1.基本概念
物料平衡计算是环境工程设计中的基础设计,它是建立在物料衡算的基础上,通过物料计算得出进入和离开设备的物料（原料、中间产品、成品）的成分、重量和体积,即设计由定性转入定量阶段,可进行能量计算、设备计算（确定设备的容量、套数、主要尺寸、材料）、工艺流程设计和管道计算等。
通过物料计算可考察工艺可行性,例如通过计算看转化率、去除率是否符合设计要求；核算经处理后的尾水、尾气是否达到排放标准。
通过物料计算还可以计算出原料消耗定额、消耗量,汇总成原料的综合消耗表。表中除给出物料量外,还应根据该原料的工业品规格给出实际消耗量,以计算运输量。例如氢氧化钠是常用的原料之一,常采用浓度为30%的碱液,因此最后应计算出30%碱液的用量。原料消耗定额是运行成本的一部分,同时其消耗量也是设备计算的一个依据。
除上述外,还可以得出水、电、蒸气、压缩空气、真空、其他惰性气体、冷介质等公用工程消耗量。
物料衡算是物料计算中最基本和最重要的。物料衡算可以是对过程的总的物质平衡计算,也可以是对一个单元过程或一台设备的局部物质平衡计算。在环境工程领域,还常进行针对某特定物质如有毒有害物质、重金属或某个元素等的衡算。
此外,可以是针对现有的生产设备和装置,利用实际运行时测定的数据,计算出其他不能直接测定的数据,建立起整个生产过程的数字化模型；也可以是为了设计新的设备、单元或装置,根据设计任务,先作物料衡算,再根据能量平衡求出设备或过程的热负荷,从而确定设备规格、数量等。
化工单元过程指包含物理化学变化的化学生产基本操作,如有关物料流动的操作（管道输送、泵道输送、风机输送等）、传质过程的操作（蒸发、蒸馏、吸收、吸附、萃取等）和机械过程的操作（固液分离、气固分离、固体物料的粉碎等）。这些过程也是环境工程中最基本的单元过程。
无论进行何种物料衡算,均需如下基本数据和条件:
输入输出物料的速率、组分、浓度,单位应当统一；物料发生物理变化时的变化率（吸收率、吸附率等）；当有化学反应时,明确反应转化率和产物；当多个化学反应同时发生时,应获得各反应的比例等。
2.物料衡算
过程或单元的物料衡算,如图1-3所示。
图1-3 过程或单元物料衡算
根据质量守恒定律（进入一个系统的全部物料量必等于离开系统的全部物料量）,考虑到过程中的损失量和在系统中的积累量,可列出如下等式（等式两边的单位要统一）:
式中:∑G1——输入物料量总和；
∑G2——输出产物量总和；
∑G3——物料损失量总和；
∑G4——物料积累量总和。
对于稳定的连续过程,系统内物料积累量总和可以视为零,式（1-1）可以写成:
特定物质或元素的物料衡算可按下式进行:
式中:Wi——含特定物质或元素的i中原料的量；
XWi——特定物质或元素的原料在Wi中的浓度；
WDi——含特定物质或元素的i中产物的量；
XDi——特定物质或元素的产物在WDi中的浓度；
WFi——含特定物质或元素的i中流失物的量；
XFi——特定物质或元素的原料在WFi中的浓度。
3.物料衡算的基准
物料衡算的基准如下:
（1）以单位批次操作为基准。如果物化处理过程采用间歇操作方式,其物料衡算常采用此基准。
（2）以单位时间为基准。该基准适用于连续操作过程的物料衡算。
（3）以单位废弃物量为基准,如每立方米废水、每万立方米废气、每吨固体废弃物等。
某些环境工程设施的运行时间与生产车间设备正常年开工生产时间不同,如一些废气只是在过程的某个阶段才产生,或某些生产过程的废水量很小时,其废水或废气处理装置的运行时间小于生产车间设备正常年开工生产时间。在进行物料衡算时应对此加以注意。
4.物料衡算的计算步骤
（1）收集和计算物料衡算所必需的基本数据和条件,包括主、副反应化学方程式,根据给定条件画出流程简图。
（2）选择物料衡算计算的基准。
（3）进行物料衡算。
（4）根据结果,列出衡算表,画出物料平衡流程图。对于整个流程的物料计算,应根据结果给出原料消耗定额、公用工程和动力消耗定额等具体数据。
5.苯氧化法顺酐生产尾气物料平衡计算
顺酐生产采用苯固定床催化氧化、部分冷凝回收液体顺酐、二甲苯恒沸脱水、减压精馏一体的工艺,其氧化部分由固定床氧化反应器、部分冷凝回收液体顺酐以及水吸收组成。与主单元相匹配的系统有原料供应系统、熔盐循环系统和蒸气产生系统。
计算条件为:
（1）在本项目参数条件下,氧化反应的三个主、副反应的发生比例分别是:反应（1-4）为73%,反应（1-5）为23%,反应（1-6）为4%。
（2）氧化反应设计苯转化率为99.98%。
（3）设计风量为30000Nm3/h。选离心鼓风机两台,额定风量为520Nm3/min,一备一用。
（4）吸收塔对顺酐的吸收率为99.9%,塔后排气筒高度为20m。
（5）苯消耗量为2.7981t/h。
由以上计算条件,求洗涤尾气中苯、顺酐、CO、CO2等污染物的排放浓度和速率,以及氧化工序苯消耗、收率等。
解:根据上述计算条件,按下列步骤计算。
①求顺酐产率
已转化的苯量为2.7981×99.98%＝2.7975（t/h）。
未转化的苯量为2.7981－2.7975＝0.6（kg/h）。
由反应（1-4）,计算出生成的顺酐量为2.5658t/h。
②求生成的水（∑WH2O）、二氧化碳（∑WCO2）和一氧化碳（∑WCO）
由反应（1-4）、（1-5）和（1-6）,分别计算生成的水（∑WH2O）、二氧化碳（∑WCO2）和一氧化碳（∑WCO）,得
∑WH2O＝1465.4（kg/h）
∑WCO2＝4671.1（kg/h）
∑WCO＝120.5（kg/h）
③验证空气量V空气
由反应（1-4）、（1-5）和（1-6）,计算反应需氧量WO2:
WO2＝6.0254（t/h）
标准状况下,氧气的浓度为1.429kg/m3,空气中氧气的体积分数为21%,故将所需氧气折合成空气体积V空气:
设计风量为30000Nm3/h,所选风机提供的风量为520×60＝31200m3/h,可以满足要求。
④求尾气中各污染物浓度
根据计算出的各污染物排放速率和风机风量,算出尾气中各污染物浓度。
尾气中苯的浓度:
0.6×106÷30000＝20（mg/m3）
尾气中顺酐的浓度:
2.5658×（1－99.9%）×109÷30000＝85.5（mg/m3）
尾气中CO的浓度:
120.5×106÷30000＝4016.7（mg/m3）
尾气中CO2的浓度:
4671.1×106÷30000＝155703.3（mg/m3）
⑤计算氧化工序收率
以苯计算氧化工序产品收率:（2.7975×73%）÷2.7981＝72.98%。
氧化工序苯消耗率:2.7981÷2.5658＝1.09。
所有计算结果见表1-7。由表可知,尾气中苯排放浓度为20mg/m3,未达到枟大气污染物综合排放标准枠（GB 16297—1996）中“表二新污染物大气污染物排放限值”的12mg/m3的限值；排放速率满足排气筒高度20m时的限值（0.9kg/h）要求。
表1-7 物料平衡分析结果
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