物料衡算和热量衡算（教案）

::10第十六章物料衡算和热量衡算学问目标学问目标了解物料衡算、热量衡算的概念及作用；理解物料衡算和热量衡算的分类；把握物料衡算和热量衡算的步骤及衡算方法；力量目标能够娴熟进展化工生产过程的物料衡算能够娴熟进展化工生产过程的热量衡算在化工生产过程中，原料、水、电、蒸汽消耗量、主副产品产量等，都是格外重要的工的物料衡算和热量衡算。第一节物料衡算一、物料衡算及其分类化的定量关系的过程。况做出分析，推断装置是否处于最正确运转状态，为强化生产过程供给依据和途径。因此，物料衡算是化工科研、设计、生产及其它工艺计算、设备计算的根底。〔或单个设备〕〔即包括各个单元操作的全套装置外，还有带循环的化工过程的物料衡算。物料衡算的计算一般分为两种状况。一种是在已有的装置上，对一个车间、一个工段、一个设备或几个设备，利用实际测定的数据(或理论计算数据)，算出另外一些不能直接测定的物料量，由此，对这个装置的生产状况作出分析，找出问题，为改进生产提出措施。另一种是对车间、工段、设备作出设计，即利用本厂或别的工厂已有的生产实际数据(或理论计算数据)，在生产任务下算出需要原料量，副产品生成量和三废的生成量，或在原料量的状况下算出产品，副产品和三废的量。二、物料衡算的依据和衡算范围物料衡算的理论依据是质量守恒定律其质量始终不变。多状况下总摩尔数也发生变化，只有总质量是不变的。固然，对于化工过程中的物理过程，总质量、总摩尔数、组分质量和组分摩尔数都是守恒的。个单元操作过程或整个化工过程，它可以依据需要人为地选定。系称为封闭体系，而与环境有质量交换的体系称为放开体系。三、物料衡算式依据质量守恒定律，对任何封闭体系，质量都是肯定的。对于放开体系，则进入体系的为：输入的物料量—输出的物料量—反响消耗的物料量+反响生成的物料量＝积存的物料量项为正值；物料量削减时，积存项为负值；假设体系是一个没有化学反响的物理过程，则反响到稳定状态。四、物料衡算根本步骤确定衡算范围体系的边界，从虚线与物料流股的交点可以很便利地知道进出体系的物料流股有多少。收集、整理计算数据计算数据包括：设计任务数据a．生产规模依据设计任务、生产力量来确定；b．生产时间即年工作时数；c．有关工艺技术经济指标即原料的消耗定额、转化率、收率等。物性数据如质量、密度、浓度、反响平衡常数、相平衡常数等，可以在有关资料、手册、数据汇编等处查找。查找时应留意资料的牢靠性，尽可能找原始资料并留意数据的适用范围。所收集的数据应统一使用国际单位制。工艺参数如温度、压力、流量、原料配比、停留时间等。列出化学反响方程式包括主反响和副反响，标出有用的分子量，假设无化学反响，则此步可免去。选择适宜的计算基准致有以下几种：时间基准以一段时间，如一天、一小时的投料量或产品产量作为计算基准，如kg／h。对间歇操作的体系，可选每釜或每批作基准，也可先按一个便利的数量如1000kg、100t等，最终再换算为实际的量。质量基准当系统介质为液、固相时，选取原料或产品的质量作为计算基准是适宜1kg、100kg、100kmol的原料作为基准。体积基准主要在对气体物料进展衡算时选用，应把实际状况下的体积换算为标量。气体混合物中，各组分的体积分数与摩尔分数在数值上是相等的。冷凝的物料，在选择计算基准时，计算水分在内的为湿基，不计的为干基。列出物料衡算式、求解出结果。校核、整理计算结果数量及单位和占总物料的百分数，必要时衡算结果需要在流程图上标出。查一查：无反响过程的物料衡算的计算方法和步骤及计算举例查一查：无反响过程的物料衡算的计算方法和步骤及计算举例〔一〕无反响过程的物料衡算无反响过程是指一些只有物理变化而没有化学反响的单元操作，例如混合、蒸馏、枯燥、吸取等。这些过程的物料衡算包括简洁过程〔指仅有一个设备或整个过程简化为一个设备的过程〔由假设干个设备组合而成的体系例如承受由两个精馏塔组成的苯、甲苯、乙苯混合物分别系统〕的物料衡算。〔二〕反响过程的物料衡算单地按无反响过程的方法来计算，必需考虑化学反响中生成和消耗的物理量。直接求算法过化学计量系数，转化率和产率直接计算。计算举例可查阅相关教材资料。利用联系物做衡算联系物。在化工生产中，氮气是常见的惰性物料，可用氮做为衡算联系物。FP分别表示输入系统物料量和从系统输出的物料量，衡算联系物TFP中的质量分数分别为x 和x ，则F和P的关系为t,f t,pFgx

t,f

t,p承受，以削减误差。但是要留意当某惰性物数量很少，且此组分分析相对误差很大时，则不宜选用此惰性物质做联系物。【例甲烷和氢的混合气用空气完全燃烧来加热锅炉，生成的水蒸气全部进入烟道气。生成烟道气100mol。烟道气摩尔组成为：氮72.18％、二氧化碳8.11％，氧2.44％、水蒸气17.27％，做物料衡算。燃料气中甲烷与氧的比例如何？空气与燃料气的比例如何？100mol烟道气烟道气中氮量=72.18mol 氧量=2.44mol以氮为衡算联系物，依据F·χt，f=P·χt，p可以求出空气参加量=72.18÷79％=91.37mol空气中氧量=91.37×21％=19.187mol氧总反响量=19.187—2.44=16.747mol烟道气中二氧化碳量=8.11molCH4+2O2===CO2+2H2O计量系数l2l2生成量／mol8.1116.22反响量／mol8.1116.22氢燃烧消耗氧量：16.747—16.22=0.527molH2+½O2===2H2O计量系数10.51反响量／mol1.0540.527生成量／mol1.054生成水蒸气总量=16.22+1.054=17.274mol16-1。输入输出物料名称输入输出物料名称相对分子质量molgmolg甲烷168.11129.76氢21.0542.11氧3219.187613.982.4478.08氮2872.182023.0472.182023.04二氧化碳448.11356.84水1812.274310.93总计100.532766.89100.02766.89以结点做衡算种状况下，以旁路联结点作物料衡算较便利。两股物料集合〔混合〕称为并流，一股物料成为两股物料〔旁路〕称为分流。分流的联结点V2V2V反响3VV01V4AB

不合格产品

合格产品16-1所示。

图16.1.1 以结点做衡算的示意图l316-1l30结点A V=V+V0结点1 2

结点B V+V=V42 2 【例某工厂用烃类气体制合成气生产甲醇。合成气体量为2321m3／h，摩尔比为CO:H=1:2.4。转化后的气体摩尔组成为：CO43.12％，H54.2％，不符合要求。将局部转化气送去CO变换反响器和CO脱除装置，置换脱CO后，气体摩尔组成为：CO8.76％，H289.75％，气体体积减小2 2 变换气各为多少？1h16-14合成气V=2321m34结点B

+V=V=2321m31 3 4H合成气组成比x :xHCO 2

=1:2.4结点B物料中CO衡算

V×43.12%+V×8.76%=V×x1 3 4 CO0.4312〔2312-V〕+0.0876V=2312×x3 3 COx =0.4312 0.3436VCO 2312 3结点B物料中H2衡算

V×54.2%+V×89.75%=V×xH1 3 4 2330.542〔2312-V〕+0.8975V=2312×2.4xCO331257.98+0.3555V=5570.4×〔0.43123所以，变换气 V=969.35m3/h3

0.3436V〕2312 3V=2312—969.35=1351.65m31V=V÷〔1-2%〕=969.35÷98%=989.13m32 3转化气〔结点A〕V=V+V=2340.78m30 1 2〔三〕循环过程的物料衡算方法循环过程反响竞争猛烈，必需承受高的空间速度，以提高选择性，因此单程转化率也较低。在上述这率。因此，包括反响器在内的循环过程典型流程如图16-2所示混合器混合器M反响器R分别器混合原料反响产物F

产品P颖原料

图16-2 循环过程的物料流程图16-2RP经分别器分成产品P和循环物料R，进入反响器的MF由颖原料FF和循环物料R混合而成。对于大多数有循环的反响过程，由于使用的原料纯度不行能是l00％，或多或少会带入运转。这就是带有排放过程的循环过程，其典型流程如图16-3所示。循环物料R 分流器 排出物W待循环物料SF

混合器M反响器R分别器P颖原料 混合原料 反响产物图16-3 有排放的循环过程物料流程图由图16-3看出，与循环过程相比，排放过程中增加了一个分流器，其作用是将分别器回收的待循环物料S分出一局部作为排放物WR。经过分流器的物料组成不发生变化，因此S、W、R的组成是一样的。FFgx WgxFF惰性物料 w惰性物料1〔、放空分流4间的关系。子系统的物料衡算供给包括循环物料在内的进出各设备的流量和组成。三个物理过程中，各物料流的质量m守恒，物料流中各组分的质量mi守恒,物料流的物质的量n守恒，物料流中各组分的物质的量ni也守恒。物理过程的物料衡算式m m入 出m (i)m入 出n n

(i)入 出n (i)n入

(i)m〔衡算联系物的质量和摩尔数仍守恒。反响过程的物料衡算式m m入 出m m反 产循环过程中，因包括反响过程，所以循环过程也只有各物料流的质量m守恒。输入循环过程的各物料流的质量之和等于从循环过程输出的各物料流的质量之和〔衡算联系物的质量和摩尔数仍守恒。因此，整个循环过程的物料衡算式式中mm粗m放

—颖反响物质量；—粗成品质量；一放空物料质量。

m m m 粗 放如上所述，循环过程中，循环物料始终以不变的组成和数量在反响系统中循环，因此，〔待循环物料、放空物料与循环物料三者的组成是全都的。放空物料量占分别剩余物料量的百分率称为放空率α百分率称为循环率β。明显，放空率与循环率之和为100％。循环过程有三个过程限制参数，它们是循环比、混合比和排放比。在对分别器、混合器等进展物料衡算时这三个参数很重要，有时可以作为解题的线索。R循环物流流量R循环比 产品物流流量 PR循环物流流量R混合比 颖原料流量 FF

排放物流流量WW颖原料流量 FF计算范围的总转化率。循环过程物料衡算举例【例3000t氯乙烯反响器的物料衡算。〔1〕计算范围16-4所示。〔2〕主副反响

反响C2H2HClH2ON2H2

CH2=CHClC2H2HClH2ON2CH+HCl→CH

=CHCl H22 2 2

产物气CH3CHCl2C2H2+2HCl→CH3CHCl2

CH3CHO图16-4 氯乙烯物料衡算框图C2H2+H20→CH3CHO按反响乙炔计氯乙烯产率99.40.540.06％。〔3〕计算任务原料消耗量和产物气摩尔组成。基准8000h。3000×1000kg÷8000h=375kg／h以1h为基准〔以下计算中，不再写h-。选择数据96.5％。乙炔转化率98.5％C2H2:HCI=1:1.1〔mol〕原料乙炔组成〔mol〕99.00.970.03％。原料氯化氢组成〔mol〕95.04.970.03％。计算过程产物气中氯乙烯量=375÷96.50％=388.6kg=6217.6mol主反响乙炔量=388.6÷62.5×26=161.66kg=6217.6mol主反响氯化氢量=6217.6mol=226.94kg乙炔总反响量=161.66÷99.4％=162.63kg=6255mol纯乙炔参加量=162.63÷98.5％=165.11kg=6350·4mol原料乙炔参加量=6350.4÷99.0％=6414.5mol原料乙炔中含氮量=6414.5×0.97％=62.2mol=1.74kg原料乙炔中含水量=6414.5×0.03％=1.92mol=0.0346kg纯氯化氢参加量=6350.4×1.1=6985.4mol原料氯化氢参加量=6985.4÷95.0％=7353mol原料氯化氢中含氢量=7353×4.57％=365.4mol=0.731kg原料氯化氢中含水量=7353×0.03％=2.21mol=0.0397kg生成二氯乙烷量=162.63÷26×99×0.54％=3.344kg副反响消耗氯化氢量=3.344236.5=2.466kg99剩余氯化氢量=254.97—226.94—2.466=25.56kg剩余乙炔量=165.11—162.63=2.48kg生成乙醛量=162.63÷26×44×0.06％=0.165kg水反响量=0.165÷44×18=0.0676kg剩余水量=0.0346+0.0397—0.0676=0.0067kg原料乙炔参加质量=165.11+1.74+0.0346=166.88kg原料氯化氢参加质量=254.97+0.731+0.0397=255.74kg氮、氢不参与反响。16-2。16-2物料衡算表物料名称相对分子质量输Kg入％Kg输％mol出％乙炔26165.1139.072.480.5995.41.28氯化氢36.5254.9760.3325.566.05700.39.36水180.07430.0180.00670.0160.370.005氮气281.740.411.740.4162.20.83氢气20.7310.170.7310.17365.54.89氯乙烯62.5388.691.956217.683.13二氯乙烷993.3440.7933.80.45乙醛440.1650.043.80.05总计总计422.6100.0422.61007479100.08000t工业甲醛的物料衡算计算范围全装置。见图16-5。主副反响反响式见计算过程。甲醇发生五个反响的安排率为主氧化51.2%，脱39.2%0.6%0.8%8.2%。计算任务甲醇消耗量，干尾气摩尔组成。〔4〕7200h1h为基准。8000×1000kg÷7200h=1111.11kg/h37.0%93.0%。原料甲醇质量组成：甲醇98，水2。氧与甲醇的配比为0.36mo0.3，无视损失。吸取水57.6甲醇—空气—水气甲醇—O吸取水57.6甲醇—空气—水气甲醇—O2产物气甲醇 36.51甲醛 411.11水蒸气 605.89尾气2.65N2 626.68H2 11.703CO 3.396CO2 54.694CH4 1.455∑ 700.58O2N2∑空气190.38626.68817.0621404.79产物液〕原料甲醇甲醇 521.60水蒸气 10.64∑ 532.24甲醇甲醛∑36.51411.11663.491111.11甲醇521.60水蒸气甲醇521.60水蒸气10.64氧气190.38氮气626.68∑1349.30甲醇521.60水蒸气415.43氧气190.38氮气626.68∑1754.09氧2.653氮626.68氢11.703一氧化碳3.396二氧化碳54.694甲烷1.456∑1754.09图16-5 甲醛生产物料流程图1—蒸发器；2—氧化器；3—吸取塔计算过程纯甲醛量=1111.11×37.0%=411.11kg=13.704kmol甲醇总反响量=13.704÷〔51.2％+39.2％〕=15.159kmol=485.06kg纯甲醇参加量=458.09÷93.0％=521.60kg=16.30kmol原料甲醇参加量=521.60÷98％=532.24kg含水量=532.24×2％=10.64kg氧参加量=0.365×16.30=5.9495kmol=190.38kg氮参加量=5.9495÷21×79=22.381kmol=626.68kg空气量=190.38+626.69=817.06kg甲醇-空气量=532.24+817.06=1349.30kg配料水蒸气量=1349.30×0.3=404.79kg反响器输出甲醇量=521.60－485.09=36.51kgCHOH + 1O == HCHO + HO3 2 2 232 16 30 18485.09kg×51.2%=248.37kg 124.18kgCH3OH ==232.84kgHCHO+139.71kgH232302485.09kg×39.2%=190.155kg178.27kg11.885kgCH3OH + H2==CH4+ H2O32 21618485.09kg×0.6%=2.9lkg 0.182kg 1.455kg 1.637kg反响器输出氢量=11.885－0.182=11.703kgCH3OH+O2==CO+2H2O32322836485.09kg×0.8%=3.88kg 3.88kg 3.396kg 4.366kgCHOH + 3O

== CO

+ 2HO3 2 2 2 232 48 44 36485.09kg×8.2%=39.78kg 59.666kg 54.694kg 44.75kg反响器输出水量=10.64+404.79+139.71+1.637+4.366+44.75=605.89kg吸取水量=1111.11－36.51－411.11－605.89＝57.6kg反响器输出氧量=190.38－124.18－3.88－59.666＝2.65kg列出物料衡算表见表16-3。输入输出16-3〔a〕蒸发过程物料衡算蒸发过程物料衡算表输入输出物料名称原料甲醇kg物料名称甲醇-空气混合气kg甲醇521.60甲醇521.60水10.64水10.64空气———氧190.38氧190.38氮626.68氮626.68总计1349.30总计1349.3016-3〔b〕混合过程物料衡算表输输入输出物料名称配料水蒸气kg1349.30403.79物料名称kg1754.09总计1754.09总计1754.09输入输出物料名称相对分子质量表16-3输入输出物料名称相对分子质量kg%kg%甲醇32521.6029.73636.512.081水18415.4323.684605.8934.542甲醛30411.1123.437氧32190.3810.8542.650.151氮28626.6835.727626.6835.727氢2——11.7030.667甲烷16——1.4550.083一氧化碳28——3.3960.194二氧化碳44——54.6943.118总计1754.09100.01754.09100.0输入表16-3〔d〕 吸取过程物料衡算表输出物料名称kg物料名称 kg工业甲醛质量组成/%产物气工业甲醛甲醇36.51甲醇 36.513.29水605.89水 663.4959.71甲醇411.11甲醛 411.1137.00氧2.65干尾气干尾气组成〔mol〕/%氮626.68氧2.65830.28氢11.703氮626.682238175.18甲烷1.455氢11.7035851.519.66一氧化碳3.396甲烷1.455910.31二氧化碳54.694一氧化碳3.3961210.41吸取水57.6二氧化碳54.69412434.18总计1811.69总计1811.6929770100.0做一做做一做乙炔法醋酸乙烯生产中的循环过程包括五个过程和十一股物料，如以下图：颖乙炔混合循环乙炔放空放出乙炔混合乙炔未凝气参加醋酸蒸发反响混合气反响产物气分别产物液蒸发残液排出液〔循环液〕请查阅有关资料列出各物料流的关系式。【应用实例Ⅰ】 设计年产1000吨苯乙烯车间的物料衡算一、流程简介乙苯脱氢工段经过方案设计流程如图16—6所示。原料乙苯和回收乙苯混合后用泵连续送入乙苯蒸发器3，同时向蒸发器中连续参加所需水蒸汽。从蒸发器出来的混合气体45，再用烟道气加热，然后进入脱6789凝下来的液体进入油水分别器10，沉降分别出的水作为废水排掉，炉油则送入贮槽中并参加13回收液体，10，不凝气体引出作燃料用。8891311水蒸气7颖乙苯3循环乙苯456去精馏段121912去废水处理图16.1.6乙苯脱氢反响流程图1-贮罐；2-泵；3-乙苯蒸发器；4-第一预热器；5-其次预热器；6-脱氢反响器；7-换热器；8-冷水凝器；9-盐水冷凝器；10-油水分别器；11-气液分别器；12-阻凝剂配制槽；13-旋风分别器16-6精馏工段粗苯乙烯分别和精制的流程示意图参见图9—8。炉油〔粗苯乙烯〕首先送入乙苯蒸出塔1甲苯回收塔3，将乙苯与苯、甲苯分别。回收塔釜得到乙苯送脱氢炉，塔顶得到苯、甲苯经冷凝后局部回流，其余再送入苯、甲苯分别塔5。苯、甲苯分别塔顶可得到苯，塔釜可得甲苯。乙苯蒸出塔后冷凝器出来的不凝气体经分别器分出夹带液体后去真空泵放空。查一查请查阅本书第九章的乙苯脱氢苯乙烯生产技术7，将乙苯与999％以上的苯乙烯，塔釜为含苯乙烯40％11查一查请查阅本书第九章的乙苯脱氢苯乙烯生产技术烯返回精馏塔。粗苯乙烯和苯乙烯精馏塔顶部出来的冷凝器未冷凝气体均经一分别器分别掉所夹带液滴后再去真空泵放空。二、物料衡算画出物料衡算流程示意图引出标注数和未知数，使数和待求数可以一目了然。如图16—7所示是其中一例。颖乙苯量〕其它乙苯 99.0二甲苯 0.1∑ 100

脱氢反响物％〔质量〕其它乙苯 转化率38％苯乙烯产率90％水蒸气反响量0.7％二甲苯一氧化碳〔0.49％〕二氧化碳〔28.9％〕氢〔14.0％〕甲烷〔0.21％〕乙烯〔0.40％〕苯〔16.7％〕甲苯 焦油 ∑

尾气其它乙苯〔0.2〕〔0.3〕水蒸气〔0.03〕二甲苯〔0.5〕苯〔4.5〕甲苯〔1.2〕一氧化碳〔100〕二氧化碳〔100〕氧〔100〕甲烷〔100〕乙烯〔100〕∑水 脱蒸 氢汽 反应器水:乙苯=1.8

冷凝器

炉油〕其它乙苯苯乙烯焦油 〔40〕二甲苯苯∑油水分别器循环乙苯量〕其它乙苯 99.9苯乙烯 0.5甲苯 0.5∑ 100

冷凝液％〔质量〕其它乙苯 〔99.8〕苯乙烯 〔99.7〕水 〔99.97〕二甲苯 〔99.5〕苯 〔95.5〕甲苯 〔98.8〕焦油 〔100〕∑

水〕其它水乙苯 〔0.0217〕苯乙烯〔0.04〕焦油 〔60〕∑数据收集①工艺数据

16—7脱氢反响器物料衡算示意图99.7％。原料乙苯99.90.1％。38％。循环乙苯组成乙苯99.00.50.5％。组分％〔质量〕组分％〔质量〕CO0.49CO28.9组分％〔质量〕组分％〔质量〕CO0.49CO28.92H14.0CH0.212 4水蒸汽、二甲苯外，其余物质质量组成如表16-4。CHCHCH2 20.4CH6616.7CHCH65 334.2焦油5.1说明：应收集反响器物料出口的全组成数据。g．水蒸汽参与脱氢反响占水蒸汽总量的0.7％。h．冷凝器气液安排量冷凝液中苯占进料苯的95.5％；

16-4脱氢反响器出口组成98.8％，99.8％；苯乙烯占进料苯乙烯的99.7％；二甲苯占进料二甲苯的99.5％；100％。算。i．油水分别器焦油40％进入油层，60％进入水层。j72%。k1％。10.5％。m40％。苯乙烯精馏塔苯乙烯占塔釜组成60％。苯乙烯蒸馏塔回收进料苯乙烯的80％。焦油在乙苯蒸馏塔中聚合的量增加到产品苯乙烯量的0.55％。在苯乙烯粗馏塔中的量增加到产品苯乙烯的0.8％；在苯乙烯精馏塔中聚合的量增加到产品苯乙烯量的1.2％。②损耗数据a90％。b．抽真空损失：乙苯在乙苯蒸馏塔损耗量占抽真空损失的75％；在乙苯粗馏塔损耗量占抽真空损失的25％。苯乙烯在乙苯蒸馏塔的消耗量占抽真空损失的0.5％。在苯乙烯粗馏塔的损耗量占抽真空损失的25％。在苯乙烯精馏塔的损耗量占抽真空损失的74.5％。c．苯乙烯总消耗量占脱氢后生成苯乙烯量的3.5％。d2％。③物理化学常数在操作温度压力下，乙苯和苯乙烯在水中溶解度分别为0.0217％和0.04％〔质量〕CH25CHCHChemPaster2CH25CHCHChemPaster2+H2副反响：CH2CH25+CH2CH2CH25+HCH23+CH4CH25ChemPaster7C+3H2+CH4CH257C+3H2+CH4C+1O22CO选定计算基准取每小时生产苯乙烯成品千克数为计算基准。计算①每小时生产苯乙烯的量Kg/h8000每小时生产纯苯乙烯〔苯乙烯纯度99.％〕125×0.997=124.65kg/h②所需颖乙苯量如表16-5，苯乙烯收率为90％；苯乙烯总消耗量占脱氢后生成的苯乙烯量的3.5％；乙2％。则需纯乙苯：组分%〔质量〕质量kg/h乙苯99.9149.2二甲苯0.10.149合计100.0149.349124.65106 1 组分%〔质量〕质量kg/h乙苯99.9149.2二甲苯0.10.149合计100.0149.349

16-5颖乙苯组成104 0.90 10.035 10.02〔106为乙苯分子量，104为苯乙烯分子量〕二甲苯颖乙苯量③进入反响器的纯乙苯量

149.20.0010.149 Kg/h0.999149.2+0.149=149.349kg/h单程转化率38％，进入反响器的纯乙苯为124.65106 1 1 346 Kg/h104 0.38 10.035④循环纯乙苯量

346－149.2=196.8kg/h循环乙苯组成如表16-6 乙苯99％，甲苯和苯乙烯各为0.5％，则含甲苯、苯乙烯分别为组分%〔质量〕质量kg/h乙苯99196.8二甲苯0.50.995苯乙烯0.50.995合计100.0198.79196.8组分%〔质量〕质量kg/h乙苯99196.8二甲苯0.50.995苯乙烯0.50.995合计100.0198.790.99循环乙苯量则为196.8+0.996+0.995=198.79kg/h⑤水蒸汽量水:乙苯=1:1.8，则水蒸汽为⑥反响器进料量及其组成

346×1.8=623kg/h反响器进料量及其组成见表16-716-7反响器进料量及其组成组分%〔质量〕质量kg/h组分%〔质量〕质量kg/h乙苯35.6346苯乙烯0.1020.995二甲苯0.0150.149水蒸气64.2623甲苯0.9950.995合计100.0971.139⑦反响器出料量及组成a．参与反响的水蒸汽量b．出反响器的水量出反响器的苯乙烯量

623×0.007=4.36kg/h623－4.36==618.64kg/h出反响器的乙苯量

124.65 1

129.14Kg/h196.8×0.02×149.2=196.8+2.98=199.78kg/h出反响器的二甲苯量即为颖乙苯中带入的二甲苯量0.149kg/h。f．除水、乙苯、苯乙烯和二甲苯外，其它物质出反响器的总量971.139－〔618.64+199.78+129.14+0.149〕=23.43kg/h各物质的量分别为一氧化碳 43×0.0049=0.115kg/h二氧化碳 23.43×0.289=6.76kg/h氢 23.43×0.14=3.27kg/h甲烷 23.43×0.0021=0.049kg/h乙烯 23.43×0.004=0.049kg/h苯 23.43×0.167=3.9kg/h甲苯 23.43×0.342=8.05kg/h焦油 23.43×0.051=1.192kg/h则反响器出料量及组成为〔表16-8〕表16—8 反响器出料量及组成组分%〔质量〕质量kg/h组分%〔质量〕质量kg/h组分%〔质量〕质量kg/h乙苯20.58199.78一氧化碳0.0110.115乙烯0.00970.094苯乙烯13.3129.14二氧化碳0.6966.76苯0.4013.9水蒸气63.69618.64氢0.3373.27甲苯0.838.05二甲苯0.0150.149甲烷0.0050.049焦油0.1231.192合计100.0971.139数据整理，填写物料平衡表16-9进料出料序号进料出料序号物料名称%〔质量〕质量,kg/h%〔质量〕质量,kg/h1乙苯35.636420.58199.782二甲苯0.0150.1490.0150.1493甲苯0.1020.9950.838.054苯乙烯0.1020.99513.3129.145蒸汽64.262363.69618.646一氧化碳0.0110.1157二氧化碳0.6966.768氢0.3373.279甲烷0.0050.04910乙烯0.00970.09411苯0.4013.912焦油0.1231.192总计100.0971.139100.0971.139绘制正式物料流程图〔略〕力量拓展力量拓展这里仅对乙苯脱氢制苯乙烯的脱氢反响器进展了物料衡算，其它设备单元，诸如冷凝器〔包括水冷器、盐水冷凝器和气液分别器、油水沉降槽、乙苯蒸出塔、苯和甲苯回收塔、苯和甲苯分别塔、苯乙烯粗馏塔、苯乙烯精馏塔和蒸发釜等的物料衡算，请大家【应用实例Ⅱ】 丙烯氨氧化合成丙烯腈物料衡算根底数据年生产力量15000t/a丙烯腈年开工时数7200h〔3〕进料配比 丙烯:氨:空气=1:1.1:11丙烯转化率90％反响生成产物总回收率95％原料组成 丙烯99%，丙烷1%；氨>99%，其余为水。以丙烯计反响的单程收率如表16-10表16-10 以丙烯计反响的单程收率表组分收率/%组分收率/%组分收率/%丙烯腈65乙腈9二氧化碳10氢氰酸5丙腈0.05丙酮0.05乙醛0.1一氧化碳0.3丙烯醛0.5反响方程式主反响：CH+NH+〔3/2〕O→CH=CHCN+3HO 〔1〕3 6 3 2 2 2副反响：CH+〔3/2〕NH+〔3/2〕O→〔3/2〕CHCN+3HO 〔2〕3 6 3 2 3 2CH+3NH+3O→3HCN+6HO 〔3〕3 6 3 2 2CH+O→CH=CHCHO+HO 〔4〕3 6 2 2 23 6 2 CH+〔3/4〕O→〔3/2〕CHCHO 〔53 6 2 〔 〕→ 〔〕CH+ 9/2 O 3CO〔 〕→ 〔〕3 6 2 2 2CH+3O→3CO+3HO 〔7〕3 6 2 2C3H6+〔1/2〕O2→CH3COCH3 〔8〕C3H6+NH3+O2→C3H5N+2H2O 〔9〕物料衡算实际生成丙烯腈量〔以kg/h为基准〕15000×1000÷[〔1－0.05〕×7200]=2193kg/h=41.4kmol/h投入丙烯量从反响式〔1〕可知，生成丙烯腈与消耗丙烯的摩尔比为1：1，因此生成丙烯腈所耗丙烯为〔2193÷53〕×42=1738.8kg/h投入反响器的丙烯〔纯〕为 1738.8÷0.65=2675kg/h实际丙烯原料量由于丙烯纯度为99%，所以原料投入量为2675÷0.99=2702kg/h其中含丙烷2702－2675=27kg/h=27÷44=0.613kmol/h丙烯〔以mol表示〕 2675÷42=63.76kmol/h〔4〕转化的丙烯量 63.69×0.90=57.32kmol/h=2407kg/h〔5〕未转化的丙烯量 63.69－57.32=6.37kmol/h=267.5kg/h〔6〕实际参加空气量 63.69×1l=700.6kmol/h其中含氧量700.6×0.21=147.1kmol/h=4708kg/h含氮量700.6×0.79=553.5kmol/h=15497kg/h〔7〕实际参加氨量 63.69×1.1=70.06kmol/h=1191kg/h由于氨浓度为99％，所以氨原料量为 1191÷0.99=1203kg/h含水量 1203－1191=12kg/h=0.67kmol/h〔8〕生成乙腈物 63.69×3/2×0.09=8.598kmol/h=352.5kg/h〔9〕生成氢氰酸 63.69×3×0.05=9.553kmol/h=257.9kg/h〔10〕生成丙烯醛 63.69×1×0.005=0.32kmol/h=17.9kg/h〔11〕生成二氧化碳63.69×3×0.1=19.10kmol/h=840.7kg/h〔12〕生成乙醛 63.69×3/2×0.001=0.096kmol/h=4.22kg/h〔13〕生成一氧化碳63.69×3×0.003=0.57kmol/h=15.96kg/h〔14〕生成丙酮 63.69×1×0.0005=0.032kmol/h=1.85kg/h〔15〕生成丙腈 63.69×1×0.0005=0.032kmol/h=1.75kg/h参与各反响耗氧量反响①41.1×〔3/2〕=62.1kmol/h=1990kg/h反响②8.598×1=8.598kmol/h=275.1kg/h反响③9.553×1=9.553kmol/h=305kg/h反响④0.32×1=0.32kmol/h=10.24kg/h反响⑤19.10×〔9/2〕÷3=28.65kmol/h=916.8kg/h反响⑥0.096×〔3/4〕÷〔3/2〕=0.048kmol/h=1.536kg/h反响⑦0.57×1=0.57kmol/h=18.24kg/h反响⑧0.032×〔1/2〕=0.016kmol/h=0.512kg/h反响⑨0.032×1=0.032kmol/h=1.024kg/h总耗氧量109.9kmol/h=3519kg/h各反响生成水量反响①41.4×3=124.2kmol/h=2236kg/h反响②8.598×3÷〔3/2〕=17.20kmol/h=309.5kg/h反响③9.553×2=19.11kmol/h=343.9kg/h .反响④0.32×1=0.32kmol/h=5.76kg/h反响⑥19.1×1=19.1kmol/h=342kg/h反响⑦0.57×1=0.57kmol/h=10.26kg/h反响⑧0.032×2=0.064kmol/h=1.15kg/h总生成水量108.6kmol/h=3251kg/h出反响器总水量=氨中含水量+生成水量=12+3251=3263kg/h〔18〕反响残氧量 147.1－109.9＝37.2kmol/h=1190kg/h〔19〕反响耗氨量反响①41.4×1=41.4kmol/h=703.8kg/h反响②8.598×1=8.598kmol/h=146.2kg/h反响⑧9.553×1=9.553kmol/h=162.4kg/h反响⑨0.032×1=0.032kmol/h=0.54kg/h总耗氨量59.58kmol/h=1013kg/h剩余氨量70.06－59.58=10.48kmol/h=178.2kg/h4〔16-11〕输入〔原料气〕输出〔原料气〕16—11输入〔原料气〕输出〔原料气〕组分kmol/hmol%kg/h%〔m〕组分kmol/hmol%kg/h%〔m〕丙烯63.697.62267511.09丙烯腈41.44.7621939.09氨70.068.3911914.94乙腈8.5980.99352.51.46氧147.117.6470819.53氢氰酸9.5531.10257.91.07氮553.566.241549864.28丙烯醛0.320.0417.90.07丙烷0.6130.07270.11乙醛0.0960.014.220.02水0.670.08120.05二氧化碳19.102.20840.73.49一氧化碳0.570.0615.960.07丙酮0.0321.850.01丙腈0.0321.750.01丙烷0.6130.07270.11氮553.563.671549864.28丙烯6.370.73267.51.11氧37.24.2811904.93水181.320.88326313.54氨10.481.21178.20.74合计835.63100.024111100.0合计869.36100.024111100.0其次节热量衡算一、热量衡算及其分类(或冷却)剂用量、设备需要传递的热量多少等，为工程设计、设备设计供给设计依据，以保证热量利用包括热能、动能和电能等。化工生产中的物理过程和化学反响过程都与能量的传递或能量形式的变化有关衡算。热量衡算的根本过程是在物料衡算的根底上进展单元设备的热量计算(实际设计中常与设备计算结合进展)，然后再进展整个系统的热量平衡计算，化工过程的热量衡算分为单元设备热量衡算和生产系统热量衡算等〔反响器个换热系统、一个车间、和全厂〔或联合企业〕的热量平衡进展计算。〔有时也要作一些相应计算〕的数据，算出另外一些不能或很难直接测定的热量；由此，利用各股应器中的适宜温度；也可依据热量衡算对反响器做出改进或是设计的反响器。二、热量衡算的依据积存或损失的热量。能量。对于稳定连续反响过程，系统内没有能量积存，在不考虑能量转换，而只计算热量的过程。对于稳定的连续过程，热量衡算的根本关系式为Q Q进 出式中Q进Q出

——输入某一系统的热量之和；——输出该系统的热量之和〔包括热损失。三、单元操作过程热量衡算〔依据能量守恒定律〔凡操作中引入设备的能量必等于操作后输出设备的能量〕进展的热量计算。查一查：单元操作过程热量衡算方法、步骤及计算举例查一查：单元操作过程热量衡算方法、步骤及计算举例四、反响过程热量衡算〔一〕吸热反响热量衡算关系式或放出的热量。0 对于吸热反响，由入口反响物〔状态1，T ，p〕到出口产物〔状态4，T ，p0 入 出4 变〔H=H－H〕等于反响系统由外界吸入的热量即加热剂供热Q 与热损失Q 4 供 损表示为：4 H＝H －H＝Q －4 供 损01—2—3—4p=101.301 kPa下，将反响物的温度由入口温度T 变到298.15〔状态2，此过程的焓变为H1 入1H；然后在298K下进展反响，生成产物〔状态，焓变为H01吸

〔298K〕＝H3－H2；298.15KT出，焓变为H带出=H4－H3。1HT ，p入 0T ，p出 0H1H4HH1带出2298K，pH(298K)3吸0298K，p0H2H314的焓变等于由状态l234的焓变。298K为基准温度，可得1 2 反响物带入热量 Q =H－H＝1 2 带入4 产物带出热量Q =H ＝H－4 带出 带出298K反响吸热量Q

〔298K〕= H〔298K〕=H－H吸 吸 3 24 l 4 3 3 2 2 1H=H－H=〔H－H〕+〔H－H〕+〔H－H〕4 l 4 3 3 2 2 1=H

+H〔298K〕+ H=Q +Q 〔298K〕－Q带出 吸 1 带出 吸 带入焓变等于反响系统由外界吸入的热量H=Q供－Q损Q供－Q损Q带出+Q吸〔298K〕－Q带入即 Q供+Q带入＝Q吸〔298K〕+_Q带出+Q损式中 Q供——加热剂供热量；Q带入——反响物带入热量；Q吸〔298K〕——298K时反响吸热量；Q带出——产物带出热量；Q损——热损失。放热反响热量衡算关系式的推到过程和吸热反响的一样，其热量衡算关系式为：Q放〔298K〕Q带入=Q带出Q移出Q损Q放〔298K〕——298K时主副反响放热量；Q带入——反响物带入热量；Q带出——产物带出热量；Q移出——冷却剂移出热量；Q损——2%~3%放热量。〔二〕反响过程热量衡算的步骤反响过程的热量衡算步骤与单元操作过程的衡算根本上一样量衡算增加了主副反响热效应的计算问题，现将其步骤简要列举如下：画出工艺流程示意图，确定计算范围般取设备的进出口。写出全部主副反响方程式，注明产率、热效应明确计算任务指计算加热剂或冷却剂消耗量。确定计算基准298K。相态选气态或液态。选择有关数据①查化学物理手册，选取热容、热焓等数据；②依据科研试验或生产操作测定的数据，如温度。依据根本关系式进展计算放热反响衡算式Q 〔298K〕+Q =Q +Q +Q .放 带入 带出 移出 损式中Q 〔298K〕——主副反响298K时放热量；放Q ——反响混合气带入热量；带入Q ——产物气带出热量；带出Q ——冷却油移出热量；移出Q ——22％～3％放热量。损TQ =Q －Q +Q +QT放 升 降 移出 损T式中 Q ——放热反响反响温度T 时的反响放热量；T放 反Q ——反响混合气由T 升温到T 的升温热量；升 入 反Q ——产物气由T 降温到T 的降温热量；降 反 出Q 、Q ——同前。移出 损吸热反响衡算式Q吸〔298K〕Q带入－Q带出Q供－Q损式中 Q吸〔298K〕——吸热反响，298K时反响吸热量；Q供——加热剂供热量；Q带入、Q带出、Q损——同前。显热和相变热的计算已由物理化学讲授。计算结果填入热量衡算表〔如表16-1。表16-12 热量衡算表〔以放热反响为例〕项 目

输 入热量/〔kJ/h〕 % 项 目产物带出热

输 出热量/〔kJ/h〕 %298K时反响放热总 计

热损失总 〔三〕反响过程热量衡算举例【例按【例计算范围同【例主副反响同【例计算任务移出热量和循环冷却水量。基准时间1，温度298〔2℃，相态为气态。选择数据298K标准生成热如下：2H〔CHCHCl〕=35.17kJ/mol 2f m

H〔CH2m2

〕=226.89kJ/mol2H〔HCl〕=－92.36kJ/mol H〔CH3CHCl2

〕=－130.01kJ/molf m f m 23H〔CHCHO〕=－166.48kJ/mol 3f m

H〔HO〕=－242.01kJ/moll2m216-13物质Cp,m/[kJ/物质Cp,m/[kJ/〔mol∙K〕]物质Cp,m/[kJ/〔mol∙K〕]25~80℃25~160℃25~80℃25~160℃C2H246.651.1H228.929.1HCl29.129.8CH2CHCl60.9H2O33.834.1CH3CHCl86.1N229.229.2CH3CHO6280℃160℃160℃。冷却水进口温度95℃99℃2％。计算过程298K反响热效应：H(主)=37.17－226.89+92.36=－97.36kJ/molr mH(深加成)＝－130.01－226.89+2×92.36=－172.18kJ/molr mH(水合)=－166.48－226.89+242.0=－151.36kJ/molr mQ〔298K〕=rHm

＝6255×〔99.36×99.4％+172.18×0.54％+151.36×0.06％〕=6255×99.785=624.2×103kJ=624.2MJ反响混合气带入热Q 带入28.9〕×〔80－25〕＝511.73×55＝28.2MJ产物气带出热Q ＝〔2.48÷26×51.1+25.56÷36.5×29.8+0.0067÷18×34.1+1.74÷28×29.2+0.731÷2×29.1+带出388.662.560.9+3.3449986.1+0.1654462〔1625〕42013＝56.7MJ热损失 Q ＝2％×624.2＝12.48MJ损Q 〔298K〕+Q ＝Q +Q +Q放 带入 带出 移出 损Q ＝Q 〔298K〕+Q －Q －Q移出 放 带入 带出 损＝624.2+28.2－56.7－12.48＝583.2MJ冷却水量 mQt＝583.2÷4.187÷〔99－95〕＝34.8tc列出热量衡算表。见表16—14。 ’输入输出工程输入输出工程MJ%工程MJ%反响气带入热28.24.32产物气带出热移出热298K反响放热624.295.68热损失56.7583.212.58.6989.391.92总计652.4100总计652.4100【例按例计算范围甲醛反响器主副反响同例16.1.3298K反响热效应为：H(主氧化)＝－156.7kJ/mol r m

H(脱氢)=85.31kJ/molmH(加氢)=－115.61kJ/mol r m H(完氧)=－676.5kJ/molr m

H(深氧)=－393.25kJ/molm计算任务反响混合气入口温度t入。基准lh，298K，气态。〔5〕选择数据〔见表16-1：16-15甲醛反响器热量衡算数据选择表CP/[KJ/〔kmol·K〕]CP/[KJ/〔kmol·K〕]物质25℃125℃655℃物质25℃125℃655℃CH3OH43.8351.6886.46H228.8829.1029.97H2O33.6634.4540.24CH435.6341.2868.87HCHO34.9234.4540.24CO29.1829.3732.80O228.2828.7331.21CO237.2241.2853.38N229.1829.2632.30绝热过程，热损失为反响放热量的1.4％。产物气离开催化剂层的温度为655℃。计算过程 298K反响放热：Q 〔298K〕=－∑H=15159×〔51.2％×156.7—39.2％×85.31+0.6％×115.61+0.8％放 R×393.25+8.2％×676.5〕=15159×106.1=1608379kJ产物气带出热Q =36.513243.83+86.42605.8918〔33.6－40.22〔411.113〕带出〔34.92+60.02〔2.6532〔28.82+31.22〔626.682829.18+32.3〕2+11.7032〔28.88+29.9〕21.4551〕35.63+68.8〕2〔3.3962〕〔29.18+32.8〕2〔54.6944〔37.22+53.32]〔6525〕＝2896.7×630=1824921kJ反响混合气带入热Q ＝521.632〔43.83+51.62〔415.431833.66+34.42190.3832〕带入×〔28.28+28.7〕2626.682〔29.18+29.2〕2〔T －29〕入＝2391.9〔T －298K〕kJ/K入热损失Q =1.4％×1608.36=22.52MkJ损绝热过程Q 〔298K〕+Q =Q +Q放 带入 带出 损Q =Q +Q —Q 〔298K〕=1824.92+22.52－1608.36＝239.08MJ带入 带出 损 放2391.9kJ〔T －298K〕K－１＝239.08MJ入T －298K＝100K T ＝398K t ＝125℃入 入 入16—16。输入输出项输入输出项目MJ%项目MJ%反响器带入热28.2624.24.3295.68产物气带出热298K反响放热移出热热损失56.7583.212.58.6989.391.92.总计652.4100总计652.4100五、热量流程图热量流程图是用工艺流程简图与表格相结合的方式来表示热量衡算结果的一种图样量流程图的要求：①按流程挨次由左向右绘出有热量变化的有关设备的示意图；设备间绘出各股物料线；②从各股物料线上用指引线引出一表格；表内注明各项热量的名称、数值。如图16-8所示。基准：1h25℃气态混合气水蒸气热量供热119120甲醇—空气热量38119吸取水—1320吸取水—1320125℃2392317蒸发器带入热811608反应器655℃产物气1825吸收塔1358热水供热646—625200℃产物气47032080℃150—2256六、有效能从物理化学知：体系在肯定状态下具有肯定的能量〔内能或焓。由于体系处于大气环异时，体系的能量便不能再用于做功。0选定环境状态〔p0=101.3kPa，T=298K〕作为基态，体系的有效能是指体系从某状态0pT〕变到基态p0T〔即到达与环境处于完全平衡状态〕