化工设计第章物料衡算与能量衡算

1第三章物料衡算与能量衡算3.1物料衡算3.2能量衡算23.1物料衡算3.1.1

物料衡算的作用3.1.2物料衡算的依据3.1.3物料衡算式3.1.4物料衡算的基本方法3.1.5无化学反应过程的物料衡算3.1.6有化学反应过程的物料衡算33.1物料衡算物料衡算是化工计算中最基本、最重要的内容之一，是能量衡算的基础。设计或研究一个化工过程，或对某生产过程进行分析，需要了解能量的分布情况，都必须在物料衡算的基础上，才能进一步算出物质之间交换的能量以及整个过程的能量分布情况。物料衡算和能量衡算是进行化工工艺设计、过程经济评价、节能分析以及过程最优化的基础。43.1.1物料衡算的作用（两种情况）:一种是对已有的生产设备或装置，利用实际测定的数据，算出另一些不能直接测定的物料量。用此计算结果，对生产情况进行分析、作出判断、提出改进措施。（一般的作业）另一种是设计一种新的设备或装置，根据设计任务，先作物料衡算，求出进出各设备的物料量，然后再作能量衡算，求出设备或过程的热负荷，从而确定设备尺寸及整个工艺流程。（设计）3.1物料衡算53.1.2物料衡算的依据质量守恒定律在一个孤立物系中，不论物质发生任何变化，它的质量始终不变（不包括核反应，因为核反应能量变化非常大，此定律不适用）。质量守恒（不是摩尔守恒、体积守恒）3.1物料衡算63.1.3物料衡算式物料衡算是研究某一个体系内进、出物料量及组成的变化。所谓体系就是物料衡算的范围，它可以根据需要选定。体系可以是一个设备或几个设备，也可以是一个单元操作或整个化工过程。进行物料衡算时，必须首先确定衡算的体系。

3.1物料衡算7对某一个体系，输入体系的物料量应该等于输出物料量与体系内积累量之和。连续过程的物料衡算式一般表示式为：

系统中积累=输入–输出+生成–消耗稳态过程时：

输入=输出–生成+消耗无化学反应的稳态过程：

输入=输出

3.1物料衡算8物料衡算方程的不同形式

总平衡式总质量平衡式总摩尔平衡式组分平衡式 组分质量平衡式 组分摩尔平衡式

元素原子平衡式

元素原子质量平衡式 元素原子摩尔平衡式3.1物料衡算93.1.4物料衡算的基本方法进行物料衡算时，为了能顺利地解题，避免错误，必须掌握解题技巧，按正确的解题方法和步骤进行。这样才能获得准确的计算结果。3.1物料衡算10I.衡算范围

指定的任何空间范围。它可是一个设备、一个单元或整个过程。根据给定的条件画出流程简图（过程示意图或衡算范围）。图中用简单的方框表示过程中的设备，用线条和箭头表示每个流股的途径和流向，并标出每个流股的已知变量（如流量、组成）及单位。对一些未知的变量，可用符号表示。3.1物料衡算11II.衡算对象参加过程的的全部物料料。对无化学反反应的对象象：可选任任一物料对有化学反反应的对象象：选未发发生变化的的物质3.1物料衡算12III.衡衡算基准及及其选择原则上衡算算基准是任任意选择。。但是，衡算算基准选择择得恰当，，可以使计计算简化，，避免错误误。对于不不同化工过过程，采用用什么基准准适宜，需需视具体情情况而定，，不能作硬硬性规定。3.1物料衡算131.应选选择已知变量数数最多的流流股作为衡算基基准。2.液体体或固体的的体系，常常选取单位质量作基准。3.对对连续流动动体系，用用单位时间作计算基准准有时较方方便。4.对于于气体物料料，如果环环境条件（（如温度、、压力）已已定，则可选取体积积作基准。3.1物料衡算根据过程的的特点，选选择衡算基基准时注意意以下几点点：14⑴时间基准连续（小时时，天………）间歇（釜，，批……））⑵质量基准kg，mol，kmol………⑶体积基准m3（STP）），Nm3⑷干湿基准干基（不含含水），湿湿基（含水水）各种衡算基基准3.1物料衡算15IV.物物料衡算的的程序（步步骤）1.搜集计算数数据（物性性参数与操操作参数等等）2.画出物料流流程简图3.确定衡算体体系4.写出化学反反应方程式式，包括主主反应和副反应，，标出有用用的分子量量3.1物料衡算165.选择计计算基准，，并在流程程图上注明明所选的基基准值6.列出物物料衡算式式，然后用用数学方法法求解7.校核计计算结果（（数据归一）8.将计算算结果列成成输入-输输出物料表表（物料平平衡表）（（三线表、表表头名称、、基准）3.1物料衡算17关于物性参参数（数据据）“物性参数数”，又被被称作“物物化数据””或“物性性数据”，是由物料本本身的物理理化学性质质所决定的的。化工基础数数据包括很很多，现将将常用的一一些化工基基础数据大大致归纳成成以下几类类:3.1物料衡算18（1）基本本物性数据据如临界常数数（临界压压力、临界界温度、临临界体积））、密度或或比容、状状态方程参参数、压缩缩系数、蒸蒸气压、气气—液平衡关系系等。（2）热力力学物性数数据如内能、焓焓、熵、热热容、相变变热、自由由能、自由由焓等。（3）化学学反应和热热化学数据据如反应热、、生成热、、燃烧热、、反应速度度常数、活活化能，化化学平衡常常数等。（4）传递递参数如粘度、扩扩散系数、、导热系数数等。3.1物料衡算19数据的获取取：1.查手手册或文献献资料常用物质的的物性数据据可从化学学化工类手手册或专业业性的化工工手册中查查到。（收收集了许多多物质的物物性数据及及图表））化学工程手手册，《化学工程手手册》编辑委员会会，化学工工业出版社社，1980化工工艺设设计手册，，国家医药药管理局上上海医药设设计院编，，化学工业业出版社，，1986化工工艺算算图，吉林林化学工业业公司设计计院等编，，化学工业业出版社，，19823.1物料衡算202.估算可以应用物物理和化学学的一些基基本定律计计算各种物物质的性质质参数。但是，往往由于缺缺乏计算所所需的一些些分子性质质（偶极矩矩、极化率率、原子间间距离等））的数据而而无法计算算，或者即即使知道这这些数据，，计算也很很复杂。因因此，许多多研究人员员做了不少少工作，建建立了理论与经验验相结合的方法，来来计算各种种物质的物物性数据。。这些方法法仅从一个个化合物二二、三种数数据就能估估算出该化化合物的其其他物性数数据来。基团贡献法法3.1物料衡算213.用实实验直接测测定实验直接测测定。以上三种数数据来源，，从手册或或文献中查查得数据最最方便，但但往往有时时数据不够够完整，也也会出现一一些错误。。用一些理理论的、半半经验的和和经验的公公式估算，，也是一种种简便的方方法。当手手册或文献献中无法查查得时，可可以进行估估算。直接接用实验测测定得到的的数据最可可靠，只是是实验比较较费时间又又花钱。但但是，如果果查不到有有关数据，，而用公式式估算得到到的结果精精度又不够够时，则必必须用实验验进行测定定。3.1物料衡算224.计算算机检索近年来，随随着电子计计算机的迅迅速发展，，应用计算算机储存、、检索和推推算物性数数据。一些大型型化工企企业、研研究部门门和高等等院校都都相应建建立了物物性数据据库，以以便于通通过计算算机自动动检索或或估算所所要求的的数据，，而不必必自行查查找或计计算，大大大节省省了时间间和精力力。化工物性数据据库美国，CINDAS(14000)北京化工大学学，大型化工工物性数据库库CEPPDS(3417)3.1物料衡算233.1物料衡算例：丙烷充分燃烧烧时，要供入入的空气量为为理论量的125%，反应式为：C3H8+5O2→3CO2+4H2O问每100摩尔燃烧产物物需要多少摩摩尔空气？解：物料流程简简图如下：由图可知，该该体系共有三三个流股：丙丙烷、空气、、燃烧产物。。从原则上来来说，其中任任一个物料量量均可作为基基准。燃烧过程C3H8空气O2N2123CO2H2OO2N2243.1物料衡算（一）基准：：1molC3H8按照反应式，，完全燃烧需需氧量：5mol实际供氧量：：1.25*5=6.25mol供空气量（空空气中含氧21%（mol））：6.25/0.21=29.76mol其中氮气量：：29.76*0.79=23.51mol物料衡算结果果如下表：输入输出组分摩尔克组分摩尔克C3H8空气中O2N216.2523.5144200658.28CO2H2OO2N2341.2523.511327240658.28总计30.76902.2831.76902.28所以，每100mol燃烧产物（烟道气）所需空气量为：100mol烟道气*（6.25+23.51）mol空气/31.76mol烟道气=93.7mol1molC3H8需要的空气量量：253.1物料衡算（二）基准：：1mol空气按题意供入的的空气量为理理论量的125%，1mol空气中氧量：：0.21mol所以，供燃烧烧C3H8的氧量：0.21/1.25=0.168mol燃烧的C3H8的量：0.168*(1/5)=0.0336mol物料衡算结果果如下表：输入输出组分摩尔克组分摩尔克C3H8空气其中O2N20.0336（1.0）0.210.791.48（28.84）6.7222.12CO2H2OO2N20.1010.1350.0420.794.442.431.3422.12总计1.033630.321.06830.33所以，每100mol燃烧产物（烟道气）所需空气量为：100mol烟道气*1mol空气/1.068mol烟道气=93.6mol26（三）基准：：100mol烟道气3.1物料衡算设：N-烟道气N2，mol；M-烟道气中O2，mol；P-烟道气中CO2，mol；Q-烟道气中H2O，mol；A-入口空气，mol；B-入口C3H8，mol。共有6个未知量，因因此必须列6个独立方程。。按照反应式的的化学计量关关系，还可以以列出另外几几个线性方程程，但是都与与以上六个式式子有关，独独立方程只有有以上六个公公式。列元素平衡：：C平衡：3B=PH2平衡：4B=QO2平衡：0.21A=M+P+Q/2N2平衡：0.79A=N烟道气总量：：M+N+P+Q=100过剩氧量：0.21A*0.25/1.25=M烟道气：氮气，二氧化化碳，水蒸气气，氧气273.1.5无无化学反应应过程的物料料衡算在化工过程中中，只有物理理变化不发生生化学反应的的单元操作如如混合、蒸馏馏、蒸发、干干燥、吸收、、结晶、萃取取等，这些过过程都可以根根据物料衡算算式，直接列出总物物料和各组分分的衡算式，，再用代数法法求解。3.1物料衡算28I.简单过过程的物料衡衡算简单过程是指仅有一个个设备或一个个单元操作的的过程。设备备边界就是体体系边界。1.画出物物料流程简图图。

2.选选择基准。。

3.列列物料衡算式式，求解。4.校核计计算结果。5.将计算算结果列成输输入—输出物料表（（物料平衡表表）。3.1物料衡算293.1物料衡算例：一种废酸，组组成为23%（质量分数））HNO3，57%H2SO4和20%H2O，加入93%的浓H2SO4及90%的浓HNO3，要求混合成成含27%HNO3及60%H2SO4的混合酸，计计算所需废酸酸及加入浓酸酸的数量。解：设x：废酸量，kg；y：浓H2SO4量，kg；z：浓HNO3量，kg。1.画出物料流程程简图303.1物料衡算2.选择基准：可以选择废酸酸或者浓酸的的量为基准，，也可以用混混合酸的量为为基准，因为为四种酸的组组成均已知，，选任何一种种作基准，计计算都很方便便。3.列物料衡算式式：该体系有3种组分，可列列出3个独立方程，，所以能求出出3个未知量。总物料衡算式式：x+y+z=100(1)H2SO4衡算式：0.57x+0.93y=100×0.6=60(2)HNO3衡算式：0.23x+0.90z=100×0.27=27(3)解(1)-(3)方程，得x=41.8kg废酸，y=39kg浓H2SO4，z=19.2kg浓HNO3即由41.8kg废酸，39kg浓H2SO4，19.2kg浓HNO3可以混合成100kg混合酸。根据水平衡，，可以核对以以上结果：加入的水量=41.8××0.2+39×0.07+19.2×0.10=13kg混合后的酸，，含有13%H2O，所以计算结结果正确。以上物料衡算算式，亦可以以选总物料衡衡算式及H2SO4与H2O两个衡算式或或者H2SO4，HNO3，H2O三个组分衡算算式进行计算算，均可以求求得上述结果果31II.有多多个设备过程程的物料衡算算3.1物料衡算对有多个设备备的过程，进进行物料衡算算时，可以划划分多个衡算算体系，此时时，必须选择择恰当的衡算算体系。例：有两个设备的的过程，如下下图所示，可可以划分成三三个衡算体系系：每个衡算体系系均可列出相相应的衡算方方程。若每个个设备的输入入和输出物料料中均含有3个组分，则每每个体系可写写出3+1个衡算方程，，其中有3个是独立方程程。如，体系系A,B,C各有3个独立方程，，每个体系的的3个独立方程成成为一组，共共三组。这样样，具有两个个设备的过程程，共有2+1组衡算方程（（即设备I，II的2组方程和整个个过程的1组方程）。但但是，只有2组方程是独立立的。所以，独立立方程，总数数应该是2×3个，就是最多多能求出6个未知量323.1物料衡算例：有两个蒸馏塔塔的分离装置置，将含有50%苯、30%甲苯和20%（mol%）二甲苯的混混合物分成较较纯的三个馏馏分，其流程程图及各流股股组成如右图图，计算蒸馏馏1000mol/h原料所得各流流股的量及进进塔II物料组成的。。333.1物料衡算343.1.6有有化学反应应过程的物料料衡算有化学反应的的过程，物料料中的组分变变化比较复杂杂。工业上的化学学反应，各反应物的的实际用量，并不等等于化学反应应式中的理论论量。为了使使所需的反应应顺利进行，，或使其中较较昂贵的反应物全部转化，，常常使价格较低廉廉的一些反应应物用量过量量。3.1物料衡算35I.反应转转化率、选择择性及收率等等概念1.限制反应物化学反应原料料不按化学计计量比配料时时，其中以最小化学计量量数存在的反应物称为为限制反应物物。2.过量反应物不按化学计量量比配料的原原料中，某种反应物的的量超过限制制反应物完全全反应所需的的理论量，该反应物称称为过量反应应物。3.过量百分数过量反应物超过限制反应应物所需理论论量的部分占所需需理论量的百百分数。3.1物料衡算364.转化率（x）某一反应物反反应掉的量占占其输入量的的百分数。5.选择性（S）反应物反应成成目的产物所所消耗的量占占反应物反应应掉的量的百百分数。转化率与选择择性是反应过过程的两个主主要技术指标标。6.收率（Y）反应物反应成成目的产物所所消耗的量除除以反应物（（通常指限制制反应物）输输入量，以百百分数表示。。它可以用物物质的量（摩摩尔数）或质质量进行计算算。3.1物料衡算转化率、选择择性与收率三三者之间的关关系:Y=Sx37转化率（x）某一反应物反反应掉的量占占其输入量的的百分数。某反应过程中中，反应物A的转化率：不管是参加正正反应还是副副反应。Attention:分子分母需要要统一，或都都使用质量，，或都使用物物质的量。38收率（Y）反应物反应成成目的产物所所消耗的量除除以反应物（（通常指限制制反应物）输输入量，以百百分数表示。。摩尔收率（Y）以反应物A计的产物C的摩尔收率：：摩尔收率不可可能大于100%，是反映物质质真实的收率率。39质量收率（Y）以反应物A计的产物C的质量收率：：质量收率大于于100%是有可能的，，是直观的收收率。40选择性（S）反应物反应成目的产产物所消耗的的量（质量或或物质的量））占反应物反应掉的量（（质量或物质质的量）的百百分数。目的产物生成量（质量量或物质的量量）占反应物物反应掉的量量理论全部生生成目的产物的量（质量或或物质的量））的百分数。。以反应物A计的产物C的选择性：41例：用邻二甲苯苯气相催化氧氧化生产邻苯苯二甲酸酐（（苯酐）。邻邻二甲苯投料料量为210kg/h，空气4620Hm3/h。反应器出口口物料组成（（mol%）为：苯酐0.654%，顺丁烯二酸酸酐（顺酐））0.066%，邻二甲苯0.03%，氧16.53%，氮气77.75%，其它还有H2O，CO2，CO等。试计算邻邻二甲苯转化化率及苯酐和和顺酐的收率率及选择性3.1物料衡算解：物料流程示意意图423.1物料衡算433.1物料衡算摩尔量之比3.49%3.25%6.45%44例：已知丙烯氧化化法生产丙烯烯醛的一段反反应器，原料料丙烯投料量量为600kg/h，出料中有丙丙烯醛640kg/h，另有未反应应的丙烯25kg/h，试计算原料料丙烯的转化化率、选择性性及丙烯醛的的收率。一段反应器丙烯600kg/h丙烯25kg/h丙烯醛640kg/h解：丙烯氧化生成成丙烯醛的化化学反应方程程式：3.1物料衡算45丙烯的选择性性：丙烯的转化率率：丙烯醛的收率率：3.1物料衡算46II.一般反应过程程的物料衡算算对有化学反应应过程的物料料衡算，由于于各组分在过过程中发生了了化学反应，，因此就不能能简单地列组组分的衡算式式，必须考虑虑化学反应中中生成或消耗耗的量，应该根据化学学反应式，列列衡算方程。对一般的反应应过程，可用用下列几种方方法求解。3.1物料衡算471.直接求解法有些化学反应应过程的物料料衡算，有时时只含一个未未知量或组成成，这类问题题比较简单，，通常可根据化化学反应式直直接求解，不不必列出衡算算式。直接求解法也也称化学计量量法。3.1物料衡算483.1物料衡算例：丙烯、氨及氧氧反应制丙烯烯腈。反应式式如下：原料气组成为为10%（mol%）C3H6，12%NH3，78%空气。丙烯转转化率为30%，求输出物料料组成。解：493.1物料衡算50组分输入输出组成摩尔(kmol)kg组成摩尔(kmol)kgC3H6NH3O2N2C3H3NH2O101278101216.3861.6242020452417256.908.8711.7069.712.958.877911.8361.62392941533801725159162总计100.002873101.528733.1物料衡算51例：苯乙烯的的反应器，，年生产能能力为10000t，年工工作时间为为8000h，苯苯乙烯收率率为40%，以反应应物乙苯计计的苯乙烯烯选择性为为90%，，苯选择性性为3%，，甲苯选择择性为5%，焦油选选择性为2%。原料料乙苯中含含甲苯2%（质量分分数），反反应时通入入水蒸气提提供部分热热量并降低低乙苯分压压，乙苯原原料和水蒸蒸气比为1:1.5（质量比比），要求求对该反应应器进行物物料衡算，，即计算进进出反应器器各物料的的流量。反应器C6H5C2H5C6H5CH3(2%)、H2OC6H5C2H5、C6H6、C6H5CH3H2O、CH4、C2H4、C、H23.1物料衡算52解：反应器中发发生了以下下化学反应应：C6H5C2H5C6H5C2H3+H2（1）C6H5C2H5+H2C6H5CH3+CH4（2）C6H5C2H5C2H4+C6H6（3）C6H5C2H57C+3H2+CH4（4）各物料的摩摩尔质量汇汇总列于表表3-1。。3.1物料衡算53物料C6H5C2H5C6H5C2H3C6H6C6H5CH3H2OCH4C2H4CH2摩尔质量/(g/mol)1061047892181628122表3-1各物料的摩摩尔质量（（基准：1000kg/h乙苯原料））3.1物料衡算54进反应器纯纯乙苯量1000kg/h××98%=980kg/h，，即为9.245kmol/h原料中甲苯苯量1000kg/h××2%=20kg/h，，即为0.217kmol/h水蒸气量980kg/h××1.5=1470kg/h，即为81.667kmol/h乙苯的转化化率为0.4/0.9=0.4444参加反应的的总乙苯量量980kg/h×0.4444=435.11kg/h，，即为4.109kmol/h3.1物料衡算55产物中各组组分情况如如下：未反应的乙乙苯量（980-435.11）kg/h=544.89kg/h，即为5.140kmol/h由苯乙烯选选择性，生成苯乙乙烯量4.109kmol/h××90%=3.698kmol/h，即为384.60kg/h由各物质的的选择性：：输出的甲苯苯量4.109kmol/h××5%+0.217kmol/h=0.423kmol/h，即为38.92kg/h生成的苯量量4.109kmol/h××3%=0.123kmol/h，即为9.60kg/h生成的乙烯烯量4.109kmol/h××3%=0.123kmol/h，即为3.44kg/h生成的碳量量4.109kmol/h××2%×7=0.575kmol/h，即为6.9kg/h生成的甲烷烷量4.109kmol/h××（5%+2%）=0.288kmol/h，即为4.61kg/h输出的氢量量4.109kmol/h××（90%-5%+2%×3）=3.739kmol/h，即为7.48kg/h输出水量=输入水量（（不参与反反应）1470kg/h，即为81.667kmol/h实际每小时时要求苯乙乙烯的产量量10000×1000kg/8000h=1250kg/h比例系数1250/384.60=3.253.1物料衡算56乙苯脱氢反反应器物料料衡算表组分输入输出摩尔流量/(kmol/h)质量流量/(kg/h)摩尔流量/(kmol/h)质量流量/(kg/h)C6H5C2H530.046318516.7051770.89C6H5CH30.705651.375126.49H2O265.4184777.5265.4184777.5C6H5C2H312.0191249.95C6H60.00431.20C2H40.00411.18CH40.93614.98C1.86922.43H212.15224.31合计296.1698027.5310.4828028.933.1物料衡算572.元素素衡算法元素衡算是是物料衡算算的一种重重要形式。。在作这类类衡算时，，并不需要考考虑具体的的化学反应应，而是按按照元素种种类被转化化及重新组组合的概念念，表示为：输输入（某某种元素））=输出（同种种元素）对反应过程程中化学反反应很复杂杂，无法用用一、两个个反应式表表示的物料料衡算时，，可以列出出元素衡算算式，用代数法求解。3.1物料衡算583.1物料衡算例：甲烷、乙乙烷与水蒸蒸气用镍催催化剂进行行转化反应应，生产氢氢气，反应应器出口气气体组成（（干基）为为：组分CH4C2H6COCO2H2mol%4.62.518.64.669.7假定原料中中只含有CH4和C2H6两种碳氢化化合物，则则求这两种种气体的摩摩尔比为多多少？每1000标米3原料气，需需要多少千千克蒸汽参参加反应？？干基就是以以单位质量的的干空气或或干气体为基准表示示的湿空气气或湿气体体的性质。。593.1物料衡算解：60例：将碳酸钠钠溶液加入入石灰进行行苛化，已已知碳酸钠钠溶液组成成为NaOH0.59%（（质量分分数），Na2CO314.88%，H2O84.53%，，反应后的的苛化液含含CaCO313.48%，Ca(OH)20.28%，Na2CO30.61%，NaOH10.36%，H2O75.27%。。计算：1）每100kg苛化液需需加石灰的的质量及石石灰的组成成；2）每每100kg苛化化液需用碳碳酸钠溶液液的质量。。3.1物料衡算解:设碳酸钠溶溶液的质量量为F（kg）石灰的质量量为W（kg）石灰中CaCO3、CaO及Ca(OH)2的质量分别别设为x、y和z，则石灰中中各物质的的组成可表表示为：x/W，y/W，z/W基准：100kg苛化液61苛化反应器FNaOH0.59%Na2CO314.88%H2O84.53%CaCO313.48%Ca(OH)20.28%Na2CO30.61%NaOH10.36%H2O75.27%CaCO3

x/WCaOy/WCa(OH)2

z/W画出物料流流程示意图图3.1物料衡算62各种物料质质量和物质质的量Na2CO3溶液苛化钠溶液物料摩尔质量（g/mol）质量（kg）物质的量（kmol）物料摩尔质量（g/mol）质量（kg）物质的量（kmol）NaOH400.59%F0.000148FNaOH4010.360.2590Na2CO310614.88%F0.001404FNa2CO31060.610.00575H2O1884.53%F0.04696FH2O1875.274.18Ca(OH)2740.280.00377CaCO310013.480.13473.1物料衡算以质量计转转化为以物物质的量计计，来进行行元素守恒恒计算63列元素平衡衡式Na平衡：：0.000148F+0.001404F×2=（0.00575×2+0.2590））kmolC平衡：Ca平衡：：总物料平衡衡：F+W=100kg/mol石灰总量等等于各物质质质量之和和：W=x+y+z3.1物料衡算64计算结果汇汇总组分输入输出物质的量/kmol质量/kg物质的量/kmol质量/kgNaOH0.01350.540.259010.35Na2CO30.128513.620.005750.61H2O4.297377.354.18275.27CaCO30.0121.20.13713.48CaO0.0156.44Ca(OH)20.01160.860.003770.28合计296.1691004.58751003.1物料衡算653.“联系系组分”法法“联系组分分”是指随随物料输入入体系，但但完全不参加加反应，又随物料料从体系输输出的组分分，在整个个反应过程程中，它的的数量不变变。如果体系中中存在联系系组分，那那么输入物料和和输出物料料之间就可可以根据联联系组分的的含量进行行关联。用联系组分分作衡算，，尤其是对含含未知量较较多的物料料衡算，可以使计计算简化。。选择联系组组分时，如如果体系中中存在数种种联系组分分，那么，，此时就要要选择一个个适宜的联联系组分，，或联合采采用以减小小误差。但但是，应该注意，，当某个联联系组分数数量很小，，而且此组组分的分析析相对误差差又较大时时，则不宜宜采用。3.1物料衡算663.1物料衡算解：例：甲烷与氢混混合气在炉炉子里用空空气完全燃烧，烟道道气分析为为N272.22%，CO28.13%，O22.49%，H2O17.16%(mol%)，问（1）燃料中氢氢气与甲烷烷的比例多多少？（2）燃料（H2+CH4）对空气的的比例多少少？673.1物料衡算68例：试计算年产产16000吨福福尔马林（（甲醛溶液液）所需的的工业甲醇醇原料消耗耗量，并求求甲醇转化化率和甲醛醛收率。已已知条件：：⒈氧化剂为空空气，用银银催化剂固固定床气相相氧化；⒉过程损失为为甲醛总量量的2%（（质量），，年开工8000小小时；⒊有关数据：：工业甲醇组组成（质量）：CH3OH98%，H2O2%，，反应尾气组组成（体积）：CH40.8%，，O20.5%，，N273.7%，CO24.0%，，H221%福尔马林组组成（质量）：HCHO36.22%，CH3OH7.9%，H2O55.82%3.1物料衡算69工业甲醇空气水尾气反应气体福尔马林吸收塔主反应CH3OH+1/2O2HCHO+H2O（（1）CH3OHHCHO+H2（2）副反应CH3OH+3/2O2CO2+2H2O（（3）CH3OH+H2CH4+2H2O（（4）3.1物料衡算反应器70①反应消耗氧氧量取取尾气100Nm3为计算基准准，氮作为为联系物其中氧量：：换算为摩尔尔数：反应耗氧量量：3.1物料衡算Nm3：是指在0摄氏度1个标准大气压压下的气体体体积。71②甲醇消耗量量反应（3））消耗甲醇醇量为反应（4））消耗甲醇醇量为反应（2））生成的氢氢，部分消消耗于反应应（4），，现尾气中中H2=21%，，氢氢摩摩尔数数为为则反反应应（（2））消消耗耗甲甲醇醇量量为为973.5+35.7=1009.2mol反应应（（1）消消耗耗甲甲醇醇量量为为（852.7-178.6*3/2）*2=1169.6mol每生生成成100Nm3尾气气时时消消耗耗甲甲醇醇量量为为178.6+35.7+1009.2+1169.6=2393.1mol2393.1mol××32=76.6kg3.1物料衡算③计算算甲甲醇醇总总消消耗耗量量每消消耗耗2393.1mol甲醇醇生生成成甲甲醛醛的的量量为为1169.6+1009.2=2178.8mol2178.8××30=65.36kg机械械损损失失为为2%，，实实得得：65.36××0.98=64.1kg得工工业业福福尔尔马马林林：72其中中含含未未反反应应的的甲甲醇醇：：177××7.9%=13.98kg每生生成成177kg福尔尔马马林林共共消消耗耗工工业业甲甲醇醇：由此此得得甲甲醇醇转转化化率率甲醛醛的的质质量量收收率率3.1物料衡算73④每小小时时福福尔尔马马林林产产量量工业甲醇醇年消耗耗量：所需空气气量：3.1物料衡算74⑤用水量计计算工业福尔尔马林含含水177××0.558=98.8kg工业甲醇醇含水92×0.02=1.84kg由反应生生成的水水为按反应（（1）生生成1169.6mol按反应（（3）生生成178.6×2=357mol按反应（（4）生生成35.7mol共计生成成水1169.6+357+35.7=1562.1mol为制取177kg福尔马林林须补充充水：98.8-1.84-28.1=68.86kg按产量为为2t/h须补充水水量为：2000/177×68.86=778kg/h3.1物料衡算75吸收塔工业甲醇（质量）1039kgCH3OH98%1018.2kgH2O2%20.8kg空气1054Nm3O2221.3N2832.7

尾气%（V）1356Nm3CH40.810.8O20.56.8N273.7999.4CO24.054.2H221.0284.8甲醛损失14.5kg反应器补充水778kg

HCHO738.9kgCH3OH158.0H2O345.6CH410.8O26.8N2999.4CO254.2H2284.8福尔马林（质量）2000kgHCHO36.22%724.4CH3OH7.9%158.0H2O55.88%1117.6物料平衡衡流程图图3.1物料衡算764.平平衡常数数法对有平衡衡反应过过程的物物料衡算算，除了了需要建建立物料料或元素素衡算以以外，还还需要利利用反应应的平衡衡关系计计算产物物的平衡衡组成。对反应aA+bB=cC+dD平衡时，，其平衡衡常数为为：3.1物料衡算773.1物料衡算例：在接触法法硫酸生生产中，，SO2被氧化成成SO3，反应式式为：氧化过程程的温度度为570℃，压力力为1.1大气压。。输入气气体的组组成为：：SO28%(mol%)，O29%，N283%。计算达达到平衡衡时的转转化率及及平衡组组成(已知570℃的平衡衡常数Kr为14.9)783.1物料衡算SO2793.1物料衡算SO3O2803.1物物料衡衡算3.1物料衡算813.1物料衡算82例：试计算合合成甲醇醇过程中中反应混混合物的的平衡组组成。设设原料气气中H2与CO摩摩尔比为为4.5，惰性性组分(I)含含量为13.8%，压压力为30MPa，，温度为为365℃，平平衡常数数=2.505×10-3MPa-2。设进料为为1mol，，其组成成为：I=0.138mol;H2=(1-0.138)4.5/5.5=0.7053mol;CO=(1-0.138)/5.5=0.1567mol;3.1物料衡算基准：1mol原料料气写出化学学反应平平衡方程程式：设转化率率为x，则出口口气体组组成为：：CO：0.1567（1-x）；H2：0.7053-2×0.1567x；CH3OH：0.1567x；I：0.138；Σ:1-0.3134xCO+2H2→CH3OH83计算出口口气体各各组分的的分压：：将上式代代入平衡衡平常表表达式：：平衡时出出口气体体中各组组成的摩尔分率率为：CO：0.0948，H2：0.6521，CH3OH：0.0902，I：0.1629；3.1物料衡算84III.复杂杂过程的的物料衡衡算复杂过程程不是指指过程或或设备多多而是具有循环环、排放放及旁路路的过程。。在化工过过程中具具有循环环、排放放及旁路路的过程程的物料料衡算与与以上介介绍的方方法相类类似，只只是需要要先根据据已知的的条件及及所求的的未知量量选择合合适的衡衡算体系系，列出出一般过过程物料料衡算式式再加上上结点关关系求解解。3.1物料衡算85复杂过程程的物料料衡算方方法（1）试试差法估计循环环流量，，并继续续计算至至循环回回流的那那一点。。将估计计值与计计算值进进行比较较，并重重新假定定一个估估计值，，一直计计算到估估计值与与计算值值之差在在一定的的误差范范围内。。（2）代代数法列出物料料平衡方方程式，，并求解解。一般方程程式中以以循环量量作为未未知数，，应用联联立方程程的方法法进行求求解。3.1物料衡算863.1物料衡算循环过程程的物料料衡算在化工生生产中，，有一些些反应过过程每次次经反应应器后的的转化率率不高，，有的甚甚至很低低。乙烯氧化化制环氧氧乙烷的的过程，，乙烯的的单程转转化率（（即原料料一次通通过反应应器的转转化率））约30%左右；由氢、氮氮合成氨氨的单程程转化率率一般只只有20%左右；而乙烯直直接水合合制乙醇醇的过程程，乙烯烯的单程程转化率率只有4-5%。因此，在反应器器出口的的产物中中有大量量原料未未反应，，为提高高原料的的利用率率，把这这部分未未反应的的原料从从反应产产物中分分离出来来，然后后把它循循环返回回反应器器，与新新鲜原料料一起再再进行反反应。此此过程即即为循环环过程。。873.1物料衡算某些无化化学反应应过程，，如蒸发发结晶过过程、精精馏过程程等，为了提高高原料利利用率或或为保证证产品质质量、改改善经济济指标，也有采采用循环环过程的的。上图中，，进反应应器（或或无化学学反应的的过程））的物料料MF是由新鲜鲜原料F与循环物物料R混合而成成，从反反应器出出来的产产物RP经分离器器分成产产品P和循环物物料R。有循环的的过程，，转化率率常分为为单程转转化率与与总转化化率：88具有循环环及排放放过程的的物料衡衡算3.1物料衡算循环过程程在稳定定状态下下操作时时，物料料的质量量既不积积累也不不消失，，各流股股的组分分恒定。。但是，，如果原原料中含含有不反反应的杂杂质或惰惰性物质质，经长长时间的的循环会会使其浓浓度逐渐渐增加，，因此就就必须把把一部分分循环物物料不断断地排放放掉，以以维持进进料中杂杂质的含含量不再再增大。。上图为具具有循环环及排放放过程的的物料流流程图。。图中W为排放物物料，即即从分离离器出来来的分离离产物S分为两部部分，一一部分为为排放物物料W，另一部部分为循循环物料料R。R/W(或R/F，R/MF)称为循环环比，是是循环过过程的一一个重要要参数。。893.1物料衡算上图包括括以下几几个衡算算体系，，用虚线线表示。。每个衡算算体系各各物料之之间的关关系为：：总物料衡衡算：F=P+W反应器物物料衡算算：MF=RP分离器物物料衡算算：RP=S+P结点A物料衡算算：F+R=MF结点B物料衡算算：S=R+WF和R的组成是是不相同同的，而而S、R和W各物料的的组成则则是相同同的。通常对有有循环过过程的物物料衡算算，若已已知总转转化率，，可以先先做总物物料衡算算，若已已知单程程转化率率，则可可以先从从反应器器衡算做做起。903.1物料衡算具有旁路过过程的物料料衡算具有旁路的的过程，就就是把一部部分物料绕绕过一个或或多个设备备，直接与与另一流股股物料相混混，流程如如下图。这这类过程的的物料衡算算与循环过过程的物料料衡算相类类似，计算算时应注意意结点平衡衡。913.1物料衡算例：丙烷在催催化反应器器中脱氢生生成丙烯，，其反应式式为：丙烷的总转转化率为95%。反应生成成物经分离离器分成产产物P和循环物料料R。产物中含含有C3H8、C3H6及H2，其中C3H8量为未反应应C3H8的0.555%。循环物料料中含有C3H8和C3H6，其中C3H6量是产物中中C3H6量的5%。计算产品品组成、循循环物料组组成和单程程转化率。。解：923.1物料衡算基准：新鲜原料料100kmol/hC3H8933.1物料衡算94例：苯乙烯制取取过程如下下图所示，，先由乙烯烯与苯反应应生成乙苯苯，然后将将乙苯脱氢氢制取苯乙乙烯：C2H4+C6H6C6H5C2H5C6H5C2H5C6H5C2H3+H2乙苯反应是是在560K、600kPa，在催催化剂作用用下，乙烯烯与苯的摩摩尔比为1:5进行行气相合成成的。副反反应生成的的多乙基苯苯在乙苯精精馏塔中分分离出来。。乙烯的转转化率为100%。。乙苯脱氢氢反应在850K，乙苯的的单程转化化率为60%，苯乙乙烯的选择择性为90%。3.1物料衡算95反应中，副副反应生成成的物质与与苯乙烯质质量之比：：苯与甲苯苯为7%，，胶状物质质为2%，，废气为7%。乙苯苯脱氢反应应为吸热反反应，为提提供反应过过程中的反反应热，同同时抑制副副反应，在在反应中直直接加入过过热蒸汽。。反应后未未反应的乙乙苯分离后后循环返回回乙苯脱氢氢装置。假假定进料的的乙烯量为为100kmol，试计算算：①从苯塔中回回收循环至至烷基化反反应器的苯苯量（kmol）；；②从乙苯塔中中回收循环环至乙苯脱脱氢装置的的乙苯（kmol））；③乙苯塔塔塔顶和塔底底的馏出量量（kg））；④年产50000t苯乙烯，，乙苯脱氢氢装置的物物料衡算。。3.1物料衡算96苯乙烯制取取过程烷基化苯，甲苯塔苯塔乙苯塔乙苯塔苯乙烯乙苯脱氢乙烯多烷基苯苯，甲苯苯乙烯苯重物质R1R23.1物料衡算97解基准:100kmol乙烯⒈烷基化反应应设苯的循环环量为R1100/(100+R1)=1/5；R1=400kmol⒉设乙苯的循循环量为R2(100+R2)×0.4=R2R2=66.67kmol⒊生成苯乙烯烯（S）S=(100+66.67)××0.6××0.9=90kmol=9378kg苯，甲苯为为9378×0.07=656.5kg废气气为为9378××0.07=656.5kg胶状状物物质质为为9378××0.02=187.6kg未反反应应的的乙乙苯苯为为(100+66.67)××（（1-0.6））=66.67kmol=7080.4kg馏出出液液（（乙乙苯苯））为为7080.4kg釜底底液液（（苯苯乙乙烯烯+胶胶状状物物质质））为为9378.0+187.6=9565.6kg3.1物料衡算98⒋进料料乙乙苯苯为50000××100××106.2/9378.0=56621t未反反应应的的乙乙苯苯=循循环环乙乙苯苯为为50000××（（7080.4/9378.0））=37750t苯，，甲甲苯苯为50000××（（656.5/9378.0））=3500t废气气为3500t胶状状物物质质为50000××（（187.6/9378.0））=1000t反应应器器应应供供给给的的过过热热水水蒸蒸气气=50000+37750+3500+3500+1000-56621-37750=1379t3.1物料衡算99输入输出原料t生成物t乙苯56621苯乙烯50000循环乙苯37750未反应乙苯37750过热水蒸气1379苯，甲苯3500废气3500胶状物质1000Σ95750Σ95750乙苯苯脱脱氢氢装装置置的的物物料料衡衡算算（（苯苯乙乙烯烯50000t）3.1物料衡算1003.2能能量量衡衡算算3.2.1能能量量衡衡算算的的依依据据3.2.2能能量量衡衡算算方方程程式式3.2.3能能量量衡衡算算101在化化工工生生产产中中，，能量量的的消消耗耗是一一项项重重要要的的技技术术经经济济指指标标，，它它是是衡衡量量工工艺艺过过程程、、设设备备设设计计、、操操作作制制度度是是否否先先进进合合理理的的主主要要指指标标之之一一。。能量量衡衡算算的的基础础是是物物料料衡衡算算，只只有有在在进进行行完完备备的的物物料料衡衡算算后后才才能能作作出出能能量量衡衡算算。。3.2能量衡算1023.2能量衡算在化化工工生生产产中中，，需要要通通过过能能量量衡衡算算解解决决的的问问题题：：确定定物物料料输输送送机机械械和和其其它它操操作作机机械械所所需需功率率；确定定各各单单元元过过程程所所需需热量量或或者者冷冷量量及其其传递递速速率率；化学学反反应应所所需需的的放热热速速率率和供热热速速率率；做好好余热热综综合合利利用用；最终终确确定定总需需求求能能量量和和能能量量的的费费用用。103能量量衡衡算算的的分分类类一种种是是先先对对使使用用中中的的装装置置或或设设备备，，实实际际测测定定一一些些能能量量，，通通过过衡衡算算计计算算出出另另外外一一些些难难以以直直接接测测定定的的能能量量，，由由此此作作出出能能量量方方面面的的评评价价，，即即由由装装置置或或设设备备进进出出口口物物料料的的量量和和温温度度，，以以及及其其它它各各项项能能量量，，求求出出装装置置或或设设备备的的能能量量利利用用情情况况；；另一种种是在在设计计新装装置或或设备备时，，根据据已知知的或或可设设定的的物料料量求求得未未知的的物料料量或或温度度，和和需要要加入入或移移出的的热量量。3.2能量衡算1043.2.1能能量衡衡算的的依据据能量守守恒定定律输入能能量+生成能能量=消耗能能量+积累能能量+输出能能量3.2能量衡算105I.封闭体体系的的能量量衡算算方程程封闭体体系特特点：：与环环境只只有能能量交交换，，没有有物质质交换换。ΔE=ΔEk+ΔEp+ΔU=Q+W如间歇歇过程程，体体系物物质的的动能、、位能能无变化化，则则：△U=Q+W若体系系与环环境没没有功功的交交换，，则：：△U=Q3.2能量衡算3.2.2能能量衡衡算方方程式式106II.连连续稳稳态流流动过过程的能量量衡算算—物料连连续通通过边边界进进出[能量量输入入速率率]-[能能量输输出速速率]=[能量量积累累速率率]3.2能量衡算ΔEk+ΔEp+ΔH=Q+W107在实际际中，，上式式视不不同情情况而而有不不同的的形式式：1）绝热热过程程Q=0，动、、位能能差可可忽略略△H=W即用焓焓差计计算环环境向向体系系作功功2）无作作功过过程（多数数化工工操作作过程程）W=0，动、、位能能差可可忽略略△H=Q3）无功功、热热传递递过程程Q=0，W=0，动、、位能能差可可忽略略△H=0（焓平平衡））3.2能量衡算1083.2.3能能量衡衡算总能量量衡算算在化化工计计算时时分热量衡衡算和机械能能衡算算。1.对对有有些化化工过过程如如流体流流动过过程，此时时传热热量的的变化化较其其他小小，次次要。。故能量衡衡算变变为机机械能能衡算算。化工工原理理中的的流体体流动动-柏柏努力力方程程。3.2能量衡算1092.更更多多化工工过程程中如如反应应器、、蒸馏馏塔、、蒸发发器、、换热热器等等中，，功、、动能能、位位能变变化较较之传传热、、内能能和焓焓的变变化，，是可可以忽忽略。。此时时（无无外功功W=0））能量衡衡算简简化为为热量量衡算算。Q=△H=H2－H1(敞开体体系)或Q=△△U=U2－U1(封闭体体系)由于实实际应应用时时，进进出设设备的的物料料不止止一个个，因因此：：Q=∑Hi－∑Hk3.2能量衡算110I.热热量量衡算算式（（化工工中的的能量量衡算算）一般化化工过过程的的能量量衡算算指热量衡衡算（无外外功W=0））：Q=△H=H2－H1（敞开开体系系）Q=∑Hi－∑Hk3.2能量衡算111II.热量衡衡算的的基本本方法法和步步骤①建立以以单位位时间间为基基准的的物料料流程程图（（或平平衡表表）。。也可以以100mol或100kmol原料为为基准准，但但前者者更常常用。。②在物料料流程程框图图上标标明已已知温温度、、压力力、相相态等等条件件，并查查出或或计算算出每每个物物料组组分的的焓值值，在在图上上注明明。3.2能量衡算112③选定计计算基基准（（温度度和相相态））。这是是人为为选定定的计计算基基准，，即输输入体体系的的热量量和由由体系系输出出的热热量应应该有有同一一的比比较基基准，，可选选0℃（273K）、25℃℃（298K）或其其它温温度作作为基基准温温度。。由于于手册册、文文献上上查到到的热热力学学数据据大多多是298K时的数数据，，故选选298K为基准准温度度，计计算比比较方方便。。同时时相态态的确确定也也是很很重要要的.④列出热热量衡衡算式式，然后后用数数学方方法求求解未未知值值。⑤当生生产过过程及及物料料组成成较复复杂时时，可可以列出热热量衡衡算表表。3.2能量衡算1133.2能量衡算例：两股不不同温温度的的水用用锅炉炉进水水，它它们的的流量量及温温度为为：A：120kg/min，30℃B：175kg/min，65℃锅炉压压力，，17atm（绝压压）出口蒸蒸汽通通过内内径为为6cm的管子子离开开锅炉炉。如如产生生的蒸蒸汽是是锅炉炉压力力下的的饱和和蒸汽汽，计计算每每分钟钟要供供应锅锅炉多多少千千焦的的热量量。忽忽略进进口的的动能能。解：1143.2能量衡算作水的的物料料衡算算，可知知产生生的蒸蒸汽流流量应应为295kg/min。确定各各流股股的比比焓，由水水蒸气气表查查得30℃、65℃液态态水及及17atm时的饱饱和水水蒸汽汽的焓焓。查查得的的数据据已填填入流流程图图中。。写出能能量衡衡算方方程并并求解解，对于于这样样一个个敞开开体系系来说说Q+W=△H+△Ek+△Er由于没没有运运动的的部件件，W=0，由于于没有有高度度上大大的差差别，，△Er