化工生产物料和能量平衡
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：
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。
物料平衡和热量平衡
物料平衡和热量平衡物料平衡和热量平衡是工程领域中常用的分析方法，用于研究物质和能量在化工过程中的流动与转化。
物料平衡是指在一个封闭系统中，物质的输入、输出和积累之间的关系。
热量平衡是指在一个封闭系统中，能量的输入、输出和积累之间的关系。
物料平衡是化工过程设计和优化的基础，通过物料平衡分析可以确定反应器中物料的组成和流量，以及各个装置之间的物料流动情况。
物料平衡的基本原理是质量守恒定律，即物料的输入和输出之和等于物料的积累量。
在进行物料平衡分析时，首先需要确定系统的边界，即确定分析的范围。
然后根据系统的输入和输出量，编写物料平衡方程。
物料平衡方程可以分为总物料平衡和组分物料平衡两种形式。
总物料平衡是指对物料的总量进行平衡，而组分物料平衡是指对物料中各个组分的量进行平衡。
在编写物料平衡方程时，需要考虑物料的输入、输出和积累量，以及反应或转化过程中的损失。
物料平衡方程可以通过实验数据或估算方法得到，也可以通过模拟计算得到。
通过求解物料平衡方程，可以确定物料的流动情况和组成，为工程设计和操作提供依据。
热量平衡是指在化工过程中，研究能量的输入、输出和积累之间的关系。
热量平衡的基本原理是能量守恒定律，即能量的输入和输出之和等于能量的积累量。
热量平衡分析可以确定反应器中的热量流动情况，以及各个装置之间的热量交换情况。
在进行热量平衡分析时，需要考虑各个装置的热量输入和输出，以及热量的传导、对流和辐射等方式的损失。
热量平衡方程可以通过实验数据或估算方法得到，也可以通过模拟计算得到。
通过求解热量平衡方程，可以确定热量的流动情况和温度分布，为工程设计和操作提供依据。
物料平衡和热量平衡在化工工程中的应用非常广泛。
通过物料平衡和热量平衡分析，可以确定化工过程中的物料流动和热量流动情况，找出问题所在，优化工艺参数，提高生产效率和产品质量。
同时，物料平衡和热量平衡也是工程安全和环保的重要手段，可以预测和控制系统中的物料和能量的流动，减少事故和污染的发生。
《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。
化工生产技术
化工生产技术化工生产技术是指在化学原料基础上，通过化学反应和物理操作等工艺过程，生产出各种化学品的技术。
化工生产技术广泛应用于石油化工、医药化工、农药化工、食品化工、环保化工等领域，是化工产业的基础和核心。
本文将对化工生产技术的基本原理、技术路线、应用和发展趋势等方面进行讲解。
一、化工生产技术的基本原理化工生产技术的基本原理包括物料平衡、能量平衡、反应和传递过程等方面。
其中，物料平衡是指在化工反应过程中，各种物质在不同的反应条件下所构成的物质平衡关系，以及如何处理化学反应中产生的副产物和废弃物。
能量平衡则是指化学反应过程中能量的输入和消耗，以及如何控制反应温度和保证能量的高效利用。
反应和传递过程包括物质反应、热传递、质量传递等方面，这些过程对反应效率和产量影响极大。
二、化工生产技术的技术路线化工生产技术的技术路线一般包括原料处理、反应、分离和加工等4个阶段。
在原料处理阶段，需要对原料进行物理和化学处理，以保证原料的质量和纯度。
反应阶段是化工生产技术最核心的阶段，包括化学反应、物理反应等过程。
在分离阶段，需要对反应产物进行物理分离，如蒸馏、萃取、结晶等等，以得到纯净的化学品。
加工阶段则是将得到的产品进行加工处理，如过滤、干燥、压缩、包装等。
三、化工生产技术的应用化工生产技术在很多领域都有着广泛的应用。
例如在石油化工行业中，化工生产技术被用于生产各种石油化工产品，如乙烯、丙烯、苯乙烯等。
在医药化工行业中，化工生产技术被用于生产大量的药品，如抗生素、维生素、中药等，以满足人们的健康需求。
在食品化工行业中，化工生产技术被用于生产各种食品添加剂，如香料、色素、膨化剂等。
在环保化工行业中，化工生产技术被用于生产一系列的环保产品，如污水处理药剂、废弃物处理剂等。
四、化工生产技术的发展趋势未来化工产业发展的趋势是提高产业现代化水平。
即对生产工艺、节能减排、安全环保等方面提出更高的要求。
从而推动化工生产的绿色化、智能化、洁净化和高效化。
Aspen物料衡算与能量衡算文档资料
物料衡算的结果也是能量衡算的依据，掌握物料带入或带 出体系的能量多少，以计算化工过程需要提供或移除的热量， 控制能量的供给速率和放热速率，进—步算出物质之间交换 的热量以及整个过程的热量分布情况。
包
Approach State Approach Model Approach
宗 宏
Predicted number of stages
11
7
42
required
Approximate cost in dollars 520,000
390,000
880,000
常见有机化合物极性增加顺序：
烃烃烃
醚 醚醚醚
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
NRTL, UNIQUAC 及其衍生方程
学
包
宗 宏
“Datapkg” 文件夹：包含了15个综合化工过程的“.bkp” 数据包
文件。
2.1.4 用软件进行物料衡算与能量衡算的要点
(7)学会判断计算结果的正确性。当一个模拟过程运算正常收 敛后，软件状态栏上提示 “Results Available”，表示计算有了 结果，这并不表示结果正确。
化工原理知识点总结
化工原理知识点总结化工原理是化学工程领域的基础理论，涉及了化学和物理的知识。
下面是化工原理的一些重要知识点总结：1.物料平衡：物料平衡是化工过程设计的基础，它涉及了质量平衡和能量平衡。
质量平衡是指在化工过程中所涉及的原料、中间产物和产品的物质输入和输出之间的平衡关系。
能量平衡是指化工过程中热量的输入和输出之间的平衡关系。
2.热力学：热力学是研究物质和能量之间转化关系的科学，它在化工原理中的应用非常广泛。
热力学中的重要概念包括热力学系统、热力学性质、状态方程、热力学平衡、热力学循环等。
3.流体力学：流体力学是研究流体力学行为的学科，它在化工过程中的应用非常重要。
流体力学中的重要知识点包括流体的流动类型、雷诺数、流速分布、摩擦阻力、黏度、流体静力学等。
4.传热学：传热学是研究热量传递的学科，对化工过程的设计和操作起到了至关重要的作用。
传热学中的重要知识点包括传热方式（导热、对流热传递和辐射热传递）、传热系数、传热方程、传热器件设计等。
5.反应工程学：反应工程学是研究化学反应过程的学科，在化工原理中起到了至关重要的作用。
反应工程学中的重要知识点包括反应速率、反应机理、反应平衡、反应动力学、反应器的设计和操作等。
6.单元操作：单元操作是化工过程中进行的基本操作，包括物料的混合、分离、干燥等。
单元操作中的重要知识点包括混合过程的三个基本原理（质量守恒、能量守恒和物料守恒）、分离方法（蒸馏、萃取、吸附等）、干燥方法等。
7.控制工程：控制工程在化工原理中的应用非常广泛，主要是为了实现过程的稳定和优化。
控制工程中的重要知识点包括控制系统的基本结构、反馈控制和前馈控制、PID控制器的设计和调节等。
8.安全工程：安全工程是确保化工过程安全的学科，它涉及了化工过程中的各种安全措施和应急措施。
安全工程中的重要知识点包括危险源识别和评估、安全设备的设计和选择、事故的原因和调查等。
以上是化工原理的一些重要知识点总结，化工原理非常广泛且复杂，还有很多其他的知识点需要深入学习。
化工设计物料衡算与能量衡算
• 1.求燃料气组成以C作联系组分，燃烧前后碳原子数不 变，所以CO2mol数等于CH4的mol数，即CH4＝ 8.12mol，
• 需要氧气量为2×8.12＝16.24mol。
• 计算进料的空气量，以N2作联系组分，由烟道气中的N2 可得进料中的总氧气量：72.28×20.92/79=19.14mol,
Φ=
×100%
限制组分的消耗量
（5） 收率
生成目的产物所消耗限制组分的量
η=
×100%
限制组分的输入量
η =xA· Φ
“独立”的含义
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
1 2
O2
CO
② ③
CO
1 2
O2
CO2
CO2 C 2CO
湿纸浆 浆： 0.29 水： 0.71
干燥器
干燥纸浆 浆：？ 水：？
水分
• 例：每小时将20kmol含乙醇40％的酒精水溶液进 行精馏，要求馏出液中含乙醇89％，残液中含乙醇 不大于3％(以上均为摩尔分数)，试求每小时馏出 液量和残液量。
• 解：由全塔物料衡算式可得
•
20 = D + W
(1)
• 20×0.4 = 0.89D + 0.03W
化工设计物料衡算与能 量衡算
2021年7月13日星期二
化工基础数据
化工计算以及化工工艺和设备设计中，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、焓、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。
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。
化学工程中的物料平衡与能量平衡
化学工程中的物料平衡与能量平衡随着工业的不断发展，化学工程的应用范围也越来越广泛，特别是在制药、化工、生物工程等领域，其作用不可或缺。
其中物料平衡和能量平衡是化学工程中至关重要的概念，无论是在工艺设计、操作控制或生产管理中，都有着重要的意义。
一、物料平衡1. 概念说明物料平衡，即对于化学工程系统中原料、产物、中间体、废物等各种物质的流量、浓度、质量的计算和分析。
其基本原理是对于任何封闭于系统之内的物料，在任意时刻，其输入和输出必须平衡，即输入物质和输出物质质量之和相等，即：输入 = 输出物料平衡是化学工程中的基本内容之一，它为设计、操作控制提供了依据，同时对于工艺流程的优化和改进也具有重要意义。
2. 物料平衡的应用物料平衡在化学工程中的应用十分广泛，主要包括以下几个方面：（1）工艺设计：物料平衡是系统工程设计的基础，通过分析输入和输出的材料量和组成，设计更加高效的反应器、分离器等设备。
（2）操作控制：通过物料平衡的计算和分析，对生产过程进行监控和控制，发现问题并及时解决，以保证物质的平衡和稳定运行。
（3）生产管理：通过对进出料流量的监测和管理，分析物质的损耗和浪费，进行成本计算和费用控制。
（4）环境保护：对于含有污染物的废物，可以通过物料平衡计算出其产生量和处理量，用于环境保护的方案安排。
二、能量平衡1. 概念说明能量平衡是指化学工程系统内一定时间内进入和离开系统的热能量和化学能量的平衡状态，即：输入的热能量和化学能量 = 输出的热能量和化学能量能量平衡是化学工程设计和生产运行不可或缺的一项重要内容，它可以帮助生产企业更好地了解系统的能量流动情况，实现能源的高效利用和节能减排。
2. 能量平衡的应用（1）系统设计：能量平衡为设计能够提供重要依据，通过分析各种能源的输入和输出量，合理设计反应器和其他设备，实现最高效的能量利用。
（2）工艺控制：通过能量平衡计算和分析，可以实时监控系统的能量平衡情况，分析发生的异常情况并及时纠正，避免能量浪费。
化工物料能量平衡计算公式
化工物料能量平衡计算公式在化工生产过程中，能量平衡是一个非常重要的概念。
能量平衡是指在一个系统中能量的输入和输出之间的平衡关系。
在化工生产中，能量平衡的计算对于确定生产过程中的能量流动和能量利用效率非常重要。
本文将介绍化工物料能量平衡的计算公式，并通过一个实际案例来说明其应用。
化工物料能量平衡计算公式可以表示为：ΣEin ΣEout = ΔEsystem。
其中，ΣEin表示系统中的能量输入总和，ΣEout表示系统中的能量输出总和，ΔEsystem表示系统内能量的变化。
这个公式表明了在一个系统中，能量的输入和输出之间必须保持平衡，否则系统的能量状态将发生变化。
在化工生产中，能量的输入通常来自于原料的燃烧、电能的输入、化学反应释放的热能等。
而能量的输出则包括产品的产出、废热的排放等。
通过对这些能量的输入和输出进行计算，可以得到系统内能量的平衡状态，从而确定生产过程中的能量利用效率。
下面我们通过一个实际案例来说明化工物料能量平衡的计算方法。
假设在一个化工生产过程中，原料A和原料B通过化学反应生成产品C，同时释放出热量。
我们需要计算这个生产过程中的能量平衡状态。
首先，我们需要确定系统中的能量输入和输出。
原料A和原料B的化学反应释放的热量是能量的输入，而产品C的产出和废热的排放是能量的输出。
我们可以通过化学反应的热值和产物的产量来计算能量的输入和输出。
其次，我们需要计算系统内能量的变化。
这可以通过测量系统的温度变化来得到。
如果系统内能量发生了变化，那么就意味着系统的能量平衡状态发生了变化，我们需要对生产过程进行调整，以确保能量平衡。
最后，我们可以将能量输入和输出以及系统内能量的变化代入能量平衡计算公式中，来确定系统的能量平衡状态。
如果ΣEin ΣEout = ΔEsystem，那么系统就是能量平衡的；如果ΣEin ΣEout ≠ΔEsystem，那么系统就是能量不平衡的，我们需要对生产过程进行调整。
通过这个案例，我们可以看到化工物料能量平衡计算公式的应用。
化工过程中的物料平衡与能量平衡控制
化工过程中的物料平衡与能量平衡控制重庆湘渝盐化责任有限公司摘要：化工过程中的物料平衡与能量平衡控制是确保工程操作正常运行和资源高效利用的关键要素。
物料平衡涉及跟踪原材料和产物在过程中的流动，以确保没有物质浪费。
能量平衡控制则关注能源的输入和输出，以提高能源效率和降低生产成本。
这两个方面的控制对于可持续化工过程至关重要，有助于减少环境影响并提高经济效益。
未来，随着新兴技术的发展，化工工程领域将不断寻求更精确的建模和控制方法，以应对日益复杂的生产需求，同时实现资源和能源的可持续利用。
物料平衡与能量平衡控制将继续在化工工程中发挥重要作用，推动行业向更加环保和高效的方向迈进。
关键词：化工过程；物料平衡；能量平衡引言化工过程的设计和运营需要高度的精确性和控制，以确保产品质量、安全性和经济效益。
在这一领域，物料平衡和能量平衡控制是至关重要的概念。
物料平衡涉及追踪化工过程中原材料、反应产物和中间体的流动，以确保资源的高效利用、减少浪费和确保产品的一致性。
与此同时，能量平衡控制关注能源的输入和输出，以最大程度地提高能源效率、降低生产成本和减少环境影响。
本文将探讨物料平衡和能量平衡的基础概念、计算方法以及其在化工过程中的关键作用。
我们还将考察当前面临的挑战以及未来可能的发展趋势，包括新兴技术的应用和可持续化工过程的前景。
物料平衡和能量平衡控制的深入研究对于实现可持续化工生产和资源管理至关重要。
一、物料平衡与能量平衡基础（一）物料平衡的概念与应用物料平衡是化工过程工程师在处理原材料、反应产物和副产品时的核心概念。
它涉及追踪和量化物料在进程中的流动，以确保质量和数量的一致性。
物料平衡的目的是分析过程中物质的输入、输出和积累，从而掌握工程系统的运行情况。
这种平衡对于确定反应效率、材料利用率和废物生成率至关重要。
它在化工、制药、食品加工等领域中广泛应用。
（二）能量平衡的概念与应用能量平衡是另一个重要的工程原理，它关注能量在工程系统中的传递和转化。
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。
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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。
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1.2.3 无化学反应过程的物料平衡
在化工过程中，一些没有发生化学反应，只发生物 理变化的单元操作，比如混合、蒸馏、蒸发、干燥、 吸收、结晶、萃取等。如果体系没有积累，这些稳 定过程的物料衡算都可以根据物料衡算式
进入体系的物料量=输出体系的物料量
列出总物料和各组分的衡算式，再用代数法求解。
1.2.3 无化学反应过程的物料平衡
混合过程
3
1.2.2 基本方法
(2)选择计算基准
进行物料、能量衡算时，必须选择一个计算基准。 从原则上讲，任何一种计算基准都能得到正确的解 答，但计算基准选择得恰当，可以使计算简化，避 免错误。
1.2.2 基本方法
根据过程特点，选择计算基准时应注意以下几点： 1)应选择已知变量数最多的流股作为计算基准。例 如：某一个体系，反应物组成只知其主要成份， 而产物的组成已知，就可以选用产物的单位质量 或单位体积作基准，反之亦然。 2)对液体或固体的体系，常选取单位质量作基准。
1000 mol/h B 0.50 T 0.30 X 0.20 1 S3 B T X mol/h x3B x3T 1-x3B - x3T
S2 B T X
mol/h 0.95 0.03 0.02
4
S4 B T X
mol/h 0.03 0.95 0.02
I
II
S5 B T X 3 5 mol/h 0.0045 0.43 0.5655
2 4 5
(4) (1) (7) (2) (5) (8) (3) (6) (9)
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 S3=480 mol/h x3X=0.395 x3B=0.0125 x3T=0.5925
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。 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。
1.2 物料平衡
1.2.1 基本概念
1.1 概述
物料和能量衡算是化工技术人员必须掌握的基本技 能，也是学习和对化工过程进行深入研究时，推导 数学模型基本方程的重要基础。 化工过程根据其操作方式可以分成间歇操作、连续 操作以及半连续操作三类。或者将其分为稳定状态 操作和不稳定状态操作两类。在对某个化工过程作 物料或能量衡算时，必须了解生产过程的类别。
3
W, xW
例1.2.3-1
连续常压蒸馏塔分离苯、 甲苯混合溶液，要求馏出 液中苯回收率为97％。 解：MB＝78，MT＝92
x FB xWB 38 / 78 0.4196 38 / 78 62 / 92 2 / 78 0.02351 2 / 78 98 / 92
F＝ 20000kg/h wFB＝0.38
1.2.2 基本方法
例：含CH4 90％和 C2H6 10％(mol％)的天然气与空 气在混合器中混合，得到的混合气含 CH4 8％。 试计算100mol天然气应加入的空气量及得到的 混合气量。
100 mol 天然气 CH4 0.90 C2H6 0.10 1 2 A mol 空气 M mol CH4 C2H6 空气 混合气 0.08 x 1-0.08-x
在对反应物作衡算时，由反应而消耗的量应取减号； 对生成物作衡算时，由反应而生成的量应取加号。
1.2.2 基本方法
画出物料流程简图，选择计算基准及物料衡算式。
(1) 物料流程简图
求解物料衡算问题，应先根据给定的条件画出流程 简图。 图中用简单的方框表示过程中的设备，用线条和箭 头表示每个流股的途径和流向，并标出每个流股的 已知变量及单位。 对一些未知的变量，可用符号表示。
例1.2.3-2
由此例可以看出，多设备过程又有大量多组分流股 时，可列出许多线性方程。 在许多线性方程中，不管衡算体系如何选择、组合， 其独立方程的最多数目应等于设备数 (M) 与物料组 分数(C)的乘积，即MC个独立方程。 上例中，M=2，C=3，共6个方程。最多能求解MC 个未知量。
解：设S2、S3……表示各流股物料量，mol/h；
x3B、x3T表示流股3中苯、甲苯的组成。
共可列出三组衡算方程，每组选三个独立方程。
例1.2.3-2
2 1000 mol/h B 0.50 T 0.30 X 0.20 1 S3 B T X mol/h x3B x3T 1-x3B - x3T 3 5 S2 B T X mol/h 0.95 0.03 0.02 4 S4 B T X mol/h 0.03 0.95 0.02
3)对连续流动体系，用单位时间作计算基准有时较 方便。例如：以1小时、1天等的投料量或产品量 作基准。
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。
1.2.2 基本方法
(3) 根据过程的不同情况选择物料衡算式进行计算。 具体进行物料计算时，可采用下列步骤 1)收集已知数据，如进入或输出体系的物料的流量、 温度、压力、浓度、密度等。
若每个股流有 n 个组分， 则可列出下列衡算式： 总物流衡算式
F P W
3
P, xPi F, xFi
1
过程
2
W, xWi
各组分的衡算式
FxFi PxPi WxWi
F——进入体系的物料；
P、W——输出体系的物料； xFi、xPi、xWi——分别为F、P、W中组分i的质量分数（对 于没有化学反应的过程，也可用摩尔数）。
1.2.3 无化学反应过程的物料平衡
若物料中有n个组分，可列出n个组分的衡算式和一 个总物料衡算式，共n+1个衡算方程
归一定律
xF1 xF 2 xFn＝ 1 xP1 xP 2 xPn＝ 1 xW 1 xW 2 xWn＝ 1
x
i 1 n
n
Fi
1 1 1
1
2
D＝? xDB=?
精 馏 塔
3
W＝ ? wWB 0.02
92 86.13 M F 0.4196 78 1 0.4196
20000 F 232 .2 86.13 kmol/h
例1.2.3-1
馏出液苯回收率为97％
DxDB 97.43 0.97 94.51
x
i 1 n i 1
Pi
x
Wi
n+1个方程中，只有任意n个方程是独立的。
对有n个组分的体系，只需求解n个未知量。
(1) 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、或 整个过程简化成一个设备的过程。在物料流程简图 中，设备的边界就是体系的边界。 以连续蒸馏塔为例，连续蒸馏塔物料衡算的目的是 找出塔顶产品、塔底产品的流量和组成与原料液的 流量和组成之间的关系，若塔的分离任务已定，则 已知进料组成和流量可求出塔顶和塔底产品的流量 和组成。
I
II
S5 B T X mol/h 0.0045 0.43 0.5655
体系 A II I）： ）： 体系B C（塔 （整个过程）： 总物料 1000=S S3=S +S 总物料 1000=S 2+S 4 35 2+S 4+S 5 苯 1000 x3BS+ =0.03S 0.5=0.95S +0.0045S 苯 10000.5=0.95S 4+0.0045S 2+x3BS5 3 5 2 3 0.03S4 甲苯 1000 x3TS =0.95S S3 甲苯 10000.3=0.03S +0.95S +0.43S 30.3=0.03S 4+0.43S 2+x3T5
F＝ 232.2kmol/h xFB＝0.4196
1
2
D＝? xDB=?
精 馏 塔
FxFB DxDB WxWB
F D W
3
代入已知数据得
232 .2 0.4196 94.51 0.02351W 232 .2 D W
W＝ ? xWB 0.02351
得 W=124.2 kmol/h D=108 kmol/h
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＝输 出体系的物料量 ＋体系积累的物料量
1.2.1 基本概念
若体系内有化学反应发生，在作衡算时，要把由反 应消耗或生成的量考虑在内
进入体系的量 反应生成或消耗的量 ＝输出体系的量＋体系 积累的量
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。
物料和能量平衡
Prof. Dr. Yang Xuefeng
School of Chem. Eng.an University
1.1 概述
物料衡算和能量衡算是化工工艺设计的基础，也是 进行化工工艺设计及经济评价的基本依据。