物料衡算和能量衡算物料

物料衡算和能量衡算物料第一頁，共八十三頁，2022年，8月28日一、化工過程所謂化工過程，是指由原料經(jīng)化學(xué)處理和物理處理加工成化學(xué)產(chǎn)品或中間產(chǎn)品的生產(chǎn)過程。它包括許多工序，每個工序又由若干個或若干組設(shè)備（如反應(yīng)器、蒸餾塔、吸收塔、干燥塔，分離器、換熱器及輸送設(shè)備等等）組合而成。物料通過各設(shè)備時，完成某種化學(xué)或物理處理，最終成為合格的產(chǎn)品。應(yīng)用守恒定律來研究化工過程的物料衡算和能量衡算問題。第二頁，共八十三頁，2022年，8月28日在不同的生產(chǎn)過程中，有一些具有共性的物理操作，它們不改變物料的化學(xué)性質(zhì)，只改變物料的物理性質(zhì)，這類操作被稱為單元操作，如流體輸送、傳熱、蒸餾、干燥、蒸發(fā)、結(jié)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學(xué)性質(zhì)的反應(yīng)過程，如氫與氮合成氨反應(yīng)、乙烯氧化成環(huán)氧乙烷反應(yīng)等等?；み^程就是由反應(yīng)過程和若干個單元操作組合而成的一個系統(tǒng)。第三頁，共八十三頁，2022年，8月28日化工過程的類型根據(jù)其操作方式分間歇操作原料一次加入→過程→產(chǎn)品一次排出連續(xù)操作原料連續(xù)加入→過程→產(chǎn)品連續(xù)排出半連續(xù)操作原料一次加入→過程→產(chǎn)品連續(xù)排出或原料連續(xù)加入→過程→產(chǎn)品一次排出根據(jù)操作狀態(tài)分穩(wěn)定狀態(tài)操作（定態(tài)操作）過程參數(shù)=f(x、y、z)不穩(wěn)定狀態(tài)操作（非定態(tài)操作）過程參數(shù)=f(x、y、z、t)第四頁，共八十三頁，2022年，8月28日化工過程基本參數(shù)過程參數(shù)：生產(chǎn)過程中影響過程運行和狀態(tài)的物理量。一）溫度表示物體冷熱程度的物理量。溫標(biāo)。1、攝氏溫標(biāo)，℃水的正常冰點：0℃水的正常沸點：100℃其間均分100等份其單位為℃2、開爾文溫標(biāo)，K（又叫熱力學(xué)溫度，熱力學(xué)溫標(biāo)）單位是“開爾文”，英文是“Kelvin”簡稱“開”，國際代號“K”。開爾文是為了紀(jì)念英國物理學(xué)家LordKelvin而命名的。以絕對零度（0K）為最低溫度，規(guī)定水的三相點的溫度為273.16K，開定義為水三相點熱力學(xué)溫度的1/273.15。第五頁，共八十三頁，2022年，8月28日3華氏溫標(biāo),℉水鹽混合物的溫度：0℉；健康人的血液溫度：96℉水的正常冰點：32℉；水的正常沸點：212℉其間均分180等份其單位為℉4、蘭金溫標(biāo)，°R與開氏溫標(biāo)相似，也是以最低理論溫度為0度的一種絕對溫標(biāo)。其0度為-459.67℉（-460℉）。四種溫度的關(guān)系：第六頁，共八十三頁，2022年，8月28日二）壓力(壓強(qiáng)）三）流量四）組成第七頁，共八十三頁，2022年，8月28日3.1物料衡算3.2能量衡算3.3化工模擬軟件在化工設(shè)計中的應(yīng)用第八頁，共八十三頁，2022年，8月28日本章要求掌握非反應(yīng)過程的物料衡算及反應(yīng)過程的物料衡算；掌握裝置的物料衡算；掌握以反應(yīng)熱效應(yīng)為基礎(chǔ)的計算方法，以及以生成熱為基礎(chǔ)的計算方法。本章重、難點：物料衡算及熱量衡算。第九頁，共八十三頁，2022年，8月28日物料、能量衡算

在化工技術(shù)中的作用物料、能量衡算是所有設(shè)計計算的基礎(chǔ)，是反應(yīng)器和設(shè)備設(shè)計的根據(jù)，也是過程、設(shè)備各系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)核算和最優(yōu)化的依據(jù)。一般來說，在設(shè)計一個生產(chǎn)系統(tǒng)，或者計算某個單元操作及設(shè)備時，首先必須作物料、能量衡算。第十頁，共八十三頁，2022年，8月28日物料、能量衡算的目的和內(nèi)容在于定量研究生產(chǎn)過程，為過程設(shè)計和操作最佳化提供依據(jù)。對過程中的各個設(shè)備和工序，逐個計算各物料的流量、組成及熱流量和溫度，定量地表示所研究的對象。第十一頁，共八十三頁，2022年，8月28日物料、能量衡算的意義①計算生產(chǎn)過程的原材料消耗指標(biāo)、能耗定額和產(chǎn)品產(chǎn)率等。

②根據(jù)物料衡算和能量衡算數(shù)據(jù)和設(shè)備恰當(dāng)?shù)纳a(chǎn)強(qiáng)度，可以設(shè)計或選擇設(shè)備的類型、臺數(shù)及尺寸。物料衡算和能量衡算是設(shè)備計算的依據(jù)。③作物料衡算可以檢查各物料的計量、分析測定數(shù)據(jù)是否正確；檢查生產(chǎn)運行是否正常。④作系統(tǒng)各設(shè)備及管路的物料衡算時，可以檢查出生產(chǎn)上的薄弱環(huán)節(jié)或限制部位。從而找出相應(yīng)的強(qiáng)化措施。⑤物料衡算和能量衡算是傳統(tǒng)最優(yōu)化和經(jīng)濟(jì)核算的基礎(chǔ)。⑥物料衡算和能量衡算的方程往往用于求取生產(chǎn)過程中的某些未知量或操作條件。第十二頁，共八十三頁，2022年，8月28日3.1物料衡算物料衡算—運用質(zhì)量守恒定律，對化工過程或設(shè)備進(jìn)行定量計算。通過物料衡算解決以下問題：計算原料消耗量、副產(chǎn)品量；輸出過程物料的損耗量及三廢的生成量；在物料衡算基礎(chǔ)做能量衡算，計算蒸汽、水、電、煤或其他燃料的消耗定額。計算產(chǎn)品的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。為生產(chǎn)設(shè)備和輔助設(shè)備的選型及設(shè)計、管路設(shè)施與公用工程的設(shè)計等方面提供依據(jù)。第十三頁，共八十三頁，2022年，8月28日一、物料衡算依據(jù)1.理論依據(jù)——質(zhì)量守恒定律物料衡算范圍單元操作的物料衡算——化工設(shè)備設(shè)計的前提 化工過程的物料衡算——化工過程設(shè)計的前提物料衡算的一般表達(dá)式為： 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=0

輸入量-輸出量+生成量-消耗量=0

對無化學(xué)反應(yīng)的過程：輸入量－輸出量＝積累量

對無化學(xué)反應(yīng)的穩(wěn)定操作過程：輸入量＝輸出量第十四頁，共八十三頁，2022年，8月28日對有化學(xué)反應(yīng)的過程：總物料衡算+元素衡算式2.數(shù)據(jù)基礎(chǔ)(1)技術(shù)方案、操作方法、生產(chǎn)能力、年工作時。(2)建設(shè)單位或研究單位的要求、設(shè)計參數(shù)、小試及中試數(shù)據(jù)：化工單元過程的化學(xué)反應(yīng)式、原料配比、轉(zhuǎn)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；原料及產(chǎn)品的分離方式，分離劑的用量，各步的回收率；特殊化學(xué)品的物性：沸點、熔點、飽和蒸汽壓、閃點等。(3)工藝流程示意圖。二、物料衡算基準(zhǔn)物料衡算時須選擇計算基準(zhǔn)，并在計算過程中保持一致。一般計算過程的基準(zhǔn)有以下幾種：第十五頁，共八十三頁，2022年，8月28日(1)時間基準(zhǔn)——對連續(xù)生產(chǎn)過程，常以單位時間(如d、h、s）的投料量或產(chǎn)品量為計算基準(zhǔn)。(2)批量基準(zhǔn)——以每批操作或一釜料的生產(chǎn)周期為基準(zhǔn)。(3)質(zhì)量基準(zhǔn)——當(dāng)系統(tǒng)介質(zhì)為液、固相時，選擇一定質(zhì)量的原料或產(chǎn)品作為計算基準(zhǔn)較適合。(4)物質(zhì)的量基準(zhǔn)：對于有化學(xué)反應(yīng)的過程因化學(xué)反應(yīng)的按摩爾進(jìn)行的，用物質(zhì)的量基準(zhǔn)更方便。(5)標(biāo)準(zhǔn)體積基準(zhǔn)：對氣體物料進(jìn)行衡算，可采用標(biāo)準(zhǔn)體積基準(zhǔn)，Nm3(STP)，既排除T、p的影響，又可直接換算為摩爾。(6)干濕基準(zhǔn)：由于物料中均含有一定量的水分，選用基準(zhǔn)時就有算不算水分的問題。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基準(zhǔn)，過程的物料衡算及能量衡算應(yīng)在同一基準(zhǔn)上進(jìn)行。第十六頁，共八十三頁，2022年，8月28日三、物料衡算的基本程序(1)確定衡算對象和范圍，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。(2)確定計算任務(wù)，明確已知項、待求項，選擇數(shù)學(xué)公式，力求使計算方法簡化。(3)確定過程所涉及的組分，并對所有組分依次編號。(4)對物流的流股進(jìn)行編號，并標(biāo)注物流變量。(5)收集數(shù)據(jù)資料（設(shè)計任務(wù)所規(guī)定已知條件，與過程有關(guān)物理化學(xué)參

數(shù)）：生產(chǎn)規(guī)模（設(shè)計任務(wù)所規(guī)定，t/年）和生產(chǎn)時間（指全年有效生 產(chǎn)天數(shù)300~330天/年，計約8000h）。有關(guān)定額的技術(shù)指標(biāo)，通常指產(chǎn)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。第十七頁，共八十三頁，2022年，8月28日原輔材料、產(chǎn)品、中間產(chǎn)品的規(guī)格；與過程有關(guān)有物理化學(xué)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(guān)系等。(6)列出過程全部獨立物料平衡方程式及其相關(guān)約束式，對有化學(xué)反應(yīng)的還要寫出化學(xué)反應(yīng)方程式，指出其轉(zhuǎn)化率和選擇性。(7)選擇計算基準(zhǔn)；(8)統(tǒng)計變量個數(shù)與方程個數(shù)，確定設(shè)計變量個數(shù)及全部設(shè)計變量。(9)整理并校核計算結(jié)果，并根據(jù)需要換算基準(zhǔn)，最后列成表格即物流表。(10)繪制物料流程圖，編寫物流表作為設(shè)計文件成果編入正式設(shè)計文件。第十八頁，共八十三頁，2022年，8月28日識別問題的類型繪制工藝過程示意圖選擇計算基準(zhǔn)建立物料衡算方程式并進(jìn)行未知量的求解列出物料衡算表。第十九頁，共八十三頁，2022年，8月28日化工過程的主要效率指標(biāo)生產(chǎn)能力和生產(chǎn)強(qiáng)度⑴生產(chǎn)能力指一個設(shè)備、一套裝置或一個工廠在單位時間內(nèi)生產(chǎn)的產(chǎn)品量，或在單位時間內(nèi)處理的原料量。設(shè)計能力——設(shè)備或裝置在最佳條件下可以達(dá)到的最大生產(chǎn)能力。第二十頁，共八十三頁，2022年，8月28日即設(shè)備的單位體積的生產(chǎn)能力，或單位面積的生產(chǎn)能力。⑵生產(chǎn)強(qiáng)度為設(shè)備的單位特征幾何量的生產(chǎn)能力。此指標(biāo)主要用于比較那些相同反應(yīng)過程或物理加工過程的設(shè)備或裝置的優(yōu)劣。第二十一頁，共八十三頁，2022年，8月28日⑶有效生產(chǎn)周期：

開工因子通常在0.9左右，開工因子大意味著停工檢修帶來的損失小，即設(shè)備先進(jìn)可靠，催化劑壽命長。第二十二頁，共八十三頁，2022年，8月28日（1）轉(zhuǎn)化率

（2-13）關(guān)鍵反應(yīng)物——反應(yīng)物中價值最高的組分，為使其盡可能轉(zhuǎn)化，常使其他反應(yīng)組分過量。不可逆反應(yīng)，關(guān)鍵組分的轉(zhuǎn)化率最大為100%?？赡娣磻?yīng)，關(guān)鍵組分的轉(zhuǎn)化率≤其平衡轉(zhuǎn)化率。轉(zhuǎn)化率、選擇性和收率第二十三頁，共八十三頁，2022年，8月28日對循環(huán)過程而言，有單程轉(zhuǎn)化率和全程轉(zhuǎn)化率。新鮮原料反應(yīng)系統(tǒng)分離系統(tǒng)產(chǎn)品循環(huán)物流循環(huán)機(jī)械圖帶有物料循環(huán)的流程示意圖排放第二十四頁，共八十三頁，2022年，8月28日

（2）選擇性

是指體系中轉(zhuǎn)化成目的產(chǎn)物的某反應(yīng)物的量與參加所有反應(yīng)而轉(zhuǎn)化的該反應(yīng)物總量之比。在復(fù)雜反應(yīng)體系中，選擇性表達(dá)了主、副反應(yīng)進(jìn)行程度的相對大小，能確切反映原料的利用是否合理。選擇性

第二十五頁，共八十三頁，2022年，8月28日

或

注意：

式中的分母是按主反應(yīng)式的化學(xué)計量關(guān)系來計算的，并假設(shè)轉(zhuǎn)化了的所有反應(yīng)物全部轉(zhuǎn)變成目的產(chǎn)物。第二十六頁，共八十三頁，2022年，8月28日（3）收率（產(chǎn)率）

對同一反應(yīng)物，Y=S?X。無副反應(yīng)的體系，S=1，Y=X，收率=轉(zhuǎn)化率；有副反應(yīng)的體系，S<1，

目標(biāo)是使目的產(chǎn)物的收率最高，不單純追求高轉(zhuǎn)化率或高選擇性。第二十七頁，共八十三頁，2022年，8月28日單程收率

總收率

對循環(huán)過程而言，有單程收率和總收率之分。第二十八頁，共八十三頁，2022年，8月28日（4）質(zhì)量收率

指投入單位質(zhì)量的某原料所能生產(chǎn)的目的產(chǎn)物的質(zhì)量。

第二十九頁，共八十三頁，2022年，8月28日3.2反應(yīng)過程物料衡算

（1）直接計算法主要是根據(jù)化學(xué)反應(yīng)方程式，運用化學(xué)計量系數(shù)進(jìn)行計算的方法，可使計算較為方便。適用范圍：反應(yīng)較簡單，反應(yīng)式可明確寫出時。為使反應(yīng)易于進(jìn)行，常采用使某一物質(zhì)過量，但應(yīng)特別注意，過量百分比是基于限制反應(yīng)物100%的轉(zhuǎn)化，而不論真實反應(yīng)是否完全或不完全。第三十頁，共八十三頁，2022年，8月28日在燃燒過程中，通常采用過量空氣，即實際供給的空氣量超過使燃料中可燃物完全燃燒所需的理論空氣量，多余的空氣，即為“過量空氣”。一般燃燒器，空氣過量為5-20%。①燃?xì)饣驘煹罋饨?jīng)過燃燒過程所產(chǎn)生的氣體，包括其所含的水蒸氣的稱為濕氣，不包括水蒸氣在內(nèi)的稱為干氣。②理論空氣量或理論氧氣量使過程內(nèi)的物質(zhì)完全燃燒所需的空氣（或氧氣）量，有時也稱為空氣需要量或氧氣需要量。第三十一頁，共八十三頁，2022年，8月28日③過量空氣或過量氧氣使過程內(nèi)的物質(zhì)完全燃燒，超過所需的空氣（或氧氣）量。注意：在部分燃燒反應(yīng)中，例如C燃燒成CO與CO2，在計算過量空氣（氧氣）時，均以C完全燃燒成CO2的空氣量（氧氣量）為基準(zhǔn)來計算的。過量空氣百分?jǐn)?shù)與過量氧氣百分?jǐn)?shù)相同，其定義為：第三十二頁，共八十三頁，2022年，8月28日氧氣進(jìn)料量=完全燃燒所需的氧氣量+過量氧氣量

注意若過量空氣百分?jǐn)?shù)>100%，則過量空氣的含義是包括理論需要空氣量和超過部分的量的總和。

第三十三頁，共八十三頁，2022年，8月28日

例丙烷充分燃燒時，要供入空氣量125%，反應(yīng)式為：C3H8+5O2→3CO2+4H2O，問每產(chǎn)生100摩爾煙道氣需空氣量多少摩爾？解：采用不同的計算基準(zhǔn)計算。

解法Ⅰ基準(zhǔn)：100mol丙烷（關(guān)鍵組分）。反應(yīng)式：C3H8+5O2→3CO2+4H2O轉(zhuǎn)化量：100XYZX=500molY=300molZ=400mol由于空氣中氧氣和氮氣的摩爾比為：O2∶N2=21∶79理論空氣量=500/0.21=2380.9mol第三十四頁，共八十三頁，2022年，8月28日則實際空氣量=過量空氣%×理論空氣量=125%×2380=2976mol反應(yīng)前：

反應(yīng)后：

氮氣不參加反應(yīng)，仍為2351mol。第三十五頁，共八十三頁，2022年，8月28日物料衡算結(jié)果一覽表1從上表中可看出，反應(yīng)前后，①各組分的摩爾數(shù)和質(zhì)量數(shù)都不相等。②總摩爾數(shù)也不相等，物質(zhì)的總質(zhì)量數(shù)未變。物料分子量輸入輸出molmol%Kgwt%molmol%Kgwt%C3H8441003.254.44.88O23262520.3220.022.171253.944.04.43N226235176.4365.8372.96235174.0265.8372.96CO2443009.4513.214.63H2O1840012.597.27.98總計307610090.23100.01317610090.23100第三十六頁，共八十三頁，2022年，8月28日從計算結(jié)果可以看出，當(dāng)空氣加入量為2976mol時，可產(chǎn)生煙道氣3176mol，所以，每產(chǎn)生100mol煙道氣需加入的空氣量為：100×2976／3176＝93.7（mol）第三十七頁，共八十三頁，2022年，8月28日

解法Ⅱ基準(zhǔn)：100mol空氣反應(yīng)前：所含=過量氧氣量由過量氧氣量=過量空氣%×需要氧氣量（也稱為理論需氧量）理論氧氣量=過量氧氣量/過量空氣%=21/125%=16.8mol

則根據(jù)化學(xué)反應(yīng)式C3H8+5O2→3CO2+4H2O可以求得參加反應(yīng)的丙烷用量：

1∶5=M∶16.8M=3.36mol第三十八頁，共八十三頁，2022年，8月28日反應(yīng)后：氮氣不參加反應(yīng)，仍為79mol。

第三十九頁，共八十三頁，2022年，8月28日物料衡算結(jié)果一覽表2從上表中可看出，仍然可以得出與表1相同的結(jié)論；比較表1和表2，可以看出，雖然計算基準(zhǔn)不同，但進(jìn)出物料的組成是一致的。物料分子量輸入輸出molmol%Kgwt%molmol%Kgwt%C3H8443.263.250.1484.88O2322120.320.67222.174.23.940.1344.43N2267976.432.21272.967.974.022.21272.96CO24410.089.450.44414.63H2O1813.4412.590.2427.98總計103.361003.032100.01106.721003.032100第四十頁，共八十三頁，2022年，8月28日從計算結(jié)果知，每產(chǎn)生106.72mol的煙道氣需加入100mol空氣，所以產(chǎn)生100mol煙道氣需要加入的空氣量是：100×100／106.72＝93.7（mol）第四十一頁，共八十三頁，2022年，8月28日例：在鼓泡反應(yīng)器中進(jìn)行苯的氯化反應(yīng)生產(chǎn)氯苯，主反應(yīng)為：C6H6＋Cl2→C6H5Cl＋HCl同時有副反應(yīng)發(fā)生，生成二氯苯和三氯苯，反應(yīng)如下：C6H6＋2Cl2→C6H4Cl2＋2HClC6H6＋3Cl2→C6H3Cl3＋3HCl已知鼓泡反應(yīng)器的產(chǎn)品中，主、副反應(yīng)產(chǎn)物和未反應(yīng)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(zhuǎn)化率；(2)氯苯的收率；(3)反應(yīng)的選擇性；(4)反應(yīng)生成的氯化氫總量；(5)反應(yīng)消耗的氯氣總量。第四十二頁，共八十三頁，2022年，8月28日解：以100kg產(chǎn)物氯苯為計算基準(zhǔn)。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(zhǔn)，出口產(chǎn)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(yīng)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(yīng)的苯200kg，因此需要加入的苯的總量為：69.33＋4.245＋0.688＋200＝274.3kg第四十三頁，共八十三頁，2022年，8月28日（1）苯的轉(zhuǎn)化率苯的轉(zhuǎn)化量＝69.33十4.245十0.688＝74.3kg,苯的加入量＝274.3kg所以苯的轉(zhuǎn)化率X＝74.3／274.3＝0.2709（2）氯苯的收率Y（3）反應(yīng)的選擇性S第四十四頁，共八十三頁，2022年，8月28日（4）反應(yīng)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：

因此，生成的氯化氫總量為：32.4＋3.97＋0.966＝37.35kg第四十五頁，共八十三頁，2022年，8月28日(5)反應(yīng)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(yīng)消耗的氯氣總量為：63.11＋7.728＋1.878＝72.72kg第四十六頁，共八十三頁，2022年，8月28日（2）元素平衡法（原子衡算法）方法：因為反應(yīng)前后的物質(zhì)雖然分子結(jié)構(gòu)不同，但都是由相同元素組成的。所以反應(yīng)前后各元素原子的量是守衡的，然后依每個分子結(jié)構(gòu)通過相應(yīng)元素的量（原子數(shù)的比值）計算出各個未知的具體量。適用范圍：①反應(yīng)過于復(fù)雜，即反應(yīng)式明確但較多，包含有平行、連串等反應(yīng)時；②反應(yīng)式不太明確，無法寫出時。第四十七頁，共八十三頁，2022年，8月28日例合成氣組成為0.4%CH4、52.8%H2、38.3%CO、5.5%CO2、0.1%O2和2.9%N2（體積百分?jǐn)?shù)）。若用10%過量空氣燃燒，設(shè)燃燒氣中不含CO，試計算燃燒氣組成。解法Ⅰ用原子衡算法求解。畫出示意圖。

第四十八頁，共八十三頁，2022年，8月28日

H：0.4%×1000×4+52.8%×1000×2=1072mol＝2CC：0.4%×1000+38.3%×1000+5.5%×1000=442mol＝BO：38.3%×1000+5.5%×1000×2+0.1%×1000×2＋0.21A×2=2B＋C＋2DN：2.9%×1000×2＋0.79A×2=2E對O2作物料衡算，輸入量+產(chǎn)生量=輸出量+消耗量0.21A+0.1%×1000＝D+0.1%×1000+0.21A/1.1解之得：A＝2422.4mol，B＝442mol，C=536mol，D＝46.3mol，E＝1943mol基準(zhǔn)：1000mol合成氣。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第四十九頁，共八十三頁，2022年，8月28日物料分子量輸入輸出molmol%Kgwt%molmol%Kgwt%H2252815.421.0561.24CH41640.120.0640.08CO2838311.1910.72412.62CO244551.612.4202.8544214.919.44822.88O232508.8+114.8916.31419.2046.21.561.4821.74N22829+191456.7754.40464.02194365.4854.40464.02H2O1853618.069.64811.35總計3422.810084.982100.012967.310084.98299.99第五十頁，共八十三頁，2022年，8月28日例：丙烷充分燃燒時要使空氣過量25％,燃燒反應(yīng)方程式為：

C3H8＋5O2→CO2＋4H2O

求每100mol燃燒產(chǎn)物(煙道氣)需要加入多少丙烷和空氣。解：以l00mol煙道氣作基準(zhǔn)進(jìn)行物料衡算第五十一頁，共八十三頁，2022年，8月28日作C原子平衡得：3B＝P作H原子平衡得：8B＝2Q作O原子平衡得：0.21A×2＝2P＋Q＋2M作N平衡得：0.79A×2＝N×2由以l00mol煙道氣作基準(zhǔn)得：P+Q+M+N＝100作O2平衡得：0.21A×（0.25／1.25）＝M

第五十二頁，共八十三頁，2022年，8月28日解上述方程組得：A＝93.76mol，B＝3.148mol，因此，100mol煙道氣需要加入空氣93.76mol，加入丙烷3.148mol。第五十三頁，共八十三頁，2022年，8月28日（3）以化學(xué)平衡進(jìn)行衡算

化學(xué)反應(yīng)中，當(dāng)正反應(yīng)與逆反應(yīng)的反應(yīng)速率相等時，即達(dá)到化學(xué)平衡，在定T、定P，且反應(yīng)物的濃度不變時，平衡將保持穩(wěn)定，此時需借助化學(xué)反應(yīng)平衡常數(shù)與濃度之間的關(guān)系式計算。第五十四頁，共八十三頁，2022年，8月28日例試計算合成甲醇過程中反應(yīng)混合物的平衡組成。設(shè)原料氣中H2與CO摩爾比為4.5，惰性組分含量為13.8%，壓力為30MPa，溫度為365℃，平衡常數(shù)Kp=2.505×10-3MPa-2。解：分析：由Kp可看出，此題是當(dāng)作理想氣體混合物進(jìn)行簡化計算的。依題意求yi，需求出反應(yīng)后的ni和n，因發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，應(yīng)對每個組分進(jìn)行物料衡算，方可確定。第五十五頁，共八十三頁，2022年，8月28日化學(xué)反應(yīng)式：CO+2H2→CH3OH

①首先計算出原料氣的摩爾組成：含惰性組分13.8%，(H2+CO)為1－13.8%=86.2%，需分別求出H2和CO的組成含量。原料氣中H2與CO摩爾比為4.5H2[4.5/(1+4.5)]×86.2%=70.53%；CO(1/5.5)×86.2%=15.67%

惰性氣體13.8%；②基準(zhǔn)：1mol原料氣，平衡轉(zhuǎn)化率為XCO。第五十六頁，共八十三頁，2022年，8月28日CO+2H2→CH3OH平衡時n/mol：0.1567(1-xCO)0.7053-2×0.1567xCO0.1567xCO開始n/mol：0.15670.7053轉(zhuǎn)化量n/mol：0.1567xCO2×0.1567xCO惰性氣體：0.138第五十七頁，共八十三頁，2022年，8月28日

試差得XCO=0.4876

第五十八頁，共八十三頁，2022年，8月28日③平衡時組成：CO：0.1567×(1-0.4876)=0.0803molH2：0.7053－2×0.1567×0.4876=0.5525molCH3OH：0.1567×0.4876=0.0764mol惰性氣體0.138mol=1－0.3134×0.4876=0.8472mol摩爾組成：第五十九頁，共八十三頁，2022年，8月28日若某產(chǎn)物P的收率已知，根據(jù)收率的定義式，便可求出一定產(chǎn)量下的加料量。例如有一連串反應(yīng)，其計量關(guān)系為A→P→Q，已知P的摩爾收率Yp＝0.8，P的產(chǎn)量為100kmol／h，根據(jù)收率的定義式有：因而，A的加料量＝100/0.8＝125(kmol/h)(4)根據(jù)收率數(shù)據(jù)作物料衡算第六十頁，共八十三頁，2022年，8月28日例：乙烯氧化制環(huán)氧乙烷的反應(yīng)器中進(jìn)行如下反應(yīng)：反應(yīng)器進(jìn)口混合氣體的流量為45000m3(STP)/h，組成如下：乙烯的轉(zhuǎn)化率為32％，反應(yīng)選擇性為69％，求反應(yīng)器出口氣體的組成和流量。第六十一頁，共八十三頁，2022年，8月28日轉(zhuǎn)化率收率選擇性

Y＝S·X第六十二頁，共八十三頁，2022年，8月28日解：環(huán)氧乙烷的收率＝0.32×0.69＝0.2208CO2的收率＝0.32(1－0.69)＝0.0992因此，反應(yīng)器出口氣體各組分的流量為：乙烯

環(huán)氧乙烷

CO2

第六十三頁，共八十三頁，2022年，8月28日H2ON2

O2反應(yīng)器的物料平衡表如下：第六十四頁，共八十三頁，2022年，8月28日（5）具有循環(huán)和旁路過程的物料衡算在化工生產(chǎn)中，由于受到化學(xué)平衡、相平衡以及反應(yīng)速度等多種因素的限制，原料往往不能完全轉(zhuǎn)比為產(chǎn)品，為了提高原料利用率，增加產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)效益，可采取循環(huán)操作。

循環(huán)操作就是把反應(yīng)后得到的產(chǎn)品，經(jīng)全部分離或部分分離后，將其剩余的物料重新返回系統(tǒng)，與新鮮原料混合繼續(xù)進(jìn)行加工。第六十五頁，共八十三頁，2022年，8月28日循環(huán)流程的優(yōu)點：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。循環(huán)流程的缺點：循環(huán)體系中惰性物質(zhì)和其他雜質(zhì)會逐漸積累，對反應(yīng)速率和產(chǎn)品產(chǎn)率有影響，必需定期排出這些物質(zhì)以避免積累。另外，大量循環(huán)物料的輸送會消耗較多動力，所以對于那些反應(yīng)后絕大部分原料均轉(zhuǎn)化為目的產(chǎn)物的過程，不必采用循環(huán)流程。第六十六頁，共八十三頁，2022年，8月28日通常可采用下列兩種算法：①試差法（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(nèi)。②代數(shù)解法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。具體做法：一般在衡算時，先進(jìn)行總的過程衡算，再對循環(huán)系統(tǒng)列出方程式求解。

在沒有循環(huán)時，一系列單元步驟的物料平衡可按順序依次進(jìn)行。但是若有循環(huán)物料時，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。

第六十七頁，共八十三頁，2022年，8月28日例題：在銀催化劑作用下，乙烯可被空氣氧化成環(huán)氧乙烷（C2H4O），副反應(yīng)是乙烯完全氧化生成CO2和H2O。已知離開氧化反應(yīng)器的氣體干基組成為：

C2H43.22%，N279.64%，O210.81%，C2H4O0.83%，CO25.5%（均為體積分?jǐn)?shù)）。該氣體進(jìn)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，由吸收塔頂逸出后排放少量至系統(tǒng)外，其余循環(huán)回氧化反應(yīng)器。計算（1）乙烯的單程轉(zhuǎn)化率；（2）生成環(huán)氧乙烷的選擇性；（3）循環(huán)比；（4）新鮮原料中乙烯和空氣量之比。第六十八頁，共八十三頁，2022年，8月28日

解：對題目進(jìn)行初步分析，分析與計算同步進(jìn)行：①此題因有循環(huán)，采用代數(shù)解法。②由轉(zhuǎn)化率和選擇性的概念可知，需計算反應(yīng)過程中的變化量，即需要進(jìn)行物料衡算才能得知。③由題給條件——離開反應(yīng)器的氣體干基組成，可選定計算基準(zhǔn)為反應(yīng)器出口氣中100mol干氣。④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(biāo)明各組分量。⑤因為有兩個反應(yīng)式，組分也較多，所以采用原子衡算法計算。第六十九頁，共八十三頁，2022年，8月28日該過程的流程方框圖如下：計算基準(zhǔn)：反應(yīng)器出口氣中100mol干氣。令新鮮原料氣（FF）中C2H4量為Xmol，空氣為Ymol（含79%N2和21%O2）；排放氣為Wmol；乙烯完全氧化生成的水量為Zmol。FreshfluidMixfluidproductRecyclefeedReactionproductSeparateproductwaste第七十頁，共八十三頁，2022年，8月28日C2H4XmolO2N2空氣YmolWmolC2H43.22%N279.64%O210.81%C2H4O0.83%CO25.5%H2O

ZmolH2O

ZmolC2H4O0.83molC2H4N2O2CO2C2H4N2O2CO2C2H4N2O2CO2C2H4N2O2CO2C2H4+0.5O2→C2H4OC2H4+3O2→2CO2+2H2O基準(zhǔn)：100mol干氣第七十一頁，共八十三頁，2022年，8月28日

（1）確定反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)分離后的各部分的量。分析：由流程方框圖可知，物流RP分離成P和SP，SP分流為RC和W，該兩過程均無化學(xué)反應(yīng)，且SP、RC和W三者的組成相同。則各部分的量：SP=RP－P；RC=SP－W又環(huán)氧乙烷和水蒸氣全部溶解于水中，則P=100×0.83%+Z。（2）確定進(jìn)入反應(yīng)器的混合物料量。分析：進(jìn)反應(yīng)器的氣體MF由新鮮原料氣FF和循環(huán)氣RC組成，混合過程無化學(xué)反應(yīng)，則MF=FF+RC。第七十二頁，共八十三頁，2022年，8月28日RP、P、SP、W中各組分物質(zhì)的量和組成表物料RP（出反應(yīng)器氣）P（產(chǎn)物）SP（出吸收塔氣）W（排放氣）mol干基mol%molmolmol%molmol%C2H43.223.223.223.250.0325W3.25O210.8110.8110.8110.900.109W10.90N279.6479.6479.6480.300.803W80.30C2H4O0.830.830.83CO25.55.55.55.550.0555W5.55H2OZZ總計100+Z1000.83+Z99.17100W100第七十三頁，共八十三頁，2022年，8月28日RC、FF和MF中各組分物質(zhì)的量和組成表物料RC（循環(huán)氣=SP-W）FF（新鮮原料氣）MF（混合原料氣）molmol%molmol%mol%C2H43.22-0.0325W3.25X3.22-0.0325W+XO210.81-0.109W10.900.21Y2110.81-0.109W+0.21YN279.64-0.803W80.300.79Y7979.64-0.803W+0.79YC2H4OCO25.5-0.0555W5.555.5-0.0555WH2O總計99.17-W100X+Y100X+Y+99.17-W第七十四頁，共八十三頁，2022年，8月28日（3）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(chǎn)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，可不考慮，則總系統(tǒng)衡算圖為：第七十五頁，共八十三頁，2022年，8月28日用原子衡算法計算：

FF中某元素的原子總的物質(zhì)的量（mol）

=P中該元素的原子總的物質(zhì)的量（mol）

+W中該元素的原子總的物質(zhì)的量（mol）C：2X=