[精选]物料衡算与能量衡算概论(PPT 154页)33747.pptx

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1、1第三章 物料衡算与能量衡算3.1 物料衡算3.2 能量衡算23 3.1 1 物料衡算物料衡算3.1.13.1.1 物料衡算的作用物料衡算的作用3.1.2 3.1.2 物料衡算的依据物料衡算的依据3.1.3 3.1.3 物料衡算式物料衡算式3.1.4 3.1.4 物料衡算的基本方法物料衡算的基本方法3.1.5 3.1.5 无化学反应过程的物料衡算无化学反应过程的物料衡算3.1.6 3.1.6 有化学反应过程的物料衡算有化学反应过程的物料衡算33.1 物料衡算物料衡算物物料料衡衡算算是是化化工工计计算算中中最最基基本本、最最重重要要的的内内容容之之一一，是能量衡算的基础。是能量衡算的基础。设设计

2、计或或研研究究一一个个化化工工过过程程，或或对对某某生生产产过过程程进进行行分分析析，需需要要了了解解能能量量的的分分布布情情况况，都都必必须须在在物物料料衡衡算算的的基基础础上上，才才能能进进一一步步算算出出物物质质之之间间交交换换的的能能量量以以及整个过程的能量分布情况。及整个过程的能量分布情况。物物料料衡衡算算和和能能量量衡衡算算是是进进行行化化工工工工艺艺设设计计、过过程程经经济评价、节能分析以及过程最优化的基础济评价、节能分析以及过程最优化的基础。43.1.1 3.1.1 物料衡算的作用（两种情况）物料衡算的作用（两种情况）:一一种种是是对对已已有有的的生生产产设设备备或或装装置置，

3、利利用用实实际际测测定定的的数数据据，算算出出另另一一些些不不能能直直接接测测定定的的物物料料量量。用用此此计计算算结结果果，对对生生产产情情况况进进行行分分析析、作作出出判判断断、提出改进措施。（一般的作业）提出改进措施。（一般的作业）另另一一种种是是设设计计一一种种新新的的设设备备或或装装置置，根根据据设设计计任任务务，先先作作物物料料衡衡算算，求求出出进进出出各各设设备备的的物物料料量量，然然后后再再作作能能量量衡衡算算，求求出出设设备备或或过过程程的的热热负负荷荷，从而确定设备尺寸及整个工艺流程。（设计）从而确定设备尺寸及整个工艺流程。（设计）3.1 物料衡算物料衡算53.1.2 3.

4、1.2 物料衡算的依据物料衡算的依据质量守恒定律质量守恒定律在在一一个个孤孤立立物物系系中中，不不论论物物质质发发生生任任何何变变化化，它它的的质质量量始始终终不不变变（不不包包括括核核反反应应，因因为为核核反反应应能能量量变变化化非非常大，此定律不适用常大，此定律不适用）。）。质量守恒（不是摩尔守恒、体积守恒）质量守恒（不是摩尔守恒、体积守恒）3.1 物料衡算物料衡算63.1.3 3.1.3 物料衡算式物料衡算式物料衡算是研究某一个体系内进、出物料量及组成物料衡算是研究某一个体系内进、出物料量及组成的变化。的变化。所谓体系就是所谓体系就是物料衡算的范围物料衡算的范围，它可以根据需要选，它可以

5、根据需要选定。体系可以是一个设备或几个设备，也可以是一定。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。须首先确定衡算的体系。3.1 物料衡算物料衡算7对对某某一一个个体体系系，输输入入体体系系的的物物料料量量应应该该等等于于输输出物料量与体系内积累量之和出物料量与体系内积累量之和 。连续过程的物料衡算式连续过程的物料衡算式 一般表示式为：一般表示式为：系统中积累系统中积累 =输入输入输出输出+生成生成消耗消耗稳态过程时：稳态过程时：输入输入 =输出输出 生成生成 +消耗消耗无化学反应的稳态

6、过程：无化学反应的稳态过程：输入输入 =输出输出 3.1 物料衡算物料衡算8物料衡算方程的不同形式物料衡算方程的不同形式 总平衡式总平衡式总质量平衡式总质量平衡式总摩尔平衡式总摩尔平衡式组分平衡式组分平衡式组分质量平衡式组分质量平衡式组分摩尔平衡式组分摩尔平衡式 元素原子平衡式元素原子平衡式元素原子质量平衡式元素原子质量平衡式元素原子摩尔平衡式元素原子摩尔平衡式3.1 物料衡算物料衡算93.1.4 3.1.4 物料衡算的基本方法物料衡算的基本方法进进行行物物料料衡衡算算时时，为为了了能能顺顺利利地地解解题题，避避免免错错误误，必必须须掌掌握握解解题题技技巧巧，按按正正确确的的解解题题方方法法和

7、和步步骤进行。这样才能获得准确的计算结果。骤进行。这样才能获得准确的计算结果。3.1 物料衡算物料衡算10 I.I.衡算范围衡算范围 指指定定的的任任何何空空间间范范围围。它它可可是是一一个个设设备备、一一个个单单元元或或整整个个过过程程。根根据据给给定定的的条条件件画画出出流流程程简简图图（过过程程示示意意图图或或衡衡算算范范围围）。图图中中用用简简单单的的方方框框表表示示过过程程中中的的设设备备，用用线线条条和和箭箭头头表表示示每每个个流流股股的的途途径径和和流流向向，并并标标出出每每个个流流股股的的已已知知变变量量（如如流流量量、组组成成）及及单单位位。对对一一些些未未知知的的变变量量，

8、可可用用符符号号表表示。示。3.1 物料衡算物料衡算11IIII.衡算对象衡算对象 参加过程的全部物料。参加过程的全部物料。对无化学反应的对象：可选任一物料对无化学反应的对象：可选任一物料 对有化学反应的对象：选未发生变化的物质对有化学反应的对象：选未发生变化的物质3.1 物料衡算物料衡算12III.III.衡算基准及其选择衡算基准及其选择原则上衡算基准是任意选择。原则上衡算基准是任意选择。但但是是，衡衡算算基基准准选选择择得得恰恰当当，可可以以使使计计算算简简化化，避避免免错错误误。对对于于不不同同化化工工过过程程，采采用用什什么么基基准准适适宜，需视具体情况而定，不能作硬性规定宜，需视具体

9、情况而定，不能作硬性规定。3.1 物料衡算物料衡算131.1.应选择应选择已知变量数最多的流股已知变量数最多的流股作为衡算基准。作为衡算基准。2.2.液体或固体的体系，常选取液体或固体的体系，常选取单位质量单位质量作基准。作基准。3.3.对连续流动体系，用对连续流动体系，用单位时间单位时间作计算基准有时较方便。作计算基准有时较方便。4.4.对于气体物料，如果环境条件（如温度、压力）已定，则对于气体物料，如果环境条件（如温度、压力）已定，则可选取体积可选取体积作基准。作基准。3.1 物料衡算物料衡算根据过程的特点，选择衡算基准时注意以下几点：根据过程的特点，选择衡算基准时注意以下几点：14 时间

10、基准时间基准 连续（小时，天连续（小时，天）间歇（釜，批间歇（釜，批）质量基准质量基准 kg，mol，kmol 体积基准体积基准 m3（STP），），Nm3 干湿基准干湿基准 干基（不含水），湿基（含水）干基（不含水），湿基（含水）各种衡算基准各种衡算基准3.1 物料衡算物料衡算15IV.IV.物料衡算的程序（步骤）物料衡算的程序（步骤）1.1.搜集计算数据（物性参数与操作参数等）搜集计算数据（物性参数与操作参数等）2.2.画出物料流程简图画出物料流程简图3.3.确定衡算体系确定衡算体系4.4.写写出出化化学学反反应应方方程程式式，包包括括主主反反应应和和副副反反应应，标出有用的分子量标出有用

11、的分子量3.1 物料衡算物料衡算165.5.选择计算基准，并在流程图上注明所选的基准值选择计算基准，并在流程图上注明所选的基准值6.6.列出物料衡算式，然后用数学方法求解列出物料衡算式，然后用数学方法求解7.7.校核计算结果（校核计算结果（数据归一数据归一）8.8.将将计计算算结结果果列列成成输输入入-输输出出物物料料表表（物物料料平平衡衡表表）（三线表、表头名称、基准三线表、表头名称、基准）3.1 物料衡算物料衡算17关于物性参数（数据）关于物性参数（数据）“物物性性参参数数”，又又被被称称作作“物物化化数数据据”或或“物物性性数数据据”，是是由由物物料料本本身身的的物物理理化化学学性性质质

12、所所决决定定的。的。化化工工基基础础数数据据包包括括很很多多，现现将将常常用用的的一一些些化化工工基础数据大致归纳成以下几类基础数据大致归纳成以下几类:3.1 物料衡算物料衡算18（1 1）基本物性数据）基本物性数据 如如临临界界常常数数（临临界界压压力力、临临界界温温度度、临临界界体体积积）、密密度度或或比比容容、状状态态方方程程参参数数、压压缩缩系系数数、蒸蒸气气压压、气气液液平平衡衡关关系等。系等。（2 2）热力学物性数据）热力学物性数据如内能、焓、熵、热容、相变热、自由能、自由焓等。如内能、焓、熵、热容、相变热、自由能、自由焓等。（3 3）化学反应和热化学数据）化学反应和热化学数据如如

13、反反应应热热、生生成成热热、燃燃烧烧热热、反反应应速速度度常常数数、活活化化能能，化学平衡常数等。化学平衡常数等。（4 4）传递参数）传递参数 如粘度、扩散系数、导热系数等。如粘度、扩散系数、导热系数等。3.1 物料衡算物料衡算19数据的获取：数据的获取：1.1.查手册或文献资料查手册或文献资料常常用用物物质质的的物物性性数数据据可可从从化化学学化化工工类类手手册册或或专专业业性性的的化化工手册中查到。（收集了许多物质的物性数据及图表工手册中查到。（收集了许多物质的物性数据及图表 ）化学工程手册，化学工程手册 编辑委员会，化学工业出版社，1980化工工艺设计手册，国家医药管理局上海医药设计院编

14、，化学工业出版社，1986化工工艺算图，吉林化学工业公司设计院等编，化学工业出版社，1982 3.1 物料衡算物料衡算202.2.估算估算可可以以应应用用物物理理和和化化学学的的一一些些基基本本定定律律计计算算各各种种物物质质的的性性质参数。质参数。但但是是，往往由于缺乏计算所需的一些分子性质（偶极矩、极化率、原子间距离等）的数据而无法计算，或者即使知道这些数据，计算也很复杂。因此，许多研究人员做了不少工作，建立了理论与经验相结合的方法，来计算各种物质的物性数据。这些方法仅从一个化合物二、三种数据就能估算出该化合物的其他物性数据来。基团贡献法基团贡献法3.1 物料衡算物料衡算213.3.用实验

15、直接测定用实验直接测定实验直接测定。实验直接测定。以上三种数据来源，从手册或文献中查得数据最方便，但往往有时数据不够完整，也会出现一些错误。用一些理论的、半经验的和经验的公式估算，也是一种简便的方法。当手册或文献中无法查得时，可以进行估算。直接用实验测定得到的数据最可靠，只是实验比较费时间又花钱。但是，如果查不到有关数据，而用公式估算得到的结果精度又不够时，则必须用实验进行测定。3.1 物料衡算物料衡算224.4.计算机检索计算机检索近近年年来来，随随着着电电子子计计算算机机的的迅迅速速发发展展，应应用用计计算算机机储储存存、检索和推算物性数据。检索和推算物性数据。一些大型化工企业、研究部门和

16、高等院校都相应建立了物性数据库，以便于通过计算机自动检索或估算所要求的数据，而不必自行查找或计算，大大节省了时间和精力。化工物性数据库化工物性数据库 美国，CINDAS(14000)北京化工大学，大型化工物性数据库CEPPDS(3417)3.1 物料衡算物料衡算233.1 物料衡算物料衡算例例：丙烷充分燃烧时，要供入的空气量为理论量的丙烷充分燃烧时，要供入的空气量为理论量的125%，反应式为：反应式为：C3H8+5O23CO2+4H2O问每问每100摩尔燃烧产物需要多少摩尔空气？摩尔燃烧产物需要多少摩尔空气？解解：物料流程简图如下：物料流程简图如下：由由图图可可知知，该该体体系系共共有有三三个

17、个流流股股：丙丙烷烷、空空气气、燃燃烧烧产产物物。从原则上来说，其中任一个物料量均可作为基准。从原则上来说，其中任一个物料量均可作为基准。燃烧过程C3H8空气空气 O2 N2123CO2H2OO2N2243.1 物料衡算物料衡算（一）基准：（一）基准：1 mol C3H8按照反应式，完全燃烧需氧量：按照反应式，完全燃烧需氧量：5 mol5 mol实际供氧量：实际供氧量：1.251.25*5=6.25 mol5=6.25 mol供空气量（空气中含氧供空气量（空气中含氧21%21%（molmol）：）：6.25/0.21=29.76 mol6.25/0.21=29.76 mol其中氮气量：其中氮气

18、量：29.7629.76*0.79=23.51 mol0.79=23.51 mol物料衡算结果如下表：物料衡算结果如下表：输输 入入输输 出出组分摩尔克组分摩尔克C3H8空气中O2N216.2523.5144200658.28CO2H2OO2N2341.2523.511327240658.28总计30.76902.2831.76902.28所以，每所以，每100 mol燃烧产物（烟道气）所需空气量为：燃烧产物（烟道气）所需空气量为：100 mol烟道气烟道气*（6.25+23.51）mol空气空气/31.76 mol烟道气烟道气=93.7mol1mol C3H8需要的空气量：需要的空气量：25

19、3.1 物料衡算物料衡算（二）基准：（二）基准：1 mol 空气空气按题意供入的空气量为理论量的按题意供入的空气量为理论量的125%125%，1mol1mol空气中氧量：空气中氧量：0.21 mol0.21 mol所以，供燃烧所以，供燃烧 C C3 3H H8 8的氧量：的氧量：0.21/1.25=0.168 mol0.21/1.25=0.168 mol燃烧的燃烧的C C3 3H H8 8的量：的量：0.168*(1/5)=0.0336 mol0.168*(1/5)=0.0336 mol物料衡算结果如下表：物料衡算结果如下表：输输 入入输输 出出组分组分摩尔摩尔克克组分组分摩尔摩尔克克C3H8

20、空气空气其中其中O2N20.0336（1.0）0.210.791.48（28.84）6.7222.12CO2H2OO2N20.1010.1350.0420.794.442.431.3422.12总计总计1.033630.321.06830.33所以，每所以，每100 mol燃烧产物（烟道气）所需空气量为：燃烧产物（烟道气）所需空气量为：100 mol烟道气烟道气*1mol空气空气/1.068 mol烟道气烟道气=93.6 mol26（三）基准：（三）基准：100 mol 烟道气烟道气3.1 物料衡算物料衡算设：N-烟道气N2，mol；M-烟道气中O2，mol；P-烟道气中CO2，mol；Q-烟

21、道气中H2O，mol；A-入口空气，mol；B-入口C3H8，mol。共有6个未知量，因此必须列6个独立方程。按按照照反反应应式式的的化化学学计计量量关关系系，还还可可以以列列出出另另外外几几个个线线性性方方程程，但但是是都都与与以上六个式子有关，独立方程只有以上六个公式。以上六个式子有关，独立方程只有以上六个公式。列元素平衡：C平衡：3B=PH2平衡：4B=QO2平衡：0.21A=M+P+Q/2N2平衡：0.79A=N烟道气总量：M+N+P+Q=100过剩氧量：0.21A*0.25/1.25=M烟道气：烟道气：氮气，二氧化碳，水蒸气，氧气氮气，二氧化碳，水蒸气，氧气273.1.5 3.1.5

22、 无化学反应过程的物料衡算无化学反应过程的物料衡算在在化化工工过过程程中中，只只有有物物理理变变化化不不发发生生化化学学反反应应的的单单元元操操作作如如混混合合、蒸蒸馏馏、蒸蒸发发、干干燥燥、吸吸收收、结结晶晶、萃萃取取等等，这这些些过过程程都都可可以以根根据据物物料料衡衡算算式式，直直接接列列出出总总物物料料和和各各组组分分的的衡衡算算式式，再再用用代代数数法法求解。求解。3.1 物料衡算物料衡算28I.I.简单过程的物料衡算简单过程的物料衡算简单过程简单过程是指仅有一个设备或一个单元操作的是指仅有一个设备或一个单元操作的过程。设备边界就是体系边界。过程。设备边界就是体系边界。1.1.画出物

23、料流程简图。画出物料流程简图。2.2.选择基准。选择基准。3.3.列物料衡算式，求解。列物料衡算式，求解。4.4.校核计算结果。校核计算结果。5.5.将计算结果列成输入将计算结果列成输入输出物料表（物料平衡表）。输出物料表（物料平衡表）。3.1 物料衡算物料衡算293.1 物料衡算物料衡算例：一一种种废废酸酸，组组成成为为23%23%（质质量量分分数数）HNOHNO3 3，57%H57%H2 2SOSO4 4和和20%H20%H2 2O O，加加入入93%93%的的浓浓H H2 2SOSO4 4及及90%90%的的浓浓HNOHNO3 3，要要求求混混合合成成含含27%HNO27%HNO3 3及

24、及60%H60%H2 2SOSO4 4的的混混合合酸酸，计计算算所所需需废废酸酸及及加加入浓酸的数量。入浓酸的数量。解：设设 x：废废酸量，酸量，kg；y：浓浓H2SO4量，量，kg；z：浓浓HNO3量，量，kg。1.1.画出物料流程简图画出物料流程简图303.1 物料衡算物料衡算2.2.选选择择基基准准：可以选择废酸或者浓酸的量为基准，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。3.3.列列物物料料衡衡算算式式：该体系有3种组分，可列出3个独立方程，所以能求出3个未知量。总物料衡算式总物料衡算式：x+y+z=100 (1)H2SO4衡算式衡算式：0.57

25、x+0.93y=1000.6=60 (2)HNO3衡算式衡算式：0.23x+0.90z=1000.27=27 (3)解(1)-(3)方程，得x=41.8 kg废酸，y=39 kg浓H2SO4，z=19.2 kg浓HNO3即由41.8 kg废酸，39 kg浓H2SO4，19.2 kg浓HNO3可以混合成100 kg混合酸。根据水平衡，可以核对以上结果：根据水平衡，可以核对以上结果：加入的水量=41.80.2+390.07+19.20.10=13 kg混合后的酸，含有13%H2O，所以计算结果正确。以上物料衡算式，亦可以选总物料衡算式及H2SO4与H2O两个衡算式或者H2SO4，HNO3，H2O三

26、个组分衡算式进行计算，均可以求得上述结果31II.II.有多个设备过程的物料衡算有多个设备过程的物料衡算3.1 物料衡算物料衡算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。时，必须选择恰当的衡算体系。例：例：有两个设备的过程，如下图所示，可以划分成三个衡算体系：有两个设备的过程，如下图所示，可以划分成三个衡算体系：每每个个衡衡算算体体系系均均可可列列出出相相应应的的衡衡算算方方程程。若若每每个个设设备备的的输输入入和和输输出出物物料料中中均均含含有有3 3个个组组分分，则则每每个个体体系系可

27、可写写出出3+13+1个个衡衡算算方方程程，其其中中有有3 3个个是是独独立立方方程程。如如，体体系系A,B,CA,B,C各各有有3 3个个独独立立方方程程，每每个个体体系系的的3 3个个独独立立方方程程成成为为一一组组，共共三三组组。这这样样，具具有有两两个个设设备备的的过过程程，共共有有2+12+1组组衡衡算算方方程程（即即设设备备I I，II II的的2 2组组方方程程和和整整个个过过程程的的1 1组组方方程程）。但但是是，只只有有2 2组组方方程程是是独独立立的的。所所以以，独立方程，总数应该是独立方程，总数应该是2323个，就是最多能求出个，就是最多能求出6 6个个未知量未知量323

28、.1 物料衡算物料衡算例例：有有两两个个蒸蒸馏馏塔塔的的分分离离装装置置，将将 含含 有有 50%50%苯苯、30%30%甲甲 苯苯 和和20%20%（mol%mol%）二二甲甲苯苯的的混混合合物物分分成成较较纯纯的的三三个个馏馏分分，其其流流程程图图及及各各流流股股组组成成如如右右图图，计计算算蒸蒸馏馏1000 1000 mol/hmol/h原原料料所所得得各各流流股股的的量量及及进进塔塔II II物料组成的。物料组成的。333.1 物料衡算物料衡算343.1.6 3.1.6 有化学反应过程的物料衡算有化学反应过程的物料衡算有化学反应的过程，物料中的组分变化比较复杂。有化学反应的过程，物料中

29、的组分变化比较复杂。工工业业上上的的化化学学反反应应，各各反反应应物物的的实实际际用用量量，并并不不等等于于化化学学反反应应式式中中的的理理论论量量。为为了了使使所所需需的的反反应应顺顺利利进进行行，或或使使其其中中较较昂昂贵贵的的反反应应物物全全部部转转化化，常常常常使使价格较低廉的一些反应物用量过量价格较低廉的一些反应物用量过量。3.1 物料衡算物料衡算35I.I.反应转化率、选择性及收率等概念反应转化率、选择性及收率等概念1 1.限制反应物限制反应物 化学反应原料不按化学计量比配料时，其中以最最小小化化学学计量数存在计量数存在的反应物称为限制反应物。2 2.过量反应物过量反应物 不按化学

30、计量比配料的原料中，某某种种反反应应物物的的量量超超过过限限制制反反应应物物完完全全反反应应所所需需的的理理论论量量，该反应物称为过量反应物。3 3.过量百分数过量百分数 过量反应物超超过过限限制制反反应应物物所所需需理理论论量量的部分占所需理论量的百分数。3.1 物料衡算物料衡算364.转化率（转化率（x）某一反应物反应掉的量占其输入量的百分数。5.选择性（选择性（S）反应物反应成目的产物所消耗的量占反应物反应掉的量的百分数。转化率与选择性是反应过程的两个主要技术指标。转化率与选择性是反应过程的两个主要技术指标。6.收率（收率（Y）反应物反应成目的产物所消耗的量除以反应物（通常指限制反应物）

31、输入量，以百分数表示。它可以用物质的量（摩尔数）或质量进行计算。3.1 物料衡算物料衡算转化率、选择性与收率三者之间的关系转化率、选择性与收率三者之间的关系:Y=Sx37转化率（转化率（x）某一反应物反应掉的量占其输入量的百分数。某一反应物反应掉的量占其输入量的百分数。某反应过程中，反应物某反应过程中，反应物A A的转化率：的转化率：不管是参加正反应还是副反应。Attention:Attention:分子分母需要统一，或都使用质量，或都使用物质的量。38收率（收率（Y）反反应应物物反反应应成成目目的的产产物物所所消消耗耗的的量量除除以以反反应应物物（通通常常指指限制反应物）输入量，以百分数表示

32、。限制反应物）输入量，以百分数表示。摩尔收率（摩尔收率（Y）以反应物以反应物A A计的产物计的产物C C的摩尔收率：的摩尔收率：摩尔收率不可能大于摩尔收率不可能大于100%，是反映物质真实的收率。，是反映物质真实的收率。39质质 量量 收收 率率（Y）以反应物A计的产物C的质量收率：质量收率大于质量收率大于100%是有可能的，是直观的收率。是有可能的，是直观的收率。40选择性（选择性（S）反反应应物物反应成目的产物所消耗的量（质量或物质的量）占反反应物应物反应掉的量（质量或物质的量）的百分数。目目的的产产物物生成量（质量或物质的量）占反应物反应掉的量理论全部生成目的产物目的产物的量（质量或物质

33、的量）的百分数。以反应物A计的产物C的选择性：41例例：用用邻邻二二甲甲苯苯气气相相催催化化氧氧化化生生产产邻邻苯苯二二甲甲酸酸酐酐（苯苯酐酐）。邻邻二二甲甲苯苯投投料料量量为为210 kg/h，空空气气4620 Hm3/h。反反应应器器出出口口物物料料组组成成（mol%）为为：苯苯酐酐0.654%，顺顺丁丁烯烯二二酸酸酐酐（顺顺酐酐）0.066%，邻邻二二甲甲苯苯0.03%，氧氧16.53%，氮氮气气77.75%，其其它它还还有有H2O，CO2，CO等等。试试计计算算邻邻二二甲甲苯苯转化率及苯酐和顺酐的收率及选择性转化率及苯酐和顺酐的收率及选择性3.1 物料衡算物料衡算解：解：物料流程示意图

34、物料流程示意图423.1 物料衡算物料衡算433.1 物料衡算物料衡算摩尔量之比3.49%3.25%6.45%44例例：已知丙烯氧化法生产丙烯醛的一段反应器，原料丙烯投已知丙烯氧化法生产丙烯醛的一段反应器，原料丙烯投料量为料量为600 kg/h600 kg/h，出料中有丙烯醛，出料中有丙烯醛640 kg/h640 kg/h，另有未反应的丙，另有未反应的丙烯烯25 kg/h25 kg/h，试计算原料丙烯的转化率、选择性及丙烯醛的收，试计算原料丙烯的转化率、选择性及丙烯醛的收率率。一段反一段反应应器器丙烯600 kg/h丙烯25 kg/h丙烯醛640 kg/h解：解：丙烯氧化生成丙烯醛的化学反应方

35、程式：丙烯氧化生成丙烯醛的化学反应方程式：3.1 物料衡算物料衡算45丙烯的选择性：丙烯的选择性：丙烯的转化率：丙烯的转化率：丙烯醛的收率：丙烯醛的收率：3.1 物料衡算物料衡算46II.II.一般反应过程的物料衡算一般反应过程的物料衡算对对有有化化学学反反应应过过程程的的物物料料衡衡算算，由由于于各各组组分分在在过过程程中中发发生生了了化化学学反反应应，因因此此就就不不能能简简单单地地列列组组分分的的衡衡算算式式，必必须须考考虑虑化化学学反反应应中中生生成成或或消消耗耗的的量量，应应该该根根据据化化学学反反应应式，列衡算方程式，列衡算方程。对对 一一 般般 的的 反反 应应 过过 程程，可可

36、 用用 下下 列列 几几 种种 方方 法法 求求 解解。3.1 物料衡算物料衡算471 1.直接求解法直接求解法 有些化学反应过程的物料衡算，有时只含一个未知量或有些化学反应过程的物料衡算，有时只含一个未知量或组成，这类问题比较简单，组成，这类问题比较简单，通常可根据化学反应式直接通常可根据化学反应式直接求解，不必列出衡算式求解，不必列出衡算式。直接求解法也称化学计量法直接求解法也称化学计量法。3.1 物料衡算物料衡算483.1 物料衡算物料衡算例例：丙烯、氨及氧反应制丙烯腈。反应式如下：丙烯、氨及氧反应制丙烯腈。反应式如下：原原料料气气组组成成为为10%10%（mol%mol%）C C3 3

37、H H6 6，12%NH12%NH3 3，78%78%空空气气。丙丙烯烯转化率为转化率为30%30%，求输出物料组成。，求输出物料组成。解解：493.1 物料衡算物料衡算50组分组分输输 入入输输 出出组成组成摩尔摩尔(kmol)kg组成组成摩尔摩尔(kmol)kgC3H6NH3O2N2C3H3NH2O101278101216.3861.6242020452417256.908.8711.7069.712.958.877911.8361.62392941533801725159162总计总计100.002873101.528733.1 物料衡算物料衡算51例例：苯苯乙乙烯烯的的反反应应器器，年

38、年生生产产能能力力为为10000 10000 t t，年年工工作作时时间间为为8000 8000 h h，苯苯乙乙烯烯收收率率为为40%40%，以以反反应应物物乙乙苯苯计计的的苯苯乙乙烯烯选选择择性性为为90%90%，苯苯选选择择性性为为3%3%，甲甲苯苯选选择择性性为为5%5%，焦焦油油选选择择性性为为2%2%。原原料料乙乙苯苯中中含含甲甲苯苯2%2%（质质量量分分数数），反反应应时时通通入入水水蒸蒸气气提提供供部部分分热热量量并并降降低低乙乙苯苯分分压压，乙乙苯苯原原料料和和水水蒸蒸气气比比为为1:1.51:1.5（质质量量比比），要要求求对对该该反反应应器器进进行行物物料料衡衡算算，即即

39、计计算算进进出出反反应器各物料的流量。应器各物料的流量。反应器反应器C6H5C2H5C6H5CH3(2%)、H2OC6H5C2H5、C6H6、C6H5CH3H2O、CH4、C2H4、C、H23.1 物料衡算物料衡算52解解：反应器中发生了以下化学反应：反应器中发生了以下化学反应：C6H5C2H5 C6H5C2H3+H2 （1）C6H5C2H5+H2 C6H5CH3+CH4 （2）C6H5C2H5 C2H4+C6H6 （3）C6H5C2H5 7C+3H2+CH4 （4）各物料的摩尔质量汇总列于表各物料的摩尔质量汇总列于表3-13-1。3.1 物料衡算物料衡算53物料物料C6H5C2H5C6H5C

40、2H3C6H6C6H5CH3H2OCH4C2H4CH2摩摩尔尔质质量量/(g/mol)1061047892181628122表表3-1 各物料的摩尔质量（基准：各物料的摩尔质量（基准：1000 kg/h乙苯原料）乙苯原料）3.1 物料衡算物料衡算54进进反反应应器器纯纯乙乙苯苯量量1000 kg/h98%=980 kg/h，即即为为9.245 kmol/h原料中甲苯量原料中甲苯量1000 kg/h2%=20 kg/h，即为，即为0.217 kmol/h水蒸气量水蒸气量980 kg/h1.5=1470kg/h，即为，即为81.667 kmol/h乙苯的转化率为乙苯的转化率为0.4/0.9=0.4

41、444参参加加反反应应的的总总乙乙苯苯量量980 kg/h0.4444=435.11 kg/h，即即为为4.109 kmol/h3.1 物料衡算物料衡算55产物中各组分情况如下：产物中各组分情况如下：未反应的乙苯量（未反应的乙苯量（980-435.11980-435.11）kg/h=544.89 kg/hkg/h=544.89 kg/h，即为，即为5.140 kmol/h5.140 kmol/h由苯乙烯选择性由苯乙烯选择性，生成苯乙烯量，生成苯乙烯量4.109 kmol/h90%=3.698 kmol/h4.109 kmol/h90%=3.698 kmol/h，即为即为384.60 kg/h3

42、84.60 kg/h由各物质的选择性：由各物质的选择性：输输出出的的甲甲苯苯量量4.109 4.109 kmol/h5%+0.217 kmol/h5%+0.217 kmol/h kmol/h=0.423=0.423 kmol/hkmol/h，即即为为38.92 38.92 kg/hkg/h生成的苯量生成的苯量4.109 kmol/h3%=0.123 kmol/h4.109 kmol/h3%=0.123 kmol/h，即为，即为9.60 kg/h9.60 kg/h生成的乙烯量生成的乙烯量4.109 kmol/h3%=0.123 kmol/h4.109 kmol/h3%=0.123 kmol/h，

43、即为，即为3.44 kg/h3.44 kg/h生成的碳量生成的碳量4.109 kmol/h2%7=0.575 kmol/h4.109 kmol/h2%7=0.575 kmol/h，即为，即为6.9 kg/h6.9 kg/h生成的甲烷量生成的甲烷量4.109 kmol/h4.109 kmol/h（5%+2%5%+2%）=0.288 kmol/h=0.288 kmol/h，即为，即为4.61 kg/h4.61 kg/h输输出出的的氢氢量量4.109 4.109 kmol/hkmol/h（90%-5%+2%390%-5%+2%3）=3.739=3.739 kmol/hkmol/h，即即为为7.48

44、7.48 kg/hkg/h输出水量输出水量=输入水量（不参与反应）输入水量（不参与反应）1470 kg/h1470 kg/h，即为，即为81.667 kmol/h81.667 kmol/h实际每小时要求苯乙烯的产量实际每小时要求苯乙烯的产量100001000 kg/8000h=1250 kg/h100001000 kg/8000h=1250 kg/h比例系数比例系数1250/384.60=3.251250/384.60=3.253.1 物料衡算物料衡算56乙苯脱氢反应器物料衡算表乙苯脱氢反应器物料衡算表组组分分输输 入入输输 出出摩摩尔尔流量流量/(kmol/h)质质量流量量流量/(kg/h)

45、摩摩尔尔流量流量/(kmol/h)质质量流量量流量/(kg/h)C6H5C2H530.046318516.7051770.89C6H5CH30.705651.375126.49H2O265.4184777.5265.4184777.5C6H5C2H312.0191249.95C6H60.00431.20C2H40.00411.18CH40.93614.98C1.86922.43H212.15224.31合合计计296.1698027.5310.4828028.933.1 物料衡算物料衡算572.2.元素衡算法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，元素衡算是物料衡算的一种重

46、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，化及重新组合的概念，表示为：表示为：输入（某种元素）输入（某种元素）=输出（同种元素）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时，可以列出元素衡算式，用表示的物料衡算时，可以列出元素衡算式，用代数法代数法求求解。解。3.1 物料衡算物料衡算583.1 物料衡算物料衡算例例：甲甲烷烷、乙乙烷烷与与水水蒸蒸气气用用镍镍催催化化剂剂进进行行转转化化反反应应，生生产产氢氢气，反应

47、器出口气体组成（干基）为：气，反应器出口气体组成（干基）为：组组分分CH4C2H6COCO2H2mol%4.62.518.64.669.7假假定定原原料料中中只只含含有有CHCH4 4和和C C2 2H H6 6两两种种碳碳氢氢化化合合物物，则则求求这这两两种种气气体体的的摩摩尔尔比比为为多多少少？每每10001000标标米米3 3原原料料气气，需需要要多多少少千千克克蒸蒸汽汽参加反应？参加反应？干干基基就就是是以以单单位位质质量量的的干干空空气气或或干干气气体体为为基基准准表表示示的的湿湿空空气气或湿气体的性质。或湿气体的性质。593.1 物料衡算物料衡算解：解：60例例：将将碳碳酸酸钠钠溶

48、溶液液加加入入石石灰灰进进行行苛苛化化，已已知知碳碳酸酸钠钠溶溶液液组组成成为为NaOH NaOH 0.59%0.59%（质质量量分分数数），NaNa2 2COCO3 3 14.88%14.88%，H H2 2O O 84.53%84.53%，反反应应后后的的苛苛化化液液含含CaCOCaCO3 3 13.48%13.48%，Ca(OH)Ca(OH)2 2 0.28%0.28%，NaNa2 2COCO3 3 0.61%0.61%，NaOH NaOH 10.36%10.36%，H H2 2O O 75.27%75.27%。计计算算：1 1）每每100 100 kgkg苛苛化化液液需需加加石石灰灰的

49、的质质量量及及石石灰灰的的组组成成；2 2）每每100 kg100 kg苛化液需用碳酸钠溶液的质量。苛化液需用碳酸钠溶液的质量。3.1 物料衡算物料衡算解解:设碳酸钠溶液的质量为设碳酸钠溶液的质量为F（kg）石灰的质量为石灰的质量为W（kg）石灰中石灰中CaCO3、CaO及及Ca(OH)2的质量分别设为的质量分别设为x、y和和z，则石灰中，则石灰中各物质的组成可表示为：各物质的组成可表示为：x/W，y/W，z/W基准：基准：100 kg苛化液苛化液61苛化反苛化反应器应器FNaOH 0.59%Na2CO3 14.88%H2O 84.53%CaCO3 13.48%Ca(OH)2 0.28%Na2

50、CO3 0.61%NaOH 10.36%H2O 75.27%CaCO3 x/WCaO y/WCa(OH)2 z/W画出物料流程示意图画出物料流程示意图3.1 物料衡算物料衡算62各种物料质量和物质的量各种物料质量和物质的量Na2CO3溶液溶液苛化苛化钠钠溶液溶液物料物料摩摩尔尔质质量量（g/mol）质质量量（kg）物物质质的量的量（kmol）物料物料摩摩尔尔质质量量（g/mol）质质量量（kg）物物质质的量的量（kmol）NaOH400.59%F0.000148FNaOH4010.360.2590Na2CO310614.88%F0.001404FNa2CO31060.610.00575H2O1