第四章 物料衡算

1、1第四章 物料衡算 4.1物料衡算的基本方法 4.2物料計(jì)算中的基本量 4.3一般過程的物料衡算 4.4用元素的原子平衡的方法作物料衡算 4.5直接使用反應(yīng)計(jì)量方程式作物料衡 4.6利用聯(lián)系物作物料衡算 4.7復(fù)雜反應(yīng)體系物料衡算 4.8帶有物料循環(huán)的流程的物料衡算2第一節(jié)物料衡算的基本方法 定義：化工過程的物料衡算是利用質(zhì)量守恒定律質(zhì)量守恒定律，對(duì)化工生產(chǎn)過程及化工單元系統(tǒng)進(jìn)行研究，定量的計(jì)算輸入或輸出的物料量級(jí)組成。 物料衡算的理論依據(jù)是質(zhì)量守恒定律質(zhì)量守恒定律。 1.1.物料衡算的目的物料衡算的目的 a.確定原材料消耗定額消耗定額，判斷是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求; b.確定各設(shè)備的輸入及輸出輸入及

2、輸出的物流量、摩爾分率組成及其他組成表示方法。并列表，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)備的選型及設(shè)計(jì)，并確定三廢排放位置、數(shù)量及組成，有利于進(jìn)一步提出三廢治理方法。 c.作為熱量計(jì)算熱量計(jì)算的依據(jù) d.根據(jù)計(jì)算結(jié)果繪出物流圖物流圖，可進(jìn)行管路設(shè)計(jì)及材質(zhì)選擇，儀表及自控設(shè)計(jì)等3 2.2.物料衡算的依據(jù)物料衡算的依據(jù) a.設(shè)計(jì)任務(wù)書中確定的技術(shù)方案、產(chǎn)品生產(chǎn)能力、年工作時(shí)及操作方法; b.建設(shè)單位或研究單位所提供的要求、設(shè)計(jì)參數(shù)及實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)或中試等數(shù)據(jù); 反應(yīng)式、配比、轉(zhuǎn)化率、選擇性、總收率、催化劑、安全性能、分離方式、回收率、特殊化學(xué)品物性等; c.工藝流程示意圖. 3.3.物料衡算進(jìn)行的步驟物料衡算進(jìn)行的步驟

3、 (1)確定衡算的對(duì)象、體系與環(huán)境，并畫出物料衡算方框圖。 (2)寫出化學(xué)反應(yīng)方程式（包括主反應(yīng)和副反應(yīng)）。 (3)寫明年產(chǎn)量，年工作日或每晝夜生產(chǎn)能力，產(chǎn)率，產(chǎn)品純 度等要求。 (4)選定計(jì)算基準(zhǔn)計(jì)算基準(zhǔn)。 (5)收集計(jì)算需要的數(shù)據(jù)。 (6)進(jìn)行物料衡算物料衡算。 (7)將物料衡算結(jié)果列成物料平衡表，畫出物料平衡圖。44.4.物料衡算式物料衡算式 根據(jù)質(zhì)量守恒定律可以寫出： 進(jìn)入系統(tǒng)的物料質(zhì)量Fi系統(tǒng)內(nèi)生成量Dp-系統(tǒng)內(nèi)消耗量Dr=輸出系統(tǒng)的物料質(zhì)量Fo 系統(tǒng)內(nèi)積累的物料質(zhì)量W即：(Fi-Fo)+(Dp-Dr)=W 對(duì)于穩(wěn)定的連續(xù)生產(chǎn)過程： (Fi-Fo)+(Dp-Dr)=0 對(duì)于系統(tǒng)內(nèi)無(wú)化

4、學(xué)反應(yīng)：(Fi-Fo）=W 對(duì)于系統(tǒng)內(nèi)無(wú)化學(xué)反應(yīng)的穩(wěn)定連續(xù)生產(chǎn)過程： (Fi-Fo）=0，即Fi=Fo 質(zhì)量？摩爾（分子的）物質(zhì)的量？原子的物質(zhì)的量？55.物料衡算的基準(zhǔn) 時(shí)間基準(zhǔn):h，min，s， 質(zhì)量基準(zhǔn)：100kg，100g；100mol，100kmol；1t；1mol。 體積基準(zhǔn)(g):STP 干濕基準(zhǔn):6第二節(jié)物料計(jì)算中用到的基本量 1.流體的流量和流速：Q，u 2.摩爾分?jǐn)?shù)和質(zhì)量分?jǐn)?shù)：yi，xi；wi 3.混合物的平均分子量： 4.氣體的體積：理想氣體、真實(shí)氣體 5.氣體的密度：理想氣體、真實(shí)氣體 6.液體的密度：與T的關(guān)系；某溫度、壓力下密度，混合物密度 7.物質(zhì)的飽和蒸汽壓：與

5、溫度有關(guān) 8.溶液上方蒸汽中各組分的分壓：理想溶液、非理想溶液 9.轉(zhuǎn)化率、收率和選擇性： 10.汽液平衡常數(shù)：完全理想系、理想系、其他iniixMM17第二節(jié)物料計(jì)算中用到的基本量 1.流體的流量和流速 （1）體積流量（ Q ），m3/h，m3/min，m3/s （2）流體的線速度u，m/s （3）質(zhì)量流量（W），Kg/h，kg/min，kg/s （4）質(zhì)量流速（G），kg/m2h， kg/m2min， kg/m2s （5）摩爾流量（F）kmol/h， kmol/min， kmol/s 關(guān)系：W=Q=uA= GA 2.摩爾分?jǐn)?shù)和質(zhì)量分?jǐn)?shù) （1）摩爾分?jǐn)?shù)yi=ni/nt（氣體），xi=ni/n

6、t（液體）或者yi=Fi/Ft ，xi=Fi/Ft（流動(dòng)物系） 混合氣體i組分的摩爾分?jǐn)?shù)與體積分?jǐn)?shù)相等。 （2）質(zhì)量分?jǐn)?shù)wi=Wi/Wt=Gi/Gt=i組分的質(zhì)量/混合物的質(zhì)量 （3）摩爾分?jǐn)?shù)與質(zhì)量分?jǐn)?shù)二者在已知混合物中各組分的相對(duì)分子量時(shí)可互換。？8 3.混合物的平均分子量* 4.氣體的體積* (1)一般壓力、溫度下 P1MPa按理想氣體處理niiixMM1nRTPV RTMmPV 或RTMmPV KmolJKmolcmPaKkmolmMPaKkmolmPaR314. 810314. 810314. 810314. 8363333FRTPQ ptnV1013. 02732734 .22ptF

7、Q1013. 02732734 .229 （2）高壓下的氣體體積（P1MPa）按實(shí)際氣體對(duì)待，利用對(duì)比壓力和對(duì)比溫度計(jì)算或查圖得到壓縮因子Z。(p120) （3）真實(shí)氣體混合物的體積 （4）標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積m3（STP）或m3（STP）/h， m3（STP）/sZFRTPQZnRTPV和CiiCCiiCCCTxTPxPTTTrPP,/,/PrccTTTrPP/,/Pr10 5.氣體的密度 （1）一般壓力、溫度下 （2）高壓下的氣體密度 （3）高壓下混合氣體的密度RTMPPtMg1013. 02732734 .22RTPMPtMmixg1013. 02732734 .22,ZRTmpGRTZpM

8、mixmixg,11 6.液體的密度 密度隨溫度的變化顯著，查表、查圖或計(jì)算。 利用對(duì)應(yīng)狀態(tài)原理計(jì)算某以溫度、壓力下液體的密度，K值可查圖 混合物的密度在缺少數(shù)據(jù)時(shí)按體積加和近似規(guī)則計(jì)算3201tttcr,1212KKiiw112 7.物質(zhì)的飽和蒸汽壓：與溫度有關(guān) 8.溶液上方蒸汽中各組分的分壓 9.轉(zhuǎn)化率、收率和選擇性 10.汽液平衡常數(shù)13第三節(jié) 一般過程的物料衡算 1.無(wú)反應(yīng)過程的物料衡算 包括流體輸送、粉碎、換熱、分離（吸收、精餾、萃取、結(jié)晶、過濾、干燥）等。 例1.將含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)（下同）40的硫酸與98的濃硫酸混合成為90% 的硫酸，90的硫酸流量為1000kg/h。各溶液的另一組分

9、為水，試完成其物料衡算。 解：衡算基準(zhǔn)為小時(shí)。以Wi表示各股物流的質(zhì)量流量。14 混合器總質(zhì)量平衡W,W2=W3 混合器水平衡0.6W10.02W20.1w3 用W3 = l000kg/h代入上面兩方程得： W1W21000 0 .6W10.02W20. 1 X 1000 解得W1 =138kg/h W2=862kg/h 可列出物料平衡表流股123組分40%硫酸98%硫酸90%硫酸Kg/h%（wt）Kg/h%（wt）Kg/h%（wt）硫酸水合計(jì)55.282.5138.04060100844.817.2862.098210090010010009010100152.有反應(yīng)過程的物料衡算 每一物質(zhì)

10、的輸入與輸出的摩爾數(shù)或質(zhì)量流率不一定平衡。 化學(xué)反應(yīng)過程物料衡算的方法有： 直接計(jì)算法 利用反應(yīng)速率進(jìn)行物料衡算 元素平衡 以化學(xué)平衡進(jìn)行衡算 以結(jié)點(diǎn)進(jìn)行衡算 利用聯(lián)系組分進(jìn)行衡算 直接計(jì)算法是根據(jù)化學(xué)反應(yīng)方程式，運(yùn)用化學(xué)計(jì)量學(xué)進(jìn)行計(jì)算的方法，也是常用的方法之一。16 例2.作年產(chǎn)330噸對(duì)硝基乙苯工段物料衡算。原料乙苯純度95，硝化混酸組成：HNO332，H2SO456，H2O12。粗乙苯與混酸質(zhì)量比1：1.885。對(duì)硝基乙苯收率50。硝化產(chǎn)物為硝基乙苯之混合物，其比例對(duì)：鄰：間0.50：0.44：0.06。配制混酸所用原料：H2SO4 93%, HNO396及H2O。年工作日330天。假設(shè)

11、轉(zhuǎn)化率100%。該生產(chǎn)為間歇生產(chǎn)。 解：（1）作出物料流程簡(jiǎn)圖，確定計(jì)算范圍。根據(jù)物料流程簡(jiǎn)圖，可確定混酸配制及硝化兩工序進(jìn)行物料衡算17（2）對(duì)間歇生產(chǎn)可確定計(jì)算基準(zhǔn)為kg/天，則需計(jì)算每天產(chǎn)量及原料投料量。反應(yīng)式為：每天產(chǎn)對(duì)硝基乙苯：每天投料純乙苯量：原料乙苯量雜質(zhì)1478.6-1404.6=74kgC2H5+ HNO3H2SO4.H2OC2H5NO2C2H5C2H5+NO2NO2H2O106.1763151.17G1G2G3G4G5kg6.1478%956.1404kgG1000330100003303kgG6 .140450. 017.151100017.106118 （3）計(jì)算混酸量

12、及配制混酸的硫酸、硝酸和水量 所需混酸量：1478.61.855=2742.8kg 純硝酸重：2742.832%=877.7Kg 96%硝酸量：877.6/0.96=914.3kg 硝酸中水量：914.3-877.7=36.6kg 純硫酸量：2742.856%=1536kg 93%硫酸量：1536/0.93=1651.6kg 硫酸中水量：1651.6-1536=115.6kg 補(bǔ)加水量：2742.8-914.3-1651.6=176.9kg 混酸中水量：36.6+115.6+176.9=329.1kg （4）列出物料衡算表19配酸進(jìn)料物料名稱質(zhì)量%折純量實(shí)際進(jìn)料量質(zhì)量/kgkmol體積（m3）

13、硝酸96HNO3877.7H2O36.6914.313.932.03硫酸93H2SO41536H2O115.61651.615.676.42水176.9176.99.83合計(jì)2742.82742.820出料物料名稱質(zhì)量%折純量kg實(shí)際進(jìn)料量質(zhì)量/kgkmol體積（m3）混酸HNO332H2SO456H2O12877.71536329.12742.813.9315.6718.28合計(jì)1002742.82742.821(5)作物料衡算圖表22(6)硝化過程計(jì)算 依據(jù)題意轉(zhuǎn)化率為100%,G3:G4:G5=0.50:0.44:0.06 硝化物產(chǎn)量:1404.6151.17/106.17=1999.9

14、kg 其中:P-產(chǎn)品1999.90.50=1000kg O-產(chǎn)品1999.90.44=880kg m-產(chǎn)品1999.90.06=119.9kg 廢酸量計(jì)算: 硝酸消耗量:1404.663/106.17=833.5kg 水生成量: 1404.618.02/106.17=238.4 則廢酸中:硝酸量:877.7-833.5=44.2kg 硫酸量:1536kg 水量:44.2+238.4=567.5kg 廢酸總量:44.2+1536+567.5=2147.7kg 廢酸組成:硝酸2.06%,硫酸71.52%,水26.42%23(7)作硝化過程物料衡算圖表2425(8)硝化過程物料衡算圖表26第四節(jié)用元

15、素的原子平衡的方法作物料衡算 化學(xué)反應(yīng)前后各元素的原子數(shù)是相等的。 例3:丙烷充分燃燒時(shí)要使空氣過量25%,燃燒反應(yīng)方程式為:C3H8+5O23CO2 +4H2O.求每l00mo1燃燒產(chǎn)物（煙道氣）需要加入多少丙烷和空氣。 解：以l00mo1煙道氣作基準(zhǔn)進(jìn)行物料衡算。 用N表示煙道氣中N2的物質(zhì)的量，mol； P表示煙道氣中CO2的物質(zhì)的量，mol； Q表示煙道氣中H2O的物質(zhì)的量，mol ; M表示煙道氣中O2的物質(zhì)的量，mol ; A表示入口空氣的物質(zhì)的量，mol ; B表示入口丙烷的物質(zhì)的量，mol 。27 作碳原子平衡得B=P/3 作氫原子平衡得B=Q/4： 作氧原子平衡得0.21A=

16、M+Q/2+P 作N2平衡得:0.79A=N 按所設(shè)基準(zhǔn)得:N+M+P+Q=100 作O2平衡得0.21A0.25/1.25=M 解上述方程組得:A=93.76mol B=3.148mol丙烷燃燒煙道氣丙烷空氣ABN2O2CO2H2ONMPQ100molC3H8+5O23CO2 +4H2O28 例4.作天然氣一段轉(zhuǎn)化爐的物料衡算。天然氣的組成如下。 原料混合氣中，H20天然氣=2.5,氣體轉(zhuǎn)化率為67（以C1計(jì)），甲烷同系物完全分解,轉(zhuǎn)化氣中CO和CO2的比例在轉(zhuǎn)化爐出口溫度（700)下符合下式的平衡關(guān)系。 CO十H2O =CO2H2 解：一段轉(zhuǎn)化爐內(nèi)所進(jìn)行的天然氣轉(zhuǎn)化反應(yīng)的主反應(yīng)是：CH4+

17、H20 =CO3H2 一段轉(zhuǎn)化爐出口混合氣含有 CO2, CO, H2, H20, CH4 和 N2等組分 在出口混合氣中，上述組分的物質(zhì)的量(mol)分別用a，b，c，(250-d)，e和f表示。29 以l00mol天然氣進(jìn)料為衡算基準(zhǔn)。 e為一段轉(zhuǎn)化爐出口混合氣中CH4的物質(zhì)的量(mol)即未轉(zhuǎn)化的CH4物質(zhì)的量(mol），因此， e（97.80.5X20.2X30.1X4）(1-0.67）32. 9mo1 N2是惰性的，反應(yīng)前后的物質(zhì)的量不變，因此 f=1.4mol 因此,一段轉(zhuǎn)化爐進(jìn)、出口物料情況為:3054. 1)250(222dbacPPppKOHCOHco3132第五節(jié)直接使用反

18、應(yīng)計(jì)量方程式作物料衡 例5：在鼓泡反應(yīng)器中進(jìn)行苯的氯化反應(yīng)生產(chǎn)氯苯，主反應(yīng)為： C6H6Cl2C6H5C1HCl 同時(shí)有副反應(yīng)發(fā)生，生成二氯苯和三氯苯，反應(yīng)如下： C6H6 2C12 C6H4Cl22HC1 C6H63C12 C6H3Cl33HC1 已知鼓泡反應(yīng)器的產(chǎn)品中，主、副反應(yīng)產(chǎn)物和未反應(yīng)的苯的重量比為:氯苯:二氯苯:三氯苯:苯=1:0.08:0.016:2，求: (1)苯的轉(zhuǎn)化率； (2)氯苯的收率； (3)反應(yīng)的選擇性； (4)反應(yīng)生成的氯化氫總量； (5)反應(yīng)消耗的氯氣總量。 33 解：以100kg產(chǎn)物氯苯為計(jì)算基準(zhǔn)。 苯、氯苯、二氯苯、三氯苯的分子量分別為78，112.5，147

19、和181.5. 按照所取的計(jì)算基準(zhǔn)，出口產(chǎn)品混合物中有苯200kg,氯苯100kg,二氯苯8kg,三氯苯1. 6kg。 需要加入反應(yīng)器的苯(100%）的量計(jì)算如下：生成氯苯消耗苯 100X78/112.5=69.33Kg生成二氯苯消耗苯 8X78/147=4.245Kg生成三氯苯消耗苯 1.6X78/181.5=0.688Kg未反應(yīng)的苯200kg,因此需要加入的苯的總量為 69.334.2450. 688200274.3kg (1）苯的轉(zhuǎn)化率 苯的轉(zhuǎn)化量69. 33+4.245+0.688=74. 3kg 苯的加入量274.3kg 苯的轉(zhuǎn)化率X=74.3/274.3 0 .270934 (2)

20、氯苯的收率Y Y=轉(zhuǎn)化為氯苯的苯量/加入的苯量=69.33/274.3=0.2528 (3）反應(yīng)的選擇性S S=Y/X=0.2528/0.2709=0.933 (4）反應(yīng)生成的氯化氫總量 生成氯苯時(shí)同時(shí)生成的氯化氫 100X36.5/112.5=32.4kg 生成二氯苯時(shí)同時(shí)生成的氯化氫8X36.5X2/147=3.97kg 生成三氯苯時(shí)同時(shí)生成的氯化氫 1.6X36.5X3/181.5=0.966kg 因此，生成的氯化氫總量為32.43 .970.96637.35kg (5）反應(yīng)消耗的氯氣總量 生成氯苯消耗氯氣總量100X71/112.5=63.11kg 生成二氯苯消耗氯氣總量8X71X2/

21、147=7.728kg 生成三氯苯消耗氯氣總量1.6X71X3/181.5=1.878kg 因此，反應(yīng)消耗的氯氣總量63.11 7.728 1.878=72.72kg35第六節(jié)利用聯(lián)系物作物料衡算 生產(chǎn)過程中常有不參加反應(yīng)的物料，這種物料習(xí)慣上稱為惰性物料。由于它的數(shù)量在反應(yīng)器的進(jìn)口、出口物料中沒有變化，計(jì)算時(shí)可以利用它在設(shè)備進(jìn)、出口的數(shù)量（質(zhì)量或摩爾數(shù)）不變的關(guān)系列物料衡算方程。因此稱這種惰性物料為聯(lián)系物。 采用惰性組分為聯(lián)系物作物料衡算是常常使用的一種方法，這樣做可以使計(jì)算簡(jiǎn)化。 在同一系統(tǒng)中有數(shù)個(gè)惰性組分時(shí)，可聯(lián)合采用以減少誤差。 當(dāng)惰性物數(shù)量很少，且此組分分析的相對(duì)誤差又很大時(shí)，則不宜

22、選用此惰性組分作為聯(lián)系物。 36 例6：某廠用空氣氧化鄰二甲苯生產(chǎn)苯酐。原料流量為：205kg/h鄰二甲苯，4500m3(STP) /h空氣。從反應(yīng)的計(jì)量關(guān)系可知：生成1mol的苯酐需要反應(yīng)掉lmol的鄰二甲苯。經(jīng)化驗(yàn)得到反應(yīng)器出口氣體的組成如下： 試計(jì)算： (1)鄰二甲苯的轉(zhuǎn)化率，苯酐的收率、反應(yīng)的選擇性； (2)苯酐的年產(chǎn)量（年工作日330天）。組分苯酐順酐鄰二甲苯O2N2其他合計(jì)(mol）0.650.040.0316.58784.7010037 解：因尾氣中含有大量的N2,且N2為惰性組分（不參加反應(yīng)），所以選擇N2作為物料衡算的聯(lián)系物。 進(jìn)入反應(yīng)器的空氣中含有N2： 4500/22.4

23、 X 0. 792159. lkmol/h 設(shè)反應(yīng)器出口氣體的總流量為xkmol/h,則有： 0.78x159.1 解得x=204kmo1/h 因此，反應(yīng)器出口氣體中含有鄰二甲苯： 204X0.03%=0.06212kmo1/h（0.06212 X 106）kg/h6.5kg/h 鄰二甲苯的分子量是106。 反應(yīng)器出口氣體中含有苯酐 204 X 0.651.326kmol/h 所以，38 (1)鄰二甲苯轉(zhuǎn)化率 X=（205-6.5）/205=0.9680 苯酐的收率 Y=1.326/（205/106）=0.686 反應(yīng)的選擇性S=Y/X=0.686/0.968=0.71 （2）苯酐的年產(chǎn)量 苯

24、酐的分子量為148 苯酐產(chǎn)量 1.326 X 24 X 330 X 148=1. 554 X l06kg/a 1554t/a39第七節(jié)復(fù)雜反應(yīng)體系物料衡算 比較方便的辦法是到生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)或在中間試驗(yàn)廠中間試驗(yàn)廠測(cè)主產(chǎn)物和副產(chǎn)物各自的收率。 此收率數(shù)據(jù)是對(duì)應(yīng)于一定的生產(chǎn)條件（溫度、壓力、配料比、催化劑種類、空速或反應(yīng)時(shí)間等）的，如果所設(shè)計(jì)的項(xiàng)目，它的生產(chǎn)條件與實(shí)測(cè)收率的生產(chǎn)條件相近，就可以使用生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)或中間試驗(yàn)得到的收率來做物料衡算。 若某產(chǎn)物P的收率已知，根據(jù)收率的定義式，便可求出一定產(chǎn)量下的加料量。 例如有連串反應(yīng)，其計(jì)量關(guān)系為APQ，已知P的摩爾收率YP=0. 8，P的產(chǎn)量為l00km

25、o1/h，據(jù)收率的定義式有 Y=轉(zhuǎn)化為P的A的物質(zhì)的量/加料中A的物質(zhì)的量 =產(chǎn)物P的物質(zhì)的量/加料中A的物質(zhì)的量40 因而， A的加料量=P的物質(zhì)量/YP=100/0.8=125kmol/h 如果A生成P的反應(yīng)不是1molA生成1molP 例如平行反應(yīng)A2P，AQ，已知P的摩爾收率YP=0.8，P的產(chǎn)量100kmol/h，根據(jù)收率的定義有的物質(zhì)的量加料中的物質(zhì)的量產(chǎn)物的物質(zhì)的量加料中的物質(zhì)的量的轉(zhuǎn)化為APAAPYP21hkmolYPAP/5 .628 . 01002121的物質(zhì)的量的加料量因此41第八節(jié)帶有物料循環(huán)的流程的物料衡算 帶有物料循環(huán)的流程如圖。 42 對(duì)循環(huán)系統(tǒng)來說，有單程轉(zhuǎn)化率、單程收率和總轉(zhuǎn)化率、總收單程轉(zhuǎn)化率、單程收率和總轉(zhuǎn)化率、總收率率之分。 單程轉(zhuǎn)化率、單程收率指物料通過反應(yīng)器一次所達(dá)到的轉(zhuǎn)化率和收率。 總轉(zhuǎn)化率和總收率是指新鮮進(jìn)入系統(tǒng)（圖中的虛線方框?yàn)橄到y(tǒng)邊界）起到離開系統(tǒng)止所達(dá)到的轉(zhuǎn)化率和收率。 它們的關(guān)系： 總轉(zhuǎn)化率單程轉(zhuǎn)化率 總收率單程收率 按照定義，有物