1、第四章第四章 物料衡算物料衡算v第一节第一节 概述概述v第二节第二节 物料衡算基本理论物料衡算基本理论v第三节第三节 物料衡算举例物料衡算举例4.1 4.1 概述概述v4.1.1.4.1.1.物料衡算的重要性物料衡算的重要性 v求出各种物料的数量和组成，设计由定性求出各种物料的数量和组成，设计由定性转入定量。转入定量。v设计中，物料衡算是最先进行的计算项目，设计中，物料衡算是最先进行的计算项目，其结果是后续各单项设计的依据，物料衡其结果是后续各单项设计的依据，物料衡算结果的直接关系到整个工艺设计可靠程算结果的直接关系到整个工艺设计可靠程度。度。v4.1.2.4.1.2.物料衡算的依据物料衡算的
2、依据 v工艺流程示意图以及为物料衡算收集的有工艺流程示意图以及为物料衡算收集的有关资料。关资料。4.1.3.4.1.3.物料衡算的作用物料衡算的作用v将工艺流程示意图进一步深化，可绘制出物料将工艺流程示意图进一步深化，可绘制出物料流程图。流程图。v在物料衡算的基础上，可进行能量衡算、设备在物料衡算的基础上，可进行能量衡算、设备的选型或工艺设计，以确定设备的容积、台数的选型或工艺设计，以确定设备的容积、台数和主要工艺尺寸、确定消耗定额、进行车间布和主要工艺尺寸、确定消耗定额、进行车间布置设计和管道设计。置设计和管道设计。v对已投产的设备、装置、车间或工厂进行物料对已投产的设备、装置、车间或工厂进
3、行物料衡算，以寻找薄弱环节，为改进生产、完善管衡算，以寻找薄弱环节，为改进生产、完善管理提供可靠的依据理提供可靠的依据v可作为判断工程项目是否达到设计要求以及检可作为判断工程项目是否达到设计要求以及检查原料利用率和三废处理完善程度的一种手段。查原料利用率和三废处理完善程度的一种手段。4.1.4.4.1.4.物料衡算的类型物料衡算的类型v按物质变化分为：按物质变化分为：v物理过程的物料衡算物理过程的物料衡算v化学过程的物料衡算化学过程的物料衡算v按操作方式分为：按操作方式分为：v连续过程的物料衡算连续过程的物料衡算v间歇过程的物料衡算间歇过程的物料衡算v按衡算目的分为按衡算目的分为：操作型操作型
4、对已有设备或装置进行衡算对已有设备或装置进行衡算 设计型设计型设计新的设备或装置设计新的设备或装置4.2 4.2 物料衡算的基本理论物料衡算的基本理论4.2.14.2.1物料平衡方程式物料平衡方程式v理论基础是质量守恒定律理论基础是质量守恒定律。v1.1.物理过程物理过程v稳态过程，物料在体系内没有累积稳态过程，物料在体系内没有累积）（14 AOIGGG）（24 OIGG2.2.化学过程化学过程v对于稳态过程对于稳态过程）（34 AiRiOiPiIiGGGGG）（44 RiOiPiIiGGGG对对i组分的物料衡算式组分的物料衡算式使用上述各式时要注意以下几点：使用上述各式时要注意以下几点：v1
5、 1）当无化学反应时，各式对总物料、各组分或元素）当无化学反应时，各式对总物料、各组分或元素均成立，物料单位可用千克，也可用摩尔。均成立，物料单位可用千克，也可用摩尔。v2 2）当有化学反应时）当有化学反应时,（4-34-3）和（）和（4-44-4）式可对总物料、）式可对总物料、各个组分列衡算式，单位既可用千克，也可用摩尔。各个组分列衡算式，单位既可用千克，也可用摩尔。v3 3）无论有无化学反应，各式对各元素均可使用。单）无论有无化学反应，各式对各元素均可使用。单位可用千克或摩尔。位可用千克或摩尔。v4 4）物理过程，优先对总物料列式，化学过程，优先）物理过程，优先对总物料列式，化学过程，优先
6、对组分列式。对组分列式。4.2.2 4.2.2 衡算基准衡算基准v1 1、时间基准、时间基准 v对连续稳定流动体系，以单位时间作基准。该基准对连续稳定流动体系，以单位时间作基准。该基准可与生产规模直接联系可与生产规模直接联系v对间歇过程，以处理一批物料的生产周期作基准对间歇过程，以处理一批物料的生产周期作基准。v2 2、质量基准、质量基准v对于液、固系统对于液、固系统 ，因其多为复杂混合物选择一定，因其多为复杂混合物选择一定质量的原料或产品作为计算基准质量的原料或产品作为计算基准 。v若原料产品为单一化合物或组成已知，取物质量若原料产品为单一化合物或组成已知，取物质量（molmol）作基准更方
7、便。）作基准更方便。3 3、体积基准、体积基准 v对气体选用体积作基准。通常取标况下体积对气体选用体积作基准。通常取标况下体积(m(m3 3)v在进行物料衡算或热量衡算时，均须选择相在进行物料衡算或热量衡算时，均须选择相应的衡算基准。合理地选择衡算基准，不仅应的衡算基准。合理地选择衡算基准，不仅可以简化计算过程，而且可以缩小计算误差可以简化计算过程，而且可以缩小计算误差基准选取中几点说明：基准选取中几点说明：v（1 1）上面几种基准具体选哪种（有时几种共用）上面几种基准具体选哪种（有时几种共用）视具体条件而定，难以硬性规定。视具体条件而定，难以硬性规定。v（2 2）通常选择已知变量数最多的物料
8、流股作）通常选择已知变量数最多的物料流股作 基准基准较方便。较方便。v（3 3）取一定物料量作基准，相当于增加了一个已）取一定物料量作基准，相当于增加了一个已知条件（当产物和原料的量均未知时，使隐条件明知条件（当产物和原料的量均未知时，使隐条件明朗化）。朗化）。v（4 4）选取相对量较大的物流作基准，可减少计算）选取相对量较大的物流作基准，可减少计算误差。误差。例题 丙烷充分燃烧时，通入的空气量为理论量的125，反应式为C3H8+5O23CO2+4H2O问100mol 燃烧产物需要多少摩尔空气？3燃烧过程燃烧过程C3H8 1空气空气 O221,2 N279CO2H2OO2N2解：画出物料流程示
9、意图（一）取（一）取1mol C3H8 为计算基准为计算基准完全燃烧所需氧的理论量 5mol实际供氧量 1.2556.25mol供空气量 6.250.2129.76mol烟道气中N2量 29.760.7923.51mol烟道气中水量 4mol烟道气中CO2量 3mol烟道气中氧量 6.2551.25mol产生烟道气的量3+4+1.25+23.51 31.76mol100mol烟道气所需空气的量10029.7631.7693.7mol（二）取（二）取1mol 空气为计算基准空气为计算基准1mol 空气为计算基准中氧量为0.21mol燃烧丙烷耗氧量 0.211.250.168 mol燃烧丙烷的量
10、0.16850.0336mol 输 入 输 出组 分摩 尔克组 分摩 尔 克C3H80.033644CO20.101132O20.21200H2O0.13572N20.79658O20.04240N20.79658总计1.0336902总计1.068902衡算结果列于下表：100mol烟道气所需空气的量:1001.068 93.6mol（三）取（三）取100mol烟道气为计算基准烟道气为计算基准 烟道气组成未知，气中各组分量及所需丙烯和空气量均未知。设：N为烟道气中N2的量，mol;M为烟道气中O2的量，mol;P为烟道气中CO2的量，mol;A入口空气的量，mol;Q为烟道气中H2O的量，m
11、ol;B入口C3H8的量，mol。6个未知量，需列6个独立方程。对元素列对元素列平衡式平衡式：C元素平衡 3BPH元素平衡 8B2QN元素平衡 20.79A2NO元素平衡 20.21A2M+2P+Q 烟道气总量 M+N+P+Q100 过剩氧量 0.21A0.251.25M解上述6个方程的要求的结果。（过程略）由上例可知计算基准选取恰当与否，对计算难易影响。所以要重视计算基准选取。4.2.3 4.2.3 衡算范围衡算范围v体系体系为讨论一个过程，为讨论一个过程，人为地人为地圈定这个过程的圈定这个过程的全部或一部分作为一个全部或一部分作为一个完整完整的研究对象，这个圈定的研究对象，这个圈定的部分叫
12、体系。的部分叫体系。v衡算范围可以是一台设备、一套装置、一个工段、衡算范围可以是一台设备、一套装置、一个工段、一个车间、一个工厂等。一个车间、一个工厂等。v环境环境 体系以外的部分叫环境。体系以外的部分叫环境。v边界边界体系与环境的体系与环境的分界线分界线（人为地圈定）。（人为地圈定）。v衡算中只涉及通过（进出）衡算中只涉及通过（进出）边界边界的物料的物料流股流股。其余。其余可不考虑。可不考虑。4.2.4 4.2.4 物料衡算的方法和步骤物料衡算的方法和步骤v(1)(1)明确衡算目的明确衡算目的v如通过物料衡算确定生产能力、纯度、收率等数据。如通过物料衡算确定生产能力、纯度、收率等数据。v(2
13、)(2)绘出物料流程示意图，划定衡算范围绘出物料流程示意图，划定衡算范围v画流程简图步骤及要点步骤及要点如下：v1 1）流程简图中的设备可用）流程简图中的设备可用方框方框表示表示;v2 2）用）用线条线条和和箭头箭头表示物料流股的途径和流向；表示物料流股的途径和流向；v3 3）标出流股的已知变量（流量、组成等）标出流股的已知变量（流量、组成等）v4 4）未知量用）未知量用符号符号表示。表示。v根据已知量和未知量划定体系，应特别注意尽量利根据已知量和未知量划定体系，应特别注意尽量利用用已知条件已知条件，要求的，要求的未知量未知量要通过体系边界，且应要通过体系边界，且应使通过边界的物料流股的未知项
14、使通过边界的物料流股的未知项尽量少尽量少。v(3)(3)写出所有化学反应方程式。写出所有化学反应方程式。v包括所有主副反应，且为包括所有主副反应，且为配平后配平后的，将各反应的选的，将各反应的选择性、收率注明。择性、收率注明。v(4)(4)收集与物料衡算有关的计算数据收集与物料衡算有关的计算数据v规模和年生产日；原辅材料、中间体及产品的规格规模和年生产日；原辅材料、中间体及产品的规格；有关的定额和消耗指标；有关的物理化学常数，；有关的定额和消耗指标；有关的物理化学常数，如密度、蒸气压、相平衡常数等。如密度、蒸气压、相平衡常数等。注意所得数据的单位要统一。注意所得数据的单位要统一。获取数据的途径
15、获取数据的途径 实验、中试或生产装置测定实验、中试或生产装置测定 手册或专业书籍查取手册或专业书籍查取估算估算v(5)(5)选定衡算基准。选定衡算基准。v计算中要将基准交代清楚，过程中基准变换时，计算中要将基准交代清楚，过程中基准变换时，要加以说明。要加以说明。v (6)(6)列出物料平衡方程式，进行物料衡算。列出物料平衡方程式，进行物料衡算。v无化学反应体系，按：（无化学反应体系，按：（4-14-1）、（）、（4-24-2）（连续）（连续稳定过程）式稳定过程）式v有化学反应体系，按：（有化学反应体系，按：（4-34-3）、（）、（4-44-4）（稳定）（稳定过程）式。过程）式。v要求所列要求
16、所列独立方程式的数目独立方程式的数目=未知数的数目未知数的数目(7)(7)编制物料平衡表。编制物料平衡表。v由计算结果查核计算正确性，必要时说明误差范围由计算结果查核计算正确性，必要时说明误差范围(8)(8)必要时画出物料衡算图必要时画出物料衡算图（过程复杂时）组分组分 输入输入 输出输出 kg/h kg/h w%w%kmol/h kmol/h y%y%kg/h kg/h w%w%kmol/h kmol/h y%y%A AB BC C总计总计4.3 4.3 物料衡算举例物料衡算举例v 4.3.1 4.3.1 物理过程的物料衡算物理过程的物料衡算v1.1.简单物理过程的物料衡算简单物理过程的物料
17、衡算v例例4-1 4-1 硝化混酸配制过程的物料衡算。已知混酸硝化混酸配制过程的物料衡算。已知混酸组成为组成为H H2 2SOSO4 4 46%(46%(质量百分比，下同质量百分比，下同)、HNOHNO3 3 46%46%、H H2 2O 8%O 8%，配制混酸用的原料为，配制混酸用的原料为92.5%92.5%的工业硫酸、的工业硫酸、98%98%的硝酸及含的硝酸及含H H2 2SOSO4 4 69%69%的硝化废酸。试通过物料的硝化废酸。试通过物料衡算确定配制衡算确定配制1000kg1000kg混酸时各原料的用量。为简混酸时各原料的用量。为简化计算，设原料中除水外的其它杂质可忽略不计。化计算，
18、设原料中除水外的其它杂质可忽略不计。解：混酸配制过程可在搅拌釜中进行。以搅拌釜为衡解：混酸配制过程可在搅拌釜中进行。以搅拌釜为衡算范围，绘出混酸配制过程的物料衡算示意图。图算范围，绘出混酸配制过程的物料衡算示意图。图中中 为为92.5%92.5%的硫酸用量，的硫酸用量，为为98%98%的硝酸用的硝酸用量，量，为含为含69%69%硫酸的废酸用量。硫酸的废酸用量。42SOHG3HNOG废G硝化混酸硝化混酸1000kg1000kg 3HNOG42SOHG废废G混酸配制混酸配制搅搅 拌拌 釜釜图图4-1 4-1 混酸配制过程物料衡算示意图混酸配制过程物料衡算示意图解：取设备为衡算体系，解：取设备为衡算
19、体系，10001000千克混酸为计算基准千克混酸为计算基准v对对HNOHNO3 3进行物料衡算得进行物料衡算得v0.98 G0.98 G硝酸硝酸=0.46=0.46 1000 (a)1000 (a)v对对H H2 2SOSO4 4进行物料衡算得进行物料衡算得v0.925 G0.925 G硫酸硫酸+0.69G+0.69G废酸废酸=0.46=0.46 1000 (b)1000 (b)v对对H H2 2O O进行物料衡算得进行物料衡算得v0.02G0.02G硝酸硝酸+0.075G+0.075G硫酸硫酸+0.31G+0.31G废酸废酸=0.08=0.08 1000 (c)1000 (c)v解得：解得：
20、G G硝酸硝酸=469kg,=469kg,G G硫酸硫酸=399.5kg,=399.5kg,G G废酸废酸=131.1kg=131.1kg v混酸配制过程的物料平衡表混酸配制过程的物料平衡表(略）略）例例 4-2 4-2 一种废酸，组成为一种废酸，组成为2323(w%)(w%)HNOHNO3 3，5757H H2 2SOSO4 4和和2020H H2 2O O，加入，加入9393的的H H2 2SOSO4 4及及9090的的HNOHNO3 3，要求混合成，要求混合成 2727HNOHNO3 3，6060H H2 2SOSO4 4的混合酸，计的混合酸，计算所需废酸及加入浓酸的量。算所需废酸及加入
21、浓酸的量。v解：解：（1 1）画出流程简图）画出流程简图混合过程混合过程废酸 xkgHNO3 0.23H2SO4 0.57H2O 0.20 z kgHNO3 0.90H2O 0.10混合酸 HNO3 0.27H2SO4 0.60H2O 0.13y kgH2SO4 0.93H2O 0.07v（2 2）选择计算基准）选择计算基准 4 4个物流均可选，选取个物流均可选，选取100kg100kg混酸为基准。混酸为基准。v（3 3）列物料衡算式）列物料衡算式v总物料衡算式总物料衡算式 x+y+z=100 x+y+z=100vH H2 2SOSO4 4的衡算式的衡算式 0.57x+0.93y=1000.5
22、7x+0.93y=1000.6=600.6=60vHNOHNO3 3的衡算式的衡算式 0.23x+0.90z=1000.27=270.23x+0.90z=1000.27=27v解方程得：解方程得：x=41.8kg;y=39kg;z=19.2kgx=41.8kg;y=39kg;z=19.2kg注意几个问题：注意几个问题：v（1 1）无化学反应的体系，可列出独立的物料衡算式）无化学反应的体系，可列出独立的物料衡算式数目数目至多至多等于体系中输入和输出的化学组分数目。如等于体系中输入和输出的化学组分数目。如未知数的数目大于组分数目，需找另外关系列方程，未知数的数目大于组分数目，需找另外关系列方程，否
23、则无法求解。否则无法求解。v（2 2）首先列出含未知量最少的衡算方程，以便求解）首先列出含未知量最少的衡算方程，以便求解v（3 3）若进出体系的物料流股很多，则将流股编号，）若进出体系的物料流股很多，则将流股编号，列表表示已知量和组成。列表表示已知量和组成。v例例4-3 4-3 拟用连续精馏塔分离苯和甲苯混合液。已知拟用连续精馏塔分离苯和甲苯混合液。已知混合液的进料流量为混合液的进料流量为200kmol200kmol h h-1-1，其中含苯，其中含苯0.4(0.4(摩摩尔分率，下同尔分率，下同)，其余为甲苯。若规定塔底釜液中苯，其余为甲苯。若规定塔底釜液中苯的含量不高于的含量不高于0.010
24、.01，塔顶馏出液中苯的回收率不低，塔顶馏出液中苯的回收率不低于于98.5%98.5%，试通过物料衡算确定塔顶馏出液、塔釜釜，试通过物料衡算确定塔顶馏出液、塔釜釜液的流量及组成，以摩尔流量和摩尔分率表示。液的流量及组成，以摩尔流量和摩尔分率表示。v解：以连续精馏塔为解：以连续精馏塔为衡算范围衡算范围,绘出物料衡绘出物料衡算示意图。图中算示意图。图中F F为混为混合液的进料流量合液的进料流量,D,D为为塔顶馏出液的流量塔顶馏出液的流量,W,W为塔底釜液的流量为塔底釜液的流量,x,x为苯的摩尔分率。为苯的摩尔分率。v 图中共有图中共有3 3股物料，股物料，3 3个未知数，需列出个未知数，需列出3
25、3个个独立方程。独立方程。精精馏馏塔塔图图4-2 4-2 苯和甲苯混合液精馏苯和甲苯混合液精馏过程物料衡算过程物料衡算F=200kmol.h-1 xF=0.4D,xDW,xW=0.01v对全塔进行总物料衡算得对全塔进行总物料衡算得 v D+W=200 (a)D+W=200 (a)v对苯进行物料衡算得对苯进行物料衡算得 vDxDxD D+0.01W=200+0.01W=200 0.40.4 (b)(b)v由塔顶馏出液中苯的回收率得由塔顶馏出液中苯的回收率得 vDxDxD D =200 =200 0.40.4 0.985 0.985 (c)(c)v联解式联解式(a)(a)、(b)(b)和和(c)(
26、c)得得 D=80kmolD=80kmol h h-1-1，W=120 kmolW=120 kmol h h-1-1，x xD D=0.985=0.9854.3.2.4.3.2.化学过程的物料衡算化学过程的物料衡算 v1.1.反应转化率、选择性及收率反应转化率、选择性及收率v（1 1）限制反应物）限制反应物v化学反应原料不按化学计量比配料时，以v 最小化学计量数最小化学计量数存在的反应物。v（2 2）过量反应物）过量反应物 v反应物的量超过超过限制反应物完全反应所需的理理论量论量的，该反应物叫过量反应物。v注意注意v（1 1）按化学计量数最小而非绝对量最小；）按化学计量数最小而非绝对量最小；v
27、（2 2）当体系有几个反应时，按主反应计量关系考虑；）当体系有几个反应时，按主反应计量关系考虑；v（3 3）计算过量反应物的理论量时，限制反应物必须完）计算过量反应物的理论量时，限制反应物必须完全反应（无论实际情况如何，按转化率全反应（无论实际情况如何，按转化率100%100%计。计。)v（3 3）过量百分数）过量百分数 v过量反应物过量反应物超过超过限制反应物完全反应所需限制反应物完全反应所需理论量理论量Nt的部分占所需理论量的百分数。的部分占所需理论量的百分数。%100tteNNN过量百分数（4 4）转化率）转化率x x v某反应物反应掉的量占其输入量的百分数。v反应：反应：aA+bB c
28、C+dDaA+bB cC+dD 反应体系反应体系NA1NA2%100121AAAANNNXv注意：注意：v1 1）要注明是指那种）要注明是指那种反应物反应物的转化率的转化率 ；v2 2）反应掉的量应包括）反应掉的量应包括主副反应主副反应消耗的原料之和；消耗的原料之和；v3 3）若未指明是那种反应物的转化率，则常指限制）若未指明是那种反应物的转化率，则常指限制反应物的转化率。反应物的转化率。v限制反应物的转化率也叫反应完全程度。限制反应物的转化率也叫反应完全程度。反应完全程度反应完全程度=限制反应物的反应量限制反应物的反应量限制反应物的输入量限制反应物的输入量（5 5）选择性）选择性v生成目的产
29、物所消耗的某原料量占该原料生成目的产物所消耗的某原料量占该原料反应量的百分数。反应量的百分数。v若有反应若有反应 ：aA dDaA dD%10021AADNNdaN该原料的反应量量生成目的产物所耗原料（6 6）收率）收率Y Y v生成目的产物所消耗的某原料量占该原料生成目的产物所消耗的某原料量占该原料通入量的百分数。通入量的百分数。%100%1001ADDNdaNY该原料的通入量料的量生成目的产物所耗某原质量收率：质量收率：%100通入的某原料的质量目的产物的质量WY（7 7）总收率）总收率v产品生产有多个工序完成时，总收率等于各工产品生产有多个工序完成时，总收率等于各工序收率之积。序收率之积
30、。niiTyy1注意不能有遗漏及重复考虑。注意不能有遗漏及重复考虑。xy 转化率选择性和收率的关系转化率选择性和收率的关系（8 8）单程转化率和总转化率）单程转化率和总转化率v循环过程的物料衡算循环过程的物料衡算 v如下循环物料如下循环物料加到进料中循环使用的部分物料加到进料中循环使用的部分物料（产物）。（产物）。v过程流程示过程流程示意图意图如下如下 反 应 器分 离 器新鲜新鲜原料原料F FMFMFRPRP产品产品P P循环物料循环物料R R以反应器为体系以反应器为体系得单程得单程转化率转化率x x单，单，v以整个过程为体系得总转化率以整个过程为体系得总转化率x x总，总，%100MFAR
31、PAMFANNNx单%100FASAFANNNx总FAMFANxNx.总单当体系中仅有一个反应器，则系统内反应掉的当体系中仅有一个反应器，则系统内反应掉的A A的的量与反应器内反应掉的量与反应器内反应掉的A A的量相同。的量相同。此关系在物料衡算中可利用之。采用循环提高原料此关系在物料衡算中可利用之。采用循环提高原料总转化率。总转化率。例例4-3 4-3 甲苯用浓硫酸磺化制备对甲苯磺酸。已知甲甲苯用浓硫酸磺化制备对甲苯磺酸。已知甲苯的投料量为苯的投料量为1000kg1000kg，反应产物中含对甲苯磺酸，反应产物中含对甲苯磺酸1460kg1460kg，未反应的甲苯，未反应的甲苯20kg20kg。
32、试分别计算甲苯的转化。试分别计算甲苯的转化率、对甲苯磺酸的收率和选择性。率、对甲苯磺酸的收率和选择性。解：化学反应方程式为解：化学反应方程式为 CH3CH3SO3H+H2SO4+H2O110140 0C分子量分子量 92 98 172 18v则甲苯的转化率为则甲苯的转化率为v对甲苯磺酸的收率为对甲苯磺酸的收率为v对甲苯磺酸的选择性为对甲苯磺酸的选择性为%98%1001000201000 xA%1.78%1001721000921460y%7.79%100172)201000(921460 产品的生产工艺过程通常由若干组成，各工序产品的生产工艺过程通常由若干组成，各工序的收率之积即为总收率。的收
33、率之积即为总收率。例例4-5 4-5 用苯氯化制备一氯苯时，为减少副产二氯用苯氯化制备一氯苯时，为减少副产二氯苯的生成量，应控制氯的消耗量。已知每苯的生成量，应控制氯的消耗量。已知每100mol100mol苯苯与与40mol40mol氯反应，反应产物中含氯反应，反应产物中含38mol38mol氯苯、氯苯、1mol1mol二二氯苯以及氯苯以及61mol61mol未反应的苯。反应产物经分离后可未反应的苯。反应产物经分离后可回收回收60mol60mol的苯，损失的苯，损失1mol1mol苯。试计算苯的单程转苯。试计算苯的单程转化率和总转化率。化率和总转化率。v解：苯的单程转化率为解：苯的单程转化率为
34、%0.39%10010061100Ax设苯的总转化率为设苯的总转化率为x xT Tv对于某些反应，主要反应物的单程转化率可以很低，对于某些反应，主要反应物的单程转化率可以很低，但总转化率却可以提高。但总转化率却可以提高。%5.97%1006010061100 xT2 2、一般反应过程的物料衡算、一般反应过程的物料衡算 v（1 1）直接求算法）直接求算法 (由化学计量关系计算物流组成由化学计量关系计算物流组成)v直接由初始反应物组成计算反应产物组成直接由初始反应物组成计算反应产物组成,或由产或由产物组成去反算所要求的原料组成物组成去反算所要求的原料组成,从而完成物料衡从而完成物料衡算。算。v例题
35、例题 乙烷与氧气混合得到含乙烷与氧气混合得到含8080乙烷和乙烷和2020氧的氧的混合物，然后再在混合物，然后再在200200的空气过量分数下燃烧，的空气过量分数下燃烧，结果有结果有8080的乙烷变为的乙烷变为COCO2 2，1010变为变为COCO，1010未燃未燃烧，计算废气组成烧，计算废气组成解：据题意，送入的氧应为解：据题意，送入的氧应为C C2 2H H6 6完全燃烧所需氧量的完全燃烧所需氧量的3 3倍，画出过程示意图倍，画出过程示意图v取取80kmol80kmol进料乙烷为计算基准进料乙烷为计算基准v过程中发生的化学反应为：过程中发生的化学反应为：燃烧系统燃烧系统n nC2H6C2
36、H6=80kmol=80kmoln nO2O2=20kmol=20kmoln n空气空气,O,O2 2,N,N2 2废气废气n n n n CO2CO2n n COCOn n H2OH2On n C2H6C2H6n n O2O2n n N2N2OHCOOHCOHCOOHC22622226232253227vC C2 2H H6 6的理论需氧量的理论需氧量 nt=80nt=803.5=280kmol3.5=280kmolv实际用氧量实际用氧量3 3280280840kmol840kmolv应由空气供入的氧量应由空气供入的氧量8408402020820kmol820kmolv由空气带入的氮量由空气
37、带入的氮量820820797921213085kmol3085kmolv衡算式：输入的衡算式：输入的+生成的输出的生成的输出的+反应掉的反应掉的v废气中废气中COCO2 2的量的量n n CO2CO2=80=800.80.82=128kmol2=128kmolv废气中废气中COCO的量的量n n COCO=80=800.10.12=16kmol2=16kmolv废气中废气中H H2 2O O的量的量n n H2OH2O=80=800.90.93=216kmol3=216kmolv废气中废气中C C2 2H H6 6的量的量n n C2H6C2H6=80=80(1-0.9)=8kmol(1-0.
38、9)=8kmolv废气中废气中N N2 2的量的量n n N2N2=3085kmol=3085kmolv废气中废气中O O2 2的量的量n n O2O2=840=84080800.80.83.53.580800.10.12.5=596kmol2.5=596kmolv废气废气n n=n=n CO2CO2+n+n COCO+n+n H2OH2O+n+n C2H6C2H6+n+n O2O2+n+n N2N2v=128+16+216+8+596+3085=4049kmol=128+16+216+8+596+3085=4049kmolv由上数据求湿基废气组成由上数据求湿基废气组成vCOCO2 2 3.1
39、6 3.16，CO 0.40CO 0.40，H H2 2O 5.33O 5.33，vO O2 2 14.72 14.72，N N2 2 76.19 76.19，C C2 2H H6 6 0.20 0.20。v分析：分析：v（1 1）由于输出方的组分摩尔分数均未知，使用组分摩尔数）由于输出方的组分摩尔分数均未知，使用组分摩尔数作为未知变量计算要比使用组分摩尔分数更为简便。作为未知变量计算要比使用组分摩尔分数更为简便。v（2 2）反应物中）反应物中C C2 2H H6 6是限制反应物，故进入的氧应该是是限制反应物，故进入的氧应该是C C2 2H H6 6完完全燃烧所需理论氧量的全燃烧所需理论氧量的
40、3 3倍。倍。v（3 3）在产物中有）在产物中有O O2 2和和C C2 2H H6 6(未转化的未转化的)存在，这是空气过量分存在，这是空气过量分数过大的结果数过大的结果（2 2）元素衡算）元素衡算v反应过程物料衡算，如知化学计量式，使用物流中反应过程物料衡算，如知化学计量式，使用物流中各个组分衡算比较方便，但反应前后的摩尔衡算和各个组分衡算比较方便，但反应前后的摩尔衡算和总摩尔衡算一般不满足守恒关系。总质量衡算在反总摩尔衡算一般不满足守恒关系。总质量衡算在反应前后虽可保持守恒，但不同组分的质量在反应前应前后虽可保持守恒，但不同组分的质量在反应前后又是变化的。进行后又是变化的。进行元素衡算元
41、素衡算时，由于元素在反应时，由于元素在反应过程中具有不变性，用元素的摩尔数或质量进行衡过程中具有不变性，用元素的摩尔数或质量进行衡算都能保持算都能保持守恒关系守恒关系，且计算形式比较简单，校核，且计算形式比较简单，校核较方便，尤其对反应过程比较复杂，组分间计量关较方便，尤其对反应过程比较复杂，组分间计量关系难以确定的情况，多用此法。系难以确定的情况，多用此法。v输入某元素的量输入某元素的量=输出同元素量输出同元素量例题：三氯苯可作干洗剂，由苯氯化制取，由于连串例题：三氯苯可作干洗剂，由苯氯化制取，由于连串反应会同时生成各种取代物：反应会同时生成各种取代物：C C6 6H H6 6ClCl2 2
42、 C C6 6H H5 5Cl+HCl Cl+HCl （a a）C C6 6H H5 5ClClClCl2 2 C C6 6H H4 4ClCl2 2+HCl +HCl （b b）C C6 6H H4 4ClCl2 2ClCl2 2 C C6 6H H3 3ClCl3 3+HCl +HCl （c c）C C6 6H H3 3ClCl3 3ClCl2 2 C C6 6H H2 2ClCl4 4+HCl +HCl （d d）进料氯气与苯的摩尔比为进料氯气与苯的摩尔比为3.63.6：1 1，反应后的，反应后的ClCl2 2和和HClHCl呈气相逸出，得到液相组成为呈气相逸出，得到液相组成为C C6
43、6H H6 61 1，C C6 6H H5 5Cl 7Cl 7，C C6 6H H4 4ClCl2 21212，C C6 6H H4 4ClCl3 37575，C C6 6H H2 2ClCl4 45 5,苯的投料量苯的投料量为为1000mol/h1000mol/h。求液相产物与气相产物的排出量，。求液相产物与气相产物的排出量，mol/hmol/h。解：过程示意图及物流标注如图解：过程示意图及物流标注如图v系统有系统有C C、H H、ClCl三三个元素个元素，可列三个元素衡算式，可列三个元素衡算式氯化反应器氯化反应器n nC6H6C6H6=1000mol/h=1000mol/hn nCl2Cl
44、2=3600mol/h=3600mol/h气相气相n n n n Cl2Cl2,n n HClHCl,液相液相n n 1 1x xC6H6C6H6=0.01=0.01x xC6H5ClC6H5Cl=0.07=0.07 x xC6H4Cl2C6H4Cl2=0.12=0.12 x xC6H3Cl3C6H3Cl3=0.75=0.75 x xC6H2Cl4C6H2Cl4=0.05=0.05vC C衡算衡算 6n6nC6H6C6H6=n=n 1 1(6x(6x 1 1，C6H6C6H6+6x+6x 1 1，C6H5ClC6H5Cl+6x+6x 1 1，C6H4Cl2C6H4Cl2+6x+6x 1 1，C
45、6H3Cl3C6H3Cl3+6x+6x 1 1，C6H2Cl4C6H2Cl4)v所以所以 n n 1 1=n=nC6H6C6H6=1000mol/h=1000mol/hvH H衡算衡算 6n6nC6H6C6H6=n=n HClHCl+n+n 1 1(6x(6x 1 1，C6H6C6H6+5x+5x 1 1，C C6H5Cl6H5Cl +4x+4x 1 1，C6H4Cl2C6H4Cl2+3x+3x 1 1 ，C6H3Cl3C6H3Cl3+2x+2x 1 1，C6H2Cl4C6H2Cl4)v 6000=n 6000=n HClHCl+3240+3240v所以所以 n n HClHCl=2760mo
46、l/h=2760mol/hvCl Cl 衡算衡算 2 n2 nCl2Cl2=n=n HClHCl+2n+2n Cl2Cl2+n+n 1(x1(x 1 1，C6H5ClC6H5Cl +2x +2x 1 1，C6H4Cl2C6H4Cl2+3x+3x 1 1，C6H3Cl3C6H3Cl3+4x+4x 1 1，C6H2Cl4C6H2Cl4)v7200=2760+2n7200=2760+2n Cl2Cl2+1000+10002.762.76v所以所以 n n Cl2Cl2=3600-1380-1380=840mol/h=3600-1380-1380=840mol/h利用元素衡算和利用组分衡算方法选择的原
47、则：利用元素衡算和利用组分衡算方法选择的原则：v（1 1）组分衡算式的各项与）组分衡算式的各项与反应进度反应进度有关，若已知有关，若已知独立反应的反应进度或转化率等进程变量独立反应的反应进度或转化率等进程变量,使用组使用组分衡算比较方便分衡算比较方便v（2 2）元素衡算式各项均与组分变化量有关，如）元素衡算式各项均与组分变化量有关，如组组分分在反应前后的在反应前后的变化量变化量已知，则用元素衡算求未知已知，则用元素衡算求未知物流量较方便。物流量较方便。v（3 3）若）若只知只知进出物料的进出物料的组成或量组成或量，而发生的具体，而发生的具体反应不知反应不知，这时用元素衡算方便，该法仅与组分有，
48、这时用元素衡算方便，该法仅与组分有关，与具体反应无关。关，与具体反应无关。v（4 4）对）对多单元多单元系统，逐个单元进行元素衡算反而系统，逐个单元进行元素衡算反而烦琐，常采用烦琐，常采用组分衡算组分衡算，但对，但对总系统总系统使用使用元素衡算元素衡算可以不考虑系统内部组分的种种变化，却有方便之可以不考虑系统内部组分的种种变化，却有方便之处。灵活地将元素衡算和组分衡算结合起来，常可处。灵活地将元素衡算和组分衡算结合起来，常可简化计算简化计算 v（5 5）燃料）燃料燃烧过程燃烧过程中，若给出燃料的元素分析和中，若给出燃料的元素分析和产物的组成分析，使用产物的组成分析，使用元素衡算元素衡算较宜。较
49、宜。（3 3）利用联系物作衡算）利用联系物作衡算v联系物联系物随物料输入体系，但完全随物料输入体系，但完全不不参加参加反应反应,又随物料从体系输出的组分，在整个反应过程中，又随物料从体系输出的组分，在整个反应过程中，它的它的数量不变数量不变。v写出形式简单，只包括两个物料的物料平衡式：写出形式简单，只包括两个物料的物料平衡式：或或FTPTxxPFPTFTPxFx上式中参数适用单位上式中参数适用单位？选择联系物，先分析：什么组分以选择联系物，先分析：什么组分以固定固定的量和形的量和形态态未经变化未经变化的由的由一个物料一个物料到另到另一个物料一个物料中去。未经变中去。未经变化，反应不行，固定的量
50、，有损失不可。化，反应不行，固定的量，有损失不可。v某个某个元素元素 或某个不变的或某个不变的基团基团也可作联系组分。也可作联系组分。v选择联系物时应注意：选择联系物时应注意：v（1 1）当体系中有多个惰性组分时，可用其总量作）当体系中有多个惰性组分时，可用其总量作联系物；联系物；v（2 2）当惰性组分量很少时，且分析误差大时，该）当惰性组分量很少时，且分析误差大时，该组分不宜作联系物。此时将引入大的计算误差。组分不宜作联系物。此时将引入大的计算误差。例题例题.乙烷与空气在炉子里完全燃烧，反应式乙烷与空气在炉子里完全燃烧，反应式 C C2 2H H6 6+3.5O+3.5O2 2 2CO 2C
