化工计算课件

化工常用基礎數據

第一節常用基本物性數據一、臨界常數

臨界常數是重要的物質基本性質數據，它不僅表示本身的物理意義，而且也是用以計算其他物質基本性質的主要數據。

1.臨界溫度氣體可以液化的最高溫度稱為臨界溫度，記作Tc。

2.臨界壓力臨界溫度下氣體液化所需的最低壓力稱為臨界壓力，記作Pc。

3.臨界體積在臨界溫度及臨界壓力下，1mol氣體所占的體積稱為臨界體積，記作Vc，即為摩爾臨界體積。

4.臨界常數的應用臨界溫度、臨界壓力和臨界體積通稱為臨界常數。

第一節常用基本物性數據二、密度和相對密度1.密度⑴密度單位體積的物質所具有的品質稱為該物質的密度。定義式為理想氣體：⑵重度單位體積物質的重量稱為該物質的重度，定義式：2.相對密度物質A的相對密度是物質A的密度與基準物質的密度之比。相對密度一般可通過數據手冊查得。第一節常用基本物性數據

三、蒸氣壓和飽和蒸氣壓在一定的溫度下，液體內的一些分子會由於運動而逸出液面形成蒸氣，同時還有一部分分子從蒸氣中經過液面進入液體內。當逸出液面進入蒸氣的分子總數與經過液面進入液體的分子總數相等時，我們就說液體與其液面上的蒸氣呈飽和狀態。當液體與其蒸氣呈平衡狀態時，此蒸氣所產生的壓力稱為飽和蒸氣壓，簡稱為蒸氣壓。蒸氣壓隨溫度升高而增加。在相同的溫度下，不同的液體的飽和蒸氣壓不同。蒸氣壓越高，液體越容易汽化。第一節常用基本物性數據典型蒸氣壓計算經驗公式1.安托尼(Antoine)公式：2.克拉貝龍（Clapeyron）蒸氣壓方程：

第一節常用基本物性數據第一節常用基本物性數據蒸汽壓的計算舉例

例2-2巳知水的安托尼常數A＝7.96681，B＝1668.211C＝228．求100℃時水的飽和蒸氣壓為多少？

解：得：

熱力學物性數據是化工計算中常用的另一類基礎數據。常用的有：內能、焓、熵、熱容、相變熱、自由能、自由焓等。本節主要內容是介紹熱容、相變熱、焓等熱力學物性數據的物理意義、計算或估算方法。第二節常用熱力學物性數據一、熱容

當對物質進行加熱時，其溫度升高，當物質冷卻時放熱，其溫度降低。單位品質的物質溫度升高1K（或l℃）所需的熱量稱為熱容，又叫比熱。

1.分類

按物質的量分

⑴品質熱容，單位為

⑵摩爾熱容，單位為

按過程特徵分

⑴恒壓熱容：

⑵恒容熱容：氣體的和不同，但固體和液體的和差別很小，化工計算中所用的熱容一般都是等壓熱容。第二節常用熱力學物性數據2.計算方法⑴式中a、b、c、d——物質熱容隨溫度變化的擬合參數⑵當缺乏數據時，可用基團結構加和法進行估算。式中各參數查取見教材適合：理想氣體3.舉例：略（見教材）第二節常用熱力學物性數據第二節常用熱力學物性數據

二、相變熱1.定義任何物質都有三種相態，氣相、液相和固相，在化工生產過程中，因為反應條件的變化和化學反應的影響，常有物質會從一種相態變到另一種相態，出現蒸發、冷凝、結晶、昇華等相變過程，在相變發生的過程中伴隨著熱量的產生，稱為相變熱。2.分類⑴蒸發熱（或冷凝熱）：當溫度和壓力不變，1mol液體蒸發時所需的熱量（或氣體冷凝時放出的熱量），用表示。

⑵熔融熱（或凝固熱）：當溫度和壓力不變，1mol固體熔融所需的熱量（或液體凝固時放出的熱量），用表示。⑶昇華熱（或凝華熱）：當溫度和壓力不變，1mol固體昇華時所需的熱量（或氣體凝華時放出的熱量），用表示。

第二節常用熱力學物性數據

3.計算相變熱的經驗公式蒸發熱的經驗公式：⑴特魯頓（Trouton）法則⑵裏德爾（Reidel）法則

⑶克-克（Clausius-Clapeyron）方程⑷沃森（Watson）公式第二節常用熱力學物性數據4．舉例例2-4用特魯頓和裏德爾公式分別計算乙醚在正常沸點時的蒸發熱（乙醚的、、）。解：（1）用（2-16）式計算，取88，則（2）用（2-17）式計算，由、、

第二節常用熱力學物性數據三、焓1.定義焓是一個狀態函數，它的定義式是：式中H——體系的焓，J；

U——體系的內能，J；

p——體系的壓力，Pa；

V——體系的體積，m3

2.計算

化工產品的生產過程往往伴隨著化學反應，化學反應過程的反應熱是能量衡算過程中的一個重要參數，本節重點介紹標準生成熱、標準燃燒熱及反應熱的有關概念及它們之間的聯繫。一、標準生成熱第三節化學反應和熱化學數據

在25℃，101.3kPa下，由穩定單質生成1mol化合物時的焓變即為標準生成熱，以表示，單位為：kJ∙mol-1，與物質狀態有關，同一種物質在氣態、液態和固態的標準生成熱都是不一樣的，在25℃，101.3kPa下，處於穩定狀態的單質其=0，常見物質的可查有關的手冊，本書附錄中也收錄了一些常見物質的標準生成熱數據。二、標準燃燒熱第三節化學反應和熱化學數據三、反應熱

1.定義

在25℃，101.3kPa下，由各種處於穩定狀態的1mol物質進行燃燒反應生成指定燃燒產物時的焓變，稱為物質的標準燃燒熱，以表示。常見物質的可查有關的手冊，本書附錄中也收錄了一些常見物質的標準燃燒熱數據。

在25℃，101.3kPa下，由穩定單質生成1mol化合物時的焓變即為標準標準生成熱，以表示，單位為：kJ∙mol-1

，與物質狀態有關，同一種物質在氣態、液態和固態的標準生成熱都是不一樣的，在25℃，101.3kPa下，處於穩定狀態的單質其=0，常見物質的可查有關的手冊，本書附錄中也收錄了一些常見物質的標準生成熱數據。第三節化學反應和熱化學數據

2．計算1）由標準生成熱計算標準反應熱由標準生成熱計算標準反應熱可採用下式：2）由標準燃燒熱計算

第四節傳遞參數

一、黏度

1.定義 當流體流動時，由於其內部分子間的作用力不產生的阻力。不同的流體產生的阻力大小不同，所以有的流體容易流動，有的流體較難流動。表示這種阻力大小的物性叫做黏度。

2.分類黏度一般分為動力黏度和運動黏度兩種。

⑴動力黏度——動力黏度度是兩流體層相距1cm，其面積各為1cm2，相對移動速度為lcm／s時所產生的阻力。動力黏度又稱絕對黏度，通常所謂的黏度就是指動力黏度。

⑵運動黏度——運動黏度是流體的動力黏度與其密度之比：

第四節傳遞參數二、熱導率熱量能夠從物體的高溫部分沿著物體傳到其低溫部分。這種傳熱過程叫做熱傳導。不同的物質傳熱的本領並不相同。物質的傳熱本領可以用熱導率表示。熱導率的定義為物質厚度為1m，其兩壁面溫度相差1K時，每單位時間通過該平壁的熱量，以λ表示，λ數值越大，該物質的導熱性能越好。規律：金屬的熱導率最大，傳熱效果最好，非金屬的固體次之，液體的較小，氣體的最小。

化工過程參數

第一節評價化工生產效果的常用指標

一、生產能力和生產強度

1.生產能力

⑴定義：生產能力是指生產裝置每年生產的產品量，單位為

⑵分類：設計能力、查定能力和現有能力。

①設計能力是指在設計任務書和技術檔中所規定的生產能力，根據工廠設計中規定的產品方案和各種數據來確定。通常新建化工企業竣工投產後，要經過一段時間運轉，熟悉和掌握生產技術後才能達到規定的設計能力。

②查定能力一般是指老企業在沒有設計能力數據，或雖原有設計能力，但由於企業的產品方案和組織管理、技術條件等發生了重大變化，致使原設計能力已不能正確反映企業實際生產能力可達到的水準，此時重新調整和核定的生產能力。它是根據企業現有條件，並考慮到查定期內可能實現的各種技術組織措施而確定的。

③現有能力現有能力又稱計畫能力，指在計畫年度內，依據現有的生產技術組織條件及計畫年度內能夠實現的實際生產效果，按計畫期內產品方案計算確定的。

注意：這三種生產能力在實際生產中各有不同的用途，設計能力和查定能力是用作編制企業長遠規劃的依據，現有能力是編制年度生產計畫的重要依據。

第一節評價化工生產效果的常用指標2．生產強度

生產強度指的是單位特徵幾何量的生產能力，例如單位體積或單位面積的設備在單位時間內生產得到的目的產品數量(或投入的原料量)，單位是kg•m-3•h-1、t•m-3•d-1或kg•m-2•h-1、t•m-2•h-1等。

催化化學反應設備的生產強度常用催化劑的空時產率(或稱時空收率)來表示，即單位時間內，單位體積(或單位品質)催化劑所能獲得的目的產物的數量，可表示為kg／(h·m3催化劑)、t／(d，m3催化劑)或kg／(h．kg催化劑)、t／(d·kg催化劑)等。第一節評價化工生產效果的常用指標二、轉化率

1.定義轉化率是反應物料中的某一反應物在一個系統中參加化學反應的量占其通入系統總量的百分數，它表示了化學反應進行的程度。2.運算式3.分類根據研究的系統不同，工業生產中轉化率分為有單程轉化率和總轉化率，單程轉化率是以生產過程中的反應器為系統

⑴單程轉化率

單程轉化率=⑵總轉化率

第一節評價化工生產效果的常用指標

三、限制反應物與過量反應物

1.限制反應物化學反應原料不按化學計量比配料時，其中以最小化學計量數存在的反應物稱為限制反應物。

2.過量反應物不按化學計量比配料的原料中，某種反應物的量超過限制反應物完全反應所需的理論量，該反應物稱為過量反應物。

3.過量百分數過量反應物超過限制反應物所需理論量的部分占所需理論量的百分數。通常以此來表示過量反應物的過量程度。其計算方法有兩種⑴用化學計量數計算：過量%=

第一節評價化工生產效果的常用指標第一節評價化工生產效果的常用指標（2）用反應物量計算過量百分數由定義式也可表示為：過量反應物的轉化率總是小於限制反應物的轉化率，一般沒有特別說明的情況下轉化率是指限制反應物的轉化率，它可以用作衡量反應完全程度的標準。4.舉例

第一節評價化工生產效果的常用指標

例3-1：用磨碎的礬土礦與硫酸反應制得硫酸鋁，反應式如下：礬土礦中含Al2O355.4%（品質分數），硫酸溶液的濃度為77.7%（品質分數）。以1080kg礬土礦和2510kg硫酸溶液為原料，生產出1798kg純的硫酸鋁產品。求⑴反應物料中哪一種反應物為過量反應物？⑵過量反應物的過量百分數為多少？⑶過量反應物的轉化率是多少？⑷限制反應物的轉化率為多少？第一節評價化工生產效果的常用指標⑴過量反應物的判斷計算各反應物的化學計量數Al2O3的化學計量數：5.87H2SO4的化學計量數：所以H2SO4為過量反應物⑵過量反應物H2SO4的過量百分數的計算H2SO4的化學計量數：第一節評價化工生產效果的常用指標⑶生產5.26kmolAl2(SO4)3需消耗硫酸的量則硫酸的轉化率為：⑷限制反應物即Al2O3的轉化率

從本題可看出，限制反應物的轉化率為90%，過量反應物的轉化率僅為79.4%，限制反應物的轉化率遠比過量反應物的轉化率大，它才是真正表達了反應的完全程度。第一節評價化工生產效果的常用指標

三、產率和選擇性

1.產率產率指的是化學反應過程中得到目的產品的百分數。常用的產率指標為理論產率。理論產率是以產品的理論產量為基礎來計算的產率，即化學反應過程中實際所得目的產品量占理論產量的百分數。一般情況下，實際得到的目的產品數量只會比理論產量小，因此理論產率總是小於100%。根據計算目的產品理論產量的基準不同，理論產率又有兩種不同的表示方法。2.選擇性

3.單程收率

選擇性和單程收率的關係：選擇性×單程轉化率＝單程收率

第一節評價化工生產效果的常用指標

四、收率收率泛指一般的反應過程及非反應過程中得到的目的產品的百分率。

在某些生產過程中，由於採用的原料是複雜的混合物，其中的各種成分都有可能轉化為目的產物，而各種物料在反應中轉化為目的產物的情況又很難確定（比如石油裂解生產有機原料乙烯過程），此時，無法或很難用產率來表示產品的得率。為了表明反應效果，就常以收率來計算目的產物的得率。第一節評價化工生產效果的常用指標五、舉例

例3-3：已知丙烯氧化法生產丙烯醛的一段反應器，原料丙烯投料量為600kg/h，出料中有丙烯醛640kg/h，另有未反應的丙烯25kg/h，試計算原料丙烯的轉化率、選擇性及丙烯醛的收率。第一節評價化工生產效果的常用指標解：反應器物料變化如圖所示

丙烯氧化生成丙烯醛的化學反應方程式：CH2CH=CH2+O2→CH2CHO+H2O一段反應器丙烯600kg/h丙烯25kg/h丙烯醛640kg/h丙烯轉化率丙烯的選擇性丙烯醛的收率消耗定額

工藝技術管理工作的目標除了保證完成目的產品的產量和品質，還要努力降低消耗，因此各化工企業都根據產品設計數據和本企業的條件在工藝技術規程中規定了各種原材料的消耗定額，作為本企業的工藝技術經濟指標。如果超過了規定指標，必須查找原因，降低消耗以達到生產強度大、產品品質高、單位產品成本低的目的。1.定義指生產單位產品所消耗的各種原料及輔助材料——水、燃料、電力和蒸汽量等。第二節工藝技術經濟指標第二節工藝技術經濟指標2.分類⑴原料消耗定額

如果將初始物料（—般不是100%的純物質）轉化為具有一定純度要求的最終產品，按化學反應方程式的化學計量為基礎計算的消耗定額，稱為理論消耗定額，用“A理”表示。它是生產單位目的產品時，必須消耗原料量的理論值，因此實際過程的原料消耗量絕不可能低於理論消耗定額。化工企業的原材料消耗定額數據是根據理論消耗定額，參考同類型生產工廠的消耗定額數據，考慮本企業生產過程的實際情況(工藝允許的物料損失和生產中應該能達到的水準等)估算出來而編入工藝技術規程，作為本企業的控制指標。

⑵公用工程的消耗定額

公用工程指的是化工廠必不可少的供水、供熱、冷凍、供電和供氣等條件。第二節工藝技術經濟指標3．舉例

例3-4：乙醛氧化法生產醋酸，已知原料投料量為純度99.4%的乙醛500kg/h，得到的產物為純度98%的醋酸580kg/h，試計算原料乙醛的理論消耗定額、實際消耗定額以及原料利用率。

解：乙醛氧化法生產醋酸的化學反應方程式為：CH3CHO＋l／2O2——>CH3COOH原料乙醛的理論消耗定額、實際消耗定額以及原料利用率為：A理＝(1000×44÷0.994)／(60÷0.98)＝723(kg原料乙醛／t成品醋酸)A實＝(1000×500)／580＝862.06(kg原料乙醛／t成品醋酸)η＝(723／862.06)×100％＝83.87％能量衡算

第一節概述一、能量衡算的意義

選擇最佳操作條件，制定既經濟又合理的能量消耗方案。二、能量衡算的理論依據熱力學第一定律：能量既不能產生，也不能消滅三、能量衡算的應用主要應用在兩種類型的問題上：

一類是對使用中的裝置或設備；另一類是在設計新裝置或設備時。

能量衡算的基礎是物料衡算。只有在進行物料衡算後才能做出能量衡算。四、能量平衡圖第二節能量的基本形式

能量衡算和物料衡算類似，要用到守恆的概念，即要計算進入和離開特定體系的能量值，因此必須分清不同形式的能量形式及表示的方法。由於能量存在有多種形式，因此能量衡算要比物料衡算複雜。一、位能（Ep）位能又稱勢能，是物體由於在高度上的位移而具有的能量。其值的大小與物體所在的力場有關，物體在重力場中所具有的位能可用下式表示：第二節能量的基本形式分析：位能的大小和基準面有關，因此物體距基準面的高度差決定了位能的大小，當物體處於基準面上時其位能為零。由於多數化工生產過程基本上是在地表或接近地表的高度進行的，位能對整個能量衡算的影響一般不大，除在計算物料的輸送功率時物料的位能變化是不可忽略的外，在能量衡算中位能皆可忽略。第二節能量的基本形式

二、動能（Ek）

由於物體運動所具有的能量，稱為動能，其值表示為：

物體的動能與物體運動速度的平方成正比，因此物體的運動速度對動能的影響較大，但在化工生產過程中物料的流動速度一般都不大，與其他能量相比較可以忽略，只有當物料經過噴嘴或銳孔形成高速的噴射流時，在能量衡算中動能的影響才比較明顯其值不可以忽略。

第二節能量的基本形式

三、內能（U）內能表示除了宏觀的動能和位能外物質所具有的能量，其大小與分子運動有關。對於純組分物質，內能可表示成與溫度和摩爾體積間的函數關係：我們只能計算內能的差，或計算相對於某個參考態的內能，而無法計算內能的絕對值。第三節幾個與能量衡算有關的重要物理量

一、功（W）功是能量傳遞的一種形式，功是力與位移的乘積。可表示為：

說明：環境對系統作功取為正值，系統對環境作功取為負值。熱量的單位為焦耳（J）

在化工生產過程中常見的有體積功、流動功及旋軸功的機械功等。

功只是指被傳遞的熱量，從熱力學第二定律可知，功可以無條件地全部轉化為熱量。第三節幾個與能量衡算有關的重要物理量

二、熱量（Q）當溫度不同的兩物體進行接觸時，能量總是從熱（溫度高）的物體向冷（溫度低）的物體流動，這種由於溫度差而引起傳遞的能量稱為熱量。環境對系統加的熱為正，從系統中取出的熱為負。熱量的單位為焦耳（J）

注意兩點:

第一，熱量是一種能量的形式，是傳遞過程中的能量形式；第二，一定要有溫度差或溫度梯率，才會有熱量的傳遞。第三節幾個與能量衡算有關的重要物理量

三、焓（H）對於焓的定義在第二章化工常用基礎數據的有關章節中已做了介紹。焓與內能一樣，都是熱力學函數中的狀態函數，這種狀態函數與過程的途徑無關，只與所處的狀態有關。

既然焓是用來表達流動系統中能量的適當形式，為了解決問題方便，科技工作者編制了許多形式的焓值表，並提出估算相變熱的方法，其中重要的有：水蒸氣表氣體焓值表相變焓第四節能量衡算的基本方法

一、能量衡算方程

1.能量衡算方程式的一般形式根據熱力學第一定律，能量衡算方程式可寫為：式中:2.對不同的體系能量衡算式又有不同的簡化形式：

⑴封閉體系

⑵連續穩態流動過程的總能量衡算第四節能量衡算的基本方法二、機械能衡算

有關Σhf的計算方法，在化工原理課程中已作詳細討論，此處不再敘述。第四節能量衡算的基本方法

三、熱量衡算對於沒有功的傳遞（W=0），並且動能和位能可以忽略不計的設備，如換熱器，連續穩定流動過程的能量衡算主要就體現在熱量衡算，且化工生產中熱量消耗是能量消耗的主要部分，例如一套年產25萬噸乙烯的裂解裝置，採用柴油作裂解原料時，總能量消耗約為1.314×109kJ·h-1，其中90%以上的能量消耗就是體現在熱量消耗上。因此，化工過程中的能量衡算主要是熱量衡算。第四節能量衡算的基本方法1．熱量衡算式以熱量傳遞為主的設備，在連續穩態流動的情況下其熱量衡算可採用下式表示：在間歇操作情況下其熱量衡算可採用下式表示：

從上兩式可以看出，熱量衡算就是計算在指定的條件下體系中進出物料的焓差或內能差，從而確定過程傳遞的熱量。第四節能量衡算的基本方法2．熱量衡算的基本方法及步驟

⑴熱量衡算有兩種情況一種是在設計時，根據給定的進出物料量及已知溫度求另一股物料的未知物料量或溫度，常用於計算換熱設備的熱物料（如蒸汽等）用量或冷物料（如冷卻水等）用量。

另一種是在原有過程或裝置上，對某個設備，利用實際測定（有時也需要作一些相應的計算）的數據，計算出另一些不能或很難直接得到的數據（主要是熱量或能量），由此對設備作出能量利用上的評價。

⑵熱量衡算的基本步驟有

a.畫物料流程圖

b.選擇基準

c.數學方法求解

d.列表並校核

第四節能量衡算的基本方法

例5-5：兩股不同溫度的水用作鍋爐進水，它們的流量及溫度分別是A：120kg·min-1，30℃；B：175kg·min-1，65℃，鍋爐壓力為17×103kPa（絕壓）。出口蒸汽通過內徑為60mm的管子離開鍋爐。如產生的蒸汽是鍋爐壓力下的飽和蒸汽，計算每分鐘要供應鍋爐多少千焦的熱量，忽略進口的動能。解：①作水的物料衡算可知產生的蒸汽流量為120+175=295kg·min-1。

②確定各流股的比焓由水蒸氣表查得30℃、65℃液態水及17×103kPa時的飽和水蒸氣的焓。查得的數據已填入流程圖中。30℃、120kg•min-1

、H=125.7kJ•kg-1

65℃、175kg•min-1、H=271.9kJ•kg-1

295kg•min-1

、H=2793kJ•kg-1

1.7×103kPa飽和水蒸氣(204℃)③寫出能量衡算方程並求解

對體系來說由於沒有運動的部件，W=0；由於高度差較小，所以第四節能量衡算的基本方法=7.61×105kJ·min-1=1.27×104kJ·s-1

由水蒸氣表查得17atm飽和蒸氣比容為0.1166m3·kg-1，內徑0.06m管子的截面積為蒸汽流速為第四節能量衡算的基本方法由於進水的動能可以忽略,則

可見動能的變化約占過程所需總熱量的0.4%，對於帶有相變、化學反應或較大溫度變化的過程，動能和位能的變化相對於焓變來說，常常是可忽略的（至少在作估算時可以這樣）。第五節無化學反應過程的能量衡算

無化學反應過程的能量衡算，一般應用於計算指定條件下進出過程物料的焓差或內能差，用來確定過程的熱量，進而計算出冷卻或加熱介質的用量或溫差，因此當過程中各物料的焓或內能可以從手冊中查到時，直接採用式或式進行計算比較簡單。第五節無化學反應過程的能量衡算例5-6：某鍋爐每分鐘產生800kPa的飽和水蒸氣，現有兩股不同溫度的水作為鍋爐進水，其中20℃的水為80kg·min-1，60℃的水為50kg·min-1。試求鍋爐每分鐘的供熱量。解：根據題意畫出流程示意圖20℃、80kg•min-1800kPa水蒸氣，130kg·min-1

60℃、50kg·min-1第五節無化學反應過程的能量衡算

因為焓是一個狀態函數，其變化值與過程無關，所以為了計算一個實際過程的焓變，由始態到終態可以用假想的幾個階段來代替原過程，而假想的各個階段的焓變應該是可以計算的，所需的數據也是可得到的。

根據題意可知鍋爐每分鐘產生130kg的水蒸氣，由飽和水蒸氣表知當壓力為800kPa時，其溫度為170.4℃，比焓為2773kJ·kg-1。20℃的水比焓為83.74kJ·kg-1，60℃的水比焓為251.21kJ·kg-1，代入式Q=H2－H1，可求每分鐘需供熱量：

Q=130×2773－（80×83.74+50×251.21）

=360490－19260=341230kJ·min-1第五節無化學反應過程的能量衡算

一、無相變的變溫變壓過程的熱量衡算

化工過程中無相變、無化學反應過程的熱量衡算主要是指物料溫度變化所需加入或取出的熱量的計算，化工生產中常見的加熱或冷卻過程就屬於這種情況。

1．利用熱容計算ΔU或ΔH

⑴恒壓過程Qp或ΔH的計算

⑵恒容過程QV或ΔU的計算第五節無化學反應過程的能量衡算⑶壓力對焓的影響壓力變化對U、H的影響，對於理想氣體和真實氣體是不同的。對理想氣體，U是溫度的函數，與壓力無關；對固體或液體，在恒溫變化時，ΔU≈0，ΔΗ=ΔU+Δ（PV）≈VΔP。對於真實氣體，在低壓高溫情況，接近理想氣體，可忽略壓力對焓的影響，其他情況下，可根據氣體的焓校正圖加以校正。第五節無化學反應過程的能量衡算2．單相體系的能量衡算例5-7：有一裂解氣的油吸收裝置，熱的貧油和冷的富油在換熱器中換熱，富油流量為12000kg·h-1，入口溫度為30℃；貧油流量為10000kg·h-1，入口溫度為150℃，出口溫度為65℃。求富油的出口溫度。已知在相應的溫度範圍內，貧油平均熱容為2.240kJ·kg-1·K-1；富油為2.093kJ·kg-1·K-1。若換熱器熱損失可忽略不計。解：根據題意畫出流程示意圖

富油30℃F3=12000kg·h-1

F1=10000kg·h-1

貧油150℃

65℃

換熱器

F2=10000kg·h-1

F4=12000kg·h-1T4=？第五節無化學反應過程的能量衡算

基準：1h、30℃

因無熱量損失，故貧油與富油帶入系統的焓與貧油與富油離開系統時的焓相等，即熱量衡算式為

式中ΔH1,ΔH3—分別為貧油和富油進入換熱器時和基準態比較所具有的焓變，kJ·h-1

ΔH2,ΔH4—分別為貧油和富油離開換熱器時和基準態比較所具有的焓變，kJ·h-1

由已知，有焓變計算式，代入數據得：ΔH1＝10000×2.240×（150－30）＝2688000kJ·h-1

ΔH2＝10000×2.240×（65－30）＝784000kJ·h-1

ΔH3＝12000×2.093×（30－30）＝0ΔH4＝12000×2.093×（T4

－30）=25116(T4

－30）第五節無化學反應過程的能量衡算第五節無化學反應過程的能量衡算

二、相變過程的熱量衡算氣化和冷凝、熔化和凝固、昇華和凝華這類相變過程往往伴有顯著的內能和相態變化，這種變化常成為過程熱量衡算的主體，不容忽略。相變過程的熱量變化體現在物系的相態發生變化而非溫度的變化，進行熱量衡算時需要利用相變熱的數據。

1．相變熱在恒定壓力和溫度下，1mol的物質發生相態變化時的焓變稱為該物質的相變熱。

由於相變熱隨相變溫度的變化會有顯著的差異，如果實際過程與所查數據的條件不符合，可設計一個計算途徑來計算。

第五節無化學反應過程的能量衡算

例5-10：每小時100mol液體正已烷，在25℃、709.1kPa下恒壓氣化並加熱至300℃。忽略壓力對焓的影響，計算每小時的供熱量。解：根據題意，W=ΔEK=ΔEP=0，

所以能量衡算式变为：

Q=ΔH

因此算出ΔH便為所求的加熱量。第五節無化學反應過程的能量衡算

從手冊中查得101.3kPa正已烷的沸點為342K，ΔH汽化＝28.87kJ·mol-1，而正已烷在709.1kPa時的沸點為419K，但由於無法查到419K時的氣化熱數據，因此設計如圖5-13所示的途徑，使正已烷在342K由液體氣化為蒸氣，而不是在實際溫度419K下汽化。正已烷（液）298K正已烷（氣）573K正已烷（氣）342K正已烷（液）342K正已烷（液）419K正已烷（氣）419K正已烷（氣）298KΔHm,1ΔHm,2ΔHm,3ΔHm,4ΔHm,5ΔHm,6ΔHm,7ΔHm,8第五節無化學反應過程的能量衡算

上圖表示從298K液態正已烷汽化並加熱為573K正已烷蒸氣的幾條可能的途徑。如果已知419K的ΔHv，ΔH可由ΔHm,1＋ΔHm,4＋ΔHm,5＋ΔHm,6計算，如果已知298K的ΔHv，ΔH可由ΔHm,7＋ΔHm,8計算，由於只有342K時的ΔHv，ΔH應由ΔHm,1

＋ΔHm,2＋ΔHm,3計算。

查液體正已烷的Cp,m(l)＝215.5kJ·kmol-1·K-1。

ΔHm,1=Cp,m(l)(T2－T1)=215.5×（342－298）×10－3

＝9.482kJ.mol-1

ΔHm,2=ΔHv(342K)

=28.87kJ.mol-1第五節無化學反應過程的能量衡算氣體正已烷：kJ·kmol-1·K-1

kJ·mol-1

所以每小時的加熱量為8545kJ。kJ·h-1第五節無化學反應過程的能量衡算2．相變過程的能量衡算

例5-11：濃度為0.50（摩爾分數，下同）的苯、甲苯混合液，溫度為10℃，連續送入氣化室內，在氣化室內混合物被加熱至50℃，壓力為34.8mmHg。液相中苯的濃度為0.4，氣相中苯的濃度為0.684，問1kmol進料要多少熱量？解：根據題意畫出流程示意圖氣化室1kmol，10℃0.5kmol苯/kmol

0.5kmol甲苯/kmol

V（

kmol）,50℃,34.8mmHgQ(kJ/kmol)L（kmol）,50℃0.4mol苯/kmol,0.6kmol甲苯/kmol第五節無化學反應過程的能量衡算由物料衡算求V和L：

由手冊可查得：Cp（苯、液）=62.55+23.4×10-2TkJ·kmol-1·K-1

Cp（甲苯、液）=157kJ·kmol-1·K-1(273~323K)Cp（甲苯、液）=165kJ·kmol-1·K-1(273~373K)Cp（苯、氣）=－36.21+48.46×10-2T－31.56×10-5T2(kJ·kmol-1·K-1)Cp（甲苯、氣）=－34.40+55.92×10-2T－34.45×10-5T2(kJ·kmol-1·K-1)ΔHv(苯)=30760

kJ·kmol-1ΔHv(甲苯)=33470kJ·kmol-1(1)苯(液)50℃第五節無化學反應過程的能量衡算(2)甲苯(液)50℃ΔH2=Cp（甲苯、液）（50－10）=157（50－10）=6280kJ·kmol-1(3)苯(氣)50℃苯(液,10℃)—苯（液，80.26℃）—苯（氣，80.26℃）—苯（氣，50℃）(4)甲苯（氣）50℃甲苯(液,10℃)—甲苯（液，110.8℃）—甲苯（氣，110.8℃）—甲苯（氣，50℃）第五節無化學反應過程的能量衡算物質n

進/kmolHm,進,/(kJ·kmol-1)n

出/kmolHm,出/(kJ·kmol-1)苯(液)0.500.2595338甲苯(液)0.500.3896280苯(氣)－－0.24137600甲苯(氣)－－0.11142780將計算填入進出口焓表

總能量衡算Q=ΔH=Σn出Hm,出-Σn進Hm,進

=(0.259×5338)+(0.389×6280)+(0.241×37600)+(0.111×42780)－0=17630kJ·kmol-1第五節無化學反應過程的能量衡算1．溶解熱和混合熱

溶解熱是指1mol溶質（氣體或固體）於恒溫、恒壓下溶於nmol溶劑中，形成溶液時引起的焓的變化，稱該濃度下溶液的積分溶解熱，記作ΔHs(T,n)。隨著n的增大即溶液的濃度無限稀釋，ΔHs趨於一極限值，稱為無限稀釋積分溶解熱ΔHs(T,∞)。混合熱與溶解熱有相同的含意，只不過混合熱是指兩種液體混合過程的焓變。第五節無化學反應過程的能量衡算2．溶解與混合過程的能量衡算當配製、濃縮或稀釋一種溶液，且要作熱量衡算時，可以列出物料進、出口焓表，列表時將混合溶液看作是一種物質，並列出溶質的量或流率，焓的單位取J·mol-1(溶質)。如果溶解與混合過程物料中有純溶質，宜選用25℃（或已知的其他溫度）溶質和溶劑作為計算焓的基準；如果進出口物料是稀溶液，則選無限稀釋的溶液和純溶劑為基準比較好。第五節無化學反應過程的能量衡算

例5-12：鹽酸由氣態HCl用水吸收而制得，如果用25℃的H2O吸收100℃的HCl氣體，每小時生產40℃、25%（品質分數）HCl水溶液2000kg，計算吸收設備應加入或移出多少熱量？解：先作物料衡算，計算HCl（氣體）和H2O（液體）的流率。基準：2000kg25%（品質分數）HCl水溶液第五節無化學反應過程的能量衡算根據題意畫流程示意圖能量衡算基準：由於25℃HCl的ΔHs已知，又過程中有純HCl（氣），所以選25℃、HCl(氣)、H2O(液)為基準。設HCl帶入的焓為，其過程表示為查出HCl的平均熱容ΔHm,1=29.17×（100－25）×10－3＝2.188kJ·mol-1第五節無化學反應過程的能量衡算溶解過程的焓變為ΔHs，其過程表示為設HCl水溶液帶出的熱量為，其過程表示為：由手冊查得25%（品質）鹽酸的熱容為0.4185kJ·mol-1吸收裝置每小時需移出8.375×105kJ熱量。第六節化學反應過程的熱量衡算

在化學反應中反應物質分子結構的改變使分子內部質點間的相互作用發生變化，因而常伴隨著吸熱或放熱現象。為了使化學反應在適宜的溫度下進行以達到適當的轉化率或使目的產物達到盡可能高的收率，就要向反應系統提供或移出一定的熱量。化學反應通常伴隨較大的熱效應——吸收熱量或放出熱量，稱為反應熱。有關反應熱的定義及標準反應熱的定義和計算方法，在第二章化工基礎數據有關章節中已作較詳細的介紹，在此不再敘述，直接將反應熱結合到能量衡算中去。第六節化學反應過程的熱量衡算

一、化學反應過程的能量衡算

對於化學反應過程，同反應系統中物料的焓變相比，其位能、動能的變化皆可忽略，系統與環境間一般也無功的傳遞。這樣，反應系統的能量衡算就簡化為熱量衡算即焓衡算。

1．基準一：298K、101.3kPa

各反應物及產物狀態第六節化學反應過程的熱量衡算

此基準適合已知標準反應熱，且化學反應式單一。對非反應物質可另選適當的溫度為基準（如反應器的進、出口溫度，或熱容表的參考溫度）。此時反應過程的焓差用下式計算：第六節化學反應過程的熱量衡算

例5-13：氨氧化反應器的熱量衡算，在25℃、101.3kPa下氨氧化反應的標準反應熱為，其氨氧化反應式為：4NH3（氣）+5O2（氣）→4NO（氣）+6H2O（氣）

現將每小時200molNH3和400molO2在25℃下連續送入反應器，氨在反應器內全部反應，產物於300℃呈氣態離開反應器。如操作壓力為101.3kPa，計算反應器所需要輸入或輸出的熱量。解：由物料衡算得到的各組分流率示於流程圖中NH3200mol∙h-1O2400mol∙h-1

25℃

NO200mol∙h-1H2O300mol∙h-1O2150mol∙h-1300℃第六節化學反應過程的熱量衡算①輸入物料的焓因進口的兩股物料的溫度均為298K，故焓均為零。②輸出物料的焓查表300℃時：O2：

H2O：NO：計算：

基準：題給的進料量，25℃，101.3kPa，物料均為氣態第六節化學反應過程的熱量衡算③已知氨的消耗量為200mol∙h-1④此過程的焓

即為了維持產物溫度為300℃，每小時需從反應器移走39310kJ熱量。第六節化學反應過程的熱量衡算

當一個過程的反應為複雜反應體系時，有時會難以寫出發生在體系中的各個化學反應式，即使能寫出反應式，有時也難以確定一種原料參加不同反應的量的比例，即個反應的選擇性不確定，這時利用第一種基準進行化學反應過程的能量衡算就顯得力不從心。例如石油的催化裂解，反應如此之多，以致無法判別出每個單獨的反應，更談不上各反應間的比例關係，標準反應熱也無法知道，這時可用下列基準二求解。第六節化學反應過程的熱量衡算此時反應過程的總焓變用下式計算。

這裏反應物或產物的是各物質25℃的生成熱與物質由25℃變到它進口狀態或出口狀態所需顯熱和潛熱之和，可以分為單質和化合物兩種情況來討論。例，現假定某物質處在T溫度下，用第二種基準計算時，其焓如何計算？①該物質為化合物或2.基準二：25℃，101.3kPa組成反應物及產物各穩定態的單質時焓為零非反應分子以任意適當的溫度為基準第六節化學反應過程的熱量衡算②該物質為穩定態的單質或

所以第二種基準中的物質，是組成反應物和產物的、以自然形態存在的原子。第六節化學反應過程的熱量衡算

二．典型反應器的熱量衡算

⑴換熱式反應器

這類反應器除了熱量的自然損失外沒有專門的換熱設施，或者由於反應速度很快而無法及時換熱，反應過程的熱效應將導致反應物料溫度的上升或下降，反應熱效應越大，溫度上升或下降的效果越明顯，所以這類反應器只適合於反應熱效應不大，單程轉化率不高的場合。

⑵絕熱式反應器這類反應過程借助與外界換熱，使反應維持在合適的溫度條件。在連續穩定的操作條件下，通過能量衡算，算出與外界交換的熱量，為換熱設備的設計提供依據。如果反應是吸熱的，就要有蒸汽管道、載熱體、鍋爐或加熱爐；相反的，如果反應是放熱的，就要有移熱裝置，如換熱器、冷凝器等。對這種反應器主要是計算反應過程的總焓差，總焓差即是所需的換熱量。第六節化學反應過程的熱量衡算

組分進料/（kmol∙h-1）出料/（kmol∙h-1）CH4H2O(氣)COCO2H21.002.500000.251.500.50.252.50共計3.505.00

例5-15：甲烷和水蒸汽在反應器中反應，生成H2、CO和CO2。物料衡算結果列於下表中。設進料和出料均為500℃。求為保持反應器恒溫所需的加熱量。1.換熱式反應器的熱量恒算第六節化學反應過程的熱量衡算

解：分析反應過程，反應過程為複雜反應，所以選擇第二種基準進行能量衡算。基準：計算時間基準為1h，溫度基準25℃各元素穩定單質。由已知物料流量表，畫出流程示意圖CH40.25kmol∙h-1H2O1.50kmol∙h-1CO0.5kmol∙h-1CO20.25kmol∙h-1

H22.50kmol∙h-1500℃CH40.25kmol∙h-1H2O1.50kmol∙h-1500℃第六節化學反應過程的熱量衡算本題中由於進出口溫度相同，即同一種物質的Hi輸出=Hi輸入，則上式可化成：計算各組分在500℃的焓值CH4：查

H2O：查

第六節化學反應過程的熱量衡算CO：查

CO2：查

H2：查總焓變應為第六節化學反應過程的熱量衡算2.絕熱式反應器的熱量衡算

絕熱反應器與外界沒有熱量交換，此時

按第一種基準計算時，下式成立

按第二種基準計算時，下式成立第六節化學反應過程的熱量衡算

由絕熱反應器的特徵，在化學反應過程中與外界無熱量交換，無論採用哪一種基準，絕熱反應過程進出物料的總焓是相等的，但它們的溫度是不同的。當化學反應是吸熱反應時，即,出料溫度低於進料溫度，即出料溫度下降；當化學反應是放熱反應時，即

出料溫度高於進料溫度，即出料溫度上升。對絕熱反應過程的熱量衡算，通常是根據反應熱計算物料的出口溫度。第六節化學反應過程的熱量衡算

例5-16：在絕熱反應器中發生乙醇脫氫生成乙醛的化學反應，反應式如下：

C2H5OH(g)→CH3CHO(g)+H2(g)已知標準反應熱為：，乙醇蒸氣於300℃進入反應器，轉化率為30%，在該操作溫度範圍內各物質的平均摩爾熱容值為：C2H5OH(g)：CH3CHO(g)：H2(g)：求反應器出口產物的溫度。第六節化學反應過程的熱量衡算解：由題意進行簡單的物料衡算後將得到的結果示於流程示意圖反應器100molC2H5OH(g)300℃70molC2H5OH(g)30molCH3CHO(g)30molH2(g)T=？℃基準:物料基準100mol乙醇進料溫度基準第一種基準25℃，C2H5OH(g)，CH3CHO(g)，H2(g)由第一種基準，能量衡算式為：25℃反應的焓：第六節化學反應過程的熱量衡算計算各物質焓值各物質焓值的計算採用以下公式：C2H5OHCH3CHOH2

根據式（5-38）

代入數據得：解得：T=111.9℃第七節穩態流動過程物能聯合衡算

我們分別討論了物料衡算和能量衡算，一般應在作能量衡算之前先要作物料衡算；但有時根據物料衡算式不能直接計算出物料量，還需對物料衡算和能量衡算進行聯立求解。本節主要討論物料衡算和能量衡算聯合應用的問題。第七節穩態流動過程物能聯合衡算一、物能聯算的一般解法對於任何一個體系，都可以寫出：

1.總的物料算式；

2.每一組分的物料算式；

3.總能量衡算式。二、計算舉例第七節穩態流動過程物能聯合衡算

例5-17：某連續蒸餾塔每小時分離10000kg含40%（品質分率，下同）苯、60%氯苯的溶液，進料溫度294K，塔頂液體產物為99.5%的苯，塔底(從再沸器出來的物料)含1%苯。冷凝器進水溫度為288.7K，出水溫度為333K，再沸器用溫度為411K的飽和水蒸汽加熱，回流比（返回塔頂的液體量與取出塔頂液體產物之比）為6:1，設再沸器和冷凝器均在101.3kPa下操作，冷凝器的計算溫度為354K，再沸器溫度為404K，算得再沸器氣相中苯為3.9%（相當於5.5mol%）。計算下列各項：①塔頂產物和塔底產物每小時各為多少kg？②每小時回流多少kg？③進再沸器的液體和再沸器的蒸汽每小時各為多少kg？④每小時耗用的水蒸汽和冷卻水各為多少kg？第七節穩態流動過程物能聯合衡算解：①根據題意畫出流程示意圖,並注明已知條件。第七節穩態流動過程物能聯合衡算②已知液態苯和氯苯的熱容數據如下表所示：溫度/KCp/(kJ·kg-1·K-1)Hv/(kJ·kg-1)氯苯苯氯苯苯2943053223393553723894051.2551.3391.4021.4431.5061.5691.6321.6741.6951.7361.7991.8831.9662.0292.0922.176

325.43313.80302.17292.88

395.18385.97371.92357.73第七節穩態流動過程物能聯合衡算基準：每小時10000kg進料總物料衡算F=D+W③整個系統物料衡算10000=D+WW=6040kg·h-1

D=3960kg·h-1

10000×0.4=D×0.995+(10000－D)×0.0110000×0.4=D×0.995+W×0.01苯的衡算FxFi=DxDi+WxWi第七節穩態流動過程物能聯合衡算④冷凝器物料衡算LbxLb=6040×0.01+Vb×0.039L/D=6L=6D=6×3960=23760

kg·h-1V=L+D=23760+3960=27720kg·h-1⑤再沸器物料衡算總物料衡算：Lb=W+Vb苯衡算：LbxLb=WxW+VbxVbLb=6040+Vb第七節穩態流動過程物能聯合衡算⑥總熱量衡算

上式中Q水汽與Q冷凝為未知數，其他各項均為已知，所以仍然需要另外的方程。

選基準溫度為294K，這樣可以簡化進料焓的計算。假定溶液是理想的，則熱力學性質（焓和熱容）可以加和。題中不包括功、位能或動能。因此⑦冷凝器的熱量衡算

設基準溫度為354K，這樣可以簡化計算，使L和D都不包括進去。假設產物是在冷凝器的飽和溫度為354K時離開的。則有

解得：Q冷凝=－1.09×107kJ·h-1(放出的熱量)

V·Hv=BCp,水

(T2－T1)27720×(395.18×0.995+325.43×0.005)=B×4.187×(333－288.6)=－Q冷凝

冷凝水用量B=5.87×104kg·h-1[忽略進冷凝器氣體(處於露點狀態)冷卻到354K的顯熱]第七節穩態流動過程物能聯合衡算⑧水蒸氣用量用第⑥步的總熱量算式Q水蒸氣=3960×109.2+6040×158.6+1.09×107

式中109.2和158.6分別為塔頂和塔底物料的焓（kJ·kg-1），它們如下方法計算：根據題中所給的苯、氯苯的Cp~T數據表，用數值積分法，算出塔頂各組分的焓HDi和塔底各組分的焓HWi：

然後乘以相應的品質分數，即得塔頂、塔底物料焓（kJ·kg-1），具體計算數據如下表：第七節穩態流動過程物能聯合衡算物質塔頂產物(354K)塔底產物(404K)名稱品質分數Hi

/(kJ·kg-1)miHi

/(kJ·kg-1)品質分數Hi/(kJ·kg-1)miHi/(kJ·kg-1)苯氯苯0.9950.005109.384.2108.80.420.010.99204.9158.12.049156.51第七節穩態流動過程物能聯合衡算

以上計算Q水蒸氣的式子中，前兩項塔頂與底產物的顯熱比第三項Q冷凝要小一個數量級。因此，計算時可以簡化。假定塔頂產物D是純苯，而塔底產物W是純氯苯。現仍按上式計算

Q水蒸氣=432432+957944+1.09×107=1.23×107kJ·h-1

由水蒸氣表查得：404K的Hv=2175.7kJ·kg-1。假定蒸汽離開時為飽和溫度而不過冷，則⑨再沸器的能量衡算式Q水蒸氣+LbHLb=VbHVb+WHWVb和Lb值可以用再沸器的能量衡算和總物料衡算式聯立解得。第七節穩態流動過程物能聯合衡算Vb和Lb值可以用再沸器的能量衡算和總物料衡算式聯立解得。

Vb=1.23×107/293.5=41908kg·h-1基準溫度404K能量衡算1.23×107+Lb×1.632×(－10)=Vb(0.99×292.88+0.01×357.73)+W×0物料衡算Lb=W+Vb=6040+Vb1.23×107－（6040+Vb）16.32=293.5Vb1.23×107－0.0099×107=293.5Vb+16.32VbVb=1.22×107/309.8=39380kg·h-1Lb=6040+39380=45420kg·h-1如果忽略Lb物料的焓，則誤差約為7.7%

物料衡算

第一節物料衡算式一、化工過程的類型1．化工過程根據其操作方式可以分成連續操作、間歇操作以及間歇連續操作（半間歇或半連續操作）三類。2．化工過程按物系是否穩定，可分為穩定狀態操作和非穩定狀態操作。本章主要是以穩定狀態操作過程為主介紹物料衡算的有關方法，對不穩定狀態操作過程只作簡要的介紹。二、物料衡算式對任何一個體系，物料平衡關係式可表示為：輸入的物料量－輸出的物料量－反應消耗的物料量＋反應生成的物料量=積累的物料量

第一節物料衡算式1、穩定操作狀態穩定操作時，積累的物料量=0（1）有化學反應，此時物料平衡關係式為：輸入的物料量－輸出的物料量－反應消耗的物料量＋反應生成的物料量=0（2）無化學反應，反應消耗和生成的物料量為零，此時物料平衡關係式為：輸入的物料量—輸出的物料量=0非穩定操作狀態非穩定操作時，積累的物料量不為零（1）有化學反應輸入的物料量—輸出的物料量—反應消耗的物料量+反應生成的物料量=積累的物料量即為通式。（2）無化學反應輸入的物料量—輸出的物料量=積累的物料量

一、物料衡算的範圍進行物料衡算時，必須首先確定衡算的體系。所謂體系就是物料衡算的範圍，它可以是一個設備或幾個設備，也可以是一個單元操作或整個化工過程，可以根據實際需要人為地選定，體系的確定以能簡化解題為原則。物料衡算必定是針對特定的衡算體系的，它主要研究在某一個體系內進、出物料量及組成的變化。二、物料衡算的基本步驟進行物料衡算時，尤其是那些設備和過程較多的複雜體系的物料衡算，應按照一定的計算步驟來進行。

第二節物料衡算的基本方法1．收集、整理計算數據（1）設計任務數據

①生產規模根據設計任務、生產能力來確定。

②生產時間即年工作時數（操作時間），一般為7200-8000小時左右。

③有關工藝技術經濟指標即原料的消耗定額、轉化率、收率、選擇性（或產率）等。（2）物性數據如品質、密度、濃度、反應平衡常數、相平衡常數等，可以在有關資料、手冊、數據彙編等處查找。查找時應注意資料的可靠性，盡可能找原始資料並注意數據的適用範圍。所收集的數據應統一使用國際單位制。（3）工藝參數如溫度、壓力、流量、原料配比、停留時間等。第二節物料衡算的基本方法第二節物料衡算的基本方法2．畫出物料流程簡圖（1）畫物料流程圖的方法a.用簡單的方框表示過程中的設備，方框中標明過程的特點或設備的名稱；b.用帶箭頭的線條表示每股物流的途徑和流向舉例：物料流程示意圖

第二節物料衡算的基本方法在圖中，應表示出所有物料線，並注明所有已知和未知變數。如果過程中有很多股物流，則可將每股物流進行編號，以避免出錯。舉例：含CH485%和C2H615%（摩爾分數）的天然氣與空氣在混合器中混合。得到的混合氣體含CH410%。試計算100mol天然氣應加入的空氣量及得到的混合氣量。所畫的物料流程簡圖如下圖所示：混合過程的物料流程圖第二節物料衡算的基本方法3．確定衡算體系根據衡算對象的情況，用框圖形式畫出物料流程簡圖後，必要時可在流程圖中用虛線表示體系的邊界，從虛線與物料流股的交點可以很方便地知道進出體系的物料流股有多少。當物料衡算過程較複雜，包含有很多設備時，合理選擇衡算體系對解題是很有幫助的，特別是第一個衡算體系的確定，往往是解題的突破口，解決問題之關鍵，這時原則上應選擇已知條件最多、物料組分最多、未知變數最少的體系作為第一個衡算系統，這些條件有時不一定能同時滿足，可視具體情況進行取捨。如果再不能確定衡算體系，需列表進行自由度分析，檢查給定的數據條件與求解的變數數目是否相符，確定求解的步驟。第二節物料衡算的基本方法4．寫出化學反應方程式

寫化學反應方程式時，應按化學反應方程式的正確配平方法將方程式配平，包括主反應和副反應，並將參與反應的各反應物和生成物的分子量列表匯總表示出來，以備計算時用。5．選擇合適的計算基準，並在流程圖上注明所選的基準值。計算基準即作物料衡算時先確定的某一股物料的量。在物料、能量衡算中，計算基準的選取至關重要，從原則上說選擇任何一種計算基準，都能得到正確的解答。在一般化工計算中，根據過程的特點選擇計算基準大致可以從以下幾個方面考慮：第二節物料衡算的基本方法

（1）時間基準（2）品質基準（3）物質的量基準（4）體積基準對於不同化工過程，採用什麼基準適宜，需視具體情況而定，不能作硬性規定。例如，當進料的組成未知時（比如以煤．原油等作為原料），只能選單位品質作基準；當密度已知時，也可選體積作基準。但是，不能選1摩爾煤或1摩爾原油作基準，因為不知道它們的分子量。對有化學反應的體系，可以選某一個反應物的物質的量（摩爾數）作基準，因為化學反應是按反應物之間的摩爾比進行的。第二節物料衡算的基本方法

根據不同過程的特點，選擇計算基準時，應該注意以下幾點：⑴應選擇已知變數數最多的流股作為計算基準。⑵對液體或固體的體系，常選取單位品質作基準。⑶對連續流動體系，用單位時間作計算基準有時較方便。⑷對於氣體物料，如果環境條件（如溫度、壓力）已定，則可選取體積作基準。下麵舉例說明選擇不同的計算基準對解題難簡的影響程度。

第二節物料衡算的基本方法

例4-1：丙烷充分燃燒（即轉化率100%）時，實際供入的空氣量為理論所需量的125%，反應式為：求：每生成100mol的燃燒產物實際需要供入多少摩爾空氣？第二節物料衡算的基本方法解：由題意物料流程簡圖如下：由流程圖可知：該體系有三股物流：丙烷、空氣、燃燒產物。原則上基準的選擇有三種方法：1.選一定量的空氣為計算基準2.選一定量的丙烷為計算基準3.選一定量的燃燒產物為計算基準下麵分別以這三種物料為基準，比較各種計算方法的難易程度，以說明合理選擇基準的重要性。方法一基準：1mol1molC3H8完全燃燒需要的理論空氣量計算：由反應式，完全燃燒理論上需氧量（即實際耗氧量）：5mol由空氣過量125%即氧氣過量125%，有：實際供氧量折算成實際供空氣量（空氣中含氧21%）29.76mol空氣中含氮量反應後剩餘O2量1.25mol反應所產生的CO2量3mol反應所產生的H2O量4mol總的燃燒產物量：(23.51+1.25+3+4)mol=31.76mol所以，每100mol燃燒產物所需空氣量為：第二節物料衡算的基本方法方法二基準：1mol空氣按題意供入的空氣量為理論量的125%，則理論上所需空氣量為：因為1mol空氣中含氧量為0.21mol；所以供燃燒