物料衡算和能量横算ppt课件

1、2021-12-16;.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第三章第三章 物料衡算和能量衡算物料衡算和能量衡算教学内容：主要讲物料衡算中基本衡算思路，掌握衡算方法。教学内容：主要讲物料衡算中基本衡算思路，掌握衡算方法。教学重点：物料衡算的基本方法与思路教学重点：物料衡算的基本方法与思路教学难点：化工流程的物料衡算与带有循环流的物料衡算教学难点：化工流程的物料衡算与带有循环流的物料衡算教学课时：教学课时：8-108-10学时学时教学方法：课堂讲授（多媒体、板书）教学方法：课堂讲授（多媒体、板书）2化工过程设计2021-12-16;.3 化工过程的物料衡算和能量衡算，是利用物理与化学

2、的基本定律，对化工过程单元系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进行定量计算。通过计算解决以下问题：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：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，管路设施与公用工程提供依据。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。

3、2021-12-16;.4 化工过程有许多输入流股和输出流股，本章内容是讲授确定这些流股的策略与方法，物化工过程有许多输入流股和输出流股，本章内容是讲授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繁的计算。料衡算与热量横算是化工工程师接触最频繁的计算。 2021-12-16;.5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(自学自学)2021-12-16;.6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、

4、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）进入过程单进入过程单元的物料量元的物料量流出过程单流出过程单元的物料量元的物料量在过程单元在过程单元内生成的物内生成的物料量料量在过程单元在过程单元内消耗的物内消耗的物料量料量过程单元内过程单元内累积的物料累积的物料量量（Fo）（Dp）（ Dr ）（W） 2021-12-16;.7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素列出。上式：即可对总物料，也可以对其中任一组分或元素列出。 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

5、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算方程，只有涉及化学反应量，才列写出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。各元素的衡算方程。2021-12-16;.82 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，其物料或能量衡算的方程亦有差别。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。n 化工

6、过程根据其操作方式可以分成间歇操作、连续操作以及半连续操作三类。或者将化工过程根据其操作方式可以分成间歇操作、连续操作以及半连续操作三类。或者将其分为稳定状态操作和不稳定状态操作两类。在对某个化工过程作物料或能量衡算时，必其分为稳定状态操作和不稳定状态操作两类。在对某个化工过程作物料或能量衡算时，必须先了解生产过程的类别。须先了解生产过程的类别。2021-12-16;.9n间歇操作过程：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，一直到间歇操作过程：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，一直到操作完成后，物料一次排出，即为间歇操作过程。此过程的特点是在整个操作时间内，

7、操作完成后，物料一次排出，即为间歇操作过程。此过程的特点是在整个操作时间内，再无物料进出设备，设备中各部分的组成、条件随时间而不断变化（如：萃取过程、再无物料进出设备，设备中各部分的组成、条件随时间而不断变化（如：萃取过程、过滤过程）。过滤过程）。n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。出同样数量（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。在整个操作期间，设备内各部分组成与条件不随时间而变化。

8、在整个操作期间，设备内各部分组成与条件不随时间而变化。2021-12-16;.10n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，而出料是一次或分批的。料，而出料是一次或分批的。n稳定状态操作就是整个化工过程的操作条件（如温度、压力、物料量及组成等）如果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程，或称稳定过程。如果操作

9、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。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。稳定过程。n间歇过程及半连续过程是不稳定状态操作。连续过程在正常操作期间，操作条件比较间歇过程及半连续过程是不稳定状态操作。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，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时，则属不稳定状态操作。稳定状态操作。2021-12-16;.11 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，并在整个运算中

10、保持一致。若基准选的好，可物料衡算过程，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。一般计算过程的基准有以下几种：使计算变得简单。一般计算过程的基准有以下几种：时间基准时间基准 对于连续操作过程，选用单位时间作为基准是很自然的，单位时间可取对于连续操作过程，选用单位时间作为基准是很自然的，单位时间可取1d1d、1h1h或或1s1s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。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。批量基准批量基准 对于间歇操作，按投入物料的数量为基准，最方便，即以一批对于间歇操作，按投入物料的数量为基准，最方便，即以一批

11、/ /次作为基准。次作为基准。2021-12-16;.12质量基准质量基准 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。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。 例如：可取某一基准物流的质量为例如：可取某一基准物流的质量为100Kg，然后计算其他物流的质量。若已知进料质量，然后计算其他物流的质量。若已知进料质量百分比组成，则选百分比组成，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组成，则选进料为基准，若已知出料质量百分组成，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，因化学反应按摩尔进

12、行的，用物质的量基准更方便，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，或者已知进料或者出料摩尔组成的情况。若已知进料组成摩尔分数，用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分数，用100mol或者或者100kmol进料，反之已知出料组成，用进料，反之已知出料组成，用100mol或者或者100kmol出料做基准。出料做基准。2021-12-16;.13标准体积基准标准体积基准 对于气体物料，可采用标准体积基准，因标准状态下对于气体物料，可采用标准体积基准，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。2021-1

13、2-16;.14 在计算过程中，经常要用到组成单位的换算常用字的是质量分数与摩尔分数在计算过程中，经常要用到组成单位的换算常用字的是质量分数与摩尔分数的互换，有时也需进行干基和湿基的互换。的互换，有时也需进行干基和湿基的互换。 练习：丙烷充分燃烧时，要使空气过量练习：丙烷充分燃烧时，要使空气过量25%，燃烧反应方程式为：，燃烧反应方程式为： 试计算，得到试计算，得到100mol燃烧产物所消耗的空气量。（以燃烧产物所消耗的空气量。（以1mol入口空气量作为基准，入口空气量作为基准，以以1mol入口）入口）2021-12-16;.15 由计算结果可以看出，当加入的空气量是由计算结果可以看出，当加入

14、的空气量是29.76mol时，可产生时，可产生烟道气烟道气31.76mol，所以产生，所以产生100mol烟道气（燃烧产物所需要的烟道气（燃烧产物所需要的空气量为空气量为100/31.76*29.73mol）2021-12-16;.16 由计算结果可以看出来，每加入由计算结果可以看出来，每加入1mol空气可以产生空气可以产生1.0674mol的燃烧产物，所以产生的燃烧产物，所以产生100mol燃烧产物需要的空气量为燃烧产物需要的空气量为100/1.0674=93.7mol。2021-12-16;.17二、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，便于检查核对时，

15、必须采取正确的步骤进行计算，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，使之做到条理分明清晰，计算迅速，结果准确，一般程序如下：使之做到条理分明清晰，计算迅速，结果准确，一般程序如下：2021-12-16;.18（1） 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

16、来。意物料种类和走向，输入和输出要明确表示出来。（2） 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。方法简便。（3） 确定过程所涉及的组分，并对所有组分依次编号。确定过程所涉及的组分，并对所有组分依次编号。（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。2021-12-16;.19（5 5）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）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学参数，

17、具体包括以下内容：的物理化学参数，具体包括以下内容：生产规模和生产时间，生产规模是设计任务所规定（生产规模和生产时间，生产规模是设计任务所规定（T/T/年），生产时间是指全年的有年），生产时间是指全年的有效生产天数效生产天数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耗、配料比、循环比、固液比、气液比、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、回流比、利用率、单程收率、回收率等等。回流比、利用率、单程收率、回收率等等。2021-12-16;.20、原辅材料厂、产品、中间产品的规格，包括原

18、料的有效成分和杂质含量，气体或液体、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，气体或液体混合物的组成。混合物的组成。、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、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、气液平衡常数或平衡关系，粘度、扩散参数等气液平衡常数或平衡关系，粘度、扩散参数等2021-12-16;.21（6 6）列出过程的全部独立物料平衡方程式及其相关约束式，对有化学反应的还要写出）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

19、定量关系，必要时还应化学反应方程式，明确反应前后的物料组成和各组分之间的定量关系，必要时还应指出其转化率和选择性，为计算作准备。指出其转化率和选择性，为计算作准备。2021-12-16;.22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，用下式成立当物流的组成用摩尔分数或质量分数表示时，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（或质量分数）；股流中的摩尔分数（或质量分数）； 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

20、-12-16;.23（）设备约束式）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； C（-1） 、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 12021-12-16;.24（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，确定设计

21、变量和个数及全部设计变量。）独立的总物流变量个数与方程个数，确定设计变量和个数及全部设计变量。 在统计变量个数时，如果在每个单元的全部物流中都含有全部的组分在统计变量个数时，如果在每个单元的全部物流中都含有全部的组分Nc个，则对其个，则对其中任一流股中任一流股i有有Nc个摩尔分数或者质量分数，还有流量个摩尔分数或者质量分数，还有流量Fi，每股物流计，每股物流计Nc+1个物流变量。个物流变量。设共有设共有Ns股物流，则总的物流变量个数为股物流，则总的物流变量个数为Nv=Ns(Nc+1)，当一个或多个组分从流股中消，当一个或多个组分从流股中消失的时候，上式不再适用，必须逐股计算失的时候，上式不再适

22、用，必须逐股计算,获得获得Nv进而计算设计变量。进而计算设计变量。2021-12-16;.25v 设计变量是设计以前必须确定好的变量，对于设计型的计算，常取某些设计指标及设计变量是设计以前必须确定好的变量，对于设计型的计算，常取某些设计指标及特定的操作条件作为设计变量，对于模拟型的计算，则常取进料物流的流量、组成、状态特定的操作条件作为设计变量，对于模拟型的计算，则常取进料物流的流量、组成、状态及某些设备参数作为设计变量，在物料衡算过程中方程有定解的充要条件是：独立方程的及某些设备参数作为设计变量，在物料衡算过程中方程有定解的充要条件是：独立方程的个数等于未知数的个数，因此设计变量的个数必需满

23、足以下条件个数等于未知数的个数，因此设计变量的个数必需满足以下条件Ne=Nv-NdvNe：方程的个数（约束关系式数目）。：方程的个数（约束关系式数目）。vNd：设计变量的个数（已知流股变量数）。：设计变量的个数（已知流股变量数）。v 如果系统与环境间有能量交换的话则如果系统与环境间有能量交换的话则Nv应增加描述能量交换的变量数，如果有一股热应增加描述能量交换的变量数，如果有一股热量交换时应该增加一个变量数，如果有两股变量交换时应该增加两股变量数。量交换时应该增加一个变量数，如果有两股变量交换时应该增加两股变量数。2021-12-16;.26v 进行化工过程设计，要确定各个物理量的数值，如进料流

24、率、浓度、温度、压力、热进行化工过程设计，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，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于设计变量的数目，设计就不会有结果；反之，给定数值的计过程中给定数值的物理量少于设计变量的数目，设计就不会有结果；反之，给定数值的物理量数目过多设计也无法进行。物理

25、量数目过多设计也无法进行。2021-12-16;.27v作业：物料衡算的基本程序是什么？物料衡算的基本程序是什么？v 物料衡算过程中怎样确定设计变量的数目？物料衡算过程中怎样确定设计变量的数目？2021-12-16;.28v（9）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，）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，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，编写物流表作为设计文件成果编入正式设计文件。）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。2021-12-16;.29综上所述步骤，可

26、归纳如下：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。2021-12-16;.30v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，必不可少地要用到有关化合

27、物的物性数据。在化工计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量衡算时，需要用到密度或比容、沸点、蒸汽压、烩、热容例如，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等等。这些数据习惯上称为过程时，需要导热系数的数据等等。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，又被称作本身的

28、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”。2021-12-16;.31 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：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：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、临界体积）、密度或比容、状态如临界常数（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、气一液平衡关系等。方程参数、压缩系数、蒸气压、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、自由能、自由焓等。如内能、焓、熵、热容

29、、相变热、自由能、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、反应速度常数、活化能，化学如反应热、生成热、燃烧热、反应速度常数、活化能，化学平衡常数等。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。2021-12-16;.32 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，从表格或图的形式表示。这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

30、册或专业性的化工手册中查到。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。v2、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。、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。v3、用实验直接测定。、用实验直接测定。2021-12-16;.33 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，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。用一些理论的、半经验的和经验的公式估算，也是一种简便的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。当手册或文献

31、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，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。度又不够时，则必须用实验进行测定。 近年来，随着电子计算机的迅速发展，应用计算机储存、检索和推算物性数据日益近年来，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、研究部门和高等院校都相应建立了物性数据库，以便于通过增多。一些大型化工企

32、业、研究部门和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。2021-12-16;.34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理、生产方法和工艺流程，然后用示在进行衡算时，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，选定所需的温度、压力或物料组成、产品目标

33、、原料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础知识才能进行衡算。行衡算。2021-12-16;.35v 化工过程包括许多工序，每个工序又有若干设备（如反应器、精馏塔、吸收塔、干燥化工过程包括许多工序，每个工序又有若干设备（如反应器、精馏塔、吸收塔、干燥塔、分离器、换热器及输送设备等），完成某种化学或物理过程最重成为合格的产品在不塔、分离器、换热器及输送设备等），完成某种化学或物理过程最重成为合格的产品在不同的过程中，有一些物料操作不改变物料的化学性质，只改变物料性质，这种操作被成为同的过程中，有一些物料操作不改

34、变物料的化学性质，只改变物料性质，这种操作被成为单元操作，如流体输送、传热、蒸馏、干燥、蒸发、结晶、萃取、吸收、吸附、过滤及破单元操作，如流体输送、传热、蒸馏、干燥、蒸发、结晶、萃取、吸收、吸附、过滤及破碎等操作，还包括一些改变物料性质的化学反应过程。综合起来的操作过程就是：碎等操作，还包括一些改变物料性质的化学反应过程。综合起来的操作过程就是：2021-12-16;.36v1.化学反应：适宜的化学反应：适宜的T、P，催化剂，合适的反应器，控制平衡收率，反应速度和副反应。，催化剂，合适的反应器，控制平衡收率，反应速度和副反应。v2.分离或者提纯：化学反应的到的产品不是单一的产品，必需经过分离提

35、纯才能得到较纯分离或者提纯：化学反应的到的产品不是单一的产品，必需经过分离提纯才能得到较纯的产品，分离过程是基于物体在相变化过程中的某些物理性质的差异。的产品，分离过程是基于物体在相变化过程中的某些物理性质的差异。v如：精馏：挥发度如：精馏：挥发度 吸收、萃取：溶解度（同种溶剂、不同溶剂）吸收、萃取：溶解度（同种溶剂、不同溶剂） 结晶：熔点或溶解度结晶：熔点或溶解度2021-12-16;.37 1）混合物加热，加热后的蒸汽再冷凝，甲醇和苯的挥发度不同，气相中甲醇含量高，液相）混合物加热，加热后的蒸汽再冷凝，甲醇和苯的挥发度不同，气相中甲醇含量高，液相中苯的含量高。中苯的含量高。 2）混合液冷却

36、：苯在）混合液冷却：苯在5.5时凝固，甲醇在时凝固，甲醇在-97 凝固。凝固。 3）混合物中加入一种溶剂（水）：水与甲醇互溶但是不与苯互溶，然后再将两相（水）混合物中加入一种溶剂（水）：水与甲醇互溶但是不与苯互溶，然后再将两相（水-醇、醇、苯苯-醇）相分离。醇）相分离。v3.混合：与分离相反的过程，化工生产中经常需将两种或者两种以上的物料相混合，非化混合：与分离相反的过程，化工生产中经常需将两种或者两种以上的物料相混合，非化学过程，不消耗能量，搅拌消耗少量的能量。学过程，不消耗能量，搅拌消耗少量的能量。例：苯和甲醇的混合物（液液混合）：例：苯和甲醇的混合物（液液混合）：2021-12-16;.

37、38v4、改变温度。化学反应速度和收率、物质的相态变化（如蒸气的冷凝、液体的气化或凝、改变温度。化学反应速度和收率、物质的相态变化（如蒸气的冷凝、液体的气化或凝固、固体的熔化等）以及物质的其他物理性质变化（如粘度、溶解度、表面张力等）等均固、固体的熔化等）以及物质的其他物理性质变化（如粘度、溶解度、表面张力等）等均与温度有密切的关系，改变温度可调节以上各性质达到所需的要求。与温度有密切的关系，改变温度可调节以上各性质达到所需的要求。v5、改变压力。化学反应的反应物或生成物中如有气体时，改变压力对平衡收率有影响。、改变压力。化学反应的反应物或生成物中如有气体时，改变压力对平衡收率有影响。例如，合

38、成氨反应例如，合成氨反应N23H22NH3，压力增高，氨的平衡产率就增加。除此之外物质的相，压力增高，氨的平衡产率就增加。除此之外物质的相态变化，如蒸气冷凝或液体气化等与压力亦有密切关系。当用泵或压缩机输送流体时，压态变化，如蒸气冷凝或液体气化等与压力亦有密切关系。当用泵或压缩机输送流体时，压力用于克服设备和管线中的阻力。力用于克服设备和管线中的阻力。 2021-12-16;.39v 化工过程中的每一个设备进行上述一种或几种操作。设计化工过程，就是设计以上一化工过程中的每一个设备进行上述一种或几种操作。设计化工过程，就是设计以上一系列操作，将其适当地、合理地组合起来，以改变原料的化学和物理性质

39、，使之能够生产系列操作，将其适当地、合理地组合起来，以改变原料的化学和物理性质，使之能够生产合格的产品。把完成这些操作的设备串连组合起来，就成为一个化工过程。合格的产品。把完成这些操作的设备串连组合起来，就成为一个化工过程。2021-12-16;.40 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，要了解能量的分布情况必需在物料衡算的基础上。通常的物料衡算有两种：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：v1.对已有的生产或者装置利用实测的数据算出一

40、些不能直接计算的物料量，以此为依据对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。生产情况进行分析，做出判断，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算，求出进出设备的物料量，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荷。然后再进行热量横算求出热负荷。2021-12-16;.41v 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

41、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）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）v 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。一化合物的摩尔物流。2021-12-16;.42一、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

42、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。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，这种步骤似乎有些繁琐，但是训练这种有条理的解题方法，可以培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问题，对今后解决复杂的问题是有帮助的。计算步骤如下：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：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

43、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）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。件是否符合，确定求解的步骤。2021-12-16;.43v5）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，列表给出进出流股，其后直接求解。）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。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

44、算、试验测定、计算机自动检索、软件检索、自动计算。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。v 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2021-12-16;.44二、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整个过程简化成一个设备的过程。这种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。这种过程的物料衡算比较简单，在物料流程简图中，设备边界就是体系边界。过程的物

45、料衡算比较简单，在物料流程简图中，设备边界就是体系边界。2021-12-16;.4511N 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。稳流过程，无化学反应个引出流股。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.iNT2021-12-16;.462、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为一个流股而流出，如图所示：

46、）简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：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2021-12-16;.47v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，要求混合成，要求混合成27HNO3及及60H2SO4的混合酸，计算所需废酸及的混合酸，计算所需废酸及加入浓酸的数量。加入浓酸的数量。v解：解：v设设 x废酸量，废

47、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2021-12-16;.482021-12-16;.49v2、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、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。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，所以能求出个独立方程，所以能求出3个未知量。个未知量。 基准：基准：100kg混合酸混合酸

48、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HNO32021-12-16;.50 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 = 13kg 混合后的酸，含混合后的酸，含13H2O，所以

49、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三个组分衡算式进行计算，均可以求得上述结果。三个组分衡算式进行计算，均可以求得上述结果。2021-12-16;.51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质量分质量分数数/kg质量质量分数分数/kg质量分数H2SO4HNO3H2O总计总计2021-12-16;.522）简单

50、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：2021-12-16;.53v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%正戊烷的混合物正戊烷的混合物引入精馏塔分离。塔顶馏分含有引入精馏塔分离。塔顶馏分含有50%丙烷、丙烷、44% 异丁烷、异丁烷、1%正戊烷的混合物，塔底引出正戊烷的混合物，塔底引出流股中仅含流股中仅含1%的

51、丙烷。试完成其物料衡算。的丙烷。试完成其物料衡算。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 h2021-12-16;.54v可以解出可以解出：2338.8/ ,61.2/Fkmol h Fkmol h用用F2和和F3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。以及已知数据求出塔底流股的

52、未知组成及各流股的衡算数据，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2021-12-16;.55v3、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

53、于化学反应1234510NCjjjV A V BV CV 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。为了保证甲醇有足够的转化率，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，在进料中空气过量在进料中空气过量50%，甲醇转化率可以达到，甲醇转化率可以达到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，对于产物为正值。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。2021-12-16;.56v1、系统物料流程示意图如图所示。、系统物料流程示意

54、图如图所示。v2、计算基准、计算基准100kmol/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 O2021-12-16;.57v按上述模型求出的解，列表。按上述模型求出的解，列表。2021-12-16;.58v4、简单的过程计算、简单的过程计算含有惰性组分的

55、过程。含有惰性组分的过程。 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。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的的油分、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）。（体积分数）。试求供给燃烧炉的空气过剩量是多少？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：222

56、0.5nmC HROnCOmH 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 O2021-12-16;.59v1、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

57、骤中的数量分配列于表、用分解反应做反应物质的物料衡算，各组分在各个步骤中的数量分配列于表3.5中，中，表中表中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。2021-12-16;.60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2021-12-16;.61v、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

58、11+xkmol，氮气进出总量不，氮气进出总量不变，按大气组成计算有变，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 2

59、021-12-16;.62v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，用的气流送入吸收塔，用新鲜水吸收新鲜水吸收CO2。吸收后的气体中，含有。吸收后的气体中，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2021-12-16;.63以以1h作为计算基准作为计算基准物料衡算：物料

60、衡算： 原料气中惰性物质的流率为原料气中惰性物质的流率为50 (1 0.05 0.15) 40/kmol h 惰性物质在入塔气体中的组成为惰性物质在入塔气体中的组成为80%，在出塔气体中的组成为，在出塔气体中的组成为96%，出塔气体中惰性气体，出塔气体中惰性气体的的流率为的的流率为40kmol/h,CO2的流率为的流率为40/0.96*0.01= 4.167 kmol/h. H2O的流率为的流率为40/0.96*0.03=1.25kmol/h根据各组分的物料衡算知，对根据各组分的物料衡算知，对CO2有：有：入塔气体中的入塔气体中的CO2流率流率=引出气体中的引出气体中的CO2流率和引出液流中的