第四章 物料衡算

1、1第四章 物料衡算 4.1物料衡算的基本方法 4.2物料计算中的基本量 4.3一般过程的物料衡算 4.4用元素的原子平衡的方法作物料衡算 4.5直接使用反应计量方程式作物料衡 4.6利用联系物作物料衡算 4.7复杂反应体系物料衡算 4.8带有物料循环的流程的物料衡算2第一节物料衡算的基本方法 定义：化工过程的物料衡算是利用质量守恒定律质量守恒定律，对化工生产过程及化工单元系统进行研究，定量的计算输入或输出的物料量级组成。 物料衡算的理论依据是质量守恒定律质量守恒定律。 1.1.物料衡算的目的物料衡算的目的 a.确定原材料消耗定额消耗定额，判断是否达到设计要求; b.确定各设备的输入及输出输入及

2、输出的物流量、摩尔分率组成及其他组成表示方法。并列表，在此基础上进行设备的选型及设计，并确定三废排放位置、数量及组成，有利于进一步提出三废治理方法。 c.作为热量计算热量计算的依据 d.根据计算结果绘出物流图物流图，可进行管路设计及材质选择，仪表及自控设计等3 2.2.物料衡算的依据物料衡算的依据 a.设计任务书中确定的技术方案、产品生产能力、年工作时及操作方法; b.建设单位或研究单位所提供的要求、设计参数及实验室试验或中试等数据; 反应式、配比、转化率、选择性、总收率、催化剂、安全性能、分离方式、回收率、特殊化学品物性等; c.工艺流程示意图. 3.3.物料衡算进行的步骤物料衡算进行的步骤

3、 (1)确定衡算的对象、体系与环境，并画出物料衡算方框图。 (2)写出化学反应方程式（包括主反应和副反应）。 (3)写明年产量，年工作日或每昼夜生产能力，产率，产品纯 度等要求。 (4)选定计算基准计算基准。 (5)收集计算需要的数据。 (6)进行物料衡算物料衡算。 (7)将物料衡算结果列成物料平衡表，画出物料平衡图。44.4.物料衡算式物料衡算式 根据质量守恒定律可以写出： 进入系统的物料质量Fi系统内生成量Dp-系统内消耗量Dr=输出系统的物料质量Fo 系统内积累的物料质量W即：(Fi-Fo)+(Dp-Dr)=W 对于稳定的连续生产过程： (Fi-Fo)+(Dp-Dr)=0 对于系统内无化

4、学反应：(Fi-Fo）=W 对于系统内无化学反应的稳定连续生产过程： (Fi-Fo）=0，即Fi=Fo 质量？摩尔（分子的）物质的量？原子的物质的量？55.物料衡算的基准 时间基准:h，min，s， 质量基准：100kg，100g；100mol，100kmol；1t；1mol。 体积基准(g):STP 干湿基准:6第二节物料计算中用到的基本量 1.流体的流量和流速：Q，u 2.摩尔分数和质量分数：yi，xi；wi 3.混合物的平均分子量： 4.气体的体积：理想气体、真实气体 5.气体的密度：理想气体、真实气体 6.液体的密度：与T的关系；某温度、压力下密度，混合物密度 7.物质的饱和蒸汽压：与

5、温度有关 8.溶液上方蒸汽中各组分的分压：理想溶液、非理想溶液 9.转化率、收率和选择性： 10.汽液平衡常数：完全理想系、理想系、其他iniixMM17第二节物料计算中用到的基本量 1.流体的流量和流速 （1）体积流量（ Q ），m3/h，m3/min，m3/s （2）流体的线速度u，m/s （3）质量流量（W），Kg/h，kg/min，kg/s （4）质量流速（G），kg/m2h， kg/m2min， kg/m2s （5）摩尔流量（F）kmol/h， kmol/min， kmol/s 关系：W=Q=uA= GA 2.摩尔分数和质量分数 （1）摩尔分数yi=ni/nt（气体），xi=ni/n

6、t（液体）或者yi=Fi/Ft ，xi=Fi/Ft（流动物系） 混合气体i组分的摩尔分数与体积分数相等。 （2）质量分数wi=Wi/Wt=Gi/Gt=i组分的质量/混合物的质量 （3）摩尔分数与质量分数二者在已知混合物中各组分的相对分子量时可互换。？8 3.混合物的平均分子量* 4.气体的体积* (1)一般压力、温度下 P1MPa按理想气体处理niiixMM1nRTPV RTMmPV 或RTMmPV KmolJKmolcmPaKkmolmMPaKkmolmPaR314. 810314. 810314. 810314. 8363333FRTPQ ptnV1013. 02732734 .22ptF

7、Q1013. 02732734 .229 （2）高压下的气体体积（P1MPa）按实际气体对待，利用对比压力和对比温度计算或查图得到压缩因子Z。(p120) （3）真实气体混合物的体积 （4）标准状况下的体积m3（STP）或m3（STP）/h， m3（STP）/sZFRTPQZnRTPV和CiiCCiiCCCTxTPxPTTTrPP,/,/PrccTTTrPP/,/Pr10 5.气体的密度 （1）一般压力、温度下 （2）高压下的气体密度 （3）高压下混合气体的密度RTMPPtMg1013. 02732734 .22RTPMPtMmixg1013. 02732734 .22,ZRTmpGRTZpM

8、mixmixg,11 6.液体的密度 密度随温度的变化显著，查表、查图或计算。 利用对应状态原理计算某以温度、压力下液体的密度，K值可查图 混合物的密度在缺少数据时按体积加和近似规则计算3201tttcr,1212KKiiw112 7.物质的饱和蒸汽压：与温度有关 8.溶液上方蒸汽中各组分的分压 9.转化率、收率和选择性 10.汽液平衡常数13第三节 一般过程的物料衡算 1.无反应过程的物料衡算 包括流体输送、粉碎、换热、分离（吸收、精馏、萃取、结晶、过滤、干燥）等。 例1.将含有质量分数（下同）40的硫酸与98的浓硫酸混合成为90% 的硫酸，90的硫酸流量为1000kg/h。各溶液的另一组分

9、为水，试完成其物料衡算。 解：衡算基准为小时。以Wi表示各股物流的质量流量。14 混合器总质量平衡W,W2=W3 混合器水平衡0.6W10.02W20.1w3 用W3 = l000kg/h代入上面两方程得： W1W21000 0 .6W10.02W20. 1 X 1000 解得W1 =138kg/h W2=862kg/h 可列出物料平衡表流股123组分40%硫酸98%硫酸90%硫酸Kg/h%（wt）Kg/h%（wt）Kg/h%（wt）硫酸水合计55.282.5138.04060100844.817.2862.098210090010010009010100152.有反应过程的物料衡算 每一物质

10、的输入与输出的摩尔数或质量流率不一定平衡。 化学反应过程物料衡算的方法有： 直接计算法 利用反应速率进行物料衡算 元素平衡 以化学平衡进行衡算 以结点进行衡算 利用联系组分进行衡算 直接计算法是根据化学反应方程式，运用化学计量学进行计算的方法，也是常用的方法之一。16 例2.作年产330吨对硝基乙苯工段物料衡算。原料乙苯纯度95，硝化混酸组成：HNO332，H2SO456，H2O12。粗乙苯与混酸质量比1：1.885。对硝基乙苯收率50。硝化产物为硝基乙苯之混合物，其比例对：邻：间0.50：0.44：0.06。配制混酸所用原料：H2SO4 93%, HNO396及H2O。年工作日330天。假设

11、转化率100%。该生产为间歇生产。 解：（1）作出物料流程简图，确定计算范围。根据物料流程简图，可确定混酸配制及硝化两工序进行物料衡算17（2）对间歇生产可确定计算基准为kg/天，则需计算每天产量及原料投料量。反应式为：每天产对硝基乙苯：每天投料纯乙苯量：原料乙苯量杂质1478.6-1404.6=74kgC2H5+ HNO3H2SO4.H2OC2H5NO2C2H5C2H5+NO2NO2H2O106.1763151.17G1G2G3G4G5kg6.1478%956.1404kgG1000330100003303kgG6 .140450. 017.151100017.106118 （3）计算混酸量

12、及配制混酸的硫酸、硝酸和水量 所需混酸量：1478.61.855=2742.8kg 纯硝酸重：2742.832%=877.7Kg 96%硝酸量：877.6/0.96=914.3kg 硝酸中水量：914.3-877.7=36.6kg 纯硫酸量：2742.856%=1536kg 93%硫酸量：1536/0.93=1651.6kg 硫酸中水量：1651.6-1536=115.6kg 补加水量：2742.8-914.3-1651.6=176.9kg 混酸中水量：36.6+115.6+176.9=329.1kg （4）列出物料衡算表19配酸进料物料名称质量%折纯量实际进料量质量/kgkmol体积（m3）

13、硝酸96HNO3877.7H2O36.6914.313.932.03硫酸93H2SO41536H2O115.61651.615.676.42水176.9176.99.83合计2742.82742.820出料物料名称质量%折纯量kg实际进料量质量/kgkmol体积（m3）混酸HNO332H2SO456H2O12877.71536329.12742.813.9315.6718.28合计1002742.82742.821(5)作物料衡算图表22(6)硝化过程计算 依据题意转化率为100%,G3:G4:G5=0.50:0.44:0.06 硝化物产量:1404.6151.17/106.17=1999.9

14、kg 其中:P-产品1999.90.50=1000kg O-产品1999.90.44=880kg m-产品1999.90.06=119.9kg 废酸量计算: 硝酸消耗量:1404.663/106.17=833.5kg 水生成量: 1404.618.02/106.17=238.4 则废酸中:硝酸量:877.7-833.5=44.2kg 硫酸量:1536kg 水量:44.2+238.4=567.5kg 废酸总量:44.2+1536+567.5=2147.7kg 废酸组成:硝酸2.06%,硫酸71.52%,水26.42%23(7)作硝化过程物料衡算图表2425(8)硝化过程物料衡算图表26第四节用元

15、素的原子平衡的方法作物料衡算 化学反应前后各元素的原子数是相等的。 例3:丙烷充分燃烧时要使空气过量25%,燃烧反应方程式为:C3H8+5O23CO2 +4H2O.求每l00mo1燃烧产物（烟道气）需要加入多少丙烷和空气。 解：以l00mo1烟道气作基准进行物料衡算。 用N表示烟道气中N2的物质的量，mol； P表示烟道气中CO2的物质的量，mol； Q表示烟道气中H2O的物质的量，mol ; M表示烟道气中O2的物质的量，mol ; A表示入口空气的物质的量，mol ; B表示入口丙烷的物质的量，mol 。27 作碳原子平衡得B=P/3 作氢原子平衡得B=Q/4： 作氧原子平衡得0.21A=

16、M+Q/2+P 作N2平衡得:0.79A=N 按所设基准得:N+M+P+Q=100 作O2平衡得0.21A0.25/1.25=M 解上述方程组得:A=93.76mol B=3.148mol丙烷燃烧烟道气丙烷空气ABN2O2CO2H2ONMPQ100molC3H8+5O23CO2 +4H2O28 例4.作天然气一段转化炉的物料衡算。天然气的组成如下。 原料混合气中，H20天然气=2.5,气体转化率为67（以C1计），甲烷同系物完全分解,转化气中CO和CO2的比例在转化炉出口温度（700)下符合下式的平衡关系。 CO十H2O =CO2H2 解：一段转化炉内所进行的天然气转化反应的主反应是：CH4+

17、H20 =CO3H2 一段转化炉出口混合气含有 CO2, CO, H2, H20, CH4 和 N2等组分 在出口混合气中，上述组分的物质的量(mol)分别用a，b，c，(250-d)，e和f表示。29 以l00mol天然气进料为衡算基准。 e为一段转化炉出口混合气中CH4的物质的量(mol)即未转化的CH4物质的量(mol），因此， e（97.80.5X20.2X30.1X4）(1-0.67）32. 9mo1 N2是惰性的，反应前后的物质的量不变，因此 f=1.4mol 因此,一段转化炉进、出口物料情况为:3054. 1)250(222dbacPPppKOHCOHco3132第五节直接使用反

18、应计量方程式作物料衡 例5：在鼓泡反应器中进行苯的氯化反应生产氯苯，主反应为： C6H6Cl2C6H5C1HCl 同时有副反应发生，生成二氯苯和三氯苯，反应如下： C6H6 2C12 C6H4Cl22HC1 C6H63C12 C6H3Cl33HC1 已知鼓泡反应器的产品中，主、副反应产物和未反应的苯的重量比为:氯苯:二氯苯:三氯苯:苯=1:0.08:0.016:2，求: (1)苯的转化率； (2)氯苯的收率； (3)反应的选择性； (4)反应生成的氯化氢总量； (5)反应消耗的氯气总量。 33 解：以100kg产物氯苯为计算基准。 苯、氯苯、二氯苯、三氯苯的分子量分别为78，112.5，147

19、和181.5. 按照所取的计算基准，出口产品混合物中有苯200kg,氯苯100kg,二氯苯8kg,三氯苯1. 6kg。 需要加入反应器的苯(100%）的量计算如下：生成氯苯消耗苯 100X78/112.5=69.33Kg生成二氯苯消耗苯 8X78/147=4.245Kg生成三氯苯消耗苯 1.6X78/181.5=0.688Kg未反应的苯200kg,因此需要加入的苯的总量为 69.334.2450. 688200274.3kg (1）苯的转化率 苯的转化量69. 33+4.245+0.688=74. 3kg 苯的加入量274.3kg 苯的转化率X=74.3/274.3 0 .270934 (2)

20、氯苯的收率Y Y=转化为氯苯的苯量/加入的苯量=69.33/274.3=0.2528 (3）反应的选择性S S=Y/X=0.2528/0.2709=0.933 (4）反应生成的氯化氢总量 生成氯苯时同时生成的氯化氢 100X36.5/112.5=32.4kg 生成二氯苯时同时生成的氯化氢8X36.5X2/147=3.97kg 生成三氯苯时同时生成的氯化氢 1.6X36.5X3/181.5=0.966kg 因此，生成的氯化氢总量为32.43 .970.96637.35kg (5）反应消耗的氯气总量 生成氯苯消耗氯气总量100X71/112.5=63.11kg 生成二氯苯消耗氯气总量8X71X2/

21、147=7.728kg 生成三氯苯消耗氯气总量1.6X71X3/181.5=1.878kg 因此，反应消耗的氯气总量63.11 7.728 1.878=72.72kg35第六节利用联系物作物料衡算 生产过程中常有不参加反应的物料，这种物料习惯上称为惰性物料。由于它的数量在反应器的进口、出口物料中没有变化，计算时可以利用它在设备进、出口的数量（质量或摩尔数）不变的关系列物料衡算方程。因此称这种惰性物料为联系物。 采用惰性组分为联系物作物料衡算是常常使用的一种方法，这样做可以使计算简化。 在同一系统中有数个惰性组分时，可联合采用以减少误差。 当惰性物数量很少，且此组分分析的相对误差又很大时，则不宜

22、选用此惰性组分作为联系物。 36 例6：某厂用空气氧化邻二甲苯生产苯酐。原料流量为：205kg/h邻二甲苯，4500m3(STP) /h空气。从反应的计量关系可知：生成1mol的苯酐需要反应掉lmol的邻二甲苯。经化验得到反应器出口气体的组成如下： 试计算： (1)邻二甲苯的转化率，苯酐的收率、反应的选择性； (2)苯酐的年产量（年工作日330天）。组分苯酐顺酐邻二甲苯O2N2其他合计(mol）0.650.040.0316.58784.7010037 解：因尾气中含有大量的N2,且N2为惰性组分（不参加反应），所以选择N2作为物料衡算的联系物。 进入反应器的空气中含有N2： 4500/22.4

23、 X 0. 792159. lkmol/h 设反应器出口气体的总流量为xkmol/h,则有： 0.78x159.1 解得x=204kmo1/h 因此，反应器出口气体中含有邻二甲苯： 204X0.03%=0.06212kmo1/h（0.06212 X 106）kg/h6.5kg/h 邻二甲苯的分子量是106。 反应器出口气体中含有苯酐 204 X 0.651.326kmol/h 所以，38 (1)邻二甲苯转化率 X=（205-6.5）/205=0.9680 苯酐的收率 Y=1.326/（205/106）=0.686 反应的选择性S=Y/X=0.686/0.968=0.71 （2）苯酐的年产量 苯

24、酐的分子量为148 苯酐产量 1.326 X 24 X 330 X 148=1. 554 X l06kg/a 1554t/a39第七节复杂反应体系物料衡算 比较方便的办法是到生产现场生产现场或在中间试验厂中间试验厂测主产物和副产物各自的收率。 此收率数据是对应于一定的生产条件（温度、压力、配料比、催化剂种类、空速或反应时间等）的，如果所设计的项目，它的生产条件与实测收率的生产条件相近，就可以使用生产现场或中间试验得到的收率来做物料衡算。 若某产物P的收率已知，根据收率的定义式，便可求出一定产量下的加料量。 例如有连串反应，其计量关系为APQ，已知P的摩尔收率YP=0. 8，P的产量为l00km

25、o1/h，据收率的定义式有 Y=转化为P的A的物质的量/加料中A的物质的量 =产物P的物质的量/加料中A的物质的量40 因而， A的加料量=P的物质量/YP=100/0.8=125kmol/h 如果A生成P的反应不是1molA生成1molP 例如平行反应A2P，AQ，已知P的摩尔收率YP=0.8，P的产量100kmol/h，根据收率的定义有的物质的量加料中的物质的量产物的物质的量加料中的物质的量的转化为APAAPYP21hkmolYPAP/5 .628 . 01002121的物质的量的加料量因此41第八节带有物料循环的流程的物料衡算 带有物料循环的流程如图。 42 对循环系统来说，有单程转化率、单程收率和总转化率、总收单程转化率、单程收率和总转化率、总收率率之分。 单程转化率、单程收率指物料通过反应器一次所达到的转化率和收率。 总转化率和总收率是指新鲜进入系统（图中的虚线方框为系统边界）起到离开系统止所达到的转化率和收率。 它们的关系： 总转化率单程转化率 总收率单程收率 按照定义，有物