1、化工工艺设计化工工艺设计(Chemical Process Design)第第6 6节节 物料衡算物料衡算（一）物料衡算的基本方法（一）物料衡算的基本方法（二）无化学反应的物料衡算（二）无化学反应的物料衡算（三）反应过程的物料衡算（三）反应过程的物料衡算 （四）过程的物料衡算（四）过程的物料衡算3-6 化工过程的物料衡算化工过程的物料衡算化工工艺设计化工工艺设计(Chemical Process Design)（一）物料衡算的基本方法（一）物料衡算的基本方法1 1、物料衡算进行的步骤、物料衡算进行的步骤2 2、物料衡算式、物料衡算式3 3、物料衡算的基准、物料衡算的基准3-6 化工过程的物料衡
2、算化工过程的物料衡算化工工艺设计化工工艺设计(Chemical Process Design)（一）物料衡算的基本方法（一）物料衡算的基本方法1 1、物料衡算进行的步骤、物料衡算进行的步骤画出物料衡算示意图画出物料衡算示意图( (如方框图如方框图) )写出化学反应方程式（包括主反应和副反应）写出化学反应方程式（包括主反应和副反应）列出已知数据和由物料平衡所需要求解的问题列出已知数据和由物料平衡所需要求解的问题决定系统的边界决定系统的边界. .即根据由物料平衡所需要求解的问题即根据由物料平衡所需要求解的问题, ,确定计算范围确定计算范围. .选定计算基准选定计算基准收集计算所需要的数据收集计算所
3、需要的数据进行物料衡算进行物料衡算将物料衡算结果列成物料平衡表，画出物料平衡图将物料衡算结果列成物料平衡表，画出物料平衡图3-6 化工过程的物料衡算化工过程的物料衡算化工工艺设计化工工艺设计(Chemical Process Design)（一）物料衡算的基本方法（一）物料衡算的基本方法2 2、物料衡算式物料衡算式q物料衡算是研究某一个体系内进、出物料量及组成的变化物料衡算是研究某一个体系内进、出物料量及组成的变化所谓体系就是物料衡算的范围，它可以根据实际需要人为所谓体系就是物料衡算的范围，它可以根据实际需要人为的选定。体系可以是一个设备或几个设备，也可以是一个单的选定。体系可以是一个设备或几
4、个设备，也可以是一个单元操作或整个化工过程。元操作或整个化工过程。进行物料衡算时，必须首先确定衡算的体系。根据质量守进行物料衡算时，必须首先确定衡算的体系。根据质量守恒定律，对某一个体系，输入体系的物料量应该等于输出物恒定律，对某一个体系，输入体系的物料量应该等于输出物料量与体系内积累量之和。所以，物料衡算的基本关系式应料量与体系内积累量之和。所以，物料衡算的基本关系式应该表示为：该表示为：3-6 化工过程的物料衡算化工过程的物料衡算化工工艺设计化工工艺设计(Chemical Process Design)式中生成或消耗是因反应而生成或消耗的量式中生成或消耗是因反应而生成或消耗的量; ;积累项
5、可积累项可正可负正可负. .当积累项不为零时，称为非稳定过程当积累项不为零时，称为非稳定过程; ;积累项积累项为零时为零时, ,称为稳定过程称为稳定过程. .p对无反应的稳定过程对无反应的稳定过程: : 输入输入= =输出输出体系中积累体系中积累=输入输入输出输出+ +生成生成消耗消耗p稳定过程稳定过程: : 输入输入= =输出生成输出生成+ +消耗消耗3-6 化工过程的物料衡算化工过程的物料衡算（一）物料衡算的基本方法（一）物料衡算的基本方法化工工艺设计化工工艺设计(Chemical Process Design)如图，共有三个流股，进料如图，共有三个流股，进料F F及出料及出料P P和和W
6、 W。有两个组分。每有两个组分。每个流股的流量及组成如图所示。图中个流股的流量及组成如图所示。图中x x为质量分数。为质量分数。可列出物料衡算式：可列出物料衡算式：总物料衡算式总物料衡算式 F = P + WF = P + W每种组分衡算式每种组分衡算式 F Fx xf1f1 = P = Px xp1p1 + + W Wx xw1w1 F Fx xf2f2 = P = Px xp2p2 + W+ Wx xw2w2123FPWf1f2p1p2w1w2xxxxxx无化学反应的连续过程物料衡算过 程3-6 化工过程的物料衡算化工过程的物料衡算（一）物料衡算的基本方法（一）物料衡算的基本方法化工工艺设
7、计化工工艺设计(Chemical Process Design)平衡式类型平衡式类型物料平衡形式物料平衡形式无无化学反应化学反应 有有化学反应化学反应总总平衡式平衡式总总质量平衡式质量平衡式总物质的量平衡式总物质的量平衡式是是是是是是非非组分平衡式组分平衡式组分质量平衡式组分质量平衡式组分物质的量平衡式组分物质的量平衡式是是是是非非非非元素原子元素原子平衡式平衡式元素原子质量平衡式元素原子质量平衡式元素原子物质的量平衡式元素原子物质的量平衡式是是是是是是是是物料平衡形式（稳态过程）物料平衡形式（稳态过程）3-6 化工过程的物料衡算化工过程的物料衡算（一）物料衡算的基本方法（一）物料衡算的基本方
8、法化工工艺设计化工工艺设计(Chemical Process Design)3 3、物料衡算的基准、物料衡算的基准q基准选得适当可是计算简化。究竟采用什么作基准视具体情况而定，基准选得适当可是计算简化。究竟采用什么作基准视具体情况而定，不宜硬性规定，可建议：不宜硬性规定，可建议：以以1t1t产品为基准产品为基准以以1mol1mol某某反应物为基准反应物为基准在连续操作中，以单位时间，即在连续操作中，以单位时间，即/h/h或或kmol/hkmol/h作基准；在间歇操作中，作基准；在间歇操作中，以以/ /批为基准批为基准有化学变化的过程，适宜采用重量作基准；无化学变化的过程，以重有化学变化的过程，
9、适宜采用重量作基准；无化学变化的过程，以重量或量或kmol/hkmol/h为基准为基准对于液固系统常用单位质量作基准，而其相常用单位体积作基准对于液固系统常用单位质量作基准，而其相常用单位体积作基准3-6 化工过程的物料衡算化工过程的物料衡算（一）物料衡算的基本方法（一）物料衡算的基本方法化工工艺设计化工工艺设计(Chemical Process Design)q某某尿素厂的生产能力为尿素厂的生产能力为6 6万万t t尿素尿素/a,/a,年操作日年操作日300d300d，尿尿素的氨耗为素的氨耗为0 06t6t氨氨/t/t尿素，生产过程的氨损失按尿素，生产过程的氨损失按5 5考虑，考虑，已知以已
10、知以1t1t氨为基准的某股气体的组成和量如下表所示。氨为基准的某股气体的组成和量如下表所示。组成组成 CO2 CO H2 N2 CH4 合计合计(mol) 28.56 1.2 52.61 17.05 0.575 100 kmol 54.30 2.29 100.04 32.43 1.093 190.99列出该股气体的组成和流量表列出该股气体的组成和流量表. .解解: :小时产量为小时产量为 60000600000.60.61.051.05 300 30024 24 =5.25t/h=5.25t/h3-6化工过程的物料衡算化工过程的物料衡算（一）物料衡算的基本方法（一）物料衡算的基本方法化工工艺设
11、计化工工艺设计(Chemical Process Design)以以1t1t氨为基准的各组分的氨为基准的各组分的kmolkmol量乘以量乘以5.255.25所得结果为流量所得结果为流量. .气体的流量和组成如下表所示气体的流量和组成如下表所示: :组成组成 CO2 CO H2 N2 CH4 合计合计(mol) 28.56 1.2 52.61 17.05 0.575 100 kmol/h 285.1 12.02 525.2 170.2 5.74 998.33-6 化工过程的物料衡算化工过程的物料衡算（一）物料衡算的基本方法（一）物料衡算的基本方法化工工艺设计化工工艺设计(Chemical Pro
12、cess Design)（二）无化学反应的物料衡算（二）无化学反应的物料衡算1 1、简单过程的物料衡算、简单过程的物料衡算2 2、多单元系统多单元系统在化工过程中，一些只有物理变化，不发生化学反应的在化工过程中，一些只有物理变化，不发生化学反应的单元操作，如混合、蒸馏、蒸发、干燥、吸收、结晶、单元操作，如混合、蒸馏、蒸发、干燥、吸收、结晶、萃取等萃取等p这些过程都可以根据物料衡算式，列出总物料和各组这些过程都可以根据物料衡算式，列出总物料和各组分的衡算式，再用代数法求解。分的衡算式，再用代数法求解。3-6 化工过程的物料衡算化工过程的物料衡算化工工艺设计化工工艺设计(Chemical Proc
13、ess Design)（二）无化学反应的物料衡算（二）无化学反应的物料衡算1 1、简单过程的物料衡算、简单过程的物料衡算p简单过程是指仅有一个设备或一个单元操作或整个过程简简单过程是指仅有一个设备或一个单元操作或整个过程简化成一个设备的过程。这种过程的物料衡算比较简单，在物化成一个设备的过程。这种过程的物料衡算比较简单，在物料流程简图中，设备边界就是体系边界。料流程简图中，设备边界就是体系边界。下面举例说明计算步骤和计算方法。下面举例说明计算步骤和计算方法。p一种废酸，组成为一种废酸，组成为2323( (质量质量)HNO)HNO3 3，5757H H2 2SOSO4 4和和2020H H2 2
14、O O，加入加入9393的的H H2 2SOSO4 4及及9090的浓的浓HNOHNO3 3，要求混合成要求混合成2727HNOHNO3 3及及6060H H2 2SOSO4 4的混合酸，计算所需废酸及加入浓酸的数量。的混合酸，计算所需废酸及加入浓酸的数量。3-6 化工过程的物料衡算化工过程的物料衡算化工工艺设计化工工艺设计(Chemical Process Design) 解：设解：设 x x为废酸量，为废酸量，kgkg； y y为浓为浓H H2 2SOSO4 4量，量，kgkg； z z为浓为浓HNOHNO3 3量量, , 画物料流程简图画物料流程简图0.570.20z kg0.23y k
15、g0.600.130.270.070.930.900.10混 合 过 程废 酸 x kg混 合 酸3ONHOS2HH24OH N O322HHOOS4HS24OOH23ONH2HO（二）无化学反应的物料衡算（二）无化学反应的物料衡算3-6 化工过程的物料衡算化工过程的物料衡算化工工艺设计化工工艺设计(Chemical Process Design)选择基准选择基准: :可以选废酸或浓酸的量为基准，也可以用混合可以选废酸或浓酸的量为基准，也可以用混合酸的量为基准，因为四种酸的组成均已知，选任何一种作酸的量为基准，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。基准计算都很方便。列物料衡算式
16、，该体系有列物料衡算式，该体系有3 3种组分，可以列出种组分，可以列出3 3个独立方个独立方程，所以能求出程，所以能求出3 3个未知量。个未知量。 基准：基准：100kg100kg混合酸混合酸总物料衡算式总物料衡算式x x + + y y+ +z z= =100 (1)100 (1)（二）无化学反应的物料衡算（二）无化学反应的物料衡算3-6 化工过程的物料衡算化工过程的物料衡算化工工艺设计化工工艺设计(Chemical Process Design)H2SO4H2SO4的衡算式的衡算式 0.570.57x x + + 0.930.93y=y=1001000.6=60 (2)0.6=60 (2)
17、HNO3HNO3的衡算式的衡算式 0.230.23x x + + 0.900.90z=z=1001000.27=27 (3)0.27=27 (3) 解解(1)(1)，(2)(2)，(3)(3)方程，得方程，得x=x=41.8kg41.8kg废酸废酸 y = y = 39kg39kg浓浓H2SO4H2SO4 z = z = 19.2kg19.2kg浓浓HNO3HNO3即由即由41.8kg41.8kg废酸、废酸、39kg39kg浓浓H2SO4H2SO4和和19.2kg19.2kg浓浓HNO3HNO3可以混合可以混合成成100kg100kg混合酸。混合酸。（二）无化学反应的物料衡算（二）无化学反应的
18、物料衡算3-6 化工过程的物料衡算化工过程的物料衡算化工工艺设计化工工艺设计(Chemical Process Design)2 2、多单元系统、多单元系统对有多个设备的过程，进行物料衡算时，可以划分多对有多个设备的过程，进行物料衡算时，可以划分多个衡算体系。此时，必须选择恰当的衡算体系，这是很个衡算体系。此时，必须选择恰当的衡算体系，这是很重要的步骤。不然会使计算繁琐，甚至无法求解。重要的步骤。不然会使计算繁琐，甚至无法求解。p造纸厂的碱回收工序有一个四效蒸发器造纸厂的碱回收工序有一个四效蒸发器, ,供料方式为供料方式为,蒸发器的总处理量为蒸发器的总处理量为8000080000/h/h造纸废
19、造纸废液液( (黑液黑液).).计算总蒸发水量和每一效蒸发器的蒸发水量计算总蒸发水量和每一效蒸发器的蒸发水量. .（二）无化学反应的物料衡算（二）无化学反应的物料衡算3-6 化工过程的物料衡算化工过程的物料衡算化工工艺设计化工工艺设计(Chemical Process Design)四效四效蒸发系统的物料平衡蒸发系统的物料平衡（二）无化学反应的物料衡算（二）无化学反应的物料衡算3-6 化工过程的物料衡算化工过程的物料衡算化工工艺设计化工工艺设计(Chemical Process Design)将将整个系统简化为一个单元，可计算出总蒸发量整个系统简化为一个单元，可计算出总蒸发量FXFX进进= =
20、（F F进进-W-W）X X出出）（出进进XXFW1则总则总蒸发水量为蒸发水量为hkgW/600006015180000）（总（二）无化学反应的物料衡算（二）无化学反应的物料衡算3-6 化工过程的物料衡算化工过程的物料衡算化工工艺设计化工工艺设计(Chemical Process Design)第三效蒸发水量为第三效蒸发水量为则第则第效的蒸发水量效的蒸发水量W W为为hkgW/12600)8 .17151 (80000进入第进入第的料液量的料液量80000-12600=67400kg/h80000-12600=67400kg/hhkg /14300)6 .228 .171 (67400类推得：
21、类推得：15000kg/h 18100kg/h（二）无化学反应的物料衡算（二）无化学反应的物料衡算3-6 化工过程的物料衡算化工过程的物料衡算化工工艺设计化工工艺设计(Chemical Process Design)（三）反应过程的物料衡算（三）反应过程的物料衡算1 1、直接计算法、直接计算法在物料衡算中在物料衡算中, ,根据化学反应式根据化学反应式, ,运用化学计量系运用化学计量系数进行计算的方法数进行计算的方法, ,称为直接计算法称为直接计算法p甲醇氧化制甲醛甲醇氧化制甲醛, ,其反应过程为其反应过程为 CHCH3 3OH + 1/2OOH + 1/2O2 2 HCHO + H HCHO
22、+ H2 2O O反应物及生成物均为气态甲醇的转化率为反应物及生成物均为气态甲醇的转化率为7575，若使用，若使用5050的过量空气，试计算反应后气体混合物的摩尔组成的过量空气，试计算反应后气体混合物的摩尔组成3-6 化工过程的物料衡算化工过程的物料衡算化工工艺设计化工工艺设计(Chemical Process Design)（三）反应过程的物料衡算（三）反应过程的物料衡算解：画出流程示意图，如下图：解：画出流程示意图，如下图：催化反应器催化反应器CH3OH空气空气CH3OH HCHO H2O O2 N2（过量（过量50%)50%) 基准：基准：1mol CH1mol CH3 3OHOH根据反
23、应式，需氧根据反应式，需氧0.5 0.5 氧入氧入=0.5=0.51.5=0.75 1.5=0.75 氮入氮出氮入氮出0.750.75(79/21)=2.82(79/21)=2.823-6 化工过程的物料衡算化工过程的物料衡算化工工艺设计化工工艺设计(Chemical Process Design)反应的甲醇量反应的甲醇量0.750.751=0.751=0.75p甲醛的出量甲醛的出量0.75 0.75 甲醇的出量甲醇的出量1 10.75=0.250.75=0.25氧的出量氧的出量0.750.750.750.750.5=0.3750.5=0.375水的出量水的出量0.750.75p计算结果如下表
24、：计算结果如下表：组分组分CH3OH HCHO H2O O2 N2 总计总计 mol 0.250 0.750 0.750 0.375 2.820 4.945摩尔分数（）摩尔分数（） 5.0 15.2 15.2 7.6 57.0 100.0 （三）反应过程的物料衡算（三）反应过程的物料衡算3-6化工过程的物料衡算化工过程的物料衡算化工工艺设计化工工艺设计(Chemical Process Design)、元素衡算法、元素衡算法元素衡算是物料衡算的一种重要形式。在作这类衡算时，元素衡算是物料衡算的一种重要形式。在作这类衡算时，并不需要考虑具体的化学反应，而是按照元素种类被转化及并不需要考虑具体的化
25、学反应，而是按照元素种类被转化及重新组合的概念表示为重新组合的概念表示为p 输入输入( (某种元素某种元素) )输出输出( (同种元素同种元素) )对反应过程中化学反应很复杂，无法用一、两个反应式表对反应过程中化学反应很复杂，无法用一、两个反应式表示的物料衡算题，可以列出元素衡算式，用代数法求解。示的物料衡算题，可以列出元素衡算式，用代数法求解。（三）反应过程的物料衡算（三）反应过程的物料衡算3-6化工过程的物料衡算化工过程的物料衡算化工工艺设计化工工艺设计(Chemical Process Design)、用联系组分作衡算、用联系组分作衡算p“联系组分联系组分”是指随物料输入体系，但完全不参
26、加反应，是指随物料输入体系，但完全不参加反应，又随物料从体系输出的组分，在整个反应过程中，它的数又随物料从体系输出的组分，在整个反应过程中，它的数量不变量不变如果体系中存在联系组分，那么输入物料和输出物料之如果体系中存在联系组分，那么输入物料和输出物料之间就可以根据联系组分的含量进行关联。例如，间就可以根据联系组分的含量进行关联。例如，F F、P P分别分别为输入、输出物料，为输入、输出物料，T T为联系组分。为联系组分。T T在在F F中的质量分数为中的质量分数为XFTXFT，在，在P P中的质量分数为中的质量分数为XPTXPT，则，则F F与与P P之间的关系为之间的关系为FXFT =PX
27、PT（三）反应过程的物料衡算（三）反应过程的物料衡算3-6化工过程的物料衡算化工过程的物料衡算化工工艺设计化工工艺设计(Chemical Process Design)、以节点进行计算、以节点进行计算 节点节点分流分流B分流分流C分流分流A 节点节点ABC节点示意图节点示意图q以流程中某一点的汇聚或分支处的交点，即节点来进行以流程中某一点的汇聚或分支处的交点，即节点来进行计算可使计算简化，如原料加入到循环系统中、物料的混计算可使计算简化，如原料加入到循环系统中、物料的混合、溶液的配制以及精流塔塔顶回流和产品取出等，均需合、溶液的配制以及精流塔塔顶回流和产品取出等，均需采用节点来进行计算采用节点
28、来进行计算（三）反应过程的物料衡算（三）反应过程的物料衡算3-6 化工过程的物料衡算化工过程的物料衡算化工工艺设计化工工艺设计(Chemical Process Design)、利用反应速率进行物料衡算、利用反应速率进行物料衡算在以在以物质的量（摩尔）或质量进行衡算时，由于发生了物质的量（摩尔）或质量进行衡算时，由于发生了化学反应，将输入与输出速率之差化学反应，将输入与输出速率之差R RC C定义为物质定义为物质C C的量（摩的量（摩尔）生成速率，即尔）生成速率，即 R RC C=F =F C C，输入输入- F - F C C，输出输出 q因此，化学反应过程的物料衡算式可写成因此，化学反应过
29、程的物料衡算式可写成 F F C C，输出输出 = F = F C C，输入，输入 - R- RC C（三）反应过程的物料衡算（三）反应过程的物料衡算3-6 化工过程的物料衡算化工过程的物料衡算化工工艺设计化工工艺设计(Chemical Process Design)（四）过程的物料衡算（四）过程的物料衡算1 1、循环过程、循环过程例如在生产例如在生产 中一般将未反应的原料与产品先分离，后中一般将未反应的原料与产品先分离，后循环返回原料进口处，与新原料一起再进入反应器反应循环返回原料进口处，与新原料一起再进入反应器反应例如苯直接加氢转化环己烷中的循环过程：例如苯直接加氢转化环己烷中的循环过程：
30、混合器混合器泠凝器泠凝器新鲜新鲜2纯纯C6H6循环循环280%220%C6H6产物产物3%H2反应器反应器3-6 化工过程的物料衡算化工过程的物料衡算化工工艺设计化工工艺设计(Chemical Process Design)在没有循环时，一系列单元步骤的物料衡算可按顺序依次在没有循环时，一系列单元步骤的物料衡算可按顺序依次进行，每次可取一个单元但是，如果有循环的话，由于循进行，每次可取一个单元但是，如果有循环的话，由于循环量并不知道，所以逐次计算并不能计算出循环量环量并不知道，所以逐次计算并不能计算出循环量试差法：试差法：假定一个循环量估计值进行计算，将估计值与计假定一个循环量估计值进行计算，
31、将估计值与计算值比较，若不符，重新假定一个估计值，一直计算到估计算值比较，若不符，重新假定一个估计值，一直计算到估计值与计算值之差在一定的误差范围内值与计算值之差在一定的误差范围内代数解法代数解法：在循环存在时，列出物料平衡方程式，并求解：在循环存在时，列出物料平衡方程式，并求解一般方程式中以循环量作为未知数，应用联立方程式的方法一般方程式中以循环量作为未知数，应用联立方程式的方法进行求解进行求解1 1、循环过程、循环过程3-6 化工过程的物料衡算化工过程的物料衡算（四）过程的物料衡算（四）过程的物料衡算化工工艺设计化工工艺设计(Chemical Process Design)苯直接加氢转化环
32、己烷中的循环过程的衡算苯直接加氢转化环己烷中的循环过程的衡算解：反应为：解：反应为：C C6 6H H6 6+3H+3H2 2CC6 6H H1212 基准：基准：100kmol/h100kmol/h环己烷环己烷 查苯的转化率为查苯的转化率为99%99%则生产则生产100kmol/h100kmol/h环己烷需苯环己烷需苯 1001000.99=101.01kmol/h0.99=101.01kmol/h未反应的苯为未反应的苯为 101.01-100=1.01kmol/h101.01-100=1.01kmol/h产物中含产物中含H H2,2,设含量为设含量为n nH2H23.001.110022H
33、HnnhKmolnH/12.323-6 化工过程的物料衡算化工过程的物料衡算（四）过程的物料衡算（四）过程的物料衡算化工工艺设计化工工艺设计(Chemical Process Design)总产量总产量100+1.01+3.12=104.13kmol/h100+1.01+3.12=104.13kmol/h其摩尔分数为其摩尔分数为96. 0126HCx01. 066HCx03. 02HxH H2 2的进料率为的进料率为 1001003 33.12=303.12kmol/h3.12=303.12kmol/h苯的进料率为苯的进料率为101.01kmol/h101.01kmol/h设设H H2 2循环量为循环量为R R2 . 012.30301.10101.101RR=100.92kmol/hR=100.92kmol/h3-6 化工过程的物料衡算化工过程的物料衡算（四）过程的物料衡算（四）过程的物料衡算
