化工工艺计算-物料衡算

课程：化工工艺初级设计知识点：无化学反应的物料衡算无化学反应过程换热输送精馏混合单元操作不发生化学反应，这类过程常称为化工单元操作常见无化学反应过程的物料衡算简单过程仅有一个设备的单元过程，设备的边界就是系统的边界1混合常见无化学反应过程的物料衡算分离过程仅有一个设备的单元过程，设备的边界就是系统的边界2常见无化学反应过程的物料衡算多单元系统由数个单元设备组成，但要对系统中的每一个设备都要计算其流量及组成3小结无化学反应过程12常见无化学反应的物料衡算课程：化工工艺初级设计知识点：物料衡算方法—联系组分法方法简介

联系组分又称惰性组分，是指在整个生产中随反应物进出系统，但完全不参与反应的组分，因此其数量总是不变。

利用联系组分的特点以及和其它物料之间的比例关系，可以算出其它物料的质量（或物质的量），这种物料衡算方法称为联系组分法。O221%N279%适用场合利用联系组分进行物料衡算可使计算简化，尤其在未知量较多的过程中，可通过由联系组分建立的关系式解出部分未知变量，找到解决问题的突破口。举例例：甲烷与氢的混合气体在炉子内用空气完全燃烧，烟道气组分及其组成为组分N2CO2O2H2O合计mol%72.228.132.4917.16100反应方程式CH4+2O2=CO2+2H2OH2+1/2O2=H2O计算：（1）燃料中甲烷与氢气的摩尔比；（2）空气与混合气体(CH4+H2)的摩尔比。解：以100mol烟道气为计算基准。N2为联系组分根据烟道气中N2含量，100×0.7222=72.22mol得到输入的空气量为72.22/0.79=91.42mol

燃烧炉燃料CH4H2空气O2N2烟道气CO28.13%H2O17.16%O22.49%N272.22%91.42则空气中O2的量为：91.42×0.21=19.20mol混合气中CH4的量为：8.13molCH4燃烧消耗O2的量为：2×8.13=16.26molH2燃烧消耗O2的量为：19.20-16.26-2.49=0.45mol混合气体中H2的量为：2×0.45=0.9mol燃烧炉燃料CH4H2空气O2N2烟道气CO28.13H2O17.16O2

2.49N272.2291.4219.2072.228.130.9于是输入混合气体中甲烷与氢气的摩尔比为：8.13/0.9=9.03空气与混合燃料（CH4+H2）的摩尔比为：

91.42/（8.13+0.9）=10.12燃烧炉燃料CH4H2空气O2N2烟道气CO28.13H2O17.16O2

2.49N272.2291.4219.2072.228.130.9小结联系组分法简介1适用场合2举例说明元联系组分法的使用3课程：化工工艺初级设计知识点：物料衡算方法--元素衡算法方法介绍元素衡算法是物料衡算的一种重要方法，是以反应过程中参与反应的各种元素为对象列出平衡方程式而进行的物料衡算，无需考虑具体的化学反应，按照元素种类被转化及重新组合的概念表示为：

输入（元素)=输出（同元素）适用范围

当反应过程比较复杂，同时发生多个反应但详细分配情况不清楚或化学反应式无法写出时，用元素衡算法比较合适，如石油裂解过程。举例例：已知合成气的组成为CH40.4%(摩尔分数)、CO38.3%、CO25.5%、H252.8%、O20.1%和N22.9%,现用10%过量空气燃烧，燃烧后生成的燃烧气中不含CO，计算燃烧气组成。解：由题意可画出物料流程示意图燃烧器合成气CH40.4%CO

38.3%CO25.5%H252.8%O20.1%N22.9%空气

O221%N279%燃烧气CO2H2OO2N2基准：合成气100mol·h-1合成气中各元素（C、H、O、N）的含量：C：H：O：N：生成CO2和H2O所需的氧(元素)量：

燃烧器合成气CH40.4%CO

38.3%CO25.5%H252.8%O20.1%N22.9%空气

O221%N279%燃烧气CO2H2OO2N2理论供氧（元素）量：空气理论提供量：实际输入空气中相当于：N2：O2：燃烧器合成气CH40.4CO

38.3CO25.5H252.8O20.1N22.9空气

O221%N279%燃烧气CO2H2OO2N2合成气（mol·h-1）C44.2H

107.2O

49.5N

5.8题干：---现用10%过量空气燃烧---对各物质进行元素（或分子）衡算：C平衡：（1）H2平衡：（2）O2平衡：（3）N2平衡：（4）由上述四个方程联立求解燃烧器中各组分含量可得合成气C44.2H

107.2O

49.5N

5.8燃烧器合成气CH4CO

CO2H2O2N2空气O250.87N2191.39燃烧气CO2H2OO2N2燃烧气各组分的摩尔组成为：CO2：H2O：O2

：N2：燃烧器合成气CH40.4CO

38.3CO25.5H252.8O20.1N22.9空气O250.87N2191.39燃烧气CO244.2H2O53.6O24.62N2194.29296.71小结元素衡算法介绍1元素衡算法适用范围2举例说明元素衡算法的使用3课程：化工工艺初级设计知识点：物料衡算方法--直接计算法方法介绍方法：利用反应物在反应过程中的消耗量和产物的生成量之间符合化学计量系数之比，来进行反应物消耗和生成物生成量之间的换算，以达到进行反应器的物料衡算的目的，这种方法就叫直接计算法。△na:b:c:d适用范围适用：反应过程有明确的化学反应方程式，且反应过程比较简单，没有很多的副反应发生，并且已知条件比较充分的情况。这样的计算比较简便，不必按前面所介绍的方法列出物料衡算式。举例:见下页

例：甲醛由甲醇催化氧化制得，反应物和生成物均为气态，氧化剂由空气提供，且过量40%，现已知甲醇转化率为70%。试计算反应完成后离开反应器尾气气体混合物的摩尔组成。已知反应器中所发生的化学反应：举例解：由题意物料流程如图所示基准：100mol的CH3OH理论需O2量：100×0.5=50mol

由已知条件空气过量40%，那么O2也过量40%，实际输入O2量：50×1.4=70mol

实际输入的空气量：

70÷0.21=333.3mol

带入的N2量：

333.3×0.79=263.3mol

甲醇转化率为70%

1:0.5:1:1

由已知CH3OH转化率为70%，则反应掉了的CH3OH量离开反应器各组分的输出量：剩余的

CH3OH100-70=30mol生成的HCHO70mol生成的H2O70mol剩余的O270-

70×0.5=35

mol

输出的N2263.3mol100mol△n1:0.5:1:1

△n70:35:70:700270, 30mol70mol70mol35mol263.3molN2263.3小结直接计算法介绍1直接计算法适用范围2举例说明直接计算法的使用3课程：化工工艺初级设计知识点：化学反应的物料衡算化学反应基本概念转化率某物质在反应中的转化程度选择性转化成目的产物的某反应物量与参加反应而转化的该反应物总量的百分率。收率进入反应器的原料与生成目的产物所消耗的原料之间的数量关系化学反应过程的物料衡算方法直接计算法根据化学反应方程式以及反应的转化率和选择性，利用化学计量系数进行计算1常见无化学反应过程的物料衡算原子平衡法利用反应前后原子的种类和数目保持不变的原理，列出原子平衡方程式，对反应过程进行物料衡算2常见无化学反应过程的物料衡算平衡常数法达到化学平衡,在定温、定压、且反应物的浓度不变时，平衡将保持稳定3常见无化学反应过程的物料衡算带循环、放空及旁路3试差法代数解法估计循环流量，计算至循环回流节点以循环流量为未知数，联立方程组求解小结化学反应基本概念12化学反应过程的物料衡算方法课程：化工工艺初级设计知识点：化学反应过程物料衡算时的几个重要参数当配比不等于化学计量比时引入以下概念：1、限制反应物——化学反应原料不按化学计量比配料时，以最小化学计量数存在的反应物。2、过量反应物——反应物的量超过限制反应物完全反应所需的理论量的，该反应物叫过量反应物。限制反应物和过量反应物注意：（1）按化学计量数最小而非绝对量最小；（2）当体系有几个反应时，按主反应计量关系考虑；

（3）计算过量反应物的理论量时，限制反应物必须完全反应（无论实际情况如何，按转化率100%计。)

过量百分数=过量百分数——过量反应物超过限制反应物完全反应所需理论量Nt的部分占所需理论量的百分数。过量百分数——某反应物反应掉的量占其输入量的百分数。反应：aA+bBcC+dD反应体系NA1NA2对B的x怎样求之？转化率注意：1）要注明是指那种反应物的转化率；2）反应掉的量应包括主副反应消耗的原料之和；3）若未指明是那种反应物的转化率，则常指限制反应物的转化率。选择性S——生成目的产物所消耗的某原料量占该原料反应量的百分数。

若有反应：aA→dD选择性

收率Y——生成目的产物所消耗的某原料量占该原料通入量的百分数。收率

例：已知丙烯氧化法生产丙烯醛的一段反应器，原料丙烯投料量为600kg/h，出料中有丙烯醛640kg/h，另有未反应的丙烯25kg/h，试计算原料丙烯的转化率、选择性及丙烯醛的收率。举例：解：反应器物料变化如图所示

丙烯氧化生成丙烯醛的化学反应方程式：CH2CH=CH2+O2→CH2CHO+H2O一段反应器丙烯600kg/h丙烯25kg/h丙烯醛640kg/h丙烯转化率丙烯的选择性丙烯醛的收率课程：化工工艺初级设计知识点：计算基准的选择计算基准有以下几种：1、时间基准

对连续稳定流动体系，以单位时间作基准。该基准可与生产规模直接联系。对间歇过程，以处理一批物料的生产周期作基准。2、质量基准

对于液、固系统，因其多为复杂混合物选择一定质量的原料或产品作为计算基准。

若原料产品为单一化合物或组成已知，取物质量（mol）作基准更方便。3、体积基准

对气体选用体积作基准，通常取标况下体积。4、干湿基准干基不计所含水量，湿基考虑所含水量。恰当的选取计算基准可简化计算。例题：

丙烷充分燃烧时，通入的空气量为理论量的125％，反应式为C3H8+5O2＝＝3CO2+4H2O问100mol燃烧产物需要多少摩尔空气？3燃烧过程C3H81空气O221％,2N279％CO2H2OO2N2解：画出物料流程示意图（一）取1molC3H8为计算基准完全燃烧所需氧的理论量5mol实际供氧量1.25×5＝6.25mol供空气量6.25／0.21＝29.76mol气中N2量29.76×0.79＝23.51mol生成水量4mol生成CO2量3mol剩余氧量6.25－5＝1.25mol产生烟道气的量＝3+4+1.25+23.51

＝31.76mol100mol烟道气所需空气的量100×29.76／31.76＝93.7mol（二）取1mol空气为计算基准1mol空气为计算基准中氧量为0.21mol燃烧丙烷耗氧量0.21／1.25＝0.168mol燃烧丙烷的量0.168／5＝0.0336mol

输入

输出组分摩尔克组分摩尔

克C3H80.033644CO20.101132O20.21200H2O0.13572N20.79658O20.04240N20.79658总计1.0336902总计1.068902衡算结果列于下表：100mol烟道气所需空气的量:100／1.068＝93.6mol（三）取100mol烟道气为计算基准

烟道气组成未知，气中各组分量及所需丙烷和空气量均未知。设：N——为烟道气中N2的量，mol;M——为烟道气中O2的量，mol;P——为烟道气中CO2的量，mol;A——入口空气的量，mol;Q——为烟道气中H2O的量，mol;B——入口C3H8的量，mol。6个未知量，需列6个独立方程。对元素列平衡式：C元素平衡3B＝PH元素平衡8B＝2QN元素平衡2×0.79A＝2NO元素平衡

2×0.21A＝2M+2P+Q

烟道气总量M+N+P+Q＝100

过剩氧量0.21A×0.25／1.25＝M解上述6个方程的要求的结果。（过程略）

由上例可知计算基准选取恰当与否，对计算难易影响。所以要重视计算基准选取。基准选取中几点说明：

（1）上面几种基准具体选哪种（有时几种共用）视具体条件而定，难以硬性规定。（2）通常选择已知变量数最多的物料流股作基准较方便。（3）取一定物料量作基准，相当于增加了一个已知条件（当产物的原料的量均未知时，使隐条件明朗化）。

（4）选取相对量较大的物流作基准，可减少计算误差。课程：化工工艺初级设计知识点：物料衡算的方法与步骤物料衡算的方法与步骤030201收集数据资料确定衡算体系02画物料流程图，确定过程所涉及的组分和物流03060204校核，检验列物料平衡方程求解05选定计算基准举例说明（化工物料的混合）：例：

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量。解：（1）画物料流程图，确定过程所涉及的组分和物流混合器废酸F1浓硫酸F2浓硝酸F3混合酸F4（2）确定衡算体系混合器废酸F1浓硫酸F2浓硝酸F3混合酸F4（3）收集数据资料混合器废酸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说明：下标序号第一个序号代表物流；第二个序号代表物流中的组分，1代表HNO3，2代表H2SO4，3代表H2O（4）选定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。）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=0.13100kg（5）列物料衡算式混合器废酸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=0.13100kg总物料衡算式H2SO4衡算式HNO3衡算式41.8kg39kg19.2kg（6）校核，检验以H2O的衡算式来验证输入：输出：故计算结果正确。总物料衡算式H2SO4衡算式HNO3衡算式混合器废酸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=0.13100kg41.8kg39kg19.2kg课程：化工工艺初级设计知识点：物料衡算的概述物料衡算的理论依据质量守恒定律：即在一个孤立物系中，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）（1）原材料消耗定额，判断是否达到设计要求。（2）各设备的输入及输出的物流量，摩尔分率组成及其他组成，并列表，在此基础上进行设备的选型及设计，并确定三废排放位置、数量及组成，有利于进一步提出三废治理的方法。（3）作为热量计算的依据。（4）根据计算结果绘出物流图，可进行管路设计及材质、仪表及自控设计的选取等。

物料衡算的意义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）物料衡算有两种情况:物料衡算基准质量体积干湿衡算基准时间对于连续生产，以一段时间间隔作为计算基准，如1秒、1小时、1天等的投料量或产品量。这种基准可直接联系到生产规模和设备设计计算，如年产300万吨乙烯装置，年操作时间为8000h，每小时的平均产量为37.5t。

对间歇生产，一般可以一釜或一批料的生产周期作为基准。（1）时间基准当系统介质为液、固相时，选择一定质量的原料或产品作为计算基准是合适的。

如以煤、石油、矿石为原料的化工过程采用一定量的原料，例如：1kg、1000kg等作基准。如果所用原料或产品系单一化合物，或者由已知组成百分数和组分分子量的多组分组成，那么用物质的量（摩尔）作基准更方便。（2）质量基准对气体物料进行衡算时选用体积基准。这时应将实际情况下的体积换算为标准状态下的体积，即标