非反应操作使用质量衡算，反应操作使用基于各组分的摩尔衡算。 在过滤、蒸馏、吸收和物理混合等中试装置单元操作中，质量流量通常能够提供最清晰的表示方式，因为总质量和各组分质量可以直接进行跟踪。当发生化学或生物反应时，应以摩尔为基础表示反应物种，使物料衡算遵循反应的化学计量关系。
计算基准是使各股物流具有可比性的参考点。 选择合适的基准，例如连续操作一小时、一个批次的装料量、100 kg 进料或100 kmol 气体，可以消除不必要的未知数、减少算术错误，并使中试规模的结果更易于评估和放大。
为什么表示方式会随过程而变化
非反应操作保持分子组分不变
在非反应过程中，各组分可能发生相变、浓度变化或物理位置变化，但其分子身份不会改变。进入进料中的组分必须从某股输出物流中离开，或在系统内积累。
对于这些操作，衡算通常写为：
[ \text{输入} - \text{输出} = \text{积累} ]
在稳态下，积累量为零，因此总衡算变为：
[ \text{输入} = \text{输出} ]
质量通常是液体和固体系统最实用的基准，尤其是在进料组成以质量分数或重量百分比表示时。
反应操作会改变分子组分
反应会消耗某些分子组分并生成其他组分。因此，分子衡算需要包含反应项：
[ \text{输入} - \text{输出} + \text{生成} - \text{消耗} = \text{积累} ]
使用摩尔流量是合适的，因为反应按照摩尔化学计量比进行。例如，某反应每消耗另一种反应物1 mol的同时消耗某种反应物2 mol，如果不先考虑分子量差异，仅比较它们的质量流量，就无法可靠地表示该反应。
这并不意味着质量不再守恒，而是意味着摩尔数能够更清晰地描述化学转化，同时总质量衡算仍然是检验结果的重要手段。
选择正确的衡算形式
分子组分衡算
分子组分衡算分别跟踪每种化合物，并包含其反应生成速率或消耗速率。当反应动力学、转化率、选择性或各个产品的收率是中试装置分析的核心时，这种方法非常有用。
对于连续反应器，组分衡算可以表示为：
[ F_{i,\text{out}} = F_{i,\text{in}} + \sum_j \nu_{ij}\xi_j ]
其中，(F_i) 是组分 (i) 的摩尔流量，(\nu_{ij}) 是反应 (j) 中组分 (i) 的化学计量系数，(\xi_j) 是反应进度。
原子组分衡算
原子衡算跟踪的是碳、氢、氧或氮等元素，而不是分子化合物。由于化学反应只会重新排列原子，并不会创造或消灭原子，因此衡算中不包含反应生成项：
[ \text{输入原子} = \text{输出原子} ]
当发生多个反应或具体反应路径不确定时，这种方法尤其有效。即使分子中间体和副反应难以量化，它仍可以确定整体元素流量。
反应进度衡算
反应进度法为每个独立反应引入一个反应进度变量。随后，产品和反应物的摩尔流量可以直接与进料流量及化学计量系数建立关系。
与为每种组分分别写出反应项相比，这种方法通常更加简洁。然而，它要求正确识别反应；当存在许多独立反应或特征不明确的副反应时，计算可能变得繁琐。
当系统定义正确时，以上三种方法应得到相同的数值结果。最佳选择取决于哪种方法能够针对具体的中试单元提供最清晰且最易求解的计算形式。
建立计算基准
以操作模式作为起点
对于连续稳态中试装置，通常采用操作一小时这样的时间基准最为有效。它可以将流量转换为一致的数量，并且与产量、设备能力和操作数据自然对应。
对于间歇过程，基准通常是一个完整批次的装料量或规定的批次产量。此时，衡算描述该批次期间进入系统的物料、离开系统的物料以及积累的物料。
使基准与可用数据相匹配
如果给出了产品产率，应尽可能直接使用该产率。例如，100 kg/h的规定产量可以直接定义计算基准，而无需引入不必要的缩放变量。
如果组成以质量百分比给出，采用100 kg进料作为基准，可以使每个百分比在数值上等于相应的质量。如果组成以摩尔百分比给出，通常采用100 mol或100 kmol作为基准更为方便。
选择能够消除未知数的基准
一个好的基准不仅仅是一个方便的数字，它还应提供一个已知的参考量，并在衡算计算中至少消除一个未知数。
例如，当气体组成已知时，选择100 kmol气体进料作为基准，可以立即确定各组分的摩尔量。随后即可根据这一确定的进料量计算其他物流的相对数量。
在中试装置系统中应用计算基准
液体和固体操作
对于液体和固体混合物，质量基准通常较为方便，因为设备数据、存量测量值和组成通常以质量表示。因此，可以使用规定操作时间内的千克或磅物料来分析筛分机、研磨机、过滤器、蒸发器、结晶器及类似设备。
当溶质反应、溶解化学过程或沉淀化学计量关系影响过程时，仍可能需要使用摩尔衡算。物流的物态本身并不能决定采用何种基准；决定因素是过程行为和可获得的组成数据。
气相操作
气体吸收、汽提和洗涤系统通常适合采用摩尔基准表示，因为气体组成通常以摩尔分数报告。以100 mol或100 kmol气体为基准，可以简化各组分的计算。
也可以采用气体体积作为基准，但只有在明确规定温度、压力和适用的气体关系时才可以这样做。体积通常不守恒，因此在缺少必要热力学条件的情况下，不应使用体积基准替代质量或摩尔基准。
集成式多单元装置
对于包含多个相互连接操作的工厂，应选择能够使同时存在的未知数数量最少的子系统边界和计算基准。从流量或组成已知的物流开始，或从一个可以独立求解的子系统开始，通常可以使计算按顺序贯穿整个工厂。
这对于包含研磨、筛分、蒸发和结晶等多个阶段的中试系统尤其有用。清晰的基准和边界可以防止局部衡算演变成规模不必要的大型方程组。
理解其中的权衡
质量基准简单，但可能掩盖化学计量关系
质量衡算稳健且必不可少，因为总质量是守恒的。然而，反应化学计量关系以摩尔表示，因此仅采用质量衡算可能掩盖实际的分子比例，并在分子量差异较大时导致错误。
对于反应系统，应先将质量数据转换为摩尔量，再应用化学计量关系。只有在最终结果采用质量格式报告最有用时，才将结果转换回质量。
摩尔基准直接反映化学关系，但需要组成数据
摩尔计算非常适合反应和气体混合物，但需要可靠的分子身份、组成和分子量数据。如果进料组成未知，或只能测得总质量，强行采用摩尔基准可能会引入缺乏依据的假设。
在这种情况下，应先进行质量衡算，并仅对那些具有充分组成信息的组分进行转换。
不完全转化会使反应衡算复杂化
中试反应可能会留下未反应进料、形成中间体或产生副产物。因此，假设完全转化可能导致错误的出口流量和具有误导性的性能指标。
在有可用数据时，衡算应包含实测转化率、收率、选择性或反应进度。在非理想操作条件下评估下游负荷或反应热时，还需要完整的组分衡算。
不恰当的基准会造成可避免的复杂性
任意选择的基准可能产生不规整的分数、引入额外未知数，并使人难以判断最终答案是流量、批次数量还是归一化结果。必须始终结合单位和操作背景说明计算基准。
归一化结果，例如每100 kg进料对应的千克数，在用于设备尺寸确定、产量报告或与操作数据比较之前，必须根据实际中试处理量进行换算。
根据目标做出正确选择
在写出各股物流的衡算之前，先说明计算基准、单位、操作模式和系统边界。
- 如果主要关注非反应分离： 对液体或固体系统采用质量基准；如果气体组成以摩尔分数报告，则采用摩尔基准。
- 如果主要关注化学转化： 采用分子组分摩尔衡算、原子衡算或反应进度衡算，以明确表示化学计量转化关系。
- 如果主要关注间歇操作： 以一个完整批次的装料量或规定的批次产量作为计算基准。
- 如果主要关注连续稳态操作： 采用规定的时间段（例如一小时）或规定的进料量。
- 如果主要关注简化组成计算： 对重量百分比数据采用100个质量单位，对摩尔百分比数据采用100个摩尔单位。
- 如果主要关注中试装置放大： 记录一个能够直接根据实际进料速率、产量和操作时间进行放大的基准。
选择恰当的基准，可以将物料衡算从一组彼此割裂的测量数据转变为对过程的一致、可放大描述。
汇总表：
| 过程或目标 | 推荐的衡算 | 适用的计算基准 |
|---|---|---|
| 非反应液体或固体操作 | 总质量衡算和组分质量衡算 | 进料的kg数或操作时间，例如1小时 |
| 气体吸收或汽提 | 组分摩尔衡算 | 100 mol或100 kmol气体 |
| 化学或生物反应 | 分子组分摩尔衡算 | 进料速率、批次装料量或操作时间 |
| 多个反应或反应不确定 | 原子衡算 | 元素进料量和产品量 |
| 已知反应路径 | 反应进度衡算 | 每个独立反应对应一个反应进度变量 |
| 间歇式中试操作 | 包含积累项的质量或摩尔衡算 | 一个完整批次的装料量 |
| 中试装置放大 | 与实际处理量关联的衡算 | 进料速率、产量或操作时间 |
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