在循環(huán)存在時列出物料平衡方程式課件

第6節(jié)物料衡算（一）物料衡算的基本方法（二）無化學(xué)反應(yīng)的物料衡算（三）反應(yīng)過程的物料衡算（四）過程的物料衡算§3-6化工過程的物料衡算第6節(jié)物料衡算（一）物料衡算的基本方法§3-6化工過程的（一）物料衡算的基本方法1、物料衡算進(jìn)行的步驟2、物料衡算式3、物料衡算的基準(zhǔn)§3-6化工過程的物料衡算（一）物料衡算的基本方法1、物料衡算進(jìn)行的步驟§3-6化工（一）物料衡算的基本方法1、物料衡算進(jìn)行的步驟⑴畫出物料衡算示意圖(如方框圖)⑵寫出化學(xué)反應(yīng)方程式（包括主反應(yīng)和副反應(yīng)）⑶列出已知數(shù)據(jù)和由物料平衡所需要求解的問題⑷決定系統(tǒng)的邊界.即根據(jù)由物料平衡所需要求解的問題,確定計(jì)算范圍.⑸選定計(jì)算基準(zhǔn)⑹收集計(jì)算所需要的數(shù)據(jù)⑺進(jìn)行物料衡算⑻將物料衡算結(jié)果列成物料平衡表，畫出物料平衡圖§3-6化工過程的物料衡算（一）物料衡算的基本方法1、物料衡算進(jìn)行的步驟⑴畫出物料衡算（一）物料衡算的基本方法2、物料衡算式物料衡算是研究某一個體系內(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)際需要人為的選定。體系可以是一個設(shè)備或幾個設(shè)備，也可以是一個單元操作或整個化工過程。進(jìn)行物料衡算時，必須首先確定衡算的體系。根據(jù)質(zhì)量守恒定律，對某一個體系，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：§3-6化工過程的物料衡算（一）物料衡算的基本方法2、物料衡算式物料衡算是研究某一個體式中生成或消耗是因反應(yīng)而生成或消耗的量;積累項(xiàng)可正可負(fù).當(dāng)積累項(xiàng)不為零時，稱為非穩(wěn)定過程;積累項(xiàng)為零時,稱為穩(wěn)定過程.對無反應(yīng)的穩(wěn)定過程:輸入=輸出體系中積累=輸入－輸出+生成－消耗穩(wěn)定過程:輸入=輸出－生成+消耗§3-6化工過程的物料衡算（一）物料衡算的基本方法式中生成或消耗是因反應(yīng)而生成或消耗的量;積累項(xiàng)可正可負(fù).當(dāng)積如圖，共有三個流股，進(jìn)料F及出料P和W。有兩個組分。每個流股的流量及組成如圖所示。圖中x為質(zhì)量分?jǐn)?shù)?？闪谐鑫锪虾馑闶剑嚎偽锪虾馑闶?/p>

F=P+W每種組分衡算式

F·xf1=P·xp1+W·xw1

F·xf2=P·xp2+W·xw2§3-6化工過程的物料衡算（一）物料衡算的基本方法如圖，共有三個流股，進(jìn)料F及出料P和W。有兩個組分。每個流股平衡式類型物料平衡形式無化學(xué)反應(yīng)有化學(xué)反應(yīng)總平衡式總質(zhì)量平衡式總物質(zhì)的量平衡式是是是非組分平衡式組分質(zhì)量平衡式組分物質(zhì)的量平衡式是是非非元素原子平衡式元素原子質(zhì)量平衡式元素原子物質(zhì)的量平衡式是是是是物料平衡形式（穩(wěn)態(tài)過程）§3-6化工過程的物料衡算（一）物料衡算的基本方法平衡式類型物料平衡形式無化學(xué)反應(yīng)有化學(xué)反應(yīng)總平衡式總質(zhì)量平衡3、物料衡算的基準(zhǔn)基準(zhǔn)選得適當(dāng)可是計(jì)算簡化。究竟采用什么作基準(zhǔn)視具體情況而定，不宜硬性規(guī)定，可建議：以1t產(chǎn)品為基準(zhǔn)以1mol某反應(yīng)物為基準(zhǔn)在連續(xù)操作中，以單位時間，即㎏/h或kmol/h作基準(zhǔn)；在間歇操作中，以㎏/批為基準(zhǔn)有化學(xué)變化的過程，適宜采用重量作基準(zhǔn)；無化學(xué)變化的過程，以重量或kmol/h為基準(zhǔn)對于液固系統(tǒng)常用單位質(zhì)量作基準(zhǔn)，而其相常用單位體積作基準(zhǔn)§3-6化工過程的物料衡算（一）物料衡算的基本方法3、物料衡算的基準(zhǔn)基準(zhǔn)選得適當(dāng)可是計(jì)算簡化。究竟采用什么作基某尿素廠的生產(chǎn)能力為6萬t尿素/a,年操作日300d，尿素的氨耗為0．6t氨/t尿素，生產(chǎn)過程的氨損失按5％考慮，已知以1t氨為基準(zhǔn)的某股氣體的組成和量如下表所示。組成CO2COH2N2CH4

合計(jì)％(mol)28.561.252.6117.050.575100kmol54.302.29100.0432.431.093190.99列出該股氣體的組成和流量表.解:小時產(chǎn)量為

60000×0.6×1.05300×24=5.25t/h§3-6化工過程的物料衡算（一）物料衡算的基本方法某尿素廠的生產(chǎn)能力為6萬t尿素/a,年操作日300d，尿素的以1t氨為基準(zhǔn)的各組分的kmol量乘以5.25所得結(jié)果為流量.氣體的流量和組成如下表所示:組成CO2COH2N2CH4

合計(jì)％(mol)28.561.252.6117.050.575100kmol/h285.112.02525.2170.25.74998.3§3-6化工過程的物料衡算（一）物料衡算的基本方法以1t氨為基準(zhǔn)的各組分的kmol量乘以5.25所得結(jié)果為流量（二）無化學(xué)反應(yīng)的物料衡算1、簡單過程的物料衡算2、多單元系統(tǒng)在化工過程中，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。

§3-6化工過程的物料衡算（二）無化學(xué)反應(yīng)的物料衡算1、簡單過程的物料衡算在化工過程中（二）無化學(xué)反應(yīng)的物料衡算1、簡單過程的物料衡算簡單過程是指僅有一個設(shè)備或一個單元操作或整個過程簡化成一個設(shè)備的過程。這種過程的物料衡算比較簡單，在物料流程簡圖中，設(shè)備邊界就是體系邊界。下面舉例說明計(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。

§3-6化工過程的物料衡算（二）無化學(xué)反應(yīng)的物料衡算1、簡單過程的物料衡算簡單過程是指解：設(shè)

x為廢酸量，kg；

y為濃H2SO4量，kg；

z為濃HNO3量,㎏

⑴畫物料流程簡圖（二）無化學(xué)反應(yīng)的物料衡算§3-6化工過程的物料衡算解：設(shè)

x為廢酸量，kg；（二）無化學(xué)反應(yīng)⑵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。⑶列物料衡算式，該體系有3種組分，可以列出3個獨(dú)立方程，所以能求出3個未知量。

基準(zhǔn)：100kg混合酸總物料衡算式

x+y+z=100

(1)（二）無化學(xué)反應(yīng)的物料衡算§3-6化工過程的物料衡算⑵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。（二）無化學(xué)反應(yīng)的物料衡算§3-6化工過程的物料衡算H2SO4的衡算式

0.57x+0.93y=102、多單元系統(tǒng)對有多個設(shè)備的過程，進(jìn)行物料衡算時，可以劃分多個衡算體系。此時，必須選擇恰當(dāng)?shù)暮馑泱w系，這是很重要的步驟。不然會使計(jì)算繁瑣，甚至無法求解。

造紙廠的堿回收工序有一個四效蒸發(fā)器,供料方式為Ⅲ→Ⅳ→Ⅱ→Ⅰ,蒸發(fā)器的總處理量為80000㎏/h造紙廢液(黑液).計(jì)算總蒸發(fā)水量和每一效蒸發(fā)器的蒸發(fā)水量.（二）無化學(xué)反應(yīng)的物料衡算§3-6化工過程的物料衡算2、多單元系統(tǒng)對有多個設(shè)備的過程，進(jìn)行物料衡算時，可以劃分多四效蒸發(fā)系統(tǒng)的物料平衡（二）無化學(xué)反應(yīng)的物料衡算§3-6化工過程的物料衡算四效蒸發(fā)系統(tǒng)的物料平衡（二）無化學(xué)反應(yīng)的物料衡算§3-6化將整個系統(tǒng)簡化為一個單元，可計(jì)算出總蒸發(fā)量FX進(jìn)=（F進(jìn)-W）X出則總蒸發(fā)水量為（二）無化學(xué)反應(yīng)的物料衡算§3-6化工過程的物料衡算將整個系統(tǒng)簡化為一個單元，可計(jì)算出總蒸發(fā)量則總蒸發(fā)水量為（二第三效蒸發(fā)水量為則第Ⅳ效的蒸發(fā)水量WⅣ為進(jìn)入第Ⅳ的料液量80000-12600=67400kg/h類推得：ＷⅡ＝15000kg/h

ＷⅠ＝18100kg/h（二）無化學(xué)反應(yīng)的物料衡算§3-6化工過程的物料衡算第三效蒸發(fā)水量為則第Ⅳ效的蒸發(fā)水量WⅣ為進(jìn)入第Ⅳ的料液量（三）反應(yīng)過程的物料衡算1、直接計(jì)算法在物料衡算中,根據(jù)化學(xué)反應(yīng)式,運(yùn)用化學(xué)計(jì)量系數(shù)進(jìn)行計(jì)算的方法,稱為直接計(jì)算法甲醇氧化制甲醛,其反應(yīng)過程為

CH3OH+1/2O2→HCHO+H2O反應(yīng)物及生成物均為氣態(tài)．甲醇的轉(zhuǎn)化率為75％，若使用50％的過量空氣，試計(jì)算反應(yīng)后氣體混合物的摩爾組成．§3-6化工過程的物料衡算（三）反應(yīng)過程的物料衡算1、直接計(jì)算法在物料衡算中,根據(jù)化學(xué)（三）反應(yīng)過程的物料衡算解：畫出流程示意圖，如下圖：催化反應(yīng)器CH3OH空氣CH3OHHCHOH2OO2N2（過量50%)

基準(zhǔn)：1molCH3OH根據(jù)反應(yīng)式，需氧＝0.5氧入=0.5×1.5=0.75氮入＝氮出＝0.75×(79/21)=2.82§3-6化工過程的物料衡算（三）反應(yīng)過程的物料衡算解：畫出流程示意圖，如下圖：催化反應(yīng)反應(yīng)的甲醇量＝0.75×1=0.75甲醛的出量＝0.75甲醇的出量＝1－0.75=0.25氧的出量＝0.75－0.75×0.5=0.375水的出量＝0.75計(jì)算結(jié)果如下表：

組分CH3OHHCHOH2OO2N2

總計(jì)

mol0.2500.7500.7500.3752.8204.945摩爾分?jǐn)?shù)（％）5.015.215.27.657.0100.0（三）反應(yīng)過程的物料衡算§3-6化工過程的物料衡算反應(yīng)的甲醇量＝0.75×1=0.75甲醛的出量＝0.75２、元素衡算法

元素衡算是物料衡算的一種重要形式。在作這類衡算時，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)對反應(yīng)過程中化學(xué)反應(yīng)很復(fù)雜，無法用一、兩個反應(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）反應(yīng)過程的物料衡算§3-6化工過程的物料衡算２、元素衡算法元素衡算是物料衡算的一種重要形式。在作這類衡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，在整個反應(yīng)過程中，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

（三）反應(yīng)過程的物料衡算§3-6化工過程的物料衡算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４、以節(jié)點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算⊙節(jié)點(diǎn)分流B分流C分流A⊙節(jié)點(diǎn)ABC節(jié)點(diǎn)示意圖以流程中某一點(diǎn)的匯聚或分支處的交點(diǎn)，即節(jié)點(diǎn)來進(jìn)行計(jì)算可使計(jì)算簡化，如原料加入到循環(huán)系統(tǒng)中、物料的混合、溶液的配制以及精流塔塔頂回流和產(chǎn)品取出等，均需采用節(jié)點(diǎn)來進(jìn)行計(jì)算（三）反應(yīng)過程的物料衡算§3-6化工過程的物料衡算４、以節(jié)點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算⊙節(jié)點(diǎn)分流B分流C分流A⊙節(jié)點(diǎn)ABC節(jié)點(diǎn)示５、利用反應(yīng)速率進(jìn)行物料衡算在以物質(zhì)的量（摩爾）或質(zhì)量進(jìn)行衡算時，由于發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，將輸入與輸出速率之差RC定義為物質(zhì)C的量（摩爾）生成速率，即

RC=FC，輸入-FC，輸出因此，化學(xué)反應(yīng)過程的物料衡算式可寫成

FC，輸出=FC，輸入

-RC（三）反應(yīng)過程的物料衡算§3-6化工過程的物料衡算５、利用反應(yīng)速率進(jìn)行物料衡算在以物質(zhì)的量（摩爾）或質(zhì)量進(jìn)行衡（四）過程的物料衡算1、循環(huán)過程例如在生產(chǎn)中一般將未反應(yīng)的原料與產(chǎn)品先分離，后循環(huán)返回原料進(jìn)口處，與新原料一起再進(jìn)入反應(yīng)器反應(yīng)例如苯直接加氫轉(zhuǎn)化環(huán)己烷中的循環(huán)過程：混合器泠凝器新鮮Ｈ2純C6H6循環(huán)Ｈ280%Ｈ220%C6H6產(chǎn)物3%H2反應(yīng)器§3-6化工過程的物料衡算（四）過程的物料衡算1、循環(huán)過程例如在生產(chǎn)中一般將未反應(yīng)的在沒有循環(huán)時，一系列單元步驟的物料衡算可