在循环存在时列出物料平衡方程式课件

第6节物料衡算（一）物料衡算的基本方法（二）无化学反应的物料衡算（三）反应过程的物料衡算（四）过程的物料衡算§3-6化工过程的物料衡算第6节物料衡算（一）物料衡算的基本方法§3-6化工过程的（一）物料衡算的基本方法1、物料衡算进行的步骤2、物料衡算式3、物料衡算的基准§3-6化工过程的物料衡算（一）物料衡算的基本方法1、物料衡算进行的步骤§3-6化工（一）物料衡算的基本方法1、物料衡算进行的步骤⑴画出物料衡算示意图(如方框图)⑵写出化学反应方程式（包括主反应和副反应）⑶列出已知数据和由物料平衡所需要求解的问题⑷决定系统的边界.即根据由物料平衡所需要求解的问题,确定计算范围.⑸选定计算基准⑹收集计算所需要的数据⑺进行物料衡算⑻将物料衡算结果列成物料平衡表，画出物料平衡图§3-6化工过程的物料衡算（一）物料衡算的基本方法1、物料衡算进行的步骤⑴画出物料衡算（一）物料衡算的基本方法2、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，它可以根据实际需要人为的选定。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。根据质量守恒定律，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。所以，物料衡算的基本关系式应该表示为：§3-6化工过程的物料衡算（一）物料衡算的基本方法2、物料衡算式物料衡算是研究某一个体式中生成或消耗是因反应而生成或消耗的量;积累项可正可负.当积累项不为零时，称为非稳定过程;积累项为零时,称为稳定过程.对无反应的稳定过程:输入=输出体系中积累=输入－输出+生成－消耗稳定过程:输入=输出－生成+消耗§3-6化工过程的物料衡算（一）物料衡算的基本方法式中生成或消耗是因反应而生成或消耗的量;积累项可正可负.当积如图，共有三个流股，进料F及出料P和W。有两个组分。每个流股的流量及组成如图所示。图中x为质量分数。可列出物料衡算式：总物料衡算式

F=P+W每种组分衡算式

F·xf1=P·xp1+W·xw1

F·xf2=P·xp2+W·xw2§3-6化工过程的物料衡算（一）物料衡算的基本方法如图，共有三个流股，进料F及出料P和W。有两个组分。每个流股平衡式类型物料平衡形式无化学反应有化学反应总平衡式总质量平衡式总物质的量平衡式是是是非组分平衡式组分质量平衡式组分物质的量平衡式是是非非元素原子平衡式元素原子质量平衡式元素原子物质的量平衡式是是是是物料平衡形式（稳态过程）§3-6化工过程的物料衡算（一）物料衡算的基本方法平衡式类型物料平衡形式无化学反应有化学反应总平衡式总质量平衡3、物料衡算的基准基准选得适当可是计算简化。究竟采用什么作基准视具体情况而定，不宜硬性规定，可建议：以1t产品为基准以1mol某反应物为基准在连续操作中，以单位时间，即㎏/h或kmol/h作基准；在间歇操作中，以㎏/批为基准有化学变化的过程，适宜采用重量作基准；无化学变化的过程，以重量或kmol/h为基准对于液固系统常用单位质量作基准，而其相常用单位体积作基准§3-6化工过程的物料衡算（一）物料衡算的基本方法3、物料衡算的基准基准选得适当可是计算简化。究竟采用什么作基某尿素厂的生产能力为6万t尿素/a,年操作日300d，尿素的氨耗为0．6t氨/t尿素，生产过程的氨损失按5％考虑，已知以1t氨为基准的某股气体的组成和量如下表所示。组成CO2COH2N2CH4

合计％(mol)28.561.252.6117.050.575100kmol54.302.29100.0432.431.093190.99列出该股气体的组成和流量表.解:小时产量为

60000×0.6×1.05300×24=5.25t/h§3-6化工过程的物料衡算（一）物料衡算的基本方法某尿素厂的生产能力为6万t尿素/a,年操作日300d，尿素的以1t氨为基准的各组分的kmol量乘以5.25所得结果为流量.气体的流量和组成如下表所示:组成CO2COH2N2CH4

合计％(mol)28.561.252.6117.050.575100kmol/h285.112.02525.2170.25.74998.3§3-6化工过程的物料衡算（一）物料衡算的基本方法以1t氨为基准的各组分的kmol量乘以5.25所得结果为流量（二）无化学反应的物料衡算1、简单过程的物料衡算2、多单元系统在化工过程中，一些只有物理变化，不发生化学反应的单元操作，如混合、蒸馏、蒸发、干燥、吸收、结晶、萃取等这些过程都可以根据物料衡算式，列出总物料和各组分的衡算式，再用代数法求解。

§3-6化工过程的物料衡算（二）无化学反应的物料衡算1、简单过程的物料衡算在化工过程中（二）无化学反应的物料衡算1、简单过程的物料衡算简单过程是指仅有一个设备或一个单元操作或整个过程简化成一个设备的过程。这种过程的物料衡算比较简单，在物料流程简图中，设备边界就是体系边界。下面举例说明计算步骤和计算方法。一种废酸，组成为23％(质量％)HNO3，57％H2SO4和20％H2O，加入93％的H2SO4及90％的浓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。

§3-6化工过程的物料衡算（二）无化学反应的物料衡算1、简单过程的物料衡算简单过程是指解：设

x为废酸量，kg；

y为浓H2SO4量，kg；

z为浓HNO3量,㎏

⑴画物料流程简图（二）无化学反应的物料衡算§3-6化工过程的物料衡算解：设

x为废酸量，kg；（二）无化学反应⑵选择基准:可以选废酸或浓酸的量为基准，也可以用混合酸的量为基准，因为四种酸的组成均已知，选任何一种作基准计算都很方便。⑶列物料衡算式，该体系有3种组分，可以列出3个独立方程，所以能求出3个未知量。

基准：100kg混合酸总物料衡算式

x+y+z=100

(1)（二）无化学反应的物料衡算§3-6化工过程的物料衡算⑵选择基准:可以选废酸或浓酸的量为基准，也可以用混合酸的量为H2SO4的衡算式

0.57x+0.93y=100×0.6=60

(2)HNO3的衡算式

0.23x+0.90z=100×0.27=27

(3)

解(1)，(2)，(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和19.2kg浓HNO3可以混合成100kg混合酸。（二）无化学反应的物料衡算§3-6化工过程的物料衡算H2SO4的衡算式

0.57x+0.93y=102、多单元系统对有多个设备的过程，进行物料衡算时，可以划分多个衡算体系。此时，必须选择恰当的衡算体系，这是很重要的步骤。不然会使计算繁琐，甚至无法求解。

造纸厂的碱回收工序有一个四效蒸发器,供料方式为Ⅲ→Ⅳ→Ⅱ→Ⅰ,蒸发器的总处理量为80000㎏/h造纸废液(黑液).计算总蒸发水量和每一效蒸发器的蒸发水量.（二）无化学反应的物料衡算§3-6化工过程的物料衡算2、多单元系统对有多个设备的过程，进行物料衡算时，可以划分多四效蒸发系统的物料平衡（二）无化学反应的物料衡算§3-6化工过程的物料衡算四效蒸发系统的物料平衡（二）无化学反应的物料衡算§3-6化将整个系统简化为一个单元，可计算出总蒸发量FX进=（F进-W）X出则总蒸发水量为（二）无化学反应的物料衡算§3-6化工过程的物料衡算将整个系统简化为一个单元，可计算出总蒸发量则总蒸发水量为（二第三效蒸发水量为则第Ⅳ效的蒸发水量WⅣ为进入第Ⅳ的料液量80000-12600=67400kg/h类推得：ＷⅡ＝15000kg/h

ＷⅠ＝18100kg/h（二）无化学反应的物料衡算§3-6化工过程的物料衡算第三效蒸发水量为则第Ⅳ效的蒸发水量WⅣ为进入第Ⅳ的料液量（三）反应过程的物料衡算1、直接计算法在物料衡算中,根据化学反应式,运用化学计量系数进行计算的方法,称为直接计算法甲醇氧化制甲醛,其反应过程为

CH3OH+1/2O2→HCHO+H2O反应物及生成物均为气态．甲醇的转化率为75％，若使用50％的过量空气，试计算反应后气体混合物的摩尔组成．§3-6化工过程的物料衡算（三）反应过程的物料衡算1、直接计算法在物料衡算中,根据化学（三）反应过程的物料衡算解：画出流程示意图，如下图：催化反应器CH3OH空气CH3OHHCHOH2OO2N2（过量50%)

基准：1molCH3OH根据反应式，需氧＝0.5氧入=0.5×1.5=0.75氮入＝氮出＝0.75×(79/21)=2.82§3-6化工过程的物料衡算（三）反应过程的物料衡算解：画出流程示意图，如下图：催化反应反应的甲醇量＝0.75×1=0.75甲醛的出量＝0.75甲醇的出量＝1－0.75=0.25氧的出量＝0.75－0.75×0.5=0.375水的出量＝0.75计算结果如下表：

组分CH3OHHCHOH2OO2N2

总计

mol0.2500.7500.7500.3752.8204.945摩尔分数（％）5.015.215.27.657.0100.0（三）反应过程的物料衡算§3-6化工过程的物料衡算反应的甲醇量＝0.75×1=0.75甲醛的出量＝0.75２、元素衡算法

元素衡算是物料衡算的一种重要形式。在作这类衡算时，并不需要考虑具体的化学反应，而是按照元素种类被转化及重新组合的概念表示为输入(某种元素)＝输出(同种元素)对反应过程中化学反应很复杂，无法用一、两个反应式表示的物料衡算题，可以列出元素衡算式，用代数法求解。

（三）反应过程的物料衡算§3-6化工过程的物料衡算２、元素衡算法元素衡算是物料衡算的一种重要形式。在作这类衡３、用联系组分作衡算

“联系组分”是指随物料输入体系，但完全不参加反应，又随物料从体系输出的组分，在整个反应过程中，它的数量不变．如果体系中存在联系组分，那么输入物料和输出物料之间就可以根据联系组分的含量进行关联。例如，F、P分别为输入、输出物料，T为联系组分。T在F中的质量分数为XFT，在P中的质量分数为XPT，则F与P之间的关系为FXFT=PXPT

（三）反应过程的物料衡算§3-6化工过程的物料衡算３、用联系组分作衡算“联系组分”是指随物料输入体系，但完全４、以节点进行计算⊙节点分流B分流C分流A⊙节点ABC节点示意图以流程中某一点的汇聚或分支处的交点，即节点来进行计算可使计算简化，如原料加入到循环系统中、物料的混合、溶液的配制以及精流塔塔顶回流和产品取出等，均需采用节点来进行计算（三）反应过程的物料衡算§3-6化工过程的物料衡算４、以节点进行计算⊙节点分流B分流C分流A⊙节点ABC节点示５、利用反应速率进行物料衡算在以物质的量（摩尔）或质量进行衡算时，由于发生了化学反应，将输入与输出速率之差RC定义为物质C的量（摩尔）生成速率，即

RC=FC，输入-FC，输出因此，化学反应过程的物料衡算式可写成

FC，输出=FC，输入

-RC（三）反应过程的物料衡算§3-6化工过程的物料衡算５、利用反应速率进行物料衡算在以物质的量（摩尔）或质量进行衡（四）过程的物料衡算1、循环过程例如在生产中一般将未反应的原料与产品先分离，后循环返回原料进口处，与新原料一起再进入反应器反应例如苯直接加氢转化环己烷中的循环过程：混合器泠凝器新鲜Ｈ2纯C6H6循环Ｈ280%Ｈ220%C6H6产物3%H2反应器§3-6化工过程的物料衡算（四）过程的物料衡算1、循环过程例如在生产中一般将未反应的在没有循环时，一系列单元步骤的物料衡算可