化工过程设计 第三章 物料衡算与热量衡算(1)
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。
化工原理物料衡算和热量衡算
化工原理物料衡算和热量衡算引言化工工程涉及许多物料的处理和转化过程，同时也需要考虑热量的平衡。
物料衡算和热量衡算是化工原理的重要内容，对于工程实践和过程优化具有重要的意义。
本文将介绍化工原理中的物料衡算和热量衡算的基本原理和计算方法。
物料衡算物料衡算是指对于化工工程中物料流动和转化过程的计算和分析。
在化工工程中，物料的流动和转化是实现各种反应和分离操作的基础，因此正确的物料衡算是保证工程设计和操作的关键。
在物料衡算中，我们通常需要考虑以下几个方面： 1. 物料的质量衡算：即对物料的质量输入和输出进行计算和分析。
对于物料的质量衡算，我们需要注意物料流动的平衡原则，即质量的输入必须等于输出。
2. 物料的能量衡算：即对物料的能量输入和输出进行计算和分析。
能量的输入和输出会影响物料的温度和相变过程，因此在能量衡算中需要考虑物料的热力学性质。
3. 物料的流动速度衡算：即对物料流动速度进行计算和分析。
物料的流动速度决定了反应和分离操作的效率，因此在物料衡算中需要合理地确定流量和速度的关系。
4. 物料的浓度衡算：即对物料中组分浓度的计算和分析。
物料的浓度会影响其反应和分离的速率和效果，因此在物料衡算中需要考虑不同组分浓度的变化规律。
物料衡算通常使用质量守恒和能量守恒等基本原理进行计算。
同时，还可以利用化学反应平衡的原理和质量流动的平衡原则进行衡算过程中的参数确定。
热量衡算热量衡算是化工工程中热力学过程的计算和分析。
在化工工程中，热量的平衡是保证反应和分离操作能够正常进行的基础。
热量衡算需要考虑以下几个方面： 1. 热量的输入和输出：即对于热量的输入和输出进行计算和分析。
在化工工程中，我们通常需要对热量的输入和输出进行平衡，以保证工程操作的稳定性。
2. 热量的传递和转化：即对于热量的传递和转化过程进行计算和分析。
热量的传递可以通过传导、对流和辐射等方式进行，因此在热量衡算中需要考虑传热方式的影响。
3. 热平衡的计算：即对于反应和分离过程中热量平衡的计算和分析。
化工设计 第3章 物料衡算和热量衡算PPT课件
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3.1 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，流 程框图如下，要求由已知资料，计算各物流的流率 （kg/h），以便进行设备设计。
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3.1 物料衡算
• 解：
由于除空气进料后的其余组成均是以质量百分数表示的， 所以取基准：100 kmol 气体进料。因此，将空气—— 丙酮的摩尔分率转换成质量分率
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3.2 热量衡算
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3.3 化工计算基础数据及来源
• 在化工计算以及化工工艺和设备设计中，必不可 少地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、烩、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。这些数据习惯上称为“化工基础数 据”，它是由物料本身的物理化学性质所决定的。 因此，又被称作“物化数据”或“物性数据”。
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3.2 热量衡算
• 方法
– 计算依据 热力学第一定律（能量守恒定律） – 平衡方程
Q W H g h u 2/2
在进行设备设计时，位能变化、动能变化、 外功等项相对较小，可忽略。所以流动系统的 能量衡算式为
H Q
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3.2 热量衡算
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3.2 热量衡算
分解液组成
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化工设计第3章物料衡算与能量衡算
化工设计第3章物料衡算与能量衡算在化工设计中，物料衡算与能量衡算是非常重要的步骤。
物料衡算主要是指对化工过程中所使用的各种原材料的进出量进行计算，能够帮助工程师了解原料的使用情况，为后续的工艺设计提供依据。
而能量衡算则是对化工过程中的能量转化进行计算，可以获得能量消耗和产生的数据，有助于优化能源利用，提高生产效益。
物料衡算的主要步骤包括：确定物料流程图、编制原料清单、计算物料进出量和考虑损失。
首先，需要根据工艺流程确定物料的流向，画出物料流程图，明确物料的进出口。
然后，根据物料流程图编制原料清单，列出每种原料及其使用量。
接下来，根据反应方程式和化学平衡计算物料的进出量。
最后，要考虑到物料的损失情况，例如挥发、流失和反应损失等，并对损失量进行合理估计。
能量衡算的主要步骤包括：确定能量流程图、计算能量损失和能量转化。
首先，需要根据工艺流程确定能量的流向，画出能量流程图，明确能量的进出口。
然后，根据各个过程单元的热平衡计算能量的损失，例如由于传热而损失的热量。
接着，需要计算能量的转化，例如燃料的燃烧、蒸汽的产生等。
最后，通过能量衡算可以得到能量的消耗和产生数据，为能源优化提供依据。
物料衡算和能量衡算的结果可以互相影响。
例如，在物料衡算中，如果其中一种原料的进出量大幅增加，会导致能量的消耗也增加。
而在能量衡算中，如果能源的利用率提高，能够减少原料的消耗。
因此，在进行物料衡算和能量衡算时，需要综合考虑两者的关系，以达到优化生产效益的目的。
总之，物料衡算和能量衡算是化工设计过程中非常重要的环节。
通过对物料和能量的计算和衡算，可以获得关键数据，为后续的工艺设计和能源优化提供依据，提高生产效益，降低成本。
因此，对于化工工程师来说，掌握物料衡算和能量衡算的方法和技巧非常重要。
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：
化工设计第三章 物料和能量衡算110页
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。
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。
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)
物料衡算有两种情况:
一种是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。（一般的作业）
另一种是设计一种新的设备或装置，根据设计 任务，先作物料衡算，求出进出各设备的物料 量，然后再作能量衡算，求出设备或过程的热 负荷，从而确定设备尺寸及整个工艺流程。 （设计）
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)
化工设计之物料衡算和热量衡算
根据水平衡，可以核对以上结果：
加入的水量=41.8×0.2+39×0.07+19.2×0.10＝13kg
混合后的酸，含13%H2O，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H2SO4与HNO3
两个衡算式，或H2SO4、HNO3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：
物，离开系统的产品或废液的物 流量. （2）进入蒸镏塔的组分.
这样才可能得出完整的解， 否则只能部分解。此例体 现了物料衡算式中未知变 量数与独立方程式数目不 相等时，无法进行衡算。
【 例如3-3 】 有两个蒸馏塔的分离装置，将含50%苯、30%
（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
Ns
Nr
Fi xij jmrm 0( j 1,2,..., NC )
i 1
m1
Fi—第i股物流物质的量流量； xij—第j组分在第i股物流中的摩尔分数； vjm—第j组分在第m个化学反应中的化学计量系数; rm—第m个化学反应的反应速率； Nr—过程中所包含的化学反应个数。
利用物理与化学的基本定 律，对化工过程单元系统 的物料与能量平衡进行定 量计算。
•化工工艺设计 •过程评价 •节能分析 •过程最优化
基础
物料衡算和能量衡算
解 决
• 1、找出主、副产品的生成量、废物的排出量。 • 2、确定原材料消耗定额。 • 3、确定各物流的流量、组成和状态。 • 4、确定每一个设备内物质转换与能量传递速度。
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。
化工设计知识题及解答第三章
第三章物料衡算与热量衡算习题1连续常压蒸馏塔进料为含苯质量分数(下同)38％(wt)和甲苯62％的混合溶液，要求馏出液中能回收原料中97％的苯，釜残液中含苯不低于2％。
进料流量为20000kg ／h ，求馏出液和釜残液的流量和组成。
解：苯的相对分子质量为78，甲苯的相对分子质量为92。
以下标B 代表苯。
进料中苯的摩尔分数 38780.419638627892FB x ==+釜残液中苯的摩尔分数 2780.023*********WB x ==+进料平均相对分子质量 0.419678(10.4196)9286.13M =⨯+-⨯= 进塔原料的摩尔流量 2000232.2/86.13F kmol h == 依题意，馏出液中能回收原料中97%的苯，所以97.430.9794.51/DB Dx kmol h =⨯=作全塔苯的质量衡算得 FB DB WB Fx Dx Wx =+作全塔总质量衡算得 F W D =+ 将已知数据代人上述质量衡算方程得 232.20.419694.510.02351⨯=+ 232.2W D =+解得 124.2/,108/W kmol h D kmol h == 所以，94.5194.510.8752DB x ===习题2 采用蒸发方法将浓度为10%NaOH （质量浓度）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%H 2O 。
若每批处理1000kg 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。
解：所选择的基准为：每批处理量，1000kg 原料液总物料衡算F1 = F2 + F3 + F4组分物料衡算NaOH 平衡 1000×0.1=0.5F4 NaCl 平衡 1000×0.1=0.02F4+F3H 2O 平衡 1000（1-0.1-0.1）=F2+0.48F4 解得： F2=704kg ，F3=96kg ，F4=200kg 习题3 丙烷充分燃烧时要使空气过量25％，燃烧反应方程式为： 38222534C H O CO H O +→+试计算得到100摩尔燃烧产物（又称烟道气）需要加入的空气的摩尔量。
化工计算第三章物料衡算1
化工计算第三章物料衡算11. 引言在化工领域，物料的衡算是非常重要的一个环节。
物料衡算是指根据化工过程中所使用的原料和产物，计算原料的用量、产物的得率以及各种物料之间的比例关系等。
在化工生产过程中，准确的物料衡算能够提高生产效率、节约原料成本，并且确保产品质量的稳定性。
本文将介绍化工计算中的物料衡算的基本概念和计算方法，并通过实例来说明物料衡算的具体操作步骤。
2. 物料衡算的基本概念在进行物料衡算之前，我们首先需要了解一些基本概念：2.1 原料在化工生产过程中，原料是指用于制造产品的起始物质。
原料可以是固体、液体或气体，具体取决于化工过程的需求。
2.2 产物产物是指化工过程中生成的最终产品或副产品。
产物的种类和质量取决于原料的配比和反应条件。
2.3 用量用量是指在化工过程中，各种原料的加入量或消耗量。
用量可以通过实验或计算得到。
2.4 得率得率是指产物与理论产物之间的比值，用于衡量化工过程的效率。
得率可以通过实验或计算得到。
3. 物料衡算的计算方法在进行物料衡算时，我们可以运用各种数学和化学的计算方法，例如质量守恒定律、化学方程式的平衡等。
3.1 质量守恒定律质量守恒定律是物料衡算中最基本的原则之一。
根据质量守恒定律，化学反应前后的总质量保持不变。
在物料衡算中，可以通过质量守恒定律来计算原料的用量和产物的得率。
3.2 化学方程式的平衡在进行物料衡算时，往往需要考虑化学方程式的平衡问题。
化学方程式的平衡可以通过调整配比来实现。
根据化学方程式的平衡，可以计算各种原料的用量和产物的得率。
3.3 实验方法在进行物料衡算时，实验方法是一种常用的手段。
通过实验，可以确定原料的用量和产物的得率，并且验证计算结果的准确性。
4. 实例分析下面通过一个实例来说明物料衡算的具体操作步骤。
假设某化工过程需要用到A、B两种原料，化学方程式如下：2A + 3B → C已知反应中A的用量为100 g，B的用量为200 g。
我们需要计算产物C的得率。
化工设计——第三章物料衡算和能量衡算
化工设计——第三章物料衡算和能量衡算在化工设计中，物料衡算和能量衡算是非常重要的步骤，能够帮助工程师确定所需的原料量和能量消耗，从而确保工艺的正常运行和产出的质量。
本章将介绍物料衡算和能量衡算的基本概念、方法和步骤，并结合实例进行说明。
物料衡算是指根据化工反应方程式和反应条件，计算出反应过程中所需的原料量和生成物的产量。
在进行物料衡算时，首先需要了解反应方程式和反应条件，然后确定产物的理论产量和选择适当的反应条件。
根据反应方程式可以计算出反应物的摩尔比例，从而推算出所需的原料量。
此外，还需要考虑反应物的纯度和反应的完全度，从而计算出实际需求的原料量。
在进行能量衡算时，需要考虑到反应过程中的热平衡问题。
热平衡是指在反应过程中吸热和放热的平衡状况。
反应过程中发生的放热或吸热会对反应速率和反应的完全度产生影响。
因此，在进行能量衡算时，需要计算出反应过程中的放热或吸热量，以及确定采取何种措施来保持反应的温度稳定。
物料衡算和能量衡算的步骤如下：1.确定反应方程式和反应条件。
根据反应方程式可以了解到反应物与产物之间的摩尔比例关系，从而推算出所需的原料量。
同时，还需要确定反应的温度、压力和反应时间等条件。
2.计算理论产量。
根据反应方程式和摩尔比例关系，可以计算出理论产量。
理论产量是指在完全反应情况下，根据所需原料的量计算得出的产物的量。
3.考虑反应的完全度和反应物的纯度。
反应过程中可能会有一些副反应或未完全反应的情况发生，从而影响到实际产量。
同时，还需要考虑到原料的纯度，因为原料的纯度不同也会影响到实际需求的原料量。
4.计算出实际需求的原料量和实际产物的产量。
根据前面的步骤计算出实际需求的原料量和实际产物的产量，并与理论值进行比较。
5.进行能量衡算。
根据反应过程中的吸热或放热情况，计算出反应过程中的热量变化。
根据所需的反应温度和反应热量，选择适当的降温或加热措施，以保持反应的温度稳定。
在进行物料衡算和能量衡算时，需要注意以下几点：1.实验数据的准确性和可靠性。
化工工艺物料衡算和能量衡算
11
第三章 物料衡算与能量衡算
2.变量 有Ns股物流， Nc个组分数，Np个设备参数 总变量数：
Nv= Ns（Nc +1）+ Np 设计变量
12
⑴ 转化率
转化率 =
反应物的反应量 反应物的进料量
xA =
nA0 nA nA0
⑵ 选择性
选择性 =
生成目的产物所消耗的反应物量
原料的反应量
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化学反应过程的能量衡算
一、反应热
在化学反应中放出的热量取决于反应条件。在标 准条件下，纯组分、压力为0.1MPa、温度为25℃（并 非一定需要），反应进行时放出的热量称为标准反应 热。
基准
H 0 r
=-56.68 kJ/mol
第三章 物料衡算与能量衡算
33
（1）标准生成热
H
0 f
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由 反应热计算得到。
合计
3kmol； 4kmol； 1.25kmol； 23.51kmol； 31.76kmol；
100 29.76
x = 31.76 = 93.7kmol
8
2.基准：1kmol空气
实际供氧
0.21/1.25=0.168kmol；
燃烧C3H3
0.21/（5×1.25） =0.0336kmol；
供给空气量
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第三章 物料衡算与能量衡算
第三节 化学反应过程的能量衡算
教学内容： 结合具体实例，理解以反应热效应为基础和以 生成热为基础两种反应过程能量衡算方法 的计算原理和计算方法。 重点和难点： 重点掌握两种衡算方法的衡算基准和计算方法。 难点是热量衡算的基准，包括温度、压力和相 态，以及有相变时其热量的正负符号的取 向。
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
化工设计习题及解答第三章教学内容
化工设计习题及解答第三章第三章物料衡算与热量衡算习题1连续常压蒸馏塔进料为含苯质量分数(下同)38％(wt)和甲苯62％的混合溶液，要求馏出液中能回收原料中97％的苯，釜残液中含苯不低于2％。
进料流量为20000kg ／h ，求馏出液和釜残液的流量和组成。
解：苯的相对分子质量为78，甲苯的相对分子质量为92。
以下标B 代表苯。
进料中苯的摩尔分数 38780.419638627892FB x ==+釜残液中苯的摩尔分数 2780.023*********WB x ==+进料平均相对分子质量 0.419678(10.4196)9286.13M =⨯+-⨯= 进塔原料的摩尔流量 2000232.2/86.13F kmol h == 依题意，馏出液中能回收原料中97%的苯，所以97.430.9794.51/DB Dx kmol h =⨯=作全塔苯的质量衡算得 FB DB WB Fx Dx Wx =+作全塔总质量衡算得 F W D =+ 将已知数据代人上述质量衡算方程得 232.20.419694.510.02351⨯=+ 232.2W D =+解得 124.2/,108/W kmol h D kmol h ==所以，94.5194.510.8752DB x ===习题2 采用蒸发方法将浓度为10%NaOH （质量浓度）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%H 2O 。
若每批处理1000kg 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。
F1=1000kgF2 kg晶体,F3原料液 10%NaOH 10%NaCl 80%H 2O50%NaO H解：所选择的基准为：每批处理量，1000kg 原料液总物料衡算F1 = F2 + F3 + F4组分物料衡算NaOH 平衡 1000×0.1=0.5F4 NaCl 平衡 1000×0.1=0.02F4+F3 H 2O 平衡 1000（1-0.1-0.1）=F2+0.48F4 解得： F2=704kg ，F3=96kg ，F4=200kg习题3 丙烷充分燃烧时要使空气过量25％，燃烧反应方程式为： 38222534C H O CO H O +→+试计算得到100摩尔燃烧产物（又称烟道气）需要加入的空气的摩尔量。
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。
化工设计物料衡算和热量衡算
过滤过程
料浆
滤饼 90%固体
F1=2000kg/h 75%液体 25%固体
过滤机
F3=？kg/h 10%液体
F2=？kg/h 1%固体 99%液体
滤液
对某反应系统，可画出物料衡算方框图如下：
3.确定衡算体系（衡算范围）。 物料衡算是研究某一个体系进、出物料量及组成的
变化。 进行物料衡算时，必须首先确定衡算的体系。
（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。
6.列出物料衡算式，然后用数学方法求解。 根据质量守恒定律，对某一体系，输入体系的物料量 应该等于输出物料量与体系内积累量之和。
输 物 入 料 的 量 ＝ 输 物 出 料 的 量 ＋ 积 物 累 料 的 量
Ns
Nr
F ixij jm rm0(j1,2,..N .C,)
i1
m 1
❖ Fi—第i股物流物质的量流量； ❖ xij—第j组分在第i股物流中的摩尔分数； ❖ vjm—第j组分在第m个化学反应中的化学计量系数; ❖ rm—第m个化学反应的反应速率； ❖ Nr—过程中所包含的化学反应个数。
（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
现了物料衡算式中未知变 量数与独立方程式数目不 相等时，无法进行衡算。
【 例如3-3 】 有两个蒸馏塔的分离装置，将含50%苯、30%
甲苯和20%（mol%）二甲苯的混合物分成纯的三 个馏分，其流程图及各流股组成如图。
进入系统的物流为两个，离开系统的物流为三个，其中已知 一个物流量，因此有四个物流是未知的。
水F1 1200kg/h
吸 收 塔
混合气体F2，1.5 （mol）%丙酮
空气F3
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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3.1 物料衡算与热量衡算概述
物料衡算（Material Balance），简称“MB” 热量衡算（Heat Balance），简称“HB” 能量衡算（Energy Balance），简称“EB” 物料衡算与能量衡算的联立计算（Combined Balance）， 简称“CB”
i-C5 0.20
C5 0.30
2
精 馏 塔
3
C3 i-C4 0.40 i-C5
i-C4 0.20 i-C5 C5
设计要求： 1、进料中85％的i-C5 从塔顶馏出； 2、组成均为摩尔分率；
解：该精馏塔系统的自由度分析如下：
方程组自由度≡变量数－方程数
方程组自由度﹤0 方程组自由度﹥0 方程组自由度＝0
无解 多解（超定解、不定解）
有唯一确定解
问题：化工流程中为什么也会出现自由度的概念？
2、化工流程自由度定义
化工流程的自由度≡流程变量总数－衡算方程数－已知变量数 －已知其它关系式数
其中： 流程变量总数
流股变量数 单元变量数
方法一
12 1（而不是3）
9 2 0
方法二（直观） 6（4＋2） 1（而不是3） 3（1＋2） 2 0
2、具体MB计算（略）
在开始下一节讲授之前，大家馏塔流程的方案，试做其MB计算:
100 kmol/h
C3 0.20 i-C4 0.30
1
但唯独分流器（分配器，splitter）具有特殊性。
那么，什么是分流器呢？ 它有什么作用和特点？
分流器示意图：
分流器
分流器的特点： ①、其所有流股的组成相同； ②、无反应，各流股只是流量不相同。 分流器的作用：
将一个流股拆分为几个组成相同、流量不同的分流股，分拆开的流 股，一部分回流（recycle），一部分防空（purge）。 分流器单元的MB方程数的特殊性：
无论分流器牵涉到多少种组份，其独立MB方程只有1个。
例题：有如下一个分流器：
1000 Kg/h
1
NaCl 0.20
2
分流器
3
Na2SO4 0.40
4
H2O 0.40
要求：F2＝2F3，F3＝0.25F4， 试做其自由度分析并求解其MB。
（组成为质量百分比浓度）
解：1、该分流器的自由度分析表如下：
独立流股变量数 独立MB方程数 已知流股变量数 已知其它关系式数 自由度
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：
EBHB
3、在HB计算中，压力对焓值的影响
热焓是状态函数，严格而言，它同时与温度和压力有关。 但温度对焓值的影响更加显著。在压力水平不高且压力变化不
大的化工流程中，一般认为焓值只是温度的函数，以简化计算。
其它方程包括： 设计约束方程（最常见）； 相平衡方程，等等。
MB、HB衡算计算的任务： 就是解MB、HB、其它方程组成的方程（组），求解出衡算范围内
未知的流股变量和设备单元变量。
2、化工流程的操作状态及其对应的衡算计算基准 （1）、连续生产流程（稳态流程）
特点： 参数是位置的函数，而不随时间而变。
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
注意：对多相流股，其流股变量的描述比较特别。
2、设备单元变量
在忽略流程做功（dW/dt或W）的情况下，设备单元变量分为两种：
设备单元变量
ri （i＝1,2,…,m；某单元内含m个独立反应） （描述反应程度）
dQ/dt （Q）（描述某设备单元的传热）
3、分流器的自由度分析有特殊性
对一个化工单元设备，一般而言，它涉及到几种组份就相应可 以列出几个独立的MB方程。
衡算方程数
MB方程数 HB方程数
其它关系式
设计约束方程 相平衡关系式，等等
注意：变量、方程全部必须相互独立。
二、化工流程自由度分析应注意的几个问题
1、流股变量 对一个含n种组份的单相流股，其流股变量描述为： F，T，P，x1， x2 ，……，x n－1
若压力P对热焓影响较小，则流股变量忽略P，变为： F，T，x1， x2 ，……，x n－1 进一步，若仅做MB计算，则流股变量忽略温度T，变为： F，x1， x2 ，……，x n－1 （共n个）
半间歇半连续流程框架示意图：
连续部分
储罐
间歇部分
注意：在二种操作模式的交界处，必须设置储罐。
衡算计算基准： 以二者之间的储罐为分界点，按间歇、连续分段计算。
本章讲解顺序： 1、化工流程的自由度分析； 2、单独的MB计算 3、MB、HB的联立计算； 4、计算机辅助MB、HB计算。
不带反应 带反应
3.2 化工流程的自由度分析 一、化工流程自由度的定义 1、数学方程组自由度问题
1、MB、HB的定义与任务
从化工流程内的MB方程、HB方程出发，结合其它有关方程，求 解确定流程中所有流股的状态，以及有关设备的单元变量。
流股状态可用一组流股变量来描述： F，T，P，x1， x2 ，……，xn－1
设备的单元变量： dQ/dt （Q）、dW/dt （W）、ri （i＝1，2，…,m）
二、化工工艺计算中的衡算计算的范围
要进行衡算计算，就要确定衡算的范围。化工流程设计衡算的范围可 能有如下几种情况：
1、流程中某一个单元设备； 2、流程中某几个单元设备组合的子流程； 3、整个流程。
衡算计算范围示意图： 边界线（Boundary Line）围起来的区域构成衡算范围。
三、MB、HB的定义与任务
适用情况： 产量大，物系稳定性较好。
衡算计算基准：时间基准（ /s, /h, /d）
（2）、间歇生产流程（动态流程、批处理过程） 特点： 参数不仅是位置的函数，也是时间的函数。
适用情况： 产量小，物系稳定性较差，需要切开批次的过程。
衡算计算基准： /批（ /Batch）
（3）、半间歇半连续生产流程 特点：间歇操作和连续操作同时出现在一个流程内。 适用情况： 物料流在流程内流量变化大；流程内有些物质稳定性好， 有些物质稳定性较差。