物料衡算和热量衡算方法

1、第五章第五章 物料衡算和能量衡算物料衡算和能量衡算物料衡算指根据各种物料之间的定量转化关系对进出整个生物料衡算指根据各种物料之间的定量转化关系对进出整个生产装置、产装置、 生产工序或单台设备的各股物料的数量及组成进行生产工序或单台设备的各股物料的数量及组成进行平衡计算。它是在工艺流程确定后最先进行的工艺计算。平衡计算。它是在工艺流程确定后最先进行的工艺计算。能量衡算是能量衡算是根据能量守恒定律，利用能量传递和转化的规则，根据能量守恒定律，利用能量传递和转化的规则，用以确定能量比例和能量转变的定量关系的过程称为能量用以确定能量比例和能量转变的定量关系的过程称为能量衡算。衡算。利用物理与化学的基本

2、定利用物理与化学的基本定律，对化工过程单元系统律，对化工过程单元系统的物料与能量平衡进行定的物料与能量平衡进行定量计算。量计算。化工工艺设计化工工艺设计过程评价过程评价节能分析节能分析过程最优化过程最优化基础基础 1、找出主、副产品的生成量、废物的排出量。、找出主、副产品的生成量、废物的排出量。 2、确定原材料消耗定额。、确定原材料消耗定额。 3、确定各物流的流量、组成和状态。、确定各物流的流量、组成和状态。 4、确定每一个设备内物质转换与能量传递速度。、确定每一个设备内物质转换与能量传递速度。物料衡算和能量衡算物料衡算和能量衡算解决解决 确定操作方式，设备选型以及设备尺寸，管路设确定操作方式

3、，设备选型以及设备尺寸，管路设施与公用工程。施与公用工程。提供依据提供依据一、物料衡算的目的一、物料衡算的目的 (1)确定原材料消耗定额，判断是否达到设计要求。确定原材料消耗定额，判断是否达到设计要求。(2)确定各设备的输入及输出的物流量，摩尔分率组成及其他确定各设备的输入及输出的物流量，摩尔分率组成及其他组成的表示方法，并列表，在此基础上进行设备的选型及设组成的表示方法，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。三废治理的方法。(3)作为热量计算的依据。作为热量计算的依据。 (4

4、)根据计算结果绘出物流图，可进行管路设计及材质选择，根据计算结果绘出物流图，可进行管路设计及材质选择，仪表及自控设计等。仪表及自控设计等。第一节第一节 物料衡算物料衡算二、物料衡算的类型二、物料衡算的类型1. 对已有的生产设备或装置的物料衡算对已有的生产设备或装置的物料衡算（一般的作业）（一般的作业）2.对新的设备或装置的物料衡算（设计）对新的设备或装置的物料衡算（设计）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。用此结果，对生产情况进行分析、作出判断、提出改进措施。此结果，对生产情况进行分析、作出判断、提出改进措施。设计任务设计任

5、务物料衡算物料衡算各设备的物料量各设备的物料量能量衡算能量衡算设备或过程热负荷设备或过程热负荷确定设备尺寸及整个工艺流程。确定设备尺寸及整个工艺流程。三、物料衡算的依据三、物料衡算的依据(1) 设计任务书中确定的技术方案、产品生产能力、年工设计任务书中确定的技术方案、产品生产能力、年工作时及操作方法。作时及操作方法。(2) 建设单位或研究单位所提供的要求、设计参数及实验室建设单位或研究单位所提供的要求、设计参数及实验室试验或中试等数据，主要有：试验或中试等数据，主要有：a) 化工单元过程的主要化学反应方程式、反应物配比、转化化工单元过程的主要化学反应方程式、反应物配比、转化率、选择性、总收率、

6、催化剂状态及加入配比量、催化剂是率、选择性、总收率、催化剂状态及加入配比量、催化剂是否回收使用、安全性能否回收使用、安全性能(爆炸上下限爆炸上下限)等。等。b) 原料及产品的分离方式，各步的回收率，采用物料分离原料及产品的分离方式，各步的回收率，采用物料分离剂时，加入分离剂的配比。剂时，加入分离剂的配比。c) 特殊化学品的物性，如沸点、熔点、饱和蒸汽压、闪点等。特殊化学品的物性，如沸点、熔点、饱和蒸汽压、闪点等。 (3)工艺流程示意图工艺流程示意图四、物料衡算的四、物料衡算的基本方法基本方法（一）化工过程的类型（一）化工过程的类型化工过程操作状态不同，其物料或能量衡算的方程亦有差别化工过程操作

7、状态不同，其物料或能量衡算的方程亦有差别其操作方式：间歇操作、连续操作、半连续操作。其操作方式：间歇操作、连续操作、半连续操作。（二）物料平衡方程（二）物料平衡方程 理论依据：质量守恒定律理论依据：质量守恒定律（Fi）进入过进入过程单元程单元的物料的物料量量流出过流出过程单元程单元的物料的物料量量在过程在过程单元内单元内生成的生成的物料量物料量在过程在过程单元内单元内消耗的消耗的物料量物料量过程单过程单元内累元内累积的物积的物料量料量（Fo）（Dp）（ Dr ）（W）即即上式：即可对总物料，也可以对其中任一组分或元素上式：即可对总物料，也可以对其中任一组分或元素列出。列出。在下列情况下上式可简

8、化为：在下列情况下上式可简化为： 稳定操作过程（稳定操作过程（ FiFo）（）（Dp Dr ） W 系统内无化学反应的间歇操作：系统内无化学反应的间歇操作：FiFo W 系统内无化学反应的稳态操作过程：系统内无化学反应的稳态操作过程： FiFo 0 对于没有化学反应的过程，一般上列写各组分的衡算方程，对于没有化学反应的过程，一般上列写各组分的衡算方程，只有涉及化学反应量，才列写出各元素的衡算方程。只有涉及化学反应量，才列写出各元素的衡算方程。ioprF-F +D -D = W（）（） 稳态过程（连续），体系内无物料积累。稳态过程（连续），体系内无物料积累。),.,2 , 1(011CNmmjm

9、NiijiNjrxFrsvF Fi i第第i i股物流物质的量流量；股物流物质的量流量；vx xijij第第j j组分在第组分在第i i股物流中的摩尔分数；股物流中的摩尔分数；vv vjmjm第第j j组分在第组分在第m m个化学反应中的化学计量系数个化学反应中的化学计量系数; ;vr rm m第第m m个化学反应的反应速率；个化学反应的反应速率；vN Nr r过程中所包含的化学反应个数。过程中所包含的化学反应个数。（三）、物料衡算基准（三）、物料衡算基准 物料衡算过程，必须选择计算基准，并在整个运算物料衡算过程，必须选择计算基准，并在整个运算中保持一致。若基准选的好，可使计算变得简单。中保持

10、一致。若基准选的好，可使计算变得简单。时间基准时间基准 （单位时间可取（单位时间可取1d1d、1h1h或或1s1s等等）。等等）。批量基准批量基准质量基准质量基准 例如例如: 可取某一基准物流的质量为可取某一基准物流的质量为100Kg为基准计算。为基准计算。物质的量基准物质的量基准标准体积基准标准体积基准（四）物料衡算的基本程序（四）物料衡算的基本程序 1.收集计算需要的数据收集计算需要的数据(1)原料、辅料、中间产物及产品的规格。原料、辅料、中间产物及产品的规格。(2)过程中单位时间内的物流量。过程中单位时间内的物流量。(3)有关消耗定额。有关消耗定额。(4)有关转化率、选择性、单程收率。有

11、关转化率、选择性、单程收率。(5)有关物理化学常数。有关物理化学常数。消耗定额是反映生产技术水消耗定额是反映生产技术水平的一项重要经济指标，是平的一项重要经济指标，是进行物料衡算的基础数据之进行物料衡算的基础数据之一。消耗定额是指生产每吨一。消耗定额是指生产每吨合格产品需要的原料、辅料合格产品需要的原料、辅料及试剂等的消耗量。及试剂等的消耗量。2.画物料流程简图画物料流程简图先应该根据给定的条件画出先应该根据给定的条件画出流程简图流程简图。图中用图中用简单的方框简单的方框表示过程中的设备。表示过程中的设备。用用线条和箭头线条和箭头表示每个流股的表示每个流股的途径和流向。途径和流向。表示每个流股

12、的表示每个流股的已知变量（如流量、组成）及单已知变量（如流量、组成）及单位位。对一些未知的变量，可用符号表示。对一些未知的变量，可用符号表示。 料浆料浆 滤饼滤饼 90%固体固体 F1=2000kg/h 过滤机过滤机 F3=？kg/h 10%液体液体 75%液体液体 25%固体固体 滤液滤液 F2=？kg/h 1%固体固体 99%液体液体过滤过程过滤过程对某反应系统，可画出物料衡算方框图如下：对某反应系统，可画出物料衡算方框图如下：3.确定衡算体系（衡算范围）确定衡算体系（衡算范围）物料衡算是研究某一个体系进、出物料量及组成的物料衡算是研究某一个体系进、出物料量及组成的变化。变化。进行物料衡算

13、时，必须首先确定衡算的体系。进行物料衡算时，必须首先确定衡算的体系。体系：物料衡算的范围。它可以根据实际需要体系：物料衡算的范围。它可以根据实际需要人为地人为地选定选定。体系体系一个设备或几个设备，一个设备或几个设备，一个单元操作一个单元操作一套装置或一个系统一套装置或一个系统整个化工过程。整个化工过程。单元单元单元单元单元单元衡算计算范围示意图：衡算计算范围示意图：边界线（边界线（Boundary Line）围起来的区域构成衡算范围。）围起来的区域构成衡算范围。1 1、流程中某一个单元设备；、流程中某一个单元设备；2 2、流程中某几个单元设备组合的子流程；、流程中某几个单元设备组合的子流程；

14、3 3、整个流程。、整个流程。4.写出化学反应方程式写出化学反应方程式(包括主反应和副反应包括主反应和副反应)。5.选定合适的计算基准，并在流程图上注明所选定合适的计算基准，并在流程图上注明所选的基准值。选的基准值。计算标准从原则上说选择任何一种计算基准，都能得到正确计算标准从原则上说选择任何一种计算基准，都能得到正确的解答。但是，计算基准选择得恰当，可以使计算简化，避的解答。但是，计算基准选择得恰当，可以使计算简化，避免错误。免错误。根据不同过程的特点，选择计算基准时，应该注意以下几点根据不同过程的特点，选择计算基准时，应该注意以下几点:（1）应选择已知变量数最多的流股作计算基准。）应选择已

15、知变量数最多的流股作计算基准。（2）对液体或固体体系，常选取单位质量作基准。）对液体或固体体系，常选取单位质量作基准。（3）对连续流动体系，用单位时间作计算基准有时较方便。）对连续流动体系，用单位时间作计算基准有时较方便。（4）对于气体物料，如果环境条件（如温度、压力）已定，）对于气体物料，如果环境条件（如温度、压力）已定，则可选取体积作基准。则可选取体积作基准。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输 入 的输 出 的积 累 的物 料 量物 料 量物 料 量根据质量守恒定律，对某一体系，输入体系的物料量根据质量守恒定律，对某一体系，输入体系的物料量应该等于输

16、出物料量与体系内积累量之和。应该等于输出物料量与体系内积累量之和。体系内发生化学反应体系内发生化学反应输入的反应生成或输出的积累的物料量消耗的物料量物料量物料量 列物料衡算式时应注意：列物料衡算式时应注意：1.物料平衡是指物料平衡是指质量平衡，质量平衡，不是不是体积或物质的量（摩体积或物质的量（摩尔数）平衡。尔数）平衡。2.若体系内有化学反应，则平衡式中各项用摩尔若体系内有化学反应，则平衡式中各项用摩尔/时为时为单位时，必须考虑反应式的化学反应系数。因为反应单位时，必须考虑反应式的化学反应系数。因为反应前后物料中的分子数不守恒。前后物料中的分子数不守恒。如图，表示无化学反应的连续过程物料流程。

17、如图，表示无化学反应的连续过程物料流程。图中方框表示一个体系，虚线表示边界（体系）。共有三个图中方框表示一个体系，虚线表示边界（体系）。共有三个流股，进料流股，进料F及出料及出料P和和W。有两个组分。有两个组分。x为质量分数。为质量分数。可列出物料衡算式可列出物料衡算式总物料衡算式：总物料衡算式：F=PW每种组分衡算式：每种组分衡算式： 对于连续不稳定过程，由于该过程内物料量及组成等随对于连续不稳定过程，由于该过程内物料量及组成等随时间而变化，因此，物料衡算式须写成以时间为变量的微分时间而变化，因此，物料衡算式须写成以时间为变量的微分方程，表示体系内在某一瞬时的平衡。方程，表示体系内在某一瞬时

18、的平衡。 7.将物料衡算结果列成输入输出物料表（物料平将物料衡算结果列成输入输出物料表（物料平衡表），画出物料平衡图。衡表），画出物料平衡图。111222ffpwpwF xP xW xF xP xW x8.校核计算结果（结论）。校核计算结果（结论）。物料衡算表物料衡算表输入输入输出输出组分组分质量，质量，kg/d组分组分质量，质量，kg/d杂质杂质杂质杂质合计合计合计合计五、无化学反应的物料衡算五、无化学反应的物料衡算 在系统中，物料没有发生化学反应的过程，在系统中，物料没有发生化学反应的过程，称为无反应过程。称为无反应过程。 流体输送流体输送 粉碎粉碎 换热换热 混合混合 分离（吸收、精馏、

19、萃取、分离（吸收、精馏、萃取、 结晶、过滤、干燥结晶、过滤、干燥）等。）等。化工单元操作化工单元操作（一）简单过程的物料衡算（一）简单过程的物料衡算 简单过程是指仅有简单过程是指仅有一个设备或一个单元操作或整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个过程简化成一个设备的过程。这种过程的物料衡算。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比较简单，在物料流程简图中，设备边界就是体系边界。界。举例说明计算步骤和计算方法。举例说明计算步骤和计算方法。【例题【例题3-1】 一种废酸，组成为一种废酸，组成为23（质量）（质量）HNO3，57%H2SO4和和20%H2O，

20、加入，加入93%的浓的浓H2SO4及及90%的浓的浓HNO3，要求混合成，要求混合成27%HNO3及及60%H2SO4的混合酸，计算所需废酸及加入浓酸的的混合酸，计算所需废酸及加入浓酸的数量。数量。解：解：1、画物料流程简图、画物料流程简图2、选择标准，可以选废酸或浓度的量为基准，也可以用混、选择标准，可以选废酸或浓度的量为基准，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。基准计算都很方便。设设 X废酸量，废酸量，kg； Y浓浓H2SO4量，量，kg；Z浓浓HNO3量；量； kg3、列物料衡算式，该体系有、

21、列物料衡算式，该体系有3种组分，可以列出种组分，可以列出3个未知量。个未知量。 基准：基准：100kg混合酸混合酸总物料衡算式总物料衡算式 x+y+z=100 （1）H2SO4的衡算式的衡算式 0.57x+0.93y=1000.6=60 （2） HNO3的衡算式的衡算式 0.23x+0.9z=1000.2727 （3）解（解（1）,（2）,（3）方程，得）方程，得x=41.8kg废酸，废酸， z=19.2kg浓浓HNO3， y=39kg浓浓H2SO4。 即由即由41.8kg废酸、废酸、39kg浓浓H2SO4和和19.21kg浓浓HNO3可以混合可以混合成成100kg混合酸。混合酸。 根据水平衡

22、，可以核对以上结果：根据水平衡，可以核对以上结果：加入的水量加入的水量=41.80.2+390.07+19.20.1013kg混合后的酸，含混合后的酸，含13%H2O，所以计算结果正确。，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以上物料衡算式，亦可以选总物料衡算式及H2SO4与与HNO3两个衡算式，或两个衡算式，或H2SO4、HNO3和和H2O三个组分进行计算，均可三个组分进行计算，均可以求得上述结果。以求得上述结果。代数法求解时，列衡算式应注意下列几点：代数法求解时，列衡算式应注意下列几点：1、无化学反应体系，、无化学反应体系，能列出的独立物料衡算式数目，能列出的独立物料衡

23、算式数目，最多等于输入和输出物料中化学组分的数目。最多等于输入和输出物料中化学组分的数目。2、首先列出含有、首先列出含有未知量数目最少未知量数目最少的物料衡算方程，的物料衡算方程，以便于解题。以便于解题。3、若体系内具有很多多组分的物料，则最好将每个、若体系内具有很多多组分的物料，则最好将每个流股编号，并列出表表示出已知的量和组分，检查流股编号，并列出表表示出已知的量和组分，检查能列出的能列出的衡算方程数目是否等于未知量的数目衡算方程数目是否等于未知量的数目。（二）有多个设备过程的物料衡算（二）有多个设备过程的物料衡算 对有多个设备的过程，进行物料衡算时，可以划对有多个设备的过程，进行物料衡算

24、时，可以划分多个衡算体系。此时，必须选择恰当的衡算体系，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。否则计算繁琐，甚至无法求解。这是很重要的步骤。否则计算繁琐，甚至无法求解。例题例题3-2 设计一套从气体中回收丙酮的装置系统，并计算回设计一套从气体中回收丙酮的装置系统，并计算回收丙酮的费用。系统的流程框图如图收丙酮的费用。系统的流程框图如图3-1所示，要所示，要求由已知的条件，列出各物流的流率（求由已知的条件，列出各物流的流率（kg/h）,以以便能确定设备的大小，并计算蒸馏塔的进料组分。便能确定设备的大小，并计算蒸馏塔的进料组分。流程图流程图水已知物料参数表已知物料参数表组

25、成组成kmolkg质量，（质量，（mol）%丙酮丙酮1.5872.95空气空气98.5286097.05总计总计1002947100.00解：解：本本系统包括三个单元即吸收塔、蒸馏塔和冷凝器。由本本系统包括三个单元即吸收塔、蒸馏塔和冷凝器。由于除空气进料外的其余组成均是以质量百分数表示的，所于除空气进料外的其余组成均是以质量百分数表示的，所以将空气以将空气丙酮混合气进料的摩尔百分数换算为质量百分丙酮混合气进料的摩尔百分数换算为质量百分数。基准：数。基准：100kmol气体进进料。气体进进料。水 进入系统的物流为进入系统的物流为两个两个，离开系统的物流为，离开系统的物流为三个三个，其中，其中已知

26、已知一个物流量一个物流量，因此有，因此有四个物流四个物流是未知的。是未知的。水未知：未知：F2、F3、F4、F5 可列出总物料平衡式：可列出总物料平衡式： 1200+F2= F3+ F4+ F5 各组分平衡式：各组分平衡式： 丙酮丙酮 0.0295 F2 =0.99 F4+0.05 F5 水水 1200=0.01 F4 +0.95 F5 空气空气 0.9705 F2 = F3 补充数据补充数据（1）每小时进入系统的气体混合）每小时进入系统的气体混合物，离开系统的产品或废液的物物，离开系统的产品或废液的物流量流量.（2）进入蒸镏塔的组分）进入蒸镏塔的组分.4个方程式，实个方程式，实际上独立方程式

27、际上独立方程式数为数为3，因此本，因此本方案求解尚缺少方案求解尚缺少数据。数据。这样才可能得出完整的解，这样才可能得出完整的解，否则只能部分解。此例体否则只能部分解。此例体现了物料衡算式中现了物料衡算式中未知变未知变量数与独立方程式数目不量数与独立方程式数目不相等时，无法进行衡算相等时，无法进行衡算。【 例如例如3-3 】 有两个蒸馏塔的分离装置，将含有两个蒸馏塔的分离装置，将含50%苯、苯、30%甲苯和甲苯和20%（mol%）二甲苯的混合物分成纯的三）二甲苯的混合物分成纯的三个馏分，其流程图及各流股组成如图。个馏分，其流程图及各流股组成如图。计算蒸馏计算蒸馏1000mol/h原原料所得各流股

28、料所得各流股的量及进塔的量及进塔II物料的组成。物料的组成。 解：解： 设：设：S2、S3、S4、S5 表示各流股物料量表示各流股物料量,mol/h X3B、X3T表示流股表示流股3中苯、甲苯的组成。中苯、甲苯的组成。该蒸馏过程中共可列出该蒸馏过程中共可列出3组物料衡算方程，每组选组物料衡算方程，每组选三个独立方程。三个独立方程。总物料总物料 ： 1000=S2+S3 （1） 苯：苯： 10000.50.95S2+X3BS3 （2）甲苯：甲苯：10000.30.03S2+X3TS3 （3）即即 体系体系A（塔（塔I）：）： 体系体系B（塔（塔II）：）：总物料总物料 ： S3=S4+S5 （4

29、）苯苯 ： X3BS3=0.03S4+0.0045S5 （5）甲苯甲苯 ： X3TS3=0.95S4+0.43S5 （6） 体系体系C（整个过程）：（整个过程）：总物料：总物料： 1000=S2+S4+S5 （7）苯苯 ： 10000.5=0.95S2+0.03S4+0.0045S5 （8）甲苯：甲苯： 10000.3=0.03S2+0.95S4+0.43S5 （9） 以上以上9个方程，只有个方程，只有6个是独立的。个是独立的。因为（因为（1）+（4）=（7）式，）式，同样（同样（2）+（5）=（8）式及（）式及（3）+（6）=（9）式。）式。因此，解题时可以任选二组方程。由题意，应选体系因此

30、，解题时可以任选二组方程。由题意，应选体系C（整个（整个过程），因为三个流股过程），因为三个流股2、4、5的组成均已知，只有的组成均已知，只有S2、S4、S5三个未知量，可以从（三个未知量，可以从（7）、（）、（8）、（）、（9）三式直接求解。）三式直接求解。由（由（7）、（）、（8）、（）、（9）三式解得）三式解得:S2=520mol/hS4=150mol/hS5=330mol/h 再任选一组体系再任选一组体系A或或B的衡算方程，可解得：的衡算方程，可解得： S3=480mol/h，X3B=0.0125， X3T=0.5925， X3X=0.395用恒沸蒸馏法，将含用恒沸蒸馏法，将含有有95

31、的乙醇水溶液的乙醇水溶液制成浓度达制成浓度达99.9的乙的乙醇，以苯作溶剂。其醇，以苯作溶剂。其流程及各物流的组成流程及各物流的组成如图所示。如图所示。 (1)试分析试分析如图所示的虚框如图所示的虚框I、II衡衡算范围哪个合适？算范围哪个合适？(2)计算每生产计算每生产100吨吨99.9的乙醇，应向塔的乙醇，应向塔A加加入的：入的：95原料液原料液量；量；苯量。苯量。【 例如例如3-4 】解：（解：（1分析：若以塔分析：若以塔A为衡算为衡算范围，如图的边界范围，如图的边界I所示。输入所示。输入与输出系统的共有与输出系统的共有5股物料，股物料，其中只有塔底出料为已知，其其中只有塔底出料为已知，其

32、他都为未知。但物料中只有三他都为未知。但物料中只有三个组分，只能列出三个独立的个组分，只能列出三个独立的物料衡算式，无法求解，所以物料衡算式，无法求解，所以这个衡算范围选得不合适。这个衡算范围选得不合适。 若取包括若取包括A、B、C、D全部全部设备在内的整个系统作为衡算设备在内的整个系统作为衡算范围，如图的边界范围，如图的边界II所示，问所示，问题容易解决。题容易解决。（2）计算：以）计算：以II为衡算范围为衡算范围设设：x=苯的输入量；苯的输入量；y=95%乙醇输入量；乙醇输入量；z=5%乙醇输出量，乙醇输出量，共有三个未知数。共有三个未知数。列出衡算式：列出衡算式： 苯的衡算：苯的衡算：

33、x =0乙醇的衡算：乙醇的衡算： 0.95y0.999(100)+0.05z总的物料衡算：总的物料衡算： x+yl00+z上三式联立求解得：上三式联立求解得： x0； y=105.44吨：吨： z54.4吨吨求出每生产求出每生产100吨吨99.9乙醇，应向塔乙醇，应向塔A加入加入95的乙酶原料的乙酶原料量量105.44吨，向塔吨，向塔A加入的苯量为零。表示只要在开工时在加入的苯量为零。表示只要在开工时在塔塔A加入足量的苯，以后苯便可在两个塔里循环，不需再加加入足量的苯，以后苯便可在两个塔里循环，不需再加入苯入苯 六六. 有化学反应过程的物料衡算有化学反应过程的物料衡算计算方法计算方法 新物质生

34、成新物质生成,转化率产率转化率产率,反应速反应速率率,化学计量过量化学计量过量（1） 直接计算法；直接计算法； （2） 利用反应速率进行物料衡算；利用反应速率进行物料衡算；（3） 元素平衡；元素平衡；输入输入(某种元素某种元素)输出输出(同种元素同种元素)（4） 以化学平衡进行衡算；以化学平衡进行衡算； （5） 以结点进行衡算；以结点进行衡算； （6） 利用联系组分进行衡算。利用联系组分进行衡算。 联系物（组分）联系物（组分）随物料输入体系，但完全不参随物料输入体系，但完全不参加反应加反应, ,又随物料从体系输出的组分，在整个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。过程中

35、，它的数量不变。 写出形式简单，只包括两个物料的物料平衡式：写出形式简单，只包括两个物料的物料平衡式：或或FTPTxxPFPTFTPxFx生产过程的常用指标生产过程的常用指标1 1、生产能力、生产能力2 2、转化率、转化率3 3、产率（选择性）、产率（选择性）4 4、收率、收率5 5、消耗定额、消耗定额生产能力：生产能力： 化工装置在单位时间内生产的产品量或在单位时化工装置在单位时间内生产的产品量或在单位时间内处理的原料量，称为生产能力。单位：间内处理的原料量，称为生产能力。单位： kg/h，t/d，kt/a等。化工装置在最佳条件下可以达到的最大生产能力等。化工装置在最佳条件下可以达到的最大生

36、产能力称为设计能力。称为设计能力。消耗定额是指生产单位产品所消耗的原料量，即每生产一消耗定额是指生产单位产品所消耗的原料量，即每生产一吨吨100%的产品所需要的原料数量。消耗定额的产品所需要的原料数量。消耗定额=原料量原料量/产品量产品量 （一）、反应转化率、选择性及收率等概念（一）、反应转化率、选择性及收率等概念工业化学反应过程中，当反应原料的配比不按化工业化学反应过程中，当反应原料的配比不按化学计量比时，引入以下概念：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、限制反应物：化学反应原料不按化学计量比配料时，其中以最小化学计量数存在的反应物称为限制时，其中以最小

37、化学计量数存在的反应物称为限制反应物。反应物。2、过量反应物：不按化学计量比配料的原料中，某、过量反应物：不按化学计量比配料的原料中，某种反应物的量超过限制反应物完全反应所需的理论种反应物的量超过限制反应物完全反应所需的理论量，该反应物称为过量反应物。量，该反应物称为过量反应物。 3、过量百分数：过量反应物超过限制反应物所需、过量百分数：过量反应物超过限制反应物所需理论量的部分占所需理论量的百分数。理论量的部分占所需理论量的百分数。%100%Ne NtNt过量Ne过量反应物的摩尔数，过量反应物的摩尔数，Nt与限制反应物完全与限制反应物完全反应所需的摩尔数。反应所需的摩尔数。 4、转化率（以、转

38、化率（以X表示）：某一反应物反应掉的量表示）：某一反应物反应掉的量占其输入量的百分数。占其输入量的百分数。121100%AAANNXNNA1、NA2分别表示反应物分别表示反应物A输入及输出体系的摩尔数。输入及输出体系的摩尔数。注意：注意： 一个化学反应，由不同反应物可计算得到不同的转化一个化学反应，由不同反应物可计算得到不同的转化率。因此，应用时必须指明某个反应物的转化率。若没有指明率。因此，应用时必须指明某个反应物的转化率。若没有指明时，则往往是限制反应物的转化率。时，则往往是限制反应物的转化率。反应物反应物A的转化率：的转化率：5、选择性（以、选择性（以S表示）：反应物反应成目的产物所表示

39、）：反应物反应成目的产物所消耗的量占反应掉的量的百分数。消耗的量占反应掉的量的百分数。12100%DAAaNdSNN 式中：式中：NA1NA2为反应物为反应物A反应掉的摩尔数。反应掉的摩尔数。 转化率与选择性是反应物过程的两个主要技术指标。转化率与选择性是反应物过程的两个主要技术指标。若反应物为若反应物为A，生成的目的产物为，生成的目的产物为D，ND表示生成的目的产物表示生成的目的产物D的摩尔数，的摩尔数，a、d分别为反应物分别为反应物A与目的产物与目的产物D的化学计量系的化学计量系数。数。则选择性为：则选择性为： 6、收率（以、收率（以Y表示）：目的产物的量除以反应物表示）：目的产物的量除以

40、反应物（通常指限制反应物）输入量（以百分数表示）。（通常指限制反应物）输入量（以百分数表示）。1100%DDAaNdYN 转化率、选择性与收率三者之间的关系为：转化率、选择性与收率三者之间的关系为：Y=SX用物质的量（摩尔数）或质量进行计算。若以摩尔数计算，考用物质的量（摩尔数）或质量进行计算。若以摩尔数计算，考虑化学计量系数。虑化学计量系数。a、d分别为反应物分别为反应物A与目的与目的产物产物D的化学计量系数。的化学计量系数。则目的产物则目的产物D的收率为：的收率为：例题例题3-5 年产年产300t对对-硝基乙苯工段物料衡算。原料乙苯纯度硝基乙苯工段物料衡算。原料乙苯纯度95，硝化混酸组成为

41、，硝化混酸组成为: HNO3 32%，H2SO456%，H2O 12%。粗乙苯与混酸质量比粗乙苯与混酸质量比1:1.885。对硝基乙。对硝基乙苯收率苯收率50，硝化产物为硝基乙苯的混合物，其比，硝化产物为硝基乙苯的混合物，其比例对例对:邻邻:间间0.5:0.44:0.06。配置混酸所用的原料：。配置混酸所用的原料：H2SO4 93%，HNO3 96 及及H2O，年工作日年工作日300天，天，假设转化率为假设转化率为100，间歇生产。，间歇生产。 衡算：各个流股（原料、产物、废弃物）流量和组成衡算：各个流股（原料、产物、废弃物）流量和组成解：（解：（1）画出流程示意图，确定计算范围。）画出流程示

42、意图，确定计算范围。 图图3.3（2）原料乙苯量）原料乙苯量C2H5+HNO3H2SO4,H2OC2H5NO2C2H5NO2C2H5NO2 +H2O G1 G2 G3 G4 G5 M：106.17 63 151.17 18.02基准：间歇生产，以每天生产的基准：间歇生产，以每天生产的kg为基准为基准 对硝基乙苯量：对硝基乙苯量： 3300 10001000300Gkg11000 106.171404.6151.17 0.5Gkg乙苯量：乙苯量： 原料乙苯量：原料乙苯量： 1404.6/0.951478.6kg 杂质量：杂质量：1478.6-1404.674kg（3）配酸酸量）配酸酸量 混酸量：

43、混酸量：1478.61.855=2742.8kg 纯纯HNO3量：量：2742.80.32877.7kg 96%HNO3量：量：877.7/0.96=914.3kg 纯纯H2SO4量：量：2742.80.56=1536kg 93%H2SO4量：量：1563/0.93=1651.6kg 加水量：加水量：2742.8-914.3-1651.6176.9kg（4）硝化）硝化已知转化率为已知转化率为100，G3：G4：G5=0.5：0.44：0.063451404.6 151.171999.9106.17GGGGkg 其中硝基乙苯：其中硝基乙苯： 对位：对位：1999.90.51000kg 邻位：邻位

44、：1999.90.44880kg 间位：间位：1999.9-1000-880=119.9kg硝化物产量：硝化物产量： （5）废酸量）废酸量 HNO3消耗量：消耗量：1404.663=833.5kg106.171404.618.02=238.4kg106.17 废酸中废酸中HNO3量：量：877.7-833.544.2kg H2SO4量：量： 1536kg H2O量：量：329.1+238.4567.5kg 废酸总量：废酸总量：44.2+1536+567.52147.7kg 废酸组成：废酸组成：HNO3 2.06，H2SO4 71.52%，H2O 26.42% H2O生成量：生成量：表表3-2

45、硝化过程的物料衡算表硝化过程的物料衡算表输入输入输出输出组分组分质量，质量，kg/d组分组分质量，质量，kg/dHNO3877.7HNO344.2H2SO41536H2SO41536H2O329.1H2O567.5C6H5-C2H51404.6C6H5-C2H5硝基乙苯硝基乙苯对位对位邻位邻位间位间位1000880119.7杂质杂质74杂质杂质74合计合计4221.4合计合计4221.4例例3-6 合成氨原料气中的合成氨原料气中的CO通过变换反应器而除去，如通过变换反应器而除去，如图图3-3所示。在反应器所示。在反应器1中大部分转化，反应器中大部分转化，反应器2中中完全脱去。原料气是由发生炉煤

46、气（完全脱去。原料气是由发生炉煤气（78N2，20CO，2CO2）和水煤气（）和水煤气（50%H2，50CO）混）混合而成的半水煤气。在反应器中与水蒸汽发生反应。合而成的半水煤气。在反应器中与水蒸汽发生反应。得到物流中得到物流中与与之比为之比为:，假定水蒸汽流，假定水蒸汽流率是原料气总量（干基）的两倍，同时反应器率是原料气总量（干基）的两倍，同时反应器1中中CO的转化率为的转化率为80%, 试计算中间物流（试计算中间物流（4）的组成。）的组成。图图36 N2 78%,CO 20%CO2 2%， F1H2 50%， CO 50% F2F3反 应 器 1反 应 器 2F4N2， H2， H2OCO

47、,CO2F5N2,CO2H2,H2OH2OCO + H2OCO2 + H2衡算体系衡算体系1总过程总过程衡算体系衡算体系2单元单元衡算体系衡算体系3单元单元解解 基准：物流基准：物流1为为100mol/h；正反应的反应速率为；正反应的反应速率为r（mol/h）（1）过程先由总单元过程摩尔衡算式进行计算，）过程先由总单元过程摩尔衡算式进行计算，总衡算式为：总衡算式为： N2衡算衡算 F5，N2 =0.7810078mol/h CO平衡平衡 00.2100+0.5F2 r H2O平衡平衡 F5,H2OF3 r CO2平衡平衡 F5,CO20.02100 + r H2平衡平衡 F5,H20.5F2

48、+ r 已知已知H2与与N2之比为之比为3：1 F5,H23F5,N2378234mol/h 原料气（干基）与水蒸汽之比为原料气（干基）与水蒸汽之比为1：2 F32（F1 + F2） 将将H2和和CO平衡式相加，消去平衡式相加，消去r，得：，得： F2234.20214mol/h 将将F2值代入值代入CO平衡式中，得：平衡式中，得： r20 + 107127mol/h F32（100 + 214）628mol/h 最后，由最后，由CO2和和H2O平衡得：平衡得： F5,CO2129mol/h；F5,H2O628-127501mol/hl （2）计算反应器）计算反应器1的反应速率，然后计算物流的

49、反应速率，然后计算物流4的的组成组成l 由反应速率的定义式得：由反应速率的定义式得：l r l 式中式中 为为I物质的转化率。物质的转化率。l 已知反应器已知反应器1中中CO的转化率为的转化率为0.80，由此得反应，由此得反应器器1的反应速率：的反应速率：l r 0.80.2100 + 0.5214 101.6mol/hiiiFF/,输入输出iiiF/,输入i/,输入F物流物流4中每一物流的流率中每一物流的流率已知已知r后，物流后，物流4中每一物流的流率可以用物料衡算求得，即：中每一物流的流率可以用物料衡算求得，即： N2平衡：平衡： F4,N20.7810078mol/h CO平衡：平衡：

50、F4,co127 r25.4mol/h H2O平衡：平衡： F4,H2O628 r526.4mol/h CO2平衡：平衡： F4,CO22 + r103.6mol/h H2平衡：平衡： F4,H2107 + r208.6mol/h 物流物流4的组成（摩尔分率）为：的组成（摩尔分率）为： N2：0.083；CO：0.027；H2O：0.559；CO2：0.110；H2：0.221。 在化工过程中，有一些具有循环、排放及旁路的过程，这在化工过程中，有一些具有循环、排放及旁路的过程，这类过程的物料衡算与以上介绍的方法类似，只是需要先根据已类过程的物料衡算与以上介绍的方法类似，只是需要先根据已知的条件

51、及所求的未知量选择合适的衡算体系，列出物料衡算知的条件及所求的未知量选择合适的衡算体系，列出物料衡算式再求解。如果存在联系组分，则可以利用联系组分计算。式再求解。如果存在联系组分，则可以利用联系组分计算。 七、具有循环、排放及旁路过程的物料衡算七、具有循环、排放及旁路过程的物料衡算新鲜原料循环物料R产品P反应器分离器FMFRP有循环过程的物料流程图 有循环的过程，转化率常分为单程转化率与总转化率：有循环的过程，转化率常分为单程转化率与总转化率：所以，单程转化率是以反应器为体系，总转化率是以整个过程所以，单程转化率是以反应器为体系，总转化率是以整个过程为体系。为体系。100%100%MFRPAA

52、MFAFSAAFAMFRPAAFSAANNNNNNANNANN单程转化率总转化率、反应物 输入、输出反应器的摩尔数、 反应物 输入、输出过程的摩尔数 图中图中W为排放物料，即从分离器出来的分离产物为排放物料，即从分离器出来的分离产物S分成两部分，一部分为分成两部分，一部分为排放物料排放物料W，另一部分为循环物料，另一部分为循环物料R。R/W（或（或R/F、R/MF）称为循环比，是）称为循环比，是循环过程的重要参数。图中每个衡算体系各物料之间的关系为：循环过程的重要参数。图中每个衡算体系各物料之间的关系为： 如下图为具有循环及排放过程的物料流程图。如下图为具有循环及排放过程的物料流程图。五个衡算

53、体系五个衡算体系图中图中W为排放物料为排放物料 总物料衡算总物料衡算 F=P+W 反应器物料衡算反应器物料衡算 MF=RP分离器物料衡算分离器物料衡算 MP=S+P结点结点A的物料衡算的物料衡算 F+R=MF结点结点B的物料衡算的物料衡算 S=R+W 通常对有循环过程的物料衡算，若已知总转化率，可通常对有循环过程的物料衡算，若已知总转化率，可以先做总物料衡算；若已知单程转化率，则可以先从反应以先做总物料衡算；若已知单程转化率，则可以先从反应器衡算做起。器衡算做起。例例3-6 K2CrO4从水溶液重结晶处理工艺是将每小时从水溶液重结晶处理工艺是将每小时4500mol含含33.33（mol）的）的

54、K2CrO4新鲜溶液和另一股含新鲜溶液和另一股含36.36（mol） K2CrO4的循环液合并加入至一台蒸发器中，蒸发温度为的循环液合并加入至一台蒸发器中，蒸发温度为120，用用0.3MPa的蒸汽加热。从蒸发器放出的浓缩料液含的蒸汽加热。从蒸发器放出的浓缩料液含49.4（mol） K2CrO4进入结晶槽，在结晶槽被冷却，冷至进入结晶槽，在结晶槽被冷却，冷至40，用冷却水冷却（冷却水进出口温差用冷却水冷却（冷却水进出口温差5）。然后过滤，获得含）。然后过滤，获得含K2CrO4结晶的滤饼和含结晶的滤饼和含36.36（mol） K2CrO4的滤液（这的滤液（这部分滤液即为循环液），滤饼中的部分滤液即

55、为循环液），滤饼中的K2CrO4占滤饼总物质的量占滤饼总物质的量的的95。 K2CrO4的分子量为的分子量为195。试计算：。试计算： 1）蒸发器蒸发出水的量；）蒸发器蒸发出水的量； 2） K2CrO4结晶的产率；结晶的产率； 3）循环液（）循环液（mol）/新鲜液（新鲜液（mol）的比率；）的比率； 4）蒸发器和结晶器的投料比（）蒸发器和结晶器的投料比（mol）。）。解：解：为了明确理解该重结晶处理工艺，先画出流程框为了明确理解该重结晶处理工艺，先画出流程框图，如图示。将每一流股编号且分析系统：图，如图示。将每一流股编号且分析系统：图图34基准：基准： 4500mol/h新鲜原料，以新鲜原料

56、，以K表示表示K2CrO4 ，W表示表示H2O。设：设：F1进入蒸发器的新鲜物料量（进入蒸发器的新鲜物料量（mol/h）；）；F2进入蒸发器的循环物料量即滤液量（进入蒸发器的循环物料量即滤液量（mol/h）；）；F3新鲜液和循环液混合后的物料量（新鲜液和循环液混合后的物料量（mol/h）；）；F4出蒸发器的物料量（出蒸发器的物料量（mol/h）；）；F5结晶过滤后的滤饼总量（结晶过滤后的滤饼总量（mol/h）；）；F6蒸发器蒸出的水量（蒸发器蒸出的水量（mol/h）；）；Pc结晶过滤后滤饼中结晶过滤后滤饼中K的物质量（的物质量（mol/h）；）；Ps结晶过滤后滤饼中滤液的物质量（结晶过滤后滤饼

57、中滤液的物质量（mol/h）；）； x3新鲜液和循环液混合后的新鲜液和循环液混合后的K2CrO4组成组成(mol/h）。）。 4500mol/h, 33.33%95%36.36%49.4%F5=Ps+Pcv 求求: F: F2 2，F F3 3，F F4 4，PsPs，PcPc，F F6 6 从已知条件可看出，滤饼里的溶液和结晶固体之间从已知条件可看出，滤饼里的溶液和结晶固体之间存在如下的关系（存在如下的关系（mol）：）： Ps = 0.05 （Pc+Ps） Ps = 0.05263Pc 对系统对系统1物质物质K平衡：平衡： 0.3333F1 = Pc + 0.3636Ps 联立解得：联立解

58、得：Pc=1472molK2CrO4/h， Ps=77.5mol 溶液溶液/h H2O物料平衡：物料平衡： F1（1-0.3333）=F6 + F5 0.05（1-0.3636） 得：得：F6 = 2950.8mol/h 对系统对系统2 2；结晶过滤的总物料平衡：；结晶过滤的总物料平衡： F F4 4 = Pc + Ps + F = Pc + Ps + F2 2 F F4 4 = F = F2 2 + 1549.5 + 1549.5 结晶器水的平衡：结晶器水的平衡： F F4 4（1-0.4941-0.494）= = （F F2 2 + 1549.5 + 1549.50.050.05）（1-0

59、.36361-0.3636） 联立求解得：联立求解得：F F2 2 = 5634.6mol/h = 5634.6mol/h；F F4 4 = 7184mol/h = 7184mol/h 则：循环液则：循环液/ /新鲜料液新鲜料液5634.6/45005634.6/45001.251.25 最后，通过混合点系统最后，通过混合点系统3 3的物料平衡或蒸发器的物料平衡的物料平衡或蒸发器的物料平衡求出求出F F3 3。 （系统（系统3 3）混合点的物料平衡：（）混合点的物料平衡：（F F1 1 + F + F2 2）F F3 3 得：得：F F3 3 =10134.6mol/h =10134.6mol

60、/h 由蒸发器的物料平衡可校核由蒸发器的物料平衡可校核F F3 3的计算是否正确：的计算是否正确：F F3 3 =F =F4 4 + + F F6.6. 因此，设计的蒸发器与结晶槽的投料比为：因此，设计的蒸发器与结晶槽的投料比为：F F3 3/F/F4 4 = = 10134.6/7184 =1.4110134.6/7184 =1.414500mol/h, 33.33%95%36.36%49.4%F5=Ps+Pc 系统系统1 1 总物料：总物料：F F1 1= =F F6 6+ +P Ps+s+P Pc c K K2 2CrOCrO4 4 ：0.33330.3333F F1 1=0.3636=