化工计算第三章物料衡算

1、化工计算,化学与化学工程学院公选课,物料衡算的理论依据是质量守恒定律,给出物料流程图,第三章 物料衡算,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,第一节概述,物料衡算是化工计算中最基本、也是最重要的内容之一，它是能量衡算的基础。,利用实际测定的数据，算出另 一些不能直接测定的物料量,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。,稳态操作和非稳态操作,同时加入物料，同时排出产物,1、化工过程的类型,间歇操作过程,3.1 .1物料衡算式,连续操作过程,半连续操作过程,连续加入物料，连续排出产物,反应物和产物有连续操作的也有间歇操作的,第三章 物料衡算,稳态操作和非稳态操作

2、,3.1.1物料衡算式,间歇操作过程,连续操作过程,半连续操作过程,第三章 物料衡算,质量守恒定律,基本方程,3.1.1 物料衡算式,2、物料衡算式,第三章 物料衡算,有化学反应参加,每种组分的物料平 衡,2、物料衡算式,3.1.1 物料衡算式,任一个组分或任一种元素作衡算,第三章 物料衡算,列物料衡算式时应注意，物料平衡是指质量平衡，不是体积或物质的量(摩尔数)平衡。若体系内有化学反应，则平衡式中各项用摩尔流量为单位时，必须考虑反应式中的化学计量系数。因为反应前后物料中的分子数不守恒。,注意,第三章 物料衡算,共有三个流股，进料F及出料P和W。有两个组分。每个流股的流量及组成如图所示。图中x

3、为质量分数。,举例,第三章 物料衡算,总物料衡算式 F = P + W 每种组分衡算式 Fxf1 = Pxp1 + Wxw1 Fxf2 = Pxp2 + Wxw2,确定体系与环 境,3.1.2 物料衡算的基本步骤,第三章 物料衡算,1、画物料流程简图。,确定进出体系的物料种类,3.1.2 物料衡算的基本方法,第三章 物料衡算,1、画流程简图。,首先应该根据给定的条件画出流程简图。,计算基准的确定很重要,3.1.2 物料衡算的基本方法,第三章 物料衡算,2、确定计算基准 可以将产量、原料量等作为计算基准，也可以设定 某种组分的量作为计算基准。,进行物料、能量衡算时，必须选择一个计算基准,确定计算

4、具体步骤,原料、产品、副产品等的指标，年产量，转化率，损耗，生产周期，温度，压力，粘度、密度等等各项生产数据和物理化学数据。,第三章 物料衡算,3、物料衡算的步骤,(1) 搜集计算数据。,(2) 画出物料流程简图。,确定计算具体步骤,可以以整个工段为计算体系，也可以以其中的一部分作为计算体系。物料衡算是指体系与环境之间的物质传递,第三章 物料衡算,3、物料衡算的步骤,(3) 确定衡算体系。,(4) 写出化学反应方程式,甲醇在空气中可被氧化为甲醛然后被氧化为甲酸 CH3OH + 1/2O2 = HCHO+H2O HCHO + 1/2O2 = HCOOH,得到计算结果,很重要,第三章 物料衡算,3

5、、物料衡算的步骤,(5) 选择合适的计算基准,(6) 列出物料衡算式,总物料衡算式 F = P + W 每种组分衡算式 Fxf1 = Pxp1 + Wxw1 Fxf2 = Pxp2 + Wxw2,完成了物料衡算,第三章 物料衡算,3、物料衡算的步骤,(7) 将计算结果列成输入输出物料表(物料平衡表)。,第三章 物料衡算,一种废酸，组成为23(质量)HNO3，57H2SO4和20H2O，加入93的浓H2SO4及90的浓HNO3，要求混合成27HNO3及60H2SO4的混合酸，计算所需废酸及加入浓酸的数量。,1.画出流程框图,设 x废酸量，kg； y浓H2SO4量，kg； z浓HNO3量；,2选择

6、基准,第三章 物料衡算,3、列物料衡算式，该体系有3种组分，可以列出3个独立方程，所以能求出3个未知量。 基准：100kg混合酸 总物料衡算式 x + y + z=100 (1) H2SO4的衡算式 0.57x+0.93y=1000.6=60 (2) HNO3的衡算式 0.23x + 0.90z=1000.27=27 (3) 解(1)，(2)，(3)方程，得x=41.8kg废酸 y = 39kg浓H2SO4 z = 19.2kg浓HNO3 即由41.8kg废酸、39kg浓H2SO4和19.2kg浓HNO3可以混合成100kg混合酸。,根据水平衡，可以核对以上结果： 加入的水量 = 41.8 0

7、.2 + 39 0.07 + 19.2 0.10 = 13kg 混合后的酸，含13H2O，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HNO3二个衡算式或H2SO4、HNO3和H2O三个组分衡算式进行计算，均可以求得上述结果。,第三章 物料衡算,单效蒸发器进行溶质的质量衡算,F原料液量，kg/h； W水的蒸发量，kg/h； L完成液量，kg/h； x0料液中溶质的浓度，质量分率； x1完成液中溶质的浓度，质量分率。,第三章 物料衡算,二、有多个设备过程的物料衡算 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。此时，必须选择恰当的衡算体系，这是很重要的步骤。

8、不然会使计算繁琐，甚至无法求解。,第三章 物料衡算,3、,根据水平,3.1.3 物料衡算的基本方法,有化学反应的过程，物料中的组分比较复杂。因为，工业上的化学反应，各反应物的实示用量，并不等于化学反应式中的理论量。为了使所需的反应顺利进行，或使其中较昂贵的又应物全部转化，常常使价格较低廉的一些反应物用量过量。因此，使物料衡算比无化学反应过程的计算复杂，尤其是当物料组成及化学反应比较复杂时，计算更应注意。,第三章 物料衡算,3、,一、反应转化率、选择性及收率等概念 工业化学反应过程中，当反应原料的配比不按化学计量比时，限据反应物的化学计量数大小可称其为限制反应物与过量反应物。 1、限制反应物：化

9、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所需的理论量，该反应物称为过量反应物。,第三章 物料衡算,4、转化率（以x表示）：某一反应物反应掉的量占其输入量的百分数。若以NA1、NA2分别表示反应物A输入及输出体系的摩尔数，则反应物A的转化率为,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所需理论量的百分数。若以从表示过量反应物的摩尔数，Nt表示与限制反应物完全反应所需的摩尔数，则过量百分数即为,第三章 物料衡算,一个化学反应，由不同反应物可计算得到不同的转化率。

10、因此，应用时必须指明某个反应物的转化率。若没有指明时，则往往是指限制反应物的转化率。,5、选择性（以S表示）：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。若反应物为A，生成的目的产物为D，Nn表示生成的目的产物D的摩尔数，。、d分别为反应物d与目的产物D的化学计量系数，则选择性为,式中NA1NA2为反应物A反应掉 的摩尔数。转化率与选择性是 反应过程的两个主要技术指标。,第三章 物料衡算,6、收率（以Y表示）：目的产物的量除以反应物（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。若以摩尔数计算，考虑化学计量系数，则目的产物D的收率为,转化率、选

11、择性与收率三者之间的关系为 Y = Sx,例4-1：丙烷充分燃烧（即转化率100%）时，实际供入的空气量为理论所需量的125%，反应式为： 求：每生成100mol的燃烧产物实际需要供入多少摩尔空气？,解：由题意物料流程简图如下：,由流程图可知： 该体系有三股物流：丙烷、空气、燃烧产物。 原则上基准的选择有三种方法： 1.选一定量的空气为计算基准 2.选一定量的丙烷为计算基准 3.选一定量的燃烧产物为计算基准 下面分别以这三种物料为基准，比较各种计算方法的难易程度，以说明合理选择基准的重要性。,方法一 基准：1mol 1molC3H8完全燃烧需要的理论空气量计算： 由反应式，完全燃烧理论上需氧量

12、（即实际耗氧量）：5mol 由空气过量125%即氧气过量125%，有： 实际供氧量 折算成实际供空气量（空气中含氧21%） 29.76mol空气中含氮量 反应后剩余O2量 1.25mol 反应所产生的CO2量 3mol 反应所产生的H2O量 4mol 总的燃烧产物量：(23.51+1.25+3+4)mol=31.76mol 所以，每100mol燃烧产物所需空气量为：,方法二 基准：1mol空气 按题意供入的空气量为理论量的125%，则理论上所需空气量为： 因为1mol空气中含氧量为0.21mol；所以 供燃烧C3H8的氧量（即反应消耗氧） 由反应式，燃烧C3H8的量为 反应产生的CO2量为 反

13、应产生的H2O量为 反应后剩余的O2量为 通入1mol空气产生的燃烧产物的总量为： 所以，每100mol燃烧产物需空气量为：,第二节 物料衡算的基本方法,第二节 物料衡算的基本方法,方法三 基准：燃烧产物 有六个未知变量，引进六个参数，分别为： N燃烧产物中N2的量，mol； M燃烧产物中O2的量，mol； P燃烧产物中CO2的量，mol； Q燃烧产物中H2O的量，mol； A入口空气的量，mol； B入口的量，mol。 因有6个未知量，所以必须列6个独立方程，列各元素的平衡： 体系中有四种元素，可以列四个独立物料衡算方程。,列元素平衡： 由C平衡 ，有： 3B=P （1） 由H2平衡，有： 4B=Q （2） 由O2平衡，有： （3） 由N2平衡，有： 0.79A=N （4） 另有两个辅助条件方程： 有燃烧产物总量，有： M+N+P+Q=100mol （5） 反应后剩余的氧量： （6）,第二节 物料衡算的基本方法,可用消元法解上列方程组,第二节 物料衡算的基本方法,从上述三种不