物料衡算与能量衡算..
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。
精选3物料衡算与能量衡算
总计
100
2947
100.00
例题3-1解
可列出总物料平衡式： 1200+F2= F3+ F4+ F5各组分平衡式： 丙酮 0.0295 F2 =0.99 F4+0.05 F5 水 1200=0.01 F4 +0.95 F5 空气 0.9705 F2 = F3
图3－3
解
基准：物流1为100mol/h；正反应的反应速率为r（mol/h）（1）过程先由总单元过程摩尔衡算式进行计算，总衡算式为：N2衡算 F5，N2 =0.78×100＝78mol/hCO平衡 0＝0.2×100+0.5F2 – rH2O平衡 F5,H2O＝F3 – rCO2平衡 F5,CO2＝0.02×100 + rH2平衡 F5,H2＝0.5F2 + r
（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＝ ＝ 式中 为I物质的转化率。已知反应器1中CO的转化率为0.80，由此得反应器1的反应速率： r＝ ＝0.8[0.2×100 + 0.5×214] ＝101.6mol/h
（2）质量基准
当系统介质为液、固相时，选择一定质量的原料或产品作为计算基准是合适的。如以煤、石油、矿石为原料的化工过程采用一定量的原料，例如：1kg、1000kg等作基准。如果所用原料或产品系单一化合物，或者由已知组成百分数和组分分子量的多组分组成，那么用物质的量（摩尔）作基准更方便。
（3）体积基准
解：（1）画出流程示意图，确定计算范围。
图3.2
（2）原料乙苯量1
G1 G2 G3 G4 G5 M：106.17 63 151.17 18.02
对气体物料进行衡算时选用体积基准。这时应将实际情况下的体积换算为标准状态下的体积，即标准体积，用m3（STP）表示。
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
物料衡算与能量衡算概论
物料衡算与能量衡算概论物料衡算与能量衡算是在工业领域中广泛应用的两个重要概念。
物料衡算是指对物质流动的量与质进行测量、监测和分析的过程，用来确定物料的输入、输出以及处理过程中的损耗情况。
而能量衡算则是指对能量流动的量和质进行测量、监测和分析的过程，用来确定能源的输入、输出以及转化利用的效率。
物料衡算和能量衡算在工业生产中都具有重要的作用。
首先，它们可以帮助企业确定物料和能量的浪费情况，找出能源的低效率使用和损耗问题，从而提出改善措施，节约物料和能源，降低生产成本。
其次，物料衡算和能量衡算可以帮助企业优化生产流程，提高产能和效率。
通过对物料和能量的输入、输出以及处理过程的分析，企业可以找出生产过程中不必要的浪费和瓶颈，并进行改进和优化。
此外，物料衡算和能量衡算也可以帮助企业监测和评估环境压力，实施环境保护措施，达到可持续发展的目标。
物料衡算和能量衡算的方法和技术主要包括数据采集、监测和分析。
在物料衡算中，通常会采集和监测物料的进出量、质量以及转化过程中的损耗情况。
常用的方法有称量、计量、流量计、采样等。
在能量衡算中，通常会采集和监测能源的进出量、质量以及转化过程中的损耗情况。
常用的方法有电表、气表、温度计、压力表等。
通过这些数据的分析，可以得出物料和能源的流动情况，评估效率和损耗，并进一步进行改进和优化。
需要注意的是，物料衡算和能量衡算虽然互相关联，但并不完全一致。
物料衡算主要关注物质流动的量和质，而能量衡算则关注能量流动的量和质。
在实际应用中，物料衡算和能量衡算往往结合起来进行，通过对物料和能量的双重衡算，可以更全面地了解生产过程中的问题和优化方向。
综上所述，物料衡算和能量衡算是工业生产中重要的概念和方法。
它们的应用可以帮助企业节约物料和能源，提高生产效率，降低成本。
同时，物料衡算和能量衡算也有助于企业实施环境保护措施，实现可持续发展。
因此，在现代工业生产中应该重视物料衡算和能量衡算，积极推广和应用。
《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。
物料衡算和能量衡算概述
物料衡算和能量衡算概述物料衡算和能量衡算是工程和科学领域中常用的方法，用于描述和研究物质和能量的流动。
物料衡算关注物质的进出和转化过程，而能量衡算关注能量的转化和利用情况。
本文将对物料衡算和能量衡算进行概述，并介绍其在不同领域中的应用。
1. 物料衡算物料衡算是对物质的进出和转化过程进行量化和分析的方法。
它主要基于质量守恒定律，即不可创造或破坏物质。
物料衡算通常涉及以下几个方面的内容：1.1 进料和出料物料衡算中的进料和出料是指物质从系统的外部进入或离开系统的过程。
进料和出料可以是固体、液体或气体，可以通过不同的方式进行，如输送带、管道或容器。
衡算这些进料和出料的数量和质量可以帮助我们了解物质的流动情况和系统的整体效率。
1.2 转化和反应物料衡算还涉及物质的转化和反应过程。
在这些过程中，我们可以追踪和量化物质的变化，以及转化或生成的产物。
这对于研究化学反应、工艺过程和生态系统中的物质转化至关重要。
物料衡算可以帮助我们优化转化过程，提高反应效率，并监测环境中的物质循环。
1.3 混合和分离物料衡算还涉及物质的混合和分离过程。
在这些过程中，不同组分的物质可以混合在一起，或者通过特定的方法进行分离。
衡算混合物和分离物的组分和比例可以帮助我们优化混合和分离过程，并控制产品的质量和纯度。
1.4 废物和排放物料衡算还关注废物和排放物的产生和处理。
在生产和工艺过程中，废物和排放物可能对环境造成负面影响。
通过衡算废物和排放物的产生量和组分，我们可以找到减少和处理这些废物的方法，以减少对环境的影响。
2. 能量衡算能量衡算是对能量的转化和利用过程进行量化和分析的方法。
它基于能量守恒定律，即能量既不能创造也不能破坏，只能从一种形式转化为另一种形式。
能量衡算通常涉及以下几个方面的内容：2.1 能量流动能量衡算关注能量的流动。
能量可以通过传导、传热、传质和传动等方式在系统中传递和转移。
衡算能量流动的路径、速度和效率可以帮助我们了解能量转化的过程和系统的能量利用效率。
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。
物料衡算和能量衡算
由上述可得100kg混合原料可制得的热麦汁量为：
（73.16÷12）×100=609.66（kg）
又知汁在20℃时的相对密度为1.084，而100℃热麦汁比
20℃时的麦汁 体积增加1.04倍，故热麦汁（100℃）体积为：
（609.66÷1.084）×1.04=584.92L
（2） 添加酒花量： 609.66×0.2%=1.22kg
和在数值上是相等的原理来绘制的，平衡图
的内容包括：物料名称、质量、成品质量、
物料的流向、投料顺序等项。绘制物料平衡
图时，实线箭头表示物料主流向，必要时用
细实线表示物料支流向，见下图。
图6-2 班产12.5 吨原汁猪肉物料平衡图
（2）物料平衡表 ▪ 物料平衡表是物料平衡计算的另一种表示形式，
其内容与平衡图相同，其格式 如下：
全年生产天数为300天，设旺季生产240天，淡季生产 60天。旺季每天糖化数为7次，淡季每天生产次数为5次，则 全年糖化次数为：
240×7+60×5=1980（次） 计算的基础数据可算出每次投料量及其他项目的物料平衡。 （1）每次糖化的原料量为: 混合原料: (30000000/1980)×(100/513.92)=2948.3(kg) 大麦: 2948.3×0.75=2211.2(kg) 大米: 2948.3×0.25=737.1(kg) （2）热麦汁量: (609.66/100)×2948.3=17974.6(L) （3）冷麦汁量: (541.05/100)×2948.3=15951.77(L) （4）酒花用量: (1.22/100)×2948.3=35.97(kg) （5）发酵成品液： (532.39/100)×2948.3=15696(L) （6）清酒液：(524.41/100)×2948.3=15461(L)
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量衡算的基础。
设计一种新的设备或装置，必须根据设计任务，
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。
4.1 物料衡算的基本方法
4.1.1 物料衡算进行的主要步骤
（1）确定衡算的范围（对象、体系与环境），并画出 物料衡算方框图。对于整个生产流程，要画出物料流 程示意图（或流程方框图）。绘制物料流程图时，要 着重考虑物料的种类和走向，输入和输出要明确。
4.2.6 液体的密度
4.2.7 物质的饱和蒸汽压
4.2.8 溶液上方蒸汽中各组分的分压 4.2.9 转化率、收率和选择性 4.2.10 汽液平衡常数
化工基础数据
(1) 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
4.3.7 物理吸收
*/
4.3.8 提浓 4.3.9 脱水
4.4 用元素的原子平衡的方法作物料衡算
元素衡算是物料衡算的一种重要形式。在作这
类衡算时，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)
对反应过程中化学反应很复杂，无法用一、两 个反应式表示（无法写出）的物料衡算题，可 以列出元素衡算式，用代数法求解。
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 关约束式,当未知变量数等于独立方程个数，可 以用代数法求解。当未知变量数多于独立方程
可以使计算简化，避免错误。
根据过程特点，计算基准一般可以从以下几个
方面考虑：
当已知进料（出料）时，则用100Kmol或100Kg进料（出料） 作基准
4.2 物料计算中用到的基本量
4.2.1 流体的流量和流速 4.2.2 摩尔分数和质量分数 4.2.3 混合物的平均分子量 4.2.4 气体的体积 4.2.5 气体的密度
的性质参数（如经验公式）。
3、用实验直接测定。
4.3 物理过程的物料衡算
在系统中，物料没有发生化学反应的过程，
称 为无反应过程。这类过程通常又称为化工单
元操作，诸如流体输送、粉碎、换热、混合、
分离（吸收、精馏、萃取、结晶、过滤、干燥）
等。
这种过程的物料衡算比较简单，在物料流程
不参加反应，又随物料从体系输出的组分，
在整个反应过程中，它的数量不变（惰性组
分）。
如果体系中存在联系组分，那么输入物料和
输出物料之间就可以根据联系组分的含量进
行关联。
用联系组分作衡算，尤其是对含未知量较多
N
4.7 复杂反应体系使用产物、副产物各自的收率
数据作物料衡算
１.反应转化率、选择性及收率等概念 （1）限制反应物：化学反应原料不按化学计量比配料
简图中，设备边界就是衡算体系边界。
对有多个设备的过程，进行物料衡算时，可以 划分多个衡算体系。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
丙烷
A=93.76mol B=3.148mol
4.5 直接使用反应计量方程式作物料衡算
直接求解法 有些化学反应过程的物料衡算，有时只 含一个未知量或组成，这类问题比较简 单，通常可根据化学反 利用联系物料作物料衡算
“联系组分”是指随物料输入体系，但完全
液平衡关系等。
(2 )热力学物性数据—如内能、焓、熵、热容、相变热、自由能、 自由焓等。 (3) 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。 (4) 传递参数—如粘度、扩散系数、导热系数等。 通常这些数据可用下列方法得到： 1、查手册或文献资料 2、计算。可以应用物理和化学的一些基本定律计算各种物质
（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。
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： a、流程中某一个单元设备； b、流程中某几个单元设备组合的子流程； c、整个流程。 衡算计算范围示意图：
个数，只能采用试差法或计算机来解题。
（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。 校核计算结果。
4.1.2 物料衡算式
进行物料衡算时，根据质量守恒定律，对
某一个衡算体系，物料衡算的基本关系式
应该表示为：
4.1.3 物料衡算的基准
进行物料、能量衡算时，必须选择一个计算基 准。从原则上说选择任何一种计算基准，都能 得到正确的解答。但是，计算基准选择得恰当，
第四章
物料衡算
物料衡算的定义
计算输入或输出的物流量及组分等。 物料衡算的理论依据是质量守恒定律，即 在一个孤立物系中，不论物质发生任何变化， 它的质量始终不变（不包括核反应，因为核反 应能量变化非常大，此定律不适用）。
是工艺设计的基础！
物料衡算与热量衡算计算是化工工艺设计中最
基本，也是最主要的计算内容。物料衡算是热
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。
总式 x+y+z=100 硫酸衡算式 0.57x+0.93y=60
(1) (2)
4.3.2 连续蒸馏过程 例1
4.3.3 增湿
4.3.4 气体混合物的部分冷凝 4.3.5 液体混合物的部分气化 4.3.6 闪蒸