化工設(shè)計 第3章物料衡算與能量衡算

1、1第三章 物料衡算與能量衡算3.1 物料衡算3.2 能量衡算23 3. .1 1 物料衡算物料衡算3.1.13.1.1 物料衡算的作用物料衡算的作用3.1.2 3.1.2 物料衡算的依據(jù)物料衡算的依據(jù)3.1.3 3.1.3 物料衡算式物料衡算式3.1.4 3.1.4 物料衡算的基本方法物料衡算的基本方法3.1.5 3.1.5 無化學(xué)反應(yīng)過程的物料衡算無化學(xué)反應(yīng)過程的物料衡算3.1.6 3.1.6 有化學(xué)反應(yīng)過程的物料衡算有化學(xué)反應(yīng)過程的物料衡算33.1 物料衡算物料衡算l物料衡算是化工計算中物料衡算是化工計算中最基本、最重要最基本、最重要的內(nèi)容之的內(nèi)容之一，是能量衡算的基礎(chǔ)。一，是能量衡算的基

2、礎(chǔ)。l設(shè)計或研究一個化工過程，或?qū)δ成a(chǎn)過程進行設(shè)計或研究一個化工過程，或?qū)δ成a(chǎn)過程進行分析，需要了解能量的分布情況，都必須在物料衡分析，需要了解能量的分布情況，都必須在物料衡算的基礎(chǔ)上，才能進一步算出物質(zhì)之間交換的能量算的基礎(chǔ)上，才能進一步算出物質(zhì)之間交換的能量以及整個過程的能量分布情況。以及整個過程的能量分布情況。l物料衡算和能量衡算是物料衡算和能量衡算是進行化工工藝設(shè)計、過程進行化工工藝設(shè)計、過程經(jīng)濟評價、節(jié)能分析以及過程最優(yōu)化的基礎(chǔ)經(jīng)濟評價、節(jié)能分析以及過程最優(yōu)化的基礎(chǔ)。43.1.1 3.1.1 物料衡算的作用（兩種情況）物料衡算的作用（兩種情況）: :l一種是一種是對已有的生產(chǎn)設(shè)備

3、或裝置，利用實際測對已有的生產(chǎn)設(shè)備或裝置，利用實際測定的數(shù)據(jù)，算出另一些不能直接測定的物料量定的數(shù)據(jù)，算出另一些不能直接測定的物料量。用此計算結(jié)果，對生產(chǎn)情況進行分析、作出判斷、用此計算結(jié)果，對生產(chǎn)情況進行分析、作出判斷、提出改進措施。（一般的作業(yè)）提出改進措施。（一般的作業(yè)）l另一種是另一種是設(shè)計一種新的設(shè)備或裝置設(shè)計一種新的設(shè)備或裝置，根據(jù)設(shè)計，根據(jù)設(shè)計任務(wù)，先作物料衡算，求出進出各設(shè)備的物料量，任務(wù)，先作物料衡算，求出進出各設(shè)備的物料量，然后再作能量衡算，求出設(shè)備或過程的熱負(fù)荷，然后再作能量衡算，求出設(shè)備或過程的熱負(fù)荷，從而確定設(shè)備尺寸及整個工藝流程。（設(shè)計）從而確定設(shè)備尺寸及整個工藝流

4、程。（設(shè)計）3.1 物料衡算物料衡算53.1.2 3.1.2 物料衡算的依據(jù)物料衡算的依據(jù)l 質(zhì)量守恒定律質(zhì)量守恒定律 在一個孤立物系中，不論物質(zhì)發(fā)生任何變化，它的質(zhì)在一個孤立物系中，不論物質(zhì)發(fā)生任何變化，它的質(zhì)量始終不變（量始終不變（不包括核反應(yīng)，因為核反應(yīng)能量變化非不包括核反應(yīng)，因為核反應(yīng)能量變化非常大，此定律不適用常大，此定律不適用）。）。l 質(zhì)量守恒（不是摩爾守恒、體積守恒）質(zhì)量守恒（不是摩爾守恒、體積守恒）3.1 物料衡算物料衡算63.1.3 3.1.3 物料衡算式物料衡算式l 物料衡算是研究某一個體系內(nèi)進、出物料量及組成物料衡算是研究某一個體系內(nèi)進、出物料量及組成的變化。的變化。l

5、 所謂體系就是所謂體系就是物料衡算的范圍物料衡算的范圍，它可以根據(jù)需要選，它可以根據(jù)需要選定。體系可以是一個設(shè)備或幾個設(shè)備，也可以是一定。體系可以是一個設(shè)備或幾個設(shè)備，也可以是一個單元操作或整個化工過程。進行物料衡算時，必個單元操作或整個化工過程。進行物料衡算時，必須首先確定衡算的體系。須首先確定衡算的體系。3.1 物料衡算物料衡算7l對某一個體系，輸入體系的物料量應(yīng)該等于輸對某一個體系，輸入體系的物料量應(yīng)該等于輸出物料量與體系內(nèi)積累量之和出物料量與體系內(nèi)積累量之和 。l連續(xù)過程的物料衡算式連續(xù)過程的物料衡算式 一般表示式為：一般表示式為： 系統(tǒng)中積累系統(tǒng)中積累 = = 輸入輸入輸出輸出+ +

6、生成生成消耗消耗穩(wěn)態(tài)過程時：穩(wěn)態(tài)過程時： 輸入輸入 = = 輸出輸出 生成生成 + + 消耗消耗無化學(xué)反應(yīng)的穩(wěn)態(tài)過程：無化學(xué)反應(yīng)的穩(wěn)態(tài)過程： 輸入輸入 = = 輸出輸出 3.1 物料衡算物料衡算8物料衡算方程的不同形式物料衡算方程的不同形式l 總平衡式總平衡式總質(zhì)量平衡式總質(zhì)量平衡式總摩爾平衡式總摩爾平衡式l 組分平衡式組分平衡式組分質(zhì)量平衡式組分質(zhì)量平衡式組分摩爾平衡式組分摩爾平衡式l 元素原子平衡式元素原子平衡式元素原子質(zhì)量平衡式元素原子質(zhì)量平衡式元素原子摩爾平衡式元素原子摩爾平衡式3.1 物料衡算物料衡算93.1.4 3.1.4 物料衡算的基本方法物料衡算的基本方法l進行物料衡算時，為了

7、能順利地解題，避免錯進行物料衡算時，為了能順利地解題，避免錯誤，必須掌握解題技巧，按正確的解題方法和步誤，必須掌握解題技巧，按正確的解題方法和步驟進行。這樣才能獲得準(zhǔn)確的計算結(jié)果。驟進行。這樣才能獲得準(zhǔn)確的計算結(jié)果。3.1 物料衡算物料衡算10 I. I.衡算范圍衡算范圍 指定的任何空間范圍指定的任何空間范圍。它可是一個設(shè)備、一個單元或整個。它可是一個設(shè)備、一個單元或整個過程。過程。根據(jù)給定的條件畫出流程簡圖（根據(jù)給定的條件畫出流程簡圖（過程示意圖或衡算范過程示意圖或衡算范圍圍）。圖中用簡單的方框表示過程中的設(shè)備，用線條和箭頭）。圖中用簡單的方框表示過程中的設(shè)備，用線條和箭頭表示每個流股的途徑

8、和流向表示每個流股的途徑和流向，并標(biāo)出每個流股的已知變量并標(biāo)出每個流股的已知變量（如流量、組成）及單位。對一些未知的變量，可用符號表（如流量、組成）及單位。對一些未知的變量，可用符號表示。示。 3.1 物料衡算物料衡算11IIII. . 衡算對象衡算對象 參加過程的全部物料。參加過程的全部物料。 對無化學(xué)反應(yīng)的對象：可選任一物料對無化學(xué)反應(yīng)的對象：可選任一物料 對有化學(xué)反應(yīng)的對象：選未發(fā)生變化的物質(zhì)對有化學(xué)反應(yīng)的對象：選未發(fā)生變化的物質(zhì)3.1 物料衡算物料衡算12III.III.衡算基準(zhǔn)及其選擇衡算基準(zhǔn)及其選擇l原則上衡算基準(zhǔn)是任意選擇。原則上衡算基準(zhǔn)是任意選擇。l但是，衡算基準(zhǔn)選擇得恰當(dāng)，可

9、以使計算簡化，但是，衡算基準(zhǔn)選擇得恰當(dāng)，可以使計算簡化，避免錯誤。對于不同化工過程，采用什么基準(zhǔn)適避免錯誤。對于不同化工過程，采用什么基準(zhǔn)適宜，需視具體情況而定，不能作硬性規(guī)定宜，需視具體情況而定，不能作硬性規(guī)定。3.1 物料衡算物料衡算131. 1. 應(yīng)選擇應(yīng)選擇已知變量數(shù)最多的流股已知變量數(shù)最多的流股作為衡算基準(zhǔn)。作為衡算基準(zhǔn)。2. 2. 液體或固體的體系，常選取液體或固體的體系，常選取單位質(zhì)量單位質(zhì)量作基準(zhǔn)。作基準(zhǔn)。3. 3. 對連續(xù)流動體系，用對連續(xù)流動體系，用單位時間單位時間作計算基準(zhǔn)有時較方便。作計算基準(zhǔn)有時較方便。4. 4. 對于氣體物料，如果環(huán)境條件（如溫度、壓力）已定，則對于

10、氣體物料，如果環(huán)境條件（如溫度、壓力）已定，則可選取體積可選取體積作基準(zhǔn)。作基準(zhǔn)。 3.1 物料衡算物料衡算根據(jù)過程的特點，選擇衡算基準(zhǔn)時注意以下幾點：根據(jù)過程的特點，選擇衡算基準(zhǔn)時注意以下幾點：14 時間基準(zhǔn)時間基準(zhǔn) 連續(xù)（小時，天連續(xù)（小時，天） 間歇（釜，批間歇（釜，批） 質(zhì)量基準(zhǔn)質(zhì)量基準(zhǔn) kg，mol， kmol 體積基準(zhǔn)體積基準(zhǔn) m3（STP），），Nm3 干濕基準(zhǔn)干濕基準(zhǔn) 干基（不含水），濕基（含水）干基（不含水），濕基（含水）l各種衡算基準(zhǔn)各種衡算基準(zhǔn)3.1 物料衡算物料衡算15IV. IV. 物料衡算的程序（步驟）物料衡算的程序（步驟）1. 1. 搜集計算數(shù)據(jù)（物性參數(shù)與操作參

11、數(shù)等）搜集計算數(shù)據(jù)（物性參數(shù)與操作參數(shù)等）2. 2. 畫出物料流程簡圖畫出物料流程簡圖3. 3. 確定衡算體系確定衡算體系4. 4. 寫出化學(xué)反應(yīng)方程式，包括主寫出化學(xué)反應(yīng)方程式，包括主反應(yīng)反應(yīng)和副反應(yīng)，和副反應(yīng)，標(biāo)出有用的分子量標(biāo)出有用的分子量3.1 物料衡算物料衡算165. 5.選擇計算基準(zhǔn)，并在流程圖上注明所選的基準(zhǔn)值選擇計算基準(zhǔn)，并在流程圖上注明所選的基準(zhǔn)值6. 6.列出物料衡算式，然后用數(shù)學(xué)方法求解列出物料衡算式，然后用數(shù)學(xué)方法求解7. 7.校核計算結(jié)果（校核計算結(jié)果（數(shù)據(jù)歸一數(shù)據(jù)歸一）8. 8.將計算結(jié)果列成輸入將計算結(jié)果列成輸入- -輸出物料表（物料平衡表）輸出物料表（物料平衡表

12、）（三線表、表頭名稱、基準(zhǔn)三線表、表頭名稱、基準(zhǔn)）3.1 物料衡算物料衡算17關(guān)于物性參數(shù)（數(shù)據(jù)）關(guān)于物性參數(shù)（數(shù)據(jù)）l“物性參數(shù)物性參數(shù)”，又被稱作，又被稱作“物化數(shù)據(jù)物化數(shù)據(jù)”或或“物物性數(shù)據(jù)性數(shù)據(jù)”，是由物料本身的物理化學(xué)性質(zhì)所決定是由物料本身的物理化學(xué)性質(zhì)所決定的。的。l化工基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括很多，現(xiàn)將常用的一些化工化工基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括很多，現(xiàn)將常用的一些化工基礎(chǔ)數(shù)據(jù)大致歸納成以下幾類基礎(chǔ)數(shù)據(jù)大致歸納成以下幾類 : :3.1 物料衡算物料衡算18（1 1）基本物性數(shù)據(jù)）基本物性數(shù)據(jù) 如臨界常數(shù)（臨界壓力、臨界溫度、臨界體積）、密度如臨界常數(shù)（臨界壓力、臨界溫度、臨界體積）、密度或比容、狀態(tài)方程參

13、數(shù)、壓縮系數(shù)、蒸氣壓、氣或比容、狀態(tài)方程參數(shù)、壓縮系數(shù)、蒸氣壓、氣液平衡關(guān)液平衡關(guān)系等。系等。（2 2）熱力學(xué)物性數(shù)據(jù)）熱力學(xué)物性數(shù)據(jù)如內(nèi)能、焓、熵、熱容、相變熱、自由能、自由焓等。如內(nèi)能、焓、熵、熱容、相變熱、自由能、自由焓等。（3 3）化學(xué)反應(yīng)和熱化學(xué)數(shù)據(jù)）化學(xué)反應(yīng)和熱化學(xué)數(shù)據(jù)如反應(yīng)熱、生成熱、燃燒熱、反應(yīng)速度常數(shù)、活化能，如反應(yīng)熱、生成熱、燃燒熱、反應(yīng)速度常數(shù)、活化能，化學(xué)平衡常數(shù)等?；瘜W(xué)平衡常數(shù)等。（4 4）傳遞參數(shù)）傳遞參數(shù) 如粘度、擴散系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)等。如粘度、擴散系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)等。3.1 物料衡算物料衡算19數(shù)據(jù)的獲取：數(shù)據(jù)的獲?。?. 1. 查手冊或文獻資料查手冊或文獻資料l常

14、用物質(zhì)的物性數(shù)據(jù)可從化學(xué)化工類手冊或?qū)I(yè)性的常用物質(zhì)的物性數(shù)據(jù)可從化學(xué)化工類手冊或?qū)I(yè)性的化工手冊中查到。（收集了許多物質(zhì)的物性數(shù)據(jù)及圖表化工手冊中查到。（收集了許多物質(zhì)的物性數(shù)據(jù)及圖表 ）l化學(xué)工程手冊， 化學(xué)工程手冊 編輯委員會，化學(xué)工業(yè)出版社，1980l化工工藝設(shè)計手冊，國家醫(yī)藥管理局上海醫(yī)藥設(shè)計院編，化學(xué)工業(yè)出版社，1986l化工工藝算圖，吉林化學(xué)工業(yè)公司設(shè)計院等編，化學(xué)工業(yè)出版社，1982 3.1 物料衡算物料衡算202. 2. 估算估算l可以應(yīng)用物理和化學(xué)的一些基本定律計算各種物質(zhì)的可以應(yīng)用物理和化學(xué)的一些基本定律計算各種物質(zhì)的性質(zhì)參數(shù)。性質(zhì)參數(shù)。l但是但是，往往由于缺乏計算所需的

15、一些分子性質(zhì)（偶極矩、極化率、原子間距離等）的數(shù)據(jù)而無法計算，或者即使知道這些數(shù)據(jù)，計算也很復(fù)雜。因此，許多研究人員做了不少工作，建立了理論與經(jīng)驗相結(jié)合的方法，來計算各種物質(zhì)的物性數(shù)據(jù)。這些方法僅從一個化合物二、三種數(shù)據(jù)就能估算出該化合物的其他物性數(shù)據(jù)來。l基團貢獻法基團貢獻法3.1 物料衡算物料衡算213. 3. 用實驗直接測定用實驗直接測定l實驗直接測定。實驗直接測定。l以上三種數(shù)據(jù)來源，從手冊或文獻中查得數(shù)據(jù)最方便，但往往有時數(shù)據(jù)不夠完整，也會出現(xiàn)一些錯誤。用一些理論的、半經(jīng)驗的和經(jīng)驗的公式估算，也是一種簡便的方法。當(dāng)手冊或文獻中無法查得時，可以進行估算。直接用實驗測定得到的數(shù)據(jù)最可靠，

16、只是實驗比較費時間又花錢。但是，如果查不到有關(guān)數(shù)據(jù)，而用公式估算得到的結(jié)果精度又不夠時，則必須用實驗進行測定。3.1 物料衡算物料衡算224. 4. 計算機檢索計算機檢索l近年來，隨著電子計算機的迅速發(fā)展，應(yīng)用計算機儲近年來，隨著電子計算機的迅速發(fā)展，應(yīng)用計算機儲存、檢索和推算物性數(shù)據(jù)。存、檢索和推算物性數(shù)據(jù)。 一些大型化工企業(yè)、研究部門和高等院校都相應(yīng)建立了物性數(shù)據(jù)庫，以便于通過計算機自動檢索或估算所要求的數(shù)據(jù)，而不必自行查找或計算，大大節(jié)省了時間和精力。l化工物性數(shù)據(jù)庫化工物性數(shù)據(jù)庫 美國，CINDAS(14000) 北京化工大學(xué)，大型化工物性數(shù)據(jù)庫CEPPDS(3417) )3.1 物料

17、衡算物料衡算233.1 物料衡算物料衡算例例：丙烷充分燃燒時，要供入的空氣量為理論量的丙烷充分燃燒時，要供入的空氣量為理論量的125%，反應(yīng)式為：反應(yīng)式為： C3H8+5O23CO2+4H2O問每問每100摩爾燃燒產(chǎn)物需要多少摩爾空氣？摩爾燃燒產(chǎn)物需要多少摩爾空氣？解解：物料流程簡圖如下：物料流程簡圖如下：由圖可知，該體系共有三個流股：丙烷、空氣、燃燒產(chǎn)由圖可知，該體系共有三個流股：丙烷、空氣、燃燒產(chǎn)物。從原則上來說，其中任一個物料量均可作為基準(zhǔn)。物。從原則上來說，其中任一個物料量均可作為基準(zhǔn)。燃燒過程C3H8空氣空氣 O2 N2123CO2H2OO2N2243.1 物料衡算物料衡算（一）基準(zhǔn)

18、：（一）基準(zhǔn)：1 mol C3H8按照反應(yīng)式，完全燃燒需氧量：按照反應(yīng)式，完全燃燒需氧量： 5 mol5 mol實際供氧量：實際供氧量： 1.251.25* *5=6.25 mol5=6.25 mol供空氣量（空氣中含氧供空氣量（空氣中含氧21%21%（molmol）：）：6.25/0.21=29.76 mol6.25/0.21=29.76 mol其中氮氣量：其中氮氣量： 29.7629.76* *0.79=23.51 mol0.79=23.51 mol物料衡算結(jié)果如下表：物料衡算結(jié)果如下表：輸輸 入入輸輸 出出組分摩爾克組分摩爾克C3H8空氣中O2N216.2523.5144200658.2

19、8CO2H2OO2N2341.2523.511327240658.28總計30.76902.2831.76902.28所以，每所以，每100 mol燃燒產(chǎn)物（煙道氣）所需空氣量為：燃燒產(chǎn)物（煙道氣）所需空氣量為：100 mol煙道氣煙道氣*（6.25+23.51）mol空氣空氣/31.76 mol煙道氣煙道氣=93.7mol1mol C3H8需要的空氣量：需要的空氣量：253.1 物料衡算物料衡算（二）基準(zhǔn)：（二）基準(zhǔn)：1 mol 空氣空氣按題意供入的空氣量為理論量的按題意供入的空氣量為理論量的125%125%，1mol1mol空氣中氧量：空氣中氧量：0.21 mol0.21 mol所以，供燃

20、燒所以，供燃燒 C C3 3H H8 8的氧量：的氧量：0.21/1.25=0.168 mol0.21/1.25=0.168 mol燃燒的燃燒的C C3 3H H8 8的量：的量：0.1680.168* *(1/5)=0.0336 mol(1/5)=0.0336 mol物料衡算結(jié)果如下表：物料衡算結(jié)果如下表：輸輸 入入輸輸 出出組分組分摩爾摩爾克克組分組分摩爾摩爾克克C3H8空氣空氣其中其中O2N20.0336（1.0）0.210.791.48（28.84）6.7222.12CO2H2OO2N20.1010.1350.0420.794.442.431.3422.12總計總計1.033630.3

21、21.06830.33所以，每所以，每100 mol燃燒產(chǎn)物（煙道氣）所需空氣量為：燃燒產(chǎn)物（煙道氣）所需空氣量為：100 mol煙道氣煙道氣*1mol空氣空氣/1.068 mol煙道氣煙道氣=93.6 mol26（三）基準(zhǔn)：（三）基準(zhǔn)：100 mol 煙道氣煙道氣3.1 物料衡算物料衡算設(shè)： N-煙道氣N2，mol； M-煙道氣中O2，mol； P-煙道氣中CO2，mol； Q-煙道氣中H2O，mol； A-入口空氣，mol； B-入口C3H8，mol。共有6個未知量，因此必須列6個獨立方程。按照反應(yīng)式的化學(xué)計量關(guān)系，還可以列出另外幾個線性方程，但是都按照反應(yīng)式的化學(xué)計量關(guān)系，還可以列出另外

22、幾個線性方程，但是都與以上六個式子有關(guān)，獨立方程只有以上六個公式。與以上六個式子有關(guān)，獨立方程只有以上六個公式。列元素平衡：C平衡：3B=PH2平衡：4B=QO2平衡：0.21A=M+P+Q/2N2平衡：0.79A=N煙道氣總量：M+N+P+Q=100過剩氧量：0.21A*0.25/1.25=M煙道氣：煙道氣：氮氣，二氧化碳，水蒸氣，氧氣氮氣，二氧化碳，水蒸氣，氧氣273.1.5 3.1.5 無化學(xué)反應(yīng)過程的物料衡算無化學(xué)反應(yīng)過程的物料衡算l在化工過程中，只有物理變化不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)在化工過程中，只有物理變化不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的單元操作如混合、蒸餾、蒸發(fā)、干燥、吸收、的單元操作如混合、蒸餾、蒸發(fā)、干

23、燥、吸收、結(jié)晶、萃取等，這些過程都可以根據(jù)物料衡算式，結(jié)晶、萃取等，這些過程都可以根據(jù)物料衡算式，直接列出總物料和各組分的衡算式，再用代數(shù)法直接列出總物料和各組分的衡算式，再用代數(shù)法求解。求解。3.1 物料衡算物料衡算28I. I. 簡單過程的物料衡算簡單過程的物料衡算l簡單過程簡單過程是指僅有一個設(shè)備或一個單元操作的是指僅有一個設(shè)備或一個單元操作的過程。設(shè)備邊界就是體系邊界。過程。設(shè)備邊界就是體系邊界。1. 1. 畫出物料流程簡圖。畫出物料流程簡圖。2. 2. 選擇基準(zhǔn)。選擇基準(zhǔn)。3. 3. 列物料衡算式，求解。列物料衡算式，求解。4. 4. 校核計算結(jié)果。校核計算結(jié)果。5. 5. 將計算結(jié)

24、果列成輸入將計算結(jié)果列成輸入輸出物料表（物料平衡表）。輸出物料表（物料平衡表）。3.1 物料衡算物料衡算293.1 物料衡算物料衡算例：一種廢酸，組成為一種廢酸，組成為23%23%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）HNOHNO3 3，57%H57%H2 2SOSO4 4和和20%H20%H2 2O O，加入，加入93%93%的濃的濃H H2 2SOSO4 4及及90%90%的濃的濃HNOHNO3 3，要求混，要求混合成含合成含27%HNO27%HNO3 3及及60%H60%H2 2SOSO4 4的混合酸，計算所需廢酸及加的混合酸，計算所需廢酸及加入濃酸的數(shù)量。入濃酸的數(shù)量。解： 設(shè)設(shè) x：廢酸量，：廢酸

25、量，kg； y：濃：濃H2SO4量，量，kg； z：濃：濃HNO3量，量，kg。1. 1. 畫出物料流程簡圖畫出物料流程簡圖303.1 物料衡算物料衡算2. 2. 選擇基準(zhǔn)：選擇基準(zhǔn)：可以選擇廢酸或者濃酸的量為基準(zhǔn)，也可以用混合酸的量為基準(zhǔn)，因為四種酸的組成均已知，選任何一種作基準(zhǔn)，計算都很方便。3. 3. 列物料衡算式：列物料衡算式：該體系有3種組分，可列出3個獨立方程，所以能求出3個未知量?？偽锪虾馑闶娇偽锪虾馑闶剑簒+y+z=100 (1)H2SO4衡算式衡算式：0.57x+0.93y=1000.6=60 (2)HNO3衡算式衡算式：0.23x+0.90z=1000.27=27 (3)解

26、(1)-(3)方程，得x=41.8 kg廢酸，y=39 kg濃H2SO4，z=19.2 kg濃HNO3即由41.8 kg廢酸，39 kg濃H2SO4，19.2 kg濃HNO3可以混合成100 kg混合酸。根據(jù)水平衡，可以核對以上結(jié)果：根據(jù)水平衡，可以核對以上結(jié)果：加入的水量=41.80.2+390.07+19.20.10=13 kg混合后的酸，含有13%H2O，所以計算結(jié)果正確。以上物料衡算式，亦可以選總物料衡算式及H2SO4與H2O兩個衡算式或者H2SO4， HNO3， H2O三個組分衡算式進行計算，均可以求得上述結(jié)果31II. II. 有多個設(shè)備過程的物料衡算有多個設(shè)備過程的物料衡算3.1

27、 物料衡算物料衡算對有多個設(shè)備的過程，進行物料衡算時，可以劃分多個衡算體系，此對有多個設(shè)備的過程，進行物料衡算時，可以劃分多個衡算體系，此時，必須選擇恰當(dāng)?shù)暮馑泱w系。時，必須選擇恰當(dāng)?shù)暮馑泱w系。例：例：有兩個設(shè)備的過程，如下圖所示，可以劃分成三個衡算體系：有兩個設(shè)備的過程，如下圖所示，可以劃分成三個衡算體系：每個衡算體系均可列出相應(yīng)的衡算方程。若每個設(shè)備的輸入和輸出物料每個衡算體系均可列出相應(yīng)的衡算方程。若每個設(shè)備的輸入和輸出物料中均含有中均含有3 3個組分，則每個體系可寫出個組分，則每個體系可寫出3+13+1個衡算方程，其中有個衡算方程，其中有3 3個是獨立個是獨立方程。如，體系方程。如，體

28、系A(chǔ),B,CA,B,C各有各有3 3個獨立方程，每個體系的個獨立方程，每個體系的3 3個獨立方程成為一個獨立方程成為一組，共三組。這樣，具有兩個設(shè)備的過程，共有組，共三組。這樣，具有兩個設(shè)備的過程，共有2+12+1組衡算方程（即設(shè)備組衡算方程（即設(shè)備I I，II II的的2 2組方程和整個過程的組方程和整個過程的1 1組方程）。但是，組方程）。但是，只有只有2 2組方程是獨立的組方程是獨立的。所以，獨立方程，總數(shù)應(yīng)該是所以，獨立方程，總數(shù)應(yīng)該是2 23 3個，就是最多能求出個，就是最多能求出6 6個個未知量未知量323.1 物料衡算物料衡算例：例：有兩個蒸餾塔的分離裝置，有兩個蒸餾塔的分離裝置

29、，將含有將含有50%50%苯、苯、30%30%甲苯和甲苯和20%20%（mol%mol%）二甲苯的混合物分成較純）二甲苯的混合物分成較純的三個餾分，其流程圖及各流股組的三個餾分，其流程圖及各流股組成如右圖，計算蒸餾成如右圖，計算蒸餾1000 mol/h1000 mol/h原原料所得各流股的量及進塔料所得各流股的量及進塔II II物料組物料組成的。成的。333.1 物料衡算物料衡算343.1.6 3.1.6 有化學(xué)反應(yīng)過程的物料衡算有化學(xué)反應(yīng)過程的物料衡算l有化學(xué)反應(yīng)的過程，物料中的組分變化比較復(fù)雜。有化學(xué)反應(yīng)的過程，物料中的組分變化比較復(fù)雜。l工業(yè)上的化學(xué)反應(yīng)工業(yè)上的化學(xué)反應(yīng)，各反應(yīng)物的，各反

30、應(yīng)物的實際實際用量，并不用量，并不等于化學(xué)反應(yīng)式中的理論量。為了使所需的反應(yīng)順等于化學(xué)反應(yīng)式中的理論量。為了使所需的反應(yīng)順利進行，或使其中較昂貴的利進行，或使其中較昂貴的反應(yīng)反應(yīng)物全部轉(zhuǎn)化，常常物全部轉(zhuǎn)化，常常使價格較低廉的一些反應(yīng)物用量過量使價格較低廉的一些反應(yīng)物用量過量。3.1 物料衡算物料衡算35I. I. 反應(yīng)轉(zhuǎn)化率、選擇性及收率等概念反應(yīng)轉(zhuǎn)化率、選擇性及收率等概念1 1. . 限制反應(yīng)物限制反應(yīng)物 化學(xué)反應(yīng)原料不按化學(xué)計量比配料時，其中以最小化學(xué)最小化學(xué)計量數(shù)存在計量數(shù)存在的反應(yīng)物稱為限制反應(yīng)物。2 2 . . 過量反應(yīng)物過量反應(yīng)物 不按化學(xué)計量比配料的原料中，某種反應(yīng)物的量超過限某

31、種反應(yīng)物的量超過限制反應(yīng)物完全反應(yīng)所需的理論量制反應(yīng)物完全反應(yīng)所需的理論量，該反應(yīng)物稱為過量反應(yīng)物。3 3 . . 過量百分?jǐn)?shù)過量百分?jǐn)?shù) 過量反應(yīng)物超過限制反應(yīng)物所需理論量超過限制反應(yīng)物所需理論量的部分占所需理論量的百分?jǐn)?shù)。3.1 物料衡算物料衡算364. 轉(zhuǎn)化率（轉(zhuǎn)化率（x） 某一反應(yīng)物反應(yīng)掉的量占其輸入量的百分?jǐn)?shù)。5. 選擇性（選擇性（S） 反應(yīng)物反應(yīng)成目的產(chǎn)物所消耗的量占反應(yīng)物反應(yīng)掉的量的百分?jǐn)?shù)。 轉(zhuǎn)化率與選擇性是反應(yīng)過程的兩個主要技術(shù)指標(biāo)。轉(zhuǎn)化率與選擇性是反應(yīng)過程的兩個主要技術(shù)指標(biāo)。6. 收率（收率（Y） 反應(yīng)物反應(yīng)成目的產(chǎn)物所消耗的量除以反應(yīng)物（通常指限制反應(yīng)物）輸入量，以百分?jǐn)?shù)表示

32、。它可以用物質(zhì)的量（摩爾數(shù)）或質(zhì)量進行計算。3.1 物料衡算物料衡算l轉(zhuǎn)化率、選擇性與收率三者之間的關(guān)系轉(zhuǎn)化率、選擇性與收率三者之間的關(guān)系 : Y = Sx37轉(zhuǎn)化率（轉(zhuǎn)化率（x） 某一反應(yīng)物反應(yīng)掉的量占其輸入量的百分?jǐn)?shù)。某一反應(yīng)物反應(yīng)掉的量占其輸入量的百分?jǐn)?shù)。某反應(yīng)過程中，反應(yīng)物某反應(yīng)過程中，反應(yīng)物A A的轉(zhuǎn)化率：的轉(zhuǎn)化率：不管是參加正反應(yīng)還是副反應(yīng)。Attention:Attention:分子分母需要統(tǒng)一，或都使用質(zhì)量，或都使用物質(zhì)的量。38收率（收率（Y） 反應(yīng)物反應(yīng)成目的產(chǎn)物所消耗的量除以反應(yīng)物（通常指反應(yīng)物反應(yīng)成目的產(chǎn)物所消耗的量除以反應(yīng)物（通常指限制反應(yīng)物）輸入量，以百分?jǐn)?shù)表示。限

33、制反應(yīng)物）輸入量，以百分?jǐn)?shù)表示。摩爾收率（摩爾收率（Y）以反應(yīng)物以反應(yīng)物A A計的產(chǎn)物計的產(chǎn)物C C的摩爾收率：的摩爾收率：摩爾收率不可能大于摩爾收率不可能大于100%，是反映物質(zhì)真實的收率。，是反映物質(zhì)真實的收率。39質(zhì)量收率（質(zhì)量收率（Y）以反應(yīng)物A計的產(chǎn)物C的質(zhì)量收率：質(zhì)量收率大于質(zhì)量收率大于100%是有可能的，是直觀的收率。是有可能的，是直觀的收率。40選擇性（選擇性（S） 反應(yīng)物反應(yīng)物反應(yīng)成目的產(chǎn)物所消耗的量（質(zhì)量或物質(zhì)的量）占反反應(yīng)物應(yīng)物反應(yīng)掉的量（質(zhì)量或物質(zhì)的量）的百分?jǐn)?shù)。 目的產(chǎn)物目的產(chǎn)物生成量（質(zhì)量或物質(zhì)的量）占反應(yīng)物反應(yīng)掉的量理論全部生成目的產(chǎn)物目的產(chǎn)物的量（質(zhì)量或物質(zhì)的量

34、）的百分?jǐn)?shù)。以反應(yīng)物A計的產(chǎn)物C的選擇性：41例例：用鄰二甲苯氣相催化氧化生產(chǎn)鄰苯二甲酸酐（苯酐）。鄰二甲苯投：用鄰二甲苯氣相催化氧化生產(chǎn)鄰苯二甲酸酐（苯酐）。鄰二甲苯投料量為料量為210 kg/h，空氣，空氣4620 Hm3/h。反應(yīng)器出口物料組成（。反應(yīng)器出口物料組成（mol%）為）為：苯酐：苯酐0.654%，順丁烯二酸酐（順酐），順丁烯二酸酐（順酐）0.066%，鄰二甲苯，鄰二甲苯0.03%，氧，氧16.53%，氮氣，氮氣77.75%，其它還有，其它還有H2O，CO2，CO等。試計算鄰二甲苯等。試計算鄰二甲苯轉(zhuǎn)化率及苯酐和順酐的收率及選擇性轉(zhuǎn)化率及苯酐和順酐的收率及選擇性3.1 物料衡算

35、物料衡算解：解：物料流程示意圖物料流程示意圖423.1 物料衡算物料衡算433.1 物料衡算物料衡算摩爾量之比3.49%3.25%6.45%44v 例例：已知丙烯氧化法生產(chǎn)丙烯醛的一段反應(yīng)器，原料丙烯投已知丙烯氧化法生產(chǎn)丙烯醛的一段反應(yīng)器，原料丙烯投料量為料量為600 kg/h600 kg/h，出料中有丙烯醛，出料中有丙烯醛640 kg/h640 kg/h，另有未反應(yīng)的丙，另有未反應(yīng)的丙烯烯25 kg/h25 kg/h，試計算原料丙烯的轉(zhuǎn)化率、選擇性及丙烯醛的收，試計算原料丙烯的轉(zhuǎn)化率、選擇性及丙烯醛的收率率。23222CHCHCHOCHCHCHOH O一段反應(yīng)器一段反應(yīng)器丙烯600 kg/h

36、丙烯25 kg/h丙烯醛640 kg/h解：解：丙烯氧化生成丙烯醛的化學(xué)反應(yīng)方程式：丙烯氧化生成丙烯醛的化學(xué)反應(yīng)方程式：3.1 物料衡算物料衡算45l 丙烯的選擇性：丙烯的選擇性：l 丙烯的轉(zhuǎn)化率：丙烯的轉(zhuǎn)化率：(60025)100%95.83%600 x640/56100%83.48%(60025)/ 42l 丙烯醛的收率：丙烯醛的收率：640/56100%80%600/ 423.1 物料衡算物料衡算46II. II. 一般反應(yīng)過程的物料衡算一般反應(yīng)過程的物料衡算l對有化學(xué)反應(yīng)過程的物料衡算，由于各組分在過程中對有化學(xué)反應(yīng)過程的物料衡算，由于各組分在過程中發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，因此就不能簡單地列組

37、分的衡算式，發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，因此就不能簡單地列組分的衡算式，必須考慮化學(xué)反應(yīng)中生成或消耗的量，必須考慮化學(xué)反應(yīng)中生成或消耗的量，應(yīng)該根據(jù)化學(xué)反應(yīng)該根據(jù)化學(xué)反應(yīng)式，列衡算方程應(yīng)式，列衡算方程。l對一般的反應(yīng)過程，可用下列幾種方法求解。對一般的反應(yīng)過程，可用下列幾種方法求解。3.1 物料衡算物料衡算471 1. . 直接求解法直接求解法 l有些化學(xué)反應(yīng)過程的物料衡算，有時只含一個未知量有些化學(xué)反應(yīng)過程的物料衡算，有時只含一個未知量或組成，這類問題比較簡單，或組成，這類問題比較簡單，通?？筛鶕?jù)化學(xué)反應(yīng)式直通?？筛鶕?jù)化學(xué)反應(yīng)式直接求解，不必列出衡算式接求解，不必列出衡算式。l直接求解法也稱化學(xué)計量法直

38、接求解法也稱化學(xué)計量法。3.1 物料衡算物料衡算483.1 物料衡算物料衡算例例：丙烯、氨及氧反應(yīng)制丙烯腈。反應(yīng)式如下：丙烯、氨及氧反應(yīng)制丙烯腈。反應(yīng)式如下：原料氣組成為原料氣組成為10%10%（mol%mol%）C C3 3H H6 6，12%NH12%NH3 3，78%78%空氣。丙烯空氣。丙烯轉(zhuǎn)化率為轉(zhuǎn)化率為30%30%，求輸出物料組成。，求輸出物料組成。解解：493.1 物料衡算物料衡算50組分組分輸輸 入入輸輸 出出組成組成摩爾摩爾(kmol)kg組成組成摩爾摩爾(kmol)kgC3H6NH3O2N2C3H3NH2O101278101216.3861.6242020452417256

39、.908.8711.7069.712.958.877911.8361.62392941533801725159162總計總計100.002873101.528733.1 物料衡算物料衡算51v例例：苯乙烯的反應(yīng)器，年生產(chǎn)能力為：苯乙烯的反應(yīng)器，年生產(chǎn)能力為10000 t10000 t，年工作時間為，年工作時間為8000 h8000 h，苯乙烯收率為苯乙烯收率為40%40%，以反應(yīng)物乙苯計的苯乙烯選擇性為，以反應(yīng)物乙苯計的苯乙烯選擇性為90%90%，苯選擇性為，苯選擇性為3%3%，甲苯選擇性為，甲苯選擇性為5%5%，焦油選擇性為，焦油選擇性為2%2%。原料乙苯中含甲苯。原料乙苯中含甲苯2%2%（

40、質(zhì)量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），反應(yīng)時通入水蒸氣提供部分熱量并降低乙苯分壓，乙苯原料和分?jǐn)?shù)），反應(yīng)時通入水蒸氣提供部分熱量并降低乙苯分壓，乙苯原料和水蒸氣比為水蒸氣比為1:1.51:1.5（質(zhì)量比），要求對該反應(yīng)器進行物料衡算，即計算進（質(zhì)量比），要求對該反應(yīng)器進行物料衡算，即計算進出反應(yīng)器各物料的流量。出反應(yīng)器各物料的流量。反應(yīng)器反應(yīng)器C6H5C2H5C6H5CH3(2%)、H2OC6H5C2H5、C6H6、C6H5CH3H2O、CH4、C2H4、C、H23.1 物料衡算物料衡算52解解：反應(yīng)器中發(fā)生了以下化學(xué)反應(yīng)：反應(yīng)器中發(fā)生了以下化學(xué)反應(yīng)： C6H5C2H5 C6H5C2H3 +H2 （1） C6H5

41、C2H5+H2 C6H5CH3 +CH4 （2） C6H5C2H5 C2H4+C6H6 （3） C6H5C2H5 7C +3H2+CH4 （4）各物料的摩爾質(zhì)量匯總列于表各物料的摩爾質(zhì)量匯總列于表3-13-1。3.1 物料衡算物料衡算53物料物料C6H5C2H5C6H5C2H3C6H6C6H5CH3H2OCH4C2H4CH2摩爾質(zhì)量摩爾質(zhì)量/(g/mol)1061047892181628122表表3-1 各物料的摩爾質(zhì)量（基準(zhǔn)：各物料的摩爾質(zhì)量（基準(zhǔn)：1000 kg/h乙苯原料）乙苯原料）3.1 物料衡算物料衡算54n進反應(yīng)器純乙苯量進反應(yīng)器純乙苯量1000 kg/h98%=980 kg/h，

42、即為，即為9.245 kmol/hn原料中甲苯量原料中甲苯量1000 kg/h2%=20 kg/h，即為，即為0.217 kmol/hn水蒸氣量水蒸氣量980 kg/h1.5=1470kg/h，即為，即為81.667 kmol/hn乙苯的轉(zhuǎn)化率為乙苯的轉(zhuǎn)化率為0.4/0.9=0.4444n參加反應(yīng)的總乙苯量參加反應(yīng)的總乙苯量980 kg/h0.4444 =435.11 kg/h，即為，即為4.109 kmol/h3.1 物料衡算物料衡算55產(chǎn)物中各組分情況如下：產(chǎn)物中各組分情況如下：未反應(yīng)的乙苯量（未反應(yīng)的乙苯量（980-435.11980-435.11）kg/h=544.89 kg/hkg/

43、h=544.89 kg/h，即為，即為5.140 kmol/h5.140 kmol/h由苯乙烯選擇性由苯乙烯選擇性，生成苯乙烯量，生成苯乙烯量4.109 kmol/h4.109 kmol/h90%=3.698 kmol/h90%=3.698 kmol/h，即為即為384.60 kg/h384.60 kg/h由各物質(zhì)的選擇性：由各物質(zhì)的選擇性：輸出的甲苯量輸出的甲苯量4.109 kmol/h4.109 kmol/h5%+0.217 kmol/h =0.423 kmol/h5%+0.217 kmol/h =0.423 kmol/h，即為，即為38.92 38.92 kg/hkg/h生成的苯量生成的

44、苯量4.109 kmol/h4.109 kmol/h3% =0.123 kmol/h3% =0.123 kmol/h，即為，即為9.60 kg/h9.60 kg/h生成的乙烯量生成的乙烯量4.109 kmol/h4.109 kmol/h3% =0.123 kmol/h3% =0.123 kmol/h，即為，即為3.44 kg/h3.44 kg/h生成的碳量生成的碳量4.109 kmol/h4.109 kmol/h2%2%7 =0.575 kmol/h7 =0.575 kmol/h，即為，即為6.9 kg/h6.9 kg/h生成的甲烷量生成的甲烷量4.109 kmol/h4.109 kmol/h

45、（5%+2%5%+2%） =0.288 kmol/h=0.288 kmol/h，即為，即為4.61 kg/h4.61 kg/h輸出的氫量輸出的氫量4.109 kmol/h4.109 kmol/h（90%-5%+2%90%-5%+2%3 3） =3.739 kmol/h=3.739 kmol/h，即為，即為7.48 7.48 kg/hkg/h輸出水量輸出水量= =輸入水量（不參與反應(yīng)）輸入水量（不參與反應(yīng)）1470 kg/h1470 kg/h，即為，即為81.667 kmol/h81.667 kmol/h實際每小時要求苯乙烯的產(chǎn)量實際每小時要求苯乙烯的產(chǎn)量10000100001000 kg/80

46、00h=1250 kg/h1000 kg/8000h=1250 kg/h比例系數(shù)比例系數(shù)1250/384.60=3.251250/384.60=3.253.1 物料衡算物料衡算56乙苯脫氫反應(yīng)器物料衡算表乙苯脫氫反應(yīng)器物料衡算表組分組分輸輸 入入輸輸 出出摩爾流量摩爾流量/(kmol/h)質(zhì)量流量質(zhì)量流量/(kg/h)摩爾流量摩爾流量/(kmol/h)質(zhì)量流量質(zhì)量流量/(kg/h)C6H5C2H530.046318516.7051770.89C6H5CH30.705651.375126.49H2O265.4184777.5265.4184777.5C6H5C2H312.0191249.95C6

47、H60.00431.20C2H40.00411.18CH40.93614.98C1.86922.43H212.15224.31合計合計296.1698027.5310.4828028.933.1 物料衡算物料衡算572. 2. 元素衡算法元素衡算法l元素衡算是物料衡算的一種重要形式。在作這類衡算元素衡算是物料衡算的一種重要形式。在作這類衡算時，時，并不需要考慮具體的化學(xué)反應(yīng)，而是按照元素種類并不需要考慮具體的化學(xué)反應(yīng)，而是按照元素種類被轉(zhuǎn)化及重新組合的概念，被轉(zhuǎn)化及重新組合的概念，表示為：表示為： 輸入（某種元素）輸入（某種元素）= =輸出（同種元素）輸出（同種元素）l對反應(yīng)過程中化學(xué)反應(yīng)很復(fù)

48、雜，無法用一、兩個反應(yīng)對反應(yīng)過程中化學(xué)反應(yīng)很復(fù)雜，無法用一、兩個反應(yīng)式表示的物料衡算時，可以列出元素衡算式，用式表示的物料衡算時，可以列出元素衡算式，用代數(shù)法代數(shù)法求解。求解。3.1 物料衡算物料衡算583.1 物料衡算物料衡算v例例：甲烷、乙烷與水蒸氣用鎳催化劑進行轉(zhuǎn)化反應(yīng)，生產(chǎn)氫：甲烷、乙烷與水蒸氣用鎳催化劑進行轉(zhuǎn)化反應(yīng)，生產(chǎn)氫氣，反應(yīng)器出口氣體組成（干基）為：氣，反應(yīng)器出口氣體組成（干基）為：組分組分CH4C2H6COCO2H2mol %4.62.518.64.669.7假定原料中只含有假定原料中只含有CHCH4 4和和C C2 2H H6 6兩種碳?xì)浠衔?，則求這兩種氣兩種碳?xì)浠衔铮?/p>

49、則求這兩種氣體的摩爾比為多少？每體的摩爾比為多少？每10001000標(biāo)米標(biāo)米3 3原料氣，需要多少千克蒸汽原料氣，需要多少千克蒸汽參加反應(yīng)？參加反應(yīng)？干基就是以干基就是以單位質(zhì)量的干空氣或干氣體單位質(zhì)量的干空氣或干氣體為基準(zhǔn)表示的濕空氣為基準(zhǔn)表示的濕空氣或濕氣體的性質(zhì)?；驖駳怏w的性質(zhì)。593.1 物料衡算物料衡算解：解：60v例例：將碳酸鈉溶液加入石灰進行苛化，已知碳酸鈉溶液組成為：將碳酸鈉溶液加入石灰進行苛化，已知碳酸鈉溶液組成為NaOH NaOH 0.59% 0.59% （質(zhì)量分?jǐn)?shù)），（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），NaNa2 2COCO3 3 14.88% 14.88%，H H2 2O 84.53%O 8

50、4.53%，反應(yīng)后的苛化液含，反應(yīng)后的苛化液含CaCOCaCO3 3 13.48% 13.48%， Ca(OH) Ca(OH)2 2 0.28% 0.28%，NaNa2 2COCO3 3 0.61% 0.61%，NaOH 10.36%NaOH 10.36%，H H2 2O O 75.27%75.27%。計算：。計算：1 1）每）每100 kg100 kg苛化液需加石灰的質(zhì)量及石灰的組成；苛化液需加石灰的質(zhì)量及石灰的組成；2 2）每）每100 kg100 kg苛化液需用碳酸鈉溶液的質(zhì)量。苛化液需用碳酸鈉溶液的質(zhì)量。3.1 物料衡算物料衡算解解 :設(shè)碳酸鈉溶液的質(zhì)量為設(shè)碳酸鈉溶液的質(zhì)量為F（kg）

51、 石灰的質(zhì)量為石灰的質(zhì)量為W（kg）石灰中石灰中CaCO3 、CaO及及Ca(OH)2的質(zhì)量分別設(shè)為的質(zhì)量分別設(shè)為x、y和和z，則石灰中，則石灰中各物質(zhì)的組成可表示為：各物質(zhì)的組成可表示為：x/W，y/W， z/W基準(zhǔn)：基準(zhǔn)：100 kg苛化液苛化液61苛化反苛化反應(yīng)器應(yīng)器FNaOH 0.59%Na2CO3 14.88%H2O 84.53%CaCO3 13.48%Ca(OH)2 0.28%Na2CO3 0.61%NaOH 10.36%H2O 75.27%CaCO3 x/WCaO y/WCa(OH)2 z/W畫出物料流程示意圖畫出物料流程示意圖3.1 物料衡算物料衡算62各種物料質(zhì)量和物質(zhì)的量各

52、種物料質(zhì)量和物質(zhì)的量Na2CO3溶液溶液苛化鈉溶液苛化鈉溶液物料物料摩爾質(zhì)量摩爾質(zhì)量（g/mol）質(zhì)量（質(zhì)量（kg）物質(zhì)的量物質(zhì)的量（kmol）物料物料摩爾質(zhì)量摩爾質(zhì)量（g/mol）質(zhì)量（質(zhì)量（kg）物質(zhì)的量物質(zhì)的量（kmol）NaOH400.59%F0.000148FNaOH4010.360.2590Na2CO310614.88%F0.001404FNa2CO31060.610.00575H2O1884.53%F0.04696FH2O1875.274.18Ca(OH)2740.280.00377CaCO310013.480.13473.1 物料衡算物料衡算以質(zhì)量計轉(zhuǎn)化為以物質(zhì)的量計，來進行元

53、素守恒計算以質(zhì)量計轉(zhuǎn)化為以物質(zhì)的量計，來進行元素守恒計算63列元素平衡式列元素平衡式Na平衡：平衡：0.000148F+0.001404F2=（0.005752+0.2590）kmol C平衡：平衡： Ca平衡：平衡： 總物料平衡：總物料平衡：F+W=100 kg/mol 石灰總量等于各物質(zhì)質(zhì)量之和石灰總量等于各物質(zhì)質(zhì)量之和： W=x+y+z 100g/mol0.001404+= (0.1348+0.00575)kmolxF100g/mol56g/mol74g/mol+= (0.1348+0.00378)kmolyxz3.1 物料衡算物料衡算64計算結(jié)果匯總計算結(jié)果匯總組分組分輸輸 入入輸輸

54、出出物質(zhì)的量物質(zhì)的量/kmol質(zhì)量質(zhì)量/kg物質(zhì)的量物質(zhì)的量/kmol質(zhì)量質(zhì)量/kgNaOH0.01350.540.259010.35Na2CO30.128513.620.005750.61H2O4.297377.354.18275.27CaCO30.0121.20.13713.48CaO0.0156.44Ca(OH)20.01160.860.003770.28合計合計296.1691004.58751003.1 物料衡算物料衡算653.“3.“聯(lián)系組分聯(lián)系組分”法法l“聯(lián)系組分聯(lián)系組分”是指隨物料輸入體系，但是指隨物料輸入體系，但完全不參加反應(yīng)完全不參加反應(yīng)，又隨物，又隨物料從體系輸出的組分

55、，在整個反應(yīng)過程中，它的數(shù)量不變。料從體系輸出的組分，在整個反應(yīng)過程中，它的數(shù)量不變。l如果體系中存在聯(lián)系組分，那么如果體系中存在聯(lián)系組分，那么輸入物料和輸出物料之間就可以輸入物料和輸出物料之間就可以根據(jù)聯(lián)系組分的含量進行關(guān)聯(lián)根據(jù)聯(lián)系組分的含量進行關(guān)聯(lián)。 l用聯(lián)系組分作衡算，用聯(lián)系組分作衡算，尤其是對含未知量較多的物料衡算尤其是對含未知量較多的物料衡算，可以使，可以使計算簡化。計算簡化。l選擇聯(lián)系組分時，如果體系中存在數(shù)種聯(lián)系組分，那么，此時就選擇聯(lián)系組分時，如果體系中存在數(shù)種聯(lián)系組分，那么，此時就要選擇一個適宜的聯(lián)系組分，或聯(lián)合采用以減小誤差。但是，要選擇一個適宜的聯(lián)系組分，或聯(lián)合采用以減小

56、誤差。但是，應(yīng)該應(yīng)該注意，當(dāng)某個聯(lián)系組分?jǐn)?shù)量很小，而且此組分的分析相對誤差又較注意，當(dāng)某個聯(lián)系組分?jǐn)?shù)量很小，而且此組分的分析相對誤差又較大時，則不宜采用。大時，則不宜采用。3.1 物料衡算物料衡算663.1 物料衡算物料衡算解：解：v例例：甲烷與氫混合氣在爐子里用空氣甲烷與氫混合氣在爐子里用空氣完全完全燃燒，煙道氣分析為燃燒，煙道氣分析為N N2 2 72.22%72.22%，COCO2 2 8.13%8.13%，O O2 2 2.49%2.49%，H H2 2O 17.16%(mol%)O 17.16%(mol%)，問（，問（1 1）燃料中氫氣）燃料中氫氣與甲烷的比例多少？（與甲烷的比例多少

57、？（2 2）燃料（）燃料（H H2 2+CH+CH4 4）對空氣的比例多少？）對空氣的比例多少？673.1 物料衡算物料衡算68v例：例：試計算年產(chǎn)試計算年產(chǎn)16000噸福爾馬林（甲醛溶液）所需的工業(yè)噸福爾馬林（甲醛溶液）所需的工業(yè)甲醇原料消耗量，并求甲醇轉(zhuǎn)化率和甲醛收率。已知條件：甲醇原料消耗量，并求甲醇轉(zhuǎn)化率和甲醛收率。已知條件：氧化劑為空氣，用銀催化劑固定床氣相氧化；氧化劑為空氣，用銀催化劑固定床氣相氧化；過程損失為甲醛總量的過程損失為甲醛總量的2%（質(zhì)量），年開工（質(zhì)量），年開工8000小時；小時；有關(guān)數(shù)據(jù)：有關(guān)數(shù)據(jù)：工業(yè)甲醇組成（工業(yè)甲醇組成（質(zhì)量質(zhì)量）：）：CH3OH 98% ，H

58、2O 2% ，反應(yīng)尾氣組成（反應(yīng)尾氣組成（體積體積）：）：CH4 0.8%，O2 0.5%，N2 73.7%，CO2 4.0%，H2 21%福爾馬林組成（福爾馬林組成（質(zhì)量質(zhì)量）：）：HCHO 36.22%，CH3OH 7.9%，H2O 55.82%3.1 物料衡算物料衡算69工業(yè)甲醇工業(yè)甲醇空氣空氣 水水尾氣尾氣反應(yīng)氣體反應(yīng)氣體 福爾馬林福爾馬林吸收塔吸收塔主反應(yīng)主反應(yīng) CH3OH+1/2O2 HCHO+ H2O （1） CH3OH HCHO+ H2 （2）副反應(yīng)副反應(yīng) CH3OH+3/2O2 CO2+ 2H2O （3） CH3OH+ H2 CH4+ 2H2O （4）3.1 物料衡算物料衡算

59、反應(yīng)器70373.70.7993.3mNV空氣2393.373.719.6 mONV2319.6 1022.4875molOn2373.7 1022.43290molNn87532904165moln空氣30.5 1022.4875852.7mol反應(yīng)消耗氧量反應(yīng)消耗氧量 取尾氣取尾氣100 Nm100 Nm3 3為計算基準(zhǔn)，氮作為聯(lián)系物為計算基準(zhǔn)，氮作為聯(lián)系物 其中氧量：其中氧量：換算為摩爾數(shù)：換算為摩爾數(shù)： 反應(yīng)耗氧量：反應(yīng)耗氧量： 3.1 物料衡算物料衡算Nm3：是指在0攝氏度1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的氣體體積。71甲醇消耗量甲醇消耗量反應(yīng)（反應(yīng)（3 3）消耗甲醇量為）消耗甲醇量為 反應(yīng)（反應(yīng)（

60、4 4）消耗甲醇量為）消耗甲醇量為 反應(yīng)（反應(yīng)（2 2）生成的氫，部分消耗于反應(yīng)（）生成的氫，部分消耗于反應(yīng)（4 4），現(xiàn)尾氣中），現(xiàn)尾氣中H H2 2=21%=21%，氫摩，氫摩爾數(shù)為爾數(shù)為 則反應(yīng)（則反應(yīng)（2 2）消耗甲醇量為）消耗甲醇量為 973.5+35.7=1009.2 mol 973.5+35.7=1009.2 mol 反應(yīng)（反應(yīng)（1 1）消耗甲醇量為）消耗甲醇量為（852.7-178.6852.7-178.6* *3/23/2）* *2=1169.6 mol2=1169.6 mol每生成每生成100 Nm100 Nm3 3尾氣時消耗甲醇量為尾氣時消耗甲醇量為 178.6+35.7