CW tW 9000 1.84 110.63 1.832 106 kJ/h
QL=1.6×106kJ/h。在总压pt=101.3kPa的正常沸点下, 苯的汽化潜热 rA=394kJ/kg，甲苯的汽化潜热 rB=364kJ/kg 。求五种不同进料热状况下再沸器和 冷凝器的热负荷。若再沸器采用245kPa（绝）的 饱和水蒸气作热源，求蒸汽消耗量。 解：绘制衡算示意图，各参数标注于图。(见下页) 将以质量分率表示的进料液组成换算成摩尔分 率
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• △ H3 = △H1十△H4- △H2
• 其中△H2是液体的焓变，忽略压力对焓的影响：
H 2 =
T2 T1
C p液 dt
• △H4 是温度、压力变化时的气体焓变，如将蒸汽 看作理想气体，可忽略压力的影响。则
H 4 =H1+
应为△H3
T2 T1 T2 T1
C p汽 dt
T2 T1
C p液 dt
H 4 =H1+
应为△H3
C p汽 C p液 dt
第三节化学反应过程的热量衡算
• 化学反应过程通常都伴随较大的热效应—吸收热量或放 出热量。像甲醇氧化制甲醛、乙烯液相氯化这些主要的 工业过程，就是放热反应，乙苯脱氢制苯乙烯就是吸热 反应。为了使反应温度得到控制，必须自反应体系排走 热量或向反应体系供给热量，即反应器必须有供热或冷 却用的换热设备，这种措施不但成为反应能否进行的关 键，也与能量的合理利用有密切关系。 • 这里主要讨论反应热的计算方法，反应热可用生成热或 燃烧热来计算，所以先要讨论燃烧热和生成热，及其用 于反应热的计算，然后将反应热结合到能量衡算中去。
废热锅炉
1molCH3OH（气）4.5atm 450℃
1molCH3OH（气）4.5atm T=?
• 由相关手册查得，CH3OH（气）在450-300℃的热容可按下式计算：Cp ＝19.05＋9.15 X 10-2t kJ/(kmol· K) • 由 水 蒸 气 表 查 得 20℃ 时 水 （ 液 ） 的 焓 ： H 水 ,20℃ =83. 74kJ/kg=1507kJ/kmol • 4. 5atm饱和蒸汽的焓：H水气,4.5atm＝2747. 8kJ/kg＝49460kJ/kmol • 能量衡算：Q=ΔH=0（由于废热锅炉绝热操作）n水（H出一H进 ）水＝n 醇(H出一H进）醇 T -2 (H 醇 ） = (1 9 .0 5 + 9 .1 5 1 0 T ) d T • H水，进＝1507kJ/kmol 出 723 • H水，出＝49460kJ/kmol -2 9 .1 5 1 0 2 2 = 1 9 .0 5 (T -7 2 3 ) + （ T - 723 ) • H醇，进＝0（基准） 2
= 4 .5 7 1 0 T + 1 9 .0 5 T - 3 7 6 8 8
-2 2
∵dHP=ΔQP=dcpdt,∴Hp=∫Cpdt
t1
t2
二、相变过程的热量衡算
• 汽化和冷凝、熔化和凝固、升华和凝华这 类相变过程往往伴有显著的内能和焓的变 化，这种变化常成为过程热量的主体，不 容忽视。在恒定的温度和压力下，单位质 量或摩尔的物质发生相的变化时的焓变称 为相变热。
例题 • 例4-1甲醇蒸汽离开合成设备时的温度为450℃， 经废热锅炉冷却，废热锅炉产生4. 5atm饱和 蒸 汽 。 已 知 进 水 温 度 20℃ ， 压 力 4.5atm (1atm=1.013X105Pa)，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 口温度。
0.2molH2O（液）4.5atm 20℃
• 5 ）当生产过程及物料组成较复杂时，列出热量平衡表。
（二）注意事项
• 1）根据物料走向及变化分析热量之间的关系，由于热效 应有吸热和放热，有热量损失和冷量损失，所以式中的 热量有正负两种情况，故在使用时须根据具体情况进行 分析。 • 2 ）各组分的热力学数据如比热容、相变热等可以由手 册查阅或估算法确定。 • 3 ）热量衡算的基准有数量基准、温度基准和相态基准。 • 数量基准是指选哪个量作基准来衡算热量。对于连续操 作一般以单位时间进料量（即进料速率）为基准。 • 确定温度和相态基准后，才能从有关手册中查得相关的 热力学数据以便用于热量衡算。
（一）热量衡算的基本方法及步骤
• 4）根据物料流向及变化列热量衡算式，然后用数学方 法求解未知量。 • 6 ）计算传热剂用量和传热面积。 • 7 ）校核。根据平衡式进行校核，即进入设备或系统各 股物料的焓或内能之和应等于离开设备或系统各股物料 的焓或内能之和。 • 此外对于热力学物性数据，必须校核其正确性，尤其是 要核对其应用范围和基准及热流的正负号
ΔQ=ΔU-WV: 因对外作功，Wv<0,H=U+PV
（一）热量衡算的基本方法及步骤
• 热量衡算也需要确定基准，画出流程图，列出热量衡 算表等。基本步骤为： • 1 ）收集整理数据资料。主要收集已知物料量、工艺 条件以及有关物性数据和有关热力学数据，如比热容、 汽化潜热、标准生成热等。 • 2 ）画出单元设备的物料流向及变化示意图，并在物 料流程图上标明已知温度、压力、相态等条件。 • 3 ）确定基准。以单位时间为基准，也可以l00mol或 100kmol原料为基准，但前者更常用；确定基准温度， 一般以273K 和298K 或其他温度为基准温度，由于 手册、文献上查到的热力学数据大多是298K时的数 据，故选298K为基准温度。
• 100℃，latm时液体水转变成水气的焓变△H等于40. 6kJ/mol， 称为在该温度和压力下水的汽化潜热。 • 三种相变的相变热定义如下： • （1）汽化潜热（ △Hv）：当T和p不变，单位数量的液体汽化 所需的热量。 • （2）熔化潜热（ △Hm）：当T和p不变，单位数量的固体熔 化所需的热量。 • （3）升华潜热（ △HT）：当T和p不变，单位数量的固体气 化所需的热量。 • 相变热随相变温度变化会有显著的不同，但随相变压力变化很 微小。 • 许多纯物质在正常沸点（或熔点）下的相变热数据，可在手册 中查到。如果查到的数据，其条件不符合要求时，可设计一定 的计算途径来求算。例如，已知T1，P1条件下某物质1 mol的 汽化潜热为△H1，可用图4-3所示的方法求得在T2, p2条件下 的汽化潜热△H3：
第二节无化学反应过程的热量衡算
• 例如计算-10℃ , 101. 3kPa的冰加热成为 250 ℃ , 303. 9kPa的水蒸气的焓变，可以 设计成如图4-1所示的假想途径。
• 图4-1所示的假想途径由六个阶段组成，其 中△H1, △ H3, △ H5为变温过程的焓变， △ H2 , △ H4,为相变过程的烩变， △ H6为 压力变化过程的焓变，这六个过程的焓变 数据都是不难获取的，整个过程的总焓变 应为△H=Σ △ H
二、热量衡算的基本方法
• 化工生产中热量消耗是能量消耗的主要部分。 • 一套年产25万t乙烯的裂解装置，采用柴油作裂解原料时，总 能量消耗约为1. 314 X 109kJ/h，其中90％以上的能量消耗就 注意：是：非体积功没有，体积功可能有 是体现在热量消耗上。 • 对于没有功的传递（Wr=0)，并且动能和位能可以忽略不计的 设备，其热量衡算式为Q=ΔH=H2-H1 (4-1)（连续过程） • Q = ΔU＝U2-U1（间歇过程） (4-2) • 热力学第一定律：dU=ΔQ + ΔW ; Wv=∫PVdV w=wv+wr • 热量衡算就是计算在指定的条件下进出物料的焓差，从而确定 过程传递的热量。在实际计算时，由于进出设备的物料不止一 个，因此可改写为 • ΣQ=ΣH2-ΣH1 (4-3) • 或ΣQ=ΣU2-ΣU1 (4-4)
第四章 热量衡算 第一节 热量衡算的基本方法
一、热量衡算的目的和任务 （1）目的和任务 通过计算传入或者传出的热量，确定加热剂或者冷却 剂的消耗量以及其他能量的消耗；
计算传热面积以决定换热设备的工艺尺寸；
确定合理利用热量的方案以提高热量的综合利用效率， 尽可能做到热量的综合利用； 改进原有的设备或者工艺流程的不足。
（二）注意事项
②: 冷却剂消耗量的计算 主要有水、空气、冷冻盐水等。 按照下列式子计算：
mw Q2 c p 0 ( t in t o u t )
式中符号解释。
第二节无化学反应过程的热量衡算
• 无化学反应过程的能量衡算，一般是通过计算过程中交换的 热量，进而计算出冷却或加热介质的用量或温差，或是计算 燃料的消耗量。过程中各物料的焓或内能可以从手册中查到 时，直接采用式（4-3）或式（4-4）进行计算比较简单。为 了计算一个过程的ΔH，可以用假想的、由始态到终态几个 阶段来代替原过程，这些阶段的焓变应该是可以计算的，所 需的数据也可以得到的。由于焓是状态函数，所以每一阶段 的△H之和即为全过程的△H • 途径中各个阶段的类型，主要有以下五种： • （1）恒温时压力的变化。 • （2）恒压时温度的变化。 • （3）恒压恒温时相态的变化。 • （4）两个或两个以上物质在恒温恒压时的混合和分离。 • （5）恒温恒压时的化学反应过程。
第四章 热量衡算
• • • • • 教学内容 第一节 热量衡算的基本方法 第二节 无化学反应过程的热量衡算 第三节 化学反应过程的物料衡算 第四节 典型设备的工艺选型与设计
第四章 热量衡算 概述该项内容在物料衡算后进行，是设备计算 及其他工艺计算的基础。全面的能量衡算包括 热能、动能、电能等的衡算，能量衡算包括热 能、动能、电能等。温度不同的两物体相接触 或靠近，热量从热（温度高）的物体向冷（温 度低）的物体流动，这种由于温度差而引起交 换的能量，称为热量。热量衡算只是能量衡算 的一种。本章主要介绍热量衡算 。
水蒸气冷凝成水后的保有热量
（二）注意事项
b：燃料消耗量的计算：
mB
Q2
T QT
式中：ηT：燃烧炉的热效率; QT:燃料的发热值KJ/Kg
（二）注意事项
c：电能消耗量的计算：
E
Q2 8 6 .4 0
式中：η：电热设备的电功效率 ，单位J/S; 86000≈24*3600=86400 Q:KJ
（二）注意事项
• 4 ）传热剂用量的计算。化工生产中常用的的加 热剂有水蒸气、烟道气、电能、有机载热体等， 常见的冷却剂为水、空气、冷冻盐水等。 • ①加热剂用量的计算 • a．间接加热时水蒸气消耗量的计算：