2.1 衡算方法

2.1.1 基本概念

在化工过程中，物料平衡是指在单位时间内进入系统的全部物料质量等于离开该系统的全部物料质量再加上损失掉的与积累起来的物料质量，遵守质量守恒定律。物料衡算按操作方式可分为间歇操作、连续操作以及半连续操作三类衡算。间歇过程及半连续过程是不稳态操作，连续过程在正常操作期间，属于稳态操作；在开、停工期间或操作条件变化和出现故障时，则属于不稳态操作。化工过程操作状态不同，物料衡算方法也不同。

能量衡算是根据能量守恒定律，利用能量传递和转化规则，以确定能量比例和能量转变定量关系的过程。能量衡算的理论依据是热力学第一定律，即体系的能量总变化等于体系所吸收的热减去环境对体系所做的功。由于化工过程能量的流动比较复杂，往往几种不同形式的能量同时在一个体系中出现。在能量衡算之前，必须分析体系可能存在的能量形式。

简单化工操作单元的物料衡算与能量衡算可以手工进行，复杂流程的物料衡算与能量衡算用手工计算非常困难，而任何情况下使用模拟软件进行物料衡算与能量衡算都是很方便的。

2.1.2　衡算方程式

根据质量守恒定律，一个体系内质量流动及变化的情况可用数学公式描述物料平衡关系，称为物料平衡方程式，其基本表达式为式（2-1）。

　　（2-1）

式中，F0 为输入体系的物料质量流率；D为离开体系的物料质量流率；A为体系内积累的物料质量流率；B为过程损失的物料质量流率。

式（2-1）为物料平衡的普遍式，可以对进出体系的总物料流率进行衡算，也可以对体系内的任一组分或任一元素的质量流率进行衡算。

稳态过程的总能量衡算式是伯努利方程式，但化工过程的位能变化、动能变化相对较小，可忽略不计，因此稳态过程总能量衡算可简化成式（2-2）。

　　（2-2）

式中，Q1为物料带入热，如有多股物料进入，应是各股物料带入热量之和；Q2为过程放出的热，包括反应热、冷凝热、溶解热、混合热和凝固热等；Q3为从加热介质获得的热量；Q4为物料带出热，如有多股物料带出，应是各股物料带出热量之和；Q5为冷却介质带出的热；Q6为过程吸收的热，包括反应吸热、汽化吸热、溶解吸热、解吸吸热和熔融吸热等；Q7为热损失。

式（2-2）的理论依据是热力学第一定律，该式表明，对于稳态过程，输入系统的热量总和等于输出系统的热量总和加上系统热量损失。

2.1.3　衡算的基本步骤

化工流程多种多样，物料衡算与能量衡算的具体内容和计算方法可以有多种形式。手工计算时，必须首先进行物料衡算，绘制以单位时间为基准的物料流程图，确定热量平衡范围，然后进行热量衡算。用Aspen Plus软件计算时，物料衡算与能量衡算是同时进行的，为了有层次地、循序渐进地进行衡算，必须遵循一定的设计规范，按一定的步骤和顺序进行，以加速计算过程收敛。

（1）收集数据资料　一般需要收集的数据和资料包括生产规模和生产时间（即年生产时数）、有关的定额、收率、转化率、原料、辅助材料、产品、中间产品的规格、与过程计算有关的物理化学常数等。

（2）选定计算基准　温度的计量单位可采用摄氏温度或热力学温度，压力的计量单位可采用“kPa”、“atm” 或其他，压力基准可选用绝对压力或表压。在工程设计中，用表压进行计算更符合工厂现场实况。物流量的计算基准可选质量基准、摩尔基准、体积基准。对于连续生产，以“s、h、d”作为投料量或产品量的时间基准，这种基准可直接联系到生产规模和设备设计计算。用Aspen Plus软件进行衡算时，以单位时间的投料量为起点进行计算比较方便。当系统介质为固体或液体时，一般以质量为计算基准，对气体物料进行计算时，一般以体积作为计算基准。若用标准体积为计算基准，即把操作条件下的体积换算为标准状态下的体积，这样不仅与温度、压力变化没有关系，而且可以直接换算为物质的量（mol）。选用恰当的基准可使计算过程简化，一般有化学变化的过程宜用质量作基准，没有化学变化的过程常采用质量或物质的量作基准。计算过程中，必须把计量单位统一，并且在计算过程中保持前后一致，可避免出现差错。

（3）确定化学反应方程式　列出各个过程的主、副化学反应方程式，明确反应前后的物料组成及各个组分之间的定量关系，若计算反应器大小，还需要掌握反应动力学数据。当副反应很多时，对那些次要的，而且所占的比重也很小的副反应，可以略去，或将类型相近的若干副反应合并，以其中之一为代表，以简化计算，但这样处理所引起的误差必须在允许误差范围之内，而对于那些产生有害物质或明显影响产品质量的副反应，其量虽小，却不能随便略去，因为这是进行某些分离、精制设备设计和三废治理设计的重要依据。

（4）确定计算任务　根据工艺流程示意图和化学反应方程式，分析物流、热流经过每一过程、每一设备在数量、组成及物流、热流走向所发生的变化，并分析数据资料，进一步明确已知项和待求的未知项。对于未知项，判断哪些是可以查到的，哪些是必须通过计算求出的，从而弄清计算任务。

（5）画出工艺流程示意图　对于稳态过程，着重考虑物流、热流的流向，对设备的外形、尺寸、比例等并不严格要求，与物料、能量衡算有关的内容必须无一遗漏，所有物流、热流管线均须画出。

（6）根据工艺流程图抽象构成软件模拟流程　充分理解基本工艺路线，明确本流程的主干与枝干，选择软件中合适的模块或模块组合构成软件模拟流程，以反映流程的模拟需求。

（7）校核计算结果　当计算全部完成后，对计算结果进行整理，编制物料、热量平衡表或绘制物料、热量流程图。通过物料、热量平衡表可以直接检查计算是否准确，分析结果组成是否合理，并易于发现存在的问题，从而判断其合理性，提出改进方案。

2.1.4　用软件进行物料衡算与能量衡算的要点

以上物料衡算和能量衡算步骤表达了衡算过程的一般规则，对手工计算或软件计算都是同样适用的，但软件计算的完整性、严谨性、迅捷性，又具有自身特点，在用软件进行物料衡算和能量衡算时充分注意到这些特点，可以少走弯路，加快衡算进度。

（1）选择合适的计量单位模板　模板“Template”是Aspen Plus软件为不同计算过程编制的含缺省项的起始空白程序，包括计量单位集、物流组成信息和性质、物流报告格式以及其他特定的应用缺省项。模板分为普通模拟过程与石油加工过程两大类，每大类又含有若干套，每套都包含英制与公制两种计量单位集，见表2-1。在模拟过程的开始，选择一套合适的模板，可以简化模拟过程在输入与输出数据时的操作工作量，减少数据输入时的误差，提高模拟结果的可读性。例如，模拟开始时选择公制计量单位集的电解质模板，软件默认的计量单位为：温度（℃），压力（bar），质量流率（kg/h），摩尔流率（kmol/h），体积流率（m3/h）；默认热力学方法是ELECNRTL，并自动设置为全局性性质方法；默认输出物流的基准是质量流率，模拟结果默认采用“ELEC_M”的输出格式；自动选择水作为物流的第一组分，并自动把水的所有物性数据从数据库中调入运算程序中。

（2）选择合适的性质方法　Aspen Plus软件把模拟计算一个流程所需要的热力学性质与传递性质的计算方法与计算模型都组合在一起，称之为性质方法，每种性质方法以其中主要的热力学模型冠名，软件中共有80多种性质方法供操作者选择使用。针对不同的模拟体系，选择合适的性质方法用于模拟过程是获得正确计算结果的前提。

流程模拟中几乎所有的单元操作模型都需要热力学性质与传递性质的计算，其中主要有逸度系数、相平衡常数、焓、熵、Gibbs自由能、密度、黏度、热导率、扩散系数、表面张力等。迄今为止，没有任何一个热力学模型与传递模型能适用于所有的物系和所有的过程。因此，性质方法的恰当选择和正确使用决定着计算结果的准确性、可靠性和模拟成功与否。一方面，若性质方法选择不当，只要模拟过程收敛，即使结果不合理，软件也不会提示出错信息。另一方面，即使性质方法选择正确，但使用不当也会产生错误结果。因为性质方法计算的准确程度由模型方程式本身和它的用法所决定，如热力学模型的使用往往涉及原始数据的合理选取、模型参数的估计、从纯物质参数计算混合物参数时混合规则的选择等问题，均需要正确处理。如果对选择性质方法心存疑虑，可以参考图2-1选择性质方法的参考指南，供选择性质方法时参考。

使用图2-1的前提是已知模拟过程的物流组成、体系压力、温度范围，其中虚拟组分是指石油馏分或化学结构相似的集总组分。图2-1并未概括软件中所有的性质方法，随着软件版本的更新，新的性质方法也会不断充实进来，但该图给出了一个性质方法的选择方向。

（3）输入组分的数量要完整　与人工物料衡算不同，用软件进行物料衡算时，首先必须向软件输入组分名称，通知软件调用数据库中该组分的全部物性数据参与运算。输入的组分数量要完整，包括所有输入物流与输出物流中的全部组分。对于物理过程，输入物流中的组分数等于输出物流中的组分数；对于含化学反应的过程，输入物流中的组分数不一定等于输出物流中的组分数，在模拟计算起始向软件输入组分时，一定要把化学反应中可能新生成的组分添加进去。对于非数据库组分，可将软件运行模式改成性质估算模式“Property Estimation”，对非数据库组分的物性进行估算后，再将软件运行模式改成流程模拟模式“Flowsheet”进行物料衡算。对于含电解质的过程，要考虑可能存在的离子反应，借助于软件中的电解质向导，构建体系中的真实组分、表观组分及结晶化合物。

（4）熟悉模块功能及其计算方法　软件中的模块本质上是计算方法的图形显示，有的一个模块仅对应一种算法，如混合器、分配器、单相分离器及精馏塔的简捷计算等模块等；有的一个模块可包含几种算法，如精馏塔的严格计算模块“RadFrac”中包含了速率模型和平衡级模型两大类算法，其中平衡级模型又包括内外法、流率加和法、同时校正法等，可根据操作者意愿选择运行。熟悉软件的模块功能，可快速正确地建立起物料衡算与能量衡算的模拟流程。

（5）了解软件对物性术语的缩写　Aspen Plus是英文软件，操作界面上的指令都用英文表示，易于理解。但物流的物性均用缩略语表示，很难记忆。在编制物料平衡表时，需要同时列出各物流的物性，就要向软件提出输出特定物性的要求，若能熟悉软件常用物性术语的缩写方式，则可方便地输出物流的物性。

（6）尽量使用软件自带的过程数据包　在软件安装目录中，有一个“GUI”文件夹，包含了多个软件模拟计算例题的子文件夹。在这些子文件夹中，有的是软件使用方法的介绍，如绘图向导“Plotwizard”文件夹；有的是对各种化工过程完整模拟计算的文件，如“App”文件夹；有的是仅提供原始实验数据，如“Asy”文件夹中包含了全球各地原油的实沸点数据；有的是提供特定化工过程的基础数据包，如综合过程数据包“Datapkg” 文件夹与电解质过程数据包“Elecins”文件夹。“Datapkg” 文件夹中包含了15个综合化工过程的“.bkp” 数据包文件，“Elecins”文件夹中包含93个电解质过程的“.bkp” 数据包文件。这两个文件夹的详细内容介绍见附录1和附录2。在每一个数据包文件中，模拟体系的组分、工艺条件、性质方法已经确定，尤其是已经包含了针对该体系模拟计算需要的热力学基础数据，部分还包含了动力学数据。对于电解质过程，数据包文件中包含了体系中的全部分子组分与离子组分，各级电离过程的反应方程式、化学反应平衡常数与各离子对的二元交互作用参数。以软件自带的“.bkp” 数据包文件作为模拟计算的起点，可以免除性质方法选择、反应方程式输入等步骤，直接进行流程绘制与物流输入，模拟计算结果正确的可能性要大得多。如果“.bkp” 数据包文件中的组分与操作者欲模拟计算过程的组分有少量的差异，也可以对数据包文件中的组分进行调整。

（7）学会判断计算结果的正确性　当一个模拟过程运算正常收敛后，软件状态栏上提示“Results Available”，表示计算有了结果，这并不表示结果正确。结果是否正确，不能指望模拟软件提供结论，而应依靠软件操作者自己的判断。判断的基础是对模拟过程的细致了解、化工专业知识的深刻领会、模拟过程工业背景的熟悉程度、工业装置的现场操作数据等综合评价等。