3第四章物料衡算和能量衡算总结
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。
物料与能量衡算
组分
苯酐
顺 酐 邻二甲苯
O2
N2
其他
合计
%（mol） 0.65
0.04
0.03
16.58
78
4.70
100
O-xylene air
【O】 Conversion
O-xylene
O2 Benzoic acid anhydride
Cis-butenedioic anhydride
N2 Others
４、以节点进行计算
）
则总蒸发水量为
W总
8000（0 1
15 ） 60
60000k
g
/
h
四效蒸发系统的物料衡算过程
第三效蒸发水量为
15
W
80000(1
) 17.8
12600kg
/
h
进入第Ⅳ的料液量 80000-12600=67400kg/h
则第Ⅳ效的蒸发水量WⅣ为
67400(1 17.8 ) 14300kg / h 22.6
输入(某种元素)＝输出(同种元素) ➢对反应过程中化学反应很复杂，无法用一、 两个反应式表示的物料衡算，可以列出元素 衡算式，用代数法求解。
丙烷充分燃烧时，要供给的空气量为理论量的125%，问每 10mol燃烧产物，需多少mol的空气？反应：
C3H8+5O2
3CO2+4H2O
丙烷 空气 （O2 N2）
101.01
0.2
101.01 303.12 R
R=100.92kmol/h
Eg1-4 合成氨方面的工艺计算
循环气R
原料F1 F2 1%氩气、 甲烷
reactor
驰放气F4
12.5%惰性气 体
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
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。
精选4物料衡算与热量衡算cks
CnHm+RO2→nCO2+0.5mH2O式中 R=n+0.25m。该反应可分解为C与H2的燃烧反应，即 C+O2→CO2 H2+0.5O2→H2O
(i=1,2, ……,NT)
(张量基本知识)
(j=1,2, ……,NC)
4.1.2 混合器和分离器的物料衡算
a. 简单混合
(j=1,2, ……, NC)
图3.2 简单混合系统示意图
i=1,2, ……, NT-1j=1,2, ……, NC
简单混合例题
例5.1 将含有40%(质量百分率)硫酸的废液与98%浓硫酸混合生产90%的硫酸，产量为1000kg/h。各溶液的第二组分为水，试完成其物料衡算。
解: 水： 0.6F1+0.02F2=0.1F3=100
联立：F1= 138 kg/h F2= 862 kg/h
计算结果
图5.3 硫酸简单混合系统计算结果
几个组分就有几个独立方程；几个组分就有几个独立变量；几个组分流股方程中就有几项。
结果分析
b.简单分离
100.0100.075.025.0100.025.00.05
50.075.037.537.575.037.50.08
282.1282.1282.1282.10.57
100.075.075.00.15
100.075.075.00.15
表4.4 计算结果
例4.3 计算结果
4.1.4 简单的过程计算
100.0
引出气体的组成 (摩尔分数)%
引出气体 494.6
进入气体 457.1
3物料衡算和热量衡算
3物料衡算和热量衡算计算基准年产 4500 吨的二氯甲烷氯化汲取，年工作日 330 天，每日工作 24 小时，每小时产二氯甲烷：=h物料衡算和热量衡算反响器的物料衡算和热量衡算本反响为强放热反响，如不控制反响热并移走，温度会急剧高升，产生激烈的焚烧反响，是氯化物发生裂解反响。
由此能够经过加入过度的甲烷获得循环气，以之作为稀释剂移走反应热。
（一）计算依照（1）二氯甲烷产量为：kg/h ，即：kmol/h ；（2）原料构成含: Cl296%，CH495%；（3）进反响器的原料配比（摩尔比）:Cl2：CH4：循环气 =1：：（4）出反响器的比率: CH2Cl2：CHCl3=1：（质量比）(CHCl3+CCl4)/CH2Cl2=（摩尔比）；（5）操作压力:（表压）；（6）反响器入口气体温度25o C，出口温度 420o C。
（二）物料衡算反CH3ClCl2CH2Cl2应CHCl3CH4CCl4HCl假定循环气不参加反响，只起到带走热量的作用。
则设入口甲烷为X kmol/h，出反响器的一氯甲烷Y kmol/h，氯化氢Z kmol/h。
由进反响器的原料配比（摩尔比）Cl2：CH4：循环气 =1：：原料构成含: Cl296%， CH495%。
可知：=得入口Cl2为kmol/h由 CH2Cl2： CHCl3=1：（质量比）可得 CHCl3每小时产量为：× =h由 (CHCl3+CCl4)/CH2 Cl2=（摩尔比）可得 CCl4的量为×－ =h用元素守衡法则： Cl 元素守衡=Y+×2+×3+× 4+Z①H 元素守衡4X=3Y+×2++Z②C 元素守衡X=Y+++③解方程①①③得X=hY=hZ=h（1）所以反响器入口原猜中各组分的流量：Cl2: ×=h=h （纯）=h=h （含杂质）CH4:h=h（纯）=h=h（含杂质）循环气流量： 3×= kmol/h= Nm3/h此中： CH3Cl： kmol/hN2：× 4%＋× 3%= kmol/hCO2：× 2%= kmol/hCH4：－－－ = kmol/h入口气体总量：＋＋= kmol/h（ 2）反响器出口中各组分流量：CH3Cl： kmol/hCH2Cl2： kmol/hCHCl3： kmol/hCCl4：kmol/hHCl：kmol/h循环气：kmol/h出口气体总量：＋＋＋＋= kmol/h（ 3）出口气体中各组分的含量：CH3Cl：×100%=%CH2Cl2：× 100%=%CHCl3：×100%=%CCl4：×100%=%HCl：× 100%=%N2：×100%=%CO2：×100%=%CH4：× 100%=%表 3— 1 反响器物料均衡组分反响器入口反响器出口kmol/h构成 %（mol ）kg/h kmol/h构成%（mol）kg/h CH4Cl2CH3ClCH2Cl2CHCl3CCl4HClN2CO2总计100100（三）热量衡算以 25℃为基准温度由《氯碱工业理化常数手册》查得以下数据：表 3—2 反响物料标准摩尔生成焓f/ （ kJ/mol）物质输入输出CH Cl CO CH Cl CH Cl CHCl CClHCl42232234 n(kmol)f0-100f∑生成物 nθfθ6f m －∑反响物n m=－× 10 kJ =H H420℃时，由《氯碱工业理化常数手册》查得以下数据：表 3—3 生成物的标准摩尔定压热容/(J﹒ K-1﹒mol-1)物质CH3 2 234HCl N2CO2Cl CH Cl CHCl CCl n(kmol)t = 420－ 25=395℃输出焓：∑H = ∑n t = ×106输出kJ输入焓：∑输入 H = 0则放出的热量： Q 放出 =f+∑输出 H+∑输入 H=－× 106 kJ℃时，由《氯碱工业理化常数手册》查得以下数据：表 3—4 循环气各物质的标准摩尔定压热容/(J﹒ K-1﹒mol -1)物质CH43N2CO2CH Cln(kmol)循环气带出热量： Q 带出 =∑n t=× 106 kJ考虑 4%热损失，则× 106×（ 1-4%）=则 Q放出= Q带出循环气能带走的热量恰巧为反响气放出的热量，是反响温度保持在420℃左右能够保持反响顺利进行。
乙烯生产工艺条件的确定—物料、热量衡算知识
3. 物料衡算
3.2 物料衡算
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：
一类为设计任务所规定的已知条件； 一类为与过程有关的物理化学参数。 6. 列出物料衡算方程参数。
3. 物料衡算
3.2 物料衡算
物料衡算的基准 时间基准：对连续稳定过程，用单位时间的物料量作基准。 质量基准：固体或液体物料，选用单位质量为基准； 体积基准：气体物料，选用m3（STP），因它不随T、P变化。 当量基准：对化学反应过程，选用kmol，因为反应为等当量
反应。
3. 物料衡算
3.2 物料衡算
7. 列出过程的全部独立物料平衡方程式及其他相关约束式。 8. 选择计算基准。 9. 统计变量个数与方程个数，确定设计变量的个数及全部设
进入衡算单元 的物料量Fi
-
流出衡算单元 的物料量Fo
+
在衡算单元内生 成的物料量Dp
-
在衡算单元内消 耗的物料量Dr
=
衡算单元内积 累的物料量W
( Fi Fo ) ( Dp Dr ) W a）稳定操作过程（即稳流过程）：
( Fi Fo ) ( Dp Dr ) 0 b）系统内无化学反应：
3. 物料衡算和能量衡算
3.1 物料衡算和能量衡算概述 2、物料衡算与能量衡算的意义
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：
主、副产品产量； 原材料的消耗定额，过程的物料损耗； “三废”的生成量及组成； 水、电、汽或其他燃料等消耗定额； 设计物料流程图。
对有反应的过程，一般取25℃为计算基准。
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。
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
化工原理内容总结(1)
化工原理内容总结绪论篇1.物料衡算、能量衡算步骤。
步骤：画出简单流程示意图，并用带箭头的简单线条表明物料的流入、流出关系，且标注已知流量和单位。
确定好衡算范围、衡算基准。
列出衡算式。
能量衡算的步骤：[1]列出已知条件，即物料衡算的量和选定的工艺参数[2]选定计算基准，一般以KJ/h 计[3]对输入、输出热量分项进行计算[4]列出热平衡方程式，求出传热介质的量[5]热量衡算式如下:Q1+Q2=Q3+Q4+Q5式中:Q1-所处理原料带入热量Q2-由加热剂(或制冷剂)传给设备(或物料)的热量Q3+-所处理的物料从设备中带走的热量Q4-消耗在设备上的热量Q5-设备向四周散发的热量(热损失)2.物料衡算式中，积累量等于0和积累量不等于0的情况判别？因为，输人物料的总和∑G i =输出物料的总和∑G0+累积的物料量∑G a积累量=0则：输人物料的总和=输出物料的总和属于稳态过程,一般连续不断的流水作业(即连续操作)为稳态过程,其特点是在设备的各个不同位置上,物料的流速、浓度、温度、压强等参数可各自不相同，但在同一位置上这些参数都不随时间而变。
积累量<>0,则属于非稳态过程,一般间歇操作(即分批操作)属于非稳态过程,在设备的同一位置上诸参数随时间而变。
3.国际单位制中的基本单位是哪七个？七个基本单位：长度（m）、质量（kg）、时间（s）、温度（k）、物质量（mol）、电流强度（A）、发光强度（烛光或坎德拉，cd）4.哪几个单元操作同时遵循传热和传质基本规律？哪几个遵循流体流动基本规律？各种单元操作依据不同的物理化学原理,采用相应的设备,达到各自的工艺目的。
对于单元操作,可从不同角度加以分类。
根据各单元操作所遵循的基本规律,将其划分为如下几种类型。
①遵循流体动力学基本规律的单元操作,包括流体输送、沉降、过滤、物料混合(搅拌)等。
②遵循热量传递基本规律的单元操作,包括加热、冷却、冷凝、蒸发等。
③遵循质量传递基本规律的单元操作,包括蒸馏、吸收、萃取、吸附、膜分离等。
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
物料衡算与能量衡算概述
物料衡算与能量衡算概述物质衡算是指在化学等相关领域中，对物质的转化过程进行计算、推导和分析的过程。
这种衡算分为平衡和不平衡两种情况。
在平衡衡算中，假设没有产生或消失物质的情况下，通过观察、实验和数据收集，可以建立起物质之间的关系，并用化学方程式表示。
通过分析化学方程式中的反应物和生成物的摩尔比例关系，可以计算出物质的应有摩尔数或质量。
平衡衡算通常用于确定反应物和生成物的物质量之间的关系。
在能量衡算中，主要计算的是物质转化中伴随的能量变化。
能量衡算是根据能量守恒定律，在一个封闭系统中分析物质变化的能量转移过程。
通过考虑反应实际发生时的热交换、温度变化或焓变化等因素，可以计算出反应的能量变化。
能量衡算通常用于评估反应的热效应、反应的热力学性质和计算化学反应的热平衡常数。
在物质衡算和能量衡算中，常用的计算方法包括摩尔计算、质量计算和体积计算。
通过摩尔计算可以确定反应物和生成物之间的摩尔比例关系。
质量计算则是根据物质的质量和摩尔质量之间的关系计算出物质的摩尔数或质量。
体积计算则是根据反应物和生成物的摩尔比例关系以及气体的状态方程计算出气体的体积。
物质衡算和能量衡算在化学 reaction 的研究中非常重要。
通过衡算，可以了解化学反应的定量关系，探究反应热力学性质，预测反应的产物以及确定反应的条件和效率。
这种衡算方法在工业生产、环境保护和药物研发等领域具有重要的应用价值。
物料衡算和能量衡算是化学等领域研究中非常重要的工具和方法。
在化学反应和化学工艺过程中，通过对物质的转化和能量的转移进行衡算和计算，可以深入了解反应的过程和性质，为科学研究和工程实践提供重要的指导和依据。
物料衡算是通过观察、实验和数据收集，对物质的转化过程进行计算和推导的方法。
关于物质衡算的基本规则是质量守恒和摩尔守恒。
质量守恒是指在一个封闭系统中，物质不能被创造也不能被消灭，因此，反应物的质量必须等于生成物的质量。
摩尔守恒是指在一个反应中，摩尔比例关系是恒定的，反应物和生成物之间的摩尔比必须符合化学方程式中的系数。
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。
物料衡算和能量衡算概括
未反应的乙苯量（980-435.11）kg/h=544.89 kg/h，即为5.140kmol/h 由苯乙烯选择性，生成苯乙烯量4.109 kmol/h×90%=3.698 kmol/h， 即为384.60kg/h 由各物质的选择性，有 输出的甲苯量4.109 kmol/h×5%+0.217 kmol/h =0.423 kmol/h，即为38.92kg/h 生成的苯量4.109 kmol/h×3% =0.123 kmol/h，即为9.60kg/h 生成的乙烯量4.109 kmol/h×3% =0.123 kmol/h，即为3.44kg/h 生成的碳量4.109 kmol/h×2%×7 =0.575 kmol/h，即为6.9kg/h 生成的甲烷量4.109 kmol/h×（5%+2%） =0.288 kmol/h，即为4.61kg/h 输出的氢量4.109 kmol/h×（90%-5%+2%×3） =3.739 kmol/h，即为7.48kg/h 输出水量=输入水量（不参与反应）1470kg/h，即为81.667kmol/h 实际每小时要求苯乙烯的产量10000×1000kg/8000h=1250kg/h 比例系数1250/384.60=3.25
滤饼
F3=？kg/h 90%固体 10%液体
【例3】某蒸发过程及已知条件如下图所示 求：⒈ 母液量； ⒉ 蒸发水分量； ⒊ 结晶出的NaCl量
水蒸汽F2
解：本题为间歇过程 总平衡： F1=F2＋F3＋F4 NaOH平衡：0.1F1=0.5F4 NaCl平衡：0.1F1=0.02F4＋F3
联解上三式可得： F4 = 200kg F2 = 704kg F3 = 96kg
❖
❖ C6H5C2H5
Aspen物料衡算与能量衡算
2.1 衡算方法
基本概念 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。
在化工过程中，能量衡算是根据能量守恒定律，利用能量传
递和转化的规则，以确定能量比例和能量转变定量关系的过程。
能量衡算的理论依据是热力学第一定律，即体系的能量总变化
南 京 工 业 大 学 包 宗 宏
6/40
2.1.4 用软件进行物料衡算与能量衡算的要点 (1) 选择合适的因次模板。因次模板是ASPEN PLUS软件为 不同工艺过程编制的因次集，分为普通模拟过程与石油加工过 程两大类，每大类又含有若干套，每套都包含英制与公制两种 因次集，如表2-1。
南 京 工 业 大 学 包 宗 宏
含虚拟组分 真空
BK10, IDEAL
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
连续流动系统的总能量衡算式是柏努利方程式，即：
南
京
工
业
大 学
在进行设备的能量衡算时，位能变化、动能变化、外功等项
包 相对较小，可忽略不计，因此稳流系统总能量衡算可简化为热
宗 宏
量衡算。
3/40
2.1.3 衡算的基本步骤
(1)收集数据资料。一般需要收集的数据和资料包括生产规模 和生产时间(即年生产时数)、有关的定额、收率、转化率、原 料、辅助材料、产品、中间产品的规格、与过程计算有关的物 理化学常数等。
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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12
产物中各组分情况如下： 未反应的乙苯量（980-435.11）kg/h=544.89 kg/h，即为5.140kmol/h 由苯乙烯选择性，生成苯乙烯量4.109 kmol/h×90%=3.698 kmol/h，即为 384.60kg/h 由各物质的选择性，有 输出的甲苯量4.109 kmol/h×5%+0.217 kmol/h =0.423 kmol/h，即为38.92kg/h
• 对稳态过程，系统内质量的累积为零。 此时：进入系统的质量流量=排出系统的质量流量
3
4.1.1 物料衡算基准
一、物料衡算基准
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）
21103 973.2mol 22.4
每生成100Nm3尾气时消耗甲醇量为 178.6+35.7+1009.2+1169.6=2393.1mol 2393.1mol×32=76.6kg
24
③计算甲醇总消耗量 每消耗2393.1摩尔甲醇生成甲醛的量为 1169.6+1009.2=2178.8mol 2178.8×30=65.36kg 机械损失为2%，实得 65.36×0.98=64.1kg 得工业福尔马林
13
表3-2 乙苯脱氢反应器物料衡算表
输 入 输 出 摩尔流量 /(kmol/h) 16.705 1.375 265.418 12.019 0.004 0.004 质量流量 /(kg/h) 1770.89 126.49 4777.5 1249.95 31.20 11.18
组分
C6H5C2H5 C6H5CH3 H2 O C6H5C2H3 C 6 H6 C 2 H4
一、直接推算法
例 3-1 P64
C6H5C2H5
C6H5C2H5、C6H6、C6H5CH3
反应器
C6H5CH3、H2O H2O、CH4、C2H4、C、H2
9
例 3-1 P64
解：反应器中发生了以下化学反应： C6H5C2H5 C6H5C2H3 +H2 （1） （2） （3） （4）
C6H5C2H5+H2 C6H5CH3 +CH4 C6H5C2H5 C2H4+C6H6 C6H5C2H5 7C +3H2+CH4
CaCO3 CaO Ca(OH)2 x/W y/W z/W CaCO3 13.48% Ca(OH)2 0.28% Na2CO3 0.61% NaOH 10.36% H2O 75.27%
F NaOH 0.59% 苛化反 Na2CO3 14.88% 应器 H2O 84.53%
15
例3-2 P66
解 :设碳酸钠溶液的质量为F（kg）
21
例3-6 P71
工业甲醇 空气 水
尾气
反 应 器 反应气体
吸 收 塔
福尔马林
主反应 副反应
CH3OH+1/2O2 HCHO+ H2O CH3OH HCHO+ H2 CH3OH+3/2O2 CO2+ 2H2O CH3OH+ H2 CH4+ 2H2O
（ 1） （ 2） （ 3） （ 4）
22
例3-6 P71
4
二、基准的选择
当进料组成未知时，只能选质量基准
应选择已知变量数最多的流股作为计算基准 对处理量数值很大的，可先按100吨或100千克计算，再 换算到实际需要量 对液、固体系，常选取单位质量为标准
对气体物料，若环境条件已定，可选体积基准
5
4.1.2 物料衡算的基本步骤
⑴ 画出流程示意图 用线条或箭头表示每个流股的途径和流向 ⑵ 确定计算任务 标出符号，并写出化学反应方程式 ⑶ 确定组分数据 ⑷ 收集物性参数
n空气 875 3290 4165mol
反应耗氧量
875 0.510 852.7mol 22.4
3
23
例3-6 P71
②甲醇消耗量 反应（3）消耗甲醇量为
4103 178.6mol 22.4
反应（4）消耗甲醇量为
0.8103 35.7mol 22.4
反应（2）生成的氢，部分消耗于反应（4），现尾气中H2=21%， 氢摩尔数为 则反应（2）消耗甲醇量为 973.5+35.7=1009.2mo61 75.27 13.48
物质的量/kmol 0.0135 0.1285 4.2973 0.012 0.015 0.0116 296.169
物质的量/kmol 0.2590 0.00575 4.182 0.137
三、联系组分法
联系物是指系统中的特定组分，如生产过程中不参加反 应的惰性物质。随物料输入体系，但完全不参加反应，
摩尔流量 /(kmol/h) 30.046 0.705 265.418
质量流量 /(kg/h) 3185 65 4777.5
CH4
C H2
0.936
1.869 12.152
14.98
22.43 24.31
14 8028.93
合计
296.169
8027.5
310.482
二、原子平衡法
利用进出反应器的各种元素的原子种类和数目总保持守恒，列出原 子平衡方程式 例 3-2 将 碳酸 钠溶 液加入 石灰 进行苛 化 ， 已知碳 酸钠 溶液组 成 为 NaOH 0.59% （质量分数），Na2CO3 14.88%，H2O 84.53%，反应后 的 苛 化 液 含 CaCO3 13.48% ， Ca(OH)2 0.28% ， Na2CO3 0.61% ， NaOH 10.36%，H2O 75.27%。计算：1）每100kg苛化液需加石灰的 质量及石灰的组成；2）每100kg苛化液需用碳酸钠溶液的质量。
⑸ 列出过程的全部独立物料平衡方程式及其他相关公式
⑸ 将计算结果列成输入－输出物料表
6
4.2 无化学反应过程
单元操作如混合、蒸馏、蒸发、干燥、吸收、结晶、萃取等 总物料衡算式 各组分的衡算式 F=D+W FxF1=DxD1+WxW1 FxF2=DxD2+WxW2
…
FxFn=DxDn+WxWn
∑xFi=1, ∑xDi=1, ∑xWi=1
1
4.1 物料衡算的基本方法
教学内容： 了解物料衡算和能量衡算的意义和基本概念。 重点和难点： 重点：掌握物料衡算基准和物料衡算的基本步 骤。 难点：衡算基准的选择，包括基准物流的名称 和单位选择。
2
物料衡算的质量守恒
• 一般表示式为：
进入系统的质量流量一排出系统的质量流量=系统内质量的累积
⒈氧化剂为空气，用银催化剂固定床气相氧化；
⒉过程损失为甲醛总量的2%（质量），年开工8000小时； ⒊有关数据：工业甲醇组成（质量）：CH3OH 98% ， H2O 2% ，反应尾气组成（V）：CH4 0.8% ， O2 0.5% ， N2 73.7% ， CO2 4.0% ， H2 21% 福尔马林组成（质量）：HCHO 36.22%， CH3OH 7.9%， H2O 55.82%
7
4.3 反应过程的物料衡算
教学内容： 结合具体实例，理解根据不同反应类型及工艺 过程选择合适的物料平衡方法进行物料衡算。 重点和难点： 重点：掌握不同化工过程的物料衡算思路。 难点：对一个化工过程的物料衡算应选择什么 物流作衡算基准，如何列出平衡表达式。
8
4.3.1 一般反应过程的物料衡算
11
例 3-1 P64
进反应器纯乙苯量1000kg/h×98%=980kg/h，即为 9.245kmol/h 原料中甲苯量1000 kg/h×2%=20kg/h，即为0.217kmol/h 水蒸气量980 kg/h×1.5=1470kg/h，即为81.667kmol/h
乙苯的转化率为0.4/0.9=0.4444
石灰的质量为W（kg） 石灰中CaCO3 、CaCO3及Ca(OH)2的质量分 别设为x、y和z，则石灰中各物质的组成可表示为： x/W，y/W， z/W 基准：100kg苛化液 画出物料流程示意图（图3-2）
16
表3-3 各种物料质量和物质的量计算结果
Na2CO3溶液中 物料 摩尔质 量 （g/mol） 40 106 18 质量 （kg） 0.59%F 14.88%F 84.53%F 物质的量 （kmol） 0.000148F 0.001404F 0.04696F 物料 苛化钠溶液中 摩尔质 质量 物质的 （kg） 量 量 （g/mol） （kmol） 40 106 18 10.36 0.61 75.27 0.2590 0.00575 4.18
石灰总量等于各物质质量之和W=x+y+z
计算结果汇总列入表3-4
18
表3-4 计算结果汇总
组分 NaOH Na2CO3 H2O CaCO3 CaO Ca(OH)2 合计 输 入 质量/kg 0.54 13.62 77.35 1.2 6.44 0.86 100 0.00377 4.5875 0.28 100
64.1 177kg 0.3622
其中含未反应的甲醇 177×7.9%=13.98kg 每生成177kg福尔马林共消耗工业甲醇
76.613.98 92kg 0.98
由此得甲醇转化率为
76.6 100% 91.4% 76.613.98
甲醛的质量收率
64.1 100% 91.3% 76.613.98
25
④工业甲醇年消耗量