物料衡算和能量横算

1、2021-11-25化工过程设计1第三章物料衡算和能量衡算第三章物料衡算和能量衡算2021-11-25化工过程设计2 化工过程的物料衡算和能量衡算，是利用物理与化学化工过程的物料衡算和能量衡算，是利用物理与化学的基本定律，对化工过程单元系统的物料平衡与能量平衡的基本定律，对化工过程单元系统的物料平衡与能量平衡进行定量计算。通过计算解决以下问题：进行定量计算。通过计算解决以下问题：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、确定流程内物质转换与能量

2、传递情况。、确定流程内物质转换与能量传递情况。 从而为，设备选型以及设备尺寸，管路设施与公用工从而为，设备选型以及设备尺寸，管路设施与公用工程提供依据。程提供依据。2021-11-25化工过程设计3 化工过程有许多输入流股和输出流股，化工过程有许多输入流股和输出流股，本章内容是讲授本章内容是讲授确定这些流股的策略与方法确定这些流股的策略与方法，物料衡算与热量横算是化工工程师接触最频物料衡算与热量横算是化工工程师接触最频繁的计算。繁的计算。 2021-11-25化工过程设计43-1 3-1 工艺工艺计算前的准备工作计算前的准备工作一、工艺性资料的收集一、工艺性资料的收集（1）物料衡算提纲。）物料

3、衡算提纲。 生产步骤和化学反应（包括主、付反应）各步生产步骤和化学反应（包括主、付反应）各步 骤所需的原料，中间体规格和物理化学性质，成骤所需的原料，中间体规格和物理化学性质，成 品的规格和物化性质，每批加料量或单位时间进料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。量，各生产步骤的产率。（2）工艺流程图及说明。）工艺流程图及说明。（3）热量计算参数和设备计算数据）热量计算参数和设备计算数据 （H、Cp、K、等）。等）。（4）流体输送过程参数）流体输送过程参数 （粘度（粘度、密度、密度、摩擦系数等）。、摩擦系数等）。2021-11-25化工过程设计53-1 3-1 工艺

4、工艺计算前的准备工作计算前的准备工作（5）传质过程系数，相平衡数据。）传质过程系数，相平衡数据。（6）冷冻过程的热力学参数。）冷冻过程的热力学参数。（7）具体的工艺操作条件（温度）具体的工艺操作条件（温度T、压力、压力P、流量、流量G）（8）介质的物性和材质性能，材质数据，腐蚀数据。）介质的物性和材质性能，材质数据，腐蚀数据。（9）车间平立面布置的参考资料。）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）管道设计资料（管道配置、管道材质、架设方 式、管件、阀件等）。式、管件、阀件等）。（11）环境保护、安全保护等规范和资料。）环境保护、安全保护等规范和资料。一、工

5、艺性资料的收集一、工艺性资料的收集2021-11-25化工过程设计63-1 工艺工艺计算前的准备工作计算前的准备工作二、几本常用的化工设计资料和手册二、几本常用的化工设计资料和手册（1）Industrial Chemicals（2）Encyclopedia of Chemical Technology（3）Science and Technology（4）Chemical Abstracts （C.A）（5）Handbook of Technology（6）I.C.T （国际物理、化学和工艺数值手册）（国际物理、化学和工艺数值手册）（7）化工工艺设计手册化工工艺设计手册（8）材料与零部件手册材

6、料与零部件手册2021-11-25化工过程设计7物料衡算和能量衡算v1.物料衡算的基本方法和程序物料衡算的基本方法和程序v2.简单的物料衡算简单的物料衡算v3.带有循环流的物料衡算带有循环流的物料衡算v4.热量横算热量横算2021-11-25化工过程设计8第一节第一节 物料衡算的基本方法和程序物料衡算的基本方法和程序一、物料衡算的基本方法一、物料衡算的基本方法 1、物料平衡方程、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

7、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） 2021-11-25化工过程设计9即即 ： （ FiFo） （Dp Dr ） W 上式：即可对总物料，也可以对其中任一组分或元上式：即可对总物料，也可以对其中任一组分或元素列出。素列出。 在下列情况下上式可简化为：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 ） 0 系统内无化学反应：系统内无化学反应：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对于没有化学反应

8、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算方程，只有涉及化学反应量，才列写出各元素的衡算方程。方程。2021-11-25化工过程设计102 2、物料衡算基准、物料衡算基准n1）化工过程的类型）化工过程的类型n 化工过程操作状态不同，其物料或能量衡算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。的方程亦有差别。n 化工过程根据其操作方式可以分成化工过程根据其操作方式可以分成间歇操作、间歇操作、连续操作以及半连续操作三类连续操作以及半连续操作三类。或者将其分为。或者将其分为稳稳定状态操作和不稳定状态操作两类定状态操作和不稳定状态操作两类。在对某个化。在对

9、某个化工过程作物料或能量衡算时，必须先了解生产过工过程作物料或能量衡算时，必须先了解生产过程的类别。程的类别。2021-11-25化工过程设计11n间歇操作过程：间歇操作过程：原料在生产操作开始时一次加原料在生产操作开始时一次加入，然后进行反应或其他操作，一直到操作完入，然后进行反应或其他操作，一直到操作完成后，物料一次排出成后，物料一次排出，即为间歇操作过程。此，即为间歇操作过程。此过程的特点是在整个操作时间内，再无物料进过程的特点是在整个操作时间内，再无物料进出设备，设备中出设备，设备中各部分的组成、条件随时间而各部分的组成、条件随时间而不断变化不断变化（如：（如：萃取过程、过滤过程萃取过

10、程、过滤过程）。）。n连续操作过程：在整个操作期间，原料不断稳连续操作过程：在整个操作期间，原料不断稳定地输入生产设备，同时不断从设备排出同样定地输入生产设备，同时不断从设备排出同样数量（总量）的物料。设备的进料和出料是连数量（总量）的物料。设备的进料和出料是连续流动的，即为连续操作过程。在整个操作期续流动的，即为连续操作过程。在整个操作期间，间，设备内各部分组成与条件不随时间而变化设备内各部分组成与条件不随时间而变化。2021-11-25化工过程设计12n半连续操作过程：操作时物料一次输入或分批输入，半连续操作过程：操作时物料一次输入或分批输入，而出料是连续的，或连续输入物料，而出料是一次或

11、而出料是连续的，或连续输入物料，而出料是一次或分批的。分批的。n稳定状态操作就是整个化工过程的操作条件（如温度、稳定状态操作就是整个化工过程的操作条件（如温度、压力、物料量及组成等）如果不随时间而变化，只是压力、物料量及组成等）如果不随时间而变化，只是设备内不同点有差别，这种过程称为稳定状态操作过设备内不同点有差别，这种过程称为稳定状态操作过程，或称稳定过程。如果操作条件随时间而不断变化程，或称稳定过程。如果操作条件随时间而不断变化的，则称为不稳定状态操作过程，或称不稳定过程的，则称为不稳定状态操作过程，或称不稳定过程。n间歇过程及半连续过程是不稳定状态操作。间歇过程及半连续过程是不稳定状态操

12、作。连续过程连续过程在正常操作期间，操作条件比较稳定，此时属稳定状在正常操作期间，操作条件比较稳定，此时属稳定状态操作多在开、停工期间或操作条件变化和出现故障态操作多在开、停工期间或操作条件变化和出现故障时，则属不稳定状态操作。时，则属不稳定状态操作。2021-11-25化工过程设计13 2 2）物料衡算基准的选择）物料衡算基准的选择 物料衡算过程，必须选择计算基准，并在整个运物料衡算过程，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。算中保持一致。若基准选的好，可使计算变得简单。一般计算过程的基准有以下几种：一般计算过程的基准有以下几种：时间基准时间基准 对于连续

13、操作过程对于连续操作过程，选用单位时间作为基，选用单位时间作为基准是很自然的，单位时间可取准是很自然的，单位时间可取1d1d、1h1h或或1s1s等等。此时等等。此时得到的物料流量可以直接与设备或管道尺寸相联系。得到的物料流量可以直接与设备或管道尺寸相联系。批量基准批量基准 对于间歇操作对于间歇操作，按投入物料的数量为基准，按投入物料的数量为基准，最方便，即以最方便，即以一批一批/ /次次作为基准。作为基准。2021-11-25化工过程设计14质量基准质量基准 取已知变量最多（或未知变量最少）的取已知变量最多（或未知变量最少）的物流作为基准最为合适。物流作为基准最为合适。 例如：可取某一基准物

14、流的质量为例如：可取某一基准物流的质量为100Kg，然后，然后计算其他物流的质量。若已知进料质量百分比组成，计算其他物流的质量。若已知进料质量百分比组成，则选则选100Kg进料或者进料或者100g进料为基准，若已知出料质量百分进料为基准，若已知出料质量百分组成，则选组成，则选100Kg进料或者进料或者100g 出料为基准。物质的量基准物质的量基准 对于有化学反应的过程，因化学反对于有化学反应的过程，因化学反应按摩尔进行的，用物质的量基准更方便，或者已知应按摩尔进行的，用物质的量基准更方便，或者已知进料或者出料摩尔组成的情况。若已知进料组成摩尔进料或者出料摩尔组成的情况。若已知进料组成摩尔分数，

15、用分数，用100mol或者或者100kmol进料，反之已知出料进料，反之已知出料组成，用组成，用100mol或者或者100kmol出料做基准。出料做基准。2021-11-25化工过程设计15标准体积基准标准体积基准 对于气体物料，可采用标准对于气体物料，可采用标准体积基准，因标准状态下体积基准，因标准状态下1moL气体相当于气体相当于22.4103m3标准体积的气体。标准体积的气体。2021-11-25化工过程设计16二、物料衡算的基本程序二、物料衡算的基本程序 在进行物料衡算时，为了避免错误，便于在进行物料衡算时，为了避免错误，便于检查核对时，必须采取正确的步骤进行计算，检查核对时，必须采取

16、正确的步骤进行计算，使之做到条理分明清晰，计算迅速，结果准使之做到条理分明清晰，计算迅速，结果准确，一般程序如下：确，一般程序如下：2021-11-25化工过程设计17（1） 确定衡算对象和范围（如：一个单元，一套装确定衡算对象和范围（如：一个单元，一套装置或一个系统），并画出计算对象的草图，对于整个置或一个系统），并画出计算对象的草图，对于整个工艺流程，要画出物料流程示意图（方框图即可）绘工艺流程，要画出物料流程示意图（方框图即可）绘制物料流程草图时，要注意物料种类和走向，输入和制物料流程草图时，要注意物料种类和走向，输入和输出要明确表示出来。输出要明确表示出来。（2） 确定计算任务，明确什

17、么是已知项，什么是待确定计算任务，明确什么是已知项，什么是待求项，选择适当的数学公式，力求计算方法简便。求项，选择适当的数学公式，力求计算方法简便。（3） 确定过程所涉及的组分，并对所有组分依次编确定过程所涉及的组分，并对所有组分依次编号。号。（4） 对物流的流股进行编号，并标注物流变量。对物流的流股进行编号，并标注物流变量。2021-11-25化工过程设计18（5 5）收集数据资料，数据资料包括两类：即设计）收集数据资料，数据资料包括两类：即设计任务所规定的已知条件，与过程有关的物理化任务所规定的已知条件，与过程有关的物理化学参数，具体包括以下内容：学参数，具体包括以下内容：生产规模和生产时

18、间，生产规模是设计任务所生产规模和生产时间，生产规模是设计任务所规定（规定（T/T/年），生产时间是指全年的有效生产年），生产时间是指全年的有效生产天数天数300300330330天天/ /年（计约年（计约8000h8000h）。）。有关定额的技术指标，这类数据通常指产品单有关定额的技术指标，这类数据通常指产品单耗、配料比、循环比、固液比、气液比、回流耗、配料比、循环比、固液比、气液比、回流比、利用率、单程收率、回收率等等。比、利用率、单程收率、回收率等等。2021-11-25化工过程设计19、原辅材料厂、产品、中间产品的规格，、原辅材料厂、产品、中间产品的规格，包括原料的有效成分和杂质含量，

19、气体或液包括原料的有效成分和杂质含量，气体或液体混合物的组成。体混合物的组成。、与过程有关有物理化学参数，如临界参、与过程有关有物理化学参数，如临界参数、密度或比体积、状态方程参数、蒸汽压、数、密度或比体积、状态方程参数、蒸汽压、气液平衡常数或平衡关系，粘度、扩散参数气液平衡常数或平衡关系，粘度、扩散参数等等2021-11-25化工过程设计20（6 6）列出过程的全部独立物料平衡方）列出过程的全部独立物料平衡方程式及其相关约束式，对有化学反应程式及其相关约束式，对有化学反应的还要写出化学反应方程式，明确反的还要写出化学反应方程式，明确反应前后的物料组成和各组分之间的定应前后的物料组成和各组分之

20、间的定量关系，必要时还应指出其转化率和量关系，必要时还应指出其转化率和选择性，为计算作准备。选择性，为计算作准备。2021-11-25化工过程设计21约束式可分为两类：约束式可分为两类： （）分数约束式）分数约束式 当物流的组成用摩尔分数或质量分数表示时，当物流的组成用摩尔分数或质量分数表示时，用下式成立用下式成立 xij=1（i=1，2，Ns） （j=1，2，Nc） 式中：式中： xij 第第j组分在第组分在第i股流中的摩尔分数（或质股流中的摩尔分数（或质量分数）；量分数）； Ns 物流的股数；物流的股数； Nc 物流的组分数。物流的组分数。2021-11-25化工过程设计22（）设备约束式

21、）设备约束式 常见的设备约束式有：常见的设备约束式有： 、进料比（或任何两股物流的量之比）为一常数；、进料比（或任何两股物流的量之比）为一常数； 、两股物流具有相同的组成（如分流器）；、两股物流具有相同的组成（如分流器）； 、相平衡常关系式；、相平衡常关系式； 、化学平衡关系式；、化学平衡关系式； 、化学反应过程中的转化率、选择性或其他限度。、化学反应过程中的转化率、选择性或其他限度。 、物料平衡式、物料平衡式 C 、能量平衡式、能量平衡式 12021-11-25化工过程设计23（7）选择计算基准）选择计算基准（8）独立的总物流变量个数与方程个数，确定设）独立的总物流变量个数与方程个数，确定设

22、计变量和个数及全部设计变量。计变量和个数及全部设计变量。 2021-11-25化工过程设计24v 进行化工过程设计，要确定各个物理量的数值，如进料进行化工过程设计，要确定各个物理量的数值，如进料流率、浓度、温度、压力、热负荷、机械功的输入和输出，流率、浓度、温度、压力、热负荷、机械功的输入和输出，传热面积的大小及理论塔板数等，这些物理量都是相互关联传热面积的大小及理论塔板数等，这些物理量都是相互关联相互制约的，因此设计者只能规定其中若干变量的数值，这相互制约的，因此设计者只能规定其中若干变量的数值，这些变量称为设计变量。如果设计过程中给定数值的物理量少些变量称为设计变量。如果设计过程中给定数值

23、的物理量少于设计变量的数目，设计就不会有结果；反之，给定数值的于设计变量的数目，设计就不会有结果；反之，给定数值的物理量数目过多设计也无法进行。物理量数目过多设计也无法进行。2021-11-25化工过程设计25v（9）整理并校核计算结果，当计算完成后，）整理并校核计算结果，当计算完成后，对计算结果进行整理，并根据需要换算基准，对计算结果进行整理，并根据需要换算基准，最后列成表格即物流表。最后列成表格即物流表。v（10）绘制物料流程图，编写物流表作为设）绘制物料流程图，编写物流表作为设计文件成果编入正式设计文件。计文件成果编入正式设计文件。2021-11-25化工过程设计26综上所述步骤，可归纳

24、如下：综上所述步骤，可归纳如下： 、陈述的问题；、陈述的问题； 、列出可获得的数据；、列出可获得的数据； 、画出衡算方框图；、画出衡算方框图； 、对物流流股及各组分编号；、对物流流股及各组分编号； 、确定衡算范围；、确定衡算范围； 、建立系统各参数的基准；、建立系统各参数的基准； 、建立各组分和总物料的衡算方程；、建立各组分和总物料的衡算方程； 、解析方程；、解析方程； 、校核计算结果；、校核计算结果； 、绘制物料流程图，编写物流表。、绘制物料流程图，编写物流表。2021-11-25化工过程设计27v三、化工基础数据三、化工基础数据 v 在化工计算以及化工工艺和设备设计中，必不可少地要在化工计

25、算以及化工工艺和设备设计中，必不可少地要用到有关化合物的物性数据。例如，进行化工过程物料与能用到有关化合物的物性数据。例如，进行化工过程物料与能量衡算时，需要用到密度或比容、沸点、蒸汽压、烩、热容量衡算时，需要用到密度或比容、沸点、蒸汽压、烩、热容及生成热等等的物性数据；设计一个反应器时，则需要知道及生成热等等的物性数据；设计一个反应器时，则需要知道化学反应热的数据；计算传热过程时，需要导热系数的数据化学反应热的数据；计算传热过程时，需要导热系数的数据等等。这些数据习惯上称为等等。这些数据习惯上称为“化工基础数据化工基础数据”，它是由物料，它是由物料本身的物理化学性质所决定的。因此，又被称作本

26、身的物理化学性质所决定的。因此，又被称作“物化数据物化数据”或或“物性数据物性数据”。2021-11-25化工过程设计28 化工基础数据包括很多，现将常用的一些化工基础数据化工基础数据包括很多，现将常用的一些化工基础数据大致归纳成以下几类：大致归纳成以下几类：v(1) 基本物性数据基本物性数据如临界常数（临界压力、临界温度、临如临界常数（临界压力、临界温度、临界体积）、密度或比容、状态方程参数、压缩系数、蒸气压、界体积）、密度或比容、状态方程参数、压缩系数、蒸气压、气一液平衡关系等。气一液平衡关系等。v(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、自如内能、焓、熵、热容、相

27、变热、自由能、自由焓等。由能、自由焓等。v(3) 化学反应和热化学数据化学反应和热化学数据如反应热、生成热、燃烧热、如反应热、生成热、燃烧热、反应速度常数、活化能，化学平衡常数等。反应速度常数、活化能，化学平衡常数等。v(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。2021-11-25化工过程设计29 通常这些数据可用下列方法得到：通常这些数据可用下列方法得到：v1、查手册或文献资料、查手册或文献资料 有关常用物质的物性数据，前人已系统地进行归纳总结，有关常用物质的物性数据，前人已系统地进行归纳总结，从表格或图的形式表示。这些致据可从有关的化学化工类手从表

28、格或图的形式表示。这些致据可从有关的化学化工类手册或专业性的化工手册中查到。册或专业性的化工手册中查到。v2、估算。可以应用物理和化学的一些基本定律计算各种物、估算。可以应用物理和化学的一些基本定律计算各种物质的性质参数。质的性质参数。v3、用实验直接测定。、用实验直接测定。2021-11-25化工过程设计30 以上三种数据来源，从手册或文献中查得数据最方便，但以上三种数据来源，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，有时也会出现一些错误。用一些理论往往有时数据不够完整，有时也会出现一些错误。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。当手的、半经验的和经验的公式

29、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。用实验进行测定。 近年来，随着电子计算机的迅速发展，应用计算机储存、检近年来，随着电子计算机的迅速发展，应用计算机储存、检索和推算物性数据日益增多。一些大型化工企业、研究部门和索和推算物性数据日益增多。一些大型化工企业、研究部门和

30、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时间和精力。2021-11-25化工过程设计31第二节第二节 简单的物料衡算简单的物料衡算v 在进行衡算时，必需要了解生产过程的基本原在进行衡算时，必需要了解生产过程的基本原理、生产方法和工艺流程，然后用示意图的形式表理、生产方法和工艺流程，然后用示意图的形式表示出整个化工过程的主要设备和全部进出物流，选示出整个化工过程的主要设备和全部进出物流，选定所需的温度、压力或物料

31、组成、产品目标、原料定所需的温度、压力或物料组成、产品目标、原料流量产品流量等条件。必需具备化工过程方面的基流量产品流量等条件。必需具备化工过程方面的基础知识才能进行衡算。础知识才能进行衡算。2021-11-25化工过程设计32 物料衡算是化工过程中最重要、最基本的计算，在物料物料衡算是化工过程中最重要、最基本的计算，在物料衡算之后才能计算要提供或移走的能量，要了解能量的分布衡算之后才能计算要提供或移走的能量，要了解能量的分布情况必需在物料衡算的基础上。通常的物料衡算有两种：情况必需在物料衡算的基础上。通常的物料衡算有两种：v1.对已有的生产或者装置利用实测的数据算出一些不能直接对已有的生产或

32、者装置利用实测的数据算出一些不能直接计算的物料量，以此为依据对生产情况进行分析，做出判断，计算的物料量，以此为依据对生产情况进行分析，做出判断，提出改进措施。提出改进措施。v2.另一种是针对单个的设备，根据设计任务首先做出物料衡另一种是针对单个的设备，根据设计任务首先做出物料衡算，求出进出设备的物料量，然后再进行热量横算求出热负算，求出进出设备的物料量，然后再进行热量横算求出热负荷。荷。2021-11-25化工过程设计33v 以稳态过程为例，物料衡算的理论依据是质量守恒定以稳态过程为例，物料衡算的理论依据是质量守恒定律，即在一个孤立物系中，不论物质发生任何变化，它的质律，即在一个孤立物系中，不

33、论物质发生任何变化，它的质量始终不变，即流入系统的所有的所有的物流的总质量等于量始终不变，即流入系统的所有的所有的物流的总质量等于流出的物流的总质量，所有进入的原子数等于所有流出的原流出的物流的总质量，所有进入的原子数等于所有流出的原子数（没有质量和能量的积累）子数（没有质量和能量的积累）v 若没有化学反应，则所有进入过程的任一化合物的摩尔若没有化学反应，则所有进入过程的任一化合物的摩尔物流必然等于离开该过程的任一化合物的摩尔物流。物流必然等于离开该过程的任一化合物的摩尔物流。2021-11-25化工过程设计34一、求解物料衡算的主要步骤如下：一、求解物料衡算的主要步骤如下： 进行物料衡算时，

34、尤其是那些复杂的物料衡算，为了避免错误，进行物料衡算时，尤其是那些复杂的物料衡算，为了避免错误，建议采用下列计算步骤。对于一些简单的问题，这种步骤似乎有建议采用下列计算步骤。对于一些简单的问题，这种步骤似乎有些繁琐，但是训练这种有条理的解题方法，可以培养逻辑地思考些繁琐，但是训练这种有条理的解题方法，可以培养逻辑地思考问题，对今后解决复杂的问题是有帮助的。计算步骤如下：问题，对今后解决复杂的问题是有帮助的。计算步骤如下：v1）工艺流程、生产原理）工艺流程、生产原理v2）画出该过程的流程示意图）画出该过程的流程示意图v3）圈出求解系统在流程图中的边界）圈出求解系统在流程图中的边界v4）对于复杂的

35、过程问题，需列表进行自由度分析，检查求解的数）对于复杂的过程问题，需列表进行自由度分析，检查求解的数据条件与求解的变量条件是否符合，确定求解的步骤。据条件与求解的变量条件是否符合，确定求解的步骤。2021-11-25化工过程设计35v5）选定计算基准）选定计算基准v6）对于简单的衡算问题，可不做自由度分析，列表给出进）对于简单的衡算问题，可不做自由度分析，列表给出进出流股，其后直接求解。出流股，其后直接求解。v7）列出衡算的数学模型，并进行求解计算）列出衡算的数学模型，并进行求解计算v8）列表：输入、输出物料表）列表：输入、输出物料表v9）校核计算结果）校核计算结果v 查找物性数据：查手册、估

36、算、试验测定、计算机自动查找物性数据：查手册、估算、试验测定、计算机自动检索、软件检索、自动计算。检索、软件检索、自动计算。v 物料衡算的结果包括以下内容：进入和流出各流股各组物料衡算的结果包括以下内容：进入和流出各流股各组分的名称、质量、百分含量分的名称、质量、百分含量2021-11-25化工过程设计36二、简单过程的物料衡算二、简单过程的物料衡算1、 简单的衡算模型简单的衡算模型 简单过程是指仅有一个设备或一个单元操作或简单过程是指仅有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。这种过程的物料整个过程简化成一个设备的过程。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

37、衡算比较简单，在物料流程简图中，设备边界就是体系边界。体系边界。2021-11-25化工过程设计3711N IN TiiN IFiFi11(1,2,3)iNINTii jiijiiNIF ZF ZjNC11N Ci jjZ图图3.1简单衡算系统示意图简单衡算系统示意图NI个进入流股，个进入流股，NT-NI个引出流股。个引出流股。稳流过程，无化学反应稳流过程，无化学反应总体物料衡算：总体物料衡算：组分的物料衡算组分的物料衡算：约束条件：约束条件：1,2,3.iNT2021-11-25化工过程设计382、混合器和分离器的物料衡算、混合器和分离器的物料衡算1）简单混合是指若干不同流股在容器内混合）简

38、单混合是指若干不同流股在容器内混合为一个流股而流出，如图所示：为一个流股而流出，如图所示：11NTNTiiFF总 体 物 料 衡 算组 分 的 物 料 衡 算图图3.2简单混合过程示意图简单混合过程示意图11()1,2,NTii jiNTii jiF ZF ZjNC组分物料衡算2021-11-25化工过程设计39v例：一种废酸，组成为例：一种废酸，组成为23(质量质量)HNO3，57H2SO4和和20H2O，加入，加入93的浓的浓H2SO4及及90的浓的浓HNO3，要求混，要求混合成合成27HNO3及及60H2SO4的混合酸，计算所需废酸及加的混合酸，计算所需废酸及加入浓酸的数量。入浓酸的数量

39、。v解：解：v设设 x废酸量，废酸量，kg；v y浓浓H2SO4量，量，kg；v z浓浓HNO3量；量；v1、画物料流程简图、画物料流程简图2021-11-25化工过程设计402021-11-25化工过程设计41v2、选择基准，可以选废酸或浓酸的量为基准，也可以用混合酸的量为、选择基准，可以选废酸或浓酸的量为基准，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。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。v3、列物料衡算式，该体系有、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个独立方程，所以能个独立方程，所以能求出求出3个未知量。

40、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 + 0.90z=1000.27=27 (3) 解解(1)，(2)，(3)方程，得方程，得x=41.8kg废酸废酸 y = 39kg浓浓H2SO4 z = 19.2kg浓浓HNO32021-11-25化工过程设计42 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： 加入的水量加入的水量 = 41.8 0.2 + 39 0.07 + 19.2 0.10 =

41、 13kg 混合后的酸，含混合后的酸，含13H2O，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H2O或或HNO3与与H2O二个衡算式或二个衡算式或H2SO4、HNO3和和H2O三个组分三个组分衡算式进行计算，均可以求得上述结果。衡算式进行计算，均可以求得上述结果。2021-11-25化工过程设计43流股流股 x y z 混合酸混合酸组分组分23%HNO357H2SO493H2SO4 90%HNO327%HNO360H2SO4/kg质量分数质量分数/kg质量质量分数分数/kg质量质量分数分数/kg质量分数H2

42、SO4HNO3H2O总计总计2021-11-25化工过程设计442）简单分离）简单分离 流程示意图如图流程示意图如图3.4所示：所示：123FFF物料衡算通式为:11,33,22,jjjFZF ZFZ组分物料衡算式为：11,22,33,jjjFZF ZFZ11,2NTjii jiFZFZ12NTiiFF通式：通式：2021-11-25化工过程设计45v例3.2 将一个含有将一个含有20%（摩尔分数）丙烷、（摩尔分数）丙烷、20%异丁烷、异丁烷、20%异戊烷、异戊烷、40%正戊烷的混合物引入精馏塔分离。塔顶馏分含有正戊烷的混合物引入精馏塔分离。塔顶馏分含有50%丙烷、丙烷、44% 异异丁烷、丁烷

43、、1%正戊烷的混合物，塔底引出流股中仅含正戊烷的混合物，塔底引出流股中仅含1%的丙烷。试完成其的丙烷。试完成其物料衡算。物料衡算。23100/FFkmol h1、系统物料流程示意图如图所示。、系统物料流程示意图如图所示。2、计算基准、计算基准100kmol/h进料。进料。3、按简单分离物料衡算通式写出物料衡算式：、按简单分离物料衡算通式写出物料衡算式：总体物料衡算式：总体物料衡算式：组分物料衡算式：组分物料衡算式：32100 0.20.010.5/FFkmol h2021-11-25化工过程设计462338.8/ ,61.2/Fkmol h Fkmol h用用F2和和F3以及已知数据求出塔底流

44、股的未知组成及各流股的以及已知数据求出塔底流股的未知组成及各流股的衡算数据，填入表格。衡算数据，填入表格。 流股流股123 组分组分 进料进料 馏分馏分 塔底流塔底流/(kmol/h) 组成组成/(kmol/h) 组成组成/(kmol/h) 组成组成丙烷丙烷00.60.01异丁烷异丁烷42.90.05异戊烷异戊烷200.21.940.0518.10.30正戊烷正戊烷400.40.3880.0136.90.64合计合计1001.0038.81.0061.21.00表表3.3 衡算结果衡算结果2021-11-25化工过程设计47结晶 在化工生产中，为

45、了精制固体物质，使溶解于液体中的固体溶质呈结晶状析出的操作称为结晶。它是获得纯净固体物质的重要方法之一，应用较广泛。 在有关结晶的物料衡算中，溶解度和质量百分比浓度之间的换算是必需的，因为对于饱和溶液从手册上能查到的是溶解度数据而非质量百分比浓度数据。2021-11-25化工过程设计48 例4-5：1000千克KCl饱和水溶液盛于结晶槽中，温度为800C。将此溶液冷却到200C，若在冷却过程中，进料溶液中的水有7%蒸发掉，求从溶液中结晶出的KCl量。 解：由手册查得KCl在水中的溶解度数据为： 80：51.1克KCl/100克H2O 20：24.0克KCl/100克H2O。 画物料流程示意图：

46、如下页2021-11-25化工过程设计49 结 晶 过 程 80KCl饱和溶液 H2O 1000kg KCl结晶 x kg 20KCl饱和溶液 2021-11-25化工过程设计502021-11-25化工过程设计51 在石油化工生产中，常常需要分离气体混合物以获得纯净的原料气或气体产品，吸收操作就是分离气体混合物的一种有效方法。 吸 收 塔 吸收剂 精制气体 原料气体 溶液 图 4-13 气体吸收过程示意图 2021-11-25化工过程设计52 例：将含20%（质量百分数）丙酮与80%空气的混合气输入吸收塔，塔顶用喷水吸收丙酮。吸收塔塔顶出口气体含丙酮3%，空气97%，吸收塔底得到50千克含1

47、0%丙酮的水溶液，计算输入吸收塔气体的量。解：详细过程如下所示 2021-11-25化工过程设计53由 题 意 画 出 物 料 流 程 示 意 图 （ 见 图4 - 1 4 ） 基 准 ： 5 0k g 1 0 % 丙 酮 水 溶 液 设 塔 底 输 入 的 混 合 气 为 水 ：5 0k g 1 0 % 丙 酮 水 溶 液 吸 收 过 程 H2O y k g 丙 酮 3 % 空 气9 7 % x k g 丙 酮 2 0 % 空 气8 0 % 解：由题意画出物料流程示意图解：由题意画出物料流程示意图 ：如下所示：如下所示2021-11-25化工过程设计542021-11-25化工过程设计55干

48、燥 在化工生产中，有些原料、半成品和成品常含有水分（或其他溶剂）。为了便于加工，运输、贮藏和使用，须将物料中的水分（其他溶剂）除去。这种从物料中去除水分（或其他溶剂）的操作称去湿，去湿的方法很多，可分三类：（1）化学去湿法；（2）机械除湿法；（3）热能去湿法。热能去湿法也称干燥。2021-11-25化工过程设计56 例：现有湿纸浆含水71%（质量分数），需通过干燥去掉其初始水分的80%，试计算干燥后纸浆中的含水量和每千克湿纸浆去掉的水分量。 解：由题意干燥过程的物料流程如下图所示。干燥器 湿纸浆 纸浆 0.29 H2O 0.71 干纸浆 纸浆 1x H2O x 干燥去掉的 H2O=初始量的 8

49、0% 2021-11-25化工过程设计572021-11-25化工过程设计58蒸馏 蒸馏是利用液体混合物中各组分的挥发度不同进行组分分离，多用于分离各种有机物的混合液，也有用于分离无机物混合液的，例如液体空气中氮与氧的分离。 例：有一个蒸馏塔，输入和输出物料量及组成如下图4-16。输入物料1中A组分的98.7%自塔顶蒸出。求每千克输入物料可得到塔顶馏出物2的量及其组成。 2021-11-25化工过程设计59解：基准：100 kgh -1输入物料 令x = 馏出物中A的百分含量，y = 馏出物中B的百分含量。1 进料 100kgh1 A 0.20 B 0.30 C 0.50 蒸 馏 塔 冷凝器

50、2 馏出物 P kgh1 A x B y C 1-x-y 3 塔底产物 W kgh1 A 0.005 B 0.055 C 0.94 2021-11-25化工过程设计60将各物料的流量及组成列于下表组 分 mol% 流股号 流量kgh -1 A B C 1 2 3 100 P W 20 x 0.5 30 y 5.5 50 1-x-y 94.0 由上表可以看出，共有5个未知量，即P、W及流股2的组成A、B、C，由于组成A、B、C的百分含量之和为1，所以只需求得任意两个组成，如A、B（或B、C或C、A），第三个组成就可求出。因此实际上是4个未知量，需要4个方程。但是输入和输出物料中共有3个组分，因而

51、只能写出3个独立物料衡算式。第四个方程必须从另外给定的条件列出。2021-11-25化工过程设计61根据题意，已知输入物料中A组分的98.7%自塔顶蒸出，即流股2中A组分量为: （1）总物料衡算式有P和W两个未知量。A、B、C三个组分的衡算式中，A组分的衡算式只含一个未知量W，所以先列A组分的衡算式。A组分衡算式： （2）总物料衡算式： （3）B组分衡算式： （4）由（2）式得：代入（3）式得： 代入（4）式得：y = 56.54%1-1hkg4 .19%7 .9820%h100kgP.x52wkg11h19.74kg0.5%w20%hkg100WP100yPW5.5%30%10052kgw

52、1h52)kg(100p2021-11-25化工过程设计62 由（由（1）式得：）式得： 馏出物中馏出物中C组成为：组成为： 由由C组分衡算式得：组分衡算式得： 结果符合结果符合 由上例可以看出，因为第二个方程只有一个未知参由上例可以看出，因为第二个方程只有一个未知参数，数， 解这样的方程，可以避免解方程组。解这样的方程，可以避免解方程组。111h48kgh19.74kgPh19.74kgx2.83%56.54%41.13%1yx1y)x(1h48kg94%h52kg50%h100kg1112.83%yx12021-11-25化工过程设计63 以上几例为无化学反应过程的物料衡算，当利用代数法求

53、解时，列衡算式应注意下列几点： 无化学反应体系，能列出的独立物料衡算式数目，最多等于输入和输出物料中化学组分的数目。 首先列出含未知量数目最少的物料衡算方程，最好是能列出一个方程解一个未知数，然后一步一步地列出其它的方程，避免了解方程组的繁琐。 若体系内具有很多多组分的物料，则最好将每股物流编号，并列表表示出已知的量和组成，检查能列出的衡算方程数目是否等于未知量的数目，判断能否通过物料衡算式解决问题。2021-11-25化工过程设计64v3、具有化学反应的物料衡算、具有化学反应的物料衡算 按照质量守恒定律，对于化学反应按照质量守恒定律，对于化学反应1234510NCjjjV A V BV CV

54、 DV EM V其物料衡算通式为：例例3.3 在催化剂作用下，甲醇借助于空气氧化可以制取甲醛。在催化剂作用下，甲醇借助于空气氧化可以制取甲醛。为了保证甲醇有足够的转化率，在进料中空气过量为了保证甲醇有足够的转化率，在进料中空气过量50%，甲，甲醇转化率可以达到醇转化率可以达到75%，试列出物料衡算列表。，试列出物料衡算列表。Vj在反应中第在反应中第j个组分的化学计量系数，对于反应物为负值，个组分的化学计量系数，对于反应物为负值，对于产物为正值。对于产物为正值。2021-11-25化工过程设计65v1、系统物料流程示意图如图所示。、系统物料流程示意图如图所示。v2、计算基准、计算基准100kmo

55、l/h甲醇进料。甲醇进料。v3、该反应的化学计量系数为甲醇、该反应的化学计量系数为甲醇V1=-1，氧，氧V2=-0.5，甲醛，甲醛V3=1，水，水V4=1 物料衡算模型为：物料衡算模型为：22,11,11,kjjjkkY VF ZF ZF ZV(1,2,)jNC10N CjjjMVYk：关键的或基准的一种试剂的转化率。：关键的或基准的一种试剂的转化率。3220.5CH OHOHCHOH O2021-11-25化工过程设计66v按上述模型求出的解，列表。按上述模型求出的解，列表。2021-11-25化工过程设计67v4、简单的过程计算、简单的过程计算含有惰性组分的过程。含有惰性组分的过程。 含有

56、惰性组分的过程是常见的简单过程之一，所谓惰性组分就是在过程中含有惰性组分的过程是常见的简单过程之一，所谓惰性组分就是在过程中始终不变的组分。始终不变的组分。 例例3.4 今有一油分，经含量分析得知，其中含有今有一油分，经含量分析得知，其中含有84%的的C和和16%的的H。现以。现以100kg/h的油分、的油分、3.6kg/h的水蒸气混合燃烧。分析燃烧尾气，其中含有的水蒸气混合燃烧。分析燃烧尾气，其中含有9.5%的的CO2（体积分数）。试求供给燃烧炉的空气过剩量是多少？（体积分数）。试求供给燃烧炉的空气过剩量是多少？ 该燃烧过程的反应为：该燃烧过程的反应为：2220.5nmC HROnCOmH

57、O式中 R=n+0.25m该反应也可以分解为该反应也可以分解为C与与H2的燃烧反应，即的燃烧反应，即2222212COCOHOH O2021-11-25化工过程设计68v1、系统物料流程示意图如图所示。、系统物料流程示意图如图所示。v2、计算基准、计算基准100kmol/h甲醇进料。甲醇进料。、系统物料流程示意图如图所示。、系统物料流程示意图如图所示。、计算基准、计算基准1h。、估算输入流率、估算输入流率 84kgC=84/12=7kmol 16kgH2=16/2=8kmol 3.6kgH2O=3.6/18=0.2kmol、用分解反应做反应物质的物料衡算，各组分在各个步、用分解反应做反应物质的

58、物料衡算，各组分在各个步骤中的数量分配列于表骤中的数量分配列于表3.5中，表中中，表中x表示过剩的氧气量，表示过剩的氧气量，y表示进料中的氮。表示进料中的氮。2021-11-25化工过程设计69项目项目H2CO2CO2H2ON2反应反应1消耗消耗77产生产生7反应反应2消耗消耗84产生产生8未变组分未变组分x0.2y出口尾气出口尾气x78.2y22COCO22212HOH O表表3.5 各组分数量分配各组分数量分配2021-11-25化工过程设计70v、计算过剩的空气量、计算过剩的空气量 按化学计量式所需按化学计量式所需O2为为 4+7=11kmol， 实际供应的实际供应的O2量为量为11+x

59、kmol，氮气进出总量不变，按大气组成计算有，氮气进出总量不变，按大气组成计算有110.7941.383.760.21xyx 全部引出的气体量为全部引出的气体量为 15.2+x+y=56.58+4.76x按题给条件，在出口气体中按题给条件，在出口气体中CO2占占9.5%，即，即70.09556.584.76x解得解得 x=3.59kmol实际上的供氧量为实际上的供氧量为 11+x=11+3.59=14.59kmol所以过程空气量与反应所需的空气量的百分比等于其相应的氧气量的比，即所以过程空气量与反应所需的空气量的百分比等于其相应的氧气量的比，即3.59100%32.6%11.00p 2021-

60、11-25化工过程设计71v例例3.5 吸收过程吸收过程v 利用惰性组分的特征可以简化物料衡算。利用惰性组分的特征可以简化物料衡算。 有一股流率为有一股流率为50kmol/h，含有，含有15%(摩尔分数，下同摩尔分数，下同)CO2和和5%H2O的气流送入吸收塔，用新鲜水吸收的气流送入吸收塔，用新鲜水吸收CO2。吸收后的气。吸收后的气体中，含有体中，含有1%CO2和和3%的的H2O，新鲜水的流率为，新鲜水的流率为500kmol/h。试求出口流股的组成与流率。试求出口流股的组成与流率。解解：简化流程示意图为简化流程示意图为2021-11-25化工过程设计72以以1h作为计算基准作为计算基准物料衡算