第五章 物料衡算与能量衡算

设系统有Nc个组分，进料有I股物流，出料 有K股，有：
I
K
Fi Fk
i 1
k 1
I
K
F i Xij F k X kj , j 1, 2,..., Nc
i 1
k 1
Nc+1个物料衡算，Nc个独立方程。
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变量
有Ns股物流， Nc个组分数，Np个设备参数
设计变量
在进行物料衡算之前，由设计者赋值的变 量，又称赋值变量
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3. 资料的来源
（1）科研单位 （研究报告） （2）设计单位 （设计图纸、设计说明书） （3）基建单位 （厂址方案、基建工程资料和
安装工程资料）
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（4）生产单位（现场操作数据和实际的经济技术指标）
车间原始资料、各种生产报表 工艺操作规程 设备岗位操作法 设备维护检修规程及设备维修纪录卡 劳动保护及安全技术规程 车间化验室的分析研究资料 车间实测数据 工厂科室掌握的技改资料 供销科的产品目录和样本 财务科的产品原料单耗及成本分析资料 全厂职工劳动福利的生活资料
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物料衡算的依据
（1）设计任务书
（2）建设单位或研究单位所提供的数据
（3）工艺流程示意图
工艺技术条件、 反应、 转化率、 相平衡数据
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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。
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。
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6.列出物料衡算方程
方进的入向物衡许料的算量多单不F元i化同工-截生流面的出产上物衡料是系算量单连统F元o 续的+进状在行态成衡的的可算物,单以料物元不量内质D同生p 连. -续当在流达耗衡经的到算物设单稳料元备定量内D和状消r 管态=道时衡累,,算的在各单物流元截料内量动面积W
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• 质量平衡式的建立 总物料：Q = 3 kmol/min+ 1kmol/min 组分物料平衡式： 苯： Q(1-X%)=3Kmol/min 甲苯：Q*X%=1 kmol/min 分别求出Q=4kmol/min，X%=25%
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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
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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：
1）主、副产品产量； 2）原材料的消耗定额，过程的物料损耗； 3）“三废”的生成量及组成； 4）水、电、汽或其他燃料等消耗定额； 5）设计物料流程图。
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n
yi 1
i 1
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例 从气体中回收丙酮的装置
变量和设计变量
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进入系统的物流为两个，离开系统的物流为三个， 其中一个已知物流量，四个物流是未知的。 可列出总物料平衡式：
1200 F2 F3 F4 F5
各组分平衡式：
丙酮： 0.0295F2 0.99F4 0.05F5 水： 1200 0.01F4 0.95F5 空气 ： 0.9705F2 F3
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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。
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物料衡算举例 无反应过程的物料衡算
无反应过程指流体输送、粉碎、换热、混合、 分离（吸收、精馏、萃取、结晶、过滤、蒸发、闪 蒸、提浓、脱水、增湿、干燥）等化工单元操作。
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 ：
①
C O2 CO2
C
1 2
O2
CO
CO
1 2
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
O2
CO2
② ③ ④
CO2 C 2CO
这4个反应是否是独立的呢？如何判断呢？
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❖ 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 上例中，m=2, n=4 ∴ 独立反应数： N反应= 4-2=2
传递参数—如粘度、扩散系数、导热系数等。
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化工基础数据获取方法
查手册或文献资料 估算 用实验直接测定
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2. 工程性资料的收集：
（1） 气象、地质资料。 （2） 公用工程的消耗量， 辅助设施能力。 （3） 总图运输、原料输送方式、储存方式。 （4） 上、下水资料。 （5） 配电工程资料。 （6） 仪表自控资料等。
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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：
∑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)
式、管件、阀件等） （11）环境保护、安全保护等规范和资料。
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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。
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；
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物料衡算程序
1.确定衡算的对象、体系与环境，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
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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：
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第二节 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。
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系统自由度
自由度=物流独立变量数-独立平衡方程数-附 加关系方程数-赋值数
=0，刚好； ﹤0，条件过多，删除不合理； ﹥0，条件不足，不能解出全部未知数。
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约束式
归一化方程 ，如： 恒沸组成 相平衡数据 化学平衡方程 回流比 相比 …………
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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。
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第一节. 设计计算前的准备工作
1. 工艺性资料的收集
（1）物料衡算提纲。
生产步骤和化学反应（包括主、副反应） 各步骤所需的原料，中间体规格和物理化学性质 成品的规格和物化性质 每批加料量或单位时间进料量 各生产步骤的产率
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物料衡算计算举例
1．无反应
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：1)获得的母 液量，2)蒸发出的水分量，3)结晶出的NaCl量。
（2）工艺流程图及说明。
（3）热量计算参数和设备计算数据（ΔH、Cp、K、λ、 α等）。
（4）流体输送过程参数（粘度μ、密度ρ、摩擦系数 等）。
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（5）传质过程系数，相平衡数据。 （6）冷冻过程的热力学参数。 （7）具体的工艺操作条件（温度T、压力P、流量G） （8）介质物性和材质性能，材质数据，腐蚀数据。 （9）车间平立面布置的参考资料。 （10）管道设计资料（管道配置、管道材质、架设方
化工基础数据：物化数据或物性数据
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分类
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。
热力学物性数据—如内能、焓、熵、热容、相 变热、自由能、自由焓等。
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。
（3-3）
c）系统内无化学反应的稳定操作过程：
( Fi Fo ) 0
(3-4)
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• 例：一个苯--甲苯混合器，苯的流量为 3kmol/min，甲苯的流量为1kmol/min，求混 合器的物料的出口流量及组成？
甲苯 1kmol/min 苯 3kmol/min
混和器
混和物料 Q kmol/min 甲苯含量 X%
上述物 条质件的的性流质动应过有程( F完称i 全为F确稳o )定流 (的过D值程p ,.系D它r统们) 处不W于再稳随流时过间（程而3时改-不1变）会。有满物足质上或 能a量）的稳积定累。操作过程（即稳流过程）：
( Fi Fo ) ( Dp Dr ) 0
（3-2）
b）系统内无化学反应：
( Fi Fo ) W
CO+1/2O2+CO2+C=CO2+2CO 少了组分CO2
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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
个数及全部设计变量。
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物料衡算的基准
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时间基准：对连续稳定过程，用单位时间的物 料量作基准。
第五章 化工工艺计算
一. 设计计算前的准备工作 二. 物料衡算 三. 能量衡算
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物料衡算与能量衡算的概念
物料衡算：运用质量守恒定律，对生产过程或 设备的物料平衡进行定量的计算，计算出各股 物流输入或输出的量及组分等，称之为物料衡 算。
能量衡算：以热力学第一定律为依据，对生产 过程或设备的能量平衡进行定量的计算，计算 过程中要供给或移走的能量，称之为能量衡算。 能量是热能、电能、化学能、动能、辐射能的 总称。化工生产中最常用的能量形式为热能， 故化工设计中经常把能量计算称为热量计算。
❖ 究竟哪2个是独立反应呢？判断原则是：
反应的组合过程中，不应少了某个组分。 例如：
1. 选①②、①③或②④可以
2. 但不能选②③，∵②+③：
C+1/2O2+CO+1/2O2=CO+CO2 少了组分CO
3. 选①④也不行，∵①+④：
C+O2+CO2+C=CO2+2CO
少了组分CO2
4. 选③④也不行，∵③+④：
但这 4个方程式只有3个是独立，因此需1个设计变量。
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10.整理计算结果（整理成原材料消耗表和 物料衡算表）
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11.绘制物料流程图
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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 。
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二、 物料衡算
物料衡算的目的
1.确定原料的消耗量、副产品量以及输出过程物 料的损耗量及三废生成量，判断是否达到设计 要求（产品的技术经济指标）。
2.作为热量计算的依据。
3.根据计算结果绘出物流图，可进行管路设计及 材质选择，仪表及自控设计、对生产设备和辅 助设备进行选型或设计。
（5）可行性研究报告、各国文摘和专利、各类工艺书
籍、各类调查报告、各种化工过程与设备计算等书籍。
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4.几本常用的化工设计资料和手册
（1） Industrical Chemicals （2） Encyclopedia of Chemical Technology （3） Science and Technology （4） Handbook of Technology （5） I.C.T （物性手册）
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。
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完整描述一股物流的总变量数：
设物流含有Nc个组分，则描述该物流的总变 量为Fi、Xij j=（1，2，…，Nc），共有Nc+1个。