化工過程導論/什麼是物料衡算？
在這本書中，你將解決的所有問題都是“黑盒子”問題。這意味著我們從外部觀察一個單元操作，觀察進入系統的物質和離開系統的物質，並由此推斷進出口流的性質資料。這種分析很重要，因為它不依賴於所執行的單元操作的具體型別。進行黑盒子分析時，我們不關心單元操作是如何設計的，只關心最終的結果。讓我們看一個例子
示例:
假設你將 1 升水倒入漏斗的頂部，該漏斗通向一個大燒瓶，你測量到整個 1 升水都進入了燒瓶。如果漏斗一開始沒有水，那麼這個過程完成後還剩下多少水？
解 答案當然是 0，因為你只放了 1 升水，而從另一端出來的也是 1 升水。這個答案不取決於漏斗的大小、側面的傾斜度或漏斗的任何其他設計方面，這就是為什麼它是一個黑盒子問題。
描述黑盒子方法的正式數學方法是使用守恆方程，該方程明確指出，進入系統的物質必須從系統的其他地方流出，被系統使用或生成，或者留在系統中並累積。它們之間的關係很簡單
- 進入系統的流會導致系統中物質（質量、能量、動量等）的增加。
- 離開系統的流會減少系統中物質的數量。
- 生成或消耗機制（如化學反應）可以增加或減少系統中物質的數量。
- 剩下的就是系統中物質的數量。
有了這四個陳述，我們可以陳述以下非常重要的普遍原則
事實上，它非常重要，你將在本書中看到它無數次，包括其中的幾個，它被用來推匯出各種形式的守恆方程。
守恆方程非常通用，適用於系統可以具有的任何性質。但是，它也可能導致複雜的方程，因此為了在適當的時候簡化計算，對問題應用假設是有用的。
- 封閉系統：封閉系統是指沒有物質進出該系統的系統。幾乎總是，當人們提到封閉系統時，意味著該系統是封閉的質量流，而不是其他流，如能量流或動量流。封閉系統的方程為
- 封閉系統的反面是開放系統，其中允許物質進入和/或離開系統。例子的漏斗就是一個開放系統，因為質量進出它。
- 無生成：某些量始終是嚴格意義上的守恆量，因為它們永遠不會被創造或毀滅。這些是進行平衡最有效的量，因為模型不需要包含生成項
- 這門課中最常用的守恆量是質量和能量（其他守恆量包括動量和電荷）。但是，需要注意的是，儘管系統中的總質量和總能量是守恆的，但單個物質的質量不是（因為它可能在反應中變成其他物質）。如果執行所謂的“熱平衡”，那麼系統中的“熱量”也不是守恆的（因為它可以轉化為其他形式的能量。因此，在決定是否丟棄生成項時，必須小心）。
- 穩態：不累積物質的系統被稱為處於穩態。通常，這允許工程師避免求解微分方程，而是使用代數。
- 本文中的所有問題都假設穩態，但這並不總是有效的假設。 它主要在過程以受控方式執行足夠長的時間，以至於所有流量、溫度、壓力和其他系統引數都達到合理恆定值之後有效。它在過程最初預熱（或操作條件發生變化）並且系統屬性隨時間發生重大變化時無效。它們如何變化以及達到接近穩態需要多長時間，這是另一門課程的主題。
總質量是一個守恆量（核反應除外，我們不討論核反應），如果系統中沒有發生化學反應，則任何單個物質的質量也是如此。讓我們在穩態下編寫此類情況（沒有反應）的守恆方程
質量可以以兩種主要方式進出系統：擴散和對流。然而，如果進入單元操作的速度相當大，而濃度梯度相當小，則可以忽略擴散，系統中唯一的進出質量是由於對流造成的。
類似的公式適用於質量輸出。
在本手冊中，我們通常使用符號 來表示對流質量流量，單位為 。由於總流入量是各個流入量的總和，總流出量也是如此，因此可獲得以下穩態質量平衡，它適用於系統中的整體質量。
如果它是一個批次系統，或者我們正在觀察一定時間內（而不是瞬時）進出系統多少質量，則可以應用相同的質量平衡，但沒有時間成分。在本手冊中，沒有點的值表示沒有時間成分的值。
示例:
讓我們計算前面的例子（漏斗），但明確說明質量平衡。我們得到以下資訊：
從一般平衡方程式，
所以， .
由於累積量為0，因此係統處於穩態。
這是一個相當簡單的例子，但它從物理基礎上建立了“輸入”、“輸出”和“累積”的概念，這對建立問題至關重要。在下一節中，將演示如何應用質量平衡來解決僅包含一個組分的更復雜問題。