物料衡算完整版本

第四章物料衡算PAGEPAGE7物料衡算

1.教學(xué)目的與要求掌握物料衡算的基本方法，學(xué)會(huì)對(duì)無(wú)化學(xué)反應(yīng)的物料衡算及有化學(xué)反應(yīng)的物料衡算進(jìn)行計(jì)算。2.主要教學(xué)內(nèi)容掌握物料衡算式、畫(huà)物料流程簡(jiǎn)圖的方法；計(jì)算基準(zhǔn)的選擇；無(wú)化學(xué)反應(yīng)的物料衡算，有化學(xué)反應(yīng)的物料衡算。3.重點(diǎn)與難點(diǎn)：重點(diǎn)：無(wú)化學(xué)反應(yīng)及有化學(xué)反應(yīng)物料衡算的計(jì)算方法難點(diǎn)：有化學(xué)反應(yīng)物料衡算的計(jì)算方法4.學(xué)時(shí)分配：8+6S學(xué)時(shí)物料衡算是化工計(jì)算中最基本、也是最重要的內(nèi)容之一，它是能量衡算的基礎(chǔ)。一般在物料衡算之后，才能計(jì)算所需要提供或移走的能量。通常，物料衡算有兩種情況，一種是對(duì)已有的生產(chǎn)設(shè)備或裝置，利用實(shí)際測(cè)定的數(shù)據(jù)，算出另一些不能直接測(cè)定的物料量。用此計(jì)算結(jié)果，對(duì)生產(chǎn)情況進(jìn)行分析、作出判斷、提出改進(jìn)措施。另一種是設(shè)計(jì)一種新的設(shè)備或裝置，根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)，先作物料衡算，求出進(jìn)出各設(shè)備的物料量，然后再作能量衡算，求出設(shè)備或過(guò)程的熱負(fù)荷，從而確定設(shè)備尺寸及整個(gè)工藝流程。物料衡算的理論依據(jù)是質(zhì)量守恒定律，即在一個(gè)孤立物系中，不論物質(zhì)發(fā)生任何變化，它的質(zhì)量始終不變（不包括核反應(yīng)，因?yàn)楹朔磻?yīng)能量變化非常大，此定律不適用）。第一節(jié)物料衡算式1

物料衡算式1、化工過(guò)程的類(lèi)型化工過(guò)程操作狀態(tài)不同，其物料或能量衡算的方程亦有差別?；み^(guò)程根據(jù)其操作方式可以分成間歇操作、連續(xù)操作以及半連續(xù)操作三類(lèi)?；蛘邔⑵浞譃榉€(wěn)定狀態(tài)操作和不穩(wěn)定狀態(tài)操作兩類(lèi)。在對(duì)某個(gè)化工過(guò)程作物料或能量衡算時(shí)，必須先了解生產(chǎn)過(guò)程的類(lèi)別。聞歇操作過(guò)程：原料在生產(chǎn)操作開(kāi)始時(shí)一次加入，然后進(jìn)行反應(yīng)或其他操作，一直到操作完成后，物料一次排出，即為間歇操作過(guò)程。此過(guò)程的特點(diǎn)是在整個(gè)操作時(shí)間內(nèi)，再無(wú)物料進(jìn)出設(shè)備，設(shè)備中各部分的組成、條件隨時(shí)間而不斷變化。連續(xù)操作過(guò)程：在整個(gè)操作期間，原料不斷穩(wěn)定地輸入生產(chǎn)設(shè)備，同時(shí)不斷從設(shè)備排出同樣數(shù)量（總量）的物料。設(shè)備的進(jìn)料和出料是連續(xù)流動(dòng)的，即為連續(xù)操作過(guò)程。在整個(gè)操作期間，設(shè)備內(nèi)各部分組成與條件不隨時(shí)間而變化。半連續(xù)操作過(guò)程：操作時(shí)物料一次輸入或分批輸入，而出料是連續(xù)的，或連續(xù)輸入物料，而出料是一次或分批的。穩(wěn)定狀態(tài)操作就是整個(gè)化工過(guò)程的操作條件（如溫度、壓力、物料量及組成等）如果不隨時(shí)間而變化，只是設(shè)備內(nèi)不同點(diǎn)有差別，這種過(guò)程稱(chēng)為穩(wěn)定狀態(tài)操作過(guò)程，或稱(chēng)穩(wěn)定過(guò)程。如果操作條件隨時(shí)間而不斷變化的，則稱(chēng)為不穩(wěn)定狀態(tài)操作過(guò)程，或稱(chēng)不穩(wěn)定過(guò)程。間歇過(guò)程及半連續(xù)過(guò)程是不穩(wěn)定狀態(tài)操作。連續(xù)過(guò)程在正常操作期間，操作條件比較穩(wěn)定，此時(shí)屬穩(wěn)定狀態(tài)操作多在開(kāi)、停工期間或操作條件變化和出現(xiàn)故障時(shí)，則屬不穩(wěn)定狀態(tài)操作。2物料衡算式物料衡算是研究某一個(gè)體系內(nèi)進(jìn)、出物料量及組成的變化。所謂體系就是物料衡算的范圍，它可以根據(jù)實(shí)際需要人為地選定。體系可以是一個(gè)設(shè)備或幾個(gè)設(shè)備，也可以是一個(gè)單元操作或整個(gè)化工過(guò)程。進(jìn)行物料衡算時(shí)，必須首先確定衡算的體系。根據(jù)質(zhì)量守恒定律，對(duì)某一個(gè)體系，輸入體系的物料量應(yīng)該等于輸出物料量與體系內(nèi)積果量之和。所以，物料衡算的基本關(guān)系式應(yīng)該表示為：如果體系內(nèi)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，則對(duì)任一個(gè)組分或任一種元素作衡算時(shí)，必須把反應(yīng)消耗或生成的量亦考慮在內(nèi)。即上式對(duì)反應(yīng)物作衡算時(shí)，由反應(yīng)而消耗的量，應(yīng)取減號(hào)；對(duì)生成物作衡算時(shí)，由反應(yīng)而生成的量，應(yīng)取加號(hào)。列物料衡算式時(shí)應(yīng)注意，物料平衡是指質(zhì)量平衡，不是體積或物質(zhì)的量(摩爾數(shù))平衡。若體系內(nèi)有化學(xué)反應(yīng)，則平衡式中各項(xiàng)用摩爾/時(shí)為黨委時(shí)，必須考慮反應(yīng)式中的化學(xué)計(jì)量系數(shù)。因?yàn)榉磻?yīng)前后物料中的分子數(shù)不守恒。如圖，表示無(wú)化學(xué)反應(yīng)的連續(xù)過(guò)程物料流程。圖中方框表示一個(gè)體系，虛線表示體系邊界。共有三個(gè)流股，進(jìn)料F及出料P和W。有兩個(gè)組分。每個(gè)流股的流量及組成如圖所示。圖中x為質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

可列出物料衡算式：總物料衡算式

F=P+W每種組分衡算式

F·xf1=P·xp1+W·xw1

F·xf2=P·xp2+W·xw2對(duì)于連續(xù)不穩(wěn)定過(guò)程，由于該過(guò)程內(nèi)物料量及組成等隨時(shí)間而變化，因此，物料衡算式須寫(xiě)成以時(shí)間為自變量的微分方程，表示體系內(nèi)在某一瞬時(shí)的平衡。

第二節(jié)物料衡算的基本方法進(jìn)行物料衡算時(shí)，為了能順利地解題，避免錯(cuò)誤，必須掌握解題技巧，按正確的解題方法和步驟進(jìn)行。尤其是對(duì)復(fù)雜的物料衡算題，更應(yīng)如此，這樣才能獲得準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果。3畫(huà)物料流程簡(jiǎn)圖方法求解物料衡算問(wèn)題，首先應(yīng)該根據(jù)給定的條件畫(huà)出流程簡(jiǎn)圖。圖中用簡(jiǎn)單的方框表示過(guò)程中的設(shè)備，用線條和箭頭表示每個(gè)流股的途徑和流向。并標(biāo)出每個(gè)流股的已知變量（如流量、組成)及單位。對(duì)一些未知的變量，可用符號(hào)表示。畫(huà)流程簡(jiǎn)圖：例：含甲烷90％和乙烷10％的天然氣與空氣在混合器中混合，得到的混合氣體含甲烷8％。試計(jì)算100摩爾天然氣應(yīng)加入的空氣量及得到的混合氣量。4計(jì)算基準(zhǔn)及其選擇進(jìn)行物料、能量衡算時(shí)，必須選擇一個(gè)計(jì)算基準(zhǔn)。從原則上說(shuō)選擇任何一種計(jì)算基準(zhǔn)，都能得到正確的解答。但是，計(jì)算基準(zhǔn)選擇得恰當(dāng)，可以使計(jì)算簡(jiǎn)化，避免錯(cuò)誤。對(duì)于不同化工過(guò)程，采用什么基準(zhǔn)適宜，需視具體情況而定，不能作硬性規(guī)定。根據(jù)不同過(guò)程的特點(diǎn)，選樣計(jì)算基準(zhǔn)時(shí)，應(yīng)該注意以下幾點(diǎn)：1.應(yīng)選擇已知變量數(shù)最多的流股作為計(jì)算基準(zhǔn)。2.對(duì)液體或固體的體系，常選取單位質(zhì)量作基準(zhǔn)。3.對(duì)連續(xù)流動(dòng)體系，用單位時(shí)間作計(jì)算基準(zhǔn)有時(shí)較方便。4.對(duì)于氣體物料，如果環(huán)境條件(如溫度、壓力)已定，則可選取體積作基準(zhǔn)。例4－1丙烷充分燃燒時(shí)，要供入的空氣量為理論量的125％，反應(yīng)式為問(wèn)每100摩爾燃燒產(chǎn)物需要多少摩爾5物料衡算的步驟1、畫(huà)物料流程簡(jiǎn)圖。求解物料衡算問(wèn)題，首先應(yīng)該根據(jù)給定的條件畫(huà)出流程簡(jiǎn)圖。2、計(jì)算基準(zhǔn)及其選擇。進(jìn)行物料、能量衡算時(shí)，必須選擇一個(gè)計(jì)算基準(zhǔn)。從原則上說(shuō)選擇任何一種計(jì)算基準(zhǔn)，都能得到正確的解答。但是，計(jì)算基準(zhǔn)選擇得恰當(dāng)，可以使計(jì)算簡(jiǎn)化，避免錯(cuò)誤。對(duì)于不同化工過(guò)程，采用什么基準(zhǔn)適宜，需視具體情況而定，不能作硬性規(guī)定。3、物料衡算的步驟進(jìn)行物料衡算時(shí)，尤其是那些復(fù)雜的物料衡算，為了避免錯(cuò)課，建議采用下列計(jì)算步驟。對(duì)于一些簡(jiǎn)單的問(wèn)題，這種步驟似乎有些繁瑣，但是訓(xùn)練這種有條理的解題方法，可以培養(yǎng)邏輯地思考問(wèn)題，對(duì)今后解決復(fù)雜的問(wèn)題是有幫助的。計(jì)算步驟如下：(1)搜集計(jì)算數(shù)據(jù)。(2)畫(huà)出物料流程簡(jiǎn)圖。(3)確定衡算體系。(4)寫(xiě)出化學(xué)反應(yīng)方程式，包括主反應(yīng)和副反應(yīng)，標(biāo)出有用的分子量。(5)選擇合適的計(jì)算基準(zhǔn)，并在流程圖上注明所選的基準(zhǔn)值。(6)列出物料衡算式，然后用數(shù)學(xué)方法求解。(7)將計(jì)算結(jié)果列成輸入－輸出物料表(物料平衡表)。(8)校核計(jì)算結(jié)果第三節(jié)無(wú)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的物料衡算

在化工過(guò)程中，一些只有物理變化，不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的單元操作，如混合、蒸餾、蒸發(fā)、干燥、吸收、結(jié)晶、萃取等，這些過(guò)程都可以根據(jù)物料衡算式，列出總物料和各組分的衡算式，再用代數(shù)法求解。根據(jù)圖4－1，若每個(gè)流股有n個(gè)組分，則可以列出以下衡算式可見(jiàn)，有n個(gè)組分的物料，可列出n個(gè)組分衡算式及一個(gè)總物料衡算式，共n+1個(gè)衡算方程。但是，在同一個(gè)物料中，各組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（或摩爾分?jǐn)?shù)）之和等于1。即所以n＋1個(gè)方程中，只有任意n個(gè)方程是獨(dú)立的，由這n個(gè)獨(dú)立方程用代數(shù)運(yùn)算可以得到另一個(gè)方程。因此，有n個(gè)組分的體系，最多只能求解n個(gè)未知量。6簡(jiǎn)單過(guò)程的物料衡算簡(jiǎn)單過(guò)程是指僅有一個(gè)設(shè)備或一個(gè)單元操作或整個(gè)過(guò)程簡(jiǎn)化成一個(gè)設(shè)備的過(guò)程。這種過(guò)程的物料衡算比較簡(jiǎn)單，在物料流程簡(jiǎn)圖中，設(shè)備邊界就是體系邊界。下面舉例說(shuō)明計(jì)算步驟和計(jì)算方法。一種廢酸，組成為23％(質(zhì)量％)HNO3，57％H2SO4和20％H2O，加入93％的濃H2SO4及90％的濃HNO3，要求混合成27％HNO3及60％H2SO4的混合酸，計(jì)算所需廢酸及加入濃酸的數(shù)量。解：設(shè)

x——廢酸量，kg；

y——濃H2SO4量，kg；

z——濃HNO3量；1、畫(huà)物料流程簡(jiǎn)圖

2、選擇基準(zhǔn)，可以選廢酸或濃酸的量為基準(zhǔn)，也可以用混合酸的量為基準(zhǔn)，因?yàn)樗姆N酸的組成均已知，選任何一種作基準(zhǔn)計(jì)算都很方便。3、列物料衡算式，該體系有3種組分，可以列出3個(gè)獨(dú)立方程，所以能求出3個(gè)未知量。基準(zhǔn)：100kg混合酸總物料衡算式

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廢酸

y=39kg濃H2SO4

z=19.2kg濃HNO3即由41.8kg廢酸、39kg濃H2SO4和19.2kg濃HNO3可以混合成100kg混合酸。根據(jù)水平衡，可以核對(duì)以上結(jié)果：加入的水量=41.8×0.2+39×0.07+19.2×0.10=13kg混合后的酸，含13％H2O，所以計(jì)算結(jié)果正確。以上物料衡算式，亦可以選總物料衡算式及H2SO4與HNO3二個(gè)衡算式或H2SO4、HNO3和H2O三個(gè)組分衡算式進(jìn)行計(jì)算，均可以求得上述結(jié)果。例4－3需要制備富氧濕空氣。把空氣、純氧和水通入蒸發(fā)室，水在蒸發(fā)室汽化。出蒸發(fā)室的氣體經(jīng)分析含1.5％（mol%）H2O。水的流量為0.0012米3/時(shí)，純氧的流量（千摩爾/時(shí)）為空氣流量（千摩爾/時(shí)）的1/5，計(jì)算所有的未知量及組成。解：設(shè)Q——空氣流量，kmol/h；0.2Q——純氧流量，kmol/h；F——富氧濕空氣流量，kmol/h；x——富氧濕空氣中含氧量，摩爾分?jǐn)?shù)。物料流程簡(jiǎn)圖基準(zhǔn)：H2O流量0.0012m3/h列物料衡算式H2O的衡算式總物料衡算式N2的衡算式例4－5含20％（質(zhì)量％）丙酮與80％空氣的混合氣進(jìn)吸收塔，塔頂噴水吸收丙酮。吸收塔出口氣體含丙酮3％，塔底得到50千克含丙酮10％的水溶液，計(jì)算進(jìn)吸收塔氣體的量。

當(dāng)利用代數(shù)法求解時(shí)，列衡算式應(yīng)注意下列幾點(diǎn)：1．無(wú)化學(xué)反應(yīng)體系，能列出的獨(dú)立物料衡算式數(shù)目，最多等于輸入和輸出物料中化學(xué)組分的數(shù)目。2．首先列出含未知量數(shù)目最少的物料衡算方程，以便于解題。3．總體系內(nèi)具有很多多組分的物料，則最好將每個(gè)流股編號(hào)．并列表表示出己知的量和組成．檢查能列出的衡算方程數(shù)目是否等于未知量的數(shù)目。4－7有多個(gè)設(shè)備過(guò)程的物料衡算對(duì)有多個(gè)設(shè)備的過(guò)程，進(jìn)行物料衡算時(shí)，可以劃分多個(gè)衡算體系。此時(shí)，必須選擇恰當(dāng)?shù)暮馑泱w系，這是很重要的步驟。不然會(huì)使計(jì)算繁瑣，甚至無(wú)法求解。例4—7有兩個(gè)蒸餾塔的分離裝置，將含50％苯、30％甲苯和20％(mol％)二甲苯的混合物分成較純的三個(gè)餾試份，其流程圖及各流股組成如下圖，計(jì)算蒸餾1000mol／h原料所得各流股的量及進(jìn)塔2物料組成。設(shè)S2、S3表示各流股物料量，mol/hX3B、X3T表示流股3中苯、甲苯的組成設(shè)蒸餾過(guò)程共可列出三組衡算方程，即體系A(chǔ)（塔Ⅰ）體系B（塔Ⅱ）體系C（整個(gè)過(guò)程）可解得S2、S3、S4、S5及X3B、X3T、X3X由上例可知，多設(shè)備過(guò)程，又有大量多組分流股時(shí)，可列出許多線性方程。在這許多線性方程中，不管衡算體系如何選擇、組合，其獨(dú)立衡算方程的最多數(shù)目應(yīng)等于設(shè)備數(shù)（M）與物料組分?jǐn)?shù)（C）的乘積，計(jì)M×C個(gè)獨(dú)立方程。第四節(jié)有化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的物料衡算有化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程，物料中的組分比較復(fù)雜。因?yàn)椋I(yè)上的化學(xué)反應(yīng)，各反應(yīng)物的實(shí)示用量，并不等于化學(xué)反應(yīng)式中的理論量。為了使所需的反應(yīng)順利進(jìn)行，或使其中較昂貴的又應(yīng)物全部轉(zhuǎn)化，常常使價(jià)格較低廉的一些反應(yīng)物用量過(guò)量。因此，使物料衡算比無(wú)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的計(jì)算復(fù)雜，尤其是當(dāng)物料組成及化學(xué)反應(yīng)比較復(fù)雜時(shí)，計(jì)算更應(yīng)注意。有化學(xué)反應(yīng)的物料衡算較無(wú)化學(xué)反應(yīng)的物料衡算復(fù)雜，其原因?yàn)椋河谢瘜W(xué)反應(yīng)的過(guò)程，物料中的組分比較復(fù)雜。這是由于化學(xué)反應(yīng)，原子與分子重新形成了完全不同的新物質(zhì)，因此每一化學(xué)物質(zhì)的輸入與輸出的摩爾或質(zhì)量流率是不平衡的。另外，工業(yè)上的化學(xué)反應(yīng)，各反應(yīng)物的實(shí)際用量，并不等于化學(xué)反應(yīng)式中的理論量。為了使所需的反應(yīng)順利進(jìn)行，或使其中較昂貴的反應(yīng)物全部轉(zhuǎn)化，常常使價(jià)格較低廉的一些反應(yīng)物用量過(guò)量。此外，在工業(yè)化學(xué)反應(yīng)中，化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行程度不完全，留下剩余的反應(yīng)物、或者由于中間反應(yīng)、平行反應(yīng)或串連反應(yīng)而生成副產(chǎn)物，或存在不參加反應(yīng)的組分。4－8反應(yīng)轉(zhuǎn)化率、選擇性及收率等概念工業(yè)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中，當(dāng)反應(yīng)原料的配比不按化學(xué)計(jì)量比時(shí)，限據(jù)反應(yīng)物的化學(xué)計(jì)量數(shù)大小可稱(chēng)其為限制反應(yīng)物與過(guò)量反應(yīng)物。1、限制反應(yīng)物：化學(xué)反應(yīng)原料不按化學(xué)計(jì)量比配料時(shí)，其中以最小化學(xué)計(jì)量數(shù)存在的反應(yīng)物稱(chēng)為限制反應(yīng)物。2、過(guò)量反應(yīng)物：不按化學(xué)計(jì)量比配料的原料中，某種反應(yīng)物的量超過(guò)限制反應(yīng)物完全反應(yīng)所需的理論量，該反應(yīng)物稱(chēng)為過(guò)量反應(yīng)物。3、過(guò)量百分?jǐn)?shù)：過(guò)量反應(yīng)物超過(guò)限制反應(yīng)物所需理論量的部分占所需理論量的百分?jǐn)?shù)。若以從表示過(guò)量反應(yīng)物的摩爾數(shù)，Nt表示與限制反應(yīng)物完全反應(yīng)所需的摩爾數(shù)，則過(guò)量百分?jǐn)?shù)即為4、轉(zhuǎn)化率（以x表示）：某一反應(yīng)物反應(yīng)掉的量占其輸入量的百分?jǐn)?shù)。若以NA1、NA2分別表示反應(yīng)物A輸入及輸出體系的摩爾數(shù)，則反應(yīng)物A的轉(zhuǎn)化率為一個(gè)化學(xué)反應(yīng)，由不同反應(yīng)物可計(jì)算得到不同的轉(zhuǎn)化率。因此，應(yīng)用時(shí)必須指明某個(gè)反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率。若沒(méi)有指明時(shí)，則往往是指限制反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率。5、選擇性（以S表示）：反應(yīng)物反應(yīng)成目的產(chǎn)物所消耗的量占反應(yīng)物反應(yīng)掉的量的百分?jǐn)?shù)。若反應(yīng)物為A，生成的目的產(chǎn)物為D，Nn表示生成的目的產(chǎn)物D的摩爾數(shù)，。、d分別為反應(yīng)物d與目的產(chǎn)物D的化學(xué)計(jì)量系數(shù)，則選擇性為式中NA1－NA2為反應(yīng)物A反應(yīng)掉的摩爾數(shù)。轉(zhuǎn)化率與選擇性是反應(yīng)過(guò)程的兩個(gè)主要技術(shù)指標(biāo)。6、收率（以Y表示）：目的產(chǎn)物的量除以反應(yīng)物（通常指限制反應(yīng)物）輸入量，以百分?jǐn)?shù)表示。它可以用物質(zhì)的量（摩爾數(shù)）或質(zhì)量進(jìn)行計(jì)算。若以摩爾數(shù)計(jì)算，考慮化學(xué)計(jì)量系數(shù)，則目的產(chǎn)物D的收率為轉(zhuǎn)化率、選擇性與收率三者之間的關(guān)系為Y=S·x例4－8用鄰二甲苯氣相催化氧化生產(chǎn)鄰苯二甲酸酐（苯酐）。鄰二甲苯投料量210kg/h，空氣4620m3/h。反應(yīng)器出口物料組成（mol%）為：苯酐0.654%，順丁烯二酸酐（順酐）0.066%，鄰二甲苯0.030%，氧16.53%，氮77.75%，其他還有H2O、CO2、CO等。試計(jì)算鄰二甲苯轉(zhuǎn)化率及苯酐和順酐的收率及選擇性。4－9一般反應(yīng)過(guò)程的物料衡算對(duì)有化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的物料衡算，由于各組分在過(guò)程中發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，因此就不能簡(jiǎn)單地列組分的衡算式，必須考慮化學(xué)反應(yīng)中生成或消耗的量，應(yīng)該根據(jù)化學(xué)反應(yīng)式，列衡算方程。對(duì)一般的反應(yīng)過(guò)程，可用下列幾種方法求解。1、直接求解法有些化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的物料衡算，有時(shí)只含一個(gè)未知量或組成，這類(lèi)問(wèn)題比較簡(jiǎn)單，通?？筛鶕?jù)化學(xué)反應(yīng)式直接求解，不必列出衡算式。例4－101000kg對(duì)硝基氯苯ClC6H4NO2用含20％游離SO3的發(fā)煙硫酸磺化，規(guī)定反應(yīng)終點(diǎn)時(shí)，廢酸中含游離SO37％（假定反應(yīng)轉(zhuǎn)化率為100％）。反應(yīng)式如下：試計(jì)算（1）20％SO3的發(fā)煙硫酸用量（2）廢酸生成量（3）對(duì)硝基氯苯磺酸生成量例甲醇制造甲醛的反應(yīng)過(guò)程為反應(yīng)物及生成物均為氣態(tài)。若使用50％的過(guò)量空氣，且甲醇的轉(zhuǎn)化率為75％。試計(jì)算反應(yīng)后氣體混合物的摩爾組成。2、元素衡算法元素衡算是物料衡算的一種重要形式。在作這類(lèi)衡算時(shí)，并不需要考慮具體的化學(xué)反應(yīng)，而是按照元素種類(lèi)被轉(zhuǎn)化及重新組合的概念表示為輸入(某種元素)＝輸出(同種元素)對(duì)反應(yīng)過(guò)程中化學(xué)反應(yīng)很復(fù)雜，無(wú)法用一、兩個(gè)反應(yīng)式表示的物料衡算題，可以列出元素衡算式，用代數(shù)法求解。3、用聯(lián)系組分作衡算“聯(lián)系組分”是指隨物料輸入體系，但完全不參加反應(yīng)，又隨物料從體系輸出的組分，在整個(gè)反應(yīng)過(guò)程中，它的數(shù)量不變。如果體系中存在聯(lián)系組分，那么輸入物料和輸出物料之間就可以根據(jù)聯(lián)系組分的含量進(jìn)行關(guān)聯(lián)。例如，F(xiàn)、P分別為輸入、輸出物料，T為聯(lián)系組分。T在F中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為xFT，在P中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為xPT，則F與P之間的關(guān)系為FxFT＝PxPT，即用聯(lián)系組分作衡算，尤其是對(duì)含未知量較多的物料衡算，可以使計(jì)算簡(jiǎn)化。選擇聯(lián)系組分時(shí)，如果體系中存在數(shù)種聯(lián)系組分，那么，此時(shí)就要選擇一個(gè)適宜的聯(lián)系組分，或聯(lián)合采用以減小誤差。但是，應(yīng)該注意，當(dāng)某個(gè)聯(lián)系組分?jǐn)?shù)量很小，而且此組分的分析相對(duì)誤差又較大時(shí)，則不宜選用。4—10有平衡反應(yīng)過(guò)程的物料衡算對(duì)有平衡反應(yīng)過(guò)程的物料衡算，除了需要建立物料或元素衡算式以外，常常還需要利用反應(yīng)的平衡關(guān)系來(lái)計(jì)算產(chǎn)物的平衡組成。計(jì)算方法見(jiàn)下例。例4－17在接觸法硫酸生產(chǎn)中，SO2被氧化成SO3。反應(yīng)式為：氧化過(guò)程的溫度為570℃，壓力為1.1大氣壓。輸入氣體的組成為：SO28％（mol%），O29％，N283％。計(jì)算達(dá)到平衡時(shí)的轉(zhuǎn)化率及平衡組成。（已知570℃的平衡常數(shù)KP為14.9）4—11具有循環(huán)、排放及旁路過(guò)程的物料衡算在化工過(guò)程中，有一些具有循環(huán)、排放及旁路的過(guò)程，這類(lèi)過(guò)程的物料衡算與以上介紹的方法相類(lèi)似，只是需要先根據(jù)已知的條件及所求的未知量選擇合適的衡算體系，列出物料衡算式再求解。如果存在聯(lián)系組分，則可以利用聯(lián)系組分計(jì)算。一、循環(huán)過(guò)程的物料衡算在化工生產(chǎn)中，有一些反應(yīng)過(guò)程每次經(jīng)反應(yīng)器后的轉(zhuǎn)化率不高，有的甚至很低。如乙烯氧化制環(huán)氧乙烷的過(guò)程，乙烯的單程轉(zhuǎn)化率(即原料一次通過(guò)反應(yīng)器的轉(zhuǎn)化率)約30％左右；由氫、氮合成氨的單程轉(zhuǎn)化率一般也只有20％左右。而乙烯直接水合制乙醇的過(guò)程，乙烯的單程轉(zhuǎn)化率只有4—5％。因此在反應(yīng)器出口的產(chǎn)物中有大量原料未反應(yīng)。為提高原料的利用率，把這部分末反應(yīng)的原料從反應(yīng)產(chǎn)物中分離出來(lái)，然后把它循環(huán)返回反應(yīng)器，與新鮮物料一起再進(jìn)行反應(yīng)。此過(guò)程即為循環(huán)過(guò)程。其流程如圖4—5。某些無(wú)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，如蒸發(fā)．結(jié)晶過(guò)程、精餾過(guò)程等，為了提高原料利用率或?yàn)楸ＷC產(chǎn)品質(zhì)量、改善經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、也有采用循環(huán)過(guò)程的。進(jìn)反應(yīng)器的物料MF是由新鮮原料與循環(huán)物料R混合而成，從反應(yīng)器出來(lái)的產(chǎn)物RP經(jīng)分離器分成產(chǎn)品P與循環(huán)物料R。有循環(huán)的過(guò)程，轉(zhuǎn)化率常分為單程轉(zhuǎn)化率與總轉(zhuǎn)化率：式中

——反應(yīng)物A輸入、輸出反應(yīng)器的摩爾數(shù)；式中

——反應(yīng)物A輸入、輸出過(guò)程的摩爾數(shù)；所以，單程轉(zhuǎn)化率是以反應(yīng)器為體系，總轉(zhuǎn)化率是以整個(gè)過(guò)程為體系。循環(huán)過(guò)程在穩(wěn)定狀態(tài)下操作時(shí)，物料的質(zhì)量既不積累也不消失，各流股的組分恒定。但是，如果原料中含有不反應(yīng)的雜質(zhì)或惰性物質(zhì)，經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間的循環(huán)會(huì)使其濃度逐漸增加，因此就必須把一部分循環(huán)物料不斷地排放掉，以維持進(jìn)料中雜質(zhì)的含量不再增大。通常對(duì)有循環(huán)過(guò)程的物料衡算，若已知總轉(zhuǎn)化率，可以先做總物料衡算；若已知單程轉(zhuǎn)化率，則可以