化工过程设计与开发第5章物料衡算

1、版权所有第第5 5章章 物料衡算物料衡算化工过程开发与设计化工过程开发与设计化工过程开发与设计化工过程开发与设计 不同过程的物料衡算5.2化工过程的物料衡算5.3物料衡算的基本概念5.1第5章 物料衡算计算机辅助计算方法在物料衡算中的应用5.4化工过程开发与设计化工过程开发与设计 5.1 物料衡算的基本概念12物料衡算式物料衡算式物料衡算的基本步骤物料衡算的基本步骤化工过程开发与设计化工过程开发与设计 5.1.1 物料衡算式物料衡算是根据质量守恒定律，利用某进出化工过程中某些已知物流的流量和组成，通过建立有关物料的平衡式和约束式，求出其它未知物流的流量和组成的过程。系统中物料衡算的一般表达式为

2、系统中的积累系统中的积累= =输入输入- -输出输出+ +生成生成- -消耗消耗 （5-1）输入输入= =输出输出- -生成生成+ +消耗消耗 （5-2）输入输入= =输出输出 （5-3）化工过程开发与设计化工过程开发与设计 5.1.1 物料衡算式表表5-1 5-1 稳态过程中物料衡算式的适用情况稳态过程中物料衡算式的适用情况类别物料衡算形式无化学反应有化学反应总衡算式总质量衡算式适用适用总物质的量衡算式适用不适用组分衡算式组分质量衡算式适用不适用组分物质的量衡算式适用不适用元素原子衡算式元素原子质量衡算式适用适用元素原子物质的量衡算式适用适用化工过程开发与设计化工过程开发与设计 5.1.2

3、物料衡算的基本步骤（1）收集数据（2）画出流程示意图（3）确定衡算系统和计算方法（4）选择合适的计算基准（5）列出物料衡算式，用数学方法求解（6）将计算结果列成输入输出物料表（7）结论化工过程开发与设计化工过程开发与设计 5.2 不同过程的物料衡算12物理过程的物料衡算物理过程的物料衡算反应过程的物料衡算反应过程的物料衡算化工过程开发与设计化工过程开发与设计 5.2.1 物理过程的物料衡算1 1混合混合混合过程即为若干股物料在同一容器（混合器）内混合为一股物料而流出的过程。例例5.1 5.1 一种废酸，组成（wt%）为HNO323%、H2SO457%、H2O20%，加入浓度为93%的浓H2SO

4、4和浓度为90%的浓HNO3，要求混合成含27%HNO3和60%H2SO4的混合酸，计算所需废酸及加入浓酸的数量。化工过程开发与设计化工过程开发与设计 5.2.1 物理过程的物料衡算解（1）画物料流程简图5.1。混 合 器1 废酸W1HNO3 23%H2SO4 57%H2O 20%4混合酸 HNO3 27%H2SO4 60%H2O 13%H2O 13%2 HNO3 90%H2O 10%3H2SO4 93%H2O 7%W4=100kg图图5.1 5.1 混合过程物料流程简图混合过程物料流程简图化工过程开发与设计化工过程开发与设计 5.2.1 物理过程的物料衡算（2）选择基准（3）列物料衡算式W1

5、=41.8kg （废酸）W2=19.2kg （浓HNO3）W3=39kg （浓H2SO4）（4）列出物料平衡表5-2。化工过程开发与设计化工过程开发与设计 5.2.1 物理过程的物料衡算表表5-2 5-2 物料平衡表物料平衡表流股1234组分废酸浓HNO3浓H2SO4混合酸kg%(wt)kg%(wt)kg%(wt)kg%(wt)H2SO423.835736.28936060HNO39.612317.28902727H2O8.36201.92102.7271313合计41.810019.210039100100100化工过程开发与设计化工过程开发与设计 5.2.1 物理过程的物料衡算2 2物理吸

6、收物理吸收吸收是指用适当的液体吸收剂处理气体混合物，以除去其中一种或多种组分的操作。图图5.2 5.2 吸收塔示意图吸收塔示意图化工过程开发与设计化工过程开发与设计 5.2.1 物理过程的物料衡算全塔的物料衡算为： （5-4） （5-5）)()(2121XXLYYV2*21minXXYYVLmin)0 . 22 . 1 (LL 化工过程开发与设计化工过程开发与设计 5.2.1 物理过程的物料衡算3 3精馏精馏（1）连续蒸馏WDFWiDiFiWxDxFxD,DF, FW, xW W,W蒸馏塔图图5.4 5.4 连续蒸馏流程简图连续蒸馏流程简图化工过程开发与设计化工过程开发与设计 5.2.1 物理

7、过程的物料衡算例例5.3 5.3 连续常压蒸馏塔进料为含苯质量分数（下同）38%和甲苯62%的混合溶液，要求馏出液中能回收原料中97%的苯，釜残液中含苯不高于2%，进料流量为20000kg/h，求馏出液和釜残液的流量和组成。解：F,B38780.419638627892xD,B94.5194.510.8752108xD化工过程开发与设计化工过程开发与设计 5.2.1 物理过程的物料衡算表表5-3 5-3 蒸馏塔物料平衡表蒸馏塔物料平衡表流股组分塔进料塔顶馏出物釜残液kg/h %(wt)kmol/h%(mol)kg/h %(wt)kmol/h%(mol)kg/h %(wt)kmol/h%(mol

8、)苯760003897.4341.967372.685.6094.5287.52227.82.02.922.35甲苯1240062134.858.041240.214.4013.4812.4811159.498.0121.397.65合计20000100232.21008612.810010810011387.2100124.2100化工过程开发与设计化工过程开发与设计 5.2.1 物理过程的物料衡算（2 2）常规精馏）常规精馏例例5.4 5.4 有一精馏塔，其进料组成和塔顶馏出物组成如图5.5所示。图图5.5 5.5 常规精馏流程简图常规精馏流程简图化工过程开发与设计化工过程开发与设计 5.

9、2.1 物理过程的物料衡算解：F2=38.8kmol/hF2=38.8kmol/h， F3=61.2kmol/hF3=61.2kmol/h1002 . 001. 05 . 032FF表表5-4 5-4 例例5.45.4的物料平衡表的物料平衡表流股123组分进料塔顶馏出物塔釜排出液kmol/h%(mol)kmol/h%(mol)kmol/h%(mol)丙烷202019.40500.61异丁烷202016.68433.3165.4异戊烷20202.33617.6728.87正戊烷40400.388139.6164.72合计10010038.8010061.2100化工过程开发与设计化工过程开发与设

10、计 5.2.2 反应过程的物料衡算1 1基本概念基本概念（1）限制反应物（2）过量反应物 （5-6）（3）转化率 （5-7）%100molmol%）需要的物质的量（与限制反应物完全作用）过量的物质的量（过量()()100%()sqSqSqS入，出，入，化工过程开发与设计化工过程开发与设计 5.2.2 反应过程的物料衡算（4）反应速率 R R（S S）= =（S S）r r (5-8)q q（出，（出，S S）= q= q（入，（入，S S）+ +（S S）r s=1r s=1，22，s s (5-9)（5）收率 Y Y（P P，Q Q）= = (5-10)(P)(max,P)RR化工过程开发与

11、设计化工过程开发与设计 5.2.2 反应过程的物料衡算例例5.5 5.5 邻二甲苯氧化制取苯酐，反应式为C3H10+3O2C8H4O3+3H2OC3H10+3O2C8H4O3+3H2O设邻二甲苯的转化率为60%，氧用量为实际反应用量的150%，如果邻二甲苯的投料量为100kg/h，作物料衡算。解进料：邻二甲苯C8H10 100/106=0.944kmol/h 氧O2 0.9440.63150%=2.55kmol/h化工过程开发与设计化工过程开发与设计 5.2.2 反应过程的物料衡算出料：苯酐C8H4O3 0.9440.6148=83.83kg/h 水H2O 0.9440.6318=30.6kg

12、/h 剩余邻二甲苯 1000.4=40kg/h 剩余氧 (2.55-0.9440.63)32=27.22kg/h 氮N2 /hkg6 .26828217955. 2化工过程开发与设计化工过程开发与设计 5.2.2 反应过程的物料衡算表表5-5 5-5 例例5.55.5计算结果计算结果进 料出 料物料kmol/hkg/hkmol/hkg/h邻二甲苯0.9441000.37740氧2.5581.60.85127.22氮9.59268.69.59268.6苯酐0.56683.83水1.7030.60合计13.084450.213.084450.25化工过程开发与设计化工过程开发与设计 5.2.2 反

13、应过程的物料衡算例例5.6 5.6 在间歇釜中，往苯中通入氯气生产氯苯，所用工业苯纯度为97.5%，氯气纯度为99.5%。为控制副产物的生成量，当氯化液中氯苯质量分数达0.40时，停止通氯，此时氯化液中二氯苯质量分数为0.02，三氯苯质量分数为0.005。试作每釜生产1吨氯苯的物料衡算。化工过程开发与设计化工过程开发与设计 5.2.2 反应过程的物料衡算表表5-6 5-6 物料衡算表物料衡算表输入/kg输出/kg工业苯2218.2未反应苯1437.5 其中纯苯2162.7氯苯1000 杂质55.5二氯苯50 工业氯气697.6三氯苯12.5其中纯氯气694.1氯化氢356.7杂质3.5杂质59

14、.0总计2915.8总计2915.7杂质3.5杂质59.0总计2915.8总计2915.7化工过程开发与设计化工过程开发与设计 5.2.2 反应过程的物料衡算例例5.7 5.7 在乙二醇生产中，所用的反应物是由乙烯部分氧化法制得的环氧乙烷。制取环氧乙烷的方法是将乙烯在过量空气存在下通过银催化剂。解：图图5.6 5.6 乙烯部分氧化乙烯部分氧化化工过程开发与设计化工过程开发与设计 5.2.2 反应过程的物料衡算例例5.8 5.8 将苯氯化生成一种由一氯、二氯、三氯和四氯化苯组成的混合物，其反应为：C6H6+Cl2C6H5Cl+HCl，其反应速率为r1；C6H5Cl+Cl2C6H4Cl2+HCl，

15、其反应速率为r2；C6H4Cl2+Cl2C6H3Cl3+HCl，其反应速率为r3；C6H4Cl3+Cl2C6H2Cl4+HCl，其反应速率为r4。化工过程开发与设计化工过程开发与设计 5.2.2 反应过程的物料衡算氯化过程的主要产物是三氯化苯C6H3Cl3，它是固体，用做干燥清洁剂。假设氯和苯的进料速率比为Cl2C6H6=3.61，其产物的组成（mol%）：C6H6 1，C6H5Cl 7，C6H4Cl2 12，C6H3Cl3 75，C6H2Cl4 5。如果反应器负荷为1000mol/h苯，计算副产物HCl和主产品C6H3Cl3的产率mol/h。化工过程开发与设计化工过程开发与设计 5.2.2

16、反应过程的物料衡算解：图图5.7 5.7 苯氯化流程图苯氯化流程图化工过程开发与设计化工过程开发与设计 5.2.2 反应过程的物料衡算4 4以结点作衡算以结点作衡算在生产中有些情况下，特别是对大型题目，可以分解为小分流，以便使计算简化。图图5.8 5.8 结点示意图结点示意图化工过程开发与设计化工过程开发与设计 5.2.2 反应过程的物料衡算例例5.9 5.9 某工厂用烃类气体转化制取合成甲醇的原料气。在标准状态下，要求原料气量为2321m3/h，其中一氧化碳与氢气的量（mol）的比为124。转化制成的气体组成x（CO）为0.4312（摩尔百分数，下同），x（H2）为0.542，此组成不符合合

17、成甲醇的要求。为此，需将部分转化气送至CO变换反应器变换，变换后气体组成x（CO）为0.0876，x（H2）为0.8975，气体脱CO2后体积缩小2%，用此气体去调节转化气，使之符合原料气质量要求，计算转化气、变换气各需多少？要求原料气中x（CO+H2）占0.98。化工过程开发与设计化工过程开发与设计 5.2.2 反应过程的物料衡算解：图图5.9 5.9 甲醇原料气配制图甲醇原料气配制图化工过程开发与设计化工过程开发与设计 5.2.2 反应过程的物料衡算5 5利用联系组分作物料衡算利用联系组分作物料衡算所谓“联系组分”，系指衡算过程中联系衡算系统进、出物流的特定组分。当组分从一个物流进到另一物

18、流时，如果它的形态和总量未发生变化，而在不同物流中所占的相对百分数不同，我们利用它的这种特点计算其它组分的量和物流总量。用这种方法可使计算变得简单易行。化工过程开发与设计化工过程开发与设计 5.2.2 反应过程的物料衡算例例5.10 5.10 甲烷和氢的混合气与空气完全燃烧以加热锅炉。反应方程式如下：CH4+2O22H2O+CO2 （1）H2+ O2H2O （2）产生的烟道气经分析其组成（摩尔分数）：x（N2）为0.7219，x（CO2）为0.0812，x（O2）为0.0244，x（H2O）为0.1725。试求：（1）燃料中CH4与H2的摩尔比；（2）空气与（CH4+H2）的摩尔比。化工过程开

19、发与设计化工过程开发与设计 5.2.2 反应过程的物料衡算解：图图5.10 5.10 加热锅炉示意图加热锅炉示意图表表5-7 5-7 例例5.105.10计算结果计算结果组分入出组分入出燃料/mol空气/mol烟道气/mol燃料/mol空气/mol烟道气/molH21.0200CO2008.12CH48.1200H2O0017.25O2019.192.44总计9.1491.38100N2072.1972.19化工过程开发与设计化工过程开发与设计 5.2.2 反应过程的物料衡算解： mol20.21O100 0 721919.190.79n（）.94. 919. 938.9196. 702. 1

20、12. 8化工过程开发与设计化工过程开发与设计 5.2.2 反应过程的物料衡算6 6利用化学平衡作物料衡算利用化学平衡作物料衡算平衡转化率是化学反应达到平衡后反应物转化为产物的百分数。100%反应平衡后原料转化产物的摩尔数平衡转化率投入原料的摩尔数100%平衡时主要产品的摩尔数平衡产率原料按反应式全部变成主要产品得到的产品摩尔数化工过程开发与设计化工过程开发与设计 5.2.2 反应过程的物料衡算例例5.11 5.11 已知C2H4（g）+H2O（g） C2H5OH（g）在400K时，平衡常数Kp=9.8710-4kPa。若原料是由1mol的C2H4和1mol的H2O组成，试求在该温度和101.

21、325 kPa下C2H4的转化率，并计算平衡体系中各物质的浓度（气体可当作理想气体）。解：设C2H4的转化率为，那么反应平衡时系统内物料的组成为C2H4（g）+H2O（g） C2H5OH（g） 11化工过程开发与设计化工过程开发与设计 5.2.2 反应过程的物料衡算平衡后各物质的摩尔分数为2422511 0.2930.707(C H )0.414220.2931.7070.707(H O)0.4141.7070.293(C H OH)0.1721.707xxx化工过程开发与设计化工过程开发与设计 5.2.2 反应过程的物料衡算7 7利用元素原子平衡作物料衡算利用元素原子平衡作物料衡算化学反应前

22、后各元素的原子数是相等的。例例5.12 5.12 作天燃气一段转化炉的物料衡算，天然气的组成如下：组分CH4C2H6C3H8C4H10N2合计%（mol）97.80.50.20.11.4100化工过程开发与设计化工过程开发与设计 5.2.2 反应过程的物料衡算e=(97.8+0.52+0.23+0.14) (10.67)=32.9mola=33.1，b=33.8，c=232.6，d=100图图5.11 5.11 转化炉示意图转化炉示意图化工过程开发与设计化工过程开发与设计 5.2.2 反应过程的物料衡算表表5-8 5-8 例例5.125.12计算结果计算结果进 料出 料组分molg组分molg

23、CH497.81564.8CH432.9526.4C2H60.515H2232.6465.2C3H80.28.8CO33.8946.4C4H100.15.8CO233.11456.4N21.439.2N21.439.2H2O2504500H2O1502700合计3506133.6合计483.86133.6化工过程开发与设计化工过程开发与设计 5.3 化工过程的物料衡算12串联设备串联设备弛放过程弛放过程3循环过程循环过程化工过程开发与设计化工过程开发与设计 5.3.1 串联设备例例5.13 5.13 用双塔流程分离三组分混合物，已知数据如图5.12，进料中的组分为A，B，C，进料物流N1为10

24、0mol/h。计算N3、N4、N5的值及其组分A，B，C的摩尔分数x3,1，x3,2，x3,3。化工过程开发与设计化工过程开发与设计 5.3.1 串联设备解：图图5.12 5.12 双塔流程分离混合物示意图双塔流程分离混合物示意图化工过程开发与设计化工过程开发与设计 5.3.1 串联设备基准：选第一塔进料流量100mol/h为基准选塔为体系，则 100=N3+50故 N3=50mol/hN412.20mol/h，N5=34.80mol/h化工过程开发与设计化工过程开发与设计 5.3.2 弛放过程例例5.14 5.14 合成氨反应式 3H2+N2 2NH3的流程如图5.13。合成氨经分离器分离后

25、，未反应的合成气循环使用，并部分弛放以防惰性气体积累造成不良影响。新鲜合成气中氢气和氮气体积比为3：1。即惰性气体：1%，H2：74.25%，N2：24.75%。已知单程转化率22%，总转化率94%，弛放气含氨3.75%，含惰性气体12.5%。化工过程开发与设计化工过程开发与设计 5.3.2 弛放过程试通过物料衡算求出：（1）放空比F5/F1，循环比F2/F1；（2）在标准状态下，按100m3/h进新鲜合成气时，生成合成氨的量；（3）1000t/d合成氨装置每小时所需原料量。图图5.13 5.13 合成氨反应流程示意图合成氨反应流程示意图化工过程开发与设计化工过程开发与设计 5.3.2 弛放过

26、程解：弛放气和循环气中，（氢气氮气）总体积百分比112.5%3.75%83.75%得生成合成氮气的量：F42F124.75%94%46.53 m3/h(46.53/22.417)=35.31kg/h每小时需进新鲜合成气量为100/35.31（1/24）106=1.18105 m3/h化工过程开发与设计化工过程开发与设计 5.3.3 循环过程例例5.15 5.15 苯直接加H2转化为环己烷，产量为100kmol/h。输入系统中的苯99%反应生成环己烷，进入反应器物流的组成为80% H2和20% C6 H6（摩尔分数，下同）。产物物流中含有3%的H2。流程如图5.14。试计算：（1）产物物流的组成

27、；（2）H2和C6 H6的进料速率；（3）H2的循环速率。化工过程开发与设计化工过程开发与设计 5.3.3 循环过程解：H2的进料速率为 kmol/h苯的进料速率为 kmol/h设循环H2的量为R，则有 kmol/h100 33.12303.12 101.012 . 012.30301.10101.101R100.92R 化工过程开发与设计化工过程开发与设计 5.3.3 循环过程图图5.14 5.14 环己烷生产流程示意图环己烷生产流程示意图化工过程开发与设计化工过程开发与设计 5.4 计算机辅助计算方法在物料衡算中的应用12MatlabMatlab在物料衡算中的应用在物料衡算中的应用采用单元

28、过程计算软件进行物料衡算采用单元过程计算软件进行物料衡算3化工流程中的物料衡算化工流程中的物料衡算化工过程开发与设计化工过程开发与设计 5.4.1 Matlab在物料衡算中的应用Matlab是一种功能强大的工程计算语言，具有简单、快捷、准确及结果可视化等优点，在解决曲线拟合、线性/非线性方程、常/偏微分方程等方面有着独特的优势，下面通过烟道气组成的求解，讨论其在物料衡算中的应用。化工过程开发与设计化工过程开发与设计 5.4.2 采用单元过程计算软件进行物料衡算计算的基本步骤如下：（1）确定过程计算所涉及的物质，由物质输入窗口从数据库中选取所需物质或自定义库中缺损物质。（2）如有自定义物质，由物质结构窗口选择构造自定义物质。化工过程开发与设计化工过程开发与设计 5.4.2 采用单元过程计算软件进行物料衡算例例5.16 5.16 平衡闪蒸计算。合成氨过程中，反应器出来的产品为氨、未反应的N2和H2以及原料物流带入的并通过反应器的少量氩、甲烷等杂质。反应器出来的产品在33.3和13.3MP