物料衡算与能量衡算培训教材

第三章1第一页，共五十五页。第一节连续过程的物料衡算教学内容：结合具体实例，理解利用化学反应速率进行反应过程的物料衡算的方法。重点和难点：重点掌握利用化学反应速率进行反应过程的物料衡算的方法。难点是衡算基准的选择，包括基准物流的名称和单位选择，以及物料平衡方程、摩尔分数约束式及设备约束式的内容和形式。2第二页，共五十五页。一、连续过程的物料衡算

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=输出第三章物料衡算与能量衡算3第三页，共五十五页。物料平衡形式总平衡式*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第三章物料衡算与能量衡算4第四页，共五十五页。物料衡算的基本步骤⑴画出流程示意图⑵列出已知数据⑶列出由物料平衡所需求解的问题。⑷决定系统的边界⑸写出主、副产品的化学反应方程式。第三章物料衡算与能量衡算5第五页，共五十五页。⑹约束条件⑺选择计算基准⑻进行物料平衡计算⑼列出物料和能量平衡表，并进行校核⑽结论第三章物料衡算与能量衡算6第六页，共五十五页。关于基准⑴时间基准连续（小时，天……）间歇（釜，批……）⑵质量基准kg，mol，kmol……⑶体积基准m3（STP）⑷干湿基准干基（不含水），湿基（含水）例：100kg湿物料，其中含水10kg，按湿基：含水率为10%；若按干基：含水率为10/（100-10）×100%=11.11%第三章物料衡算与能量衡算7第七页，共五十五页。C3H8+5O2=3CO2+4H2O每100kmol燃烧产物需要多少摩尔空气？1.基准：1kmol原料气C3H8燃烧用氧5kmol；实际供氧5×1.25=6.25kmol；供给空气量29.76kmol；其中氮气量23.51kmol产生：CO23kmol；H2O4kmol；O21.25kmol；N223.51kmol；合计31.76kmol；x==93.7kmol第三章物料衡算与能量衡算8第八页，共五十五页。2.基准：1kmol空气实际供氧0.21/1.25=0.168kmol；燃烧C3H30.21/（5×1.25）=0.0336kmol；供给空气量1kmol；其中氮气量0.79kmol；产生：CO20.101kmol；H2O0.135kmol；O20.042kmol；N20.79kmol；合计1.068kmol；x==93.7kmol第三章物料衡算与能量衡算9第九页，共五十五页。（3）基准：100kmol烟道气以元素平衡法：C3H8+5O2=3CO2+4H2OC平衡3B=P；H2平衡4B=Q；O2平衡0.21A=M+Q/2+P；N2平衡0.79A=N；烟道气总量N+M+P+Q=100；过剩氧气0.21A（0.25/1.25）=M解出：空气量A=93.7kmol；C3H8B=3.148kmol；N2N=74.02kmol；O2M=3.935kmol；CO2P=9.445kmol；H2OQ=12.59kmol。第三章物料衡算与能量衡算10第十页，共五十五页。物料平衡计算的条件１.方程式⑴物料平衡方程式⑵物流约束式构成物流各组分的分率之和等于1=1第三章物料衡算与能量衡算11第十一页，共五十五页。2.变量有Ns股物流，Nc个组分数，Np个设备参数总变量数：Nv=Ns（Nc+1）+Np

设计变量第三章物料衡算与能量衡算12第十二页，共五十五页。⑴转化率转化率=⑵选择性选择性=xA=β=第三章物料衡算与能量衡算13第十三页，共五十五页。⑶收率收率=转化率×选择性=ψ=βxA

=⑷限制反应物⑸过量反应物第三章物料衡算与能量衡算14第十四页，共五十五页。无化学反应的物料衡算料浆滤饼90%固体

F1=2000kg/h过滤机F3=？kg/h10%液体75%液体25%固体滤液F2=？kg/h1%固体99%液体过滤过程第三章物料衡算与能量衡算15第十五页，共五十五页。总平衡式输入的料浆=输出的滤液+输出的滤饼F1=F2+F3液体平衡式F1x11=F2x21+F3x31第三章物料衡算与能量衡算16第十六页，共五十五页。精馏过程

馏出液F3乙醇水24%F1料液苯75%乙醇40%水60%F2苯乙醇产品

F4=1000kg/h三个未知数需三个方程总物料平衡式F1+F2=F3+F4

组分物料平衡式苯平衡F2=0.75F3

水平衡0.6F1=0.24F3

醇平衡（1－0.6）F1第三章物料衡算与能量衡算17第十七页，共五十五页。二、多单元系统F2F4

x2B

x4B=0.08

x2C

x4C=0.72F1=1000mol/hx1B=0.2单x1C=0.3元x1DⅠ单元ⅡF5

x5CF3

x3B=0.025x5D

x3C=0.35

x3D

第三章物料衡算与能量衡算18第十八页，共五十五页。每一个单元列出一组平衡方程式，再列出整个系统的平衡方程式。第三章物料衡算与能量衡算19第十九页，共五十五页。化学反应过程的物料衡算1.直接计算法甲醇氧化制甲醛：CH3OH+1/2O2HCHO+H2O

CH3OHCH3OHHCHO

催化反应器H2O空气O2（过量50%）N2第三章物料衡算与能量衡算20第二十页，共五十五页。输入：O2（需要）=0.5mol；O2（输入）=1.5×0.5=0.75mol；N2（输入）=N2（输出）=0.75×（79/21）=2.82mol；反应的CH3OH=0.75×1=0.75mol输出：HCHO（输出）=0.75mol；CH3OH（输出）=1－0.75=0.25mol；O2（输出）=0.75－0.75×0.5=0.375mol；H2O（输出）=0.75mol第三章物料衡算与能量衡算21第二十一页，共五十五页。2.利用反应速率进行物料衡算化学反应过程的物料衡算式：FC，输出=FC，输入+RC

RC=σcrc=1，2，……，n

N278%CO20%1反应器1反应器2CO22%452H250%N2N2CO50%H2H23COCO2H2OCO2H2OH2O第三章物料衡算与能量衡算22第二十二页，共五十五页。3.元素平衡输入物流有I股，输出物流有J股;则物质S的净输出速率为Fs=S种物质的元素e的净原子流出速率为物质守恒则元素守恒=0e=1，2，……，EAe=0e=1，2，……，E为原子系数第三章物料衡算与能量衡算23第二十三页，共五十五页。4.以节点进行衡算分流BB分流A分流CA节点节点CFa+Fb=FcFa=Fb+Fc第三章物料衡算与能量衡算24第二十四页，共五十五页。第二节车间（装置）的物料衡算教学内容：结合具体实例，理解一个完整的化工过程的物料衡算方法和步骤。重点和难点：重点掌握一个完整的化工过程的物料衡算的基准和思路。难点是对一个完整的化工过程的物料衡算时应选择什么物流作衡算基准，如何列出平衡表达式。25第二十五页，共五十五页。第二节车间（装置）的物料衡算

在一个车间（装置）中物料的添加和分离比较频繁，并且经常伴随着化学反应的发生，部分产品的循环（如回流），物料衡算比较复杂。1.单元模块计算步骤:⑴过程整体分析;⑵写出各单元的方程式和约束式;⑶列出所有的变量，并选好所需的设计变量;⑷应用单元模块法求解联立方程组。

第三章物料衡算与能量衡算26第二十六页，共五十五页。1.循环过程(两种解法）（1）试差法估计循环流量，并继续计算至循环回流的那一点。将估计值与计算值进行比较，并重新假定一个估计值，一直计算到估计值与计算值之差在一定的误差范围内。（2）代数法列出物料平衡方程式，并求解。一般方程式中以循环量作为未知数，应用联立方程的方法进行求解。第三章物料衡算与能量衡算27第二十七页，共五十五页。第三章物料衡算与能量衡算第三节化学反应过程的能量衡算教学内容：结合具体实例，理解以反应热效应为基础和以生成热为基础两种反应过程能量衡算方法的计算原理和计算方法。重点和难点：重点掌握两种衡算方法的衡算基准和计算方法。难点是热量衡算的基准，包括温度、压力和相态，以及有相变时其热量的正负符号的取向。28第二十八页，共五十五页。第三章物料衡算与能量衡算能量衡算的基本概念一、能量守恒定律输入能量+生成能量=消耗能量+积累能量+输出能量二、能量衡算方程1.封闭体系ΔE=

Q+W2.流动体系[能量输入速率]-[能量输出速率]=[能量积累速率]29第二十九页，共五十五页。第三章物料衡算与能量衡算qwT2Up2

u2T1U2

p1

u1ZZ2

U1

Z1

30第三十页，共五十五页。第三章物料衡算与能量衡算（2）封闭体系=q+w（3）孤立体系=0稳态过程的敞开体系=q+w31第三十一页，共五十五页。第三章物料衡算与能量衡算三、能量衡算的一般方法⑴正确绘制系统示意图，标明已知条件和物料状态；⑵确定各组分的热力学数据；⑶选择计算基准（大部分在物料衡算的基础上进行）；同时，还要选取热力学函数的基准态。⑷列出能量衡算方程式，进行求解。32第三十二页，共五十五页。第三章物料衡算与能量衡算化学反应过程的能量衡算一、反应热在化学反应中放出的热量取决于反应条件。在标准条件下，纯组分、压力为0.1MPa、温度为25℃（并非一定需要），反应进行时放出的热量称为标准反应热。基准=-56.68kJ/mol33第三十三页，共五十五页。第三章物料衡算与能量衡算（1）标准生成热在标准状态下，由构成组成的元素生成1mol组分时的焓差。任何反应的标准反应热可以由反应物和生成物的生成热计算得到。反之，组分的生成热也可以由反应热计算得到。34第三十四页，共五十五页。第三章物料衡算与能量衡算由于物质本身的热函是无法测定的，一般所能测定的是物质热函的变化量，因此人为地规定在标准状态下，元素生成热取为零。标准反应热和生成热之间的关系35第三十五页，共五十五页。第三章物料衡算与能量衡算（2）标准燃烧热组分和氧完全燃烧的标准反应热由燃烧热计算反应热的一般表达式:36第三十六页，共五十五页。第三章物料衡算与能量衡算二、化学反应过程的能量衡算

简单化学反应过程的能量平衡：

Q1+Qr+Qt=Q2+Q损物料的热量用热容的计算式为：用热焓计算式为：37