化工设计_物料和能量衡算
化工设计物料衡算与能量衡算
（2）元素平衡法：
• 利用进出系统各元素的原子数目不变的性质进行计算。
• 例：丙烷脱氢可以生产丙稀。可惜由于副反应使产物中含 有轻烃，且在催化剂表面有炭沉积。若在一反应器内，纯 丙烷被转化成以下气体混合物（以mol%计）：丙烷45、丙 稀20、乙烷6、乙烯1、甲烷3、氢25以及少量沉积的炭。设 反应器可以按比例扩大到处理58.2mol/d丙烷，计算所期望 的积炭速率？
• 输入空气则用于氢气燃烧的氧为：19.14-16.24-2.44=0.46mol,
• 故燃料中含氢0.46×2=0.92mol
• 燃料气中H2/ CH4=0.92/8.12=0.113,进料中（CH4+ H2） /空气
第三节 反应过程的能量衡算
❖ 能量衡算的意义：
三、物料衡算的基本步骤
1.确定衡算的对象和范围，并画出计算 对象的草图。
循环流
放空
进料
①
反应器
②
旁路
分离系统
③
产品 副产物或残渣
包括求解系统、衡算范围、衡算边界
2.确定计算任务； 3.确定过程所涉及的组分； 4.对物流流股进行编号，并标注物流变量； 5.收集数据资料：
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。
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：
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。
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。
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
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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。
100.0
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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；
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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。）
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。
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。
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
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
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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( 5 ）选择计算基准，并在流程图上注明所选的 基准值。 ( 6 ）列出物料衡算式，然后用数学方法求解。 (7）校核计算结果。(数据归一） ( 8 ）将计算结果列成输入一输出物料表（物料 平衡表）。（三线表、表头名称、基准）
四、 无化学反应过程的物料衡算
在化工过程中，只有物理变化不发生化学 反应的单元操作如混合、蒸馏、蒸发、干 燥、吸收、结晶、萃取等，这些过程都可 以根据物料衡算式，直接列出总物料和各 组分的衡算式，再用代数法求解。
数据的获取： 1 、查手册或文献资料
常用物质的物性数据可从化学化工类手册或专 业性的化工手册 中查到。（收集了许多物质的 物性数据及图表 ） 化学工程手册， 《化学工程手册》 编辑委员会， 化学工业出版社，1980 化工工艺设计手册，国家医药管理局上海医药 设计院编，化学工业出版社，1986 化工工艺算图，吉林化学工业公司设计院等编， 化学工业出版社，1982
四、化工基础数据
“化工基础数据”，又被称作“物化数据” 或“物性数据”。是由物料本身的物理化 学性质所决定的。
化工基础数据包括很多，现将常用的一些 化工基础数据大致归纳成以下几类 :
( l ）基本物性数据—— 如临界常数（临界压力、临界温度、临界体积）、密度或 比容、状态方程参数、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。
二、化工过程基本参数
过程参数即化工生产过程中影响过程运行和状 态的物理量。 一）温度 表示物体冷热程度的物理量。温标。 1、摄氏温标，℃ 水的正常冰点：0℃ 水的正常沸点：100℃ 其间均分100等份 其单位为℃ 2、开尔文温标，K
3 华氏温标,℉ 水盐混合物的温度：0℉ 健康人的血液温度： 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
原则上计算基准是任意选择。但是，计算基准 选择得恰当，可以使计算简化，避免错误。对 于不同化工过程，采用什么基准适宜，需视具 体情况而定，不能作硬性规定。
根据不同过程的特点，选择计算基准时注意以下几点： ( l ）应选择已知变量数最多的流股作为计算基准。 ( 2 ）对液体或固体的体系，常选取单位质量作基准。 ( 3 ）对连续流动体系，用单位时间作计算基准有时较方便。 ( 4 ）对于气体物料，如果环境条件（如温度、压力）已定， 则可选取体积作基准。
化工过程的类型
根据其操作方式分
间歇操作 原料一次加入→过程→产品一次排出
连续操作 原料连续加入→过程→产品连续排出
半连续操作 原料一次加入→过程→产品连续排出 或原料连续加入→过程→产品一次排出
根据操作状态分
稳定状态操作（定态操作）过程参数=f(x、y、z)
不稳定状态操作（非定态操作）过程参数=f(x、y、z、t)
一）、简单过程的物料衡算
简单过程是指仅有一个设备或一个单元操作 的过程。设备边界就是体系边界。
( 1 ）画出物料流程简图。 ( 2）选择基准。 ( 3）列物料衡算式，求解。 ( 4）校核计算结果。 ( 5）将计算结果列成输入一输出物料表（物料平衡 表）。
（要求：画出物料流程简图、列出物料平衡表并进行核算）
4、计算机检索
近年来，随着电子计算机的迅速发展，应用计 算机储存、检索和推算物性数据。
一些大型化工企业、研究部门和高等院校都相应建立了物性数据 库，以便于通过计算机自动检索或估算所要求的数据，而不必自 行查找或计算，大大节省了时间和精力。
化工物性数据库
美国，CINDAS(14000) 北京化工大学，大型化工物性数据库CEPPDS(3417)
2 、估算
可以应用物理和化学的一些基本定律计算各种 物质的性质参数。 但是，往往由于缺乏计算所需的一些分子性质 （偶极矩、极化率、原子间距离等）的数据而 无法计算，或者即使知道这些数据，计算也很 复杂。因此，许多研究人员做了不少工作，建 立了理论与经验相结合的方法，来计算各种物 质的物性数据。这些方法仅从一个化合物二、 三种数据就能估算出该化合物的其他物性数据 来。 基团贡献法
第二节 物料衡算
物料衡算是化工计算中最基本、最重要的内容 之一，它是能量衡算的基础。 设计或研究一个化工过程，或对者某生产过程 进行分析，需要了解能量的分布情况，都必须 在物料衡算的基础上，才能进一步算出物质之 间交换的能量以及整个过程的能量分布情况。 物料衡算和能量衡算是进行化工工艺设计、过 程经济评价、节能分析以及过程最优化的基础。
二）压力(压强） 三）流量
四）组成
三、 化工过程开发
化工过程开发是指一个化学反应从实验室 过渡到第一套生产装置的全部过程。（开 发的成果要以基础设计形式出现） 化工过程开发，首先是决定化学反应的可 能性、转化率及反应速度是否具有工业价 值，产物分离的难易程度以及机械、设备、 材料是否可行。当然，最终取决于是否有 经济效益。
所谓化工过程，是指由原料经化学处理和物理 处理加工成化学产品或中间产品的生产过程。
它包括许多工序，每个工序又由若干个或若干组设备 （如反应器、蒸馏塔、吸收塔、干燥塔，分离器、换 热器及输送设备等等）组合而成。物料通过各设备时， 完成某种化学或物理处理，最终成为合格的产品。
在不同的生产过程中，有一些具有共性的物理操 作，它们不改变物料的化学性质，只改变物料的 物理性质，这类操作被称为单元操作，如流体输 送、传热、蒸馏、干燥、蒸发、结晶、萃取、吸 收、吸附、过滤及破碎等操作。化工过程中还包 括一些改变物料的化学性质的反应过程，如氢与 氮合成氨反应、乙烯氧化成环氧乙烷反应等等。 化工过程就是由反应过程和若干个单元操作组合 而成的一个系统。
∑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
3 、用实验直接测定实验直接测定。 Nhomakorabea
以上三种数据来源，从手册或文献中查得数据最方便， 但往往有时数据不够完整，也会出现一些错误。用一 些理论的、半经验的和经验的公式估算，也是一种简 便的方法。当手册或文献中无法查得时，可以进行估 算。直接用实验测定得到的数据最可靠，只是实验比 较费时间又花钱。但是，如果查不到有关数据，而用 公式估算得到的结果精度又不够时，则必须用实验进 行测定。
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。
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。
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：
一、物料衡算的依据
质量守恒定律 即在一个孤立物系中，不论物质发生任何 变化，它的质量始终不变（不包括核反应， 因为核反应能量变化非常大，此定律不适 用）。
质量守恒（不是摩尔守恒、体积守恒）
二、物料衡算式
物料衡算是研究某一个体系内进、出物料 量及组成的变化。 所谓体系就是物料衡算的范围，它可以根 据需要选定。体系可以是一个设备或几个 设备，也可以是一个单元操作或整个化工 过程。进行物料衡算时，必须首先确定衡 算的体系。
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 。
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。
2、衡算对象 参加过程的全部物料。
对无化学反应：可选任一物料 对有化学反应：未发生变化的物质
3 、计算基准及其选择
第三章 化工计算
基本要求: ( 1 ）掌握化工过程的特点 ( 2 ）熟练应用化工基础数据
( 3 ）熟练掌握化工过程的物料衡算