化工設計第四章物料衡算與能量衡算Chart4materielbalanceandenergybalance化工設計第四章物料衡算與能量衡算4.1物料衡算4.2能量衡算4.3化工模擬軟件在化工設計中的應用4.1物料衡算4.1物料衡算物料衡算—運用質量守恒定律，對化工過程或設備進行定量計算。通過物料衡算解決以下問題：計算原料消耗量、副產品量；輸出過程物料的損耗量及三廢的生成量；在物料衡算基礎上做能量衡算，計算蒸汽、水、電、煤或其他燃料的消耗定額。計算產品的技術經濟指標。

為生產設備和輔助設備的選型及設計、管路設施與公用工程的設計等方面提供依據。4.1物料衡算物料衡算—運用質量守恒定律，對化工過程或設衡算計算范圍示意圖：

圖中方框表示一個體系，虛線表示體系邊界。共有三個流股，進料1、2及出料3。123衡算計算范圍示意圖：圖中方框表示一個體系，虛線表示體一、物料衡算依據

1.理論依據——質量守恒定律物料衡算范圍單元操作的物料衡算——化工設備設計的前提化工過程的物料衡算——化工過程設計的前提物料衡算的一般表達式為：

輸入量－輸出量＋生成量－消耗量＝積累量

對穩定操作過程，積累量=0輸入量-輸出量+生成量-消耗量=0對無化學反應的過程：輸入量－輸出量＝積累量

對無化學反應的穩定操作過程：輸入量＝輸出量

一、物料衡算依據1.理論依據——質量守恒定律物料衡算范圍對有化學反應的過程：總物料衡算+元素衡算式2.數據基礎

(1)技術方案、操作方法、生產能力、年工作時。(2)建設單位或研究單位的要求、設計參數、小試及中試數據：化工單元過程的化學反應式、原料配比、轉化率、選擇率、總收率，催化劑狀態、用量、回收方法、安全性能等；原料及產品的分離方式，分離劑的用量，各步的回收率；特殊化學品的物性：沸點、熔點、飽和蒸汽壓、閃點等。(3)工藝流程示意圖。二、物料衡算基準

物料衡算時須選擇計算基準，并在計算過程中保持一致。一般計算過程的基準有以下幾種：對有化學反應的過程：總物料衡算+元素衡算式2.數據基礎((1)時間基準——對連續生產過程，常以單位時間(如d、h、s）的投料量或產品量為計算基準。(2)批量基準——以每批操作或一釜料的生產周期為基準。㎏/批(3)質量基準——當系統介質為液、固相時，選擇一定質量的原料或產品作為計算基準較適合。(4)物質的量基準：對于有化學反應的過程因化學反應的按摩爾進行的，用物質的量基準更方便。(5)標準體積基準：對氣體物料進行衡算，可采用標準體積基準，Nm3(STP)，既排除T、p的影響，又可直接換算為摩爾。(6)干濕基準：由于物料中均含有一定量的水分，選用基準時就有算不算水分的問題。濕基計算水分，干基不計算水分。

實際計算時，必須根據具體情況選擇合適的基準，過程的物料衡算及能量衡算應在同一基準上進行。(1)時間基準——對連續生產過程，常以單位時間(如d、h、可建議：以1t產品為基準以1mol某反應物為基準在連續操作中，以單位時間，即㎏/h或kmol/h作基準；在間歇操作中，以㎏/批為基準有化學變化的過程，適宜采用質量作基準；無化學變化的過程，以質量或kmol/h為基準對于液固系統常用單位質量作基準，而液相常用單位體積作基準可建議：三、物料衡算的基本程序

(1)確定衡算對象和范圍，畫出計算對象的草圖。注意物料種類和走向，明確輸入和輸出。(2)確定計算任務，明確已知項、待求項，選擇數學公式，力求使計算方法簡化。(3)確定過程所涉及的組分，并對所有組分依次編號。(4)對物流的流股進行編號，并標注物流變量。(5)收集數據資料（設計任務所規定已知條件，與過程有關物理化學參數）：

生產規模（設計任務所規定，t/年）和生產時間（指全年有效生產天數300~330天/年，計約8000h）。有關定額的技術指標，通常指產品單耗、配料比、循環比、固液比、氣液比、回流比、利用率、單程收率、回收率等等。三、物料衡算的基本程序(1)確定衡算對象和范圍，畫出計算原輔材料、產品、中間產品的規格；與過程有關有物理化學參數，如臨界參數、密度或比體積、狀態方程參數、蒸汽壓、氣液平衡常數或平衡關系等。(6)列出過程全部獨立物料平衡方程式及其相關約束式，對有化學反應的還要寫出化學反應方程式，指出其轉化率和選擇性。約束式分數約束式設備約束式①進料配比為一常數；②分流器出口物流具有相同的組成；③相平衡常數；④化學反應平衡常數；⑤化學反應的轉化率、選擇性或其他限度。原輔材料、產品、中間產品的規格；(6)列出過程全部獨立物料(7)選擇計算基準；(8)統計變量個數與方程個數，確定設計變量個數及全部設計變量。(9)整理并校核計算結果，并根據需要換算基準，最后列成表格即物流表。(10)繪制物料流程圖，編寫物流表作為設計文件成果編入正式設計文件。(7)選擇計算基準；衡算計算范圍示意圖：邊界線（BoundaryLine）圍起來的區域構成衡算范圍。衡算計算范圍示意圖：邊界線（BoundaryLine）圍起

例:某尿素廠的生產能力為6萬t尿素/a,年操作日300d，尿素的氨耗為0.6t氨/t尿素，生產過程的氨損失按5%考慮，已知以1t氨為基準的某股氣體的組成和量如下表所示。組成CO2COH2N2CH4

合計％(mol)28.561.252.6117.050.575100kmol54.302.29100.0432.431.093190.99列出該股氣體的組成和流量表。解:小時氨耗為

60000×0.6×1.05300×24

=5.25t/h例:某尿素廠的生產能力為6萬t尿素/a,年操作日300d

以1t氨為基準的各組分的kmol量乘以5.25所得結果為流量。氣體的流量和組成如下表所示:組成CO2COH2N2CH4

合計％(mol)28.561.252.6117.050.575100kmol/h285.112.02525.2170.25.74998.3以1t氨為基準的各組分的kmol量乘以5.25所得結果為無化學反應的物料衡算1、簡單過程的物料衡算2、多單元系統在化工過程中，一些只有物理變化，不發生化學反應的單元操作，如混合、蒸餾、蒸發、干燥、吸收、結晶、萃取等。這些過程都可以根據物料衡算式，列出總物料和各組分的衡算式，再用代數法求解。

無化學反應的物料衡算1、簡單過程的物料衡算在化工過程中，一些1、簡單過程的物料衡算

簡單過程是指僅有一個設備或一個單元操作或整個過程簡化成一個設備的過程。這種過程的物料衡算比較簡單，在物料流程簡圖中，設備邊界就是體系邊界。例：一種廢酸，組成為23％(質量％)HNO3，57％H2SO4和20％H2O，加入93％的H2SO4及90％的濃HNO3，要求混合成27％HNO3及60％H2SO4的混合酸，計算所需廢酸及加入濃酸的數量。

1、簡單過程的物料衡算簡單過程是指僅有一個設備或一個單元

解：設x為廢酸量，kg；

y為濃H2SO4量，kg；

z為濃HNO3量,㎏；

⑴畫物料流程簡圖解：設x為廢酸量，kg；⑵選擇基準:可以選廢酸或濃酸的量為基準，也可以用混合酸的量為基準，因為四種酸的組成均已知，選任何一種作基準計算都很方便。

⑶列物料衡算式，該體系有3種組分，可以列出3個獨立方程，所以能求出3個未知量。基準：100kg混合酸總物料衡算式

x+y+z=100(1)H2SO4的衡算式

0.57x+0.93y=100×0.6=60

(2)HNO3的衡算式

0.23x+0.90z=100×0.27=27

(3)

解(1)，(2)，(3)方程，得x=41.8kg廢酸

y=39kg濃H2SO4

z=19.2kg濃HNO3即由41.8kg廢酸、39kg濃H2SO4和19.2kg濃HNO3可以混合成100kg混合酸。⑵選擇基準:可以選廢酸或濃酸的量為基準，也可以用混合2、多單元系統對有多個設備的過程，進行物料衡算時，可以劃分多個衡算體系。此時，必須選擇恰當的衡算體系，這是很重要的步驟。不然會使計算繁瑣，甚至無法求解。

例：造紙廠的堿回收工序有一個四效蒸發器,供料方式為Ⅲ→Ⅳ→Ⅱ→Ⅰ,蒸發器的總處理量為80000㎏/h造紙廢液(黑液)。計算總蒸發水量和每一效蒸發器的蒸發水量。2、多單元系統對有多個設備的過程，進行物料衡算時，可以劃分多四效蒸發系統的物料平衡四效蒸發系統的物料平衡四效蒸發系統的物料衡算過程將整個系統簡化為一個單元，可計算出總蒸發量則總蒸發水量為FX進=（F進-W）X出四效蒸發系統的物料衡算過程將整個系統簡化為一個單元，可計算出四效蒸發系統的物料衡算過程第三效蒸發水量為則第Ⅳ效的蒸發水量WⅣ為進入第Ⅳ的料液量80000-12600=67400kg/h類推得：ＷⅡ＝15000kg/h

ＷⅠ＝18100kg/h四效蒸發系統的物料衡算過程第三效蒸發水量為則第Ⅳ效的蒸發水量反應過程的物料衡算1、直接計算法在物料衡算中，根據化學反應式，運用化學計量系數進行計算的方法，稱為直接計算法。例：甲醇氧化制甲醛，其反應過程為

CH3OH+1/2O2→HCHO+H2O反應物及生成物均為氣態。甲醇的轉化率為75％，若使用50％的過量空氣，試計算反應后氣體混合物的摩爾組成。反應過程的物料衡算1、直接計算法在物料衡算中，根據化學反應式

解：畫出流程示意圖，如下圖：催化反應器CH3OH空氣（過量50%)CH3OHHCHOH2OO2N2

基準：1molCH3OHCH3OH+1/2O2→HCHO+H2O根據反應式：需氧＝0.5氧入=0.5×1.5=0.75

氮入＝氮出＝0.75×(79/21)=2.82解：畫出流程示意圖，如下圖：催化反應器CH3OH空氣反應的甲醇量＝0.75×1=0.75甲醛的出量＝0.75甲醇的出量＝1－0.75=0.25氧的出量＝0.75－0.75×0.5=0.375水的出量＝0.75計算結果如下表：

組分CH3OHHCHOH2OO2N2

總計

mol0.2500.7500.7500.3752.8204.945摩爾分數（％）5.015.215.27.657.0100.0反應的甲醇量＝0.75×1=0.75甲醛的出量＝0.75２、元素衡算法

元素衡算是物料衡算的一種重要形式。在作這類衡算時，并不需要考慮具體的化學反應，而是按照元素種類被轉化及重新組合的概念表示為：

輸入(某種元素)＝輸出(同種元素)對反應過程中化學反應很復雜，無法用一、兩個反應式表示的物料衡算，可以列出元素衡算式，用代數法求解。

２、元素衡算法元素衡算是物料衡算的一種重要形式。在作這類衡C3H8+5O23CO2+4H2O基準：100mol煙道氣：設：N-煙道氣中N2的molQ-煙道氣中H2O,molM-煙道氣中O2的molA-輸入空氣molP-煙道氣中CO2的molB-輸入丙烷，mol

列平衡式：C平衡：3P=BN2平衡:0.79A=NH2平衡：4Q=B過剩氧氣:0.21A×0.25/1.25=MO2平衡：0.21A=M+P+2Q

煙道氣總量:N+M+P+Q=100

丙烷充分燃燒時，要供給的空氣量為理論量的125%，問每100mol燃燒產物，需多少mol的空氣？反應：

燃燒丙烷空氣（O2N2）CO2H2OO2N2

C3H8+5O23CO2+4H2O基準：３、用聯系組分作衡算

“聯系組分”是指隨物料輸入體系，但完全不參加反應，又隨物料從體系輸出的組分，在整個反應過程中，它的數量不變。如果體系中存在聯系組分，那么輸入物料和輸出物料之間就可以根據聯系組分的含量進行關聯。例如，F、P分別為輸入、輸出物料，T為聯系組分。T在F中的質量分數為XFT，在P中的質量分數為XPT，則F與P之間的關系為：FXFT=PXPT

３、用聯系組分作衡算“聯系組分”是指隨物料輸入體系，但完全某廠用空氣和鄰二甲苯生產苯酐。原料流量為：205kg/h鄰二甲苯，4500m3（STP）/h空氣，從反應的計量關系可知，生成1mol苯酐需要反應掉1mol的鄰二甲苯。經化驗得到反應器出口氣體的組成為：試計算：1）鄰二甲苯的轉化率，苯酐收率；2）苯酐的年產量（年工作日330天）某廠用空氣和鄰二甲苯生產苯酐。原料流量為：205kg/h鄰二循環過程的物料衡算例如在生產中一般將未反應的原料與產品先分離，后循環返回原料進口處，與新原料一起再進入反應器反應。例如苯直接加氫轉化環己烷中的循環過程：混合器泠凝器新鮮Ｈ2純C6H6循環Ｈ280%Ｈ220%C6H6產物3%H2反應器循環過程的物料衡算例如在生產中一般將未反應的原料與產品先分苯直接加氫轉化環己烷中的循環過程的衡算解：反應為：C6H6+3H2→C6H12

基準：100kmol/h環己烷查苯的總轉化率為99%則生產100kmol/h環己烷需苯

100／0.99=101.01kmol/h未反應的苯為

101.01-100=1.01kmol/h產物中含H2,設含量為nH2苯直接加氫轉化環己烷中的循環過程的衡算解：反應為：C6H6+總產量＝100+1.01+3.12=104.13kmol/h其摩爾分數為H2的進料率為100×3＋3.12=303.12kmol/h苯的進料率為101.01kmol/h設H2循環量為RR=100.92kmol/h總產量＝100+1.01+3.12=104.13kmol/h

在沒有循環時，一系列單元步驟的物料衡算可按順序依次進行，每次可取一個單元．但是，如果有循環的話，由于循環量并不知道，所以逐次計算并不能計算出循環量。其解法有二：代數法：在循環存在時，列出物料平衡方程式，并求解。一般方程式中以循環量作為未知數，用聯立方程式的方法進行求解。迭代法：假定一個循環量估計值進行計算，將估計值與計算值比較，若不符，重新假定一個估計值，一直計算到估計值與計算值之差在一定的誤差范圍內。聯立方程法：在沒有循環時，一系列單元步驟的物料衡算可按順序依次進迭代法求解循環問題——序貫模塊法

今有一反應器/分離器系統，它將100kmol/h的組分A轉化為等物質的量的B。每一單程有80%的A被轉化，在分離器內沒有物質的變化，分離后的98%的A和1%的B再循環。迭代法求解循環問題——序貫模塊法今有一反應器/分離器物料衡算和能量衡算課件物料衡算和能量衡算課件例：丙烷在催化反應器中脫氫生成丙烯，其反應式為：

C3H8C3H6+H2丙烷的總轉化率為95%，反應生成物經分離器分成產物P和循環物料R，產品中含有C3H8、C3H6及H2，其中C3H8的量為未反應C3H8的0.555%，循環物料中含有C3H8和C3H6，其中C3H6的量是產品中C3H6的5%，試計算產品組成、循環物料組成和單程轉化率。例：丙烷在催化反應器中脫氫生成丙烯，其反應式為：物料衡算匯總表(1)產品消耗定額產品消耗定額物料衡算匯總表產品消耗定額主要原料、輔助材料的品種、規格及年需求量(2)原輔材料需求一覽表主要原料、輔助材料的品種、規格及年需求量(2)原輔材料需求一4.2能量衡算

化工生產中，需要通過能量衡算解決的問題：⑴確定物料輸送機械和其他操作機械所需功率。⑵確定各單元過程所需熱量或冷量及其傳遞速率。⑶化學反應所需的放熱速率和供熱速率。⑷做好余熱綜合利用。能量衡算的基本方程式

在物料衡算基礎上進行能量衡算，能量衡算的步驟與物料衡算相同。

根據熱力學第一定律，能量衡算方程可寫為：Q+W=E=Ek+Ep+UW=Wt+Ws，Wt為流動功，Ws為軸功；

4.2能量衡算化工生產中，需要通過能量衡算解決的問題：1.封閉體系的能量衡算方程

封閉體系特點：與環境只有能量交換，而無物質交換，如間歇操作過程，體系物質的動能、位能、壓力能無變化，則：U=Q+W若體系與環境沒有功的交換，即W=0，則：Q=U

2.流動體系的能量衡算方程——物料連續通過邊界進出能量輸入速率-能量輸出速率=能量積累速率連續穩定流動過程的總能量衡算方程為：1.封閉體系的能量衡算方程封閉體系特點：與環境只有能量交3.熱量衡算式及說明

⑴熱量衡算式

在反應器、蒸餾塔、蒸發器、換熱器等化工設備中，W、Ek、Ez與Q、U和H的相比，可以忽略。總能量衡算式為：

封閉體系Q=?U

敞開體系Q=?H

對這些設備做能量衡算的實質就是進行熱量衡算。連續穩定流動體系的熱量衡算：

Q=H1–H2或

Q=U1–U2實際計算時，還常使用下式：Qin=QoutQ1+Q2+Q3=Q4+Q5+Q6Q1——物料帶入熱量；Q2——加熱介質供給或輸出的熱量，輸入為正，輸出為負；3.熱量衡算式及說明⑴熱量衡算式連續穩定流動體系的熱量Q3——過程的熱效應，吸正放負；Q4——物料帶出熱量；Q5——消耗在加熱設備各部件上的熱量；Q6——設備向四周的散熱損失；⑵熱量衡算的步驟

①建立單位時間為基準的物料流程圖或物料平衡表。②選定計算基準溫度和計算相態：可選0℃(273K)、25℃(298K)或其他溫度作為基準溫度。③在物料流程圖上標明已知溫度、壓力、相態等條件，查出或計算每個物料的焓值，標注在圖上。④列出熱量衡算式，用數學方法求解。⑤當生產過程及物料組成較復雜時，可列出熱量衡算表。Q3——過程的熱效應，吸正放負；⑵熱量衡算的步驟①建立4.機械能衡算式

連續穩定流動過程的總能量衡算方程為：

在一些單元操作中，Q、U與動能和位能變化及外功相比，相對較小，如流體流入流出貯罐、貯槽、工藝設備、輸送設備、廢料排放，管道流動等過程。單位質量不可壓縮流體流動時的機械能衡算式：4.機械能衡算式連續穩定流動過程的總能量衡算方程為：4.3化工模擬軟件在化工設計中的應用計算機用于化工設計的主要環節：物性數據檢索(物理性質、熱力學性質數據)；化工過程模擬設計(CAPD)；計算機輔助繪圖設計(CAD)；計算機輔助工程(CAE)等

目前用的較多的化工流程模擬計算軟件有PRO/II、HYSYS、ASPENPLUS等。

PRO/II流程模擬軟件

PRO/II由美國模擬科學（SIMSCI）公司研發提供的。是目前石油化工行業最全面的流程模擬軟件，已被廣泛地應用于化學過程的嚴格的質量和能量平衡。4.3化工模擬軟件在化工設計中的應用計算機用于化工設計西安石油大學2006年也購買了該軟件，20個用戶終端。

PRO/II流程模擬軟件功能特點

適用行業：油/氣加工、煉油、化工、化學工程、建筑、聚合物、精細化工/制藥模擬應用：新工藝設計、評估改變的裝置配置、改進現有裝置、消除裝置工藝瓶頸、優化和改進裝置產量和效益。組份數據庫：2000多純組分庫、1900多組分/種類電解質庫等?；旌衔飻祿河糜?000多VLE二元作用參數、2200在線共沸混合物用于參數估算、專用數據包等。熱力學計算方法：60多個熱力學模型。熱力學數據：特殊包：胺，乙二醇，酒精；超過5000個二元交互參數；專用的水溶性數據；超過550個Henry系數；二元交互參數預測；熱力學數據回歸。西安石油大學2006年也購買了該軟件，20個用戶終端。PR設計化工單元操作：閃蒸罐，間歇精餾器，蒸餾器，液－液抽提精餾器，側線塔，壓縮機，結晶器，旋流器，減壓設備，溶解器，膨脹機，閃蒸，帶有固體的閃蒸，LNG多股流換熱器，精確核算型換熱器，簡單換熱器，嚴格空冷器模型，加熱/冷卻曲線，混合器，相包絡，管道，聚合物反應器，泵，回流泵，閥，刮膜式蒸發器，平衡反應器，轉換反應器，吉布斯反應器，塞流反應器，平推流反應器，全混流反應器，間歇式反應器，固態顆粒分離器，分裂器，單變量控制器，多變量的控制器，物流計算器，流程優化器，過程數據，用戶自定義操作單元，(電解質模塊，SIMSCI外接的模塊)等。用戶擴展功能：用戶自定義物流屬性包；增加用戶組份數據；增加熱力學計算方法；增加自定義操作單元模塊120個；增加自定義計算模型7個；增加自定義電解質模型20個等。分析工具：工況研究、優化器、單相變量控制器、多相變量控制器、加熱/冷卻曲線等。設計化工單元操作：閃蒸罐，間歇精餾器，蒸餾器，液－液抽提精餾二、三種化工模擬軟件的對比一般認為，PROII在煉油工業應用更為準確些，因其數據庫中有不少經驗數據；而ASPEN在化工領域表現更好。HYSYS主要用于天然氣的加工處理及煉油工業。Aspenplus計算較準確，數據庫比較完善。不過由于它考慮的方面非常全面，所以學起來比較費勁。三、化工模擬軟件存在問題還沒有成熟的化工軟化可用于石油化工過程部分主要裝置的模擬（如催化裂化、加氫裂化的反應部分）。國際上大的從事流程模擬的公司在模型上實行技術封鎖，我國的石化企業長期幾乎完全依賴外國相關產品，現有產品價格昂貴。二、三種化工模擬軟件的對比三、化工模擬軟件存在問題現有產品主要集中在比較成熟的精餾過程的建模和優化，在其他一些主要裝置，如反應器、反應精餾、聚合等過程還沒有模型或只有簡單的模型，對石化企業好設計部門來說，花巨資購買的軟件只能在某些裝置上使用。開發出針對我國石化企業，覆蓋主要生產裝置的流程模擬、過程控制好過程優化軟件將具有很強的市場競爭力?，F有產品主要集中在比較成熟的精餾過程的建模和優化，在其他一些化工設計第四章物料衡算與能量衡算Chart4materielbalanceandenergybalance化工設計第四章物料衡算與能量衡算4.1物料衡算4.2能量衡算4.3化工模擬軟件在化工設計中的應用4.1物料衡算4.1物料衡算物料衡算—運用質量守恒定律，對化工過程或設備進行定量計算。通過物料衡算解決以下問題：計算原料消耗量、副產品量；輸出過程物料的損耗量及三廢的生成量；在物料衡算基礎上做能量衡算，計算蒸汽、水、電、煤或其他燃料的消耗定額。計算產品的技術經濟指標。

為生產設備和輔助設備的選型及設計、管路設施與公用工程的設計等方面提供依據。4.1物料衡算物料衡算—運用質量守恒定律，對化工過程或設衡算計算范圍示意圖：

圖中方框表示一個體系，虛線表示體系邊界。共有三個流股，進料1、2及出料3。123衡算計算范圍示意圖：圖中方框表示一個體系，虛線表示體一、物料衡算依據

1.理論依據——質量守恒定律物料衡算范圍單元操作的物料衡算——化工設備設計的前提化工過程的物料衡算——化工過程設計的前提物料衡算的一般表達式為：

輸入量－輸出量＋生成量－消耗量＝積累量

對穩定操作過程，積累量=0輸入量-輸出量+生成量-消耗量=0對無化學反應的過程：輸入量－輸出量＝積累量

對無化學反應的穩定操作過程：輸入量＝輸出量

一、物料衡算依據1.理論依據——質量守恒定律物料衡算范圍對有化學反應的過程：總物料衡算+元素衡算式2.數據基礎

(1)技術方案、操作方法、生產能力、年工作時。(2)建設單位或研究單位的要求、設計參數、小試及中試數據：化工單元過程的化學反應式、原料配比、轉化率、選擇率、總收率，催化劑狀態、用量、回收方法、安全性能等；原料及產品的分離方式，分離劑的用量，各步的回收率；特殊化學品的物性：沸點、熔點、飽和蒸汽壓、閃點等。(3)工藝流程示意圖。二、物料衡算基準

物料衡算時須選擇計算基準，并在計算過程中保持一致。一般計算過程的基準有以下幾種：對有化學反應的過程：總物料衡算+元素衡算式2.數據基礎((1)時間基準——對連續生產過程，常以單位時間(如d、h、s）的投料量或產品量為計算基準。(2)批量基準——以每批操作或一釜料的生產周期為基準。㎏/批(3)質量基準——當系統介質為液、固相時，選擇一定質量的原料或產品作為計算基準較適合。(4)物質的量基準：對于有化學反應的過程因化學反應的按摩爾進行的，用物質的量基準更方便。(5)標準體積基準：對氣體物料進行衡算，可采用標準體積基準，Nm3(STP)，既排除T、p的影響，又可直接換算為摩爾。(6)干濕基準：由于物料中均含有一定量的水分，選用基準時就有算不算水分的問題。濕基計算水分，干基不計算水分。

實際計算時，必須根據具體情況選擇合適的基準，過程的物料衡算及能量衡算應在同一基準上進行。(1)時間基準——對連續生產過程，常以單位時間(如d、h、可建議：以1t產品為基準以1mol某反應物為基準在連續操作中，以單位時間，即㎏/h或kmol/h作基準；在間歇操作中，以㎏/批為基準有化學變化的過程，適宜采用質量作基準；無化學變化的過程，以質量或kmol/h為基準對于液固系統常用單位質量作基準，而液相常用單位體積作基準可建議：三、物料衡算的基本程序

(1)確定衡算對象和范圍，畫出計算對象的草圖。注意物料種類和走向，明確輸入和輸出。(2)確定計算任務，明確已知項、待求項，選擇數學公式，力求使計算方法簡化。(3)確定過程所涉及的組分，并對所有組分依次編號。(4)對物流的流股進行編號，并標注物流變量。(5)收集數據資料（設計任務所規定已知條件，與過程有關物理化學參數）：

生產規模（設計任務所規定，t/年）和生產時間（指全年有效生產天數300~330天/年，計約8000h）。有關定額的技術指標，通常指產品單耗、配料比、循環比、固液比、氣液比、回流比、利用率、單程收率、回收率等等。三、物料衡算的基本程序(1)確定衡算對象和范圍，畫出計算原輔材料、產品、中間產品的規格；與過程有關有物理化學參數，如臨界參數、密度或比體積、狀態方程參數、蒸汽壓、氣液平衡常數或平衡關系等。(6)列出過程全部獨立物料平衡方程式及其相關約束式，對有化學反應的還要寫出化學反應方程式，指出其轉化率和選擇性。約束式分數約束式設備約束式①進料配比為一常數；②分流器出口物流具有相同的組成；③相平衡常數；④化學反應平衡常數；⑤化學反應的轉化率、選擇性或其他限度。原輔材料、產品、中間產品的規格；(6)列出過程全部獨立物料(7)選擇計算基準；(8)統計變量個數與方程個數，確定設計變量個數及全部設計變量。(9)整理并校核計算結果，并根據需要換算基準，最后列成表格即物流表。(10)繪制物料流程圖，編寫物流表作為設計文件成果編入正式設計文件。(7)選擇計算基準；衡算計算范圍示意圖：邊界線（BoundaryLine）圍起來的區域構成衡算范圍。衡算計算范圍示意圖：邊界線（BoundaryLine）圍起

例:某尿素廠的生產能力為6萬t尿素/a,年操作日300d，尿素的氨耗為0.6t氨/t尿素，生產過程的氨損失按5%考慮，已知以1t氨為基準的某股氣體的組成和量如下表所示。組成CO2COH2N2CH4

合計％(mol)28.561.252.6117.050.575100kmol54.302.29100.0432.431.093190.99列出該股氣體的組成和流量表。解:小時氨耗為

60000×0.6×1.05300×24

=5.25t/h例:某尿素廠的生產能力為6萬t尿素/a,年操作日300d

以1t氨為基準的各組分的kmol量乘以5.25所得結果為流量。氣體的流量和組成如下表所示:組成CO2COH2N2CH4

合計％(mol)28.561.252.6117.050.575100kmol/h285.112.02525.2170.25.74998.3以1t氨為基準的各組分的kmol量乘以5.25所得結果為無化學反應的物料衡算1、簡單過程的物料衡算2、多單元系統在化工過程中，一些只有物理變化，不發生化學反應的單元操作，如混合、蒸餾、蒸發、干燥、吸收、結晶、萃取等。這些過程都可以根據物料衡算式，列出總物料和各組分的衡算式，再用代數法求解。

無化學反應的物料衡算1、簡單過程的物料衡算在化工過程中，一些1、簡單過程的物料衡算

簡單過程是指僅有一個設備或一個單元操作或整個過程簡化成一個設備的過程。這種過程的物料衡算比較簡單，在物料流程簡圖中，設備邊界就是體系邊界。例：一種廢酸，組成為23％(質量％)HNO3，57％H2SO4和20％H2O，加入93％的H2SO4及90％的濃HNO3，要求混合成27％HNO3及60％H2SO4的混合酸，計算所需廢酸及加入濃酸的數量。

1、簡單過程的物料衡算簡單過程是指僅有一個設備或一個單元

解：設x為廢酸量，kg；

y為濃H2SO4量，kg；

z為濃HNO3量,㎏；

⑴畫物料流程簡圖解：設x為廢酸量，kg；⑵選擇基準:可以選廢酸或濃酸的量為基準，也可以用混合酸的量為基準，因為四種酸的組成均已知，選任何一種作基準計算都很方便。

⑶列物料衡算式，該體系有3種組分，可以列出3個獨立方程，所以能求出3個未知量?；鶞剩?00kg混合酸總物料衡算式

x+y+z=100(1)H2SO4的衡算式

0.57x+0.93y=100×0.6=60

(2)HNO3的衡算式

0.23x+0.90z=100×0.27=27

(3)

解(1)，(2)，(3)方程，得x=41.8kg廢酸

y=39kg濃H2SO4

z=19.2kg濃HNO3即由41.8kg廢酸、39kg濃H2SO4和19.2kg濃HNO3可以混合成100kg混合酸。⑵選擇基準:可以選廢酸或濃酸的量為基準，也可以用混合2、多單元系統對有多個設備的過程，進行物料衡算時，可以劃分多個衡算體系。此時，必須選擇恰當的衡算體系，這是很重要的步驟。不然會使計算繁瑣，甚至無法求解。

例：造紙廠的堿回收工序有一個四效蒸發器,供料方式為Ⅲ→Ⅳ→Ⅱ→Ⅰ,蒸發器的總處理量為80000㎏/h造紙廢液(黑液)。計算總蒸發水量和每一效蒸發器的蒸發水量。2、多單元系統對有多個設備的過程，進行物料衡算時，可以劃分多四效蒸發系統的物料平衡四效蒸發系統的物料平衡四效蒸發系統的物料衡算過程將整個系統簡化為一個單元，可計算出總蒸發量則總蒸發水量為FX進=（F進-W）X出四效蒸發系統的物料衡算過程將整個系統簡化為一個單元，可計算出四效蒸發系統的物料衡算過程第三效蒸發水量為則第Ⅳ效的蒸發水量WⅣ為進入第Ⅳ的料液量80000-12600=67400kg/h類推得：ＷⅡ＝15000kg/h

ＷⅠ＝18100kg/h四效蒸發系統的物料衡算過程第三效蒸發水量為則第Ⅳ效的蒸發水量反應過程的物料衡算1、直接計算法在物料衡算中，根據化學反應式，運用化學計量系數進行計算的方法，稱為直接計算法。例：甲醇氧化制甲醛，其反應過程為

CH3OH+1/2O2→HCHO+H2O反應物及生成物均為氣態。甲醇的轉化率為75％，若使用50％的過量空氣，試計算反應后氣體混合物的摩爾組成。反應過程的物料衡算1、直接計算法在物料衡算中，根據化學反應式

解：畫出流程示意圖，如下圖：催化反應器CH3OH空氣（過量50%)CH3OHHCHOH2OO2N2

基準：1molCH3OHCH3OH+1/2O2→HCHO+H2O根據反應式：需氧＝0.5氧入=0.5×1.5=0.75

氮入＝氮出＝0.75×(79/21)=2.82解：畫出流程示意圖，如下圖：催化反應器CH3OH空氣反應的甲醇量＝0.75×1=0.75甲醛的出量＝0.75甲醇的出量＝1－0.75=0.25氧的出量＝0.75－0.75×0.5=0.375水的出量＝0.75計算結果如下表：

組分CH3OHHCHOH2OO2N2

總計

mol0.2500.7500.7500.3752.8204.945摩爾分數（％）5.015.215.27.657.0100.0反應的甲醇量＝0.75×1=0.75甲醛的出量＝0.75２、元素衡算法

元素衡算是物料衡算的一種重要形式。在作這類衡算時，并不需要考慮具體的化學反應，而是按照元素種類被轉化及重新組合的概念表示為：

輸入(某種元素)＝輸出(同種元素)對反應過程中化學反應很復雜，無法用一、兩個反應式表示的物料衡算，可以列出元素衡算式，用代數法求解。

２、元素衡算法元素衡算是物料衡算的一種重要形式。在作這類衡C3H8+5O23CO2+4H2O基準：100mol煙道氣：設：N-煙道氣中N2的molQ-煙道氣中H2O,molM-煙道氣中O2的molA-輸入空氣molP-煙道氣中CO2的molB-輸入丙烷，mol

列平衡式：C平衡：3P=BN2平衡:0.79A=NH2平衡：4Q=B過剩氧氣:0.21A×0.25/1.25=MO2平衡：0.21A=M+P+2Q

煙道氣總量:N+M+P+Q=100

丙烷充分燃燒時，要供給的空氣量為理論量的125%，問每100mol燃燒產物，需多少mol的空氣？反應：

燃燒丙烷空氣（O2N2）CO2H2OO2N2

C3H8+5O23CO2+4H2O基準：３、用聯系組分作衡算

“聯系組分”是指隨物料輸入體系，但完全不參加反應，又隨物料從體系輸出的組分，在整個反應過程中，它的數量不變。如果體系中存在聯系組分，那么輸入物料和輸出物料之間就可以根據聯系組分的含量進行關聯。例如，F、P分別為輸入、輸出物料，T為聯系組分。T在F中的質量分數為XFT，在P中的質量分數為XPT，則F與P之間的關系為：FXFT=PXPT

３、用聯系組分作衡算“聯系組分”是指隨物料輸入體系，但完全某廠用空氣和鄰二甲苯生產苯酐。原料流量為：205kg/h鄰二甲苯，4500m3（STP）/h空氣，從反應的計量關系可知，生成1mol苯酐需要反應掉1mol的鄰二甲苯。經化驗得到反應器出口氣體的組成為：試計算：1）鄰二甲苯的轉化率，苯酐收率；2）苯酐的年產量（年工作日330天）某廠用空氣和鄰二甲苯生產苯酐。原料流量為：205kg/h鄰二循環過程的物料衡算例如在生產中一般將未反應的原料與產品先分離，后循環返回原料進口處，與新原料一起再進入反應器反應。例如苯直接加氫轉化環己烷中的循環過程：混合器泠凝器新鮮Ｈ2純C6H6循環Ｈ280%Ｈ220%C6H6產物3%H2反應器循環過程的物料衡算例如在生產中一般將未反應的原料與產品先分苯直接加氫轉化環己烷中的循環過程的衡算解：反應為：C6H6+3H2→C6H12

基準：100kmol/h環己烷查苯的總轉化率為99%則生產100kmol/h環己烷需苯

100／0.99=101.01kmol/h未反應的苯為

101.01-100=1.01kmol/h產物中含H2,設含量為nH2苯直接加氫轉化環己烷中的循環過程的衡算解：反應為：C6H6+總產量＝100+1.01+3.12=104.13kmol/h其摩爾分數為H2的進料率為100×3＋3.12=303.12kmol/h苯的進料率為101.01kmol/h設H2循環量為RR=100.92kmol/h總產量＝100+1.01+3.12=104.13kmol/h

在沒有循環時，一系列單元步驟的物料衡算可按順序依次進行，每次可取一個單元．但是，如果有循環的話，由于循環量并不知道，所以逐次計算并不能計算出循環量。其解法有二：代數法：在循環存在時，列出物料平衡方程式，并求解。一般方程式中以循環量作為未知數，用聯立方程式的方法進行求解。迭代法：假定一個循環量估計值進行計算，將估計值與計算值比較，若不符，重新假定一個估計值，一直計算到估計值與計算值之差在一定的誤差范圍內。聯立方程法：在沒有循環時，一系列單元步驟的物料衡算可按順序依次進迭代法求解循環問題——序貫模塊法

今有一反應器/分離器系統，它將100kmol/h的組分A轉化為等物質的量的B。每一單程有80%的A被轉化，在分離器內沒有物質的變化，分離后的98%的A和1%的B再循環。迭代法求解循環問題——序貫模塊法今有一反應器/分離器物料衡算和能量衡算課件物料衡算和能量衡算課件例：丙烷在催化反應器中脫氫生成丙烯，其反應式為：

C3H8C3H6+H2丙烷的總轉化率為95%，反應生成物經分離器分成產物P和循環物料R，產品中含有C3H8、C3H6及H2，其中C3H8的量為未反應C3H8的0.555%，循環物料中含有C3H8和C3H6，其中C3H6的量是產品中C3H6的5%，試計算產品組成、循環物料組成和單程轉化率。例：丙烷在催化反應器中脫氫生成丙烯，其反應式為：物料衡算匯總表(1)產品消耗定額產品消耗定額物料衡算匯總表產品消耗定額主要原料、輔助材料的品種、規格及年需求量(2)原輔材料需求一覽表主要原料、輔助材料的品種、規格及年需求量(2)原輔材料需求一4.2能量衡算

化工生產中，需要通過能量衡算解決的問題：⑴確定物料輸送機械和其他操作機械所需功率。⑵確定各單元過程所需熱量或冷量及其傳遞速率。⑶化學反應所需的放熱速率和供熱速率。⑷做好余熱綜合利用。能量衡算的基本方程式

在物料衡算基礎上進行能量衡算，能量衡算的步驟與物料衡算相同。

根據熱力學第一定律，能量衡算方程可寫為：Q+W=E=Ek+Ep+UW=Wt+Ws，Wt為流動功，Ws為軸功；

4.2能量衡算化工生產中，需要通過能量衡算解決的問題：1.封閉體系的能量衡算方程

封閉體系特點：與環境只有能量交換，而無物質交換，如間歇操作過程，體系物質的動能、位能、壓力能無變化，則：U=Q+W若體系與環境沒有功的交換，即W=0，則：Q=U

2.流動體系的能量衡算方程——物料連續通過邊界進出能量輸入速率-能量輸出速率=能量積累速率連續穩定流動過程的總能量衡算方程為：1.封閉體系的能量衡算方程封閉體系特點：與環境只有能量交3.熱量衡算式及說明

⑴熱量衡算式

在反應器、蒸餾塔、蒸發器、換熱器等化工設備中，W、Ek、Ez與Q、U和H的相比，可以忽略。總能量衡算式為：

封閉體系Q=?U

敞開體系Q=?H

對這些設備做能量衡算的實質就是進行熱量衡算。連續穩定流動體系的熱量衡算：

Q=H1–H2或