第四章 物料衡算

第四章物料衡算第1页，共20页，2023年，2月20日，星期三例4-1一种废酸，组成为23%（质量%）HNO3，57%H2SO4和20%H2O。加入93%的H2SO4及90%的HNO3，要求混合成27%HNO3及60%H2SO4的混合酸，计算所需废酸及加入浓酸的数量。混合器废酸F1浓硫酸F2浓硝酸F3x11=0.23x12=0.57x13=0.20x31=0.9x33=0.1x22=0.93x23=0.07混合酸F4X41=0.27X42=0.6X43=0.13解：（1）画物料衡算简图，确定衡算体系。4.2.1混合过程的物料衡算

4.2物理单元操作过程的物料衡算第2页，共20页，2023年，2月20日，星期三混合器废酸F1浓硫酸F2浓硝酸F3x11=0.23x12=0.57x13=0.20x31=0.9x33=0.1x22=0.93x23=0.07混合酸F4X41=0.27X42=0.6X43=0.13（2）选择计算基准题中所给条件为质量分率，以质量作为计算基准较好。选取产生100kg混合酸为计算基准。（也可选择废酸作为计算基准，因为组成都是已知的。）（3）列物料衡算式总物料衡算式H2SO4物料衡算式HNO3物料衡算式第3页，共20页，2023年，2月20日，星期三混合器废酸F1浓硫酸F2浓硝酸F3x11=0.23x12=0.57x13=0.20x31=0.9x33=0.1x22=0.93x23=0.07混合酸F4X41=0.27X42=0.6X43=0.13（4）求解求解上述三元一次方程得（5）验算以H2O的衡算式来验证输入：输出：故计算结果正确。第4页，共20页，2023年，2月20日，星期三混合器废酸F1浓硫酸F2浓硝酸F3x11=0.23x12=0.57x13=0.20x31=0.9x33=0.1x22=0.93x23=0.07混合酸F4X41=0.27X42=0.6X43=0.13列进出物流表：组分输入（kg）输出（kg）流股1流股2流股3流股4HNO39.61017.2827H2SO423.8336.27060H2O8.362.731.9213合计41.83919.2100第5页，共20页，2023年，2月20日，星期三例4-2有一个蒸馏塔，输入和输出物料量及组成如下图。输入物料1中A组分的98.7%自塔顶蒸出。求每千克输入物料可得到塔顶馏出物2的量及其组成。4.2.2蒸馏过程的物料衡算

4.2物理单元操作过程的物料衡算第6页，共20页，2023年，2月20日，星期三解：（1）划定衡算体系，如图所示。（2）选择计算基准以为计算基准。（3）列物料衡算式总物料衡算式A组分物料衡算式B组分物料衡算式浓度限制式过程限制式第7页，共20页，2023年，2月20日，星期三（4）求解联立上面方程求解得：（5）验算略列进出物流表略。第8页，共20页，2023年，2月20日，星期三例4-3氨解吸过程在30℃和101KPa条件下进行，空气和氨水的摩尔比为2，进口空气不含氨，氨水含氨0.1%（摩尔%）。用一块塔板，塔板的莫弗里气相效率为75%。在30℃时氨-水的亨利系数为129KPa，求出口液相和气相组成。4.2.3吸收过程的物料衡算

4.2物理单元操作过程的物料衡算第9页，共20页，2023年，2月20日，星期三解：（1）画物料衡算简图，确定衡算体系。（2）选择计算基准以为计算基准，则（3）列物料衡算式总物料衡算式水的物料衡算式氨物料衡算式浓度限制式第10页，共20页，2023年，2月20日，星期三解：（3）列物料衡算式过程限制式联立上面方程求解得：（4）求解验算及列进出口物流表略。第11页，共20页，2023年，2月20日，星期三4.2物理单元操作过程的物料衡算物理单元操作过程的物料衡算，列衡算式及求解时应注意：（1）列出的独立衡算式数目等于输入和输出物料中化学组分的数目。为使方程个数和变量个数相等，需全面考虑已知条件，能列出的方程有浓度限制式、过程限制式等；（2）为避免求解方程组的繁琐，首先列出含未知量数目最少的物料衡算方程，最好是能列出一个方程解一个未知数，然后一步步求解其他方程；（3）若体系内有很多组分的物流，最好将每股物流编号，并表示出已知的量及组成。第12页，共20页，2023年，2月20日，星期三计算关键：（1）独立衡算体系的确定；（2）选择计算的着手点。有多个设备的过程可划分为多个衡算体系。4.2.4有多个设备过程的物料衡算

4.2物理单元操作过程的物料衡算第13页，共20页，2023年，2月20日，星期三例4-5有两个蒸馏塔的分离装置，将含50%苯、30%甲苯、20%二甲苯（均为摩尔百分数）的混合物分成较纯的三个馏份，其流程图及各流股组成如图所示。计算蒸馏1000mol/h的原料所得各流股的量及进塔Ⅱ物料的组成。4.2.4有多个设备过程的物料衡算

4.2物理单元操作过程的物料衡算第14页，共20页，2023年，2月20日，星期三解：（1）画物料衡算简图。（2）选择计算基准（3）列物料衡算式以为计算基准。首先进行自由度分析，以确定第一个衡算体系。塔Ⅰ塔Ⅱ总体系平衡式数333浓度限制式数110过程限制式数000变量数563设计变量数120第15页，共20页，2023年，2月20日，星期三（3）列物料衡算式以总体系为第一个物料衡算体系。总物料衡算式：苯的物料衡算式：甲苯的物料衡算式：联立上面三个方程式解得：第16页，共20页，2023年，2月20日，星期三（3）列物料衡算式再以塔Ⅰ为第二个物料衡算体系。总物料衡算式：苯的物料衡算式：甲苯的物料衡算式：故验算及进出物流表略。第17页，共20页，2023年，2月20日，星期三说明：（1）对于有多设备的过程，可划分为多个衡算体系，从哪一体系入手，可进行自由度分析；（2）当有大量多组分流股时，可列出许多方程，但独立方程的数目应等于设备数与物料组分数的乘积；（3）多设备多组成体系，可有多个衡算体系，但独立的衡算体系数目等于设备的数目。4.2.4有多个设备过程的物料衡算

4.2物理单元操作过程的物料衡算第18页，共20页，2023年，2月20日，星期三4.2物理单元操作过程的物料衡算作业：1.现有1000kg混酸，组成为26%HNO3、56%H2SO4及18%H2O，今需调整至组成为30%HNO3、58%H2SO4及12%H2O，试计算需加下列两种酸各多少kg？(1)含8%H2SO4、87%HNO3及5%H2O的含硫酸硝酸；(2)98%浓硫酸。第19页，共20页，2023年，2月20日，星期三4.2物理单元操作过程的物料衡算2.含轻烃较高的汽油，需经精馏塔将大部分丙烷、丁烷、戊烷除去，以提高汽油的稳定性。现需处理的不稳定汽油组成如下：计算：(1)若全部C3H8、C4H10在馏出液中，C6H14、C7H16、C8H18在塔底残液中，C5H12的一半在馏出液中，另一半在塔底残液中，求馏出液及塔底残液的组成，及每100mol原料能得