物料衡算和能量横算

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化工基础数据包括很多，现将常用的一些化工基础数据 大致归纳成以下几类： ❖ (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。
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由计算结果可以看出，当加入的空气量是29.76mol时，可产生 烟道气31.76mol，所以产生100mol烟道气（燃烧产物所需要的 空气量为100/31.76*29.73mol）
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由计算结果可以看出来，每加入1mol空气可以产生1.0674 mol的燃烧产物，所以产生100mol燃烧产物需要的空气量为 100/1.0674=93.7mol。
①稳定操作过程（ Fi－Fo）＋ （Dp－ Dr ）＝ 0 ②系统内无化学反应：Fi－Fo ＝ W ③系统内无化学反应的稳态操作过程： Fi－Fo ＝0 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。
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2、物料衡算基准
1）化工过程的类型
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物料衡算和能量衡算
❖ 1.物料衡算的基本方法和程序 ❖ 2.简单的物料衡算 ❖ 3.带有循环流的物料衡算 ❖ 4.热量横算(自学)
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第一节 物料衡算的基本方法和程序
一、物料衡算的基本方法 1、物料平衡方程
理论依据：质量守恒定律
进入过
流出过
在过程
在过程 过程单
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❖ 作业：物料衡算的基本程序是什么？
❖
物料衡算过程中怎样确定设计变量的
数目？
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❖ （9）整理并校核计算结果，当计算完成后， 对计算结果进行整理，并根据需要换算基准， 最后列成表格即物流表。
❖ （10）绘制物料流程图，编写物流表作为设 计文件成果编入正式设计文件。
连续操作过程：在整个操作期间，原料不断稳 定地输入生产设备，同时不断从设备排出同样 数量（总量）的物料。设备的进料和出料是连 续流动的，即为连续操作过程。在整个操作期 间，设备内各部分组成与条件不随时间而变化。
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半连续操作过程：操作时物料一次输入或分批输入， 而出料是连续的，或连续输入物料，而出料是一次或 分批的。
程单元 的物料
－ 程单元
的物料
＋ 单元内
生成的
－ 单元内
消耗的
＝
元内累 积的物
量
量
物料量 物料量 料量
（Fi）
（Fo）
（Dp）
（ Dr ）
（W）
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即 ： （ Fi－Fo）＋ （Dp－ Dr ）＝ W 上式：即可对总物料，也可以对其中任一组分或元
素列出。 在下列情况下上式可简化为：
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③、原辅材料厂、产品、中间产品的规格， 包括原料的有效成分和杂质含量，气体或液 体混合物的组成。
④、与过程有关有物理化学参数，如临界参 数、密度或比体积、状态方程参数、蒸汽压、 气液平衡常数或平衡关系，粘度、扩散参数 等
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（6）列出过程的全部独立物料平衡方 程式及其相关约束式，对有化学反应 的还要写出化学反应方程式，明确反 应前后的物料组成和各组分之间的定 量关系，必要时还应指出其转化率和 选择性，为计算作准备。
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约束式可分为两类：
（Ⅰ）分数约束式 当物流的组成用摩尔分数或质量分数表示时，
用下式成立
∑xij=1（i=1，2，……Ns） （j=1，2，……Nc）
式中： xij —— 第j组分在第i股流中的摩尔分数（或质
量分数）； Ns —— 物流的股数； Nc —— 物流的组分数。
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化工过程操作状态不同，其物料或能量衡算 的方程亦有差别。
化工过程根据其操作方式可以分成间歇操作、 连续操作以及半连续操作三类。或者将其分为稳 定状态操作和不稳定状态操作两类。在对某个化 工过程作物料或能量衡算时，必须先了解生产过 程的类别。
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间歇操作过程：原料在生产操作开始时一次加 入，然后进行反应或其他操作，一直到操作完 成后，物料一次排出，即为间歇操作过程。此 过程的特点是在整个操作时间内，再无物料进 出设备，设备中各部分的组成、条件随时间而 不断变化（如：萃取过程、过滤过程）。
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（Ⅱ）设备约束式 常见的设备约束式有：
①、进料比（或任何两股物流的量之比）为一常数； ②、两股物流具有相同的组成（如分流器）； ③、相平衡常关系式； C（π-1） ④、化学平衡关系式； ⑤、化学反应过程中的转化率、选择性或其他限度。 ⑥、物料平衡式 C ⑦、能量平衡式 1
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二、物料衡算的基本程序
在进行物料衡算时，为了避免错误，便于 检查核对时，必须采取正确的步骤进行计算， 使之做到条理分明清晰，计算迅速，结果准 确，一般程序如下：
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（1） 确定衡算对象和范围（如：一个单元，一套装 置或一个系统），并画出计算对象的草图，对于整个 工艺流程，要画出物料流程示意图（方框图即可）绘 制物料流程草图时，要注意物料种类和走向，输入和 输出要明确表示出来。 （2） 确定计算任务，明确什么是已知项，什么是待 求项，选择适当的数学公式，力求计算方法简便。 （3） 确定过程所涉及的组分，并对所有组分依次编 号。 （4） 对物流的流股进行编号，并标注物流变量。
第三章物料衡算和能量衡算
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第三章 物料衡算和能量衡算
教学内容：主要讲物料衡算中基本衡 算思路，掌握衡算方法。
教学重点：物料衡算的基本方法与思 路 教学难点：化工流程的物料衡算与带 有循环流的物料衡算 教学课时：8-10学时 教学方法：课堂讲授（多媒体、板书）
化工过程的物料衡算和能量衡算，是利用物理与化学 的基本定律，对化工过程单元系统的物料平衡与能量平衡 进行定量计算。通过计算解决以下问题：
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综上所述步骤，可归纳如下：
①、陈述的问题； ②、列出可获得的数据； ③、画出衡算方框图； ④、对物流流股及各组分编号； ⑤、确定衡算范围； ⑥、建立系统各参数的基准； ⑦、建立各组分和总物料的衡算方程； ⑧、解析方程； ⑨、校核计算结果； ⑩、绘制物料流程图，编写物流表。
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2）物料衡算基准的选择
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。 一般计算过程的基准有以下几种：
①时间基准 对于连续操作过程，选用单位时间作为基 准是很自然的，单位时间可取1d、1h或1s等等。此时 得到的物料流量可以直接与设备或管道尺寸相联系。
❖ Ne：方程的个数（约束关系式数目）。
❖ Nd：设计变量的个数（已知流股变量数）。
❖ 如果系统与环境间有能量交换的话则Nv应增加描述能量 交换的变量数，如果有一股热量交换时应该增加一个变量数，
如果有两股变量交换时应该增加两股变量数。
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❖ 进行化工过程设计，要确定各个物理量的数值，如进料 流率、浓度、温度、压力、热负荷、机械功的输入和输出， 传热面积的大小及理论塔板数等，这些物理量都是相互关联 相互制约的，因此设计者只能规定其中若干变量的数值，这 些变量称为设计变量。如果设计过程中给定数值的物理量少 于设计变量的数目，设计就不会有结果；反之，给定数值的 物理量数目过多设计也无法进行。
1、找出主副产品的生成量、废物的排出量。 2、确定原材料消耗定额。 3、确定各物流的流量、组成和状态。 4、确定流程内物质转换与能量传递情况。
从而为，设备选型以及设备尺寸，管路设施与公用工 程提供依据。
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化工过程有许多输入流股和输出流股， 本章内容是讲授确定这些流股的策略与方法， 物料衡算与热量横算是化工工程师接触最频 繁的计算。
②批量基准 对于间歇操作，按投入物料的数量为基准， 最方便，即以一批/次作为基准。
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③质量基准 取已知变量最多（或未知变量最少）的 物流作为基准最为合适。
例如：可取某一基准物流的质量为100Kg，然后 计算其他物流的质量。若已知进料质量百分比组成， 则选100Kg进料或者100g进料为基准，若已知出料质量百分 组成，则选100Kg进料或者100g 出料为基准。 ④物质的量基准 对于有化学反应的过程，因化学反
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（7）选择计算基准 （8）独立的总物流变量个数与方程个数，确定设 计变量和个数及全部设计变量。
在统计变量个数时，如果在每个单元的全部物
流中都含有全部的组分Nc个，则对其中任一流股i 有Nc个摩尔分数或者质量分数，还有流量Fi，每 股物流计Nc+1个物流变量。设共有Ns股物流，则 总的物流变量个数为Nv=Ns(Nc+1)，当一个或多 个组分从流股中消失的时候，上式不再适用，必须 逐股计算,获得Nv进而计算设计变量。
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