第三章 能量衡算
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。
环境工程基础原理三质量衡算与能量衡算
通过适当的变换 以机械能和机械能损失表示能量衡算方程
假设流动为稳态过程
单位质量流体自进口流至出口所作的有用功为
W ' v2 pdv v1
hf
式中W ' ——单位流体所作的有用功，J/kg；
hf ——单位流体因克服流动阻力而损失的能量，J/kg；
v2 pdv ——流体的膨胀功，J/kg。
v1
根据热力学第一定律，对间歇不可逆过程，有
e Q v2 pdv v1
hf
根据焓的定义 H e pv
H Q v2 pdv v1
hf
p2 vdp
p1
v2 pdv Q
v1
hf
p2 vdp
p1
1
2
u
2 m
gZ H Q We
u2
gz
pv d A
u
m
(
1 2
u
2 m
)
A
um gZA
um HA
um
1 A
A
udA
1 u2 1 1 u2dA
2 m A A 2
注意 1 u 2 2
m
1 2
u
mபைடு நூலகம்
2
。
引入动能校正系数α，使 1 u 2 2
m
1 2
u
m
2
α的值与速度分布有关，圆管层流时，α＝2，湍流时，α＝1.05。 工程上的流体流动多数为湍流，因此α值通常近似取 1。
M dV
V
衡算方程的通用形式
A1
udA
A2
udA
d dt
2化工设计概论第三章_物料衡算与能量衡算
2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内容，本文将从物料衡算和能量衡算两个方面进行介绍。
一、物料衡算物料衡算是指在化工生产过程中，对各种原料、中间体和产品的质量、数量和成分进行准确计算的过程。
物料衡算的目的是确定生产过程中各种物料的需求量，确保生产过程稳定和产品质量符合要求。
物料衡算的方法主要有质量衡算和量衡衡算两种。
质量衡算是以物料的质量为基础进行计算，通过分析反应进入和离开反应器的质量，计算物料的损失和转化率等。
量衡衡算是以物料的容积或重量为基础进行计算，通过对物料流动的速度、压力、体积和化学反应速率等参数的测量，来计算物料的数量和流动性。
物料衡算的具体步骤包括：确定物料流程图，定义物料的属性和流动参数，编写物料表，进行物料平衡方程的建立，计算各物料的需求量和产量等。
二、能量衡算能量衡算是指在化工生产过程中，对能量的输入、输出和损失进行准确计算和分析的过程。
能量衡算的目的是确保生产过程中的能量平衡和能源利用效率的提高。
能量衡算的方法主要有热平衡法和能量流平衡法两种。
热平衡法是基于热力学原理，通过测量和计算热量的流入和流出来进行能量衡算。
能量流平衡法是基于能量守恒原理，通过对能量流动的速度、温度和压力等参数的测量，来计算能量的输入和输出。
能量衡算的具体步骤包括：确定能量流程图，定义能量的属性和流动参数，编写能量表，进行能量平衡方程的建立，计算各能量的输入量和输出量等。
三、物料衡算和能量衡算的关系在进行物料衡算和能量衡算时，需要考虑以下几个方面：1.反应进程的热力学和动力学特性对物料和能量衡算有重要影响。
在确定衡算方法和参数时，需考虑反应的热效应和速率等因素。
2.物料的组成和性质对衡算结果有重要影响。
不同物料具有不同的热容量、蒸发潜热和燃烧热等参数，这些参数直接影响到能量衡算的结果。
3.流程设计和设备选择对衡算结果也有影响。
不同的流程和设备对物料流动的速度、压力和温度等参数有不同的要求，这些参数直接影响到物料和能量衡算的结果。
化工设计——第三章物料衡算和能量衡算
第一节 连续过程的物料衡算
二、物料衡算的基本程序 确定衡算的对象和范围。 (1) 确定衡算的对象和范围。 确定计算任务。 (2) 确定计算任务。 确定过程所涉及的组分， (3) 确定过程所涉及的组分 ， 并对所有组分依 次编号。 次编号。 对物流流股进行编号，并标注物流变量。 (4) 对物流流股进行编号，并标注物流变量。 收集数据资料。 (5) 收集数据资料。
2C2 H 4 + O2 → 2C2 H 4O
同时存在副反应： 同时存在副反应： C
2
H 4 + 3O2 → 2CO2 + 2 H 2O
如果进料物质的流量为1000mol/h，进料中含C 如果进料物质的流量为1000mol/h，进料中含C2H4 1000mol/h 摩尔分数为10% 乙烯的转化率为25% 10%， 25%， 摩尔分数为10%，乙烯的转化率为25%，生成产物的 的选择性为80% 80%， C2H4的选择性为80%，计算反应器出口物流的流量与 组成。 组成。
第一节 连续过程的物料衡算
四、反应过程的物料衡算
Ns Nr
∑ F x + ∑V
i =1 i ij m =1
jm m
r = 0( j = 1, 2, ⋅⋅⋅, N c )
第一节 连续过程的物料衡算
[例3-1]在化学反应器中，利用乙烯部分氧化制 1]在化学反应器中， 在化学反应器中 取环氧乙烷， 取环氧乙烷，是将乙烯在过量空气存在条件下通 过银催化剂进行。主反应： 过银催化剂进行。主反应：
第一节 连续过程的物料衡算
2、 选择基准 ， 可以选废酸或浓酸的量为 、 选择基准， 基准，也可以用混合酸的量为基准， 基准，也可以用混合酸的量为基准，因为 四种酸的组成均已知， 四种酸的组成均已知，选任何一种作基准 计算都很方便。 计算都很方便。 3、列物料衡算式，该体系有 种组分，可 种组分， 、列物料衡算式，该体系有3种组分 以列出3个独立方程 所以能求出3个未知 个独立方程， 以列出 个独立方程，所以能求出 个未知 量。 基准： 基准：100kg混合酸 混合酸
《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。
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。
第三章物料衡算和能量衡算-1(物料)
转化率、选择性和收率
（1）转化率
某一反应物的转化总量 X 该反应物的起始量 （2-13）
关键反应物——反应物中价值最高的组分，为使 其尽可能转化，常使其他反应组分过量。
不可逆反应，关键组分的转化率最大为100%。
可逆反应，关键组分的转化率≤其平衡转化率。
排放
新鲜原料
反应系统
分离系统产品循ຫໍສະໝຸດ 物流物料、能量衡算的目的和内容
• 在于定量研究生产过程，为过程设计和操 作最佳化提供依据。
• 对过程中的各个设备和工序，逐个计算各 物料的流量、组成及热流量和温度，定量 地表示所研究的对象。
物料、能量衡算的意义
• ①计算生产过程的原材料消耗指标、能耗定额和产品产 率等 。
• ②根据物料衡算和能量衡算数据和设备恰当的生产强度， 可以设计或选择设备的类型、台数及尺寸。物料衡算和 能量衡算是设备计算的依据。
应特别注意，过量百分比是基于限制反应物 100%的转化，而不论真实反应是否完全或不完 全。
在燃烧过程中，通常采用过量空气，即实际供给的空 气量超过使燃料中可燃物完全燃烧所需的理论空气量， 多余的空气，即为“过量空气”。一般燃烧器，空气 过量为5-20%。
①燃气或烟道气
经过燃烧过程所产生的气体，包括其所含的水蒸 气的称为湿气，不包括水蒸气在内的称为干气。
二、物料衡算基准
物料衡算时须选择计算基准，并在计算过程中保持一致。 一般计算过程的基准有以下几种：
(1) 时间基准——对连续生产过程，常以单位时间(如d、h、s）的投料
量或产品量为计算基准。
(2) 批量基准——以每批操作或一釜料的生产周期为基准。 (3) 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
3 物料衡算和能量衡算
• 化学工程手册， 《化学工程手册》 编辑委员会 ，化学工业出版社，1980
• 化工工艺设计手册，国家医药管理局上海医药 设计院编，司设计院等编 ，化学工业出版社，1982
3 物料衡算与能量衡算
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。
3 物料衡算与能量衡算
例题 苯与丙烯反应生产异丙苯，丙烯转化率为84％， 温度为523K、压力1.722MPa、苯与丙烯的摩尔比为 5。原料苯中含有5％的甲苯，假定不考虑甲苯的反应， 计算产物的组成。
解：画出流程简图
下标1，2， 3，4分别表 F2 示丙烯、苯、 x2,2 甲苯和异丙 x2,3 苯
• 基团贡献法
3 物料衡算与能量衡算
3 、用实验直接测定
• 实验直接测定。 • 以上三种数据来源，从手册或文献中查得数据最方便，
但往往有时数据不够完整，也会出现一些错误。用一些 理论的、半经验的和经验的公式估算，也是一种简便的 方法。当手册或文献中无法查得时，可以进行估算。直 接用实验测定得到的数据最可靠，只是实验比较费时间 又花钱。但是，如果查不到有关数据，而用公式估算得 到的结果精度又不够时，则必须用实验进行测定。
⑶转化率
转化率
反应物的反应量 反应物的进料量
注意：
xA
nA0 nA nA0
1）要注明是指那种反应物的转化率 ；
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O2 200 0 75 635.25 H2O (气)
150 1435.5
已知氨的消耗量为100mol/h，反应的标准反应热
H
0 r
=-904.6kJ/mol，则反应放出的热量：
nAR
H
0 r
100 (904.6)
22615kJ
/h
A
4
H
H
0 r
输出ni Hi
输入 niHi 22615 （635.25 845.3 1435.5） 0
19700kJ / h
化工设计电子课件
（四）以标准生成热为基础进行衡算
一、生成热
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
其中,
niHi
nn
n
ni
H
0 f
,298
K
T2
298 niCP,idT
n
H
/ i ,298
K
i 1
i 1
n i 是组分i的量（kmol/h）；
H
0 f
,298K
是组分i的标准生成热(kJ/mol)；
C P,i 是组分i的等压热容(kJ/mol.K)；
H i,298K 是进料组分i在基准温度下从进料相态变为基准相态时
热锅炉冷却，废热锅炉产生4.5atm的饱和蒸汽。已知
进水温度为20℃，压力为4.5atm，进料水与甲醇的
摩尔比为0.2。假如锅炉是绝热操作，求甲醇的出口温
第 三
度。
章
物 料 衡 算 与 能 量 衡 算
（二）相变过程的热量衡算
化工设计电子课件
例2 浓度为0.5（摩尔分数）的苯、甲苯混合液，温
度为10 ℃，连续加入汽化室内，在汽化室内混合物被
化工设计电子课件
二、三种化工模拟软件的对比 ➢ 一般认为，PROII在炼油工业应用更为准确些，因其数据库中有不少
经验数据；而ASPEN在化工领域表现更好。 ➢ HYSYS主要用于天然气的加工处理及炼油工业。 ➢ Aspen plus 计算较准确，数据库比较完善。不过由于它考虑的方面非
常全面，所以学起来比较费劲。
第 对于简单反应过程，假定位能与动能忽略不计则：
三
章 物
H H1 Hr0,298K H2
料 衡
式中, H为1 进反应器物料在等压变温过程中的焓变和有相变时的焓变
算
之和：
与
能 量
H 2为出反应器物料在等压变温过程中的焓变和有相变时的焓变之和：
衡
算
9
化工设计电子课件
例3-7 氨氧化反应器的能量衡算氨氧化反应式为：
解 物料衡算结果示于图中 取101.3kPa及25℃时生成各个反应物和产物的各种 单质（即C、O2、H2）为基准，非反应物质N2也 取101.3kPa及25℃为基准（因25℃是气体平均摩尔 热容的参考温度）。
现将各个焓值计算如下：
第 三 章
物 料 衡 算 与 能 量 衡 算
化工设计电子课件
化工设计电子课件
加热至50 ℃，压力为34.8mmHg。液相中苯的浓度
为0.4，汽相中苯的浓度为0.684，问1kmol苯、甲苯
第 三
混合液经过汽化室要吸收多少热量？
章
物 料 衡 算 与 能 量 衡 算
化工设计电子课件
（三）以标准反应热为基础进行衡算
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。
7
5
50 237. 56
Q H (ni Hi )输出 ni Hi 进入=-21840.8- (-6439.2)≈-15401 kJ/mol
化工设计电子课件
在一绝热反应器内进行下列反应：
CO(g)+H2O(g) CO2(g)+H2(g) 反应物在300℃,1atm下按化学计量比进入反应器，无惰性物、反应 进行完全。试计算该绝热反应器出口物料的温度。
பைடு நூலகம்
化工设计电子课件
4.3 化工模拟软件在化工设计中的应用
计算机用于化工设计的主要环节： ➢物性数据检索(物理性质、热力学性质数据)； ➢化工过程模拟设计(CAPD)； ➢计算机辅助绘图设计(CAD)； ➢计算机辅助工程(CAE)等
目前用的较多的化工流程模拟计算软件有PRO/II、HYSYS、 ASPEN PLUS等。
➢ 开发出针对我国石化企业，覆盖主要生产装置的流程模拟、过程控 制好过程优化软件将具有很强的市场竞争力。
U = Q + W 若体系与环境没有功的交换，即W = 0，则：
Q =U 2. 流动体系的能量衡算方程——物料连续通过边界进出
能量输入速率-能量输出速率=能量积累速率
连续稳定流动过程的总能量衡算方程为：
U gz 1 u 2 ( pv) Q W 2
H
gz
1 u 2 2
NH3(气)，O2(气)，
因此进口两股物料的焓均为零。计算出口物料的焓：
由手册查得300℃时O2 与H2O的值：
化工设计电子课件
将计算出的焓值填入进、出口焓表，见表3-6
表3-6氨氧化反应器的能量衡算
化工设计电子课件
物料 n进 H进 N出 H出 NH3 100 0
物料 NO
n进 H进 N出 H出 100 845.3
化工设计电子课件
化工设计
第三章 物料衡算与能量衡算 Chart3 materiel balance and energy balance
化工设计电子课件
3.1 物料衡算 3.2 能量衡算 3.3 化工模拟软件在化工设计中的应用
化工设计电子课件
化工生产中，需要通过能量衡算解决的问题： ⑴ 确定物料输送机械和其他操作机械所需功率。 ⑵ 确定各单元过程所需热量或冷量及其传递速率。 ⑶ 化学反应所需的放热速率和供热速率。 ⑷ 做好余热综合利用。
Q1+ Q2+ Q3= Q4+ Q5+ Q6
Q1——物料带入热量； Q2——加热介质供给或输出的热量，输入为正，输出为负；
化工设计电子课件
Q3——过程的热效应，吸正放负； Q4——物料带出热量； Q5——消耗在加热设备各部件上的热量； Q6——设备向四周的散热损失；
⑵ 热量衡算的步骤
① 建立单位时间为基准的物料流程图或物料平衡表。 ②选定计算基准温度和计算相态：可选0℃(273K)、25℃(298K)或其
25℃,
O2 200mol/h NH3 100mol/h
反应器 Q/(kJ/h)
300℃,
O2 75mol/h H2O 150mol/h NO 100 mol/h
化工设计电子课件
解 由物料衡算得到的各组分的摩尔流量示于图3-7中。
算焓时的基准态：25℃，101.3kPa NO(气)，H2O (气)。
Q Ws
化工设计电子课件
3. 热量衡算式及说明
⑴ 热量衡算式
在反应器、蒸馏塔、蒸发器、换热器等化工设备中，W、Ek、
Ez与Q、 U和H的相比，可以忽略。总能量衡算式为：
封闭体系
Q = ∆U
敞开体系
Q = ∆H
对这些设备做能量衡算的实质就是进行热量衡算。
连续稳定流动体系的热量衡算：
Q = H1–H2 或 Q = U1 –U2 实际计算时，还常使用下式： Qin = Qout
第 由反应热计算得到。
三
章
物
料
Q H
衡
(ni Hi )输出
ni Hi 进入
算
与
能
量
衡
算
化工设计电子课件
进入反应器物料的热焓：
niHi
nn
n
ni
H
0 f
,298 K
298 K
T1 niCP,idT
n
H i,298K
i 1
i 1
出反应器物料的热焓：
以100mol进反应器的甲烷为基准，物料流程图如示。
25℃,CH4 100mol
100℃,O2 100mol N2 376 mol
反应器 Q
150℃,CH4 60mol HCHO(气) 30mol
CO2 10mol H2O(气) 50mol O2 50mol N2 376 mol
化工设计电子课件
的相变热(kJ/mol)；
H
/ i,298K
是出料组分i在基准温度下从基准相态变为出料相态时
的相变热(kJ/mol)。
化工设计电子课件
例3-8 甲烷在连续式反应器中用空气氧化生产甲醛，副反应 是甲烷完全氧化生成CO2和H2O。
CH4(气)+O2 HCHO(气)+ H2O(气) CH4(气)+2O2 CO2+2 H2O(气)
化工设计电子课件
化工设计电子课件
物料 n进
表3-7甲烷反应器的能量衡算
化工设计电子课件
H进 n出 H出 物料 n进 H进 n出 H出
CH4 100 -
60
74.8
5
- HC 69.9 HO 5
30 114. 74
O2 100 2.23 50 3.78 CO2
5
5
10 388. 4
N 2 376 2.18 376 3.65 H2O
PRO/II 流程模拟软件 PRO/II 由美国模拟科学（SIMSCI）公司研发提供的。是目前石