第三章物料衡算和能量衡算物料

化工设计第三章物料衡算与能量衡算Chart3MaterielBalanceandEnergyBalance一、化工过程所谓化工过程，是指由原料经化学处理和物理处理加工成化学产品或中间产品的生产过程。它包括许多工序，每个工序又由若干个或若干组设备（如反应器、蒸馏塔、吸收塔、干燥塔，分离器、换热器及输送设备等等）组合而成。物料通过各设备时，完成某种化学或物理处理，最终成为合格的产品。应用守恒定律来研究化工过程的物料衡算和能量衡算问题。在不同的生产过程中，有一些具有共性的物理操作，它们不改变物料的化学性质，只改变物料的物理性质，这类操作被称为单元操作，如流体输送、传热、蒸馏、干燥、蒸发、结晶、萃取、吸收、吸附、过滤及破碎等操作。化工过程中还包括一些改变物料的化学性质的反应过程，如氢与氮合成氨反应、乙烯氧化成环氧乙烷反应等等。化工过程就是由反应过程和若干个单元操作组合而成的一个系统。

化工过程的类型根据其操作方式分间歇操作原料一次加入→过程→产品一次排出连续操作原料连续加入→过程→产品连续排出半连续操作原料一次加入→过程→产品连续排出或原料连续加入→过程→产品一次排出根据操作状态分稳定状态操作（定态操作）过程参数=f(x、y、z)不稳定状态操作（非定态操作）过程参数=f(x、y、z、t)化工过程基本参数过程参数：生产过程中影响过程运行和状态的物理量。一）温度表示物体冷热程度的物理量。温标。

1、摄氏温标，℃水的正常冰点：0℃

水的正常沸点：100℃

其间均分100等份其单位为℃

2、开尔文温标，K（又叫热力学温度，热力学温标）单位是“开尔文”，英文是“Kelvin”简称“开”，国际代号“K”。开尔文是为了纪念英国物理学家LordKelvin而命名的。以绝对零度（0K）为最低温度，规定水的三相点的温度为273.16K，开定义为水三相点热力学温度的1/273.15。3华氏温标,℉

水盐混合物的温度：0℉；健康人的血液温度：96℉

水的正常冰点：32℉；水的正常沸点：212℉

其间均分180等份其单位为℉4、兰金温标，°R

与开氏温标相似，也是以最低理论温度为0度的一种绝对温标。其0度为-459.67℉（-460℉）。四种温度的关系：二）压力(压强）三）流量四）组成3.1物料衡算3.2能量衡算3.3化工模拟软件在化工设计中的应用本章要求掌握非反应过程的物料衡算及反应过程的物料衡算；掌握装置的物料衡算；掌握以反应热效应为基础的计算方法，以及以生成热为基础的计算方法。本章重、难点：物料衡算及热量衡算。物料、能量衡算

在化工技术中的作用物料、能量衡算是所有设计计算的基础，是反应器和设备设计的根据，也是过程、设备各系统经济核算和最优化的依据。一般来说，在设计一个生产系统，或者计算某个单元操作及设备时，首先必须作物料、能量衡算。物料料、、能能量量衡衡算算的的目的的和和内内容容在于于定定量量研研究究生生产产过过程程，，为过过程程设设计计和和操操作作最最佳佳化化提提供供依依据据。。对过过程程中中的的各各个个设设备备和和工工序序，，逐逐个个计计算算各各物物料料的的流流量量、、组组成成及及热热流流量量和和温温度度，，定量量地地表表示示所所研研究究的的对对象象。。物料料、、能能量量衡衡算算的的意义义①计算算生生产产过过程程的的原材材料料消消耗耗指指标标、、能能耗耗定定额额和和产产品品产产率率等等。。②根根据据物物料料衡衡算算和和能能量量衡衡算算数数据据和和设设备备恰恰当当的的生生产产强强度度，，可可以以设计计或或选选择择设设备备的的类类型型、、台台数数及及尺尺寸寸。。物料料衡衡算算和和能能量量衡衡算算是是设设备备计计算算的的依依据据。。③作物物料料衡衡算算可可以以检查查各物物料料的的计计量量、、分分析析测测定定数数据据是是否否正正确确；；检查查生产产运运行行是是否否正正常常。。④作作系系统统各各设设备备及及管管路路的的物物料料衡衡算算时时，，可可以以检查查出生生产产上上的的薄薄弱弱环环节节或或限限制制部部位位。。从从而而找找出出相相应应的的强强化化措措施施。。⑤物料料衡衡算算和和能能量量衡衡算算是是传统统最最优优化化和和经经济济核核算算的的基基础础。。⑥物物料料衡衡算算和和能能量量衡衡算算的的方方程程往往往往用于于求求取取生生产产过过程程中中的的某某些些未未知知量量或或操操作作条条件件。。3.1物料料衡衡算算物料料衡衡算算—运用用质质量量守恒恒定定律律，，对对化化工工过过程程或或设设备备进进行行定定量量计计算算。。通过过物物料料衡衡算算解解决决以以下下问问题题：：计算算原原料料消消耗耗量量、、副副产产品品量量；；输出出过过程程物物料料的的损损耗耗量量及及三三废废的的生生成成量量；；在物料衡算基基础做能量衡衡算，计算蒸蒸汽、水、电电、煤或其他他燃料的消耗定额。计算产品的技技术经济指标标。为生产设备和和辅助设备的的选型及设计计、管路设施施与公用工程程的设计等方面提供供依据。一、物料衡算算依据1.理论依据——质量守恒定律律物料衡算范围单元操作的物物料衡算——化工设备设计计的前提化工过程的物物料衡算——化工过程设计计的前提物料衡算的一一般表达式为为：输入量－输出出量＋生成量量－消耗量＝＝积累量对稳定操作过过程，积累量量=0输入量-输出量+生成量-消耗量=0对无化学反应应的过程：输入量－输出出量＝积累量量对无化学反应应的稳定操作作过程：输入量＝输出出量对有化学反应应的过程：总物料衡算算+元素衡算式2.数据基础(1)技术方案、操操作方法、生生产能力、年年工作时。(2)建设单位或研研究单位的要求、设计参数、、小试及中试试数据：化工单元过程程的化学反应式、原料配比、、转化率、选选择率、总收收率，催化剂状状态、用量、、回收方法、、安全性能等等；原料及产品的的分离方式，分离剂的用用量，各步的的回收率；特殊化学品的的物性：沸点、熔点点、饱和蒸汽汽压、闪点等等。(3)工艺流程示意意图。二、物料衡算算基准物料衡算时须须选择计算基准准，并在计算过过程中保持一致。一般计算过程程的基准有以以下几种：(1)时间基准——对连续生产过过程，常以单单位时间(如d、h、s）的投料量或产品量为为计算基准。。(2)批量基准——以每批操作或或一釜料的生产周期期为基准。(3)质量基准——当系统介质为为液、固相时，选择择一定质量的的原料或产品作为计算基基准较适合。。(4)物质的量基准准：对于有化学反反应的过程因因化学反应的的按摩尔进行行的，用物质的的量基准更方方便。(5)标准体积基准准：对气体物料进进行衡算，可可采用标准体体积基准，Nm3(STP)，既排除T、p的影响，又可可直接换算为为摩尔。(6)干湿基准：由于物料中均均含有一定量量的水分，选选用基准时就就有算不算水分的问题题。湿基计算算水分，干基基不计算水分分。实际计算时，，必须根据具具体情况选择择合适的基准准，过程的物料衡算及能量衡算算应在同一基基准上进行。三、物料衡算算的基本程序序(1)确定衡算对象和范范围，画出计算对对象的草图。。注意物料种种类和走向，明确输入入和输出。(2)确定计算任务，明确已知项项、待求项，，选择数学公公式，力求使使计算方法简化。(3)确定过程所涉及的组分，并对所有组组分依次编号号。(4)对物流流的流股进进行编编号，并标标注物物流变变量。。(5)收集数数据资资料（设计计任务务所规规定已已知条条件，，与过过程有有关物物理化化学参参数）：：生产规规模（设计计任务务所规规定，，t/年）和和生产时时间（指全全年有有效生生产天数数300~330天/年，计计约8000h）。有有关定定额的技技术指指标，通常常指产产品单单耗、、配料料比、、循环环比、、固液液比、气气液比比、回回流比比、利利用率率、单单程收收率、、回收收率等等等。。原辅材材料、、产品品、中中间产产品的规格格；与过程程有关关有物物理化化学参参数，，如临临界参参数、、密度度或比比体积积、状状态方方程参数数、蒸蒸汽压压、气气液平平衡常常数或或平衡衡关系系等。。(6)列出过过程全全部独独立物物料平平衡方方程式式及其其相关关约束束式，对有有化学学反应应的还还要写写出化化学反反应方方程式式，指指出其其转化化率和和选择择性。。(7)选择计计算基基准；；(8)统计变变量个个数与与方程程个数数，确确定设设计变变量个个数及及全部部设计计变量量。(9)整理并并校核核计算算结果果，并并根据据需要要换算算基准准，最最后列列成表表格即即物流表表。(10)绘制物物料流流程图图，编编写物物流表表作为为设计计文件件成果果编入入正式式设计计文件。。识别问问题的的类型型绘制工工艺过过程示示意图图选择计计算基基准建立物物料衡衡算方方程式式并进进行未未知量量的求求解列出物物料衡衡算表表。化工过过程的的主要效效率指指标生产能能力和和生产产强度度⑴生产能能力指一个个设备备、一一套装装置或或一个个工厂厂在单单位时时间内内生产产的产产品量量，或或在单单位时时间内内处理理的的原原料量量。设计能能力——设备或或装置置在最最佳条条件下下可以以达到到的最最大生生产能能力。。即设备备的单位体体积的的生产产能力力，或单位面面积的的生产产能力力。⑵生产强强度为设备备的单单位特特征几几何量量的生生产能能力。。此指标标主要要用于于比较那那些相相同反反应过过程或或物理理加工工过程程的设设备或或装置置的优优劣。⑶有效生生产周周期：：开工因因子通常在在0.9左右，开工工因子子大意意味着着停工工检修修带来来的损损失小小，即即设备备先进进可靠靠，催催化剂剂寿命命长。。（1）转化化率（2-13）关键反反应物物——反应物物中价价值最最高的的组分分，为为使其其尽可可能转转化，，常使使其他他反应应组分分过量量。不可逆逆反应应，关关键组组分的的转化化率最最大为为100%。可逆反反应，，关键键组分分的转转化率率≤其其平衡衡转化化率。转化率率、选选择性性和收收率对循环过过程而言，，有单程转转化率率和全程转转化率率。新鲜原原料反应系系统分离系系统产品循环物物流循环机机械图带带有物物料循循环的的流程程示意意图排放（2）选择择性是指体体系中中转化化成目目的产产物的的某反反应物物的量量与参参加所所有反反应而而转化化的该该反应应物总总量之之比。。在复杂杂反应应体系系中，，选择性性表达达了主主、副副反应应进行行程度度的相相对大大小，能确确切反映原原料的的利用用是否否合理理。选择性性或注意：式中的分母母是按主反反应式的化化学计量关关系来计算算的，并假假设转化了了的所有反反应物全部部转变成目目的产物。。（3）收率（产产率）对同一反应应物，Y=S•X。无副反应的的体系，S=1，Y=X，收率=转化率；有副反应的的体系，S<1，目标是使目的产物物的收率最高，不单纯追追求高转化化率或高选选择性。单程收率总收率对循环过程程而言，有有单程收率和总收率之分。（4）质量收率率指投入单位位质量的某某原料所能能生产的目目的产物的的质量。3.2反应过程物物料衡算（1）直接计算算法主要是根据据化学反应应方程式，，运用化学学计量系数数进行计算算的方法，，可使计算算较为方便便。适用范围：：反应较简单单，反应式式可明确写写出时。为使反应易易于进行，，常采用使使某一物质质过量，但但应特别注意，过量百分分比是基于于限制反应应物100%的转化，而而不论真实实反应是否否完全或不不完全。在燃烧过程中，通常采用过量空空气，即实际供供给的空气气量超过使使燃料中可可燃物完全全燃烧所需需的理论空空气量，多多余的空气气，即为“过量空气”。一般燃烧烧器，空气气过量为5-20%。①燃气或烟道道气经过燃烧过过程所产生生的气体，，包括其所含含的水蒸气气的称为湿气，不包括水蒸蒸气在内的称为干气。②理论空气量量或理论氧氧气量使过程内的的物质完全全燃烧所需需的空气（（或氧气））量，有时时也称为空空气需要量量或氧气需需要量。③过量空气或或过量氧气气使过程内的的物质完全全燃烧，超超过所需的的空气（或或氧气）量量。注意：在部部分燃烧反反应中，例例如C燃烧成CO与CO2，在计算过过量空气（（氧气）时时，均以C完全燃烧成成CO2的空气量（（氧气量））为基准来来计算的。。过量空气百百分数与过过量氧气百百分数相同同，其定义义为：氧气进料量量=完全燃烧所所需的氧气气量+过量氧气量量注意若过量空气气百分数>100%，则过量空空气的含义义是包括理论需要空空气量和超超过部分的的量的总和和。例丙丙烷充分燃燃烧时，要要供入空气气量125%，反应式为为：C3H8+5O2→3CO2+4H2O，问每产生生100摩尔烟道气需需空气量多少少摩尔？解：采用不同同的计算基准准计算。解法Ⅰ基准：100mol丙烷（关键组分））。反应式：C3H8+5O2→3CO2+4H2O转化量：100XYZX=500molY=300molZ=400mol由于空气中氧氧气和氮气的的摩尔比为：：O2∶N2=21∶79理论空气量=500/0.21=2380.9mol则实际空气量量=过量空气%×理论空气量=125%××2380=2976mol反应前：反应后：氮气不参加反反应，仍为2351mol。物料衡算结果果一览表1从上表中可看看出，反应前后，①各组分的摩尔尔数和质量数数都不相等。。②总摩尔数也也不相等，物物质的总质量数未变变。物料分子量输入输出molmol%Kgwt%molmol%Kgwt%C3H8441003.254.44.88O23262520.3220.022.171253.944.04.43N226235176.4365.8372.96235174.0265.8372.96CO2443009.4513.214.63H2O1840012.597.27.98总计307610090.23100.01317610090.23100从计算结果可可以看出，当当空气加入量为为2976mol时，可产生烟道气3176mol，所以，每产生100mol烟道气需加入入的空气量为为：100×2976／3176＝93.7（mol）解法Ⅱ基准：100mol空气反应前：所含=过量氧气量由过量量氧气量=过量空气%×需要氧气量（（也称为理论论需氧量）理论氧气量=过量氧气量/过量空气%=21/125%=16.8mol则根据化学反反应式C3H8+5O2→3CO2+4H2O可以求得参加加反应的丙烷烷用量：1∶5=M∶16.8M=3.36mol反应后：氮气不参加反反应，仍为79mol。物料衡算结果果一览表2从上表中可看看出，仍然可可以得出与表表1相同的结论；比较较表1和表2，可以看出，，虽然计算基准准不同，但进进出物料的组组成是一致的的。物料分子量输入输出molmol%Kgwt%molmol%Kgwt%C3H8443.263.250.1484.88O2322120.320.67222.174.23.940.1344.43N2267976.432.21272.967.974.022.21272.96CO24410.089.450.44414.63H2O1813.4412.590.2427.98总计103.361003.032100.01106.721003.032100从计算结果知知，每产生106.72mol的烟道气需加加入100mol空气，所以产生100mol烟道气需要加加入的空气量量是：100×100／106.72＝93.7（mol）例：在鼓泡反应器器中进行苯的的氯化反应生生产氯苯，主主反应为：C6H6＋Cl2→C6H5Cl＋HCl同时有副反应应发生，生成成二氯苯和三三氯苯，反应应如下：C6H6＋2Cl2→C6H4Cl2＋2HClC6H6＋3Cl2→C6H3Cl3＋3HCl已知鼓泡反应应器的产品中中，主、副反反应产物和未未反应的苯的的重量比为:氯苯：二氯苯苯：三氯苯：：苯＝l:0.08:0.016:2，求(1)苯的转化率；；(2)氯苯的收率；；(3)反应的选择性性；(4)反应生成的氯氯化氢总量；；(5)反应消耗的氯氯气总量。解：以100kg产物氯苯为计计算基准。苯、氯苯、二二氯苯、三氯氯苯的分子量量分别为78，112.5，147和181.5。按照所取的计计算基准，出出口产品混合合物中有苯200kg，氯苯100kg，二氯苯8kg，三氯苯1.6kg，需要加入反反应器的苯(100％)的量计算如下下：生成氯苯消耗耗苯：生成二氯苯消消耗苯：生成三氯苯消消耗苯：未反应的苯200kg，因此需要加加入的苯的总总量为：69.33＋4.245＋0.688＋200＝274.3kg（1）苯的转化率率苯的转化量＝＝69.33十4.245十0.688＝74.3kg,苯的加入量＝＝274.3kg所以苯的转转化率X＝74.3／274.3＝0.2709（2）氯苯的收率率Y（3）反应的选择择性S（4）反应生成的的氯化氢总量量生成氯苯时同同时生成的氯氯化氢：生成二氯苯时时同时生成的的氯化氢：生成三氯苯时时同时生成的的氯化氢：因此，生成的的氯化氢总量量为：32.4＋3.97＋0.966＝37.35kg(5)反应消耗的氯氯气总量生成氯苯消耗耗氯气：生成二氯苯消消耗氯气：生成三氯苯苯消耗氯气气：因此，反应应消耗的氯氯气总量为为：63.11＋7.728＋1.878＝72.72kg（2）元素平衡衡法（原子子衡算法））方法：因为反应应前后的物物质虽然分分子结构不不同，但都都是由相同同元素组成成的。所以以反应前后各各元素原子子的量是守守衡的，然后依每每个分子结结构通过相相应元素的的量（原子子数的比值值）计算出出各个未知知的具体量量。适用范围：①反应过于于复杂，即即反应式明明确但较多多，包含有有平行、连连串等反应应时；②反应式不不太明确，，无法写出出时。例合合成气组成成为0.4%CH4、52.8%H2、38.3%CO、5.5%CO2、0.1%O2和2.9%N2（体积百分分数）。若若用10%过量空气燃燃烧，设燃燃烧气中不不含CO，试计算燃燃烧气组成成。解法Ⅰ用原子衡算算法求解。画出示意意图。H：0.4%××1000×4+52.8%×1000×2=1072mol＝2CC：0.4%××1000+38.3%×1000+5.5%×1000=442mol＝BO：38.3%×1000+5.5%×1000××2+0.1%×1000×2＋0.21A×2=2B＋C＋2DN：2.9%××1000×2＋0.79A×2=2E对O2作物料衡算算，输入量量+产生量=输出量+消耗量0.21A+0.1%×1000＝D+0.1%×1000+0.21A/1.1解之之得得：：A＝2422.4mol，B＝442mol，C=536mol，D＝46.3mol，E＝1943mol基准准：：1000mol合成成气气。。其其中中各各原原子子的的量量为为：：0.4%CH4、52.8%H2、38.3%CO、5.5%CO2、0.1%O2、2.9%N2物料分子量输入输出molmol%Kgwt%molmol%Kgwt%H2252815.421.0561.24CH41640.120.0640.08CO2838311.1910.72412.62CO244551.612.4202.8544214.919.44822.88O232508.8+114.8916.31419.2046.21.561.4821.74N22829+191456.7754.40464.02194365.4854.40464.02H2O1853618.069.64811.35总计3422.810084.982100.012967.310084.98299.99例：：丙烷烷充充分分燃燃烧烧时时要要使使空空气气过过量量25％,燃烧烧反反应应方方程程式式为为：：C3H8＋5O2→CO2＋4H2O求每每100mol燃烧烧产产物物(烟道道气气)需要要加加入入多多少少丙丙烷烷和和空空气气。。解：：以以l00mol烟道道气气作作基基准准进进行行物物料料衡衡算算作C原子子平衡衡得得：：3B＝P作H原子子平衡衡得得：：8B＝2Q作O原子子平衡衡得得：：0.21A××2＝2P＋Q＋2M作N平衡衡得得：：0.79A××2＝N××2由以l00mol烟道道气气作作基基准准得：：P+Q+M+N＝100作O2平衡衡得得：：0.21A××（0.25／1.25）＝＝M解上上述述方方程程组组得得：：A＝93.76mol，B＝3.148mol，因此此，，100mol烟道道气气需要要加加入入空气气93.76mol，加加入入丙丙烷烷3.148mol。（3）以化化学平平衡进进行衡衡算化学反反应中中，当当正反应应与逆逆反应应的反反应速速率相相等时，即即达到到化学学平衡衡，在在定T、定P，且反反应物物的浓浓度不不变时时，平平衡将将保持持稳定定，此此时需需借助助化学反反应平平衡常常数与与浓度度之间间的关关系式式计算。。例试试计算算合成成甲醇醇过程程中反反应混混合物物的平平衡组组成。。设原原料气气中H2与CO摩尔比比为4.5，惰性性组分分含量量为13.8%，压力力为30MPa，温度度为365℃，平衡衡常数数Kp=2.505××10-3MPa-2。解：分分析：：由Kp可看出出，此此题是是当作作理想想气体体混合合物进进行简简化计计算的的。依依题意意求yi，需求求出反反应后后的ni和n，因发发生化化学反反应，，应对对每个个组分分进行行物料料衡算算，方方可确确定。。化学反反应式式：CO+2H2→CH3OH①首先计计算出出原料料气的的摩尔尔组成成：含惰性性组分分13.8%，(H2+CO)为1－13.8%=86.2%，需分分别求求出H2和CO的组成成含量量。原料气气中H2与CO摩尔比比为4.5H2[4.5/(1+4.5)]×86.2%=70.53%；CO(1/5.5)×86.2%=15.67%惰性气气体13.8%；②基准：：1mol原料气气，平平衡转转化率率为XCO。CO+2H2→CH3OH平衡时时n/mol：0.1567(1-xCO)0.7053-2×0.1567xCO0.1567xCO开始n/mol：0.15670.7053转化量量n/mol：0.1567xCO2×0.1567xCO惰性气气体：：0.138试差得得XCO=0.4876③平衡时时组成成：CO：0.1567××(1-0.4876)=0.0803molH2：0.7053－2×0.1567××0.4876=0.5525molCH3OH：0.1567××0.4876=0.0764mol惰性气气体0.138mol=1－0.3134××0.4876=0.8472mol摩尔组组成：：若某产产物P的收率率已知知，根根据收收率的的定义义式，，便可可求出出一定定产量量下的的加料料量。。例如有有一连连串反反应，，其计计量关关系为为A→P→Q，已知知P的摩尔尔收率率Yp＝0.8，P的产量量为100kmol／h，根据据收率率的定定义式式有：：因而，，A的加料料量＝＝100/0.8＝125(kmol/h)(4)根据收收率数数据作作物料料衡算算例：乙乙烯氧氧化制制环氧氧乙烷烷的反反应器器中进进行如如下反反应：：反应器器进口口混合合气体体的流流量为为45000m3(STP)/h，组成成如下下：乙烯的的转化化率为为32％，反反应选选择性性为69％，求求反应应器出出口气气体的的组成成和流流量。。转化率率收率选择性性Y＝S·X解：环环氧乙乙烷的的收率率＝0.32××0.69＝0.2208CO2的收率率＝0.32(1－0.69)＝0.0992因此，，反应器器出口口气体体各组分分的流流量为为：乙烯环氧乙乙烷CO2H2ON2O2反应器器的物物料平平衡表表如下下：（5）具有有循环环和旁旁路过过程的的物料料衡算算在化工工生产产中，，由于于受到到化学学平衡衡、相相平衡衡以及及反应应速度度等多多种因因素的的限制制，原原料往往往不不能完完全转转比为为产品品，为为了提高原原料利利用率率，增增加产产品的的经济济效益益，可采采取循环操操作。循环操操作就是把把反应应后得得到的的产品品，经经全部分分离或或部分分分离离后，，将其其剩余余的物物料重重新返返回系系统，，与新新鲜原原料混混合继继续进进行加加工。循环流流程的的优点点：能够显显著地地提高高原料料利用用率，，减少少系统统排放放量，，降低低了原原料消消耗，，也减减少了了对环环境的的污染染。循环流流程的的缺点点：循环体体系中中惰性物物质和和其他他杂质质会逐逐渐积积累，对反反应速速率和和产品品产率率有影影响，，必需需定期期排出出这些些物质质以避避免积积累。。另外，，大量量循环物物料的的输送送会消消耗较较多动动力，所以以对于于那些些反应应后绝绝大部部分原原料均均转化化为目目的产产物的的过程程，不不必采采用循循环流流程。。通常可可采用用下列列两种种算法法：①试差法法（需多多次计计算））估计循循环流流量，，计算算至循循环回回流的的那一一点。。将估估计值值与计计算值值比较较，重重新假假定估估计值值，一一直计计算到到估计计值与与计算算值之之差在在一定定的误误差范范围内内。②代数解解法列出物物料平平衡方方程式式，并并求解解。一一般方方程式式中以以循环环量为为未知知数，，用联联立方方程式式的方方法求求解。。具体做做法：：一般在衡衡算时，，先进行行总的过过程衡算算，再对对循环系系统列出出方程式式求解。在没有循环环时，一系列列单元步步骤的物物料平衡衡可按顺顺序依次次进行。。但是若有循环物物料时，由于于循环流流量尚未未计算，，采用逐逐次计算算并不能能计算出出循环量量。例题：在银催化化剂作用用下，乙乙烯可被被空气氧氧化成环环氧乙烷烷（C2H4O），副反反应是乙乙烯完全全氧化生生成CO2和H2O。已知离离开氧化化反应器器的气体体干基组组成为：：C2H43.22%，N279.64%，O210.81%，C2H4O0.83%，CO25.5%（均为体体积分数数）。该气体进进入水吸吸收塔，，其中的的环氧乙乙烷和水水蒸气全全部溶解解于水中中，而其其他气体体不溶于于水，由由吸收塔塔顶逸出出后排放放少量至至系统外外，其余余循环回回氧化反反应器。。计算（1）乙烯的的单程转转化率；；（2）生成环环氧乙烷烷的选择择性；（（3）循环比比；（4）新鲜原原料中乙乙烯和空空气量之之比。解：对题题目进行行初步分分析，分分析与计计算同步步进行：：①此题因因有循环环，采用用代数解解法。②由转化化率和选选择性的的概念可可知，需需计算反反应过程程中的变变化量，，即需要要进行物物料衡算算才能得得知。③由题给给条件——离开反应应器的气气体干基基组成，，可选定定计算基基准为反反应器出出口气中中100mol干气。④由题意意画出流流程方框框图，选选定各物物料未知知量符号号，并根根据题意意标明各各组分量量。⑤因为有有两个反反应式，，组分也也较多，，所以采采用原子子衡算法法计算。。该过程的的流程方方框图如如下：计算基准准：反应应器出口口气中100mol干气。令新鲜原原料气（（FF）中C2H4量为Xmol，空气为为Ymol（含79%N2和21%O2）；排放放气为Wmol；乙烯完完全氧化化生成的的水量为为Zmol。FreshfluidMixfluidproductRecyclefeedReactionproductSeparateproductwasteC2H4XmolO2N2空气YmolWmolC2H43.22%N279.64%O210.81%C2H4O0.83%CO25.5%H2OZmolH2OZmolC2H4O0.83molC2H4N2O2CO2C2H4N2O2CO2C2H4N2O2CO2C2H4N2O2CO2C2H4+0.5O2→C2H4OC2H4+3O2→2CO2+2H2O基准：100mol干气（1）确定反应产产物经分离后后的各部分的的量。分析：由流流程方框图图可知，物物流RP分离成P和SP，SP分流为RC和W，该两过程程均无化学学反应，且且SP、RC和W三者的组成成相同。则各部分的的量：SP=RP－P；RC=SP－W又环氧乙烷烷和水蒸气气全部溶解解于水中，，则P=100×0.83%+Z。（2）确定进入入反应器的的混合物料料量。分析：进反反应器的气气体MF由新鲜原料料气FF和循环气RC组成，混合合过程无化化学反应，，则MF=FF+RC。RP、P、SP、W中各组分物物质的量和和组成表物料RP（出反应器气）P（产物）SP（出吸收塔气）W（排放气）mol干基mol%molmolmol%molmol%C2H43.223.223.223.250.0325W3.25O210.8110.8110.8110.900.109W10.90N279.6479.6479.6480.300.803W80.30C2H4O0.830.830.83CO25.55.55.55.550.0555W5.55H2OZZ总计100+Z1000.83+Z99.17100W100RC、FF和MF中各组分物物质的量和和组成表物料RC（循环气=SP-W）FF（新鲜原料气）MF（混合原料气）molmol%molmol%mol%C2H43.22-0.0325W3.25X3.22-0.0325W+XO210.81-0.109W10.900.21Y2110.81-0.109W+0.21YN279.64-0.803W80.300.79Y7979.64-0.803W+0.79YC2H4OCO25.5-0.0555W5.555.5-0.0555WH2O总计99.17-W100X+Y100X+Y+99.17-W（3）作总系统统物料衡算算，求出具具体的量。。从新鲜原料料气开始，，到以产物物和排放气气的形式离离开系统为为止，因吸吸收剂（水水）的输入入和输出的的量不变，，可不考虑虑，则总系系统衡算图图为：用原子衡算算法计算：：FF中某元素的的原子总的的物质的量量（mol）=P中该元素的的原子总的的物质的量量（mol）+W中该该元元素素的的原原子子总总的