物料与能量衡算

⑷决定系统的边界。即根据由物料平衡所需要求 解的问题,确定计算范围。 ⑸选定计算基准。 ⑹收集计算所需要的数据。 ⑺进行物料衡算。 ⑻将物料衡算结果列成物料平衡表，画出物料平 衡图。
2、物料衡算式
物料衡算是研究某一个体系内进、出物料量及 组成的变化 所谓体系就是物料衡算的范围，它可以根据实 际需要人为的选定。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，必须首先确定衡算的体系。 根据质量守恒定律，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。 所以，物料衡算的基本关系式应该表示为：
例:某尿素厂的生产能力为6万t尿素/a,年操作日300d，尿 素的氨耗为0.6t氨/t尿素，生产过程的氨损失按5%考虑， 已知以1t氨为基准的某股气体的组成和量如下表所示。
组成 ％(mol) kmol
CO2 28.56 54.30
CO 1.2 2.29
H2 52.61 100.04
N2 17.05 32.43
12.02 525.2
（二）无化学反应的物料衡算
在化工过程中，一些只有物理变化，不 发生化学反应的单元操作，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，列出 总物料和各组分的衡算式，再用代数法求 解。 1、简单过程的物料衡算 2、多单元系统
1、简单过程的物料衡算 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。 下面举例说明计算步骤和计算方法。
(二) 过程参数
在化工生产过程中，能影响过程运行和状态的物理量，如温度、 压力、流量及物料的百分组成或浓度等，在指定条件下它的数值恒 定，条件改变其数值也随之变化，这些物理量称为过程参数。这些 参数常作为控制生产过程的主要指标。 进行化工计算时，上述参数是基本数据，可以直接测定。对一 些不易直接测定的参数，可找出与容易测定的参数之间的关系，通 过计算求得，有时也可以根据经验数据选定。
四效蒸发系统的物料平衡
四效蒸发系统的物料衡算过程
将整个系统简化为一个单元，可计算出总蒸发量
FX进=（F进-W）X出
X进 W F进 1 （ ） X出
则总蒸发水量为
15 W总 80000 1 ） 60000 kg / h （ 60
四效蒸发系统的物料衡算过程
第三效蒸发水量为
一种废酸，组成为23％(质量％)HNO3，57％ H2SO4和20％H2O，加入93％的H2SO4及90％的 浓HNO3，要求混合成27％HNO3及60％H2SO4的 混合酸，计算所需废酸及加入浓酸的数量。
解：设x为废酸量，kg； y为浓H2SO4量，kg； z为浓HNO3量, ㎏； ⑴画物料流程简图
体系中积累=输入－输出+生成－消耗
式中生成或消耗是因反应而生成或消耗的量；积累 项可正可负。当积累项不为零时，称为非稳定过程； 积累项为零时,称为稳定过程。
稳定过程: 输入=输出－生成+消耗 对无反应的稳定过程: 输入=输出
如图，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为 质量分数。
３、用联系组分作衡算
“联系组分”是指随物料输入体系，但完全不参 加反应，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。
如果体系中存在联系组分，那么输入物料和输出 物料之间就可以根据联系组分的含量进行关联。 例如，F、P分别为输入、输出物料，T为联系组分。 T在F中的质量分数为XFT，在P中的质量分数为XPT， 则F与P之间的关系为：
分流B B 分流A 分流C A
⊙
节点
⊙
节点 C
节点示意图
５、利用反应速率进行物料衡算
在以物质的量（摩尔）或质量进行衡算时， 由于发生了化学反应，将输入与输出速率之 差RC定义为物质C的量（摩尔）生成速率， 即 RC=F C，输入- F C，输出 因此，化学反应过程的物料衡算式可写成 F C，输出 = F C，输入 - RC
(4) 传递参数—如粘度、扩散系数、导热系数等。
通常这些数据可用下列方法得到： 1、查手册或文献资料。 2、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。 3、用实验直接测定。
第二节 物 料 衡 算
（一）物料衡算的基本方法
1、物料衡算进行的步骤
⑴画出物料衡算示意图(如方框图)。 ⑵写出化学反应方程式（包括主反应和副反应）。 ⑶列出已知数据和由物料平衡所需要求解的问题。
CH3OH
CH3OH
空气
（过量50%)
HCHO
催化反应器
H2O O2 N2
基准：1mol CH3OH 根据反应式，需氧＝0.5 氧入=0.5×1.5=0.75 氮入＝氮出＝0.75×(79/21)=2.82
反应的甲醇量＝0.75×1=0.75 甲醛的出量＝0.75 甲醇的出量＝1－0.75=0.25
(三) 化工基础数据
(1) 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、状态方程参数、压缩系数、蒸气压、 气一液平衡关系等。 (2)热力学物性数据—如内能、焓、熵、热容、相变热、自由 能、自由焓等。 (3) 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，化学平衡常数等。
⑵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。 ⑶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=100×0.6=60 (2) HNO3的衡算式 0.23x + 0.90z=100×0.27=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。
（四）过程的物料衡算
1、循环过程
例如在生产 中一般将未反应的原料与产品先分 离，后循环返回原料进口处，与新原料一起再进 入反应器反应。 例如苯直接加氢转化环己烷中的循环过程：
新鲜Ｈ2 循环Ｈ2 产物
混合器
80%Ｈ2
反应器
20%C6H6
泠凝器
3%H2
纯C6H6
1、循环过程
在没有循环时，一系列单元步骤的物料衡算可按 顺序依次进行，每次可取一个单元．但是，如果有 循环的话，由于循环量并不知道，所以逐次计算并 不能计算出循环量。其解法有二： 试差法：假定一个循环量估计值进行计算，将估 计值与计算值比较，若不符，重新假定一个估计值 ，一直计算到估计值与计算值之差在一定的误差范 围内。 代数解法：在循环存在时，列出物料平衡方程式 ，并求解。一般方程式中以循环量作为未知数，应 用联立方程式的方法进行求解。
15 W 80000 (1 ) 12600 kg / h 17.8
进入第Ⅳ的料液量
80000-12600=67400kg/h
则第Ⅳ效的蒸发水量WⅣ为
17.8 67400 (1 ) 14300 kg / h 22.6
类推得：ＷⅡ＝15000kg/h
ＷⅠ＝18100kg/h
（三）反应过程的物料衡算
基准选得适当可是计算简化。究竟采用什么作基准视具 体情况而定，不宜硬性规定，可建议： 以1t产品为基准 以1mol某反应物为基准 在连续操作中，以单位时间，即㎏/h或kmol/h作基准； 在间歇操作中，以㎏/批为基准 有化学变化的过程，适宜采用重量作基准；无化学变化 的过程，以重量或kmol/h为基准 对于液固系统常用单位质量作基准，而液相常用单位体 积作基准
丙烷充分燃烧时，要供给的空气量为理论量的125%， 问每10mol燃烧产物，需多少mol的空气？反应： C3H8+5O2
空气 （O2 N2）
3CO2+4H2O
燃 烧
CO2 H2O O2 N2
基准：100mol烟道气： 设：N-N2的mol Q-H2O,mol M-O2的mol A-空气 mol P-CO2的mol B-输入丙烷，mol 列平衡式：C平衡：P=3B H2平衡：Q=4B O2平衡：0.21A=M+P+1/2Q 烟道气总量:N+M+P+Q=100 过剩氧气(A-A/1.25)*0.21=M 求解即 可
苯直接加氢转化环己烷中的循环过程的衡算
解：反应为：C6H6+3H2→C6H12 基准：100kmol/h环己烷 查苯的转化率为99% 则生产100kmol/h环己烷需苯 100／0.99=101.01kmol/h 未反应的苯为 101.01-100=1.01kmol/h 产物中含H2,设含量为nH2
第三章 化工计算
第一节 化工过程及过程参数
(一) 化工过程 指由原料经化学处理和物理处理加工成化学产品或中间产 品的生产过程。它包括许多工序，每个工序又由若干个或若干 组设备（如反应器、蒸馏塔、吸收塔、干燥塔，分离器、换热 器及输送设备等等）组合而成。物料通过各设备时，完成某种 化学或物理处理，最终成为合格的产品。 化工过程中的各种设备所进行的主要操作可归纳为下列几 类： 1.化学反应；2.分离或提纯，3.改变温度，4.改变压力，5. 混合等。
1、直接计算法
在物料衡算中,根据化学反应式，运用化学计 量系数进行计算的方法，称为直接计算法。 甲醇氧化制甲醛，其反应过程为 CH3OH + 1/2O2 →HCHO + H2O
反应物及生成物均为气态。甲醇的转化率为 75％，若使用50％的过量空气，试计算反应 后气体混合物的摩尔组成。
解：画出流程示意图，如下图：
FXFT =PXPT
丙酮 3% 空气 97% Ykg
水Zkg
吸 收 塔
丙酮20% 空气 (80%) Xkg
丙酮10%(50kg)
丙酮平衡:X×0.2=50×0.1+Y×0.03 X+Z=50+Y 0.8X=0.97Y 解得：X=28.53kg Y=23.53kg
Z=45kg
４、以节点进行计算
以流程中某一点的汇聚或分支处的交点，即节点来进 行计算可使计算简化，如原料加入到循环系统中、物料 的混合、溶液的配制以及精流塔塔顶回流和产品取出等， 均需采用节点来进行计算。
氧的出量＝0.75－0.75×0.5=0.375
水的出量＝0.75
计算结果如下表：
组分
mol
CH3OH
0.250
HCHO H2O O2
0.750 0.750 0.375
N2
2.820
总计
4.945
摩尔分数（％） 5.0
15.2
15.2
7.6
57.0
100.0
２、元素衡算法
ຫໍສະໝຸດ Baidu
元素衡算是物料衡算的一种重要形式。在作 这类衡算时，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 表示为： 输入(某种元素)＝输出(同种元素) 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题，可以列出元 素衡算式，用代数法求解。
2、多单元系统 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。不 然会使计算繁琐，甚至无法求解。 造纸厂的碱回收工序有一个四效蒸发器,供 料方式为Ⅲ→Ⅳ→Ⅱ→Ⅰ,蒸发器的总处理 量为80000㎏/h造纸废液(黑液)。计算总蒸 发水量和每一效蒸发器的蒸发水量。
F x f1 x f2 1
过 程
2 3
P x p1 x p2 W x w1 x w2
无化学反应的 连续过程物料衡算


可列出物料衡算式：
总物料衡算式 每种组分衡算式 F=P+W F·f1 = P·p1 + W·w1 x x x
F·f2 = P·p2 + W·w2 x x x
3、物料衡算的基准
CH4 0.575 1.093
合计 100 190.99
列出该股气体的组成和流量表。 60000×0.6×1.05 解:小时产量为
300×24
=5.25t/h
以1t氨为基准的各组分的kmol量乘以5.25所得结果为流量。 气体的流量和组成如下表所示:
组成 ％(mol) kmol/h CO2 28.56 285.1 CO 1.2 H2 52.61 N2 17.05 170.2 CH4 0.575 5.74 合计 100 998.3