化工設計：第三講物料衡算

化工工藝計算化工工藝計算物料衡算能量衡算設計計算前的準備工作工藝性資料的收集（1）生產(chǎn)步驟各步驟所需的原料，中間體規(guī)格成品的規(guī)格和物化性質每批加料量或單位時間進料量各生產(chǎn)步驟的產(chǎn)率（2）工藝流程圖及說明；設計計算前的準備工作工藝性資料的收集（3）具體的工藝操作條件（溫度T、壓力P）；（4）反應數(shù)據(jù)（計量學、動力學）（5）熱力學參數(shù)（焓、熱容、泡點、露點、潛熱等）（6）流體輸送過程參數(shù)（粘度、導熱系數(shù)、表面張力等）（7）傳質過程系數(shù)，相平衡數(shù)據(jù)。（8）介質物性和材質性能，材質數(shù)據(jù)，腐蝕數(shù)據(jù)設計計算前的準備工作工藝性資料的收集（9）車間平立面布置的參考資料。（10）管道設計資料（管道配置、管道材質、架設方式、管件、閥件等）（11）環(huán)境保護、安全保護等規(guī)范和資料。設計計算前的準備工作工程性資料的收集：（1）氣象、地質資料。（2）公用工程的消耗量，輔助設施能力。（3）總圖運輸、原料輸送方式、儲存方式。（4）上、下水資料。（5）配電工程資料。（6）儀表自控資料等。設計計算前的準備工作資料的來源：（1）科研單位（研究報告）（2）設計單位（設計圖紙、設計說明書）；（3）基建單位（廠址方案、基建工程資料和安裝工程資料）；（4）生產(chǎn)單位設計計算前的準備工作資料的來源：（5）可行性研究報告、各國文摘和專利、各類工藝書籍、各類調查報告、各種化工過程與設備計算等書籍。物料衡算物料衡算是化工工藝設計的基礎；物料衡算的任務根據(jù)化工裝置的生產(chǎn)規(guī)模、已知的基本數(shù)據(jù)，通過對化工過程中每個單元過程的物料衡算，計算原料定額、三廢排放量及三廢的組成，為化工設計提供量化基礎。物料衡算理論基礎是質量守恒；方程式：(Fi-Fo)+(Dp-Dr)=WFi

為進入系統(tǒng)的物料量；Fo

為從系統(tǒng)流出的物料量；Dp

為在系統(tǒng)內生成的物料量；Dr為在系統(tǒng)內消耗的物料量；W為在系統(tǒng)中累計的物料量；無化學反應Fi-Fo=W連續(xù)穩(wěn)定操作過程(Fi-Fo)+(Dp-Dr)=0物料衡算計算基準時間為基準，如小時、秒，多用于連續(xù)操作；單位質量為基準，如噸、千克，主要用于計算原料消耗；物質的量基準：對于有化學反應的過程，因化學反應的按摩爾進行的，用物質的量基準更方便；一批物料為基準，多用于分批（間歇）操作；單位體積為基準，對氣體物料進行衡算，采用標準體積m3(STP)，既排除T、p的影響，又可直接換算為摩爾；干濕基準：由于物料中均含有一定量的水分，選用基準時就有算不算水分的問題。濕基計算水分，干基不計算水分。計算過程中，應采用統(tǒng)一的標準物料衡算計算范圍示意圖衡算范圍：物料衡算計算對象總質量平衡任何體系對象，雖然某一組份的質量或摩爾數(shù)不一定守恒，其總質量是守恒的組份平衡物理過程，體系內各組份的質量和摩爾數(shù)都是守恒的；化學過程中，體系內不發(fā)生化學反應的惰性組份的質量和摩爾數(shù)是守恒的；對于參與反應的組份：對于組份A加入系統(tǒng)A的量＝系統(tǒng)中轉化的A的量＋離開系統(tǒng)A的量＋在系統(tǒng)中累計的A的量元素平衡無論什么過程，平衡總是成立的。物料衡算計算步驟畫出物料平衡計算框圖；寫出化學反應方程式（包括主、副反應）寫明指定產(chǎn)量、年工作日生產(chǎn)能力、產(chǎn)率、產(chǎn)品純度；選定計算基準；收集計算需要的數(shù)據(jù)；進行物料衡算；編寫物料平衡表，畫出物料平衡圖。轉化率、收率和選擇性目的產(chǎn)物的收率Y關健組份轉化率X轉化率、收率和選擇性目的產(chǎn)物的選擇性S循環(huán)比混合比轉化率、收率和選擇性總轉化率單程轉化率轉化率、收率和選擇性總收率單程收率轉化率、收率和選擇性在由鄰二甲苯經(jīng)空氣氧化生成鄰苯二甲酸酐的反應中，其反應方程式如下：經(jīng)試驗測得，物料進口主要化合物為鄰二甲苯100mol；出口物料為鄰苯二甲酸酐78.2mol、馬來酸酐6.44mol、二氧化碳146.64mol。求目的產(chǎn)物鄰苯二甲酸酐的選擇性。轉化率、收率和選擇性解：轉化了的鄰二甲苯量為：

78.2＋6.44＋(146.64－6.44×4)/8=99.75選擇性＝78.2/99.75×100%=78.39%系統(tǒng)或設備中物理過程的物料平衡物料混合時的物料平衡在氯苯用混酸（H2SO4、HNO3、H2O）進行硝化時，原料酸為98%（質量百分數(shù)，下同）的濃硫酸、98%的濃硝酸和70%的硫酸，配置成含硫酸51%、含硝酸44%和含水5%的混酸1000kg，試計算原料酸的用量。系統(tǒng)或設備中物理過程的物料平衡解：設98%的濃硫酸用量為xkg、98%的濃硝酸和ykg、70%的硫酸為zkg，則：

x+y+z=1000kg

對于組份硫酸、硝酸和水，根據(jù)質量守恒進行衡算如下：對于硫酸：0.98x+0.7z=1000×51%對于硝酸：0.98y=1000×44%

對于水：0.02x+0.02y+0.3z=1000×0.05x=444kg

y=449kgz=107kg系統(tǒng)或設備中物理過程的物料平衡蒸餾過程的物料平衡連續(xù)常壓蒸餾塔進料為苯38%（質量百分數(shù)，下同）和甲苯62%的混合溶液，要求餾出液中能回收原料中97%的苯，釜殘液中含苯不高于2%，進料流量為20000kg/hr，求餾出液和釜殘液的流量和組成。系統(tǒng)或設備中物理過程的物料平衡解：以1小時為計算基準，進入塔中的苯質量為20000×38%＝7600kg，甲苯為12400kg；塔頂餾出物中苯的質量為：7600×97%=7372kg

釜殘液中苯的質量為：7600－7372＝228kg釜殘液的質量為：228/2%＝11400kg塔頂餾出物的流量為：20000－11400＝8600kg塔頂餾出物的組成為：7372/8600×100%＝85.7%系統(tǒng)或設備中物理過程的物料平衡吸收過程的物料平衡用清水吸收含二氧化硫5%(體積百分數(shù))的混合氣，混合氣流量為1000m3/hr，吸收率90%，吸收溫度為20℃，操作壓力為0.1013MPa，試計算最小用水量。二氧化硫20℃溶解度數(shù)據(jù)如下：二氧化硫（kgSO2/100KgH2O）10.70.50.30.20.15液面上SO2分壓（kPa）7.865.23.461.961.10.77系統(tǒng)或設備中物理過程的物料平衡解：吸收前二氧化硫分壓為0.1013×5%=5.065kPa,插值查得水中溶解二氧化硫的量為：0.69kgSO2/100KgH2O需要吸收掉的二氧化硫量為：1000×5%/22.4*273/(273+20)*90%=1.872kmol=119.8kg則需要水:119.8/0.69*100=17.36t/hr

化學反應過程系統(tǒng)或設備的物料平衡應用元素平衡的原子平衡法進行物料衡算丙烷充分燃燒時要使用過量25%（摩爾百分數(shù)）的空氣，燃燒反應方程式為求每100mol燃燒產(chǎn)物，需要多少丙烷和空氣。化學反應過程系統(tǒng)或設備的物料平衡解：基準：1mol原料氣C3H8燃燒用氧5mol；實際供氧5×1.25=6.25mol；供給空氣量6.25/0.21=29.76mol；其中氮氣量23.51mol;產(chǎn)生：CO23mol；

H2O4mol；

O21.25mol；

N223.51mol；合計31.76mol；x==93.7mol化學反應過程系統(tǒng)或設備的物料平衡解：根據(jù)質量守恒定律，反應前后各元素的原子數(shù)不變，設：煙道氣中N2的物質的量為N煙道氣中CO2的物質的量為P煙道氣中H2O的物質的量為Q煙道氣中O2的物質的量為M入口空氣的物質的量A入口丙烷的物質的量BN2平衡：0.79A＝NO2平衡：0.21A×0.25/1.25=M碳平衡：B＝P/3氫平衡：B＝Q/4

氧平衡：0.21A＝M＋Q/2+PN＋M＋P＋Q＝100解上述方程，得：A＝93.76mol,B=3.148mol

100帶循環(huán)物流的過程乙醇脫氫生成乙醛的反應為：C2H5OH→

CH3CHO+H2流程如圖所示，新鮮原料N1為乙醇，粗產(chǎn)物N3為乙醇、乙醛和氫，分離設備將乙醇從粗產(chǎn)物中分離出來：假設未反應的乙醇全部循環(huán)，其單程轉化率為60%，求其循環(huán)比（N4/N5）、混合比（N4/N1）。混合器反應器分離設備N1N2N3N5N4作業(yè)用空氣氧化鄰二甲苯生產(chǎn)苯酐，原料流量為205kg/hr鄰二甲苯和4500m3/h