物料与能量衡算：速成包

公式表、每个专题的关键方法步骤和 8 道练习题，完整解答附在最后。

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1公式与方法

物料衡算

稳态
输入 = 输出
总物料衡算
ṁ1 + ṁ2 = ṁ3
组分衡算
ṁ1x1 + ṁ2x2 = ṁ3x3
蒸发器
F·xF = P·xP, W = F − P

能量衡算

显热
Q = ṁ·cp·ΔT
潜热
Q = ṁ·hfg
混合
ΣṁcpTin = ΣṁcpTout
水
cp ≈ 4.18 kJ/(kg·K)

理想气体定律

理想气体定律
pV = nRT
气体常数
R = 8.314 J/(mol·K)
联合气体定律
p1V1/T1 = p2V2/T2
物质的量
n = m/M
温度
T[K] = T[°C] + 273.15

化学计量

物质的量
n = m/M
浓度
c = n/V
物质的量之比
使用配平方程式中的系数
限量反应物
最先耗尽的那种反应物
产率
实际产量 / 理论产量 × 100%

方法

  1. 写出并配平化学方程式。
  2. 把已知质量换算为物质的量：n = m/M。
  3. 用系数作为物质的量之比，求出所需物质的物质的量。
  4. 用 m = n·M 换算回质量。有两种反应物时，先找出限量反应物。

2练习题

1.物料衡算中等
混合器物流 1650 kg/h · 20% 糖物流 2ṁ₂ = ? · 40% 糖产品25% 糖

每小时需向物流 1 加入多少物流 2，才能使混合产品含 25% 的糖？求 ṁ2。

ṁ1 = 650 kg/hx1 = 20 %x2 = 40 %x3 = 25 %
ṁ2 = kg/h
2.物料衡算困难
蒸发器进料 F3800 kg/h · 12% 糖产品 PP = ? · 65%蒸汽 W（纯水）0% 糖

蒸发器通过蒸出纯水来浓缩糖溶液。求产品流量 P，单位为 kg/h。

F = 3800 kg/hxF = 12 %xP = 65 %
P = kg/h
3.能量衡算中等
热侧冷侧乙醇 · 170 °C120 °C水 · 10 °Ct = ? °C

热乙醇在无热损失的逆流换热器中冷却水。求水的出口温度 tout。

ṁh = 2 kg/scp,h = 2.44 kJ/(kg·K)Th: 170 → 120 °Cṁc = 3 kg/scp,c = 4.18 kJ/(kg·K)tin = 10 °C
tout = °C
4.能量衡算困难
热侧冷侧乙醇 · 180 °C150 °C水 · 25 °C55 °C · ṁ = ?损失 10%

热乙醇在换热器中加热水，该换热器将热流体放出热量的 10% 散失到环境中。求所需的水流量 ṁc。

ṁh = 0.5 kg/scp,h = 2.44 kJ/(kg·K)Th: 180 → 150 °Ct: 25 → 55 °Ccp,c = 4.18 kJ/(kg·K)损失 = 10 %
ṁc = kg/s
5.理想气体定律中等
460 g N₂P = 600 kPaT = 40 °CV = ?

460 g N₂在 600 kPa 和 40 °C 下占多少体积 V？按理想气体处理。

m = 460 gM = 28.01 g/molP = 600 kPaT = 40 °CR = 8.314 J/(mol·K)
V = L
6.理想气体定律困难
状态 1状态 2

一定量的CH₄从 250 kPa、5 L、35 °C 变化到 300 kPa 和 70 °C。求新的体积 V2。

P1 = 250 kPaV1 = 5 LT1 = 35 °CP2 = 300 kPaT2 = 70 °C
V2 = L
7.化学计量中等
m(X)n(X)n(H2​O)m(H2​O)÷ M(X)× 2/ν× M(H2​O)

12 g CH4 与 10 g O2 按 CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O 反应。最多能生成多少质量 m 的 H2O？

M(CH4) = 16.04M(O2) = 32M(H2O) = 18.02 g/mol
m = g
8.化学计量困难
m(Na)n(Na)n(NaCl)m(NaCl)÷ M(Na)× 2/2× M(NaCl)

在反应 2Na + Cl2 → 2NaCl 中，10 g Na 完全反应（其他反应物过量），收集到 13.98 g NaCl。求产率 Y。

M(Na) = 22.99 g/molM(NaCl) = 58.44 g/mol实际: 13.98 g
Y = %

3溶液

1.物料衡算

答案: ṁ2 = 216.7 kg/h

稳态物料衡算：总量和每个组分都满足输入 = 输出。混合问题同时用到两者。

衡算

Total: ṁ3 = ṁ1 + ṁ2
糖: ṁ1x1 + ṁ2x2 = (ṁ1 + ṁ2)x3

求解 ṁ2

ṁ2 = ṁ1(x1 − x3)/(x3 − x2) = 650·(20 − 25)/(25 − 40) = 216.7 kg/h

答案

ṁ2 = 216.7 kg/h
2.物料衡算

答案: P = 701.5 kg/h

联结组分：只在一股物流中不变地通过的组分（这里是溶质）可直接关联各流量。其余由总衡算求出。

溶质衡算

F·xF = P·xP → P = 3800·12/65 = 701.5 kg/h

答案

P = 701.5 kg/h
3.能量衡算

答案: tout = 29.46 °C

换热器能量衡算：无损失时 ṁhcp,h(Th,in − Th,out) = ṁccp,c(tout − tin)。

热流体放出的热量

Q = 2·2.44·(170 − 120) = 244 kW

水吸收的热量

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 10 + 244/(3·4.18) = 29.46 °C

答案

tout = 29.46 °C
4.能量衡算

答案: ṁc = 0.2627 kg/s

有损失的能量衡算：放出热量 = 吸收热量 + 损失热量。

放出热量

Qh = 0.5·2.44·(180 − 150) = 36.6 kW

传给水的热量

Qc = (1 − 0.1)·36.6 = 32.94 kW

水流量

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 32.94/(4.18·30) = 0.2627 kg/s

答案

ṁc = 0.2627 kg/s
5.理想气体定律

答案: V = 71.26 L

理想气体定律：PV = nRT，其中 n = m/M。

物质的量

n = 460/28.01 = 16.42 mol
T = 40 + 273.15 = 313.1 K

体积

V = nRT/P = 16.42·8.314·313.1/600 = 71.26 L

答案

V = 71.26 L
6.理想气体定律

答案: V2 = 4.64 L

联合气体定律：对一定量的理想气体，P1V1/T1 = P2V2/T2。

绝对温度

T1 = 308.1 K, T2 = 343.1 K

联合气体定律

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 5·(250/300)·(343.1/308.1) = 4.64 L

答案

V2 = 4.64 L
7.化学计量

答案: m = 5.631 g

化学计量：配平的方程式计的是粒子数，不是克数。用 n = m/M 把质量换算为物质的量，以方程式系数作为物质的量之比，再用 m = n·M 换算回质量。有两种反应物时，限量反应物是先耗尽、决定生成多少产物的那一种。

各反应物的物质的量

n(CH4) = 12/16.04 = 0.7481 mol
n(O2) = 10/32 = 0.3125 mol

限量反应物

0.7481/1 = 0.7481, 0.3125/2 = 0.1563 → O2

产物的质量

n(H2O) = 0.1563·2 = 0.3125 mol
m = 0.3125·18.02 = 5.631 g

答案

m = 5.631 g
8.化学计量

答案: Y = 55 %

化学计量：配平的方程式计的是粒子数，不是克数。用 n = m/M 把质量换算为物质的量，以方程式系数作为物质的量之比，再用 m = n·M 换算回质量。有两种反应物时，限量反应物是先耗尽、决定生成多少产物的那一种。

理论产量

n(Na) = 10/22.99 = 0.435 mol
m = 0.435·2/2·58.44 = 25.42 g

产率

Y = 13.98/25.42·100 = 55%

答案

Y = 55%

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