化工设计 第3章物料衡算与能量衡算

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l物料衡算是化工计算中物料衡算是化工计算中最基本、最重要最基本、最重要的内容之的内容之一，是能量衡算的基础。一，是能量衡

2、算的基础。l设计或研究一个化工过程，或对某生产过程进行设计或研究一个化工过程，或对某生产过程进行分析，需要了解能量的分布情况，都必须在物料衡分析，需要了解能量的分布情况，都必须在物料衡算的基础上，才能进一步算出物质之间交换的能量算的基础上，才能进一步算出物质之间交换的能量以及整个过程的能量分布情况。以及整个过程的能量分布情况。l物料衡算和能量衡算是物料衡算和能量衡算是进行化工工艺设计、过程进行化工工艺设计、过程经济评价、节能分析以及过程最优化的基础经济评价、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）: :l一种是一种是对已有的

3、生产设备或装置，利用实际测对已有的生产设备或装置，利用实际测定的数据，算出另一些不能直接测定的物料量定的数据，算出另一些不能直接测定的物料量。用此计算结果，对生产情况进行分析、作出判断、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。（一般的作业）提出改进措施。（一般的作业）l另一种是另一种是设计一种新的设备或装置设计一种新的设备或装置，根据设计，根据设计任务，先作物料衡算，求出进出各设备的物料量，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，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。（设计）从而确定设备尺寸及整

4、个工艺流程。（设计）3.1 物料衡算物料衡算.53.1.2 3.1.2 物料衡算的依据物料衡算的依据l 质量守恒定律质量守恒定律 在一个孤立物系中，不论物质发生任何变化，它的质在一个孤立物系中，不论物质发生任何变化，它的质量始终不变（量始终不变（不包括核反应，因为核反应能量变化非不包括核反应，因为核反应能量变化非常大，此定律不适用常大，此定律不适用）。）。l 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l 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

5、。的变化。l 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.7l对某一个体系，输入体系的物料量应该等于输对某一个体系，输入体系的物料量应该等于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 。l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

6、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l 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l 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l 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l进

7、行物料衡算时，为了能顺利地解题，避免错进行物料衡算时，为了能顺利地解题，避免错误，必须掌握解题技巧，按正确的解题方法和步误，必须掌握解题技巧，按正确的解题方法和步骤进行。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 指定的任何空间范围指定的任何空间范围。它可是一个设备、一个单元或整个。它可是一个设备、一个单元或整个过程。过程。根据给定的条件画出流程简图（根据给定的条件画出流程简图（过程示意图或衡算范过程示意图或衡算范围围）。图中用简单的方框表示过程中的设备，用线条和箭头）。图中用简单的方框表示过程中的设备，用线条和箭

8、头表示每个流股的途径和流向表示每个流股的途径和流向，并标出每个流股的已知变量并标出每个流股的已知变量（如流量、组成）及单位。对一些未知的变量，可用符号表（如流量、组成）及单位。对一些未知的变量，可用符号表示。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l原则上衡算基准是任意选择。原则上衡算基准是任意选择。l但是

9、，衡算基准选择得恰当，可以使计算简化，但是，衡算基准选择得恰当，可以使计算简化，避免错误。对于不同化工过程，采用什么基准适避免错误。对于不同化工过程，采用什么基准适宜，需视具体情况而定，不能作硬性规定宜，需视具体情况而定，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（

10、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）l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.

11、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. 写出化学反应方程式，包括主写出化学反应方程式，包括主反应反应和副反应，和副反应，标出有用的分子量标出有用的分子量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选择计算基准，并在流程图上注明所选的基准值值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.将计算结果列成输入将计算结果列成输入- -输出物料表（物

12、料平衡表）输出物料表（物料平衡表）（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）l“物性参数物性参数”，又被称作，又被称作“物化数据物化数据”或或“物物性数据性数据”，是由物料本身的物理化学性质所决定是由物料本身的物理化学性质所决定的。的。l化工基础数据包括很多，现将常用的一些化工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 如临界常数（临界压力、临界温度、临界体积）、密如临界常数（临界压力、临界温度、

13、临界体积）、密度或比容、状态方程参数、压缩系数、蒸气压、气度或比容、状态方程参数、压缩系数、蒸气压、气液平液平衡关系等。衡关系等。（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、自由焓如内能、焓、熵、热容、相变热、自由能、自由焓等。等。（3 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。能，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.

14、 查手册或文献资料查手册或文献资料l常用物质的物性数据可从化学化工类手册或专业性的常用物质的物性数据可从化学化工类手册或专业性的化工手册中查到。（收集了许多物质的物性数据及图表化工手册中查到。（收集了许多物质的物性数据及图表 ）l化学工程手册， 化学工程手册 编辑委员会，化学工业出版社，1980l化工工艺设计手册，国家医药管理局上海医药设计院编，化学工业出版社，1986l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l可以应用物理和化学的一些基本定律计算各种物质的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。性质

15、参数。l但是但是，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。l基团贡献法基团贡献法3.1 物料衡算物料衡算.213. 3. 用实验直接测定用实验直接测定l实验直接测定。实验直接测定。l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

16、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l近年来，随着电子计算机的迅速发展，应用计算机储近年来，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。存、检索和推算物性数据。 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。l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

17、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：由图可知，该体系共有三个流股：丙烷、空气、燃烧产由图可知，该体系共有三个流股：丙烷、空气、燃烧产物。从原则上来说，其中任一个物料量均可作为基准。物。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 N2123CO2H2O

18、O2N2.243.1 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

19、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：.253.1 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

20、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：0.1680.168* *(1/5)=0.0336 mol(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.

21、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 mol.26（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。按照反应式的化学计量关系，还可以列出另外几个线性

22、方程，但是都按照反应式的化学计量关系，还可以列出另外几个线性方程，但是都与以上六个式子有关，独立方程只有以上六个公式。与以上六个式子有关，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 无化学反应过程的物料衡算无化学反应过程的物料衡算l在化工过程中，只有物理变化不发生化学反应在化工过程中，只有物理变化不发生化学反应的单元操作如混合、蒸

23、馏、蒸发、干燥、吸收、的单元操作如混合、蒸馏、蒸发、干燥、吸收、结晶、萃取等，这些过程都可以根据物料衡算式，结晶、萃取等，这些过程都可以根据物料衡算式，直接列出总物料和各组分的衡算式，再用代数法直接列出总物料和各组分的衡算式，再用代数法求解。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l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.

24、 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：一种废酸，组成为一种废酸，组成为23%23%（质量分数）（质量分数）HNOHNO3 3，57%H57%H2 2SOSO4 4和和20%H20%H2 2O O，加入，加入93%93%的浓的浓H H2 2SOSO4 4及及90%90%的浓的浓HNOHNO3 3，要求混，要求混合成含合成含27%HNO27%HNO3 3及及60%H60%H2 2SOSO4 4的混合酸，计算所需废酸及加的混合酸，计算所需废酸及加

25、入浓酸的数量。入浓酸的数量。解： 设设 x：废酸量，：废酸量，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. 选择基准：选择基准：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. 列物料衡算式：列物料衡算式：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：0.57x+0.93y=1000.6=60 (2)HNO3衡算式衡

26、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三个组分衡算式进行计算，均可以求得上述结果.31II.

27、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：每个衡算体系均可列出相应的衡算方程。若每个设备的输入和输出物料每个衡算体系均可列出相应的衡算方程。若每个设备的输入和输出物料中均含有中均含有3 3个组分，则每个体系可写出个组分，则每个体系可写出3+13+1个衡算方程，其中有个衡

28、算方程，其中有3 3个是独立个是独立方程。如，体系方程。如，体系A,B,CA,B,C各有各有3 3个独立方程，每个体系的个独立方程，每个体系的3 3个独立方程成为一个独立方程成为一组，共三组。这样，具有两个设备的过程，共有组，共三组。这样，具有两个设备的过程，共有2+12+1组衡算方程（即设备组衡算方程（即设备I I，II II的的2 2组方程和整个过程的组方程和整个过程的1 1组方程）。但是，组方程）。但是，只有只有2 2组方程是独立的组方程是独立的。所以，独立方程，总数应该是所以，独立方程，总数应该是2 23 3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.323.1 物料衡

29、算物料衡算例：例：有两个蒸馏塔的分离装置，有两个蒸馏塔的分离装置，将含有将含有50%50%苯、苯、30%30%甲苯和甲苯和20%20%（mol%mol%）二甲苯的混合物分成较纯）二甲苯的混合物分成较纯的三个馏分，其流程图及各流股组的三个馏分，其流程图及各流股组成如右图，计算蒸馏成如右图，计算蒸馏1000 mol/h1000 mol/h原原料所得各流股的量及进塔料所得各流股的量及进塔II II物料组物料组成的。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l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，物料中的组

30、分变化比较复杂。l工业上的化学反应工业上的化学反应，各反应物的，各反应物的实际实际用量，并不用量，并不等于化学反应式中的理论量。为了使所需的反应顺等于化学反应式中的理论量。为了使所需的反应顺利进行，或使其中较昂贵的利进行，或使其中较昂贵的反应反应物全部转化，常常物全部转化，常常使价格较低廉的一些反应物用量过量使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，其中以最小化学最小化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

31、量反应物过量反应物 不按化学计量比配料的原料中，某种反应物的量超过限某种反应物的量超过限制反应物完全反应所需的理论量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。3 3 . . 过量百分数过量百分数 过量反应物超过限制反应物所需理论量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。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

32、应成目的产物所消耗的量除以反应物（通常指限制反应物）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l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 = Sx.37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） 反应物反应成目的产物所消耗的量除以反应物（通常指反应

33、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）输入量，以百分数表示。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质量收率（质量收率（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） 反应物反应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。 目的产物目的产物

34、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（质量或物质的量）的百分数。 以反应物A计的产物C的选择性： .41例例：用邻二甲苯气相催化氧化生产邻苯二甲酸酐（苯酐）。邻二甲苯投：用邻二甲苯气相催化氧化生产邻苯二甲酸酐（苯酐）。邻二甲苯投料量为料量为210 kg/h，空气，空气4620 Hm3/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%，顺丁烯二酸酐（顺酐），顺丁烯二酸酐（顺酐）0.066%，邻二甲苯，邻二甲苯0.03%，氧，氧16.53%，氮气，氮气77.75%，其它还有，其它还有H2O，CO2，CO等。试计算邻二甲苯等

35、。试计算邻二甲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%.44v 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

36、及丙烯醛的收率率。23222CHCHCHOCHCHCHOH O一段反应器一段反应器丙烯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.45l 丙烯的选择性：丙烯的选择性：l 丙烯的转化率：丙烯的转化率：(60025)100%95.83%600 x640/56100%83.48%(60025)/ 42l 丙烯醛的收率：丙烯醛的收率：640/56100%80%600/ 423.1 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l对有化学反应过程的物料

37、衡算，由于各组分在过程中对有化学反应过程的物料衡算，由于各组分在过程中发生了化学反应，因此就不能简单地列组分的衡算式，发生了化学反应，因此就不能简单地列组分的衡算式，必须考虑化学反应中生成或消耗的量，必须考虑化学反应中生成或消耗的量，应该根据化学反应该根据化学反应式，列衡算方程应式，列衡算方程。l对一般的反应过程，可用下列几种方法求解。对一般的反应过程，可用下列几种方法求解。3.1 物料衡算物料衡算.471 1. . 直接求解法直接求解法 l有些化学反应过程的物料衡算，有时只含一个未知量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，或组成，这类问题比较简单，通常可根据

38、化学反应式直通常可根据化学反应式直接求解，不必列出衡算式接求解，不必列出衡算式。l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：原料气组成为原料气组成为10%10%（mol%mol%）C C3 3H H6 6，12%NH12%NH3 3，78%78%空气。丙烯空气。丙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(kmo

39、l)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.51v例例：苯乙烯的反应器，年生产能力为：苯乙烯的反应器，年生产能力为10000 t10000 t，年工作时间为，年工作时间为8000 h8000 h，苯乙烯收率为苯乙烯收率为40%40%，以反应物乙苯计的苯乙烯选择性为，以反应物乙苯计的苯乙烯选择性为90%90%，苯选择性为，苯选择性为3%3%，

40、甲苯选择性为，甲苯选择性为5%5%，焦油选择性为，焦油选择性为2%2%。原料乙苯中含甲苯。原料乙苯中含甲苯2%2%（质量（质量分数），反应时通入水蒸气提供部分热量并降低乙苯分压，乙苯原料和分数），反应时通入水蒸气提供部分热量并降低乙苯分压，乙苯原料和水蒸气比为水蒸气比为1:1.51:1.5（质量比），要求对该反应器进行物料衡算，即计算进（质量比），要求对该反应器进行物料衡算，即计算进出反应器各物料的流量。出反应器各物料的流量。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：

41、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C6H5C2H5C6H5C2H3C6H6C6H5CH3H2OCH4C2H4CH2摩尔质量摩尔质量/(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

42、料）乙苯原料）3.1 物料衡算物料衡算.54n进反应器纯乙苯量进反应器纯乙苯量1000 kg/h98%=980 kg/h，即为，即为9.245 kmol/hn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/hn水蒸气量水蒸气量980 kg/h1.5=1470kg/h，即为，即为81.667 kmol/hn乙苯的转化率为乙苯的转化率为0.4/0.9=0.4444n参加反应的总乙苯量参加反应的总乙苯量980 kg/h0.4444 =435.11 kg/h，即为，即为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

43、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/h4.109 kmol/h90%=3.698 kmol/h90%=3.698 kmol/h，即为即为384.60 kg/h384.60 kg/h由各物质的选择性：由各物质的选择性：输出的甲苯量输出的甲苯量4.109 kmol/h4.109 kmol/h5%+0.217 kmol/h =0.423 kmol/h5

44、%+0.217 kmol/h =0.423 kmol/h，即为，即为38.92 38.92 kg/hkg/h生成的苯量生成的苯量4.109 kmol/h4.109 kmol/h3% =0.123 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/h4.109 kmol/h3% =0.123 kmol/h3% =0.123 kmol/h，即为，即为3.44 kg/h3.44 kg/h生成的碳量生成的碳量4.109 kmol/h4.109 kmol/h2%2%7 =0.575 kmol/h7 =0.575 km

45、ol/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输出的氢量输出的氢量4.109 kmol/h4.109 kmol/h（90%-5%+2%90%-5%+2%3 3） =3.739 kmol/h=3.739 kmol/h，即为，即为7.48 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 kmo

46、l/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10000100001000 kg/8000h=1250 kg/h1000 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分组分输输 入入输输 出出摩尔流量摩尔流量/(kmol/h)质量流量质量流量/(kg/h)摩尔流量摩尔流量/(kmol/h)质量流量质量流量/(kg/h)C6H5C2H530.046318516.7051770.89C6H5CH30.70565

47、1.375126.49H2O265.4184777.5265.4184777.5C6H5C2H312.0191249.95C6H60.00431.20C2H40.00411.18CH40.93614.98C1.86922.43H212.15224.31合计合计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l元素衡算是物料衡算的一种重要形式。在作这类衡算元素衡算是物料衡算的一种重要形式。在作这类衡算时，时，并不需要考虑具体的化学反应，而是按照元素种类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，被转化及重

48、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）l对反应过程中化学反应很复杂，无法用一、两个反应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，用式表示的物料衡算时，可以列出元素衡算式，用代数法代数法求解。求解。3.1 物料衡算物料衡算.583.1 物料衡算物料衡算v例例：甲烷、乙烷与水蒸气用镍催化剂进行转化反应，生产氢：甲烷、乙烷与水蒸气用镍催化剂进行转化反应，生产氢气，反应器出口气体组成（干基）为：气，反应器出口气体组成（干基）为：组分组分CH4C2H6COCO2H2mol %4.62.518.64

49、.669.7假定原料中只含有假定原料中只含有CHCH4 4和和C C2 2H H6 6两种碳氢化合物，则求这两种气两种碳氢化合物，则求这两种气体的摩尔比为多少？每体的摩尔比为多少？每10001000标米标米3 3原料气，需要多少千克蒸汽原料气，需要多少千克蒸汽参加反应？参加反应？干基就是以干基就是以单位质量的干空气或干气体单位质量的干空气或干气体为基准表示的湿空气为基准表示的湿空气或湿气体的性质。或湿气体的性质。.593.1 物料衡算物料衡算解：解：.60v例例：将碳酸钠溶液加入石灰进行苛化，已知碳酸钠溶液组成为：将碳酸钠溶液加入石灰进行苛化，已知碳酸钠溶液组成为NaOH NaOH 0.59%

50、 0.59% （质量分数），（质量分数），NaNa2 2COCO3 3 14.88% 14.88%，H H2 2O 84.53%O 84.53%，反应后的苛化液含，反应后的苛化液含CaCOCaCO3 3 13.48% 13.48%， Ca(OH) Ca(OH)2 2 0.28% 0.28%，NaNa2 2COCO3 3 0.61% 0.61%，NaOH 10.36%NaOH 10.36%，H H2 2O O 75.27%75.27%。计算：。计算：1 1）每）每100 kg100 kg苛化液需加石灰的质量及石灰的组成；苛化液需加石灰的质量及石灰的组成；2 2）每）每100 kg100 kg苛化

51、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%Na2CO3 0.61%NaOH 10.36%H2O 75.27%CaC

52、O3 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溶液溶液苛化钠溶液苛化钠溶液物料物料摩尔质量摩尔质量（g/mol）质量（质量（kg）物质的量物质的量（kmol）物料物料摩尔质量摩尔质量（g/mol）质量（质量（kg）物质的量物质的量（kmol）NaOH400.59%F0.000148FNaOH4010.360.2590Na2CO310614.88%F0.001404FNa2CO31060.610.00575H2O1884.53%F0.04696FH2O1875.274.18

53、Ca(OH)2740.280.00377CaCO310013.480.13473.1 物料衡算物料衡算以质量计转化为以物质的量计，来进行元素守恒计算以质量计转化为以物质的量计，来进行元素守恒计算.63列元素平衡式列元素平衡式Na平衡：平衡：0.000148F+0.001404F2=（0.005752+0.2590）kmol C平衡：平衡： Ca平衡：平衡： 总物料平衡：总物料平衡：F+W=100 kg/mol 石灰总量等于各物质质量之和石灰总量等于各物质质量之和： W=x+y+z 100g/mol0.001404+= (0.1348+0.00575)kmolxF100g/mol56g/mol7

54、4g/mol+= (0.1348+0.00378)kmolyxz3.1 物料衡算物料衡算.64计算结果汇总计算结果汇总组分组分输输 入入输输 出出物质的量物质的量/kmol质量质量/kg物质的量物质的量/kmol质量质量/kgNaOH0.01350.540.259010.35Na2CO30.128513.620.005750.61H2O4.297377.354.18275.27CaCO30.0121.20.13713.48CaO0.0156.44Ca(OH)20.01160.860.003770.28合计合计296.1691004.58751003.1 物料衡算物料衡算.653.3.“联系组分

55、联系组分”法法l“联系组分联系组分”是指随物料输入体系，但是指随物料输入体系，但完全不参加反应完全不参加反应，又随物，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。料从体系输出的组分，在整个反应过程中，它的数量不变。l如果体系中存在联系组分，那么如果体系中存在联系组分，那么输入物料和输出物料之间就可以输入物料和输出物料之间就可以根据联系组分的含量进行关联根据联系组分的含量进行关联。 l用联系组分作衡算，用联系组分作衡算，尤其是对含未知量较多的物料衡算尤其是对含未知量较多的物料衡算，可以使，可以使计算简化。计算简化。l选择联系组分时，如果体系中存在数种联系组分，那么，此时就选择联系组

56、分时，如果体系中存在数种联系组分，那么，此时就要选择一个适宜的联系组分，或联合采用以减小误差。但是，要选择一个适宜的联系组分，或联合采用以减小误差。但是，应该应该注意，当某个联系组分数量很小，而且此组分的分析相对误差又较注意，当某个联系组分数量很小，而且此组分的分析相对误差又较大时，则不宜采用。大时，则不宜采用。3.1 物料衡算物料衡算.663.1 物料衡算物料衡算解：解：v例例：甲烷与氢混合气在炉子里用空气甲烷与氢混合气在炉子里用空气完全完全燃烧，烟道气分析为燃烧，烟道气分析为N N2 2 72.22%72.22%，COCO2 2 8.13%8.13%，O O2 2 2.49%2.49%，H

57、 H2 2O 17.16%(mol%)O 17.16%(mol%)，问（，问（1 1）燃料中氢气）燃料中氢气与甲烷的比例多少？（与甲烷的比例多少？（2 2）燃料（）燃料（H H2 2+CH+CH4 4）对空气的比例多少？）对空气的比例多少？ .673.1 物料衡算物料衡算.68v例：例：试计算年产试计算年产16000吨福尔马林（甲醛溶液）所需的工业吨福尔马林（甲醛溶液）所需的工业甲醇原料消耗量，并求甲醇转化率和甲醛收率。已知条件：甲醇原料消耗量，并求甲醇转化率和甲醛收率。已知条件：氧化剂为空气，用银催化剂固定床气相氧化；氧化剂为空气，用银催化剂固定床气相氧化；过程损失为甲醛总量的过程损失为甲醛

58、总量的2%（质量），年开工（质量），年开工8000小时；小时；有关数据：有关数据：工业甲醇组成（工业甲醇组成（质量质量）：）：CH3OH 98% ，H2O 2% ，反应尾气组成（反应尾气组成（体积体积）：）：CH4 0.8%，O2 0.5%，N2 73.7%，CO2 4.0%，H2 21%福尔马林组成（福尔马林组成（质量质量）：）：HCHO 36.22%，CH3OH 7.9%，H2O 55.82%3.1 物料衡算物料衡算.69工业甲醇工业甲醇空气空气 水水尾气尾气反应气体反应气体 福尔马林福尔马林吸收塔吸收塔主反应主反应 CH3OH+1/2O2 HCHO+ H2O （1） CH3OH HCHO

59、+ H2 （2）副反应副反应 CH3OH+3/2O2 CO2+ 2H2O （3） CH3OH+ H2 CH4+ 2H2O （4）3.1 物料衡算物料衡算反应器.70373.70.7993.3mNV空气2393.373.719.6 mONV2319.6 1022.4875molOn2373.7 1022.43290molNn87532904165moln空气30.5 1022.4875852.7mol反应消耗氧量反应消耗氧量 取尾气取尾气100 Nm100 Nm3 3为计算基准，氮作为联系物为计算基准，氮作为联系物 其中氧量：其中氧量：换算为摩尔数：换算为摩尔数： 反应耗氧量：反应耗氧量： 3.

60、1 物料衡算物料衡算Nm3：是指在0摄氏度1个标准大气压下的气体体积。.71甲醇消耗量甲醇消耗量反应（反应（3 3）消耗甲醇量为）消耗甲醇量为 反应（反应（4 4）消耗甲醇量为）消耗甲醇量为 反应（反应（2 2）生成的氢，部分消耗于反应（）生成的氢，部分消耗于反应（4 4），现尾气中），现尾气中H H2 2=21%=21%，氢摩，氢摩尔数为尔数为 则反应（则反应（2 2）消耗甲醇量为）消耗甲醇量为 973.5+35.7=1009.2 mol 973.5+35.7=1009.2 mol 反应（反应（1 1）消耗甲醇量为）消耗甲醇量为（852.7-178.6852.7-178.6* *3/23/2