物料衡算与能量衡算培训课程
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物料衡算和能量衡算培训
物料衡算和能量衡算培训物料衡算和能量衡算是许多企业在生产过程中必须进行的重要环节。
通过有效的物料和能量管理，企业可以提高生产效率、降低成本、减少环境污染，并为可持续发展做出贡献。
因此，进行物料衡算和能量衡算培训对于企业来说是至关重要的。
物料衡算是对物料在整个生产过程中的流动进行量化分析的过程。
通过物料衡算，企业可以了解原材料的消耗情况、产品的产量和损失情况，从而为提高生产效率和优化生产流程提供依据。
物料衡算的核心是建立准确的物料流图和量化物料损耗的方法。
培训内容包括物料的种类和用途、物料流图的绘制、物料损耗的计算和分析等。
能量衡算是对能源在生产过程中的消耗和利用进行量化分析的过程。
通过能量衡算，企业可以了解能源的消耗情况、能源利用的效率和存在的问题，从而制定能源管理策略，减少能源消耗和降低生产成本。
能量衡算的核心是建立准确的能量平衡表和计算能源的损耗与利用率。
培训内容包括能源种类和来源、能量平衡表的绘制、能源损耗的计算和能源利用率的评估等。
在物料衡算和能量衡算培训中，了解基本概念和理论知识只是第一步。
实际操作和实地调研是培训过程中至关重要的一环。
通过实际操作和实地调研，学员可以亲身体验实际生产环境中的物料和能量流动，并学习如何采集和处理相关数据。
同时，培训还应重点关注如何分析并解决在物料和能量衡算中可能遇到的问题。
总之，物料衡算和能量衡算培训对于企业来说是非常重要的。
通过有效的物料和能量管理，企业可以提高生产效率、降低成本、减少环境污染，并为可持续发展做出贡献。
因此，企业应该加强对员工的培训，提高他们的物料和能量衡算能力，以持续改进企业的生产和运营效率。
物料衡算和能量衡算培训是企业实现可持续发展的关键步骤之一。
在当今国际竞争激烈的商业环境下，企业必须寻求提高效率和降低成本的方法。
物料衡算和能量衡算正是帮助企业实现这一目标的工具之一。
物料衡算和能量衡算在企业中起着至关重要的作用。
通过物料衡算，企业可以确保物料的合理消耗和管理，减少物料损耗，提高生产效率。
物料衡算和能量衡算
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196＃不饱和聚酯树脂配方设计
原材料名称 1、2-丙二醇 一缩二乙二醇
顺酐 苯酐 苯乙烯 对苯二酚 石蜡 环烷酸铜
规格 工业级 工业级 工业级 工业级 工业级 工业级 工业级 （8%Cu含量）
配比 0.965克分子 0.138克分子
0.5克分子 0.5克分子
33% 0.009% 0.018% 0.0118%
分批操作（间歇操作）的设备，当终点时，物料全 部排出则系统内物料积累为零，对于稳定连续操作， 系统物料累积量亦为零。在此情况下，上式可写成： ∑G进=∑G出+∑G损
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车间收率和阶段收率
➢ 在作整个车间的物料衡算时，常需要用车间 总收率、阶段收率这些基本概念。
车间收率和车间产品及原料消耗关系如下：
配料M－旁路物料R＝反应物N
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物料衡算的基本要素
➢一个独立方程，可以解出一个未知 数。若已知配料M和反应物N，则可 求出旁路的物料量R。同样，可以把 配料、分离工序单独分割作为衡算 系统，若有必要，也可以把 B1C2C3B4包围的部分作为衡算范围。
➢对生产过程中一系列工序都要进行 物料衡算时，若绘成表格形式，则 可方便地进行计算。
3
➢物料衡算也是能量衡算、定型设备 选型、非定型设备工艺计算和其他 工艺计算的基础。通过物料衡算可 以算出各工段所处理的物料量(各组 分的成分、重量和体积)，便可以定 出生产过程所需设备台数、容量和 主要尺寸以及计算管道尺寸等。所 以物料衡算是复合材料工艺计算的 重要部分。
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➢ 物料衡算可分操作型计算和设计型 计算。
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化工生产过程物料衡算能量衡算介绍课件
化工生产过程的特点
01 连续性：化工生产过程通常为连续生产，以保证生产效 率和产品质量。
02 复杂性：化工生产过程涉及多种化学反应和物理变化， 过程复杂，需要精确控制。
03 安全性：化工生产过程涉及易燃、易爆、有毒等危险物质， 需要严格控制生产条件和操作流程，确保生产安全。
04 环保性：化工生产过程会产生废气、废水、废渣等污染物， 需要采取有效措施进行环保处理，降低对环境的影响。
物料衡算能量衡算在化工生产过程中的作用
物料衡算：计算物料的投入和产出，确保生产过程的物料平衡，提高生产效 率。
能量衡算：计算生产过程中的能量消耗和产出，优化生产工艺，降低能耗， 提高能源利用率。
物料衡算能量衡算相结合：综合考虑物料和能量的平衡，优化生产工艺，降 低生产成本，提高生产效益。
物料衡算能量衡算在化工生产过程中的应用：广泛应用于化工生产过程的设 计、优化和改进，提高生产过程的安全性、环保性和经济性。
物料衡算在质量管理中的应用：物料衡算可以帮助分析产品 质量情况，从而制定质量控制措施和优化质量管理。
能量衡算的概念
能量衡算是化工生产过程中对能量 进行计算和分析的方法
能量衡算的目的是为了优化生产过 程，提高能源利用效率
能量衡算主要包括热能、机械能、 电能等能量的计算和分析
能量衡算可以帮助企业降低生产成 本，减少能源消耗，提高生产效率
视觉效果：运用色彩、图片、动画等元素，提高课 件的视觉效果和吸引力
互动设计：设置提问、讨论、练习等互动环节，提 高学员的参与度和学习效果
课件制作工具：选择合适的课件制作工具，如 PowerPoint、Keynote等，提高制作效率和质量
能量衡算的应用
优化生产工艺：通过能量衡 算，可以优化生产工艺，提 高生产效率
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：
最新第三章物料衡算和能量衡算(热量)
例题： • 两种组成不同的煤气在预热器中混合。并从25℃加热到127℃，
以供燃烧炉使用。两种煤气的流量分别为0.4kmol/s和0.1kmol/s。 预热器的热损失为150kJ/s。试计算预热器应提供的热量。 计算中煤气的焓取下列数值： 25℃时，第一种煤气为765kJ／kmol；第二种煤气为846kJ／kmol。 127℃时，混合煤气的焓值为3640kJ／kmol。
p
' c
和假临界温度
T
' c
，求得
混合气体的对比压力和对比温度，
解： 以1s为计算基准。根据公式：
( ) ∑ ∑ ( ) ∑ Q =n iH io- utn jH jin
Q Q 提 ＋ Q 供 损 Q 提 1 供 k 5J0
H o＝ u ( 0 t .4 0 .1 ) 3k 6 J 1 4k 8 0J 20
H in ( 0 . 4 7 0 6 . 1 8 5 ) k 4 3 J 6 . 6 k 9J 0
• 例题： 已知常压下气体甲烷0～t℃的平均定压摩尔热容数据如下：
• 试求常压下甲烷在200℃到800℃温度范围的平均定压摩尔热容， 并计算15kmol甲烷在常压下从800℃降温到200℃所放出的热量。
解：假设如下热力学途径：
• 从 C p,m t 表中查得，
Cp,m3.9 6k6J/k ( mK o)l Cp,m5.5k6J/k ( mK o)l
• 1、热容 • 2、焓 • 3、汽化热 • 4、反应热
1. 热容
(1)热容与温度的关系 • 热容是给定条件下，系统每升高1K所吸收的热。随温度
而变。根据过程不同，用分为等压热容和等容热容。 • 描述定压热容Cp与温度之间的关系一般有三种方法：
3流体稳态流动时的物料衡算和能量衡算
• 四、流体稳态流动时的能量衡算——伯努利方程 • 1、流体流动过程的能量形式 （1）、位能：流体因受重力作用，在不 同高 度具有的能量。 m· g ·z 1 2 (2)、动能：由于流动而具有的能量。 mw 2 （3）静压能：流体由于静压所具有的能量。
P· V, 不可压缩流体P· m/ρ
（4）内能：流体由于分子运动而具有的能量。
化简为：
w1 P 2 w2 Z1 He Z 2 hf 2g 2g
2 2
P1
（１）、实际流体的伯努利方程
w1 P 2 w2 Z1 He Z 2 hf 2g 2g
2 2
P1
（２）、理想流体的伯努利方程 理想流体：ｈｆ＝０， 流动过程若无外功加入，即He=0
§3流体稳态流动时的物料衡算和 能量衡算
• • • • 一、稳态流动与非稳态流动 １、稳态流动 ２、非稳态流动 二、流体稳态流动时的流速与流量
• 三、流体稳态流动时的物料衡算——连续性方程 m1 m2 m3
qm qv. w. A.
q q q
• 四、流体稳态流动时的能量衡算——伯努利方程
• 三、流体稳态流动时的物料衡算——连 续性方程
当流体在管内做稳态流动时，流过各截 面的质量流量都相等。即
q q q
m1 m2 m3
对不可压缩流体，
v1 v2
q q q
v3
1 2 2 3 3
即：
1
A w A w A w
• 例：在φ７６×３的钢管中流动的气体 的绝对压强为１００ｋｐａ，若该气体 保持温度不变，加压到５００ｋｐａ后 在另一细钢管中流动，气体的质量流量 保持不变，并且要求流速变化也很小， 是选择此管的直径。
物料衡算和能量衡算培训课程
物料衡算和能量衡算培训课程简介本文档介绍了物料衡算和能量衡算培训课程的主要内容和目标。
该课程旨在帮助学员了解和掌握物料衡算和能量衡算的基本概念和方法，并提供实际案例和练习来加深理解。
目标本课程的主要目标是使学员能够：1.理解物料衡算和能量衡算的基本概念和原理；2.学会使用适当的工具和技术对物料和能量流动进行建模和分析；3.能够应用物料衡算和能量衡算的方法来解决实际问题；4.掌握物料衡算和能量衡算在工程和生产过程中的应用。
主要内容1. 物料衡算基础•物料衡算的定义和目的•物料衡算的基本概念和术语•物料衡算的重要性和应用领域2. 物料衡算方法•传递矩阵法•物料流图法•物料平衡方程法•物料衡算中的误差和精度控制3. 能量衡算基础•能量衡算的定义和目的•能量衡算的基本概念和术语•能量衡算的重要性和应用领域4. 能量衡算方法•能量平衡方程法•能量效率计算方法•能量衡算中的误差和精度控制5. 案例分析和实践操作•通过实际案例和练习加深对物料衡算和能量衡算方法的理解和应用能力•使用适当的工具和软件进行案例分析和实践操作•分析和解决实际问题中的物料和能量流动的衡算问题培训形式本课程的培训形式主要由理论讲解、实例分析、练习操作和讨论组成。
学员将参与小组讨论和实践操作，以增强对学习内容的理解和应用能力。
目标学员本课程适合以下人员参加：1.工程师和技术人员2.生产管理人员和运营人员3.与工程和生产过程相关的研发人员4.其他对物料衡算和能量衡算感兴趣的人员课程时长本课程的预计时长为3天，每天6个小时，共计18个小时。
具体的课程安排将根据实际情况进行调整。
总结本文档介绍了物料衡算和能量衡算培训课程的主要内容和目标。
通过参加本课程，学员将能够掌握物料衡算和能量衡算的基本概念和方法，并能够应用这些方法解决实际问题。
如果你对物料衡算和能量衡算感兴趣，或者想要提升在工程和生产过程中的应用能力，不妨考虑参加本课程。
食品工程原理-物料衡算和能量平衡
(W)
80% 水 20% 固形物
(X) 水
(D)
50% 水 50% 固形物
图1-3 脱水过程物料组成和流向图
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（五）食品配料的混合
• 总质量守恒及组分衡算 • 【例1-4】
X kg 65% solids
100 kg
45% solids Y kg
45% solids
图1-4 浓缩果汁混合过程中物料平衡和组分流向
310.5+0.02R=1.0525+25+0.25R
R=21.73 kg/min • 即所求的循环量为21.73 kg/min。
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二、能量平衡
（一）基本术语
1. 能（Energy） •势能（Potential energy）: Ep=mgh •动能（Kinetic energy）: Ek=mu2/2 •内能（Internal energy）: Extensive property •其他形式的能: 电能、化学能、磁能（ magnetic）等 •Etotal=Ep+Ek+Ei •能量平衡（Energy balance）: •E in – E out=ΔE system
本章重点和难点
掌握物料衡算的方法； 掌握能量平衡的原则和方法； 掌握食品比热的计算方法和焓的计算； 掌握食品在冷冻过程中焓变的计算方法； 了解通过数学模型解决工程问题的思路。
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一 、 物料衡算（Material balance）
依据质量守恒定律，进入与离开某一过程的物料质量之差，等于该过程中 累积的物料质量，即：
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物料衡算的步骤：
根据题意画出各物料的流程示意图，物料的流向用箭头表示，并标 上已知数据与待求量。 规定衡算基准，一般选用单位进料量或排料量、时间及设备的单位 体积等作为计算的基准。在较复杂的流程示意图上应圈出衡算的范围 ，列出衡算式，求解未知量。
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Z2
第三章 物料衡算与能量衡算
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第三章 物料衡算与能量衡算
稳态过程的敞开体系 U gZ 1 u2 = q + w
2
（2）封闭体系 U gZ 1 u2 = q + w
2
（3）孤立体系 U gZ 1 u2 = 0
2
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第三章 物料衡算与能量衡算
三、能量衡算的一般方法 ⑴ 正确绘制系统示意图，标明已知条件和物料状态； ⑵ 确定各组分的热力学数据； ⑶ 选择计算基准（大部分在物料衡算的基础上进行）； 同时，还要选取热力学函数的基准态。 ⑷ 列出能量衡算方程式，进行求解。
每一个单元列出一组平衡方程式，再列出整个系统 的平衡方程式。
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化学反应过程的物料衡算
第三章 物料衡算与能量衡算
1.直接计算法
甲醇氧化制甲醛： CH3OH + 1/2 O2
HCHO + H2O
CH3OH
空气 （过量50%）
催化反应器
CH3OH HCHO
H2O O2 N2
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第三章 物料衡算与能量衡算
第三章 物料衡算与能量衡算
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精馏过程 三个未知数需三个方程
总物料平衡式
F1+ F2= F3+ F4 组分物料平衡式 苯平衡 F2=0.75 F3 水平衡 0.6F1= 0.24F3 醇平衡 （1－0.6）F1
F3
F1 料液 乙醇 40% 水 60%
馏出液
乙醇 水 24% 苯 75%
F2 苯
乙醇产品 F4=1000kg/h
第三章 物料衡算与能量衡算
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第三章 物料衡算与能量衡算
二、多单元系统
F1=1000mol/h x1B=0.2 x1C=0.3 x1D
F2 x2B x2C
单 元 Ⅰ单
元 Ⅱ
F3 x3B=0.025 x3C=0.35 x3D
F4 x4B=0.08 x4C=0.72
F5 x5C x5D
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第三章 物料衡算与能量衡算
第三章 物料衡算与能量衡算
C平衡 H2平衡 O2平衡 N2平衡 烟道气总量 过剩氧气
3B = P； 4B = Q； 0.21A = M + Q/2 + P； 0.79A = N； N + M + P + Q = 100； 0.21A（0.25/1.25）= M
解出：空气量
C3H8 N2 O2 CO2 H2O
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3.元素平衡 输入物流有I股，输出物流有J股; 则物质S的净输出速率为
Fs = Fjs Fis
j
i
es 为原子系数
S种物质的元素e的净原子流出速率为
es Fs
s
物质守恒则元素守恒
es Fs = 0 s
e = 1，2，……，E
Ae es Fs = 0 s
e = 1，2，……，E
第三章 物料衡算与能量衡算
x j =1
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
1
第一节连续过程的物料衡算
教学内容： 结合具体实例，理解利用化学反应速率进行反
应过程的物料衡算的方法。 重点和难点： 重点掌握利用化学反应速率进行反应过程的物
料衡算的方法。 难点是衡算基准的选择，包括基准物流的名称
和单位选择，以及物料平衡方程、摩尔分数约 束式及设备约束式的内容和形式。
2
27
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。
100%
β = (nC nC 0 ) / c (nA0 nA ) / a
第三章 物料衡算与能量衡算
13
⑶ 收率 收率 = 转化率×选择性
生成目的产物所消耗的反应物量
=
反应物的进料量
ψ=βxA =
(nC nC 0 ) / c nA0 / a
⑷ 限制反应物 ⑸ 过量反应物
第三章 物料衡算与能量衡算
准和思路。 难点是对一个完整的化工过程的物料衡算时应
选择什么物流作衡算基准，如何列出平衡表达 式。
25
第三章 物料衡算与能量衡算
第二节 车 间（装 置） 的 物 料 衡 算
在一个车间（装置）中物料的添加和分离比较频 繁，并且经常伴随着化学反应的发生，部分产品的循 环（如回流），物料衡算比较复杂。 1.单元模块 计算步骤: ⑴过程整体分析; ⑵写出各单元的方程式和约束式; ⑶列出所有的变量，并选好所需的设计变量; ⑷应用单元模块法求解联立方程组。
26
第三章 物料衡算与能量衡算
1.循环过程(两种解法） （1）试差法 估计循环流量，并继续计算至循环回流的那一点。 将估计值与计算值进行比较，并重新假定一个估 计值，一直计算到估计值与计算值之差在一定的 误差范围内。 （2）代数法
列出物料平衡方程式，并求解。 一般方程式中以循环量作为未知数，应用联立 方程的方法进行求解。
14
无化学反应的物料衡算
第三章 物料衡算与能量衡算
过体 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
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总平衡式 液体平衡式
输入的料浆=输出的滤液+输出的滤饼 F1= F2+F3
F1x11= F2x21+F3x31
40
2、ChemCAD的的运行环境和文件管理
41
(二)用Chem CAD进行物料衡算与能量衡算
1、初定工艺方案，进行必要的设置
压缩空气 邻二甲苯
预热
反应器
分离器
产品
排放处理
废弃物
能量
第三章 物料衡算与能量衡算
一、连续过程的物料衡算
一般表示式为： 系统中积累 = 输入 – 输出 + 生成 – 消耗
稳态过程时 输入 = 输出 – 生成 + 消耗
无化学反应的稳态过程 输入 = 输出
3
第三章 物料衡算与能量衡算
物料平衡形式 总平衡式 *总质量平衡式 总摩尔平衡式 组分平衡式 组分质量平衡式 组分摩尔平衡式 元素原子平衡式 *元素原子质量平衡式 *元素原子摩尔平衡式
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4.以节点进行衡算
分流B
分流A
分流C
节点
Fa+Fb=Fc
B
A
节点
C Fa=Fb+Fc
第三章 物料衡算与能量衡算
24
第二节 车 间（装 置） 的 物 料 衡 算
教学内容： 结合具体实例，理解一个完整的化工过程的物
料衡算方法和步骤。 重点和难点： 重点掌握一个完整的化工过程的物料衡算的基
7
C3H8 + 5O2 = 3CO2 + 4H2O 每100kmol燃烧产物需要多少摩尔空气？
第三章 物料衡算与能量衡算
1.基准：1kmol原料气C3H8
燃烧用氧
5kmol；
实际供氧
5×1.25 = 6.25kmol；
供给空气量
29.76kmol；
其中氮气量
23.51kmol
产生：CO2 H2O O2 N2
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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。
第三章 物料衡算与能量衡算
由燃烧热计算反应热的一般表达式:
H
0 r
vRj
H
0 o,
Rj
v pj
H
0 o,
pj
36
第三章 物料衡算与能量衡算
二、化学反应过程的能量衡算
简单化学反应过程的能量平衡：
Q1+ Qr+ Qt = Q2 + Q损
物料的热量用热容的计算式为：
Q (FiCpiT )
用热焓计算式为：
第三章 物料衡算与能量衡算
34
由于物质本身的热函是无法测定的，一般所能测定 的是物质热函的变化量，因此人为地规定在标准状 态下，元素生成热取为零。
标准反应热和生成热之间的关系
H
0 r
vRj
H
0 f
,
pj
v pj
H
0 f
,
Rj
第三章 物料衡算与能量衡算
35
（2）标准燃烧热
H
0 o
组分和氧完全燃烧的标准反应热
Q Fihi T , p,
37
第四节 计算机在物料衡算与能量 衡算中的应用
教学内容： 上机通过一个实例，了解流程模拟软件的种类和功能，以及用
ChemCAD进行物料衡算 和热量衡算的步骤和方法。 重点和难点： 重点掌握用ChemCAD进行物料衡算的步骤和方法。 难点是设备、热力学方法的定义，模拟反应器的选择和参数的输入，
第三章 物料衡算与能量衡算
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第三章 物料衡算与能量衡算
稳态过程的敞开体系 U gZ 1 u2 = q + w
2
（2）封闭体系 U gZ 1 u2 = q + w
2
（3）孤立体系 U gZ 1 u2 = 0
2
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第三章 物料衡算与能量衡算
三、能量衡算的一般方法 ⑴ 正确绘制系统示意图，标明已知条件和物料状态； ⑵ 确定各组分的热力学数据； ⑶ 选择计算基准（大部分在物料衡算的基础上进行）； 同时，还要选取热力学函数的基准态。 ⑷ 列出能量衡算方程式，进行求解。
每一个单元列出一组平衡方程式，再列出整个系统 的平衡方程式。
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化学反应过程的物料衡算
第三章 物料衡算与能量衡算
1.直接计算法
甲醇氧化制甲醛： CH3OH + 1/2 O2
HCHO + H2O
CH3OH
空气 （过量50%）
催化反应器
CH3OH HCHO
H2O O2 N2
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第三章 物料衡算与能量衡算
第三章 物料衡算与能量衡算
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精馏过程 三个未知数需三个方程
总物料平衡式
F1+ F2= F3+ F4 组分物料平衡式 苯平衡 F2=0.75 F3 水平衡 0.6F1= 0.24F3 醇平衡 （1－0.6）F1
F3
F1 料液 乙醇 40% 水 60%
馏出液
乙醇 水 24% 苯 75%
F2 苯
乙醇产品 F4=1000kg/h
第三章 物料衡算与能量衡算
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第三章 物料衡算与能量衡算
二、多单元系统
F1=1000mol/h x1B=0.2 x1C=0.3 x1D
F2 x2B x2C
单 元 Ⅰ单
元 Ⅱ
F3 x3B=0.025 x3C=0.35 x3D
F4 x4B=0.08 x4C=0.72
F5 x5C x5D
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第三章 物料衡算与能量衡算
第三章 物料衡算与能量衡算
C平衡 H2平衡 O2平衡 N2平衡 烟道气总量 过剩氧气
3B = P； 4B = Q； 0.21A = M + Q/2 + P； 0.79A = N； N + M + P + Q = 100； 0.21A（0.25/1.25）= M
解出：空气量
C3H8 N2 O2 CO2 H2O
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3.元素平衡 输入物流有I股，输出物流有J股; 则物质S的净输出速率为
Fs = Fjs Fis
j
i
es 为原子系数
S种物质的元素e的净原子流出速率为
es Fs
s
物质守恒则元素守恒
es Fs = 0 s
e = 1，2，……，E
Ae es Fs = 0 s
e = 1，2，……，E
第三章 物料衡算与能量衡算
x j =1
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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
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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
1
第一节连续过程的物料衡算
教学内容： 结合具体实例，理解利用化学反应速率进行反
应过程的物料衡算的方法。 重点和难点： 重点掌握利用化学反应速率进行反应过程的物
料衡算的方法。 难点是衡算基准的选择，包括基准物流的名称
和单位选择，以及物料平衡方程、摩尔分数约 束式及设备约束式的内容和形式。
2
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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。
100%
β = (nC nC 0 ) / c (nA0 nA ) / a
第三章 物料衡算与能量衡算
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⑶ 收率 收率 = 转化率×选择性
生成目的产物所消耗的反应物量
=
反应物的进料量
ψ=βxA =
(nC nC 0 ) / c nA0 / a
⑷ 限制反应物 ⑸ 过量反应物
第三章 物料衡算与能量衡算
准和思路。 难点是对一个完整的化工过程的物料衡算时应
选择什么物流作衡算基准，如何列出平衡表达 式。
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第三章 物料衡算与能量衡算
第二节 车 间（装 置） 的 物 料 衡 算
在一个车间（装置）中物料的添加和分离比较频 繁，并且经常伴随着化学反应的发生，部分产品的循 环（如回流），物料衡算比较复杂。 1.单元模块 计算步骤: ⑴过程整体分析; ⑵写出各单元的方程式和约束式; ⑶列出所有的变量，并选好所需的设计变量; ⑷应用单元模块法求解联立方程组。
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第三章 物料衡算与能量衡算
1.循环过程(两种解法） （1）试差法 估计循环流量，并继续计算至循环回流的那一点。 将估计值与计算值进行比较，并重新假定一个估 计值，一直计算到估计值与计算值之差在一定的 误差范围内。 （2）代数法
列出物料平衡方程式，并求解。 一般方程式中以循环量作为未知数，应用联立 方程的方法进行求解。
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无化学反应的物料衡算
第三章 物料衡算与能量衡算
过体 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
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总平衡式 液体平衡式
输入的料浆=输出的滤液+输出的滤饼 F1= F2+F3
F1x11= F2x21+F3x31
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2、ChemCAD的的运行环境和文件管理
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(二)用Chem CAD进行物料衡算与能量衡算
1、初定工艺方案，进行必要的设置
压缩空气 邻二甲苯
预热
反应器
分离器
产品
排放处理
废弃物
能量
第三章 物料衡算与能量衡算
一、连续过程的物料衡算
一般表示式为： 系统中积累 = 输入 – 输出 + 生成 – 消耗
稳态过程时 输入 = 输出 – 生成 + 消耗
无化学反应的稳态过程 输入 = 输出
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第三章 物料衡算与能量衡算
物料平衡形式 总平衡式 *总质量平衡式 总摩尔平衡式 组分平衡式 组分质量平衡式 组分摩尔平衡式 元素原子平衡式 *元素原子质量平衡式 *元素原子摩尔平衡式
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4.以节点进行衡算
分流B
分流A
分流C
节点
Fa+Fb=Fc
B
A
节点
C Fa=Fb+Fc
第三章 物料衡算与能量衡算
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第二节 车 间（装 置） 的 物 料 衡 算
教学内容： 结合具体实例，理解一个完整的化工过程的物
料衡算方法和步骤。 重点和难点： 重点掌握一个完整的化工过程的物料衡算的基
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C3H8 + 5O2 = 3CO2 + 4H2O 每100kmol燃烧产物需要多少摩尔空气？
第三章 物料衡算与能量衡算
1.基准：1kmol原料气C3H8
燃烧用氧
5kmol；
实际供氧
5×1.25 = 6.25kmol；
供给空气量
29.76kmol；
其中氮气量
23.51kmol
产生：CO2 H2O O2 N2
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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
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（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。
第三章 物料衡算与能量衡算
由燃烧热计算反应热的一般表达式:
H
0 r
vRj
H
0 o,
Rj
v pj
H
0 o,
pj
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第三章 物料衡算与能量衡算
二、化学反应过程的能量衡算
简单化学反应过程的能量平衡：
Q1+ Qr+ Qt = Q2 + Q损
物料的热量用热容的计算式为：
Q (FiCpiT )
用热焓计算式为：
第三章 物料衡算与能量衡算
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由于物质本身的热函是无法测定的，一般所能测定 的是物质热函的变化量，因此人为地规定在标准状 态下，元素生成热取为零。
标准反应热和生成热之间的关系
H
0 r
vRj
H
0 f
,
pj
v pj
H
0 f
,
Rj
第三章 物料衡算与能量衡算
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（2）标准燃烧热
H
0 o
组分和氧完全燃烧的标准反应热
Q Fihi T , p,
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第四节 计算机在物料衡算与能量 衡算中的应用
教学内容： 上机通过一个实例，了解流程模拟软件的种类和功能，以及用
ChemCAD进行物料衡算 和热量衡算的步骤和方法。 重点和难点： 重点掌握用ChemCAD进行物料衡算的步骤和方法。 难点是设备、热力学方法的定义，模拟反应器的选择和参数的输入，