开放系统允许质量跨越其边界，而封闭系统在规定的分析期间内不允许质量跨越边界。 对于中试装置的物料衡算，应围绕正在研究的设备或工艺段绘制边界，然后只计算跨越该边界的物料流。吸收塔、换热器和连续反应器等连续设备通常视为开放系统；批式混合器和密闭批式反应器通常视为封闭系统。
系统边界决定了哪些物流会出现在物料衡算中。 开放系统衡算使用进料和出料流量，而封闭系统衡算则在规定的时间间隔内跟踪最初存在的总质量、任何累积量以及反应或转化情况。
系统边界的含义
边界定义控制体积
系统边界是围绕所分析的设备、工艺单元或完整装置绘制的假想表面。
物料衡算包括所有跨越该表面的物料流。完全保留在边界内部的物流，例如内部回流、循环流或塔板间流动，不属于该边界的外部输入或输出。
边界是一种分析选择
同一中试装置可以使用不同的边界进行分析。围绕完整蒸馏装置的边界可得到总体衡算，而仅围绕再沸器或冷凝器的边界则可得到局部衡算。
正确的边界应与所提出的问题以及可获得的测量数据相匹配。
热和功不是物料流
热和功可以跨越开放系统或封闭系统的边界，但它们不属于质量流。
热和功与能量衡算相关，而不是物料衡算，除非公用工程物流与工艺物料发生了物理混合。
如何定义开放系统边界
质量通过入口和出口跨越边界
开放系统也称为流动系统或控制体积，允许物料在运行期间进入和离开。
典型的跨界物流包括进料、产品、排放、放空、排液和回流物流，前提是它们跨越了所选边界。
连续中试设备通常是开放系统
气体吸收塔、换热器、连续搅拌釜式反应器、蒸馏塔、泵和压缩机通常被视为开放系统。
对于这些单元，衡算通常以质量流量表示：
[ \text{累积} = \text{质量流入} - \text{质量流出} + \text{生成} - \text{消耗} ]
对于稳态下的非反应过程，累积量为零，因此：
[ \text{总质量流入} = \text{总质量流出} ]
组分衡算可能更有用
总质量衡算可以表明质量守恒，但无法说明各组分如何分配。
例如，乙醇蒸馏装置需要对乙醇和水进行组分衡算，而不仅是总流量衡算。在稳态下：
[ \dot{m}{\text{进料}} = \dot{m}{\text{馏出物}}+ \dot{m}_{\text{釜底物}} ]
相应的乙醇衡算会跟踪各物流中的乙醇含量。
总体边界不包括内部物流
如果边界同时包围塔、冷凝器和再沸器，则内部蒸气流、液体流和回流不会跨越边界。
因此，即使这些物流对于分离机理至关重要，也不会被计入总体物料衡算。
如何定义封闭系统边界
工艺物料不跨越边界
封闭系统在选定的运行期间内包含固定数量的物料。
当没有进料、产品抽出、放空、泄漏或排液跨越边界时，密闭批式反应器或批式混合罐可视为封闭系统。
批式设备需要规定时间间隔
由于没有入口或出口流量，衡算需要比较系统内部物料在两个时刻的状态。
对于非反应封闭系统：
[ m_{\text{初始}} = m_{\text{最终}} ]
如果物料发生累积、消耗或通过反应生成，相应的组分衡算必须包括这些影响。
封闭并不意味着什么都不变
封闭系统可能发生温度变化、压力变化、混合、相变、热传递或轴功传递。
只要没有物料跨越所定义的边界，相对于质量而言它仍然是封闭系统。
批式设备并不会自动成为封闭系统
在运行期间，如果批式反应器存在进料、气体放空、取样管线或产品抽出，则它并不是完全封闭的。
在这种情况下，应将这些物流纳入物料衡算，或重新定义运行时间间隔，使封闭系统的假设成立。
多单元中试装置的边界选择
使用总体边界获得全装置结果
围绕整个中试装置设置的边界只包括从外部进入的物流以及排向外部环境的物流。
混合器、反应器、分离器和储罐之间的连接物流属于内部物流，会在总体衡算中相互抵消。
这种方法适用于检查总回收率、总体收率和全装置物料损失。
使用子系统边界评估单元性能
围绕一台设备设置边界可以分离出其局部行为。
例如，围绕蒸馏塔设置的边界可能包括进料、馏出物、釜底物、回流和再沸蒸气物流，具体取决于冷凝器和再沸器位于边界内部还是外部。
所选边界决定了必须测量和纳入衡算的物流。
使用节点边界分析混合和分流
围绕混合点设置一个小边界，可以将合并后的出口与多个入口联系起来。
围绕分流器设置边界，可以建立一个入口与多个出口之间的关系。这些局部衡算通常比一次性衡算整个流程图更简单。
进行自由度检查
在求解子系统之前，应统计未知物流流量和组成的数量，并将其与可用的独立方程进行比较。
在纳入规格、测量数据和物料衡算方程后，一个定义良好的计算通常应具有零个自由度。
在教育型设备中的应用
批式混合罐
对于密闭批式混合罐，应围绕混合期间的罐体及其内容物绘制边界。
如果没有进料、排液、取样或放空跨越边界，则使用封闭系统衡算，并比较混合前后的总质量或组分质量。
连续吸收塔
对于气体吸收塔，应围绕塔体绘制边界，并确定气体入口、气体出口、液体溶剂入口和液体出口。
这些跨界物流构成开放系统总量衡算和组分衡算的基础。
连续蒸馏装置
为了评估总体分离性能，应将塔、塔顶冷凝器和再沸器作为一个单元绘制边界。
外部物料流通常包括进料、馏出物和釜底物。内部回流和再沸蒸气不跨越边界，因此从总体衡算中省略。
换热器
当工艺流体连续进入和离开时，换热器属于开放系统。
热侧和冷侧的物料流都会跨越边界，而两股物流之间的热传递应在能量衡算中处理，而不是视为物料流。
理解其中的权衡
较大的边界可以简化总体衡算
将多个相连单元纳入边界，可以从总体衡算中移除内部物流。
缺点是会掩盖各个单元的性能，使得识别损失、泄漏或分离效率低下的具体位置更加困难。
较小的边界可以提供更多细节
单元级边界可以揭示局部组成、转化率、回收率和累积量。
同时，它们也会产生更多未知物流，并需要更多仪表、测量数据和方程。
可能会误判稳态
连续单元并不自动处于稳态。启动、停机、储罐充装、浓度变化和进料条件波动都会产生累积。
当累积量不为零时，入口和出口流量不一定相等。
必须正确分类公用工程物流
当冷却水、加热蒸汽和制冷剂不与工艺物料混合时，它们通常属于能量衡算。
如果公用工程介质进入了工艺过程，例如蒸汽冷凝并进入产品中，那么它就作为工艺质量流跨越物料边界，必须纳入衡算。
泄漏和取样可能使假设失效
一个看似密闭的批式单元可能通过泄漏点、放空口或取样口损失质量。
教育实验应明确记录这些路径，而不是强行将设备套入理想化的封闭系统模型。
如何将其应用于您的中试装置
以下步骤可为教育型物料衡算工作提供可靠的起点：
- 如果您的主要关注点是连续单元的处理量： 围绕设备绘制边界，列出所有入口和出口，并仅在确认累积量可以忽略后使用稳态流量衡算。
- 如果您的主要关注点是密闭批式操作： 定义开始和结束时间，确认没有工艺质量跨越边界，并比较初始和最终的总量或组分量。
- 如果您的主要关注点是全装置回收率： 将所有相连单元纳入一个边界，并仅包括外部进料、产品、废物、排放和放空物流。
- 如果您的主要关注点是单台设备的性能： 隔离所选单元，并包括所有跨越其局部边界的物流，包括相关的回流或旁路物流。
- 如果您的主要关注点是分离效率： 对乙醇和水等物质使用组分衡算，而不是仅依赖总质量流量。
- 如果您的主要关注点是获得可论证的计算结果： 在求解未知流量或组成之前完成自由度检查。
清晰绘制的边界可以将复杂的中试装置转化为一个易于管理和测量的物料衡算问题。
汇总表：
| 系统或边界类型 | 跨越边界的物料 | 典型中试装置示例 | 衡算重点 |
|---|---|---|---|
| 开放系统 | 入口、出口、放空、排液、排放及其他工艺物流 | 吸收塔、换热器、连续反应器、蒸馏装置 | 流量、累积、生成和消耗 |
| 封闭系统 | 规定时间间隔内无工艺质量跨越边界 | 密闭批式混合器和批式反应器 | 初始和最终质量、累积量及反应影响 |
| 全装置边界 | 外部进料、产品、废物、排放和放空物流 | 完整的相互连接的中试装置 | 总体回收率、收率和物料损失 |
| 单元级边界 | 进入或离开所选单元的所有物流 | 蒸馏塔、反应器、分离器或混合器 | 设备性能、转化率和分离效率 |
| 组分衡算 | 特定物质的流量和组成 | 乙醇-水蒸馏或反应系统 | 组分分配、生成和消耗 |
| 公用工程物流 | 通常仅涉及能量，除非公用工程介质与工艺物料混合 | 冷却水、加热蒸汽、制冷剂 | 仅当其成为工艺物料时才纳入物料衡算 |
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