第三章物料衡算和能量衡算1(物料)

1、化工設計第三章第三章 物料衡算與能量衡算物料衡算與能量衡算Chart3 Materiel Balance and Energy Balance一、一、 化工過程化工過程 所謂所謂化工過程化工過程，是指由，是指由原料原料經經化學處理和物理處理化學處理和物理處理加工加工成成化學產品或中間產品化學產品或中間產品的生產過程。的生產過程。 它包括許多工序，每個工序又由若干個或若干組設備它包括許多工序，每個工序又由若干個或若干組設備（如反應器、蒸餾塔、吸收塔、干燥塔，分離器、換熱（如反應器、蒸餾塔、吸收塔、干燥塔，分離器、換熱器及輸送設備等等）組合而成。器及輸送設備等等）組合而成。 物料通過各設備時，完成

2、某種化學或物理處理，最終成物料通過各設備時，完成某種化學或物理處理，最終成為合格的產品。為合格的產品。應用守恒定律來研究化工過程的物料衡算和能量衡算問題。 在不同的生產過程中，有一些具有共性的在不同的生產過程中，有一些具有共性的物理操作物理操作，它們，它們不改變物料的化學性質，只改變物料的物理性質，這類操不改變物料的化學性質，只改變物料的物理性質，這類操作被稱為作被稱為單元操作單元操作，如流體輸送、傳熱、蒸餾、干燥、蒸，如流體輸送、傳熱、蒸餾、干燥、蒸發(fā)、結晶、萃取、吸收、吸附、過濾及破碎等操作。發(fā)、結晶、萃取、吸收、吸附、過濾及破碎等操作。 化工過程中還包括一些改變物料的化工過程中還包括一些

3、改變物料的化學性質的反應過程化學性質的反應過程，如氫與氮合成氨反應、乙烯氧化成環(huán)氧乙烷反應等等。如氫與氮合成氨反應、乙烯氧化成環(huán)氧乙烷反應等等。 化工過程就是由化工過程就是由反應過程反應過程和和若干個單元操作若干個單元操作組合而成的一組合而成的一個系統(tǒng)。個系統(tǒng)。 化工過程的類型化工過程的類型 根據(jù)其操作方式分根據(jù)其操作方式分 間歇間歇操作操作 原料一次加入原料一次加入過程過程產品一次排出產品一次排出 連續(xù)連續(xù)操作操作 原料連續(xù)加入原料連續(xù)加入過程過程產品連續(xù)排出產品連續(xù)排出 半連續(xù)半連續(xù)操作操作 原料一次加入原料一次加入過程過程產品連續(xù)排出產品連續(xù)排出 或原料連續(xù)加入或原料連續(xù)加入過程過程產品

4、一次排出產品一次排出 根據(jù)操作狀態(tài)分根據(jù)操作狀態(tài)分 穩(wěn)定穩(wěn)定狀態(tài)操作（定態(tài)操作）過程參數(shù)狀態(tài)操作（定態(tài)操作）過程參數(shù)=f(x、y、z) 不穩(wěn)定不穩(wěn)定狀態(tài)操作（非定態(tài)操作）過程參數(shù)狀態(tài)操作（非定態(tài)操作）過程參數(shù)=f(x、y、z、t)化工過程基本參數(shù)化工過程基本參數(shù)過程參數(shù)：生產過程中影響過程參數(shù)：生產過程中影響過程運行和狀態(tài)的物理量過程運行和狀態(tài)的物理量。一）溫度一）溫度 表示物體冷熱程度的物理量。溫標。表示物體冷熱程度的物理量。溫標。 1、攝氏溫標攝氏溫標， 水的正常冰點：水的正常冰點：0 水的正常沸點：水的正常沸點：100 其間均分其間均分100等份等份 其單位為其單位為 2、開爾文溫標開爾

5、文溫標，K（又叫熱力學溫度，熱力學溫標）（又叫熱力學溫度，熱力學溫標） 單位是單位是“開爾文開爾文”，英文是，英文是“Kelvin”Kelvin”簡稱簡稱“開開”，國際代號，國際代號“K”K”。開。開爾文是為了紀念英國物理學家爾文是為了紀念英國物理學家Lord KelvinLord Kelvin而命名的。而命名的。 以絕對零度（以絕對零度（0K0K）為最低溫度，規(guī)定水的三相點的溫度為）為最低溫度，規(guī)定水的三相點的溫度為 273.16K273.16K，開定義為水三相點熱力學溫度的開定義為水三相點熱力學溫度的1/273.151/273.15。3 華氏溫標華氏溫標, 水鹽混合物的溫度：水鹽混合物的溫

6、度：0 ；健康人的血液溫度：；健康人的血液溫度：96 水的正常冰點：水的正常冰點：32 ；水的正常沸點：；水的正常沸點：212 其間均分其間均分180等份等份 其單位為其單位為 4、蘭金溫標蘭金溫標，R 與開氏溫標相似，也是以最低理論溫度為與開氏溫標相似，也是以最低理論溫度為0度的一種絕度的一種絕對溫標。對溫標。 其其0度為度為-459.67 （-460 ）。）。 四種溫度的關系：四種溫度的關系： 二）壓力二）壓力(壓強）壓強） 三）流量三）流量 四）組成四）組成3.1 物料衡算物料衡算3.2 能量衡算能量衡算3.3 化工模擬軟件在化工設計中的應用化工模擬軟件在化工設計中的應用本 章要求要求

7、掌握掌握非反應過程的物料衡算及反應過程非反應過程的物料衡算及反應過程的物料衡算；的物料衡算； 掌握掌握裝置的物料衡算；裝置的物料衡算； 掌握掌握以反應熱效應為基礎的計算方法，以反應熱效應為基礎的計算方法，以及以生成熱為基礎的計算方法。以及以生成熱為基礎的計算方法。 本章重、難點：物料衡算及熱量衡算。本章重、難點：物料衡算及熱量衡算。 物料、能量衡算物料、能量衡算在化工技術中的作用作用 物料、能量衡算是所有設計計算的基礎，基礎，是反應器和設備設計的根據(jù)根據(jù)，也是過程、設備各系統(tǒng)經濟核算和最優(yōu)化的依據(jù)。一般來說，在設計一個生產系統(tǒng)，或者計算某個單元操作及設備時，首首先必須作物料、能量衡算。先必須作

8、物料、能量衡算。物料、能量衡算的物料、能量衡算的目的和內容目的和內容 在于定量研究生產過程，為過程設計和操為過程設計和操作最佳化提供依據(jù)。作最佳化提供依據(jù)。 對過程中的各個設備和工序，逐個計算各物料的流量、組成及熱流量和溫度，定量定量地表示所研究的對象。地表示所研究的對象。物料、能量衡算的物料、能量衡算的意義意義 計算生產過程的原材料消耗指標、能耗定額和產品產原材料消耗指標、能耗定額和產品產率等率等 。 根據(jù)物料衡算和能量衡算數(shù)據(jù)和設備恰當?shù)纳a強度，可以設計或選擇設備的類型、臺數(shù)及尺寸。設計或選擇設備的類型、臺數(shù)及尺寸。物料衡算和能量衡算是設備計算的依據(jù)。 作物料衡算可以檢查檢查各物料的計量

9、、分析測定數(shù)據(jù)是否正確；檢查檢查生產運行是否正常。 作系統(tǒng)各設備及管路的物料衡算時，可以檢查檢查出生產上的薄弱環(huán)節(jié)或限制部位。從而找出相應的強化措施。 物料衡算和能量衡算是傳統(tǒng)最優(yōu)化和經濟核算的基礎。傳統(tǒng)最優(yōu)化和經濟核算的基礎。 物料衡算和能量衡算的方程往往用于求取生產過程中用于求取生產過程中的某些未知量或操作條件。的某些未知量或操作條件。3.1 物料衡算物料衡算物料衡算物料衡算運用質量運用質量守恒定律，對化工過程或設備進行定量計算。守恒定律，對化工過程或設備進行定量計算。通過物料衡算解決以下問題：通過物料衡算解決以下問題： 計算原料消耗量、副產品量；計算原料消耗量、副產品量； 輸出過程物料的

10、損耗量及三廢的生成量；輸出過程物料的損耗量及三廢的生成量； 在物料衡算基礎做能量衡算，計算蒸汽、水、電、煤或其他燃料的在物料衡算基礎做能量衡算，計算蒸汽、水、電、煤或其他燃料的消耗定額。消耗定額。 計算產品的技術經濟指標。計算產品的技術經濟指標。為生產設備和輔助設備的選型及設計、管路設施與公用工程的設為生產設備和輔助設備的選型及設計、管路設施與公用工程的設計等方面提供依據(jù)。計等方面提供依據(jù)。一、物料衡算依據(jù)一、物料衡算依據(jù)1. 理論依據(jù)理論依據(jù)質量守恒定律質量守恒定律物料衡物料衡算范圍算范圍單元操作的物料衡算單元操作的物料衡算化工設備設計的前提化工設備設計的前提化工過程的物料衡算化工過程的物料

11、衡算化工過程設計的前提化工過程設計的前提物料衡算的一般表達式為：物料衡算的一般表達式為：輸入量輸出量生成量消耗量積累量輸入量輸出量生成量消耗量積累量對穩(wěn)定操作過程，積累量對穩(wěn)定操作過程，積累量=0輸入量輸入量-輸出量輸出量+生成量生成量-消耗量消耗量=0對無化學反應的過程：對無化學反應的過程： 輸入量輸出量積累量輸入量輸出量積累量對無化學反應的穩(wěn)定操作過程：對無化學反應的穩(wěn)定操作過程：輸入量輸出量輸入量輸出量對有化學反應的過程對有化學反應的過程：總物料衡算：總物料衡算+元素衡算式元素衡算式2. 數(shù)據(jù)基礎數(shù)據(jù)基礎(1) 技術方案、操作方法、生產能力、年工作時。技術方案、操作方法、生產能力、年工作

12、時。(2) 建設單位或研究單建設單位或研究單位的要求位的要求、設計參數(shù)、小試及中試數(shù)據(jù)：、設計參數(shù)、小試及中試數(shù)據(jù)： 化工單元過程的化工單元過程的化學反應式化學反應式、原料配比、轉化率、選擇率、總收、原料配比、轉化率、選擇率、總收率，催化劑狀態(tài)、用量、回收方法、安全性能等；率，催化劑狀態(tài)、用量、回收方法、安全性能等； 原料及產品的分離方式原料及產品的分離方式，分離劑的用量，各步的回收率；，分離劑的用量，各步的回收率； 特殊化學品的物性特殊化學品的物性：沸點、熔點、飽和蒸汽壓、閃點等。：沸點、熔點、飽和蒸汽壓、閃點等。(3) 工藝流程示意圖。工藝流程示意圖。二、物料衡算基準二、物料衡算基準 物料

13、衡算時須物料衡算時須選擇計算基準選擇計算基準，并在計算過程中，并在計算過程中保持一致保持一致。 一般計算過程的基準有以下幾種：一般計算過程的基準有以下幾種：(1) 時間基準時間基準對連續(xù)生產過程，常以單位時間對連續(xù)生產過程，常以單位時間(如如d、h、s）的投料）的投料量或產品量為計算基準。量或產品量為計算基準。(2) 批量基準批量基準以每批操作或一釜以每批操作或一釜料的生產周期為基準。料的生產周期為基準。(3) 質量基準質量基準當系統(tǒng)介質為液、當系統(tǒng)介質為液、固相時，選擇一定質量的原料或產固相時，選擇一定質量的原料或產品作為計算基準較適合。品作為計算基準較適合。(4) 物質的量基準：物質的量基

14、準：對于有化學反應的過程因化學反應的按摩爾進行對于有化學反應的過程因化學反應的按摩爾進行的，用物質的量基準更方便。的，用物質的量基準更方便。(5) 標準體積基準：標準體積基準：對氣體物料進行衡算，可采用標準體積基準，對氣體物料進行衡算，可采用標準體積基準，Nm3(STP)，既排除，既排除T、p的影響，又可直接換算為摩爾。的影響，又可直接換算為摩爾。(6) 干濕基準：干濕基準：由于物料中均含有一定量的水分，選用基準時就有算不由于物料中均含有一定量的水分，選用基準時就有算不算水分的問題。濕基計算水分，干基不計算水分。算水分的問題。濕基計算水分，干基不計算水分。實際計算時，必須根據(jù)具體情況選擇合適的

15、基準，過程的實際計算時，必須根據(jù)具體情況選擇合適的基準，過程的物料衡物料衡算及能量衡算應在同一基準上算及能量衡算應在同一基準上進行。進行。三、物料衡算的基本程序三、物料衡算的基本程序(1) 確定確定衡算對象和范圍衡算對象和范圍，畫出計算對象的草圖。注意物料種類和走，畫出計算對象的草圖。注意物料種類和走向，明確輸入和輸出。向，明確輸入和輸出。(2) 確定確定計算任務計算任務，明確已知項、待求項，選擇數(shù)學公式，力求使計算，明確已知項、待求項，選擇數(shù)學公式，力求使計算方法簡化。方法簡化。(3) 確定過程所確定過程所涉及的組分涉及的組分，并對所有組分依次編號。，并對所有組分依次編號。(4) 對物流的對

16、物流的流股進行編號流股進行編號，并標注物流變量。，并標注物流變量。(5) 收集數(shù)據(jù)資料收集數(shù)據(jù)資料（設計任務所規(guī)定已知條件，與過程有關物理化學參（設計任務所規(guī)定已知條件，與過程有關物理化學參數(shù)）：數(shù)）： 生產規(guī)模生產規(guī)模（設計任務所規(guī)定，（設計任務所規(guī)定，t/年）和年）和生產時間生產時間（指全年有效生（指全年有效生產天數(shù)產天數(shù)300330天天/年，計約年，計約8000h）。）。 有關定有關定額的技術指標額的技術指標，通常指產品單耗、配料比、循環(huán)比、固液，通常指產品單耗、配料比、循環(huán)比、固液比、氣液比、回流比、利用率、單程收率、回收率等等。比、氣液比、回流比、利用率、單程收率、回收率等等。 原輔

17、材料、產品、中間產品原輔材料、產品、中間產品的規(guī)格；的規(guī)格； 與過程有關有物理化學參數(shù)，如臨界參數(shù)、密度或比體積、狀態(tài)方與過程有關有物理化學參數(shù)，如臨界參數(shù)、密度或比體積、狀態(tài)方程參數(shù)、蒸汽壓、氣液平衡常數(shù)或平衡關系等。程參數(shù)、蒸汽壓、氣液平衡常數(shù)或平衡關系等。(6) 列出過程全部獨立物料平衡方程式及其相關約束式列出過程全部獨立物料平衡方程式及其相關約束式，對有化，對有化學反應的還要寫出化學反應方程式，指出其轉化率和選擇性。學反應的還要寫出化學反應方程式，指出其轉化率和選擇性。(7) 選擇計算基準；選擇計算基準；(8) 統(tǒng)計變量個數(shù)與方程個數(shù)，確定設計變量個數(shù)及全部設計變量。統(tǒng)計變量個數(shù)與方程

18、個數(shù)，確定設計變量個數(shù)及全部設計變量。(9) 整理并校核計算結果，并根據(jù)需要換算基準，最后列成表格即整理并校核計算結果，并根據(jù)需要換算基準，最后列成表格即物流表。物流表。(10) 繪制物料流程圖，編寫物流表作為設計文件成果編入正式設計繪制物料流程圖，編寫物流表作為設計文件成果編入正式設計文件。文件。識別問題的類型識別問題的類型繪制工藝過程示意圖繪制工藝過程示意圖選擇計算基準選擇計算基準建立物料衡算方程式并進行未知量的求解建立物料衡算方程式并進行未知量的求解列出物料衡算表列出物料衡算表?；み^程的化工過程的主要效率指標主要效率指標生產能力和生產強度生產能力和生產強度n生產能力生產能力指一個設備、

19、一套裝置或一個工廠在指一個設備、一套裝置或一個工廠在 單位時間內生產的產品量，或在單位時間內處理單位時間內生產的產品量，或在單位時間內處理 的原料量。的原料量。 設計能力設計能力設備或裝置在最佳條件下可以達到設備或裝置在最佳條件下可以達到的最大生產能力。的最大生產能力。即設備的即設備的單位體積的生產能力單位體積的生產能力，或，或單位面積的單位面積的生產能力生產能力。n 生產強度生產強度為設備的單位特征幾何量的生產能力。為設備的單位特征幾何量的生產能力。n此指標主要用于此指標主要用于比較那些相同反應過程或物理加比較那些相同反應過程或物理加工過程的設備或裝置的優(yōu)劣工過程的設備或裝置的優(yōu)劣。n有效生

20、產周期：有效生產周期： n開工因子開工因子通常在通常在0.90.9左右左右，開工因子大意味著停，開工因子大意味著停工檢修帶來的損失小，即設備先進可靠，催化工檢修帶來的損失小，即設備先進可靠，催化劑壽命長。劑壽命長。 全年開工生產天數(shù)開工因子365（1 1）轉化率）轉化率 （2-132-13） n關鍵反應物關鍵反應物反應物中價值最高的組分，為使反應物中價值最高的組分，為使其盡可能轉化，常使其他反應組分過量。其盡可能轉化，常使其他反應組分過量。n不可逆反應，關鍵組分的轉化率最大為不可逆反應，關鍵組分的轉化率最大為100%100%。n可逆反應，關鍵組分的轉化率可逆反應，關鍵組分的轉化率其平衡轉化率其

21、平衡轉化率。 X 某一反應物的轉化總量該反應物的起始量轉化率、選擇性和收率轉化率、選擇性和收率對對循環(huán)過程循環(huán)過程而言，有而言，有單程轉化率單程轉化率和和全程轉化率全程轉化率。AAXA組分 在反應器中的轉化總量反應器進口物料中組分 的量,A totAXA組分 在反應器中的轉化總量新鮮原料中組分 的量新鮮原料新鮮原料反應系統(tǒng)反應系統(tǒng)分離系統(tǒng)分離系統(tǒng)產品產品循環(huán)物流循環(huán)物流循環(huán)機械循環(huán)機械圖圖 帶有物料循環(huán)的流程示意帶有物料循環(huán)的流程示意圖圖排放排放 （2 2）選擇性）選擇性 是指體系中轉化成目的產物的某反應物的量是指體系中轉化成目的產物的某反應物的量與參加所有反應而轉化的該反應物總量之比。與參加

22、所有反應而轉化的該反應物總量之比。 在復雜反應體系中，在復雜反應體系中，選擇性表達了主、副反選擇性表達了主、副反應進行程度的相對大小應進行程度的相對大小，能確切，能確切反映原料的利用反映原料的利用是否合理是否合理。n 選擇性選擇性 S 轉化為目的產物的某反應物的量該反應物的轉化總量 或或 n注意注意： 式中的分母是按主反應式的化學計量關系式中的分母是按主反應式的化學計量關系來計算的，并假設轉化了的所有反應物全來計算的，并假設轉化了的所有反應物全部轉變成目的產物。部轉變成目的產物。 S 實際所得的目的產物量按某反應物的轉化總量計算應得到的目的產物理論量（3 3）收率（產率）收率（產率） n對同一

23、反應物對同一反應物，Y=SX。n無副反應的體系無副反應的體系，S=1，Y=X，收率，收率=轉化率轉化率；n有副反應的體系有副反應的體系，S100%，則過量空氣的含義，則過量空氣的含義是包括是包括理論需要空氣量和超過部分的量的總和理論需要空氣量和超過部分的量的總和。 %100%100%理論需氧量理論需氧量氧氣進料量過量空氣 例例 丙烷充分燃燒時，要供入空氣量丙烷充分燃燒時，要供入空氣量125%，反應式為：，反應式為：C3H8+5O2 3CO2+4H2O，問每產生，問每產生100摩爾煙摩爾煙道氣需空氣量多少摩爾？道氣需空氣量多少摩爾？ 解：采用不同的計算基準計算。解：采用不同的計算基準計算。 解法

24、解法基準基準 ：100 mol丙烷丙烷（關鍵組分）。（關鍵組分）。n反應式：反應式： C3H8+5O2 3CO2 + 4H2O n轉化量：轉化量： 100 X Y Zn X = 500mol Y = 300mol Z = 400moln由于空氣中氧氣和氮氣的摩爾比為：由于空氣中氧氣和氮氣的摩爾比為：nO2 N2 = 21 79n理論空氣量理論空氣量=500/0.21=2380.9mol n則實際空氣量則實際空氣量=過量空氣過量空氣%理論空氣量理論空氣量=125%2380=2976 moln反應前反應前： n 反應后反應后： 氮氣不參加反應，仍為氮氣不參加反應，仍為2351 mol。2976 2

25、1%625nmol氧2976 79%2351nmol氮100nmol丙烷625500125nmol氧進料氧氣量反應轉化掉的氧氣量300nmol二氧化碳400nmol水物料衡算結果一覽表物料衡算結果一覽表1n從上表中可看出，從上表中可看出，反應前后反應前后，各組分的摩爾數(shù)各組分的摩爾數(shù)和質量數(shù)都不相等。和質量數(shù)都不相等。n總摩爾數(shù)也不相等，物質的總摩爾數(shù)也不相等，物質的總質量數(shù)未變總質量數(shù)未變。物料物料分分子子量量輸入輸入輸出輸出molmol%Kgwt%molmol%Kgwt%C3H8441003.254.44.88O23262520.3220.022.171253.944.04.43N2262

26、35176.4365.8372.96235174.0265.8372.96CO2443009.4513.214.63H2O1840012.597.27.98總計總計307610090.23100.01317610090.23100n從計算結果可以看出，當從計算結果可以看出，當空氣加入量為空氣加入量為2976mol時時，可，可產生煙道氣產生煙道氣3176mol，所以，每所以，每產生產生100mol煙道氣需加入的煙道氣需加入的空氣量為：空氣量為： 1002976317693.7（mol） 解法解法 基準：基準：100 mol空氣空氣n反應前：反應前：n所含所含 =過量氧氣量過量氧氣量 n由由 過量

27、氧氣量過量氧氣量=過量空氣過量空氣%需要氧氣量（也需要氧氣量（也稱為理論需氧量）稱為理論需氧量）n理論氧氣量理論氧氣量=過量氧氣量過量氧氣量/過量空氣過量空氣% =21/125%=16.8 moln 則根據(jù)化學反應式則根據(jù)化學反應式C3H8+5O23CO2 +4H2O可可以求得參加反應的丙烷用量：以求得參加反應的丙烷用量： 1 5 = M 16.8 M=3.36 mol100 21%21nmol氧100 79%79nmol氮n反應后：反應后：n 氮氣不參加反應，仍為氮氣不參加反應，仍為79mol。 21 16.84.2nmol氧進料氧氣量反應轉化掉的氧氣量 4 16.813.445nmol水3

28、 16.810.085nmol二氧化碳=物料衡算結果一覽表物料衡算結果一覽表2n從上表中可看出，仍然可以得出與表從上表中可看出，仍然可以得出與表1相同相同的結的結論；比較表論；比較表1和表和表2，可以看出，可以看出，雖然計算基準不雖然計算基準不同，但進出物料的組成是一致的。同，但進出物料的組成是一致的。物料物料分分子子量量輸入輸入輸出輸出molmol%Kgwt%molmol%Kgwt%C3H8443.263.250.1484.88O2322120.320.67222.174.23.940.1344.43N2267976.432.21272.967.974.022.21272.96CO24410

29、.089.450.44414.63H2O1813.4412.590.2427.98總計總計103.361003.032100.01106.721003.032100n從計算結果知，每產生從計算結果知，每產生106.72mol的煙道的煙道氣需加入氣需加入100mol空氣空氣，所以，所以產生產生100mol煙道氣需要加入的空氣量煙道氣需要加入的空氣量是：是： 100100106.7293.7（mol） 例： 在鼓泡反應器中進行苯的氯化反應生產氯苯，主反應為： C6H6Cl2C6H5ClHCl 同時有副反應發(fā)生，生成二氯苯和三氯苯，反應如下： C6H62Cl2C6H4Cl22HCl C6H63Cl2

30、C6H3Cl33HCl 已知鼓泡反應器的產品中，主、副反應產物和未反應的苯的重量比為: 氯苯：二氯苯：三氯苯：苯l:0.08:0.016:2，求(1)苯的轉化率；(2)氯苯的收率；(3)反應的選擇性；(4)反應生成的氯化氫總量；(5)反應消耗的氯氣總量。解：以100kg產物氯苯為計算基準。 苯、氯苯、二氯苯、三氯苯的分子量分別為78，112.5，147和181.5。 按照所取的計算基準，出口產品混合物中有苯200kg，氯苯100kg，二氯苯8kg，三氯苯1.6kg，需要加入反應器的苯(100)的量計算如下：生成氯苯消耗苯： 生成二氯苯消耗苯：生成三氯苯消耗苯： 未反應的苯200kg，因此需要加

31、入的苯的總量為：69.334.2450.688200274.3kgkg33.69785 .112100kg245. 4781478kg688. 0785 .1816 . 1 （1）苯的轉化率苯的轉化量69.33十4.245十0.68874.3kg,苯的加入量274.3kg所以 苯的轉化率X74.3274.30.2709 （2）氯苯的收率Y （3）反應的選擇性S 2528. 03 .27433.69加入的苯量轉化為氯苯的苯量Y933. 02709. 02528. 0XYS （4）反應生成的氯化氫總量 生成氯苯時同時生成的氯化氫： 生成二氯苯時同時生成的氯化氫： 生成三氯苯時同時生成的氯化氫： 因

32、此，生成的氯化氫總量為： 32.43.970.96637.35kgkg4 .325 .365 .112100kg97. 325 .361478kg966. 035 .365 .1816 . 1 (5)反應消耗的氯氣總量生成氯苯消耗氯氣：生成二氯苯消耗氯氣：生成三氯苯消耗氯氣： 因此，反應消耗的氯氣總量為： 63.117.7281.87872.72kgkg11.63715 .112100kg728. 72711478kg878. 13715 .1816 . 1（2 2）元素平衡法（原子衡算法）元素平衡法（原子衡算法）n方法方法：因為反應前后的物質雖然分子結構不同，但：因為反應前后的物質雖然分子結

33、構不同，但都是由相同元素組成的。所以都是由相同元素組成的。所以反應前后各元素原子反應前后各元素原子的量是守衡的的量是守衡的，然后依每個分子結構通過相應元素，然后依每個分子結構通過相應元素的量（原子數(shù)的比值）計算出各個未知的具體量。的量（原子數(shù)的比值）計算出各個未知的具體量。n適用范圍適用范圍： 反應過于復雜，即反應式明確但較多，包含有平反應過于復雜，即反應式明確但較多，包含有平行、連串等反應時；行、連串等反應時； 反應式不太明確，無法寫出時。反應式不太明確，無法寫出時。n例例 合成氣組成為合成氣組成為0.4%CH4、52.8%H2、38.3%CO、5.5%CO2、0.1%O2和和2.9%N2（

34、體積百分數(shù)）。若用（體積百分數(shù)）。若用10%過量空氣燃燒，設燃過量空氣燃燒，設燃燒氣中不含燒氣中不含CO，試計算燃燒氣組成。，試計算燃燒氣組成。n解法解法 用原子衡算法求解用原子衡算法求解。畫出示意圖。畫出示意圖。 nH：0.4%10004+52.8%10002 = 1072 mol2CnC：0.4%1000+38.3%1000+5.5%1000 = 442 molBnO：38.3%1000+5.5%10002+0.1% 100020.21A2= 2BC2D nN：2.9%100020.79A2= 2E n對對O2作物料衡算，輸入量作物料衡算，輸入量+產生量產生量=輸出量輸出量+消耗量消耗量0

35、.21A+0.1%1000D+0.1%1000+0.21A/1.1解之得：解之得：A2422.4mol， B442 mol， C=536 mol， D46.3 mol， E1943 mol 基準：基準：1000 mol合成氣。合成氣。其中各原子的量為：其中各原子的量為：0.4%CH4、52.8%H2、38.3%CO、5.5%CO2、0.1%O2、2.9%N2物料物料分分子子量量輸入輸入輸出輸出molmol%Kgwt%molmol%Kgwt%H2252815.421.0561.24CH41640.120.0640.08CO2838311.1910.72412.62CO244551.612.420

36、2.8544214.919.44822.88O232508.8+114.8916.31419.2046.21.561.4821.74N22829+191456.7754.40464.02194365.4854.40464.02H2O1853618.069.64811.35總計總計3422.810084.982100.012967.310084.98299.99例： 丙烷充分燃燒時要使空氣過量25,燃燒反應方程式為： C3H85O2CO24H2O求每100mol燃燒產物(煙道氣)需要加入多少丙烷和空氣。 解：以l00mol煙道氣作基準進行物料衡算 作作C原子原子平衡得：平衡得：3BP 作作H原子

37、原子平衡得：平衡得：8B2Q 作作O原子原子平衡得：平衡得：0.21 A22PQ2M 作作N平衡得：平衡得：0.79A2N2 由由以以l00mol煙道氣作基準煙道氣作基準得：得： P+Q+M+N100 作作O2平衡得：平衡得：0.21 A（0.251.25）M 解上述方程組得： A93.76mol，B3.148 mol， 因此，100mol煙道氣煙道氣需要加入空氣空氣93.76mol，加入丙烷，加入丙烷3.148mol。（3 3）以化學平衡進行衡算）以化學平衡進行衡算n 化學反應中，當化學反應中，當正反應與逆反應的反應速率正反應與逆反應的反應速率相等相等時，即達到化學平衡，在定時，即達到化學平

38、衡，在定T T、定、定P P，且反應，且反應物的濃度不變時，平衡將保持穩(wěn)定，此時需借助物的濃度不變時，平衡將保持穩(wěn)定，此時需借助化學反應平衡常數(shù)與濃度之間的關系式化學反應平衡常數(shù)與濃度之間的關系式計算。計算。n例例 試計算合成甲醇過程中反應混合物的平衡組成。試計算合成甲醇過程中反應混合物的平衡組成。設原料氣中設原料氣中H2與與CO摩爾比為摩爾比為4.5，惰性組分含量為，惰性組分含量為13.8%，壓力為，壓力為30MPa，溫度為，溫度為365，平衡常數(shù)，平衡常數(shù)Kp=2.50510-3 MPa-2。n解：分析：由解：分析：由Kp可看出，此題是當作理想氣體混合物可看出，此題是當作理想氣體混合物進行

39、簡化計算的。依題意求進行簡化計算的。依題意求yi，需求出反應后的，需求出反應后的ni和和n，因發(fā)生化學反應，應對每個組分進行物料衡算，方可因發(fā)生化學反應，應對每個組分進行物料衡算，方可確定。確定。n化學反應式：化學反應式：CO+2H2 CH3OH 首先計算出原料氣的摩爾組成：首先計算出原料氣的摩爾組成：n含惰性組分含惰性組分13.8%，(H2+CO)為為113.8%=86.2%，需分別求出，需分別求出H2和和CO的組成含量。的組成含量。 原料氣中原料氣中H2與與CO摩爾比為摩爾比為4.5nH2 4.5/(1+4.5)86.2%=70.53% ；nCO (1/5.5)86.2%=15.67% 惰

40、性氣體惰性氣體 13.8% ； 322CH OHpCOHKppPiinny基準：基準：1 mol原料氣，平衡轉化率為原料氣，平衡轉化率為XCO。CO + 2H2 CH3OH平衡時平衡時n/mol ： 0.1567 (1-xCO) 0.7053-20.1567xCO 0.1567xCO開始開始n/mol ： 0.1567 0.7053轉化量轉化量n/mol ： 0.1567xCO 20.1567xCO惰性氣體：惰性氣體：0.13830.1567301 0.3134COCH OHCOXXpCOiXn3134. 010.1567(1)301 0.3134COCOCOXXp20.70532 0.156

41、7301 0.3134COHCOXXp 320.1567301 0.31342.505 100.1567(1)0.7053 2 0.156730301 0.31341 0.3134COCOCOCOCOCOXXXXXX 01214. 11181. 38449. 131962. 023COCOCOXXX 試差得試差得 XCO =0.4876 n平衡時組成：平衡時組成：nCO： 0.1567(1-0.4876)=0.0803 molnH2： 0.705320.15670.4876=0.5525 molnCH3OH： 0.15670.4876 =0.0764 moln惰性氣體惰性氣體0.138 mol

42、 n =10.31340.4876=0.8472 moln摩爾組成：摩爾組成： in39.02%CH OHy9.48%COy265.21%Hy16.29%y惰性氣體n 若某產物若某產物P的收率已知，根據(jù)收率的定義式，的收率已知，根據(jù)收率的定義式，便可求出一定產量下的加料量。便可求出一定產量下的加料量。n 例如有一連串反應，其計量關系為例如有一連串反應，其計量關系為APQ，已知已知P的摩爾收率的摩爾收率Yp0.8，P的產量為的產量為100kmolh，根據(jù)收率的定義式有：，根據(jù)收率的定義式有：的物質的量加料中的物質的量的轉化為AAP=Yp因而，A的加料量100/0.8125(kmol/h)(4)

43、(4) 根據(jù)收率數(shù)據(jù)作物料衡算根據(jù)收率數(shù)據(jù)作物料衡算例：乙烯氧化制環(huán)氧乙烷的反應器中進行如下反應：例：乙烯氧化制環(huán)氧乙烷的反應器中進行如下反應： 反應器進口混合氣體的流量為反應器進口混合氣體的流量為45000m3(STP)/h，組，組成如下：成如下： 乙烯的轉化率為乙烯的轉化率為32，反應選擇性為，反應選擇性為69，求反應器，求反應器出口氣體的組成和流量。出口氣體的組成和流量。OHCOOHCOHCOHC222424224222321n轉化率轉化率 n收率收率n 選擇性選擇性 YSXx 關鍵反應物的轉化總量該關鍵反應物的起始量Y 生成目的產物所消耗的關鍵反應物的量關鍵反應物的起始量S生成目的產物

44、所消耗的關鍵反應物的量已轉化的關鍵反應物總量n解：環(huán)氧乙烷的收率解：環(huán)氧乙烷的收率0.320.690.2208 CO2的收率的收率0.32(10.69)0.0992 因此，因此，反應器出口氣體反應器出口氣體各組分的流量為：各組分的流量為：乙烯乙烯 環(huán)氧乙烷環(huán)氧乙烷 CO2 hkmol /81.47)32. 01 (%5 . 34 .2245000hkmol /53.152208. 0%5 . 34 .2245000hkmol /95.1320992. 0%5 . 34 .2245000H2ON2 O2反應器的物料平衡表如下：反應器的物料平衡表如下： hkmol /95.1320992. 0%5

45、 . 34 .2245000hkmol /3 .1647%824 .2245000hkmol /6 .26295.132353.1521145. 04 .2245000（5 5）具有循環(huán)和旁路過程的物料衡算）具有循環(huán)和旁路過程的物料衡算n 在化工生產中，由于受到化學平衡、相平衡以及在化工生產中，由于受到化學平衡、相平衡以及反應速度等多種因素的限制，原料往往不能完全轉比反應速度等多種因素的限制，原料往往不能完全轉比為產品，為了為產品，為了提高原料利用率，增加產品的經濟效益提高原料利用率，增加產品的經濟效益，可采取可采取循環(huán)操作循環(huán)操作。n 循環(huán)操作循環(huán)操作就是把反應后得到的產品，經就是把反應后得

46、到的產品，經全部分離全部分離或部分分離后，將其剩余的物料重新返回系統(tǒng)，與新或部分分離后，將其剩余的物料重新返回系統(tǒng)，與新鮮原料混合繼續(xù)進行加工鮮原料混合繼續(xù)進行加工。n循環(huán)流程的優(yōu)點：循環(huán)流程的優(yōu)點：n能夠顯著地提高原料利用率，減少系統(tǒng)排放量，降低了原能夠顯著地提高原料利用率，減少系統(tǒng)排放量，降低了原料消耗，也減少了對環(huán)境的污染。料消耗，也減少了對環(huán)境的污染。n循環(huán)流程的缺點循環(huán)流程的缺點：n循環(huán)體系中循環(huán)體系中惰性物質和其他雜質會逐漸積累惰性物質和其他雜質會逐漸積累，對反應速率，對反應速率和產品產率有影響，必需定期排出這些物質以避免積累。和產品產率有影響，必需定期排出這些物質以避免積累。n另

47、外，大量另外，大量循環(huán)物料的輸送會消耗較多動力循環(huán)物料的輸送會消耗較多動力，所以對于那，所以對于那些反應后絕大部分原料均轉化為目的產物的過程，不必采些反應后絕大部分原料均轉化為目的產物的過程，不必采用循環(huán)流程。用循環(huán)流程。通?？刹捎孟铝袃煞N算法：通常可采用下列兩種算法：n試差法試差法（需多次計算）（需多次計算） 估計循環(huán)流量，計算至循環(huán)回流的那一點。將估計估計循環(huán)流量，計算至循環(huán)回流的那一點。將估計值與計算值比較，重新假定估計值，一直計算到估計值值與計算值比較，重新假定估計值，一直計算到估計值與計算值之差在一定的誤差范圍內。與計算值之差在一定的誤差范圍內。n代數(shù)解法代數(shù)解法 列出物料平衡方程式

48、，并求解。一般方程式中以循列出物料平衡方程式，并求解。一般方程式中以循環(huán)量為未知數(shù)，用聯(lián)立方程式的方法求解。環(huán)量為未知數(shù)，用聯(lián)立方程式的方法求解。 具體做法：具體做法：一般在衡算時，先進行總的過程衡算，一般在衡算時，先進行總的過程衡算，再對循環(huán)系統(tǒng)列出方程式求解再對循環(huán)系統(tǒng)列出方程式求解。 在在沒有循環(huán)時沒有循環(huán)時，一系列單元步驟的物料平衡可按，一系列單元步驟的物料平衡可按順序依次進行。順序依次進行。 但是若但是若有循環(huán)物料有循環(huán)物料時，由于循環(huán)流量尚未計算，時，由于循環(huán)流量尚未計算，采用逐次計算并不能計算出循環(huán)量。采用逐次計算并不能計算出循環(huán)量。 n例題：例題：在銀催化劑作用下，乙烯可被空氣

49、氧化成環(huán)氧在銀催化劑作用下，乙烯可被空氣氧化成環(huán)氧乙烷（乙烷（C2H4O），副反應是乙烯完全氧化生成），副反應是乙烯完全氧化生成CO2和和H2O。已知離開氧化反應器的氣體干基組成為：。已知離開氧化反應器的氣體干基組成為： C2H4 3.22%，N2 79.64%，O2 10.81%， C2H4O 0.83%，CO2 5.5%（均為體積分數(shù)）。（均為體積分數(shù)）。 該氣體進入水吸收塔，其中的環(huán)氧乙烷和水蒸氣全部該氣體進入水吸收塔，其中的環(huán)氧乙烷和水蒸氣全部溶解于水中，而其他氣體不溶于水，由吸收塔頂逸出溶解于水中，而其他氣體不溶于水，由吸收塔頂逸出后排放少量至系統(tǒng)外，其余循環(huán)回氧化反應器。后排放少量

50、至系統(tǒng)外，其余循環(huán)回氧化反應器。n計算（計算（1）乙烯的單程轉化率；（）乙烯的單程轉化率；（2）生成環(huán)氧乙烷）生成環(huán)氧乙烷的選擇性；（的選擇性；（3）循環(huán)比；（）循環(huán)比；（4）新鮮原料中乙烯和）新鮮原料中乙烯和空氣量之比?？諝饬恐?。 解：對題目進行初步分析，分析與計算同步進行：解：對題目進行初步分析，分析與計算同步進行： n 此題因有循環(huán)，采用代數(shù)解法。此題因有循環(huán)，采用代數(shù)解法。n 由轉化率和選擇性的概念可知，需計算反應過程中由轉化率和選擇性的概念可知，需計算反應過程中的變化量，即需要進行物料衡算才能得知。的變化量，即需要進行物料衡算才能得知。n 由題給條件由題給條件離開反應器的氣體干基組

51、成，可選離開反應器的氣體干基組成，可選定計算基準為反應器出口氣中定計算基準為反應器出口氣中100 mol干氣。干氣。n 由題意畫出流程方框圖，選定各物料未知量符號，由題意畫出流程方框圖，選定各物料未知量符號，并根據(jù)題意標明各組分量。并根據(jù)題意標明各組分量。n 因為有兩個反應式，組分也較多，所以采用原子衡因為有兩個反應式，組分也較多，所以采用原子衡算法計算。算法計算。n該過程的流程方框圖如下：該過程的流程方框圖如下：n計算基準：反應器出口氣中計算基準：反應器出口氣中100 mol干氣。干氣。n令新鮮原料氣（令新鮮原料氣（FF）中）中C2H4量為量為Xmol，空氣為，空氣為Ymol（含（含79%

52、N2和和21%O2）；排放氣為）；排放氣為Wmol；乙烯完全氧化生成的水量為；乙烯完全氧化生成的水量為Zmol。Fresh fluidMix fluidproductRecycle feedReaction product Separate productwasteC2H4 XmolO2N2空氣空氣 YmolWmolC2H4 3.22%N2 79.64%O2 10.81%C2H4O 0.83%CO2 5.5%H2O ZmolH2O ZmolC2H4O 0.83molC2H4N2O2CO2C2H4 N2O2 CO2C2H4N2O2CO2C2H4 N2O2 CO2C2H4+0.5O2C2H4OC2

53、H4+3O22CO2+2H2O基準：基準：100 mol干氣干氣 （1）確定反應產物經分離后的各部分的量。）確定反應產物經分離后的各部分的量。n分析：由流程方框圖可知，物流分析：由流程方框圖可知，物流RP分離成分離成P和和SP，SP分流為分流為RC和和W，該兩過程均無化學反應，且，該兩過程均無化學反應，且SP、RC和和W三者的組成相同。三者的組成相同。 則各部分的量：則各部分的量：SP=RPP；RC=SPWn又環(huán)氧乙烷和水蒸氣全部溶解于水中，又環(huán)氧乙烷和水蒸氣全部溶解于水中， 則則 P=1000.83%+Z 。 （2）確定進入反應器的混合物料量。）確定進入反應器的混合物料量。n分析：進反應器的

54、氣體分析：進反應器的氣體MF由新鮮原料氣由新鮮原料氣FF和循環(huán)氣和循環(huán)氣RC組成，混合過程無化學反應，則組成，混合過程無化學反應，則MF=FF+RC。RP、P、SP、W中各組分物質的量和組成表中各組分物質的量和組成表 物料物料RP（出反應器氣）（出反應器氣）P（產物）（產物） SP（出吸收塔氣）（出吸收塔氣）W（排放氣）（排放氣）mol干基干基mol%molmolmol%molmol%C2H43.223.223.223.250.0325 W3.25O210.8110.8110.8110.900.109 W10.90N279.6479.6479.6480.300.803 W80.30C2H4O0

55、.830.830.83CO25.55.55.55.550.0555 W5.55H2OZZ總計總計100+Z1000.83+Z99.17100W100RC、FF和和MF中各組分物質的量和組成表中各組分物質的量和組成表 物料物料RC（循環(huán)氣（循環(huán)氣=SP=SP- -W W）FF（新鮮原料氣）（新鮮原料氣）MF（混合原料氣）（混合原料氣）molmol%molmol%mol%C2H43.22- -0.03250.0325W3.25X3.22- -0.0325W+XO210.81- -0.1090.109W10.900.21Y2110.81- -0.109W+0.21YN279.64- -0.8030.

56、803W80.300.79Y7979.64- -0.803W+0.79YC2H4OCO25.5- -0.05550.0555W5.555.5- -0.0555WH2O總計總計99.17- -W100X+Y100X+Y +99.17- -Wn（3）作總系統(tǒng)物料衡算，求出具體的量。）作總系統(tǒng)物料衡算，求出具體的量。 從新鮮原料氣開始，到以產物和排放氣的形式離開系從新鮮原料氣開始，到以產物和排放氣的形式離開系統(tǒng)為止，因吸收劑（水）的輸入和輸出的量不變，可統(tǒng)為止，因吸收劑（水）的輸入和輸出的量不變，可不考慮，則總系統(tǒng)衡算圖為：不考慮，則總系統(tǒng)衡算圖為：n用原子衡算法計算：用原子衡算法計算： FF中某元素的原子總的物質的量（中某元素的原子總的物質的量（mol） = P中該元素的原子總的物質的量（中該元素的原子總的物質的量（mol） +W中該元素的原子總的物質的量（中該元素的原子總的物質的量（mol）nC：2X=（0.832）+（0.0325W2+0.0555W） （1）nH：4X=（0.834+2Z）+（0.0325W4） （2）nO：0.21Y2=（0.83+Z）+（0.109W 2 +0.0555W2） （3） nN：0.21Y2=（0.83W2） （4） 聯(lián)立求解得：聯(lián)立