化工設(shè)計(jì)--物料衡算

1、第四章 物料衡算Material Balance沈海民沈海民浙江工業(yè)大學(xué)精細(xì)化工研究所浙江工業(yè)大學(xué)精細(xì)化工研究所化工設(shè)計(jì)（化工設(shè)計(jì)（Chemical Design）概述概述1計(jì)算中用的基本量計(jì)算中用的基本量物理過(guò)程的物料衡算物理過(guò)程的物料衡算化學(xué)反應(yīng)的物料衡算化學(xué)反應(yīng)的物料衡算234目 錄概概 述述 物料衡算是化工工藝設(shè)計(jì)中最基本的設(shè)計(jì)內(nèi)物料衡算是化工工藝設(shè)計(jì)中最基本的設(shè)計(jì)內(nèi)容，是工藝設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。容，是工藝設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。主副產(chǎn)品的產(chǎn)量主副產(chǎn)品的產(chǎn)量原材料消耗定額原材料消耗定額生產(chǎn)過(guò)程中的損耗生產(chǎn)過(guò)程中的損耗三廢產(chǎn)生量三廢產(chǎn)生量物料的浪費(fèi)物料的浪費(fèi)生產(chǎn)過(guò)程的反?，F(xiàn)象生產(chǎn)過(guò)程的反常現(xiàn)象物物料料衡衡算

2、算物料衡算的理論依據(jù)物料衡算的理論依據(jù)“質(zhì)量質(zhì)量守衡定律守衡定律”在化工過(guò)程中，物料平衡是指：進(jìn)入一個(gè)裝置（或設(shè)在化工過(guò)程中，物料平衡是指：進(jìn)入一個(gè)裝置（或設(shè)備）的全部物料的量，必定等于離開(kāi)這個(gè)裝置（或設(shè)備）的全部物料的量，必定等于離開(kāi)這個(gè)裝置（或設(shè)備）的全部物料的量（包括損失量）和系統(tǒng)內(nèi)累積起備）的全部物料的量（包括損失量）和系統(tǒng)內(nèi)累積起來(lái)的物料的量。來(lái)的物料的量。輸入輸入=輸出輸出+累積累積 F=D+W（1）基本式：）基本式： 輸入輸入+生成生成=輸出輸出+消耗消耗+累積累積 “生成生成”、“消耗消耗”是指由于化學(xué)反應(yīng)而是指由于化學(xué)反應(yīng)而生生 成、消耗的質(zhì)量成、消耗的質(zhì)量（2）對(duì)）對(duì)穩(wěn)態(tài)穩(wěn)

3、態(tài)過(guò)程：過(guò)程：累積項(xiàng)累積項(xiàng)=0 輸入輸入+生成生成=輸出輸出+消耗消耗* *穩(wěn)態(tài)（定態(tài)）過(guò)程：穩(wěn)態(tài)（定態(tài)）過(guò)程：系統(tǒng)內(nèi)任一部分的參數(shù)，系統(tǒng)內(nèi)任一部分的參數(shù)，不隨時(shí)間而變，只隨空間位置而改變，是存在不隨時(shí)間而變，只隨空間位置而改變，是存在于連續(xù)操作的一個(gè)過(guò)程，其特征為：于連續(xù)操作的一個(gè)過(guò)程，其特征為：累積項(xiàng)累積項(xiàng)=0有化學(xué)反應(yīng)時(shí)的物料衡算有化學(xué)反應(yīng)時(shí)的物料衡算無(wú)化學(xué)反應(yīng)的穩(wěn)態(tài)過(guò)程：無(wú)化學(xué)反應(yīng)的穩(wěn)態(tài)過(guò)程：輸入輸入= =輸出輸出穩(wěn)態(tài)過(guò)程物料衡算式穩(wěn)態(tài)過(guò)程物料衡算式物料平衡形式物料平衡形式 無(wú)化學(xué)反應(yīng)無(wú)化學(xué)反應(yīng) 有化學(xué)反應(yīng)有化學(xué)反應(yīng) 總平衡式總平衡式總質(zhì)量平衡式總質(zhì)量平衡式 是是 是是 總摩爾平衡式總

4、摩爾平衡式是是 否否組分平衡式組分平衡式 組分質(zhì)量平衡式組分質(zhì)量平衡式是是 否否 組分摩爾平衡式組分摩爾平衡式 是是 否否元素原子元素原子平衡式平衡式 元素原子質(zhì)量平衡式元素原子質(zhì)量平衡式 是是 是是 元素原子摩爾平衡式元素原子摩爾平衡式 是是 是是 物料衡算的基本步驟1. 畫(huà)畫(huà)出工藝出工藝流程流程示意示意圖圖2. 列列出化學(xué)出化學(xué)方程式方程式3. 確定計(jì)劃任務(wù)確定計(jì)劃任務(wù)4. 收集數(shù)據(jù)收集數(shù)據(jù)物料的名稱，數(shù)量，組成及流向物料的名稱，數(shù)量，組成及流向與計(jì)算有關(guān)的工藝條件如：與計(jì)算有關(guān)的工藝條件如：P， T，配比等，配比等未知的，待求的未知項(xiàng)，用字母，未知的，待求的未知項(xiàng)，用字母， 符號(hào)標(biāo)定清楚

5、。符號(hào)標(biāo)定清楚。畫(huà)出與物料衡算有關(guān)的設(shè)備及管線畫(huà)出與物料衡算有關(guān)的設(shè)備及管線寫明反應(yīng)過(guò)程的熱效應(yīng)寫明反應(yīng)過(guò)程的熱效應(yīng)省略次要的副反應(yīng)省略次要的副反應(yīng)分析未知分析未知選擇公式選擇公式收集數(shù)據(jù)收集數(shù)據(jù)生產(chǎn)規(guī)模和生產(chǎn)時(shí)間生產(chǎn)規(guī)模和生產(chǎn)時(shí)間（年生產(chǎn)時(shí)數(shù)）（年生產(chǎn)時(shí)數(shù)） 生產(chǎn)規(guī)模在設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)中已有，若是中間車間應(yīng)根據(jù)消耗生產(chǎn)規(guī)模在設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)中已有，若是中間車間應(yīng)根據(jù)消耗定額來(lái)確定生產(chǎn)規(guī)模，要考慮物料在定額來(lái)確定生產(chǎn)規(guī)模，要考慮物料在車間回流車間回流的情況。的情況。大型化工廠大型化工廠一般一般8000小時(shí)小時(shí)/年年對(duì)要對(duì)要經(jīng)常維修或試驗(yàn)性車間經(jīng)常維修或試驗(yàn)性車間一般一般7200小時(shí)小時(shí)/年年很少的廠可達(dá)很

6、少的廠可達(dá)8400小時(shí)小時(shí)/年年有關(guān)的定額，收率，轉(zhuǎn)化率有關(guān)的定額，收率，轉(zhuǎn)化率的數(shù)據(jù)收集的數(shù)據(jù)收集要注意可靠性準(zhǔn)確性，并了解其單位與基準(zhǔn)要注意可靠性準(zhǔn)確性，并了解其單位與基準(zhǔn)原料，輔助材料，產(chǎn)品，中間產(chǎn)品的規(guī)格原料，輔助材料，產(chǎn)品，中間產(chǎn)品的規(guī)格與計(jì)算與計(jì)算有關(guān)的物理化學(xué)常數(shù)有關(guān)的物理化學(xué)常數(shù)如密度，蒸汽壓，相平衡常數(shù)如密度，蒸汽壓，相平衡常數(shù)5. 選擇選擇計(jì)算計(jì)算基準(zhǔn)基準(zhǔn)6. 建立物料平衡方程，建立物料平衡方程，進(jìn)行進(jìn)行物料衡算物料衡算7. 整理并校核整理并校核計(jì)算結(jié)果計(jì)算結(jié)果 8. 繪制繪制物料流程圖，物料流程圖，填寫填寫物料平衡表。物料平衡表。 列出的數(shù)學(xué)關(guān)聯(lián)式的數(shù)目應(yīng)與列出的數(shù)學(xué)關(guān)聯(lián)

7、式的數(shù)目應(yīng)與所求未知項(xiàng)的數(shù)目相同，若數(shù)學(xué)所求未知項(xiàng)的數(shù)目相同，若數(shù)學(xué)式不夠，用試差法求解。式不夠，用試差法求解。時(shí)間基準(zhǔn)時(shí)間基準(zhǔn)質(zhì)量基準(zhǔn)質(zhì)量基準(zhǔn)體積基準(zhǔn)體積基準(zhǔn)干濕基準(zhǔn)干濕基準(zhǔn)對(duì)對(duì)連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程可用可用單位時(shí)間的物料量或單位時(shí)間的單位時(shí)間的物料量或單位時(shí)間的產(chǎn)品量產(chǎn)品量作計(jì)算基準(zhǔn)，如三十萬(wàn)噸作計(jì)算基準(zhǔn)，如三十萬(wàn)噸NH3廠，可以每小時(shí)產(chǎn)廠，可以每小時(shí)產(chǎn)NH3量作物料衡算基準(zhǔn)，年生產(chǎn)時(shí)間量作物料衡算基準(zhǔn)，年生產(chǎn)時(shí)間8000h（7200h），），30104/8000=37.5 T/h 對(duì)對(duì)間歇生產(chǎn)過(guò)程間歇生產(chǎn)過(guò)程可以可以一套或一批料的生產(chǎn)周期一套或一批料的生產(chǎn)周期作基準(zhǔn)。作基準(zhǔn)。如一個(gè)反應(yīng)

8、釜，每次投料如一個(gè)反應(yīng)釜，每次投料800kg，完成一個(gè)操作周期為，完成一個(gè)操作周期為4h，則每小時(shí)處理物料，則每小時(shí)處理物料200kg/h作計(jì)算基準(zhǔn)。作計(jì)算基準(zhǔn)。時(shí)間基準(zhǔn)時(shí)間基準(zhǔn)質(zhì)量基準(zhǔn)質(zhì)量基準(zhǔn)當(dāng)進(jìn)行衡算的系統(tǒng)其物料緣于固相或液相時(shí)，可選擇當(dāng)進(jìn)行衡算的系統(tǒng)其物料緣于固相或液相時(shí)，可選擇一定一定質(zhì)量的原料或產(chǎn)品作為計(jì)算基準(zhǔn)質(zhì)量的原料或產(chǎn)品作為計(jì)算基準(zhǔn)，如以煤，礦石，石油為，如以煤，礦石，石油為原料的化工過(guò)程可選用原料的化工過(guò)程可選用1kg原料為計(jì)算基準(zhǔn)。原料為計(jì)算基準(zhǔn)。特別是原料或產(chǎn)品是單一化合物，或其組成是已知的，選特別是原料或產(chǎn)品是單一化合物，或其組成是已知的，選此作計(jì)算基準(zhǔn)更為方便。此作計(jì)

9、算基準(zhǔn)更為方便。 體積基準(zhǔn)體積基準(zhǔn)當(dāng)物料是氣體時(shí)，可選用體積為基準(zhǔn)，通常都換算成當(dāng)物料是氣體時(shí)，可選用體積為基準(zhǔn)，通常都換算成STP（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)）（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)）下的體積，這樣可排除下的體積，這樣可排除T，P變化帶變化帶來(lái)的影響，而且容易把體積換算成來(lái)的影響，而且容易把體積換算成mol數(shù)（除以數(shù)（除以22.4）。）。不論是固態(tài)，液態(tài)或氣態(tài)物質(zhì)往往都含有一定的水分，因不論是固態(tài)，液態(tài)或氣態(tài)物質(zhì)往往都含有一定的水分，因此就出現(xiàn)干基，濕基的問(wèn)題。此就出現(xiàn)干基，濕基的問(wèn)題。若進(jìn)行衡算時(shí)，把水分去掉則稱若進(jìn)行衡算時(shí)，把水分去掉則稱干基干基，把水分一起算入，把水分一起算入稱為稱為濕基濕基，二者可互算。，二者可互

10、算。干濕基準(zhǔn)干濕基準(zhǔn)* *選作基準(zhǔn)的物料，必須是已知條件最多，并與其它物料選作基準(zhǔn)的物料，必須是已知條件最多，并與其它物料關(guān)系明確之物。關(guān)系明確之物。物料平衡表物料平衡表 輸輸 入入輸輸 出出 名稱名稱重量重量組成組成%單重單重名稱名稱重量重量組成組成%單重單重混酸混酸 435HNO3 47H2SO4 49H2O 4 204.5213.117.4 廢酸廢酸291HNO3 1H2SO4 73.2H2O 25.8 2.9213.175氯氯 苯苯混合料混合料 394C6H5Cl 92NO2C6H4Cl 8 362.531.5 硝基硝基物層物層538C6H5Cl 0.65NO2C6H4Cl 99.35

11、3.5534.6共計(jì)共計(jì) 829100100829 共計(jì)共計(jì)829100100829基準(zhǔn)：每小時(shí)基準(zhǔn)：每小時(shí) 單位：?jiǎn)挝唬簁gkg廢酸層 165.3組分重量%HNO3H2SO4H2ONCB2.60118.641.32.851.5771.7424.981.72混合料 210.7組分重量%NCBCB2.6201.351.2398.7萃取廢酸 162.7組分重量%氯苯 208.1組分重量%CB208.1100萃取硝化單 位：kg/h物料流程圖物料流程圖 -2.6+2.6概述概述1計(jì)算中用的基本量計(jì)算中用的基本量物理過(guò)程的物料衡算物理過(guò)程的物料衡算化學(xué)反應(yīng)的物料衡算化學(xué)反應(yīng)的物料衡算234目 錄1.

12、摩爾分?jǐn)?shù)、質(zhì)量分?jǐn)?shù)、平均分子量摩爾分?jǐn)?shù)、質(zhì)量分?jǐn)?shù)、平均分子量tiinnx tiinny tiiFFx tiiFFy tiimmw tiiWWw tiiGGw iniixMM1摩爾分?jǐn)?shù)摩爾分?jǐn)?shù)對(duì)于流動(dòng)物系對(duì)于流動(dòng)物系質(zhì)量分?jǐn)?shù)質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)于流動(dòng)物系對(duì)于流動(dòng)物系平均分子量平均分子量摩爾流量摩爾流量質(zhì)量流量質(zhì)量流量質(zhì)量流速質(zhì)量流速2. 流體的流量和流速流體的流量和流速AQu 體積流量：體積流量： m3/h、 m3/min、 m3/s流體的線速度：流體單位時(shí)間內(nèi)在流動(dòng)的方向上所流流體的線速度：流體單位時(shí)間內(nèi)在流動(dòng)的方向上所流 經(jīng)的距離經(jīng)的距離, m/s質(zhì)量流量：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)流經(jīng)管道或設(shè)備的流體的質(zhì)量質(zhì)量流量

13、：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)流經(jīng)管道或設(shè)備的流體的質(zhì)量 kg/h、 kg/min、 kg/s質(zhì)量流速：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)流經(jīng)管道或設(shè)備的單位橫截面積質(zhì)量流速：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)流經(jīng)管道或設(shè)備的單位橫截面積 的流體的質(zhì)量的流體的質(zhì)量 kg/h、 kg/min、 kg/sAWG 摩爾流量：摩爾流量：kmol/h、 kmol/min、 kmol/s體積流量體積流量質(zhì)量流量質(zhì)量流量線速度線速度W=Q=uA3. 氣體的體積和密度氣體的體積和密度1） 一般壓力、溫度一般壓力、溫度1M Pa 按按真實(shí)真實(shí)氣體對(duì)待氣體對(duì)待 PV=ZnRTZ為為壓縮因子壓縮因子，為，為對(duì)比壓力對(duì)比壓力pr、對(duì)比溫度對(duì)比溫度Tr的函數(shù)的函數(shù)cpprpcTTrT

14、8prcpp8TrcTT臨界值臨界值H2、He和和Ne根據(jù)根據(jù)pr和和Tr查查表得表得ZZRTMpgRTZpMmixg如為混合氣體如為混合氣體3） 真實(shí)氣體混合物真實(shí)氣體混合物prcppTrcTT假臨界值假臨界值ciicpxpciicTxT仍用壓縮因子法計(jì)算仍用壓縮因子法計(jì)算4） 標(biāo)準(zhǔn)狀況標(biāo)準(zhǔn)狀況用標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積表示氣體的量用標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積表示氣體的量111000TVpTVp111000TQpTQp下標(biāo)下標(biāo)“0”表示標(biāo)準(zhǔn)狀況，下標(biāo)表示標(biāo)準(zhǔn)狀況，下標(biāo)“1”表示工作狀態(tài)表示工作狀態(tài)4. 液體的密度液體的密度3201tttcr對(duì)比密度對(duì)比密度臨界密度臨界密度1212rr77. 077. 0)(M

15、pRTZkcccrcr1212kkrr1212kk由由pr和和Tr查表查表液體混合物液體混合物密度與溫度、壓力和組成有關(guān)密度與溫度、壓力和組成有關(guān)體積加合法體積加合法ii15. 物質(zhì)的飽和蒸汽壓物質(zhì)的飽和蒸汽壓飽和蒸汽壓：飽和蒸汽壓：液體在一定溫度下相應(yīng)的蒸發(fā)液體在一定溫度下相應(yīng)的蒸發(fā)-凝結(jié)的平衡狀態(tài)的蒸汽壓力凝結(jié)的平衡狀態(tài)的蒸汽壓力CtBAp0lg6. 溶液上方蒸汽中各組分的分壓溶液上方蒸汽中各組分的分壓1）理想溶液）理想溶液由由化學(xué)結(jié)構(gòu)非常相似化學(xué)結(jié)構(gòu)非常相似，相對(duì)分子質(zhì)量又相近相對(duì)分子質(zhì)量又相近的組分所形成的溶液的組分所形成的溶液拉烏爾定律拉烏爾定律iiixpp02）非理想溶液）非理想溶

16、液iiiixprp0活度系數(shù)，活度系數(shù)，riai/ xi由范拉爾方程或威爾遜方程求得由范拉爾方程或威爾遜方程求得7. 氣液平衡常數(shù)氣液平衡常數(shù)iixyK 1）完全理想系）完全理想系 低壓下組分結(jié)構(gòu)十分相似的溶液低壓下組分結(jié)構(gòu)十分相似的溶液ppKii02）理想系）理想系中壓中壓( 1.52.0Mpa)的理想溶液的理想溶液00,0,iiigiliipvpvffK7. 轉(zhuǎn)化率轉(zhuǎn)化率x、收率、收率Y 和選擇性和選擇性S該反應(yīng)物的起始量某反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化量轉(zhuǎn)化率起始量的選擇：起始量的選擇：連續(xù)反應(yīng)器連續(xù)反應(yīng)器 反應(yīng)器進(jìn)口處原料的狀態(tài)為起始狀態(tài)反應(yīng)器進(jìn)口處原料的狀態(tài)為起始狀態(tài)間歇反應(yīng)器間歇反應(yīng)器 反應(yīng)開(kāi)始時(shí)的

17、狀態(tài)為起始狀態(tài)反應(yīng)開(kāi)始時(shí)的狀態(tài)為起始狀態(tài)串聯(lián)反應(yīng)器串聯(lián)反應(yīng)器 進(jìn)入第一個(gè)反應(yīng)器的原料組成為計(jì)算基準(zhǔn)進(jìn)入第一個(gè)反應(yīng)器的原料組成為計(jì)算基準(zhǔn)關(guān)鍵組分的起始量關(guān)鍵組分量生成目的產(chǎn)物所消耗的收率已轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵組分量關(guān)鍵組分量生成目的產(chǎn)物所消耗的反應(yīng)選擇性限制反應(yīng)物限制反應(yīng)物過(guò)量反應(yīng)物過(guò)量反應(yīng)物Y = Sx概述概述1計(jì)算中用的基本量計(jì)算中用的基本量物理過(guò)程的物料衡算物理過(guò)程的物料衡算化學(xué)反應(yīng)的物料衡算化學(xué)反應(yīng)的物料衡算234目 錄物理過(guò)程的物料衡算n無(wú)化學(xué)反應(yīng)發(fā)生無(wú)化學(xué)反應(yīng)發(fā)生n屬于化工單元操作過(guò)程的衡算如過(guò)濾、混屬于化工單元操作過(guò)程的衡算如過(guò)濾、混合、吸收、干燥、結(jié)晶、精餾等合、吸收、干燥、結(jié)晶、精餾等輸

18、出輸入例：在過(guò)濾機(jī)中把含有例：在過(guò)濾機(jī)中把含有25%（質(zhì)量（質(zhì)量%）固體的漿料進(jìn)行）固體的漿料進(jìn)行過(guò)濾，現(xiàn)在料漿的進(jìn)料量為過(guò)濾，現(xiàn)在料漿的進(jìn)料量為2000kg/h 濾餅含有濾餅含有90%固固體，濾液含體，濾液含1%固體。試計(jì)算濾液，濾餅的量（設(shè)過(guò)濾固體。試計(jì)算濾液，濾餅的量（設(shè)過(guò)濾有一個(gè)穩(wěn)態(tài)連續(xù)過(guò)程）有一個(gè)穩(wěn)態(tài)連續(xù)過(guò)程）1. 1. 過(guò)濾：過(guò)濾： 用過(guò)濾設(shè)備把液固分開(kāi)的操作用過(guò)濾設(shè)備把液固分開(kāi)的操作過(guò)濾機(jī)過(guò)濾機(jī)料漿料漿濾餅濾餅濾液濾液F3 kg/h90%固固10%液液F1=2000kg/h75%液液25%固固F2 kg/h 1%固固99%液液解：畫(huà)出過(guò)程示意圖，標(biāo)上已知及要求的量。解：畫(huà)出過(guò)程示

19、意圖，標(biāo)上已知及要求的量。 以以小時(shí)（時(shí)間）為計(jì)算基準(zhǔn)小時(shí)（時(shí)間）為計(jì)算基準(zhǔn)（二個(gè)未知數(shù)，列出二個(gè)方程即可）（二個(gè)未知數(shù)，列出二個(gè)方程即可） 總物平衡總物平衡 F1=F2+F3液體量平衡液體量平衡 0.75F1=0.1F3+0.99F2F1=2000kg代入聯(lián)解二方程可得代入聯(lián)解二方程可得F2=1460.7kg/h F3=539.3kg/h用固體量平衡式來(lái)校核計(jì)算結(jié)果用固體量平衡式來(lái)校核計(jì)算結(jié)果0.25F1=0.9F3+0.01F2 得得500=500 過(guò)濾機(jī)過(guò)濾機(jī)料漿料漿濾餅濾餅濾液濾液F3 kg/h90%固固10%液液F1=2000kg/h75%液液25%固固F2 kg/h 1%固固99%

20、液液例：在蒸發(fā)器中把含例：在蒸發(fā)器中把含NaOH 10%、NaCl 10%的水溶液濃縮的水溶液濃縮為含為含NaOH 50%、NaCl 2%的溶液。若每批處理的溶液。若每批處理 1000kg原料液。試求原料液。試求（1）每一批操作中可得的）每一批操作中可得的母液量母液量？（2）蒸發(fā)水量蒸發(fā)水量？（3）析出析出NaCl固體量固體量2. 蒸發(fā)：把溶質(zhì)不揮發(fā)的溶液加熱至沸騰，使溶劑氣化蒸發(fā)：把溶質(zhì)不揮發(fā)的溶液加熱至沸騰，使溶劑氣化 從而獲得濃縮液或析出固體的單元操作。從而獲得濃縮液或析出固體的單元操作。水蒸水蒸汽汽F2kg蒸汽蒸汽固體固體NaClF3kg原料液原料液F1=1000kgNaOH 10%N

21、aCl 10%H2O 80%母液母液 F4kg NaOH 50%NaCl 2%H2O 48%解：解： 計(jì)算基準(zhǔn)：計(jì)算基準(zhǔn)： 以每一批的原料液量以每一批的原料液量 三個(gè)未知數(shù)，列三個(gè)方程三個(gè)未知數(shù)，列三個(gè)方程 總量平衡總量平衡 F1=F2+F3+F4 F1=1000kgNaOH平衡平衡 0.1F1=0.5F4 F4=200kgNaCl平衡平衡 0.1F1=0.02F4+F3 F3=96 kg F2=704kg可用可用H2O平衡式校核平衡式校核概述概述1計(jì)算中用的基本量計(jì)算中用的基本量物理過(guò)程的物料衡算物理過(guò)程的物料衡算化學(xué)反應(yīng)的物料衡算化學(xué)反應(yīng)的物料衡算234目 錄u常用計(jì)算方法常用計(jì)算方法u利

22、用聯(lián)系物做物料衡算利用聯(lián)系物做物料衡算u復(fù)雜反應(yīng)體系使用產(chǎn)物、副產(chǎn)物各自復(fù)雜反應(yīng)體系使用產(chǎn)物、副產(chǎn)物各自的收率數(shù)據(jù)作物料衡算的收率數(shù)據(jù)作物料衡算u帶有物料循環(huán)的流程的物料衡算帶有物料循環(huán)的流程的物料衡算u多步串聯(lián)過(guò)程的物料衡算多步串聯(lián)過(guò)程的物料衡算化學(xué)反應(yīng)的物料衡算1.常用計(jì)算方法由于化學(xué)反應(yīng)的存在，總摩爾平衡式，組分的質(zhì)量，由于化學(xué)反應(yīng)的存在，總摩爾平衡式，組分的質(zhì)量， 摩爾平衡式是不成立的。摩爾平衡式是不成立的。在化學(xué)反應(yīng)中常涉及轉(zhuǎn)化率、反應(yīng)速率、收率、在化學(xué)反應(yīng)中常涉及轉(zhuǎn)化率、反應(yīng)速率、收率、 過(guò)量系數(shù)等，要注意其定義式。特別是過(guò)量系數(shù)等，要注意其定義式。特別是過(guò)量系數(shù)它過(guò)量系數(shù)它 是基

23、于限制反應(yīng)物是基于限制反應(yīng)物100%轉(zhuǎn)化下的值轉(zhuǎn)化下的值，而不論真實(shí)反，而不論真實(shí)反 應(yīng)時(shí)限制反應(yīng)物是否完全反應(yīng)。應(yīng)時(shí)限制反應(yīng)物是否完全反應(yīng)。u直接計(jì)算法直接計(jì)算法u反應(yīng)速度法反應(yīng)速度法u平衡常數(shù)法平衡常數(shù)法u結(jié)點(diǎn)法結(jié)點(diǎn)法1）直接計(jì)算法）直接計(jì)算法根據(jù)化學(xué)反應(yīng)方程式進(jìn)行計(jì)算根據(jù)化學(xué)反應(yīng)方程式進(jìn)行計(jì)算例例1：用甲醇催化氧化制甲醛，反應(yīng)式為：用甲醇催化氧化制甲醛，反應(yīng)式為： CH3OH + 0.5O2 HCHO+H2O氧由空氣中來(lái)，已知空氣過(guò)剩系數(shù)為氧由空氣中來(lái)，已知空氣過(guò)剩系數(shù)為1.5，甲醇轉(zhuǎn)，甲醇轉(zhuǎn)化率為化率為75%。計(jì)算反應(yīng)后氣體混合物的。計(jì)算反應(yīng)后氣體混合物的mol組成組成（反應(yīng)物與產(chǎn)物均

24、為氣態(tài)）。（反應(yīng)物與產(chǎn)物均為氣態(tài)）。氧氧 化化CH3OH空氣空氣O2 21N279HCHO空氣空氣O2N2H2OCH3OH解：解： 計(jì)算基準(zhǔn)：計(jì)算基準(zhǔn)： 1mol的的CH3OH 由反應(yīng)式知反應(yīng)生成由反應(yīng)式知反應(yīng)生成HCHO為為0.75mol，H2O為為0.75mol未反應(yīng)未反應(yīng)CH3OH=1-0.75=0.25mol由反應(yīng)式算出消耗由反應(yīng)式算出消耗O2量為量為 0.50.75=0.375mol由空氣過(guò)量系數(shù)可算出輸入系統(tǒng)的氧量為由空氣過(guò)量系數(shù)可算出輸入系統(tǒng)的氧量為 10.51.5=0.75mol折合空氣量為折合空氣量為0.75/0.21=3.57mol 其中其中N2=3.570.79=2.82

25、mol出反應(yīng)器的氧量為出反應(yīng)器的氧量為 0.75-0.375=0.375mol反應(yīng)后氣體混合物組成：反應(yīng)后氣體混合物組成：組 分molmol %CH3OH0.255HCHO0.7515.2H2O0.7515.2O20.3757.6N22.8257共 計(jì)4.945100例例2： 試求試求 生產(chǎn)生產(chǎn)1000m3（STP）煤氣，所需空氣、水蒸煤氣，所需空氣、水蒸氣、褐煤各為多少公斤。氣、褐煤各為多少公斤。已知：褐煤中含已知：褐煤中含C為為70%； 煤氣組成為：煤氣組成為： CO4%、H218%、N242% （V%） 反應(yīng)式為反應(yīng)式為 C+H2OCO+H2 2C+O22CO 合成氣生產(chǎn)合成氣生產(chǎn)褐煤，

26、褐煤，C 70%空氣空氣O2 21N279煤氣煤氣CO 4%H2 18%N2 42%H2O解：計(jì)算基準(zhǔn)解：計(jì)算基準(zhǔn)1000m3煤氣煤氣（1）空氣量計(jì)算：）空氣量計(jì)算：煤氣中的氮量煤氣中的氮量 V(N2)=10000.42=420m3 折算成空氣量為折算成空氣量為 420/0.79=532m3 532/22.429=688.75kg（空氣平均分子量取（空氣平均分子量取29）其中其中O2=5320.21=112m3 112/22.4=5kmol（2）水蒸氣量計(jì)算：）水蒸氣量計(jì)算：從反應(yīng)式可知煤氣中從反應(yīng)式可知煤氣中H2由由H2O來(lái)來(lái)煤氣中氫煤氣中氫V(H2)=10000.18=180m3 即水蒸氣

27、量為即水蒸氣量為180m3 180/22.418=145kg 180/22.4=8.04kmol（3）褐煤量計(jì)算：）褐煤量計(jì)算： 由反應(yīng)式與由反應(yīng)式與8.04 kmol H2O反應(yīng)需反應(yīng)需C=8.04 kmol 由反應(yīng)式與由反應(yīng)式與5 kmol O2反應(yīng)耗反應(yīng)耗C=25=10 kmol 故消耗碳量為故消耗碳量為(8.04+10)12=216.5 kg 褐煤中含褐煤中含C=70% 需褐煤量為需褐煤量為216.5/0.7=309.3kg例例3： 接觸法制接觸法制H2SO4，反應(yīng)式，反應(yīng)式 S + O2 SO2 2SO2 + O2 2SO3 SO3 + H2O H2SO4 S + 1.5O2 + H

28、2O H2SO4一個(gè)年產(chǎn)一個(gè)年產(chǎn)2000噸噸93.2%的的H2SO4車間，年操作日為車間，年操作日為三百天三百天試計(jì)算：試計(jì)算：（1）每天生產(chǎn)）每天生產(chǎn)100%H2SO4多少噸多少噸?（2）每天需氧多少噸，折合空氣量多少）每天需氧多少噸，折合空氣量多少Nm3?（3）吸收）吸收SO3每天需水多少噸每天需水多少噸?（4）將）將100%H2SO4稀釋為稀釋為93.2%H2SO4需水多少噸需水多少噸?解：解：（1） 20000.932/300=6.2133t/d 6.21331000/98=63.4kmol/d（2）由反應(yīng)式知）由反應(yīng)式知H2SO4中的氧來(lái)自空氣的為中的氧來(lái)自空氣的為1.5O2，則，則

29、63.4kmolH2SO4由空氣供由空氣供O2量為量為1.563.4=95.1kmol/d折合折合95.132/1000=3.04t/d折空氣量為折空氣量為 95.122.4/0.21=10144m3 。 （3）H2SO4：H2O=1：1吸收吸收SO3用水量為用水量為63.4kmol/d 63.418/1000=1014t/d （4）6.2133（1-0.932）=0.4225t/d 稀釋用水稀釋用水例例4：工業(yè)上由乙烯水合生產(chǎn)乙醇，其反應(yīng)式如下：工業(yè)上由乙烯水合生產(chǎn)乙醇，其反應(yīng)式如下： 主反應(yīng)主反應(yīng) C2H4+H2OC2H5OH A B 副反應(yīng)副反應(yīng) 2C2H5OH（C2H5）2O+H2O

30、二乙醚二乙醚反應(yīng)器進(jìn)料組成為反應(yīng)器進(jìn)料組成為C2H4=53.7% H2O=36.7% 余為惰性氣余為惰性氣 (V%)，乙烯轉(zhuǎn)化率為乙烯轉(zhuǎn)化率為80% 以乙烯為基準(zhǔn)的乙醇產(chǎn)率為以乙烯為基準(zhǔn)的乙醇產(chǎn)率為90%。試計(jì)算反應(yīng)器輸出物料的組成。試計(jì)算反應(yīng)器輸出物料的組成。乙烯水合乙烯水合C2H4 53.7%H2O 36.7惰性氣體惰性氣體C2H5OHEt2OH2O 惰性氣體惰性氣體C2H4解解: 計(jì)算基準(zhǔn)：計(jì)算基準(zhǔn)：100mol進(jìn)料進(jìn)料進(jìn)料中各組分量為：進(jìn)料中各組分量為： C2H4=1000.537=53.7mol H2O=1000.367=36.7mol 惰氣惰氣=1000.096=9.6mol出料中

31、各組分計(jì)算：出料中各組分計(jì)算：（1）惰氣惰氣=9.6mol（2）C2H4： 由轉(zhuǎn)化率知出系統(tǒng)中未反應(yīng)的由轉(zhuǎn)化率知出系統(tǒng)中未反應(yīng)的 C2H4=53.70.20=10.74mol參與化學(xué)反應(yīng)的參與化學(xué)反應(yīng)的C2H4=53.70.80=42.96mol 其中轉(zhuǎn)化為乙醇的其中轉(zhuǎn)化為乙醇的C2H4量即進(jìn)行主反應(yīng)的乙烯量量即進(jìn)行主反應(yīng)的乙烯量(即乙醇生即乙醇生成量成量)由產(chǎn)率計(jì)算為：由產(chǎn)率計(jì)算為： 0.953.7MA/MB=0.953.728/46=29.42mol 進(jìn)行副反應(yīng)的進(jìn)行副反應(yīng)的C2H4=42.96-29.42=13.54mol（3）(C2H5)2O與與H2O計(jì)算計(jì)算由副反應(yīng)生成：由副反應(yīng)生成

32、：(C2H5)2O=13.54/2=6.77mol H2O=13.54/2=6.77mol出系統(tǒng)出系統(tǒng)H2O=36.7+6.77-29.42=14.05mol 出系統(tǒng)物質(zhì)組成：出系統(tǒng)物質(zhì)組成： V%C2H4 10.74mol 15.22C2H5OH 29.42mol 41.68(C2H5)2O 6.77mol 9.6 H2O 14.05mol 19.9惰氣惰氣 9.6mol 13.6共共 計(jì)計(jì) 70.58mol 1002. 反應(yīng)速度法反應(yīng)速度法反應(yīng)速率的定義：某一組分進(jìn)單位體積反應(yīng)器與出反應(yīng)反應(yīng)速率的定義：某一組分進(jìn)單位體積反應(yīng)器與出反應(yīng)器的器的mol流量之差稱為該組分的反應(yīng)速率。流量之差稱為

33、該組分的反應(yīng)速率。( molm-3/s) RS=FS-FS S組分組分; RSS組分的反應(yīng)速率（以單位時(shí)間表示）組分的反應(yīng)速率（以單位時(shí)間表示）則則 FS=FS+RS FSS組分的輸入流組分的輸入流kmol/s FS S組分輸出流量組分輸出流量kmol/s 當(dāng)有化學(xué)反應(yīng)時(shí)，以組分建立的質(zhì)量平衡式和當(dāng)有化學(xué)反應(yīng)時(shí)，以組分建立的質(zhì)量平衡式和mol平衡式已不成立，這時(shí)利用反應(yīng)速率來(lái)建立平衡式已不成立，這時(shí)利用反應(yīng)速率來(lái)建立衡算式。衡算式。aA + bB cC + dD表示反應(yīng)的速率有表示反應(yīng)的速率有RA、RB、RC、RD，這四者之，這四者之間的關(guān)系式為：間的關(guān)系式為： rdRcRbRaRDCBA通式

34、通式iiRrii組分的化學(xué)計(jì)算系數(shù)，對(duì)反應(yīng)物取負(fù)值，生成物組分的化學(xué)計(jì)算系數(shù)，對(duì)反應(yīng)物取負(fù)值，生成物取正值取正值由此得由此得Ri=ri代入上面式子得代入上面式子得 Fi=Fi+ ri例：例： 合成氨反應(yīng)：合成氨反應(yīng)： N2+3H22NH3若已知若已知N2、H2、NH3的輸入反應(yīng)器流量分別為的輸入反應(yīng)器流量分別為:FN2=12mol/s，F(xiàn)H2=40mol/s，F(xiàn)NH3=0mol/s 設(shè)設(shè)N2的輸出流量為的輸出流量為8mol/s計(jì)算其余組分的輸出流量計(jì)算其余組分的輸出流量解解: 按式按式 Fi=Fi+ riFN2=12+(-1) r 8； 得得r=4 mol/sFH2=40+(-3)4=28 m

35、ol/sFNH3=0+24=8 mol/s3. 平衡常數(shù)法平衡常數(shù)法aA + bB cC + dD badcBADCK濃度單位采用濃度單位采用mol/l 平衡常數(shù)用符號(hào)平衡常數(shù)用符號(hào)Kc濃度單位采用濃度單位采用mol分?jǐn)?shù)分?jǐn)?shù) 平衡常數(shù)用符號(hào)平衡常數(shù)用符號(hào)Kn 濃度單位采用濃度單位采用 分壓分壓 平衡常數(shù)用符號(hào)平衡常數(shù)用符號(hào)Kp 低壓下低壓下，平衡常數(shù)，平衡常數(shù)Kp僅是僅是溫度溫度之函數(shù)之函數(shù) 吸熱反應(yīng)吸熱反應(yīng) H0 則則T 導(dǎo)致導(dǎo)致 Kp 放熱反應(yīng)放熱反應(yīng) H0 則則T 導(dǎo)致導(dǎo)致 Kp 高壓下高壓下，Kp不僅是不僅是溫度溫度也是也是壓力壓力的函數(shù)，此時(shí)的函數(shù)，此時(shí)要用逸度代替分壓。要用逸度代替

36、分壓。利用化學(xué)平衡常數(shù)的計(jì)算式建立方程式以補(bǔ)充不足之方程數(shù)。利用化學(xué)平衡常數(shù)的計(jì)算式建立方程式以補(bǔ)充不足之方程數(shù)。例：某廠在轉(zhuǎn)化爐中用天然氣與蒸汽反應(yīng)制氫，該廠每例：某廠在轉(zhuǎn)化爐中用天然氣與蒸汽反應(yīng)制氫，該廠每小時(shí)耗天然氣量為小時(shí)耗天然氣量為4700m3，工藝條件：，工藝條件：汽汽/氣氣=2.5（水蒸（水蒸汽汽/天然氣）。天然氣）。 反應(yīng)式反應(yīng)式 CH4+H2OCO CH4+CO22CO+2H2 CO +H2OCO2+H2 已知天然氣組成為：已知天然氣組成為： CH4 98.6%，N2 1.4% （把（把其它烴組分都折算為其它烴組分都折算為CH4）（）（V%），）， CH4的轉(zhuǎn)化率為的轉(zhuǎn)化率為

37、67%，在已轉(zhuǎn)化氣體中在已轉(zhuǎn)化氣體中CO對(duì)對(duì)CO2之比率可取氣體離開(kāi)轉(zhuǎn)之比率可取氣體離開(kāi)轉(zhuǎn)化器的溫度化器的溫度700下反應(yīng)呈平衡時(shí)的比率下反應(yīng)呈平衡時(shí)的比率。 轉(zhuǎn)化氣離開(kāi)反應(yīng)器時(shí)溫度為轉(zhuǎn)化氣離開(kāi)反應(yīng)器時(shí)溫度為700，在此溫度下各反，在此溫度下各反應(yīng)式的平衡常數(shù)值為：應(yīng)式的平衡常數(shù)值為：反應(yīng)反應(yīng) Kp=25 Kp=20 Kp=1.54試計(jì)算轉(zhuǎn)化氣組成（干、濕基）。試計(jì)算轉(zhuǎn)化氣組成（干、濕基）。 計(jì)算基準(zhǔn)：計(jì)算基準(zhǔn)： 取取100m3天然氣為計(jì)算基準(zhǔn)天然氣為計(jì)算基準(zhǔn)轉(zhuǎn)化氣的成分可由反應(yīng)式及工藝條件分析得出為：轉(zhuǎn)化氣的成分可由反應(yīng)式及工藝條件分析得出為：CH4、H2、CO、CO2、N2、水蒸氣，六個(gè)未

38、知數(shù)要列出六個(gè)方程，、水蒸氣，六個(gè)未知數(shù)要列出六個(gè)方程，由于由于N2為惰性氣反應(yīng)前后量不變，為惰性氣反應(yīng)前后量不變，CH4可通過(guò)轉(zhuǎn)化率算出可通過(guò)轉(zhuǎn)化率算出（即有兩個(gè)約束條件），故只要列出四個(gè)衡算式。（即有兩個(gè)約束條件），故只要列出四個(gè)衡算式。轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) 化化 爐爐天然氣天然氣CH4 98.6%100m3 N2 1.4%水蒸氣水蒸氣轉(zhuǎn)化氣轉(zhuǎn)化氣H2COCO2CH4N2H2O過(guò)程示意圖：過(guò)程示意圖：H平衡平衡 498.6+2250=2VH2+432.54+2VH2O 整理后得整理后得 32.12=VH2-VH2O （3）進(jìn)轉(zhuǎn)化爐水蒸氣量為進(jìn)轉(zhuǎn)化爐水蒸氣量為 2.5100=250m3 VH2O=250-V

39、H2OC平衡平衡 98.6=VCO+VCO2+32.54 得得 VCO2=66.06-VCO （1）O平衡平衡 250=2VCO2+VCO+（250-VH2O） 得得 2VCO2+VCO-VH2O=0 （2）100m3天然氣中有天然氣中有 CH4=98.6m3 N2=1.4m3 未反應(yīng)未反應(yīng)CH4量為量為 98.6（1-0.67）=32.54m3 利用反應(yīng)的平衡常數(shù)式建立一個(gè)方程利用反應(yīng)的平衡常數(shù)式建立一個(gè)方程 由（由（1）（）（2）二式得）二式得 VCO=132.12-VH2 （4）由（由（1）（）（4）二式得）二式得 VCO2=VH2O-66.06 （5）把（把（3）（）（4）（）（5）代

40、入）代入Kp式后得式后得 VH2O - 54.1VH2O-3436=0解得解得VH2O=91.61m3則出口轉(zhuǎn)化氣中各組分量為：則出口轉(zhuǎn)化氣中各組分量為： VN2=1.4m3 VCH4=32.54m3 VH2O=250-91.61=158.39m3OHCOHCOOHCOHCOpVVVVppppK22222254. 1由（由（3）式）式 VH2=132.01+91.61=223.73m3由（由（4）式）式 VCO=132.12-91.61=40.51m3由（由（5）式）式 VCO2=91.61-66.06=25.55m3組組 成成 濕氣體濕氣體 干氣體干氣體 m3V%m3V%CH4H2COCO2

41、N2H2O 32.54223.7340.5125.551.4158.39 6.7546.4932.85 32.54223.7340.5125.551.410.0569.1112.517.890.43共共 計(jì)計(jì) 482.12100323.73 99.994. 結(jié)點(diǎn)法結(jié)點(diǎn)法以流程中的匯集或分支處的交點(diǎn)（即結(jié)點(diǎn)）以流程中的匯集或分支處的交點(diǎn)（即結(jié)點(diǎn)）進(jìn)行衡算，進(jìn)行衡算，可以使計(jì)算簡(jiǎn)化?？梢允褂?jì)算簡(jiǎn)化。ACB節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)ACB節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)例：某煉油廠，其原料制備流程及已知數(shù)據(jù)示于下例：某煉油廠，其原料制備流程及已知數(shù)據(jù)示于下圖，試計(jì)算流經(jīng)脫異戊烷塔不含丁烷的汽油量為多圖，試計(jì)算流經(jīng)脫異戊烷

42、塔不含丁烷的汽油量為多少？少？脫脫丁丁烷烷塔塔脫脫異異戊戊烷烷塔塔含丁烷汽油含丁烷汽油100mol正正 80%異異20%x mols mol 100% 異異y mol 100% 正正原料原料 P mol 90% 正正10% 異異()()對(duì)結(jié)點(diǎn)對(duì)結(jié)點(diǎn)()建立衡算式：建立衡算式： 異異C5H12平衡：平衡： (100-x)0.2=0.1P 正正C5H12平衡：平衡：(100-x)0.8+y=0.9P y=0.8x 100 0.8=0.9P 解得：解得： P=88.89 mol x=55.56 mol y=44.44 mol S=0.2x=11.11molu常用計(jì)算方法常用計(jì)算方法u利用聯(lián)系物做物料

43、衡算利用聯(lián)系物做物料衡算u復(fù)雜反應(yīng)體系使用產(chǎn)物、副產(chǎn)物各自復(fù)雜反應(yīng)體系使用產(chǎn)物、副產(chǎn)物各自的收率數(shù)據(jù)作物料衡算的收率數(shù)據(jù)作物料衡算u帶有物料循環(huán)的流程的物料衡算帶有物料循環(huán)的流程的物料衡算u多步串聯(lián)過(guò)程的物料衡算多步串聯(lián)過(guò)程的物料衡算化學(xué)反應(yīng)的物料衡算利用聯(lián)系物做物料衡算惰性物料的數(shù)量在反應(yīng)器的進(jìn)口、出口惰性物料的數(shù)量在反應(yīng)器的進(jìn)口、出口物料中沒(méi)有變化物料中沒(méi)有變化, ,計(jì)算時(shí)可以利用它在計(jì)算時(shí)可以利用它在設(shè)備進(jìn)、出口的數(shù)量設(shè)備進(jìn)、出口的數(shù)量( (質(zhì)量或摩爾質(zhì)量或摩爾 數(shù)數(shù)) )不變的關(guān)系列物料衡算方程。稱這種惰不變的關(guān)系列物料衡算方程。稱這種惰性物料為性物料為聯(lián)系物聯(lián)系物。 例：天然氣蒸汽轉(zhuǎn)

44、化法制造合成氨原料氣。計(jì)算天然氣的用例：天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化法制造合成氨原料氣。計(jì)算天然氣的用量和空氣的用量。量和空氣的用量。 一段一段轉(zhuǎn)化爐轉(zhuǎn)化爐二段二段轉(zhuǎn)化爐轉(zhuǎn)化爐CO變換變換CO2脫除脫除甲烷化甲烷化天然氣天然氣xkmol蒸汽蒸汽空氣空氣ykmolCO2組分組分CH4C2H6C3H8C4H10(正正)C4H10(異異)C5H12(正正)C5H12(異異)N2CO2合計(jì)合計(jì)%mol83.2010.005.160.690.500.060.050.330.01100天然氣組成表天然氣組成表組分組分H2N2ArCH4合計(jì)合計(jì)%mol73.9724.640.311.08100合成氨原料氣組成表合成氨原料

45、氣組成表一段一段轉(zhuǎn)化爐轉(zhuǎn)化爐二段二段轉(zhuǎn)化爐轉(zhuǎn)化爐CO變換變換CO2脫除脫除甲烷化甲烷化天然氣天然氣xkmol蒸汽蒸汽空氣空氣ykmolCO2解：解：以以100100 kmol合成氨原料氣為計(jì)算基準(zhǔn)。合成氨原料氣為計(jì)算基準(zhǔn)。 (1) 以以N2為聯(lián)系物作衡算，為聯(lián)系物作衡算，作系統(tǒng)作系統(tǒng)N2平衡得平衡得 0.0033x0.79y24.64 （kmol） （A)(2)作系統(tǒng)氫平衡作系統(tǒng)氫平衡 100kmol天然氣可提供的理論天然氣可提供的理論H2為為 ：n個(gè)個(gè)C，3n+1個(gè)個(gè)H2組分組分含量含量/kmol可提供可提供H2量量/kmol組分組分含量含量/kmol可提供可提供H2量量/kmolCH483

46、.20483.20=372.80C5H12(正正)0.06130.06 =0.96C2H610.00710.00 =70.00C5H12 (異異)0.05130.05 =0.80C3H85.16105.16 =51.60N20.330C4H10(正正)0.69130.69 =8.97CO20.010C4H10 (異異)0.50130.50 =6.50合計(jì)合計(jì)100471.63CnH2n+2nH2OnCO3nH2+nH2OnCO2nH2+nCOCnH2n+22nH2OnCO2(3n+1)H2+因此，因此，x kmol天然氣進(jìn)料可提供的理論天然氣進(jìn)料可提供的理論H2為為 471.63 100 x

47、kmol聯(lián)立解聯(lián)立解(A)(B)，得，得20.21 y kmol18.92 31.11 xkmolykmol471.6320.2173.972 1.08 (B)100 xy 制造制造100kmol合成氨原料氣需合成氨原料氣需 天然氣天然氣18. 92kmol 和和 31. 11kmol空氣。空氣。 燃燒消耗的燃燒消耗的H2為為 作系統(tǒng)作系統(tǒng)H2平衡得平衡得u常用計(jì)算方法常用計(jì)算方法u利用聯(lián)系物做物料衡算利用聯(lián)系物做物料衡算u復(fù)雜反應(yīng)體系使用產(chǎn)物、副產(chǎn)物各自復(fù)雜反應(yīng)體系使用產(chǎn)物、副產(chǎn)物各自的收率數(shù)據(jù)作物料衡算的收率數(shù)據(jù)作物料衡算u帶有物料循環(huán)的流程的物料衡算帶有物料循環(huán)的流程的物料衡算u多步串聯(lián)

48、過(guò)程的物料衡算多步串聯(lián)過(guò)程的物料衡算化學(xué)反應(yīng)的物料衡算對(duì)于對(duì)于PA APY 轉(zhuǎn)化為 的 的物質(zhì)量加料中的 的物質(zhì)量APQAPAQ P APY 產(chǎn)物 的物質(zhì)量加料中的 的物質(zhì)量ApPAQ 1Pp APY產(chǎn)物 的物質(zhì)量加料中的 的物質(zhì)量復(fù)雜反應(yīng)體系使用產(chǎn)物、副產(chǎn)物各自的收率復(fù)雜反應(yīng)體系使用產(chǎn)物、副產(chǎn)物各自的收率數(shù)據(jù)作物料衡算數(shù)據(jù)作物料衡算例：丙烯氨氧化合成丙烯腈的反應(yīng)是例：丙烯氨氧化合成丙烯腈的反應(yīng)是C3H6NH33/2 O2CH2=CH-CN3 H2O+除上述主反應(yīng)外，還有下列主要副反應(yīng)：除上述主反應(yīng)外，還有下列主要副反應(yīng)：C3H63 NH33 O2CH2=CH-CHO6 H2O+3HCNC3H

49、63/2 NH33/2 O23 H2O+3/2CH3CNC3H6 O2+ H2O+C3H6 9/2O2+ 3 H2O+3CO2試作年產(chǎn)試作年產(chǎn)5000t 丙烯腈反應(yīng)器的物料衡算丙烯腈反應(yīng)器的物料衡算丙烯氨氧化丙烯氨氧化C3H6 1NH3 1.05O2 2.3H2O 3C3H8: C3H6=0.15:0.85C2H3CN 60%HCN 6.5%CH3CN 7%C3H4O 0.7%CO2 12%a. 年產(chǎn)丙烯腈年產(chǎn)丙烯腈5300tb. 年操作年操作300天天c. 操作過(guò)程丙烯腈損耗操作過(guò)程丙烯腈損耗3%解：先畫(huà)出流程圖解：先畫(huà)出流程圖收率收率O2H2OC3H6C3H81) 丙烯腈的產(chǎn)量：丙烯腈的產(chǎn)

50、量： 53001.035459 t/a2) 反應(yīng)器進(jìn)料量：反應(yīng)器進(jìn)料量： 丙烯：丙烯：hkmolhkg/3 .14/7582430010005459hkghkmol/1000/83.236 . 03 .14氨：氨：23.831.0525kmol/h=425kg/h丙烷：丙烷：23.830.850.154.205kmol/h=185kg/h水：水：23.83371.49kmol/h=1287kg/h氧：氧：23.832.354.81kmol/h=1754kg/h3) 反應(yīng)器出口混合氣的量：反應(yīng)器出口混合氣的量： 氫氰酸：氫氰酸：23.8330.0654.647 kmol/h= 125.5 kg/

51、h乙腈：乙腈： 23.831.50.072.5 kmol/h= 102.5 kg/h丙烯醛：丙烯醛： 23.830.0070.1668 kmol/h= 9.34 kg/h二氧化碳：二氧化碳： 23.8330.128.58 kmol/h= 377.5 kg/h 丙烯：丙烯：hkghkmol/138/288. 3)58. 8311668. 05 . 232467. 4313 .14(83.23氧：氧：hkghkmol/422/18.13)58. 831291668. 05 . 2647. 43 .1423(81.54氨：氨：25-(14.3+4.647+2.5)=3.553 kmol/h=60.4

52、 kg/h水：水：71.49+(314.3+24.647+22.5+0.1668+8.58) =137.4kmol/h=2473 kg/hu常用計(jì)算方法常用計(jì)算方法u利用聯(lián)系物做物料衡算利用聯(lián)系物做物料衡算u復(fù)雜反應(yīng)體系使用產(chǎn)物、副產(chǎn)物各自復(fù)雜反應(yīng)體系使用產(chǎn)物、副產(chǎn)物各自的收率數(shù)據(jù)作物料衡算的收率數(shù)據(jù)作物料衡算u帶有物料循環(huán)的流程的物料衡算帶有物料循環(huán)的流程的物料衡算u多步串聯(lián)過(guò)程的物料衡算多步串聯(lián)過(guò)程的物料衡算化學(xué)反應(yīng)的物料衡算新鮮原料新鮮原料FFAA= AFF RCA轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵組分轉(zhuǎn)化的單程轉(zhuǎn)化率反應(yīng)器入口的(+)中的反應(yīng)系統(tǒng)反應(yīng)系統(tǒng)分離系統(tǒng)分離系統(tǒng)循環(huán)機(jī)械循環(huán)機(jī)械循環(huán)物流，循環(huán)物流，RC

53、產(chǎn)品，產(chǎn)品，PF排放，排放，EFAA =AFFA轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵組分轉(zhuǎn)化的總轉(zhuǎn)化率新鮮原料中的中的代數(shù)法代數(shù)法當(dāng)原料、產(chǎn)品及再循環(huán)流的組成是已當(dāng)原料、產(chǎn)品及再循環(huán)流的組成是已知的，采用此法。知的，采用此法。 根據(jù)已知條件確定已知項(xiàng)和未根據(jù)已知條件確定已知項(xiàng)和未知項(xiàng)后，列出方程組，求解。知項(xiàng)后，列出方程組，求解。試差法試差法當(dāng)未知數(shù)的數(shù)目多于方程式數(shù)目時(shí)當(dāng)未知數(shù)的數(shù)目多于方程式數(shù)目時(shí)（隱式），需要用試差法求解。即先給某個(gè)未知項(xiàng)（隱式），需要用試差法求解。即先給某個(gè)未知項(xiàng)假設(shè)一個(gè)初始值，代入方程組計(jì)算結(jié)果，檢驗(yàn)假設(shè)假設(shè)一個(gè)初始值，代入方程組計(jì)算結(jié)果，檢驗(yàn)假設(shè)初值是否合理，不合理要重新假設(shè)、計(jì)算?？山柚?/p>

54、值是否合理，不合理要重新假設(shè)、計(jì)算?？山柚?jì)算機(jī)迭代計(jì)算機(jī)迭代。循環(huán)系數(shù)法循環(huán)系數(shù)法是根據(jù)求取循環(huán)系數(shù)來(lái)確定循環(huán)的是根據(jù)求取循環(huán)系數(shù)來(lái)確定循環(huán)的物料量循環(huán)系數(shù)與循環(huán)物料間的關(guān)系為：物料量循環(huán)系數(shù)與循環(huán)物料間的關(guān)系為：循環(huán)系數(shù)循環(huán)系數(shù) =G總總/G新鮮新鮮=（FF+RC）/FF FF加入設(shè)備的新鮮物料量加入設(shè)備的新鮮物料量 RC返回設(shè)備的循環(huán)物料量返回設(shè)備的循環(huán)物料量新鮮物料量新鮮物料量FF可由生產(chǎn)量求得，當(dāng)循環(huán)系數(shù)已知或選定可由生產(chǎn)量求得，當(dāng)循環(huán)系數(shù)已知或選定時(shí)，即可算出循環(huán)物料量時(shí)，即可算出循環(huán)物料量 。循環(huán)系數(shù)由下式求得循環(huán)系數(shù)由下式求得 =1/（1-） 通過(guò)反應(yīng)設(shè)備時(shí)未反應(yīng)的物料的百分比

55、通過(guò)反應(yīng)設(shè)備時(shí)未反應(yīng)的物料的百分比。* *使用上式的條件是生產(chǎn)必須達(dá)穩(wěn)定，循環(huán)量及其組成都趨于使用上式的條件是生產(chǎn)必須達(dá)穩(wěn)定，循環(huán)量及其組成都趨于穩(wěn)定；其次是循環(huán)物料的組成和新鮮物料組成應(yīng)當(dāng)相當(dāng)接近。穩(wěn)定；其次是循環(huán)物料的組成和新鮮物料組成應(yīng)當(dāng)相當(dāng)接近。例例 氨合成系統(tǒng)物料衡算氨合成系統(tǒng)物料衡算已知：已知：(1)(1)新鮮原料氣的組成如下新鮮原料氣的組成如下組分組分H2N2CH4Ar合計(jì)合計(jì)%mol73.72924.5581.4200.293100(2)氨合成塔人口氣體中含氨氨合成塔人口氣體中含氨2.5% (摩爾分?jǐn)?shù)，下同摩爾分?jǐn)?shù)，下同)； (3)氨合成塔出口氣體中含氨氨合成塔出口氣體中含氨1

56、1%；(4)放空氣體中放空氣體中(CH4十十Ar )的含量為的含量為19.926% ；(5)忽略氣體在液氨中的溶解；忽略氣體在液氨中的溶解；(6)因水冷后氨的冷凝量很小，近似把塔出口氣體中的氨含量因水冷后氨的冷凝量很小，近似把塔出口氣體中的氨含量與放空氣中的氨含視為相等。與放空氣中的氨含視為相等。 氨合成工藝流程圖氨合成工藝流程圖氨合成塔氨合成塔水冷器水冷器冷交換器冷交換器水冷氨分水冷氨分循環(huán)機(jī)循環(huán)機(jī)油分油分二級(jí)氨冷二級(jí)氨冷一級(jí)氨分一級(jí)氨分一級(jí)氨冷一級(jí)氨冷新鮮氣新鮮氣V0NH3 2.5%，V2放空放空V1CH4+Ar=19.296NH3 11%V305-15-20V4-2液氨液氨V4-1液氨液

57、氨解：取解：取1000m3 (STP)新鮮原料氣為衡算基準(zhǔn)。新鮮原料氣為衡算基準(zhǔn)。(1)放空氣量放空氣量V1及組成，及組成，作系統(tǒng)的惰性氣平衡得作系統(tǒng)的惰性氣平衡得 新鮮氣帶入的惰性氣新鮮氣帶入的惰性氣=放空氣帶出的惰性氣放空氣帶出的惰性氣01 0.01420.002930.19296VV（）3031 =1000mSTP10000.01420.00293 =88.775mSTP0.19296VV已知 （）放空氣組成的計(jì)算放空氣組成的計(jì)算： 已知已知NH3、(CH4 + Ar )的摩爾分?jǐn)?shù)分別為的摩爾分?jǐn)?shù)分別為11%和和19. 296%，以及，以及(H2/N2)為為 73. 729/24.558

58、=3 (N2+H2)的摩爾分?jǐn)?shù)為的摩爾分?jǐn)?shù)為 1-(0.11+0.19296)=0.69704H2：0.0697043/(1+3)=0.5227 N2：0.0697041/(1+3)=0.17426CH4：0.192961.42/(1.42+0.293)=0.1599 Ar：0.192960.293/(1.42+0.293)=0.0332(2) 總產(chǎn)氨量總產(chǎn)氨量V4從反應(yīng)式從反應(yīng)式N2+3H2=2NH3 可看出可看出每生成每生成1體積氨，系統(tǒng)體積減體積氨，系統(tǒng)體積減小小1，因反應(yīng)生成的氣氨等于，因反應(yīng)生成的氣氨等于(V4+0.11Vl)m3 (STP)。 (3) 氨合成塔出口氣量氨合成塔出口氣

59、量V3和入口氣量和入口氣量 反應(yīng)減少的體積反應(yīng)減少的體積=V2-V3 V2-V3 =(V4+0.11V1) 由系統(tǒng)的氨平衡有：合成反應(yīng)生成的氨由系統(tǒng)的氨平衡有：合成反應(yīng)生成的氨=系統(tǒng)排出的氨系統(tǒng)排出的氨 04114 (0.111VVVVV作總平衡式-）344-14-2450.73m (STP)VVV32410.110.0250.11VVVV326013.6 m (STP)V 335553.024 m (STP)V (4)氨合成塔人口氣體組成氨合成塔人口氣體組成對(duì)氨合成塔作系統(tǒng)對(duì)氨合成塔作系統(tǒng)H2平衡得：平衡得：合成塔進(jìn)口含合成塔進(jìn)口含H2-塔出口含塔出口含H2=新鮮氣帶入新鮮氣帶入H2-放空氣帶出放空氣帶出H2 作系統(tǒng)作系統(tǒng)N2平衡得：平衡得：合成塔進(jìn)口含合成塔進(jìn)口含N2-塔出口含塔出口含N2=新鮮氣帶入新鮮氣帶入N2-放空氣帶出放空氣帶出N2合成塔進(jìn)口含合成塔進(jìn)口含H2=0.73729V0-0.5227V1+0.5227V3=3593.89 m3 (STP)合成塔進(jìn)口含合成塔進(jìn)口含N2=0.24558V0-0.17426V1+0.17426V3=3593.89