化工过程导论/什么是物料衡算？
在这本书中，你将解决的所有问题都是“黑盒子”问题。这意味着我们从外部观察一个单元操作，观察进入系统的物质和离开系统的物质，并由此推断进出口流的性质数据。这种分析很重要，因为它不依赖于所执行的单元操作的具体类型。进行黑盒子分析时，我们不关心单元操作是如何设计的，只关心最终的结果。让我们看一个例子
示例:
假设你将 1 升水倒入漏斗的顶部，该漏斗通向一个大烧瓶，你测量到整个 1 升水都进入了烧瓶。如果漏斗一开始没有水，那么这个过程完成后还剩下多少水？
解 答案当然是 0，因为你只放了 1 升水，而从另一端出来的也是 1 升水。这个答案不取决于漏斗的大小、侧面的倾斜度或漏斗的任何其他设计方面，这就是为什么它是一个黑盒子问题。
描述黑盒子方法的正式数学方法是使用守恒方程，该方程明确指出，进入系统的物质必须从系统的其他地方流出，被系统使用或生成，或者留在系统中并累积。它们之间的关系很简单
- 进入系统的流会导致系统中物质（质量、能量、动量等）的增加。
- 离开系统的流会减少系统中物质的数量。
- 生成或消耗机制（如化学反应）可以增加或减少系统中物质的数量。
- 剩下的就是系统中物质的数量。
有了这四个陈述，我们可以陈述以下非常重要的普遍原则
事实上，它非常重要，你将在本书中看到它无数次，包括其中的几个，它被用来推导出各种形式的守恒方程。
守恒方程非常通用，适用于系统可以具有的任何性质。但是，它也可能导致复杂的方程，因此为了在适当的时候简化计算，对问题应用假设是有用的。
- 封闭系统：封闭系统是指没有物质进出该系统的系统。几乎总是，当人们提到封闭系统时，意味着该系统是封闭的质量流，而不是其他流，如能量流或动量流。封闭系统的方程为
- 封闭系统的反面是开放系统，其中允许物质进入和/或离开系统。例子的漏斗就是一个开放系统，因为质量进出它。
- 无生成：某些量始终是严格意义上的守恒量，因为它们永远不会被创造或毁灭。这些是进行平衡最有效的量，因为模型不需要包含生成项
- 这门课中最常用的守恒量是质量和能量（其他守恒量包括动量和电荷）。但是，需要注意的是，尽管系统中的总质量和总能量是守恒的，但单个物质的质量不是（因为它可能在反应中变成其他物质）。如果执行所谓的“热平衡”，那么系统中的“热量”也不是守恒的（因为它可以转化为其他形式的能量。因此，在决定是否丢弃生成项时，必须小心）。
- 稳态：不累积物质的系统被称为处于稳态。通常，这允许工程师避免求解微分方程，而是使用代数。
- 本文中的所有问题都假设稳态，但这并不总是有效的假设。 它主要在过程以受控方式运行足够长的时间，以至于所有流量、温度、压力和其他系统参数都达到合理恒定值之后有效。它在过程最初预热（或操作条件发生变化）并且系统属性随时间发生重大变化时无效。它们如何变化以及达到接近稳态需要多长时间，这是另一门课程的主题。
总质量是一个守恒量（核反应除外，我们不讨论核反应），如果系统中没有发生化学反应，则任何单个物质的质量也是如此。让我们在稳态下编写此类情况（没有反应）的守恒方程
质量可以以两种主要方式进出系统：扩散和对流。然而，如果进入单元操作的速度相当大，而浓度梯度相当小，则可以忽略扩散，系统中唯一的进出质量是由于对流造成的。
类似的公式适用于质量输出。
在本手册中，我们通常使用符号 来表示对流质量流量，单位为 。由于总流入量是各个流入量的总和，总流出量也是如此，因此可获得以下稳态质量平衡，它适用于系统中的整体质量。
如果它是一个批次系统，或者我们正在观察一定时间内（而不是瞬时）进出系统多少质量，则可以应用相同的质量平衡，但没有时间成分。在本手册中，没有点的值表示没有时间成分的值。
示例:
让我们计算前面的例子（漏斗），但明确说明质量平衡。我们得到以下信息：
从一般平衡方程式，
所以， .
由于累积量为0，因此系统处于稳态。
这是一个相当简单的例子，但它从物理基础上建立了“输入”、“输出”和“累积”的概念，这对建立问题至关重要。在下一节中，将演示如何应用质量平衡来解决仅包含一个组分的更复杂问题。