物料衡算与能量衡算概论课件.ppt

1、1/10602/106化工过程及过程参数化工过程及过程参数化工工艺流程化工工艺流程物料衡算物料衡算热量衡算热量衡算3/1063.1 3.1 工艺过程及过程参数工艺过程及过程参数主要内容包括：主要内容包括：化工过程；化工过程；化工工艺流程；化工工艺流程；化工过程开发；化工过程开发；1.化工过程基本参数化工过程基本参数温度、压力、流量、化学组成等基本概念。温度、压力、流量、化学组成等基本概念。化工计算化工计算主要是应用守恒定律来研究化工过程的物料衡算和主要是应用守恒定律来研究化工过程的物料衡算和能量衡算问题。在进行计算时，必须熟悉有关化工过程的一些能量衡算问题。在进行计算时，必须熟悉有关化工过程的

2、一些术语及基础知识。术语及基础知识。4/1063.1 3.1 工艺过程及过程参数工艺过程及过程参数3.1.1 3.1.1 化工过程化工过程化工过程：化工过程：是指由原料经化学处理和物理处理加工成化学是指由原料经化学处理和物理处理加工成化学产品或中间产品的生产过程。它包括许多工序，每个工序又由产品或中间产品的生产过程。它包括许多工序，每个工序又由若干个或若干组设备（如反应器、蒸馏塔、吸收塔、干燥塔，若干个或若干组设备（如反应器、蒸馏塔、吸收塔、干燥塔，分离器、换热器及输送设备等等）组合而成。物料通过各设备分离器、换热器及输送设备等等）组合而成。物料通过各设备时，完成某种化学或物理处理，最终成为合

3、格的产品。时，完成某种化学或物理处理，最终成为合格的产品。化工过程化工过程单元操作单元操作反应过程反应过程5/1063.1 3.1 工艺过程及过程参数工艺过程及过程参数3.1.1 3.1.1 化工过程化工过程化化工工过过程程单元操作：不改变物料的化学性质，只改变物理单元操作：不改变物料的化学性质，只改变物理性质。如流体输送、传热、蒸馏、干性质。如流体输送、传热、蒸馏、干燥、蒸发、结晶、萃取、吸收、吸附、燥、蒸发、结晶、萃取、吸收、吸附、过滤和破碎等过滤和破碎等反应过程：改变物料的化学性质。如氢和氮合反应过程：改变物料的化学性质。如氢和氮合成氨的反应；乙烯氧化成环氧乙烷成氨的反应；乙烯氧化成环氧

4、乙烷的反应。的反应。6/1063.1 3.1 工艺过程及过程参数工艺过程及过程参数3.1.1 3.1.1 化工过程化工过程化化工工设设备备所所进进行行的的主主要要操操作作 混合混合 化学反应是整个化工过程的核心。化学反应是整个化工过程的核心。平衡收率平衡收率反应速度反应速度控制或减少副反应控制或减少副反应分离或提纯分离或提纯蒸馏蒸馏结晶结晶萃取萃取改变温度改变温度改变压力改变压力7/1063.1 3.1 工艺过程及过程参数工艺过程及过程参数3.1.1 3.1.1 化工过程化工过程发现一种新的化学反应使之实施于生产或开发一个新的化发现一种新的化学反应使之实施于生产或开发一个新的化工过程，从技术角

5、度来考察，主要决定于下述三类因素：工过程，从技术角度来考察，主要决定于下述三类因素：（3）机械设备、仪表及控制手段：）机械设备、仪表及控制手段：（1）化学工艺因素：）化学工艺因素：（2）化学工程因素：）化学工程因素：反应体系本性、温度、压力、组成、催化剂等操作条件以及体系反应体系本性、温度、压力、组成、催化剂等操作条件以及体系的反应速度、转化率、循环比等。的反应速度、转化率、循环比等。体系的物性、相态、热性质、传递性质、传热传质方式、体系的物性、相态、热性质、传递性质、传热传质方式、物料物料（流体及固体）输送、反应技术、分离技术等。（流体及固体）输送、反应技术、分离技术等。设备材料、制造、贮运

6、、安装、维修、检测、备品备件、正常操设备材料、制造、贮运、安装、维修、检测、备品备件、正常操作及事故处理等。作及事故处理等。8/1063.1 3.1 工艺过程及过程参数工艺过程及过程参数3.1.2 3.1.2 化工过程化工过程化工过程常用化工过程常用流程图流程图来表示。所谓流程图，就是把生产过来表示。所谓流程图，就是把生产过程中物料经过的设备按其形状画出示意图，并画出各设备之间程中物料经过的设备按其形状画出示意图，并画出各设备之间的主要物料管线及其流向。简化的流程图可以用方框来表示设的主要物料管线及其流向。简化的流程图可以用方框来表示设备或设备组，称备或设备组，称方框流程图方框流程图。在工艺流

7、程设计中，还有其他类。在工艺流程设计中，还有其他类型的流程图，如表明物料量的型的流程图，如表明物料量的物料流程图物料流程图、以装置为单元的、以装置为单元的装装置流程图置流程图、以管线为主的、以管线为主的管线流程图管线流程图以及以及带测量仪表控制点的带测量仪表控制点的流程图流程图等。等。9/1063.1 3.1 工艺过程及过程参数工艺过程及过程参数3.1.2 3.1.2 化工过程化工过程10/1063.1 3.1 工艺过程及过程参数工艺过程及过程参数3.1.3 3.1.3 化工过程的开发化工过程的开发化工过程开发是指一个化学反应从实验室过渡到第一套生产装化工过程开发是指一个化学反应从实验室过渡到

8、第一套生产装置的全部过程。置的全部过程。化工过程开发，首先是决定于化学反应的可能性、转化率及反化工过程开发，首先是决定于化学反应的可能性、转化率及反应速度是否具有工业价值，产物分离的难易程度以及机械、设备、应速度是否具有工业价值，产物分离的难易程度以及机械、设备、材料是否可行。当然，最终取决于是否有经济效益。材料是否可行。当然，最终取决于是否有经济效益。化工过程开发的第一步就是要设计一个流程图。由于化学反应化工过程开发的第一步就是要设计一个流程图。由于化学反应或产物的分离可用不同的方法来完成，因此，设计流程时，必须选或产物的分离可用不同的方法来完成，因此，设计流程时，必须选择一个安全、可靠、经

9、济效益高的最佳方案。择一个安全、可靠、经济效益高的最佳方案。11/1063.1 3.1 工艺过程及过程参数工艺过程及过程参数3.1.3 3.1.3 化工过程的开发化工过程的开发实例：实例：3H2N2 2NH3Fe高温、高压高温、高压基基本本工工艺艺步步骤骤气体的压缩气体的压缩气体的预热和合成气体的预热和合成氨的分离氨的分离未反应氢、氮气体的循环未反应氢、氮气体的循环惰性气体的排放惰性气体的排放12/1063.2 3.2 工艺基础数据工艺基础数据3.2.1 3.2.1 化工基础数据种类化工基础数据种类在化工计算以及化工工艺和设备设计中，必不可少地要用到在化工计算以及化工工艺和设备设计中，必不可少

10、地要用到有关化合物的物性数据。有关化合物的物性数据。(1)基本物性数据基本物性数据如临界常数（临界压力、临界温度、临界体积）、密度或如临界常数（临界压力、临界温度、临界体积）、密度或比容、状态方程参数、压缩系数、蒸气压、气一液平衡关系等。比容、状态方程参数、压缩系数、蒸气压、气一液平衡关系等。(2)热力学物性数据热力学物性数据如内能、焓、熵、热容、相变热、自由能、自由焓等。如内能、焓、熵、热容、相变热、自由能、自由焓等。(3)化学反应和热化学数据化学反应和热化学数据如反应热、生成热、燃烧热、反应速度常数、活如反应热、生成热、燃烧热、反应速度常数、活化能，化学平衡常数等。化能，化学平衡常数等。(

11、4)传递参数传递参数如粘度、扩散系数、导热系数等。如粘度、扩散系数、导热系数等。13/1063.2 3.2 工艺基础数据工艺基础数据3.2.2 3.2.2 化工基础数据来源化工基础数据来源1、查手册或文献资料、查手册或文献资料有关常用物质的物性数据，前人已系统地进行归纳总结，从有关常用物质的物性数据，前人已系统地进行归纳总结，从表格或图的形式表示。这些致据可从有关的化学化工类手册表格或图的形式表示。这些致据可从有关的化学化工类手册或专业性的化工手册中查到。或专业性的化工手册中查到。2、估算。可以应用物理和化学的一些基本定律计算各种物、估算。可以应用物理和化学的一些基本定律计算各种物质的性质参数

12、。质的性质参数。3、用实验直接测定。、用实验直接测定。14/1063.2 3.2 工艺基础数据工艺基础数据3.2.2 3.2.2 化工基础数据来源化工基础数据来源外文外文中文中文15/1063.3 3.3 化工过程类型化工过程类型3.3.1 3.3.1 间歇操作、连续操作以及半连续操作间歇操作、连续操作以及半连续操作 闻歇操作过程：闻歇操作过程：原料在生产操作开始时一次加入，然后进行反应或其他操作，一直到操作原料在生产操作开始时一次加入，然后进行反应或其他操作，一直到操作完成后，物料一次排出，即为间歇操作过程。此过程的特点是在整个操作时完成后，物料一次排出，即为间歇操作过程。此过程的特点是在整

13、个操作时间内，再无物料进出设备，设备中各部分的组成、条件随时间而不断变化。间内，再无物料进出设备，设备中各部分的组成、条件随时间而不断变化。连续操作过程：连续操作过程：在整个操作期间，原料不断稳定地输入生产设备，同时不断从设备排出同在整个操作期间，原料不断稳定地输入生产设备，同时不断从设备排出同样数量（总量）的物料。设备的进料和出料是连续流动的，即为连续操作过样数量（总量）的物料。设备的进料和出料是连续流动的，即为连续操作过程。在整个操作期间，设备内各部分组成与条件不随时间而变化。程。在整个操作期间，设备内各部分组成与条件不随时间而变化。半连续操作过程：半连续操作过程：操作时物料一次输入或分批

14、输入，而出料是连续的，或连续输入物料，而操作时物料一次输入或分批输入，而出料是连续的，或连续输入物料，而出料是一次或分批的。出料是一次或分批的。16/1063.3 3.3 化工过程类型化工过程类型3.3.2 3.3.2 稳定状态操作和不稳定状态操作稳定状态操作和不稳定状态操作 1.稳定状态操作稳定状态操作 整个化工过程的操作条件（如温度、压力、物料量及组成等）整个化工过程的操作条件（如温度、压力、物料量及组成等）如果不随时间而变化，只是设备内不同点有差别，这种过程称为如果不随时间而变化，只是设备内不同点有差别，这种过程称为稳定状态操作过程，或称稳定过程。稳定状态操作过程，或称稳定过程。2.不稳

15、定状态操作不稳定状态操作 如果操作条件随时间而不断变化的，则称为不稳定状态操作如果操作条件随时间而不断变化的，则称为不稳定状态操作过程，或称不稳定过程。过程，或称不稳定过程。间歇过程及半连续过程是不稳定状态操作。连续过程在正常间歇过程及半连续过程是不稳定状态操作。连续过程在正常操作期间，操作条件比较稳定，此时属稳定状态操作多在开、停操作期间，操作条件比较稳定，此时属稳定状态操作多在开、停工期间或操作条件变化和出现故障时，则属不稳定状态操作。工期间或操作条件变化和出现故障时，则属不稳定状态操作。017/1063.4 3.4 物料衡算物料衡算3.4.1 3.4.1 基本原理基本原理A.物料衡算的目

16、的物料衡算的目的确定原材料的消耗定额，判断是否达到设计要求。确定原材料的消耗定额，判断是否达到设计要求。确定各设备的输入及输出的物流量，摩尔分率组成及确定各设备的输入及输出的物流量，摩尔分率组成及其他组成表示方法。其他组成表示方法。作为热量计算的依据。作为热量计算的依据。根据计算结果绘出物流图，可进行管路设计及材料选根据计算结果绘出物流图，可进行管路设计及材料选择，仪表及自动控制等择，仪表及自动控制等018/1063.4 3.4 物料衡算物料衡算3.4.1 3.4.1 基本原理基本原理B.物料衡算的依据物料衡算的依据设计任务书中确定的技术方案、产品生产能力、年工设计任务书中确定的技术方案、产品

17、生产能力、年工作时间及操作方法。作时间及操作方法。建设单位或研究单位所提供的要求、设计参数及试验建设单位或研究单位所提供的要求、设计参数及试验室试验或中试等数据，主要有：室试验或中试等数据，主要有：化工单元过程的主要化学反应方程式、反应物配比、转化率、化工单元过程的主要化学反应方程式、反应物配比、转化率、选择性、总收率、催化剂状态及加入配比量、催化剂是否回选择性、总收率、催化剂状态及加入配比量、催化剂是否回收使用、安全性能（爆炸上下限）等。收使用、安全性能（爆炸上下限）等。原料及产品的分离方式，各步的回收率，采用物料分离剂时，原料及产品的分离方式，各步的回收率，采用物料分离剂时，加入分离剂的配

18、比。加入分离剂的配比。特殊化学品的物性，如沸点、熔点、饱和蒸汽压、闪点等特殊化学品的物性，如沸点、熔点、饱和蒸汽压、闪点等019/1063.4 3.4 物料衡算物料衡算3.4.1 3.4.1 基本原理基本原理C.物料衡算的基准物料衡算的基准时间基准：时间基准：连续生产：一段时间的投料量或生产产品量作为计算基准；连续生产：一段时间的投料量或生产产品量作为计算基准；间歇生产：一釜或一批料的生产周期作为基准间歇生产：一釜或一批料的生产周期作为基准例：年产例：年产300kt乙烯装置，年操作时间为乙烯装置，年操作时间为8000h，则每小时的平均产量为，则每小时的平均产量为37.5t。年处理量为年处理量为

19、9000kt炼油厂，年操作时间为炼油厂，年操作时间为8000h，则每小时的平均产量为，则每小时的平均产量为1125t。020/1063.4 3.4 物料衡算物料衡算3.4.1 3.4.1 基本原理基本原理C.物料衡算的基准物料衡算的基准质量基准：质量基准：当系统介质为液、固相时，选择一定质量的原料或产品作为计算当系统介质为液、固相时，选择一定质量的原料或产品作为计算基准基准如果原料或产品是单一化合物，或由已知组成百分数和组分分子如果原料或产品是单一化合物，或由已知组成百分数和组分分子量的多组分组成，可用物质的量作为计算基准量的多组分组成，可用物质的量作为计算基准例：以石油、煤、矿石为原料的化工

20、厂，可采用一定量的原料为基准。例：以石油、煤、矿石为原料的化工厂，可采用一定量的原料为基准。1kg、1000kg、100t 以氮和氢为原料合成氨的工艺过程，可采用物质的量为基准。以氮和氢为原料合成氨的工艺过程，可采用物质的量为基准。021/1063.4 3.4 物料衡算物料衡算3.4.1 3.4.1 基本原理基本原理C.物料衡算的基准物料衡算的基准体积基准：体积基准：对气体物料进行衡算时选用体积基准对气体物料进行衡算时选用体积基准应将实际情况下的体积换算为标准状态下的体积应将实际情况下的体积换算为标准状态下的体积例：在化工生产过程中经常使用的干空气以及在合成氨中使用的原料例：在化工生产过程中经

21、常使用的干空气以及在合成氨中使用的原料煤气和水煤气就可以用体积为基准煤气和水煤气就可以用体积为基准 用用m3（STP）表示）表示022/1063.4 3.4 物料衡算物料衡算3.4.1 3.4.1 基本原理基本原理C.物料衡算的基准物料衡算的基准干湿基准干湿基准 生产中的物料，不论是气态、液态还是固态，均含有一定量的水生产中的物料，不论是气态、液态还是固态，均含有一定量的水分，因而在选用基准时就有算不算水分在内的问题，不计算水分在内分，因而在选用基准时就有算不算水分在内的问题，不计算水分在内的称为干基，否则为湿基。的称为干基，否则为湿基。例：例：通常水空气中含氧通常水空气中含氧21%21%，含

22、氮，含氮79%79%，这是以干基计算的，这是以干基计算的 如果把水蒸气计算在内，氧和氮的百分比就变了。如果把水蒸气计算在内，氧和氮的百分比就变了。甲烷水蒸气催化转化制取氢气，转化炉的进料量，以干基计算为甲烷水蒸气催化转化制取氢气，转化炉的进料量，以干基计算为7 710103 3m m3 3（STP)/hSTP)/h，如以湿基计算则可达到，如以湿基计算则可达到3 310104 4m m3 3（STP)/h STP)/h 湿基：化湿基：化肥、农药等化工产品，尿素、甲醛、乙醇。干基：硝酸肥、农药等化工产品，尿素、甲醛、乙醇。干基：硝酸023/1063.4 3.4 物料衡算物料衡算3.4.1 3.4.

23、1 基本原理基本原理D.物料衡算的程序物料衡算的程序确定衡算的对象、体系与环境，并画出计算对象的草图确定衡算的对象、体系与环境，并画出计算对象的草图体系体系输入物料输入物料输出物料输出物料整个生产流程整个生产流程操作单元操作单元过程中的部分过程中的部分工段或工序工段或工序某一设备某一设备24/1063.4 3.4 物料衡算物料衡算3.4.1 3.4.1 基本原理基本原理D.物料衡算的程序物料衡算的程序确定计算任务，明确哪些是已知项，哪些是待求项，选确定计算任务，明确哪些是已知项，哪些是待求项，选择适当的数学公式，力求计算方法简便。择适当的数学公式，力求计算方法简便。确定过程所涉及的组分。确定过

24、程所涉及的组分。对物流流股进行编号，并注明物料变量对物流流股进行编号，并注明物料变量收集数据资料：设计任务书中已知条件；物理化学参数收集数据资料：设计任务书中已知条件；物理化学参数生产规模和生产时间生产规模和生产时间有关定额和技术指标有关定额和技术指标原辅材料、产品、中间产品的规格原辅材料、产品、中间产品的规格与过程有关的物理化学参数与过程有关的物理化学参数25/1063.4 3.4 物料衡算物料衡算3.4.1 3.4.1 基本原理基本原理D.物料衡算的程序物料衡算的程序列出物料衡算方程：依据是质量守恒定律列出物料衡算方程：依据是质量守恒定律进入过程单元进入过程单元的物料量的物料量Fi流出过程

25、单元流出过程单元的物料量的物料量F0在过程单元内生在过程单元内生成的物料量成的物料量Dp在过程单元内消在过程单元内消耗的物料量耗的物料量Dr过程单元内积过程单元内积累的物料量累的物料量W（Fi-F0）（）（Dp-Dr）Wa)稳定有反应操作过程：稳定有反应操作过程：（Fi-F0）（）（Dp-Dr）0 b)不稳定无反应操作过程：不稳定无反应操作过程：（Fi-F0）Wc)稳定无反应操作过程：稳定无反应操作过程：（Fi-F0）026/1063.4 3.4 物料衡算物料衡算3.4.1 3.4.1 基本原理基本原理D.物料衡算的程序物料衡算的程序列出过程的全部独立的物料衡算方程式及其他相关约束式，列出过程

26、的全部独立的物料衡算方程式及其他相关约束式，化学反应方程式，明确反应前后物料组成和各个组分之间的化学反应方程式，明确反应前后物料组成和各个组分之间的定量关系、转化率、选择性定量关系、转化率、选择性选择计算基准选择计算基准统计变量个数与方程个数，确定设计变量的个数及全部设计统计变量个数与方程个数，确定设计变量的个数及全部设计变量变量Nv Ns(Nc1)NpNv系统的总变量；系统的总变量；Ns 物流中的组分数；物流中的组分数；Nc 物流的股数；物流的股数；Np 设备参数设备参数Nd Nv NeNd设计变量数；设计变量数；Ne 独立方程数；独立方程数；27/1063.4 3.4 物料衡算物料衡算3.

27、4.1 3.4.1 基本原理基本原理D.物料衡算的程序物料衡算的程序整理计算结果，并根据需要列成原材料消耗表整理计算结果，并根据需要列成原材料消耗表绘制物料流程图绘制物料流程图序号序号原料名称原料名称单位单位规格规格成品消耗定额成品消耗定额（单耗）（单耗）每小时消耗量每小时消耗量每年消耗量每年消耗量1 1尿素尿素t t含氨量含氨量46.3%2.32.31.751.7510800108002 2液氨液氨t t99.5%99.5%0.20.20.1470.147107010703 3催化剂催化剂t t0.010.0160604 4道生道生kgkg工业级工业级0.2250.2251.351.355

28、5氮气氮气m m3 3(STP)(STP)99.5%99.5%363630 m30 m3 3/h/h21.621.610104 46 6熔盐熔盐kgkg工业级工业级0.320.321.91.97 7燃料油燃料油t t0.8150.8150.660.66491049108 8包装袋包装袋套套450450800800404033.333.324024010103 3原材料消耗一览表（三聚氰氨）原材料消耗一览表（三聚氰氨）28/1063.5 3.5 物料衡算举例物料衡算举例3.5.1 3.5.1 无反应过程的物料衡算无反应过程的物料衡算例例3-1 某化工厂要求设计一套从气体中回收丙酮的装置系某化工厂

29、要求设计一套从气体中回收丙酮的装置系统，并计算回收丙酮的费用。系统的流程框图如图所示，统，并计算回收丙酮的费用。系统的流程框图如图所示，要求有已知的资料，列出各物流的流率（要求有已知的资料，列出各物流的流率（kg/h），以便能），以便能确定设备的大小，并计算蒸馏塔的进料组分。确定设备的大小，并计算蒸馏塔的进料组分。吸收塔吸收塔蒸馏塔蒸馏塔冷凝器冷凝器水水 F11200kg/h混合气体混合气体 F21.5(mol)%丙丙酮酮空气空气 F3产品产品 F4丙酮丙酮99%,水水1%废料废料 F5：丙酮：丙酮5%，水，水95%29/1063.5 3.5 物料衡算举例物料衡算举例3.5.1 3.5.1 无

30、反应过程的物料衡算无反应过程的物料衡算分析：分析：本系统包括三个单元：吸收塔、蒸馏塔和冷凝器。除混合气体外均以质本系统包括三个单元：吸收塔、蒸馏塔和冷凝器。除混合气体外均以质量分数表示，所以及其换算成质量分数。量分数表示，所以及其换算成质量分数。进入系统物流两个，离开三个，已知项一个，因此未知项有四个。进入系统物流两个，离开三个，已知项一个，因此未知项有四个。组成组成kmolkmolkgkg质量质量,(mol)%,(mol)%丙酮丙酮1.51.587872.952.95空气空气98.598.52860286097.0597.05总计总计10010029472947100.00100.00以以1

31、00kmol为基准为基准总物料平衡式：总物料平衡式：1200F2F3 F4 F5丙酮：丙酮：0.0295F2 0.99 F4 0.05F5水：水：1200 0.01 F4 0.95F5空气：空气：0.9705F2 F3结论：只有结论：只有3个独立方程，不能求解，应补充数据：个独立方程，不能求解，应补充数据：每小时进入系统的气体混合物、离开系统的产品或废液的物流量每小时进入系统的气体混合物、离开系统的产品或废液的物流量1.进入蒸馏塔的组分进入蒸馏塔的组分30/1063.5 3.5 物料衡算举例物料衡算举例3.5.1 3.5.1 无反应过程的物料衡算无反应过程的物料衡算例例:一种废酸，组成为一种废

32、酸，组成为23(质量质量)HNO3，57H2SO4和和20H2O，加入，加入93的浓的浓H2SO4及及90的浓的浓HNO3，要求混合成，要求混合成27HNO3及及60H2SO4的混合酸，的混合酸，计算所需废酸及加入浓酸的数量。计算所需废酸及加入浓酸的数量。解：解：设设 x废酸量，废酸量，kg；y浓浓H2SO4量，量，kg；z浓浓HNO3量；量；kg0.570.20z kg0.23y kg0.600.130.270.070.930.900.10混合过程废酸 x kg混合酸3ONHOS2HH24OHNO322HHOOS4H S24OOH23ONH2H O(1)画物料流程简图画物料流程简图 31/1

33、063.5 3.5 物料衡算举例物料衡算举例3.5.1 3.5.1 无反应过程的物料衡算无反应过程的物料衡算(2)选择基准，可以选废酸或浓酸的量为基准，也可以用选择基准，可以选废酸或浓酸的量为基准，也可以用混混 合酸的量为基准，因为四种酸的组成均已知，选任何一种合酸的量为基准，因为四种酸的组成均已知，选任何一种作基准计算都很方便。作基准计算都很方便。(3)列物料衡算式，该体系有列物料衡算式，该体系有3种组分，可以列出种组分，可以列出3个独立个独立方程，所以能求出方程，所以能求出3个未知量个未知量基准：基准：100kg混合酸混合酸总物料衡算式总物料衡算式 x+y+z=100 (1)H2SO4的衡

34、算式的衡算式 0.57x+0.93y=1000.6=60 (2)HNO3的衡算式的衡算式 0.23x+0.90z=1000.27=27 (3)32/1063.5 3.5 物料衡算举例物料衡算举例3.5.1 3.5.1 无反应过程的物料衡算无反应过程的物料衡算解解(1)，(2)，(3)方程，得方程，得x=41.8kg废酸废酸 y=39kg浓浓H2SO4 z=19.2kg浓浓HNO3即由即由41.8kg废酸、废酸、39kg浓浓H2SO4和和19.2kg浓浓HNO3可以混合可以混合成成100kg混合酸。混合酸。根据水平衡，可以核对以上结果：根据水平衡，可以核对以上结果：加入的水量加入的水量=41.8

35、 0.2+39 0.07+19.2 0.10=13kg混合后的酸，含混合后的酸，含13H2O，所以计算结果正确。，所以计算结果正确。以上物料衡算式，亦可以选以上物料衡算式，亦可以选总物料衡算式及总物料衡算式及H2O与与HNO3二二个衡算式或个衡算式或H2SO4、HNO3和和H2O三个组分衡算式进行计算，三个组分衡算式进行计算，均可以求得上述结果。均可以求得上述结果。33/1063.5 3.5 物料衡算举例物料衡算举例3.5.1 3.5.1 无反应过程的物料衡算无反应过程的物料衡算例例:有两个蒸馏塔的分离装置，将含有两个蒸馏塔的分离装置，将含50%苯、苯、30%甲苯和甲苯和20%（mol%）二甲

36、苯的混合物分成较纯的三个馏分，其流程图及各流股组成如图。二甲苯的混合物分成较纯的三个馏分，其流程图及各流股组成如图。计算蒸馏计算蒸馏1000 mol/h原料所得个流股的量及进塔原料所得个流股的量及进塔II物料的组分。物料的组分。34/1063.5 3.5 物料衡算举例物料衡算举例3.5.1 3.5.1 无反应过程的物料衡算无反应过程的物料衡算解解:设设S2、S3、S4、S5表示各流股物料量，表示各流股物料量，mol/hx3B、x3T表示流股表示流股3种苯、甲苯的组成。种苯、甲苯的组成。体系体系A（塔（塔I）：）：总物料总物料 1000 S2 S3 (1)苯苯 10000.5 0.95S2 x3

37、B S3 (2)甲苯甲苯 10000.3 0.03S2 x3T S3 (3)体系体系B（塔（塔II）：）：总物料总物料 S3 S4 S5 (4)苯苯 x3B S3 0.03S4 0.0045 S5 (5)甲苯甲苯 x3T S3 0.95S4 0.43 S5 (6)体系体系C（整个过程）：总物料（整个过程）：总物料 1000 S2 S4 S5 (7)苯苯 10000.5 0.95S2 0.03S4 0.0045 S5 (8)甲苯甲苯 10000.3 0.03S2 0.95S4 0.43 S5 (9)35/1063.5 3.5 物料衡算举例物料衡算举例3.5.1 3.5.1 无反应过程的物料衡算无

38、反应过程的物料衡算解解:由由(7)、(8)、(9)三式解得三式解得S2520 mol/hS4150 mol/hS5330 mol/h再任选一组体系再任选一组体系A或或B的衡算方程，可解得：的衡算方程，可解得：S3480 mol/hx3B 0.0125x3T 0.5925x3x 0.39536/1063.5 3.5 物料衡算举例物料衡算举例3.5.2 3.5.2 有反应过程的物料衡算有反应过程的物料衡算 有化学反应的过程，物料中的组分比较复杂有化学反应的过程，物料中的组分比较复杂，物料衡算比无化，物料衡算比无化学反应过程的计算复杂，学反应过程的计算复杂，化学反应过程物料衡算的方法有：化学反应过程

39、物料衡算的方法有：直接计算法直接计算法利用反应速率进行物料衡算利用反应速率进行物料衡算元素平衡元素平衡以化学平衡进行衡算以化学平衡进行衡算以结点进行衡算以结点进行衡算利用联系组分进行衡算利用联系组分进行衡算37/1063.5 3.5 物料衡算举例物料衡算举例3.5.2 3.5.2 有反应过程的物料衡算有反应过程的物料衡算反应转化率、选择性及收率等概念反应转化率、选择性及收率等概念过量100tteNNN1、限制反应物：化学反应原料不按化学计量比配料时，其中以最小、限制反应物：化学反应原料不按化学计量比配料时，其中以最小化学计量数存在的反应物称为限制反应物。化学计量数存在的反应物称为限制反应物。2

40、、过量反应物：不按化学计量比配料的原料中，某种反应物的量超、过量反应物：不按化学计量比配料的原料中，某种反应物的量超过限制反应物完全反应所需的理论量，该反应物称为过量反应物。过限制反应物完全反应所需的理论量，该反应物称为过量反应物。3、过量百分数：过量反应物超过限制反应物所需理论量的部分占所、过量百分数：过量反应物超过限制反应物所需理论量的部分占所需理论量的百分数。若以从表示过量反应物的摩尔数，需理论量的百分数。若以从表示过量反应物的摩尔数，Nt表示与限制表示与限制反应物完全反应所需的摩尔数，则过量百分数即为反应物完全反应所需的摩尔数，则过量百分数即为38/1063.5 3.5 物料衡算举例物

41、料衡算举例3.5.2 3.5.2 有反应过程的物料衡算有反应过程的物料衡算反应转化率、选择性及收率等概念反应转化率、选择性及收率等概念%100121AAAANNNx4、转化率（以、转化率（以x表示）：某一反应物反应掉的量占其输入量的百分数。若以表示）：某一反应物反应掉的量占其输入量的百分数。若以NA1、NA2分别表示反应物分别表示反应物A输入及输出体系的摩尔数，则反应物输入及输出体系的摩尔数，则反应物A的转化率的转化率一个化学反应，由不同反应物可计算得到不同的转化率。因此，应用时必须指明一个化学反应，由不同反应物可计算得到不同的转化率。因此，应用时必须指明某个反应物的转化率某个反应物的转化率。

42、若没有指明时，则往往是指。若没有指明时，则往往是指限制反应物的转化率限制反应物的转化率。39/1063.5 3.5 物料衡算举例物料衡算举例3.5.2 3.5.2 有反应过程的物料衡算有反应过程的物料衡算反应转化率、选择性及收率等概念反应转化率、选择性及收率等概念5、选择性（以、选择性（以S表示）：反应物反应成目的产物所消耗的量占反表示）：反应物反应成目的产物所消耗的量占反应物反应掉的量的百分数。若反应物为应物反应掉的量的百分数。若反应物为A，生成的目的产物为，生成的目的产物为D，ND表表示生成的目的产物示生成的目的产物D的摩尔数，的摩尔数，a、d分别为反应物分别为反应物A与目的产物与目的产物

43、D的化的化学计量系数，则选择性为学计量系数，则选择性为%10021AADNNdaNS式中式中NA1NA2为反应物为反应物A反应掉的摩尔数反应掉的摩尔数。转化率与选择性是反应过程的两个主要技术指标。转化率与选择性是反应过程的两个主要技术指标。40/1063.5 3.5 物料衡算举例物料衡算举例3.5.2 3.5.2 有反应过程的物料衡算有反应过程的物料衡算反应转化率、选择性及收率等概念反应转化率、选择性及收率等概念6、收率（以、收率（以Y表示）：目的产物的量除以反应物（通常指限制表示）：目的产物的量除以反应物（通常指限制反应物）输入量，以百分数表示。它可以用物质的量（摩尔数）或质反应物）输入量，

44、以百分数表示。它可以用物质的量（摩尔数）或质量进行计算。若以摩尔数计算，考虑化学计量系数，则目的产物量进行计算。若以摩尔数计算，考虑化学计量系数，则目的产物D的的收率为收率为%1001ADDNdaNY转化率、选择性与收率三者之间的关系为转化率、选择性与收率三者之间的关系为Y=Sx41/1063.5 3.5 物料衡算举例物料衡算举例3.5.2 3.5.2 有反应过程的物料衡算有反应过程的物料衡算例例3-2 作年产作年产300t对对-硝基乙苯工段物料衡算，原料乙苯纯度硝基乙苯工段物料衡算，原料乙苯纯度95%，硝化，硝化混酸为：混酸为：HNO332%，H2SO456%，H2O12%。粗乙苯与混酸质量

45、比。粗乙苯与混酸质量比1:1.855。对硝基乙苯收率。对硝基乙苯收率50%，硝化产物为硝基乙苯的混合物，其比例：，硝化产物为硝基乙苯的混合物，其比例：对：邻：间对：邻：间0.5:0.44:0.06。配制混酸所用的原料：。配制混酸所用的原料：H2SO4 93%，HNO3 96%及及H2O，年工作日，年工作日300天，假设转化率为天，假设转化率为100%，间歇生产。，间歇生产。解：（解：（1）画出流程示意图，确定计算范围。）画出流程示意图，确定计算范围。配酸配酸硝化硝化分离分离H2SO4,93%HNO3,96%H2O乙苯乙苯,95%废酸废酸硝化物硝化物42/1063.5 3.5 物料衡算举例物料衡

46、算举例3.5.2 3.5.2 有反应过程的物料衡算有反应过程的物料衡算解：解：（2）原料乙苯量）原料乙苯量 基准：间歇生产，以每天生产的基准：间歇生产，以每天生产的kg数为基准数为基准C2H5 HNO3H2SO4,H2OC2H5C2H5C2H5 H2ONO2NO2NO2G1 G2 G3 G4 G5 M:106.17 63 151.17 18.0243/1063.5 3.5 物料衡算举例物料衡算举例3.5.2 3.5.2 有反应过程的物料衡算有反应过程的物料衡算解：解：（2）原料乙苯量）原料乙苯量对对-硝基乙苯：硝基乙苯：G33001000/300 1000kg乙苯量：乙苯量：G11000106

47、.17/(151.170.5)1404.6kg原料乙苯量：原料乙苯量：1404.6/0.95 1478.6kg杂质量：杂质量：1478.6-1404.6 74 kg44/1063.5 3.5 物料衡算举例物料衡算举例3.5.2 3.5.2 有反应过程的物料衡算有反应过程的物料衡算解：解：（3）配酸量及水量）配酸量及水量混酸量：混酸量：1478.61.855 2742.8 kg纯纯HNO3量：量：2742.80.32 877.7 kg96%HNO3量：量：877.7/0.96 914.3 kg纯纯H2SO4量：量：2742.80.56 1536.0 kg 93%H2SO4量：量：1536.0/0

48、.93 1651.6 kg 加水量：加水量：2742.8-914.3-1651.6 176.9 kg 45/1063.5 3.5 物料衡算举例物料衡算举例3.5.2 3.5.2 有反应过程的物料衡算有反应过程的物料衡算解：解：（4）硝化）硝化 已知转化率为已知转化率为100%，G3：G4：G5 0.5：0.44：0.06硝化物产量：硝化物产量：1404.6151.17/106.17 1999.9 kg其中硝基乙苯：其中硝基乙苯：对位：对位：1999.9 0.5 1000.0 kg邻位：邻位：1999.9 0.44 880.0 kg间位：间位：1999.9 0.06 120.0 kg46/106

49、3.5 3.5 物料衡算举例物料衡算举例3.5.2 3.5.2 有反应过程的物料衡算有反应过程的物料衡算解：解：（5）废酸量）废酸量HNO3消耗量：消耗量：1404.663/106.17 833.5 kg水生成量：水生成量：1404.618.02/106.17 238.4 kg废酸中废酸中HNO3量：量：877.7-833.5 44.2 kg H2SO4量：量：1536.0 kg H2O量：量：329.1 238.4567.5 kg废酸总量：废酸总量：44.2 1536 567.52147.7 kg废酸组成：废酸组成：HNO3 2.06%，H2SO4 71.52%，H2O 26.42%47/1

50、063.5 3.5 物料衡算举例物料衡算举例3.5.2 3.5.2 有反应过程的物料衡算有反应过程的物料衡算解：解：物料衡算表物料衡算表输入输入输出输出组分组分质量，质量，kg/d组分组分质量，质量，kg/dHNO3877.7HNO344.2H2SO41536H2SO41536H2O329.1H2O567.5C6H5-C2H51404.6C6H5-C2H5对对-硝基乙苯硝基乙苯邻邻-硝基乙苯硝基乙苯间间-硝基乙苯硝基乙苯1000880120杂质杂质74杂质杂质74合计合计4221.4合计合计4221.448/1063.5 3.5 物料衡算举例物料衡算举例3.5.2 3.5.2 有反应过程的物料