现代化工计算单元3化工过程物料衡算教材ppt课件

1、*单元3化工过程物料衡算1单元三单元三 化工过程物料衡算化工过程物料衡算任务任务1 理解物料衡算基础知识理解物料衡算基础知识一、一、 物料衡算的两大类型物料衡算的两大类型二、二、 化工生产过程的类型化工生产过程的类型三、三、 物料衡算的理论依据及物料物料衡算的理论依据及物料衡算式衡算式四、四、 物料衡算计算基准及其选择物料衡算计算基准及其选择五、五、 物料衡算的一般步骤物料衡算的一般步骤任务任务2 物理过程的物料衡算物理过程的物料衡算一、一、 混合过程物料衡算混合过程物料衡算二、二、 蒸发与结晶过程物料衡算蒸发与结晶过程物料衡算三、三、 吸收过程物料衡算吸收过程物料衡算四、四、 精馏过程物料衡

2、算精馏过程物料衡算任务任务3 反应过程物料衡算反应过程物料衡算一、一、 反应物配比反应物配比二、二、 转化率、选择性、收率、转化率、选择性、收率、三、三、 单一反应过程物料衡算单一反应过程物料衡算四、四、 复杂反应过程物料衡算复杂反应过程物料衡算 (一一) 直接求解法直接求解法(二二) 元素衡算法元素衡算法(三三) 利用联系组分衡算利用联系组分衡算(四四) 利用化学平衡衡算利用化学平衡衡算*单元3化工过程物料衡算2任务任务1 理解物料衡算基础知识理解物料衡算基础知识知识目标：掌握物料衡算的类型、化工过程的类型、物料衡算的理论依据，熟悉物料衡算时计算基准的选择方法，熟悉物料衡算的一般步骤。能力目

3、标：能针对不同类型的化工过程和衡算对象，选择合适的计算基准和比较正确的衡算步骤。一、物料衡算的两大类型(1)核算型 对已有的生产设备或装置,利用实际测定的数据,计算出另一些不能直接测定的物理量。用此计算结果,对生产情况进行分析、作出判断、提出改进措施。(2)设计型 根据设计任务,先作物料衡算,求出进出各设备的物料量,然后再作能量衡算,求出设备或过程的热负荷,从而确定设备尺寸及整个工艺流程。 返回返回*单元3化工过程物料衡算3任务任务1 理解物料衡算基础知识理解物料衡算基础知识二、化工生产过程的类型二、化工生产过程的类型(1)(1)间歇操作间歇操作(2)(2)连续操作稳态；非稳态连续操作稳态；非

4、稳态(3)(3)半连续操作半连续操作三、物料衡算的理论依据及物料衡算式三、物料衡算的理论依据及物料衡算式(1)(1)物料衡算的理论依据物料衡算的理论依据 质量守恒定律质量守恒定律(2)(2)物料衡算式物料衡算式总物料若元素）：总物料若元素）：m m入入= m= m出出+ m+ m积累积累(3-1)(3-1)（注意单位：（注意单位：kgkg，若用，若用kmolkmol则无化学反应时适用）则无化学反应时适用）组分：组分：mimi入入mimi生成或消耗生成或消耗= mi= mi出出+ mi+ mi积累积累(3-2)(3-2)返回返回*单元3化工过程物料衡算4任务任务1 理解物料衡算基础知识理解物料衡

5、算基础知识四、物料衡算计算基准及其选择四、物料衡算计算基准及其选择(1)(1)稳定流动过程稳定流动过程单位时间，如：单位时间，如：1 1小时、小时、1 1分钟、分钟、1 1秒钟秒钟单位数量或某一整量的原料或产品，如：单位数量或某一整量的原料或产品，如：A)A)气体原料，有气体原料，有100mol100mol或或kmolkmol或或100Nm3100Nm3等，理由是气等，理由是气体物料通常用体物料通常用mol%mol%组成或体积组成或体积% %；B)B)液体原料，有液体原料，有100kg100kg，理由是液体物料通常用质量，理由是液体物料通常用质量% %。(2)(2)间歇过程间歇过程 不采用单位

6、时间为计算基准。不采用单位时间为计算基准。 *单元3化工过程物料衡算5计算基准选择举例计算基准选择举例,例例3-1戊烷充分燃烧戊烷充分燃烧,空气用量为理论量的空气用量为理论量的120%,反应式反应式为为:C5H12+8O25CO2+6 H2O,问每问每100mol燃烧产物需要多少燃烧产物需要多少mol空气？空气？解：由题意画出示意流程图解：由题意画出示意流程图 方法一：基准方法一：基准1mol C5H12那么：理论那么：理论O2量：量：n理论氧理论氧=8n戊烷戊烷=8mol实际实际O2量量:n实际氧实际氧=1.20n理论氧理论氧=9.60mol实 际实 际 a i r 用 量用 量 : n 实

7、 际 空 气实 际 空 气=9.60/0.21=45.71molN2量：量：n实际氮实际氮=45.710.79=36.11mol计算结果列表如下：计算结果列表如下： 输入项输入项输出项输出项组分组分摩尔数摩尔数克数克数组分组分摩尔数摩尔数mol%克数克数C5H12172CO2510.26220O29.60307.2H2O612.32108N236.111101.20O21.603.2851.2 N236.1174.131011.20 46.711390.40 48.71100.001390.40每每 1 0 0 m o l 燃 烧 产 物 烟 气 所 需 空 气 量 为 ：燃 烧 产 物 烟

8、气 所 需 空 气 量 为 ：45.7148.71100=93.84mol或由或由N2平衡方程得：平衡方程得：10073.13%79%=93.84mol (实际计算过程建议用实际计算过程建议用Excel处理处理)*单元3化工过程物料衡算6计算基准选择举例计算基准选择举例,戊烷充分燃烧，空气用量为理论量的戊烷充分燃烧，空气用量为理论量的120%，反应式为：，反应式为：C5H12+8O25CO2+6H2O,问每问每100mol燃烧产物需要多少燃烧产物需要多少mol空气？空气？解：由题意画出示意流程图解：由题意画出示意流程图 方法二：基准方法二：基准1mol空气空气则其中则其中O2量：量： n实际氧

9、实际氧=0.21mol反应的反应的O2量：量：n反应氧反应氧=0.21/1.20=0.175mol燃烧的燃烧的C3H8量：量：n丙烷丙烷=0.175/8=0.0219mol计算结果列表如下：计算结果列表如下： 每每100mol燃烧产物烟气所需空气量为：燃烧产物烟气所需空气量为：100/1.0656=93.84mol或由或由N2平衡方程得：平衡方程得：10074.13%79%=93.84mol 输入项输入项输出项输出项组分组分摩尔数摩尔数克数克数组分组分摩尔数摩尔数mol%克数克数C5H120.02191.575CO20.109410.264.8125O20.216.72H2O0.131312.

10、322.3625N20.7922.12O20.0353.281.12 N20.7974.1322.12 1.021930.415 1.0656100.0030.415(实际计算过程建议用实际计算过程建议用Excel处理处理)*单元3化工过程物料衡算7C平衡：平衡：5B=P（1）H2平衡：平衡：6B=Q（2）O2平衡：平衡：0.21A=M+P+Q/2 （3）N2平衡：平衡：0.79A=N（4）总物料：总物料：M+N+P+Q=100（5）过剩过剩O2：(0.21AM)1.20=0.21A 0.035A=M （6）以上以上6个线性方程采用个线性方程采用Excel的的MDETERM、MINVERSE、

11、MMULT三个函数或规划求解法求解上述线性方程三个函数或规划求解法求解上述线性方程方法三：基准方法三：基准100mol 烟气烟气,设设:N烟气中烟气中N2量，量，mol；M烟气中烟气中O2量，量，mol；P烟气中烟气中CO2量，量，mol；Q烟气中烟气中H2O量，量，mol；A入口空气量，入口空气量，mol；B入口入口C5H12量，量，mol。以上以上6个未知数，需要个未知数，需要6个独立方程。个独立方程。*单元3化工过程物料衡算8方法三：基准方法三：基准100mol 烟气烟气组分组分NMPQABmol数数74.1353.28410.26412.31793.8422.053结论：结论：(1)手

12、算以限制反应为基准能简化计算；手算以限制反应为基准能简化计算；(2)计算机计算则以已知条件最多的物料为计算基准较为适宜。计算机计算则以已知条件最多的物料为计算基准较为适宜。返回返回*单元3化工过程物料衡算9任务任务1 理解物料衡算基础知识理解物料衡算基础知识五、物料衡算的一般步骤五、物料衡算的一般步骤(1)(1)搜集原始数据；搜集原始数据；(2)(2)由题意画出过程物料流程简图，明确已知量、待求由题意画出过程物料流程简图，明确已知量、待求量；量；(3)(3)明确衡算体系明确衡算体系; ;(4)(4)选择计算基准；选择计算基准；(5)(5)写出有关化学反应方程式；写出有关化学反应方程式；(6)(

13、6)列出物料衡算式，选择合适的数学方法列出物料衡算式，选择合适的数学方法; ;(7)(7)校核计算结果，整理数据，如列成表格或画出物料校核计算结果，整理数据，如列成表格或画出物料流程图。流程图。 返回返回*单元3化工过程物料衡算10任务任务1 理解物料衡算基础知识理解物料衡算基础知识返回返回五、物料衡算的一般步骤五、物料衡算的一般步骤 物料流程图物料流程图*单元3化工过程物料衡算11任务任务2 2 物理过程的物料衡算物理过程的物料衡算知识目标：掌握典型物理过程的物料衡算方法。能力目标：能针对化工生产过程中的常见物理过程，列出物料平衡式并解出正确答案。主要方法,通常有三类衡算式,即:(1)总物料

14、平衡式;(2)组分平衡式;(3)归一方程。一、混合过程物料衡算 例3-2 一种废酸，组成为33%（质量%）HNO3、47%H2SO4和20%H2O，加入98.5%的浓H2SO4和90%的浓HNO3，要求混合成含27%HNO3及60%H2SO4的混合酸，计算所需废酸及加入浓酸的数量。分析：此题已知相对量，绝对量可任意假定。解：设x为废酸量,kg;y为浓H2SO4量,kg;z为浓HNO3量,kg。计算基准:100kg混合酸,由题意画出过程示意图(见例3-2附图)*单元3化工过程物料衡算12任务任务2 物理过程的物料衡算物理过程的物料衡算一、混合过程物料衡算一、混合过程物料衡算 例例3-2总物料平衡

15、：总物料平衡：x+y+z=100(1)H2SO4平衡：平衡：0.57x+0.93y=1000.60(2)HNO3平衡：平衡：0.23x+0.90z=1000.27 (3)解上式方程组得：解上式方程组得：x=41.69kg、y=38.96kg、z=19.35kg返回返回*单元3化工过程物料衡算13任务任务2 物理过程的物料衡算物理过程的物料衡算二、蒸发与结晶过程物料衡算二、蒸发与结晶过程物料衡算 补例补例1 用空气、纯氧和水通入蒸发室制备富氧湿空气。水在蒸发用空气、纯氧和水通入蒸发室制备富氧湿空气。水在蒸发室内全部汽化室内全部汽化,其流量为其流量为0.0012m3/h,使湿空气中含水为使湿空气中

16、含水为1.5%(mol%),纯氧摩尔流量为空气流量的纯氧摩尔流量为空气流量的1/5,计算所有的未知计算所有的未知量及组成。量及组成。 解解:设设Q空气流量空气流量,kmol/h;0.2Q纯氧流量纯氧流量,kmol/h; F富氧湿空气流量富氧湿空气流量,kmol/h; x富氧湿空气中含氧量富氧湿空气中含氧量,mol分率分率计算基准计算基准:1小时小时,画出物料流程简图如下画出物料流程简图如下:*单元3化工过程物料衡算14任务任务2 物理过程的物料衡算物理过程的物料衡算二、蒸发与结晶过程物料衡算二、蒸发与结晶过程物料衡算补例补例1将水的体积流量换算为将水的体积流量换算为mol流量流量:W=0.00

17、121000/18 =0.06666kmol/hH2O衡算式衡算式 W=F0.015=0.06666 (1)总物料衡算式总物料衡算式 0.2Q+Q+W=F (2)N2衡算式衡算式 0.79Q=F(10.015x) (3)解上述方程组得解上述方程组得: F =4.444 kmol/h Q =3.648 kmol/h x =0.377*单元3化工过程物料衡算15任务任务2 物理过程的物料衡算物理过程的物料衡算二、蒸发与结晶过程物料衡算二、蒸发与结晶过程物料衡算(1)溶解度的定义溶解度的定义(C)在一定温度下在一定温度下,某物质某物质(此处仅指固此处仅指固体物质体物质)在在100g溶剂中达到饱和时所

18、溶解的克数。对溶剂中达到饱和时所溶解的克数。对于固体物质的溶解度于固体物质的溶解度,通常仅是温度的函数通常仅是温度的函数,即即:C=f(T)(2)溶解度的计算公式溶解度的计算公式100 /100Cgg溶质的质量溶质溶剂溶剂的质量)()(100ba溶剂的质量溶质的质量溶剂溶质的溶解度dccbaadcba(3)计算举例计算举例,补例补例2 配制配制100吨吨90饱和食盐水，需水、饱和食盐水，需水、NaCl各为多少？已知各为多少？已知90时时NaCl的溶解度为的溶解度为38.5g。解：解：38.5/(38.5+100)=x/100 x=27.8吨吨NaCl、水、水:10027.8=72.2吨吨 *单

19、元3化工过程物料衡算16二、蒸发与结晶过程物料衡算二、蒸发与结晶过程物料衡算补例补例3溶解度数据溶解度数据(g/100gH2O(l)： 温度温度溶解度溶解度C温度温度溶解度溶解度C温度温度溶解度溶解度C6016.44012.7209.65014.453011.1108.15解：基准解：基准1000kg60饱和饱和NaHCO3(aq)由由t1=60查得：查得：C1=16.4 g/100gH2O(l)x1=C1/(100+C1)=16.4/116.4=0.1409总物料平衡：总物料平衡：m1=m2+m3（1）NaHCO3(s)平衡：平衡：m1 x1=m2+m3 x3（2）代入数据得：代入数据得：1

20、000=50+m3（3）10000.1409=50+m3 x3（4）解之得：解之得：m3=950kg、x3=0.09568C3=100 x3/(1C3=100 x3/(1x3)=100 x3)=1000.09568/(10.09568/(10.0.09568)09568) =10.58 g/100gH2O(l) =10.58 g/100gH2O(l)由溶解度数据线性内插得：由溶解度数据线性内插得：t3=20+10/(11.1t3=20+10/(11.19.60)9.60)(10.58(10.589.60)=9.60)=26.5326.53内插法讲解内插法讲解:211121()CCCCtttt2

21、11121()ttttCCCC返回返回*单元3化工过程物料衡算17任务任务2 物理过程的物料衡算物理过程的物料衡算三、吸收过程物料衡算三、吸收过程物料衡算例例3-4 含含20%(质量质量%)丙酮与丙酮与80%空气的混合气进吸收塔，塔顶空气的混合气进吸收塔，塔顶喷水吸收丙酮。吸收塔出口气体含丙酮喷水吸收丙酮。吸收塔出口气体含丙酮3%，塔底得到，塔底得到50千克千克含含10%丙酮的水溶液，计算进吸收塔气体的量。丙酮的水溶液，计算进吸收塔气体的量。解解:由题意画物料流程示意图由题意画物料流程示意图,以以50kg10%丙酮水溶液为计算基准丙酮水溶液为计算基准列衡算式：列衡算式：丙酮衡算式丙酮衡算式 0

22、.20 x=0.03y+5 (1) 空气衡算式空气衡算式 0.80 x=0.97y (2) 解解(1)、(2)得得 x=28.52kg， y=23.52kg 进料气中丙酮进料气中丙酮:0.20 x=0.2028.52=5.70 kg出料气中丙酮出料气中丙酮: 5.7-5=0.7kg或或0.03y=0.0323.52=0.70kg 返回返回*单元3化工过程物料衡算18任务任务2 物理过程的物料衡算物理过程的物料衡算四、精馏过程物料衡算四、精馏过程物料衡算例例3-5 有一个蒸馏塔，输入和输出物料量及组成如下图。输入有一个蒸馏塔，输入和输出物料量及组成如下图。输入物料物料1中中A组分的组分的98.7

23、%自塔顶蒸出。求每千克输入物料可得自塔顶蒸出。求每千克输入物料可得到塔顶馏出物到塔顶馏出物2的量及其组成。的量及其组成。解解:基准为基准为1小时小时令令:x馏出物中馏出物中A的百分含量的百分含量 y馏出物中馏出物中B的百分含量。的百分含量。 将各物料的流量及组成列于下表将各物料的流量及组成列于下表 流股流股号号流量流量(kg/h)组分组分(mol%)ABC11002030502Pxy1-x-y3W0.55.594.0*单元3化工过程物料衡算19任务任务2 物理过程的物料衡算物理过程的物料衡算四、精馏过程物料衡算四、精馏过程物料衡算 例例3-63-6 由表可看出由表可看出, ,共有共有5 5个未

24、知量个未知量, ,即即P P、W W及流股及流股2 2的组成的组成A A、B B、C,C,由于组成由于组成A+B+CA+B+C1,1,所以只需求得任意两个组成所以只需求得任意两个组成, ,如如A A、B(B(或或B B、C C或或C C、A),A),第三个组第三个组成就可求出。因此实际上是成就可求出。因此实际上是4 4个未知量个未知量, ,需要需要4 4个方程。但是输入和输出物个方程。但是输入和输出物料个共有料个共有3 3个组分个组分, ,因而只能写出因而只能写出3 3个独立物料衡算式。第四个方程必须从个独立物料衡算式。第四个方程必须从另外给定的条件列出。另外给定的条件列出。根据题意根据题意,

25、 ,已知输入物料中已知输入物料中A A组分的组分的98.7%98.7%自塔顶蒸出自塔顶蒸出, ,即流股即流股2 2中中A A组分量为组分量为: :P Px x10010020%20%98.7%98.7%19.74 kg (1)19.74 kg (1)总物料衡算式有总物料衡算式有P P和和W W两个未知量。两个未知量。A A、B B、C C三组分的衡算式中，三组分的衡算式中，A A组分的衡算组分的衡算式只含有一个未知量式只含有一个未知量W,W,所以先列所以先列A A组分的衡算式。组分的衡算式。A A 组 分 衡 算 式组 分 衡 算 式 1 0 0 1 0 02 0 %2 0 % W W0 .

26、5 % + 1 9 . 7 4 0 . 5 % + 1 9 . 7 4 (2)(2)总物料衡算式总物料衡算式 100 100P+W P+W (3)(3)B B组分衡算式组分衡算式 100 10030%30%5.5%5.5%W+PW+Py y (4)(4)由由(2)(2)式得式得 W=52kg W=52kg代入代入(3)(3)式得式得 P=100 P=100525248 kg48 kg代入代入(4)(4)式得式得 y=56.54% y=56.54%由由(1)(1)式得式得 x x19.74/P19.74/P19.74/48=41.13%19.74/48=41.13%C C组成为组成为 1 1x

27、xy y1 141.13%41.13%56.54%56.54%2.33%2.33%由由C C组分衡算式得组分衡算式得 100 10050%=5250%=5294%+48(194%+48(1x xy)y) 1 1x xy y2.33% 2.33% 结果符合。结果符合。返回返回*单元3化工过程物料衡算20任务任务2 物理过程的物料衡算物理过程的物料衡算课堂小练习课堂小练习 一蒸发器连续操作，处理量为一蒸发器连续操作，处理量为25吨吨/时溶液，原液时溶液，原液含含10%NaCl、10%NaOH及及80%（质量（质量%）H2O。经蒸发后，溶液中水分蒸出，并有经蒸发后，溶液中水分蒸出，并有NaCl结晶析

28、出，结晶析出，离蒸发器溶液浓度为离蒸发器溶液浓度为12%NaCl、40%NaOH及及48%H2O。计算：（。计算：（1每小时蒸出的水量每小时蒸出的水量kg/h）；）；（2每小时析出的每小时析出的NaCl量；（量；（3每小时离蒸发器每小时离蒸发器的浓溶液的量。的浓溶液的量。 返回返回*单元3化工过程物料衡算21任务任务3 化学反应过程的物料衡算化学反应过程的物料衡算 知识目标：掌握反应物配比、转化率、选择性、收率的概念，掌握单一化学反应过程物料衡算的方法，了解复杂化工过程物料衡算的一般步骤、方法。能力目标：能对单一化学反应过程进行物料衡算，能对典型循环过程进行物料衡算。一、反应物的配比(1)限制

29、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反应物。(2)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的理论量，该反应物称为过量反应物，即用量超过理论量的反应物。注意：限制反应物只有一种，而过量反应物则可能有若干种。如:2CH3-CH=CH2+2NH3+3O2 =2CH2=CH-CN+6H2O(3)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其所需理论量的百分数称为过量百分数。 %100%ididennn过量(3-5)返回返回*单元3化工过程物料衡算22任务任务3 化学反应过程的物料衡算化学反应过程的物料衡算二、转

30、化率、选择性、收率二、转化率、选择性、收率（一）（一） 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。 根据选择的对象的不同以及计算内容的不同，转化率又可根据选择的对象的不同以及计算内容的不同，转化率又可分为三种：单程转化率；总转化率；平衡转化率。分为三种：单程转化率；总转化率；平衡转化率。(1)单程转化率单程转化率x单）单） 以反应器为对象体系），某一物料一次性通过反应器反以反应器为对象体系），某一物料一次性通过反应器反应掉的量与其反应器输入量之比值。应掉的量与其反应器输入量之比值。注意：一个化学反应往往有若干个反应物参与反应，由于实际注意

31、：一个化学反应往往有若干个反应物参与反应，由于实际反应系统中通常不按化学计量比配料，因此不同的反应物为反应系统中通常不按化学计量比配料，因此不同的反应物为计算对象可得到不同的转化率，故需指明具体的反应物的转计算对象可得到不同的转化率，故需指明具体的反应物的转化率。若没有指明时，则往往是指限制反应物的转化率。化率。若没有指明时，则往往是指限制反应物的转化率。*单元3化工过程物料衡算23任务任务3 化学反应过程的物料衡算化学反应过程的物料衡算二、转化率、选择性、收率二、转化率、选择性、收率（一转化率（一转化率x）(1) 单程转化率单程转化率x单）单）假定反应物假定反应物A A为限制反应物，那么：为

32、限制反应物，那么： %100%1002232AAAAAAnnnnnx反单*单元3化工过程物料衡算24（一转化率（一转化率(2)总转化率总转化率x总）总）以整个反应系统为对象计算的某一以整个反应系统为对象计算的某一反应物的转化率称为总转化率反应物的转化率称为总转化率,即即:某一物料一次性通过反应器某一物料一次性通过反应器反应掉的量与其反应系统输入反应掉的量与其反应系统输入的该物质的新鲜量之比值。的该物质的新鲜量之比值。(3)平衡转化率平衡转化率x*）:以反应器为对象体系），当反应达平衡以反应器为对象体系），当反应达平衡时某一物料在反应器中反应掉的量与其反应前的量之比值。时某一物料在反应器中反应掉

33、的量与其反应前的量之比值。%100%1001132AAAAAAnnnnnx反总%1002*AAnnx反(4)三种转化率之间的关系三种转化率之间的关系 x单单x*、x单单x总、总、x*与与x总无法相比。总无法相比。 返回返回*单元3化工过程物料衡算25任务任务3 化学反应过程的物料衡算化学反应过程的物料衡算一、转化率、选择性、收率一、转化率、选择性、收率（二选择性（二选择性S） 生成目的产物所耗某反应物的生成目的产物所耗某反应物的量与该反应物反应掉的量的比量与该反应物反应掉的量的比值，或生成目的产物的量与反值，或生成目的产物的量与反应掉的原料所能生成的目的产应掉的原料所能生成的目的产物的理论量的

34、比值，即物的理论量的比值，即: 当反应系统属催化反应系统时，用选择性的概念较好，此当反应系统属催化反应系统时，用选择性的概念较好，此值的大小反映了催化剂的性能的好坏。选择性也有的教材称之值的大小反映了催化剂的性能的好坏。选择性也有的教材称之为产率。为产率。 %100)(%100%100132321adnnnnndannnSAADAADADA反反返回返回*单元3化工过程物料衡算26任务任务3 化学反应过程的物料衡算化学反应过程的物料衡算一、转化率、选择性、收率一、转化率、选择性、收率（三收率（三收率Y）(1)摩尔收率简称收率）摩尔收率简称收率）单程收率单程收率Y单）单） 以反应器为体系，生成目以

35、反应器为体系，生成目的产物所耗的某原料量与进的产物所耗的某原料量与进入反应器的该原料量之比值。入反应器的该原料量之比值。或生成目的产物的量与进入或生成目的产物的量与进入反应器的原料全部转化为目反应器的原料全部转化为目的产物的量之比值。的产物的量之比值。 %100%100%10012212adnnndannnYADADADA反单*单元3化工过程物料衡算27任务任务3 化学反应过程的物料衡算化学反应过程的物料衡算一、转化率、选择性、收率一、转化率、选择性、收率（三收率（三收率Y）(1)摩尔收率简称收率）摩尔收率简称收率）总收率总收率Y总）总） 以整个反应系统为体系以整个反应系统为体系,生成生成目的

36、产物所耗的某原料量与目的产物所耗的某原料量与进入反应系统的该原料量进入反应系统的该原料量(新鲜原料新鲜原料)之比值。或生成之比值。或生成目的产物的量与进入反应系目的产物的量与进入反应系统的原料全部转化为目的产统的原料全部转化为目的产物的量之比值。物的量之比值。 %100%100%10011111adnnndannnYADADADA反总*单元3化工过程物料衡算28任务任务3 化学反应过程的物料衡算化学反应过程的物料衡算一、转化率、选择性、收率一、转化率、选择性、收率（三）（三） 收率收率Y）(2)质量收率质量收率 当反应器内发生的反应比较复当反应器内发生的反应比较复杂杂,难于写出具体的化学反应方

37、难于写出具体的化学反应方程时程时,比如重油加氢生产轻油时。比如重油加氢生产轻油时。此时采用获得的产品的质量与此时采用获得的产品的质量与进入反应器或反应系统的某一进入反应器或反应系统的某一物料的质量之比来表示收率。物料的质量之比来表示收率。%1002ADmmY单质单程质量收率单程质量收率Y单质）单质） 以反应器为体系以反应器为体系,生成的目的产物的质量与输入反应器的某生成的目的产物的质量与输入反应器的某一物料的质量之比称为单程质量收率一物料的质量之比称为单程质量收率,即即:*单元3化工过程物料衡算29任务任务3 化学反应过程的物料衡算化学反应过程的物料衡算一、转化率、选择性、收率一、转化率、选择

38、性、收率（三收率（三收率Y）(2)质量收率质量收率总质量收率总质量收率Y总质）总质） 以反应系统为体系以反应系统为体系,生成的目生成的目的产物的质量与输入反应系的产物的质量与输入反应系统的某一物料的质量之比称统的某一物料的质量之比称为单程质量收率为单程质量收率,即即:注意注意:当此类反应是分子量增大的反应时当此类反应是分子量增大的反应时,单程质量收率和总质单程质量收率和总质量收率有可能大于量收率有可能大于1。 如如:原料分子量原料分子量134产品分子量产品分子量218.12 %1001ADmmY总质返回返回*单元3化工过程物料衡算30任务任务3 化学反应过程的物料衡算化学反应过程的物料衡算一、

39、转化率、选择性、收率一、转化率、选择性、收率（四转化率、选择性、收率（四转化率、选择性、收率三者之间的关系三者之间的关系 2232AAAAAAnnnnnx反单132321)(adnnnnndannnSAADAADADA反反%100%100%10012212adnnndannnYADADADA反单Y单单=xA单单S *单元3化工过程物料衡算31任务任务3 化学反应过程的物料衡算化学反应过程的物料衡算一、转化率、选择性、收率一、转化率、选择性、收率（四转化率、选择性、收（四转化率、选择性、收率三者之间的关系率三者之间的关系 Y总总=xA总总S 1132AAAAAAnnnnnx反总132321)(a

40、dnnnnndannnSAADAADADA反反%100%100%10011111adnnndannnYADADADA反总*单元3化工过程物料衡算32任务任务3 化学反应过程的物料衡算化学反应过程的物料衡算三率计算三率计算:补例补例 用邻二甲苯气相催化氧化制苯酐。邻二甲苯投料量用邻二甲苯气相催化氧化制苯酐。邻二甲苯投料量210kg/h,air量量4620Nm3/h。反应器出口物料组成。反应器出口物料组成(mol%)为为:苯酐苯酐0.654%,顺酐顺酐0.066%,邻二甲苯邻二甲苯0.030%,O216.53%,N277.75%,其它还有其它还有H2O、CO2、CO等。试等。试计算邻二甲苯转化率及

41、苯酐和顺酐的收率及选择性。计算邻二甲苯转化率及苯酐和顺酐的收率及选择性。解：由题意画出过程示意图解：由题意画出过程示意图计算基准：计算基准：1小时小时;反应式：反应式：C6H4(CH3)2+3O2C8H4O3+3H2O1）2C6H4(CH3)2+9O24C4H2O3+6H2O2） n氧气氧气=4620/22.40.21=43.31kmol/h210kg/h邻二甲苯所需理论氧气量：邻二甲苯所需理论氧气量：4.5210/106=8.915kmol/h43.31kmol/h所以空气为过量反应物，邻二甲苯为限制反应物。所以空气为过量反应物，邻二甲苯为限制反应物。输入反应器的输入反应器的N2量：量：n氮

42、气氮气=4620/22.40.79=162.94kmol/h由氮平衡得产物总量由氮平衡得产物总量PT：PT=162.94/0.7775=209.57 kmol/h产物中各物质量为：产物中各物质量为：邻二甲苯：邻二甲苯：209.570.0003=0.6287kmol/h=6.664kg/h苯酐：苯酐：209.570.00654=1.3706kmol/h=202.84kg/h顺酐：顺酐：209.570.00066=0.1383kmol/h=13.55kg/h邻二甲苯单程转化率：邻二甲苯单程转化率：(2106.664)/210=96.83% *单元3化工过程物料衡算33任务任务3 化学反应过程的物料

43、衡算化学反应过程的物料衡算三率计算三率计算:补例补例7145. 0106664. 62103706. 1邻二甲苯反苯酐苯酐nnS苯酐选择性苯酐选择性: :( (邻二甲苯与苯酐的摩尔比为邻二甲苯与苯酐的摩尔比为1 11)1)顺酐选择性：顺酐选择性：(邻二甲苯与顺酐的摩尔比为邻二甲苯与顺酐的摩尔比为12) 03605. 0106664. 62105 . 01383. 05 . 0邻二甲苯反顺酐顺酐nnS苯酐单程收率：苯酐单程收率：Y Y苯酐单苯酐单=x=x单单S S苯酐苯酐=96.83%=96.83%0.7145=69.19% 0.7145=69.19% 顺酐单程收率：顺酐单程收率：Y Y顺酐单顺

44、酐单=x=x单单S S顺酐顺酐=96.83%=96.83%0.03605=3.49% 0.03605=3.49% 6918. 01062103706. 1邻二甲苯苯酐苯酐单nnY0.1383 0.50.0349210106nYn顺酐顺酐单邻二甲苯*单元3化工过程物料衡算34任务任务3 化学反应过程的物料衡算化学反应过程的物料衡算三率计算三率计算:例例3-6如如 : 乙 烯 氧 化 制 环 氧 乙 烷 的 反 应乙 烯 氧 化 制 环 氧 乙 烷 的 反 应CH2=CH2+1/2O2 =CH2-CH2O (主反主反应应)CH2=CH2+3O22CO2+2H2O (副反副反应应)知知 : n A

45、2 = 1 0 0 k g , n A 3 = 2 0 k g , nA1=81.63kg mD=100kg,xA单单=(nA2nA3)/nA2=(100-20)/100=80%xA总总=(nA2nA3)/nA1=(100-20)/81.63=98.0%mD=100kgnD=100/44=2.273kmol nDA反反= 2.27328=63.64kgS=63.64/80=79.55%Y单单=nDA反反/nA2=63.64/100= 63.64%或或mid=(nA2/28)44=157.14kg Y单单=mD/mid=100/157.14= 63.64%或或Y单单=xA单单S=80%79.55

46、% = 63.64%Y总总=nDA反反/nA1=63.64/81.63=77.96%或或m id=(nA1/28) 44=(81.63/28) 44=128.28kgY总总=mD/m id=100/128.28= 77.96%或或Y总总=xA总总S=98%79.55% = 77.96%Y单质单质= mD/nA2=100/100= 100%Y总质总质= mD/nA1=100/81.63=122.5%返回返回*单元3化工过程物料衡算35任务任务3 化学反应过程的物料衡算化学反应过程的物料衡算三、简单反应系统的物料衡算三、简单反应系统的物料衡算 （一直接求解法（一直接求解法 (1)条件条件 写出明确

47、的化学反应方程式写出明确的化学反应方程式; 已知三率等。已知三率等。 (2)衡算式衡算式 根据化学反应方程式的化学计量系数之间的关系根据化学反应方程式的化学计量系数之间的关系; 三率、过量百分数等表达式。三率、过量百分数等表达式。 (3)计算基准计算基准 通常采用某种原料往往是限制反应物为基准。通常采用某种原料往往是限制反应物为基准。 (4)计算举例计算举例,例例3-3-2 1000kg对硝基氯苯对硝基氯苯ClC6H4NO2用含用含20%游离游离SO3的发的发烟硫酸磺化，规定反应终点时，废酸中含游离烟硫酸磺化，规定反应终点时，废酸中含游离SO37%（假定反应转化率（假定反应转化率为为100%）

48、。反应式如下：）。反应式如下：ClC6H4NO2+SO3ClC6H3(SO3H)NO2试计算：（试计算：（120%SO3的发烟硫酸用量；（的发烟硫酸用量；（2废酸生成量；（废酸生成量；（3对硝基氯对硝基氯苯磺酸生成量。苯磺酸生成量。解：以解：以1kmol对硝基氯苯为计算基准，所需对硝基氯苯为计算基准，所需20%游离游离SO3量为量为xkg*单元3化工过程物料衡算36任务任务3 化学反应过程的物料衡算化学反应过程的物料衡算一、简单反应系统的物料衡算一、简单反应系统的物料衡算 5一直接求解法一直接求解法 (4)计算举例计算举例,例例3-7组分组分ClC6H4NO2SO3H2SO4ClC6H3(SO

49、3H)NO2分子量分子量157.58098237.5输入量输入量:对硝基氯苯对硝基氯苯1kmol=157.5kg;发烟硫酸发烟硫酸 其中其中SO3 0.2xkg、H2SO40.8xkg输出量输出量:对硝基氯苯磺酸对硝基氯苯磺酸 1kmol=237.5kg废酸废酸 其中其中SO3 0.2x80 kg、H2SO40.8xkg已知废酸中含已知废酸中含SO37%解得：解得：x=572.3kg将以上计算结果折合成以将以上计算结果折合成以1000kg对硝基氯苯为计算基准对硝基氯苯为计算基准,乘上比例系数乘上比例系数1000/157.5=6.3492,那么：那么：（120%SO3的发烟硫酸用量：的发烟硫酸用

50、量：572.36.3492=3633.7kg（2废酸生成量：废酸生成量：(572.380)6.3492=3125.7kg（3对硝基氯苯磺酸生成量：对硝基氯苯磺酸生成量：237.56.3492=1507.9kg验算验算:输入量输入量 1000+3633.7=4633.7kg、输出量、输出量 3125.7+1507.9=4633.6kg 符合符合%78 . 0)802 . 0(802 . 0 xxx返回返回*单元3化工过程物料衡算37任务任务3 化学反应过程的物料衡算化学反应过程的物料衡算三、简单反应系统的物料衡算三、简单反应系统的物料衡算（二元素衡算法（二元素衡算法(1)适用场合适用场合 反应体

51、系复杂，难于正确写出或根本无法写出体系中具体的反应体系复杂，难于正确写出或根本无法写出体系中具体的化学反应方程式及各反应所占的比例等。化学反应方程式及各反应所占的比例等。(2)衡算式衡算式 各元素平衡各元素平衡(3)计算举例计算举例 例例3-3-3甲烷、乙烷与水蒸汽用镍催化剂进行转化反应生成合甲烷、乙烷与水蒸汽用镍催化剂进行转化反应生成合成气，反应器出口气体组成干基为：成气，反应器出口气体组成干基为： 组分组分CH4C2H6COCO2H2mol%4.62.518.64.669.7假定原料中只含假定原料中只含CH4CH4和和C2H6C2H6两种成份，则求这两种气体的摩尔比两种成份，则求这两种气体

52、的摩尔比为多少？每为多少？每1000Nm31000Nm3原料气需要多少原料气需要多少kgkg水蒸汽参加反应？水蒸汽参加反应？ *单元3化工过程物料衡算38三、简单反应系统的物料衡算三、简单反应系统的物料衡算（二元素衡算法（二元素衡算法 (3)例例3-8解解:计算基准计算基准100kmol干燥产物气体干燥产物气体,由题意画出过程示意图由题意画出过程示意图 列元素衡算式列元素衡算式O原子原子 S=18.6+24.6=27.8kmol（1）C原子原子 M+2E=4.6+22.5+18.6+4.6=32.8kmol（2）H原子原子 4M+6E+2S=44.6+62.5+269.7=172.8kmol（

53、3）解上述方程组得：解上述方程组得：S=27.8kmol/100kmol干燥产物气体干燥产物气体M=18.8kmol/100kmol干燥产物气体干燥产物气体E=7.0kmol/100kmol干燥产物气体干燥产物气体因此原料中因此原料中CH4/C2H6 mol比为：比为：M/E=18.8/7.0=2.691000Nm3原料气所需参与反应的水蒸汽量为：原料气所需参与反应的水蒸汽量为： kg9 .865180 . 78 .188 .27643.44184 .221000EMS返回返回*单元3化工过程物料衡算39任务任务3 化学反应过程的物料衡算化学反应过程的物料衡算三、简单反应系统的物料衡算三、简单

54、反应系统的物料衡算（三利用联系组分作衡算（三利用联系组分作衡算 联系组分即不参与反应的惰性组分。当系统中联系组分即不参与反应的惰性组分。当系统中同时存在几个联系组分时，应选择数量级较大的联同时存在几个联系组分时，应选择数量级较大的联系组分作衡算式，以免造成较大的误差。系组分作衡算式，以免造成较大的误差。例例3-9已知一段转化炉出口气量为已知一段转化炉出口气量为90000Nm3/h，组成为：，组成为： 组组 分分H2N2COCO2CH4Ar一段出口气一段出口气71.000.505.5014.009.00/二段出口气二段出口气58.4321.308.4411.360.200.27求求:(1)二段出

55、口气量二段出口气量?(2)二段炉中加入的空气量二段炉中加入的空气量?(空气组空气组成成:O2=21%,N2=78%,Ar=1%);(3)在二段炉中是水蒸汽分解为在二段炉中是水蒸汽分解为氢，还是氢被氧化为水氢，还是氢被氧化为水?求分解的水或氧化的氢量为多少求分解的水或氧化的氢量为多少? *单元3化工过程物料衡算40任务任务3 化学反应过程的物料衡算化学反应过程的物料衡算三、简单反应系统的物料衡算三、简单反应系统的物料衡算（三利用联系组分作衡算（三利用联系组分作衡算 例例3-9解解:取取1小时为计算基准小时为计算基准（1由由C平衡可得平衡可得:90000(0.0550+0.1400+0.900)=

56、V2(0.0850+0.1130+0.0020) V2=128250Nm3/h（2由由N平衡得平衡得:9 0 0 0 00 . 0 0 0 5 + Va i r0 . 7 8 = 1 2 8 2 5 00 . 2 1 3 0 Vair=34445.2Nm3/h（若采用（若采用Ar平衡平衡,那么那么:0.01Vair=0.0027V2 Vair=34627.5Nm3/h,相差相差182.3Nm3/h）（3干气中的干气中的H平衡平衡:一段转化气中含一段转化气中含H:(VH2)1=90000(0.7100+20.0900)=80100 Nm3/h二段转化气中含二段转化气中含H:(VH2)2=1282

57、50(0.5843+20.0020)=75449.5 Nm3/h那么那么:(VH2)2(VH2)1，说明有，说明有H2被氧化为被氧化为H2O被氧化的被氧化的H2为为:(VH2)1(VH2)2=8010075449.5=4650.5 Nm3/h 返回返回*单元3化工过程物料衡算41任务任务3 化学反应过程的物料衡算化学反应过程的物料衡算三、简单反应系统的物料衡算三、简单反应系统的物料衡算（四利用化学平衡进行衡算（四利用化学平衡进行衡算 (1)适用条件适用条件 正确写出化学反应方程式正确写出化学反应方程式; 已知化学反应的平衡常数。已知化学反应的平衡常数。此类计算此类计算,往往出现非线性方程或方程

58、组往往出现非线性方程或方程组,需借助计算机编程计算。需借助计算机编程计算。 (2)计算举例计算举例,例例3-10在接触法硫酸生产中在接触法硫酸生产中,SO2被氧化为被氧化为SO3。反应式。反应式为为:SO2+1/2O2 SO3,氧化过程的温度为氧化过程的温度为570,压力为压力为1.1atm。输入气体的组成输入气体的组成(mol%)为为:SO28%、O29%、N283%。计算。计算达到平衡时的转化率及平衡组成达到平衡时的转化率及平衡组成(已知已知570的平衡常数的平衡常数Kp为为14.9)解解:基准为基准为1mol输入气体输入气体,设设SO2平衡转化率为平衡转化率为x,则反应前后各组则反应前后

59、各组分的量如下表分的量如下表: *单元3化工过程物料衡算42任务任务3 化学反应过程的物料衡算化学反应过程的物料衡算三、简单反应系统的物料衡算三、简单反应系统的物料衡算（四利用化学平衡进行衡算（四利用化学平衡进行衡算组分组分输入项输入项输出项输出项mol数数mol%mol数数mol%SO20.0880.08(1x)0.08(1x)/(10.04x)O20.0990.090.50.08x(0.090.04x)/(10.04x)SO3/0.08x0.08x/(10.04x)N20.83830.830.83/(10.04x)总计总计110010.04x100因反应系统处于常压下，故系统内的各气体可视

60、为理想气体。因反应系统处于常压下，故系统内的各气体可视为理想气体。由平衡常数表达式得：由平衡常数表达式得： 322SOSOO (1)ppKpp将各分压代入将各分压代入(1)式得式得: 0.081 0.04 (2)0.08(1)0.090.041 0.041 0.04ppxKxxppxx*单元3化工过程物料衡算43任务任务3 化学反应过程的物料衡算化学反应过程的物料衡算三、简单反应系统的物料衡算三、简单反应系统的物料衡算（四利用化学平衡进行衡算（四利用化学平衡进行衡算例例3-10将将Kp=14.9、p=1.1atm代入代入(2)式整理得：式整理得：10.705284x344.6675 x2+59