化工设计：第三讲物料衡算

化工工艺计算化工工艺计算物料衡算能量衡算设计计算前的准备工作工艺性资料的收集（1）生产步骤各步骤所需的原料，中间体规格成品的规格和物化性质每批加料量或单位时间进料量各生产步骤的产率（2）工艺流程图及说明；设计计算前的准备工作工艺性资料的收集（3）具体的工艺操作条件（温度T、压力P）；（4）反应数据（计量学、动力学）（5）热力学参数（焓、热容、泡点、露点、潜热等）（6）流体输送过程参数（粘度、导热系数、表面张力等）（7）传质过程系数，相平衡数据。（8）介质物性和材质性能，材质数据，腐蚀数据设计计算前的准备工作工艺性资料的收集（9）车间平立面布置的参考资料。（10）管道设计资料（管道配置、管道材质、架设方式、管件、阀件等）（11）环境保护、安全保护等规范和资料。设计计算前的准备工作工程性资料的收集：（1）气象、地质资料。（2）公用工程的消耗量，辅助设施能力。（3）总图运输、原料输送方式、储存方式。（4）上、下水资料。（5）配电工程资料。（6）仪表自控资料等。设计计算前的准备工作资料的来源：（1）科研单位（研究报告）（2）设计单位（设计图纸、设计说明书）；（3）基建单位（厂址方案、基建工程资料和安装工程资料）；（4）生产单位设计计算前的准备工作资料的来源：（5）可行性研究报告、各国文摘和专利、各类工艺书籍、各类调查报告、各种化工过程与设备计算等书籍。物料衡算物料衡算是化工工艺设计的基础；物料衡算的任务根据化工装置的生产规模、已知的基本数据，通过对化工过程中每个单元过程的物料衡算，计算原料定额、三废排放量及三废的组成，为化工设计提供量化基础。物料衡算理论基础是质量守恒；方程式：(Fi-Fo)+(Dp-Dr)=WFi

为进入系统的物料量；Fo

为从系统流出的物料量；Dp

为在系统内生成的物料量；Dr为在系统内消耗的物料量；W为在系统中累计的物料量；无化学反应Fi-Fo=W连续稳定操作过程(Fi-Fo)+(Dp-Dr)=0物料衡算计算基准时间为基准，如小时、秒，多用于连续操作；单位质量为基准，如吨、千克，主要用于计算原料消耗；物质的量基准：对于有化学反应的过程，因化学反应的按摩尔进行的，用物质的量基准更方便；一批物料为基准，多用于分批（间歇）操作；单位体积为基准，对气体物料进行衡算，采用标准体积m3(STP)，既排除T、p的影响，又可直接换算为摩尔；干湿基准：由于物料中均含有一定量的水分，选用基准时就有算不算水分的问题。湿基计算水分，干基不计算水分。计算过程中，应采用统一的标准物料衡算计算范围示意图衡算范围：物料衡算计算对象总质量平衡任何体系对象，虽然某一组份的质量或摩尔数不一定守恒，其总质量是守恒的组份平衡物理过程，体系内各组份的质量和摩尔数都是守恒的；化学过程中，体系内不发生化学反应的惰性组份的质量和摩尔数是守恒的；对于参与反应的组份：对于组份A加入系统A的量＝系统中转化的A的量＋离开系统A的量＋在系统中累计的A的量元素平衡无论什么过程，平衡总是成立的。物料衡算计算步骤画出物料平衡计算框图；写出化学反应方程式（包括主、副反应）写明指定产量、年工作日生产能力、产率、产品纯度；选定计算基准；收集计算需要的数据；进行物料衡算；编写物料平衡表，画出物料平衡图。转化率、收率和选择性目的产物的收率Y关健组份转化率X转化率、收率和选择性目的产物的选择性S循环比混合比转化率、收率和选择性总转化率单程转化率转化率、收率和选择性总收率单程收率转化率、收率和选择性在由邻二甲苯经空气氧化生成邻苯二甲酸酐的反应中，其反应方程式如下：经试验测得，物料进口主要化合物为邻二甲苯100mol；出口物料为邻苯二甲酸酐78.2mol、马来酸酐6.44mol、二氧化碳146.64mol。求目的产物邻苯二甲酸酐的选择性。转化率、收率和选择性解：转化了的邻二甲苯量为：

78.2＋6.44＋(146.64－6.44×4)/8=99.75选择性＝78.2/99.75×100%=78.39%系统或设备中物理过程的物料平衡物料混合时的物料平衡在氯苯用混酸（H2SO4、HNO3、H2O）进行硝化时，原料酸为98%（质量百分数，下同）的浓硫酸、98%的浓硝酸和70%的硫酸，配置成含硫酸51%、含硝酸44%和含水5%的混酸1000kg，试计算原料酸的用量。系统或设备中物理过程的物料平衡解：设98%的浓硫酸用量为xkg、98%的浓硝酸和ykg、70%的硫酸为zkg，则：

x+y+z=1000kg

对于组份硫酸、硝酸和水，根据质量守恒进行衡算如下：对于硫酸：0.98x+0.7z=1000×51%对于硝酸：0.98y=1000×44%

对于水：0.02x+0.02y+0.3z=1000×0.05x=444kg

y=449kgz=107kg系统或设备中物理过程的物料平衡蒸馏过程的物料平衡连续常压蒸馏塔进料为苯38%（质量百分数，下同）和甲苯62%的混合溶液，要求馏出液中能回收原料中97%的苯，釜残液中含苯不高于2%，进料流量为20000kg/hr，求馏出液和釜残液的流量和组成。系统或设备中物理过程的物料平衡解：以1小时为计算基准，进入塔中的苯质量为20000×38%＝7600kg，甲苯为12400kg；塔顶馏出物中苯的质量为：7600×97%=7372kg

釜残液中苯的质量为：7600－7372＝228kg釜残液的质量为：228/2%＝11400kg塔顶馏出物的流量为：20000－11400＝8600kg塔顶馏出物的组成为：7372/8600×100%＝85.7%系统或设备中物理过程的物料平衡吸收过程的物料平衡用清水吸收含二氧化硫5%(体积百分数)的混合气，混合气流量为1000m3/hr，吸收率90%，吸收温度为20℃，操作压力为0.1013MPa，试计算最小用水量。二氧化硫20℃溶解度数据如下：二氧化硫（kgSO2/100KgH2O）10.70.50.30.20.15液面上SO2分压（kPa）7.865.23.461.961.10.77系统或设备中物理过程的物料平衡解：吸收前二氧化硫分压为0.1013×5%=5.065kPa,插值查得水中溶解二氧化硫的量为：0.69kgSO2/100KgH2O需要吸收掉的二氧化硫量为：1000×5%/22.4*273/(273+20)*90%=1.872kmol=119.8kg则需要水:119.8/0.69*100=17.36t/hr

化学反应过程系统或设备的物料平衡应用元素平衡的原子平衡法进行物料衡算丙烷充分燃烧时要使用过量25%（摩尔百分数）的空气，燃烧反应方程式为求每100mol燃烧产物，需要多少丙烷和空气。化学反应过程系统或设备的物料平衡解：基准：1mol原料气C3H8燃烧用氧5mol；实际供氧5×1.25=6.25mol；供给空气量6.25/0.21=29.76mol；其中氮气量23.51mol;产生：CO23mol；

H2O4mol；

O21.25mol；

N223.51mol；合计31.76mol；x==93.7mol化学反应过程系统或设备的物料平衡解：根据质量守恒定律，反应前后各元素的原子数不变，设：烟道气中N2的物质的量为N烟道气中CO2的物质的量为P烟道气中H2O的物质的量为Q烟道气中O2的物质的量为M入口空气的物质的量A入口丙烷的物质的量BN2平衡：0.79A＝NO2平衡：0.21A×0.25/1.25=M碳平衡：B＝P/3氢平衡：B＝Q/4

氧平衡：0.21A＝M＋Q/2+PN＋M＋P＋Q＝100解上述方程，得：A＝93.76mol,B=3.148mol

100带循环物流的过程乙醇脱氢生成乙醛的反应为：C2H5OH→

CH3CHO+H2流程如图所示，新鲜原料N1为乙醇，粗产物N3为乙醇、乙醛和氢，分离设备将乙醇从粗产物中分离出来：假设未反应的乙醇全部循环，其单程转化率为60%，求其循环比（N4/N5）、混合比（N4/N1）。混合器反应器分离设备N1N2N3N5N4作业用空气氧化邻二甲苯生产苯酐，原料流量为205kg/hr邻二甲苯和4500m3/h