(物料管理)第四章物料衡算

1、第四章物料衡算第四章物料衡算第四章 物料衡算教學(xué)目的與要求掌握化工過(guò)程物料衡算的基本方法，包括無(wú)化學(xué)反應(yīng)的物料衡算、有化學(xué)反應(yīng)的物料衡算。主要教學(xué)內(nèi)容物料衡算式、物料衡算的基本方法、無(wú)化學(xué)反應(yīng)的物料衡算、有化學(xué)反應(yīng)的物料衡算以及物料衡算的計(jì)算機(jī)解題。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)的物料衡算方法難點(diǎn)：具有循環(huán)、排放及旁路過(guò)程的物料衡算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)。 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 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

2、算的理論依據(jù)是質(zhì)量守恒定律，即在個(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)，團(tuán)為核反應(yīng)能量變比非常大，此定律不適用)。第一節(jié) 物料衡算式41 化工過(guò)程的類型化工過(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。或行將其分為穩(wěn)定狀態(tài)操作和不穩(wěn)定狀態(tài)操作兩類。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)程的類型。間歇操作過(guò)程：42 物料衡算式恒定律，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)積累量之和。所以，物料衡算的基本關(guān)系式應(yīng)該表示為；須把由反應(yīng)消耗或生成的量亦考慮在內(nèi)。所以(41)式成為：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

3、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)。但是，列物料衡算式時(shí)應(yīng)該注意，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)，則衡算式中各項(xiàng)用摩爾時(shí)為單位時(shí)，必須考慮反應(yīng)式中的化學(xué)計(jì)量系數(shù)。出為反應(yīng)前后物料中的分子數(shù)不守恒。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。43畫物料流程簡(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

4、知變量（)符號(hào)表示。44 計(jì)算基準(zhǔn)及其選擇進(jìn)行物料、能雖衡算時(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，不能什硬性規(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)：應(yīng)選擇已知變量數(shù)最多的流股作為計(jì)算基準(zhǔn)。對(duì)液體或固體的體系，常選取單位質(zhì)量作基準(zhǔn)。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。()已定，則可選取體積作基準(zhǔn)。搜集計(jì)算數(shù)據(jù)。確定衡算體系。物料衡算的步驟無(wú)化學(xué)反應(yīng)，則此步可免去。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。列出物料

5、衡算式，然后用數(shù)學(xué)方法求解。將計(jì)算結(jié)果列成輸入一輸出物料表。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，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)程的物料衡算都可以根據(jù)物料衡算式(43)，列出總物料和各組分的衡算式，再用代數(shù)法求解。46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) 界就是體系邊界。第四章 物料衡算當(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總體的量和

6、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。第四章 物料衡算47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。47 50苯、30(mol)1000molh 2 物料組成。第四章 物料衡算有化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的物料衡算第四章 物料衡算各反應(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。48 反應(yīng)轉(zhuǎn)化率、選擇性及收率等概念物的化學(xué)計(jì)量數(shù)大小可稱其為限制反應(yīng)物與過(guò)量反應(yīng)物。 1限制反應(yīng)物：化學(xué)

7、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)所需總的理論量，該反應(yīng)物稱為過(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)。轉(zhuǎn)化率：第四章物料衡算第四章物料衡算選擇性；收率：49一般反應(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)單地按(43)式列組分的衡算式，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，按(44)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。一、直接求解法有些化學(xué)反

8、應(yīng)過(guò)程的物料衡算，有時(shí)只含一個(gè)未知量或組成，這類問(wèn)題比較簡(jiǎn)單可根據(jù)化學(xué)反應(yīng)式直接求解，不必列出衡算式，如下例。二、元素衡算元素衡算是物料衡算的一種重要形式。在作這類衡算時(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。三、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。P T F xfT P 中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為xPT，則F 與P 間的關(guān)系為410有平衡反應(yīng)過(guò)程的物料衡

9、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 下例。411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，這類過(guò)程的則可以利用聯(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(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2045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。二、具有循環(huán)及排放過(guò)程的物料衡算循環(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。例如，假定反應(yīng)器進(jìn)料A 100kg/h，進(jìn)料含10ppm 的惰性物質(zhì)(I 表示)5050kgh 未反應(yīng)20pp