1、2023-1-22第三章物料衡算和能量衡算上课第三章物料衡算和能量第三章物料衡算和能量衡算上课衡算上课第三章物料衡算和能量衡算上课主主 要要 内内 容容 物料衡算物料衡算 能量衡算能量衡算 化工模拟软件在化工设计中的应用化工模拟软件在化工设计中的应用 132第三章物料衡算和能量衡算上课物料衡算的物料衡算的目的和意义目的和意义1 1、确定、确定主、副产品的产量，原材料的消耗量，生主、副产品的产量，原材料的消耗量，生产过程的物料损耗，各单元设备的流体流量及其产过程的物料损耗，各单元设备的流体流量及其组成以及组成以及“三废三废”的生成量的生成量判断是否达到设计要判断是否达到设计要求（产品的技术经济指
2、标）。求（产品的技术经济指标）。2 2、作为、作为能量衡算能量衡算的基础。的基础。3 3、根据物料及能量衡算结果对生产设备和生产辅、根据物料及能量衡算结果对生产设备和生产辅助助设备进行设计和选型设备进行设计和选型，对过程所需设备的投资，对过程所需设备的投资及其可行性进行评价。及其可行性进行评价。第三章物料衡算和能量衡算上课3.1 物料衡算物料衡算物料衡算物料衡算运用质量守恒定律，对化工过程或设备进行运用质量守恒定律，对化工过程或设备进行定量计算。定量计算。一、物料衡算依据一、物料衡算依据1.理论依据理论依据质量守恒定律质量守恒定律物料衡物料衡算范围算范围单元操作的物料衡算单元操作的物料衡算化工
3、设备设计的前提化工设备设计的前提化工过程的物料衡算化工过程的物料衡算化工过程设计的前提化工过程设计的前提第三章物料衡算和能量衡算上课物料衡算的一般表达式为：物料衡算的一般表达式为：输入量输出量生成量消耗量积累量输入量输出量生成量消耗量积累量对稳定操作过程，积累量对稳定操作过程，积累量=0输入量输入量-输出量输出量+生成量生成量-消耗量消耗量=0 对无化学反应的过程：对无化学反应的过程：输入量输出量积累量输入量输出量积累量对无化学反应的稳定操作过程：对无化学反应的稳定操作过程：输入量输出量输入量输出量 第三章物料衡算和能量衡算上课2.数据基础数据基础(1)技术方案、操作方法、生产能力、年工作时。
4、技术方案、操作方法、生产能力、年工作时。(2)建设单位或研究单建设单位或研究单位的要求位的要求、设计参数、小试及中试数据：、设计参数、小试及中试数据：化工单元过程的化工单元过程的化学反应式化学反应式、原料配比、转化率、选择率、原料配比、转化率、选择率、总收率，催化剂状态、用量、回收方法、安全性能等；总收率，催化剂状态、用量、回收方法、安全性能等；原料及产品的分离方式原料及产品的分离方式，分离剂的用量，各步的回收率；，分离剂的用量，各步的回收率；特殊化学品的物性特殊化学品的物性：沸点、熔点、饱和蒸汽压、闪点等。：沸点、熔点、饱和蒸汽压、闪点等。(3)工艺流程示意图。工艺流程示意图。第三章物料衡算
5、和能量衡算上课二、物料衡算基准二、物料衡算基准p 物料衡算时须物料衡算时须选择计算基准选择计算基准，并在计算过程中，并在计算过程中保持一致保持一致。p 一般计算过程的基准有以下几种：一般计算过程的基准有以下几种：时间基准：时间基准：连续（小时，天连续（小时，天）间歇（釜，批间歇（釜，批）质量基准质量基准 kg，mol，kmol 体积基准体积基准 m3（STP）干湿基准干湿基准 干基（不含水），湿基（含水）干基（不含水），湿基（含水）例：例：100kg湿物料，其中含水湿物料，其中含水10kg，按，按 湿基：含水率为湿基：含水率为10%；若按干基：含水率为若按干基：含水率为10/（100-10）1
6、00%=11.11%实际计算时，必须根据具体情况选择合适的基准，过程的物实际计算时，必须根据具体情况选择合适的基准，过程的物料衡算及能量衡算应在同一基准上进行。料衡算及能量衡算应在同一基准上进行。第三章物料衡算和能量衡算上课三、物料衡算的基本程序三、物料衡算的基本程序(1)确定确定衡算对象和范围衡算对象和范围，画出计算对象的草图。注意物料种类，画出计算对象的草图。注意物料种类和走向，明确输入和输出。和走向，明确输入和输出。(2)确定确定计算任务计算任务，明确已知项、待求项，选择数学公式，力求，明确已知项、待求项，选择数学公式，力求使计算方法简化。使计算方法简化。(3)确定过程所确定过程所涉及的
7、组分涉及的组分，并对所有组分依次编号。，并对所有组分依次编号。(4)对物流的对物流的流股进行编号流股进行编号，并标注物流变量。，并标注物流变量。(5)收集数据资料收集数据资料（设计任务所规定已知条件，与过程有关物理（设计任务所规定已知条件，与过程有关物理化学参数）：化学参数）：生产规模生产规模（设计任务所规定，（设计任务所规定，t/年）和年）和生产时间生产时间（指全年有（指全年有效生产天数效生产天数300330天天/年，计约年，计约8000h）。）。有关定额的技术指标有关定额的技术指标，通常指产品单耗、配料比、循环比、，通常指产品单耗、配料比、循环比、固液比、气液比、回流比、利用率、单程收率、
8、回收率等固液比、气液比、回流比、利用率、单程收率、回收率等等。等。第三章物料衡算和能量衡算上课原辅材料、产品、中间产品的规格；原辅材料、产品、中间产品的规格；与过程有关有物理化学参数，如临界参数、密度或比体积、与过程有关有物理化学参数，如临界参数、密度或比体积、状态方程参数、蒸汽压、气液平衡常数或平衡关系等。状态方程参数、蒸汽压、气液平衡常数或平衡关系等。(6)列出过程全部独立物料平衡方程式及其相关约束式列出过程全部独立物料平衡方程式及其相关约束式，对有化，对有化学反应的还要写出化学反应方程式，指出其转化率和选择性。学反应的还要写出化学反应方程式，指出其转化率和选择性。约束式约束式分数约束式分
9、数约束式设备约束式设备约束式 进料配比为一常数；进料配比为一常数；分流器出口物流具有相同的组成；分流器出口物流具有相同的组成；相平衡常数；相平衡常数；化学反应平衡常数；化学反应平衡常数；化学反应的转化率、选择性或其化学反应的转化率、选择性或其他限度。他限度。第三章物料衡算和能量衡算上课画出流程示意图。画出流程示意图。列出已知数据。列出已知数据。列出由物料平衡所需求解的问题。列出由物料平衡所需求解的问题。决定系统的边界。决定系统的边界。写出主、副产品的化学反应方程式。写出主、副产品的化学反应方程式。约束条件确定。约束条件确定。选择计算基准。选择计算基准。进行物料平衡计算。进行物料平衡计算。列出物
10、料平衡表，并进行校核。列出物料平衡表，并进行校核。写出结论。写出结论。物料衡算的方法和步骤物料衡算的方法和步骤 第三章物料衡算和能量衡算上课 一种废酸，组成为一种废酸，组成为2323(质量质量)HNO3，5757H2SO4和和2020H2O，加入，加入9393的浓的浓H2SO4及及9090的的浓浓HNO3，要求混合成，要求混合成2727 HNO3及及6060 H2SO4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。混合器混合器废废酸酸浓浓硝酸硝酸浓浓硫酸硫酸混合酸混合酸第三章物料衡算和能量衡算上课画出流程示意图。画出流程示意图。列出已知数据。列出已知数据。列出
11、由物料平衡所需求解的问题。列出由物料平衡所需求解的问题。决定系统的边界。决定系统的边界。写出主、副产品的化学反应方程式。写出主、副产品的化学反应方程式。约束条件确定。约束条件确定。选择计算基准。选择计算基准。进行物料平衡计算。进行物料平衡计算。列出物料平衡表，并进行校核。列出物料平衡表，并进行校核。写出结论。写出结论。物料衡算的方法和步骤物料衡算的方法和步骤 第三章物料衡算和能量衡算上课 一种废酸，组成为一种废酸，组成为2323(质量质量)HNO3，5757H2SO4和和2020H2O，加入，加入9393的浓的浓H2SO4及及9090的的浓浓HNO3，要求混合成，要求混合成2727 HNO3及
12、及6060 H2SO4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。混合器混合器废废酸酸浓浓硝酸硝酸HNO3H2O浓浓硫酸硫酸H2SO4H2OHNO3 0.23H2SO4 0.57H2O 0.20混合酸混合酸HNO3H2SO4H2O0.900.100.930.070.270.600.13第三章物料衡算和能量衡算上课画出流程示意图。画出流程示意图。列出已知数据。列出已知数据。列出由物料平衡所需求解的问题。列出由物料平衡所需求解的问题。决定系统的边界。决定系统的边界。写出主、副产品的化学反应方程式。写出主、副产品的化学反应方程式。约束条件确定。约束条件确定。选择计
13、算基准。选择计算基准。进行物料平衡计算。进行物料平衡计算。列出物料平衡表，并进行校核。列出物料平衡表，并进行校核。写出结论。写出结论。物料衡算的方法和步骤物料衡算的方法和步骤 第三章物料衡算和能量衡算上课混合器混合器废废酸酸HNO3 0.23H2SO4 0.57H2O 0.20混合酸混合酸HNO3H2SO4H2Oykgzkgxkg0.900.100.930.070.270.600.13 一种废酸，组成为一种废酸，组成为2323(质量质量)HNO3，5757H2SO4和和2020H2O，加入，加入9393的浓的浓H2SO4及及9090的浓的浓HNO3，要求混合成要求混合成2727 HNO3及及6
14、060 H2SO4的混合酸，计算的混合酸，计算所需废酸及加入浓酸的数量。所需废酸及加入浓酸的数量。浓浓硝酸硝酸HNO3H2O浓浓硫酸硫酸H2SO4H2O第三章物料衡算和能量衡算上课画出流程示意图。画出流程示意图。列出已知数据。列出已知数据。列出由物料平衡所需求解的问题。列出由物料平衡所需求解的问题。决定系统的边界。决定系统的边界。写出主、副产品的化学反应方程式。写出主、副产品的化学反应方程式。约束条件确定。约束条件确定。选择计算基准。选择计算基准。进行物料平衡计算。进行物料平衡计算。列出物料平衡表，并进行校核。列出物料平衡表，并进行校核。写出结论。写出结论。物料衡算的方法和步骤物料衡算的方法和
15、步骤 第三章物料衡算和能量衡算上课 一种废酸，组成为一种废酸，组成为2323(质量质量)HNO3，5757H2SO4和和2020H2O，加入，加入9393的浓的浓H2SO4及及9090的浓的浓HNO3，要求混合成要求混合成2727 HNO3及及6060 H2SO4的混合酸，计算的混合酸，计算所需废酸及加入浓酸的数量。所需废酸及加入浓酸的数量。混合器混合器废废酸酸HNO3 0.23H2SO4 0.57H2O 0.20混合酸混合酸HNO3H2SO4H2Oykgzkgxkg0.900.100.930.070.270.600.13浓浓硝酸硝酸HNO3H2O浓浓硫酸硫酸H2SO4H2O第三章物料衡算和能
16、量衡算上课画出流程示意图。画出流程示意图。列出已知数据。列出已知数据。列出由物料平衡所需求解的问题。列出由物料平衡所需求解的问题。决定系统的边界。决定系统的边界。写出主、副产品的化学反应方程式。写出主、副产品的化学反应方程式。约束条件确定。约束条件确定。选择计算基准。选择计算基准。进行物料平衡计算。进行物料平衡计算。列出物料平衡表，并进行校核。列出物料平衡表，并进行校核。写出结论。写出结论。物料衡算的方法和步骤物料衡算的方法和步骤 第三章物料衡算和能量衡算上课 基准：基准：100kg100kg混合酸混合酸混合器混合器废废酸酸HNO3 0.23H2SO4 0.57H2O 0.20混合酸混合酸HN
17、O3H2SO4H2Oykgzkgxkg0.900.100.930.070.270.600.13浓浓硝酸硝酸HNO3H2O浓浓硫酸硫酸H2SO4H2O第三章物料衡算和能量衡算上课画出流程示意图。画出流程示意图。列出已知数据。列出已知数据。列出由物料平衡所需求解的问题。列出由物料平衡所需求解的问题。决定系统的边界。决定系统的边界。写出主、副产品的化学反应方程式。写出主、副产品的化学反应方程式。约束条件确定。约束条件确定。选择计算基准。选择计算基准。进行物料平衡计算。进行物料平衡计算。列出物料平衡表，并进行校核。列出物料平衡表，并进行校核。写出结论。写出结论。物料衡算的方法和步骤物料衡算的方法和步骤
18、 第三章物料衡算和能量衡算上课 总物料衡算式：总物料衡算式：x+y+z=100 组分衡算式：组分衡算式：H2SO4 0.57x+0.93z=100*0.6=60 HNO3 0.23x+0.90y=100*0.27=27 解得：解得：x=41.8kg；y=19.2kg；z=39kg混合器混合器废废酸酸HNO3 0.23H2SO4 0.57H2O 0.20混合酸混合酸HNO3H2SO4H2Oykgzkgxkg0.900.100.930.070.270.600.13浓浓硝酸硝酸HNO3H2O浓浓硫酸硫酸H2SO4H2O第三章物料衡算和能量衡算上课画出流程示意图。画出流程示意图。列出已知数据。列出已知
19、数据。列出由物料平衡所需求解的问题。列出由物料平衡所需求解的问题。决定系统的边界。决定系统的边界。写出主、副产品的化学反应方程式。写出主、副产品的化学反应方程式。约束条件确定。约束条件确定。选择计算基准。选择计算基准。进行物料平衡计算。进行物料平衡计算。列出物料平衡表，并进行校核。列出物料平衡表，并进行校核。写出结论。写出结论。物料衡算的方法和步骤物料衡算的方法和步骤 第三章物料衡算和能量衡算上课物料平衡表物料平衡表输入输入输出输出组分组分质量质量/kg组分组分质量质量/kg废酸废酸废酸中的硝酸废酸中的硝酸废酸中的硫酸废酸中的硫酸废酸中的水废酸中的水浓硝酸浓硝酸浓硝酸中的硝酸浓硝酸中的硝酸浓硝
20、酸中的水浓硝酸中的水浓硫酸浓硫酸浓硫酸中的硫酸浓硫酸中的硫酸浓硫酸中的水浓硫酸中的水总计总计41.89.623.88.419.217.281.923936.272.73100混合酸混合酸混合酸中的浓硝酸混合酸中的浓硝酸混合酸中的浓硫酸混合酸中的浓硫酸混合酸中的混合酸中的H2O总计总计100602713100第三章物料衡算和能量衡算上课 校核结果：依据水平衡校核结果：依据水平衡混合器混合器废废酸酸HNO3 0.23H2SO4 0.57H2O 0.20混合酸混合酸HNO3H2SO4H2Oykgzkgxkg0.900.100.930.070.270.600.13浓浓硝酸硝酸HNO3H2O浓浓硫酸硫酸
21、H2SO4H2O第三章物料衡算和能量衡算上课画出流程示意图。画出流程示意图。列出已知数据。列出已知数据。列出由物料平衡所需求解的问题。列出由物料平衡所需求解的问题。决定系统的边界。决定系统的边界。写出主、副产品的化学反应方程式。写出主、副产品的化学反应方程式。约束条件确定。约束条件确定。选择计算基准。选择计算基准。进行物料平衡计算。进行物料平衡计算。列出物料平衡表，并进行校核。列出物料平衡表，并进行校核。写出结论。写出结论。物料衡算的方法和步骤物料衡算的方法和步骤 第三章物料衡算和能量衡算上课 二、无化学反应的物料衡算二、无化学反应的物料衡算 一个设备一个设备 简单过程简单过程 整个过程（可简
22、化为一个设备单元）整个过程（可简化为一个设备单元）多单元系统：多单元系统：对有数个单元设备的系统中的每一对有数个单元设备的系统中的每一个设备都要计算其流量及组成。个设备都要计算其流量及组成。第三章物料衡算和能量衡算上课 精馏精馏例例1 1：以苯为溶剂，用共沸精馏法分离乙醇水混以苯为溶剂，用共沸精馏法分离乙醇水混合物，制取纯乙醇。假定料液混合物含水合物，制取纯乙醇。假定料液混合物含水60%60%，乙，乙醇醇40%40%，在精馏塔馏出液中含苯，在精馏塔馏出液中含苯75%75%，水，水24%24%，其余，其余为醇（组成均为质量分数）。若要求乙醇生产量为为醇（组成均为质量分数）。若要求乙醇生产量为10
23、00kg1000kgh h，试计算精馏中所需的苯量。，试计算精馏中所需的苯量。简单过程简单过程第三章物料衡算和能量衡算上课 解：画出流程示意图。解：画出流程示意图。总物料平衡式：总物料平衡式：F1F2=F3F4 组分物料平衡式：组分物料平衡式：苯平衡：苯平衡：F2=0.75 F3 水平衡：水平衡：0.6F1=0.24F3 解得解得 F1=2667kgh,F2=5000kgh,F3=6667kgh 校核：校核：依据醇平衡：依据醇平衡：0.4F1=0.01F3+F4 左右两边相等，结果准确。左右两边相等，结果准确。F1？料液料液F2？苯苯 F3？馏出液馏出液 F4=1000kg/h乙醇产品乙醇产品
24、乙醇乙醇 40%40%水水 60%60%乙醇乙醇 1%1%水水 24%24%苯苯 75%75%第三章物料衡算和能量衡算上课 对系统中的每一个设备都要计算其流量及组对系统中的每一个设备都要计算其流量及组成，这种系统就称为多单元系统。成，这种系统就称为多单元系统。如下图即为多单元系统如下图即为多单元系统12435单元单元单元单元多单元系统多单元系统Fx1，x1D1 xD1，xD1D2 xD2，xD2W1 xW1 xW1W2 xW2，xW2第三章物料衡算和能量衡算上课结论：结论：两单元过程可处理为：单元两单元过程可处理为：单元、单元、单元和总过程单元和总过程单元可列平衡方程：两组单元平衡方程式和一组
25、总平衡方程式。其可列平衡方程：两组单元平衡方程式和一组总平衡方程式。其中每一组方程均由中每一组方程均由S个独立的物料平衡方程式所构成。个独立的物料平衡方程式所构成。第三章物料衡算和能量衡算上课 多单元系统多单元系统例例2 2：造纸厂的碱回收工段有一个四效蒸发器，造纸厂的碱回收工段有一个四效蒸发器，将造纸废液（简称黑液）浓缩，供料方式为将造纸废液（简称黑液）浓缩，供料方式为，蒸发器的总处理能力为，蒸发器的总处理能力为 80000kg80000kgh,h,从含从含15%15%（质量分数，下同）固形（质量分数，下同）固形物浓缩到含物浓缩到含60%60%固形物，第固形物，第效后含效后含17.8%17.
26、8%固形固形物，第物，第效后含效后含22.6%22.6%固形物，第固形物，第效后含效后含31.5%31.5%固形物。按以上要求计算总蒸发水量和固形物。按以上要求计算总蒸发水量和每一效蒸发器的蒸发水量。每一效蒸发器的蒸发水量。解题思路：解题思路：画出流程示意图画出流程示意图列出已知数据列出已知数据列列出待求解数据出待求解数据确定系统的边界确定系统的边界列衡算式列衡算式结论。结论。第三章物料衡算和能量衡算上课解：画出流程示意图，如图所示。解：画出流程示意图，如图所示。80000kg/h 15%蒸汽蒸汽60%31.5%22.6%17.8%第三章物料衡算和能量衡算上课F进进X进进=（F进进W）X出出
27、式中式中 F进进进口料液的流量，进口料液的流量，kgkgh h；X进进进口料液的质量分数，进口料液的质量分数，%；X出出出口料液的质量分数，出口料液的质量分数，%；W当效的蒸发水量，当效的蒸发水量，kgkgh.h.由上式可以得到由上式可以得到 W=F进进（1X进进X出出）则总的蒸发水量为则总的蒸发水量为 W总总=80000（11560）=60000kgh第三章物料衡算和能量衡算上课第第效的蒸发水量效的蒸发水量 W=80000（11517.8）=12600kgh第第效的蒸发水量为效的蒸发水量为 W=67400（117.822.6）=14300kgh 第第效的蒸发水量为效的蒸发水量为 W=5310
28、0（122.631.5）=15000kgh 第第效的蒸发水量为效的蒸发水量为 W=53100（122.631.5）=15000kgh校核：校核：W总总=W+W+W+W结论：结论：W总总=60000kgh；W=12600kgh；W=14300kgh；W=15000 kgh；W=18100 kgh。第三章物料衡算和能量衡算上课1:1:在过滤机中将含有在过滤机中将含有20%20%（质量分数）的固体料浆进行过滤，（质量分数）的固体料浆进行过滤，固体料浆的进料流量为固体料浆的进料流量为1000kgh1000kgh，过滤后滤饼含有，过滤后滤饼含有90%90%（质量（质量分数）的固体，而滤液含有分数）的固体
29、，而滤液含有1%1%（质量分数）的固体，试计算滤（质量分数）的固体，试计算滤液和滤饼的流量。液和滤饼的流量。练习：简单过程练习：简单过程第三章物料衡算和能量衡算上课 解：画出流程示意图，如图所示。解：画出流程示意图，如图所示。过滤机过滤机料浆料浆 F1=1000kgh 20%固体固体 80%液体液体滤液滤液 F2=？kgh 1%固体固体 99%液体液体 滤饼滤饼 F3=？kgh90%固体固体10%液体液体 第三章物料衡算和能量衡算上课总平衡式总平衡式 输入的料浆输入的料浆=输出的滤液输出的滤液+输出的滤饼输出的滤饼 F1=F2 F3液体平衡式液体平衡式 料浆中的液体料浆中的液体=滤液中的液体滤
30、液中的液体 滤饼中的液体滤饼中的液体 F1X11=F2X21 F3X31代入已知数据，得方程式代入已知数据，得方程式 1000=F2 F3 0.81000=0.99F2 0.10F3解方程式得：解方程式得：F2=786.5kgh F3=213.5kgh固体平衡式校核：固体平衡式校核：0.21000=0.01786.50.9213.5平衡式两边相等，故答案正确。平衡式两边相等，故答案正确。第三章物料衡算和能量衡算上课 三、反应过程的物料衡算三、反应过程的物料衡算 理论消耗量：只和化学反应有关理论消耗量：只和化学反应有关原材料的消耗定额原材料的消耗定额 实际消耗量：极少等于理论量实际消耗量：极少等
31、于理论量衡量实际消耗量和理论消耗量差别的指标：衡量实际消耗量和理论消耗量差别的指标：转化率、选择性、收率、限制反应物、过量反应物。转化率、选择性、收率、限制反应物、过量反应物。第三章物料衡算和能量衡算上课 1、转化率（转化率（x x）转化率：转化率：原料中某一反应物转化掉的量（摩尔）与初始反应原料中某一反应物转化掉的量（摩尔）与初始反应 物的量（摩尔）的比值，它是化学反应进程的一个标志。物的量（摩尔）的比值，它是化学反应进程的一个标志。单程转化率单程转化率=100总转化率总转化率=100 可简写成可简写成 转化率转化率=100 数学表达式为数学表达式为:=第三章物料衡算和能量衡算上课 2、选择
32、性（选择性（）选择性：选择性：当同一种原料可以转化为几种产物，即同时存在主当同一种原料可以转化为几种产物，即同时存在主反应和副反应时，选择性表示实际转化为目的产物的原料反应和副反应时，选择性表示实际转化为目的产物的原料的量（摩尔）与被转化掉的原料的量（摩尔）的比值。的量（摩尔）与被转化掉的原料的量（摩尔）的比值。选择性选择性=100 数学表达式为数学表达式为:=第三章物料衡算和能量衡算上课 3、收率（收率（）收率：收率：原料转化为目的产物的量（摩尔）与进反应原料转化为目的产物的量（摩尔）与进反应系统的初始量（摩尔）的比值。系统的初始量（摩尔）的比值。收率收率=数学表达式为数学表达式为:=收率收
33、率=转化率转化率选择性选择性 =第三章物料衡算和能量衡算上课 4、限制反应物与过量反应物限制反应物与过量反应物限制反应物：限制反应物：在参与反应的反应物中，以最小化学计量存在参与反应的反应物中，以最小化学计量存在的反应物为限制反应物。在的反应物为限制反应物。过量反应物：过量反应物：在参与反应的反应物中，超过化学计量的反在参与反应的反应物中，超过化学计量的反应物为过量反应物。应物为过量反应物。反应物的过量程度，通常以过量百分数来表示，即反应物的过量程度，通常以过量百分数来表示，即 过量程度过量程度=100 第三章物料衡算和能量衡算上课 练习练习（转化率、选择性、收率的计算）（转化率、选择性、收率
34、的计算）例：已知丙烯氧化法生产丙烯醛的一段反应器，原料丙烯例：已知丙烯氧化法生产丙烯醛的一段反应器，原料丙烯投料量为投料量为600kg/h，出料中有丙烯醛，出料中有丙烯醛640kg/h，另有未反应，另有未反应的丙烯的丙烯25kg/h，试计算原料丙烯的转化率、选择性及丙烯，试计算原料丙烯的转化率、选择性及丙烯醛的收率。醛的收率。一段反应器一段反应器丙烯丙烯600kg/h丙烯丙烯25kg/h丙烯醛丙烯醛640kg/h解：丙烯氧化生成丙烯醛的化学反应方程式：第三章物料衡算和能量衡算上课 丙烯的转化率：丙烯的转化率：丙烯醛的收率：丙烯醛的收率：丙烯的选择性：丙烯的选择性：第三章物料衡算和能量衡算上课直
35、接计算法。直接计算法。有些化学反应过程的物料衡算，有时只含一个未知量或组成，这类问题比较简单，通常可根据化学反应式直接求解，不必通常可根据化学反应式直接求解，不必列出衡算式。列出衡算式。元素平衡。元素平衡。利用反应速率进行物料衡算。利用反应速率进行物料衡算。以节点进行衡算。以节点进行衡算。反应过程的物料衡算计算方法反应过程的物料衡算计算方法 第三章物料衡算和能量衡算上课例例3-1：甲醇氧化制甲醛，其反应过程为甲醇氧化制甲醛，其反应过程为 CH3OH+1/2O2 HCHO+H2O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75%75%，若，若使用使用50%50%的
36、过量空气，试计算反应后气体混合物的摩的过量空气，试计算反应后气体混合物的摩尔组成。尔组成。催化反应器催化反应器CH3OH 空气（过量空气（过量50%）HCHO H2O CH3OH O2 N2解：画出流程示意图，如图所示。解：画出流程示意图，如图所示。一、直接推算法第三章物料衡算和能量衡算上课基准：基准：1 mol CH3OH O2的量（需要）的量（需要）=0.5molO2的量（输入）的量（输入）=1.5 x x0.5=0.75molN2的量（输入）的量（输入）=N2的量（输出）的量（输出）=0.75 x x(79/21)=2.82molCH3OH为限制反应物，反应的为限制反应物，反应的CH3O
37、H量量=0.75 x x 1=0.75mol因此，因此，HCHO的量（输出）的量（输出）=0.75 molCH3OH的量（输出）的量（输出）=1-0.75=0.25molO2的量（输出）的量（输出）=0.75-0.75 x x 0.5=0.375molH2O的量（输出）的量（输出）=0.75mol CH3OH+1/2O2 HCHO+H2O第三章物料衡算和能量衡算上课计算结果如表所示：组分组分物质的量物质的量/mol摩尔分数摩尔分数/%CH3OHHCHOH2OO2N2总计总计0.2500.7500.7500.3752.8204.9455.015.215.27.657.0100.0第三章物料衡算和
38、能量衡算上课第三章 物料衡算与能量衡算反应器反应器C6H5C2H5C6H5CH3、H2OC6H5C2H5、C6H6、C6H5CH3、C6H5C2H3H2O、CH4、C2H4、C、H2例例3-2 苯乙烯的反应器，年生产能力为苯乙烯的反应器，年生产能力为10000t，年工作时间为，年工作时间为8000h，苯乙烯收率为，苯乙烯收率为40%，以反应物乙苯计的苯乙烯选择性，以反应物乙苯计的苯乙烯选择性为为90%，苯选择性为，苯选择性为3%，甲苯选择性为，甲苯选择性为5%，焦油选择性为，焦油选择性为2%。原料乙苯中含甲苯。原料乙苯中含甲苯2%（质量分数），反应时通入水蒸（质量分数），反应时通入水蒸气提供部
39、分热量并降低乙苯分压，乙苯原料和水蒸气比为气提供部分热量并降低乙苯分压，乙苯原料和水蒸气比为1:1.5（质量比），要求对该反应器进行物料衡算，即计算进（质量比），要求对该反应器进行物料衡算，即计算进出反应器各物料的流量。出反应器各物料的流量。第三章物料衡算和能量衡算上课 解：反应器中发生了以下化学反应：解：反应器中发生了以下化学反应：C6H5C2H5 C6H5C2H3+H2 （1）C6H5C2H5+H2 C6H5CH3+CH4 （2）C6H5C2H5 C2H4+C6H6 （3）C6H5C2H5 7C+3H2+CH4 （4）各物料的摩尔质量汇总列于表各物料的摩尔质量汇总列于表3-1。第三章物料衡
40、算和能量衡算上课物料物料C6H5C2H5C6H5C2H3C6H6C6H5CH3H2OCH4C2H4CH2摩尔质量摩尔质量/(g/mol)1061047892181628122表表3-1 各物料的摩尔质量（基准：各物料的摩尔质量（基准：1000kg/h乙苯原料）乙苯原料）基准：选1000kg/h乙苯原料为计算基准第三章物料衡算和能量衡算上课 进反应器纯乙苯量进反应器纯乙苯量1000kg/h98%=980kg/h，即为，即为9.245kmol/h 原料中甲苯量原料中甲苯量1000 kg/h2%=20kg/h，即为，即为0.217kmol/h 水蒸气量水蒸气量980 kg/h1.5=1470kg/h
41、，即为，即为81.667kmol/h 乙苯的转化率为乙苯的转化率为0.4/0.9=0.4444 参加反应的总乙苯量参加反应的总乙苯量980 kg/h0.4444=435.11kg/h，即，即为为4.109kmol/h第三章物料衡算和能量衡算上课 产物中各组分情况如下：产物中各组分情况如下：未反应的乙苯量（未反应的乙苯量（980-435.11）kg/h=544.89 kg/h，即为，即为5.140kmol/h 由苯乙烯选择性，生成苯乙烯量由苯乙烯选择性，生成苯乙烯量4.109 kmol/h90%=3.698 kmol/h，即为即为384.60kg/h 由各物质的选择性，有由各物质的选择性，有 输
42、出的甲苯量输出的甲苯量4.109 kmol/h5%+0.217 kmol/h=0.423 kmol/h，即为即为38.92kg/h 生成的苯量生成的苯量4.109 kmol/h3%=0.123 kmol/h，即为，即为9.60kg/h 生成的乙烯量生成的乙烯量4.109 kmol/h3%=0.123 kmol/h，即为，即为3.44kg/h 生成的碳量生成的碳量4.109 kmol/h2%7=0.575 kmol/h，即为，即为6.9kg/h 生成的甲烷量生成的甲烷量4.109 kmol/h（5%+2%）=0.288 kmol/h，即为，即为4.61kg/h 输出的氢量输出的氢量4.109 k
43、mol/h（90%-5%+2%3）=3.739 kmol/h，即为即为7.48kg/h 输出水量输出水量=输入水量（不参与反应）输入水量（不参与反应）1470kg/h，即为，即为81.667kmol/h 实际每小时要求苯乙烯的产量实际每小时要求苯乙烯的产量100001000kg/8000h=1250kg/h 比例系数比例系数1250/384.60=3.25第三章物料衡算和能量衡算上课表表3-2 乙苯脱氢反应器物料衡算表乙苯脱氢反应器物料衡算表组分组分输输 入入输输 出出摩尔流量摩尔流量/(kmol/h)质量流量质量流量/(kg/h)摩尔流量摩尔流量/(kmol/h)质量流量质量流量/(kg/h
44、)C6H5C2H530.046318516.7051770.89C6H5CH30.705651.375126.49H2O265.4184777.5265.4184777.5C6H5C2H312.0191249.95C6H60.00431.20C2H40.00411.18CH40.93614.98C1.86922.43H212.15224.31合计合计296.1698027.5310.4828028.93第三章物料衡算和能量衡算上课第三章 物料衡算与能量衡算二、原子平衡法二、原子平衡法例例3-3 将碳酸钠溶液加入石灰进行苛化，已知碳酸钠溶液将碳酸钠溶液加入石灰进行苛化，已知碳酸钠溶液组成为组成为
45、NaOH 0.59%（质量分数），（质量分数），Na2CO3 14.88%，H2O 84.53%，反应后的苛化液含，反应后的苛化液含CaCO3 13.48%，Ca(OH)2 0.28%，Na2CO3 0.61%，NaOH 10.36%，H2O 75.27%。计算：。计算：1）每）每100kg苛化液需加石灰的质量及石苛化液需加石灰的质量及石灰的组成；灰的组成；2）每）每100kg苛化液需用碳酸钠溶液的质量。苛化液需用碳酸钠溶液的质量。苛化反应苛化反应器器FNaOH 0.59%Na2CO3 14.88%H2O 84.53%CaCO3 13.48%Ca(OH)2 0.28%Na2CO3 0.61%N
46、aOH 10.36%H2O 75.27%CaCO3 x/WCaO y/WC a(O H)2 z/W第三章物料衡算和能量衡算上课第三章 物料衡算与能量衡算解解:设碳酸钠溶液的质量为设碳酸钠溶液的质量为F（kg）石灰的质量为石灰的质量为W（kg）石灰中石灰中CaCO3、CaO及及Ca(OH)2的质量分的质量分别设为别设为x、y和和z，则石灰中各物质的组成可表示，则石灰中各物质的组成可表示为：为：x/W，y/W，z/W基准：基准：100kg苛化液苛化液画出物料流程示意图（图画出物料流程示意图（图3-2）第三章物料衡算和能量衡算上课表表3-3 各种物料质量和物质的量计算结果各种物料质量和物质的量计算结
47、果Na2CO3溶液中溶液中苛化钠溶液中苛化钠溶液中物料物料摩尔质量摩尔质量（g/mol）质量质量（kg）物质的量物质的量（kmol）物料物料摩尔质摩尔质量量（g/mol）质量质量（kg）物质的物质的量量（kmol）NaOH400.59%F0.000148FNaOH4010.360.2590Na2CO310614.88%F0.001404FNa2CO31060.610.00575H2O1884.53%F0.04696FH2O1875.274.18Ca(OH)2740.280.00377CaCO310013.480.1347第三章物料衡算和能量衡算上课 列元素平衡式列元素平衡式 Na平衡：平衡：0
48、.000148F+0.001404F2=（0.005752+0.2590）kmol C平衡：平衡：Ca平衡：平衡：总物料平衡：总物料平衡：F+W=100kg/mol 石灰总量等于各物质质量之和石灰总量等于各物质质量之和W=x+y+z 计算结果汇总列入表计算结果汇总列入表3-4第三章物料衡算和能量衡算上课表表3-4 计算结果汇总计算结果汇总组分组分输输 入入输输 出出物质的量物质的量/kmol质量质量/kg物质的量物质的量/kmol质量质量/kgNaOH0.01350.540.259010.35Na2CO30.128513.620.005750.61H2O4.297377.354.18275.2
49、7CaCO30.0121.20.13713.48CaO0.0156.44Ca(OH)20.01160.860.003770.28合计合计296.1691004.5875100第三章物料衡算和能量衡算上课试计算合成甲醇过程中反应混合物的平衡组成。设原料气试计算合成甲醇过程中反应混合物的平衡组成。设原料气中中H H2 2与与COCO摩尔比为摩尔比为4.54.5：1.0 1.0，惰性组分含量为，惰性组分含量为13.8%13.8%，压力为压力为30MPa30MPa，温度为，温度为365365摄氏度，平衡常数摄氏度，平衡常数Kp=2.505Kp=2.505*1010-3-3MPaMPa-2-2 三、平衡
50、常数法三、平衡常数法第三章物料衡算和能量衡算上课物质物质C C的质量（摩尔）生成速率的质量（摩尔）生成速率:在以物质的量（摩尔）或在以物质的量（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率之差Rc 称为物质称为物质C C的质量（摩尔）生成速率的质量（摩尔）生成速率.即即 Rc=Fc 输出输出Fc 输入输入物料衡算式物料衡算式：Fc输出输出=Fc 输入输入+Rc aA+bB=cC+dD 反应速率反应速率r r可定义为：可定义为：r=Rc/c c=1.2.,n（c表示物质C的化学计量系数）任一物质任一物质C C的生成速率：的生
