第三章物料衡算和能量衡算上課課件

第三章物料衡算和能量衡算上課2022/12/20第三章物料衡算和能量衡算上課第三章物料衡算和能量衡算上課2022/12/14第三章物料衡1主要內(nèi)容物料衡算能量衡算化工模擬軟件在化工設(shè)計(jì)中的應(yīng)用132第三章物料衡算和能量衡算上課主要內(nèi)容物料衡算132第三章物料衡算2物料衡算的目的和意義1、確定主、副產(chǎn)品的產(chǎn)量，原材料的消耗量，生產(chǎn)過(guò)程的物料損耗，各單元設(shè)備的流體流量及其組成以及“三廢”的生成量判斷是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求（產(chǎn)品的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)）。2、作為能量衡算的基礎(chǔ)。3、根據(jù)物料及能量衡算結(jié)果對(duì)生產(chǎn)設(shè)備和生產(chǎn)輔助設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)和選型，對(duì)過(guò)程所需設(shè)備的投資及其可行性進(jìn)行評(píng)價(jià)。第三章物料衡算和能量衡算上課物料衡算的目的和意義1、確定主、副產(chǎn)品的產(chǎn)量，原材料的消耗量33.1物料衡算物料衡算—運(yùn)用質(zhì)量守恒定律，對(duì)化工過(guò)程或設(shè)備進(jìn)行定量計(jì)算。一、物料衡算依據(jù)

1.理論依據(jù)——質(zhì)量守恒定律物料衡算范圍單元操作的物料衡算——化工設(shè)備設(shè)計(jì)的前提化工過(guò)程的物料衡算——化工過(guò)程設(shè)計(jì)的前提第三章物料衡算和能量衡算上課3.1物料衡算物料衡算—運(yùn)用質(zhì)量守恒定律，對(duì)化工過(guò)程或設(shè)4物料衡算的一般表達(dá)式為：

輸入量－輸出量＋生成量－消耗量＝積累量

對(duì)穩(wěn)定操作過(guò)程，積累量=0輸入量-輸出量+生成量-消耗量=0對(duì)無(wú)化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程：輸入量－輸出量＝積累量

對(duì)無(wú)化學(xué)反應(yīng)的穩(wěn)定操作過(guò)程：輸入量＝輸出量

第三章物料衡算和能量衡算上課物料衡算的一般表達(dá)式為：輸入量－輸出量＋生成量－消耗量＝積52.數(shù)據(jù)基礎(chǔ)

(1)技術(shù)方案、操作方法、生產(chǎn)能力、年工作時(shí)。(2)建設(shè)單位或研究單位的要求、設(shè)計(jì)參數(shù)、小試及中試數(shù)據(jù)：化工單元過(guò)程的化學(xué)反應(yīng)式、原料配比、轉(zhuǎn)化率、選擇率、總收率，催化劑狀態(tài)、用量、回收方法、安全性能等；原料及產(chǎn)品的分離方式，分離劑的用量，各步的回收率；特殊化學(xué)品的物性：沸點(diǎn)、熔點(diǎn)、飽和蒸汽壓、閃點(diǎn)等。(3)工藝流程示意圖。第三章物料衡算和能量衡算上課2.數(shù)據(jù)基礎(chǔ)(1)技術(shù)方案、操作方法、生產(chǎn)能力、年工作6二、物料衡算基準(zhǔn)

物料衡算時(shí)須選擇計(jì)算基準(zhǔn)，并在計(jì)算過(guò)程中保持一致。一般計(jì)算過(guò)程的基準(zhǔn)有以下幾種：⑴時(shí)間基準(zhǔn)：連續(xù)（小時(shí)，天……）間歇（釜，批……）⑵質(zhì)量基準(zhǔn)kg，mol，kmol……⑶體積基準(zhǔn)m3（STP）⑷干濕基準(zhǔn)干基（不含水），濕基（含水）例：100kg濕物料，其中含水10kg，按濕基：含水率為10%；若按干基：含水率為10/（100-10）×100%=11.11%實(shí)際計(jì)算時(shí)，必須根據(jù)具體情況選擇合適的基準(zhǔn)，過(guò)程的物料衡算及能量衡算應(yīng)在同一基準(zhǔn)上進(jìn)行。第三章物料衡算和能量衡算上課二、物料衡算基準(zhǔn)物料衡算時(shí)須選擇計(jì)算基準(zhǔn)，并在計(jì)算過(guò)程中保7三、物料衡算的基本程序

(1)確定衡算對(duì)象和范圍，畫出計(jì)算對(duì)象的草圖。注意物料種類和走向，明確輸入和輸出。(2)確定計(jì)算任務(wù)，明確已知項(xiàng)、待求項(xiàng)，選擇數(shù)學(xué)公式，力求使計(jì)算方法簡(jiǎn)化。(3)確定過(guò)程所涉及的組分，并對(duì)所有組分依次編號(hào)。(4)對(duì)物流的流股進(jìn)行編號(hào)，并標(biāo)注物流變量。(5)收集數(shù)據(jù)資料（設(shè)計(jì)任務(wù)所規(guī)定已知條件，與過(guò)程有關(guān)物理化學(xué)參數(shù)）：

生產(chǎn)規(guī)模（設(shè)計(jì)任務(wù)所規(guī)定，t/年）和生產(chǎn)時(shí)間（指全年有效生產(chǎn)天數(shù)300~330天/年，計(jì)約8000h）。有關(guān)定額的技術(shù)指標(biāo)，通常指產(chǎn)品單耗、配料比、循環(huán)比、固液比、氣液比、回流比、利用率、單程收率、回收率等等。第三章物料衡算和能量衡算上課三、物料衡算的基本程序(1)確定衡算對(duì)象和范圍，畫出計(jì)算8原輔材料、產(chǎn)品、中間產(chǎn)品的規(guī)格；與過(guò)程有關(guān)有物理化學(xué)參數(shù)，如臨界參數(shù)、密度或比體積、狀態(tài)方程參數(shù)、蒸汽壓、氣液平衡常數(shù)或平衡關(guān)系等。(6)列出過(guò)程全部獨(dú)立物料平衡方程式及其相關(guān)約束式，對(duì)有化學(xué)反應(yīng)的還要寫出化學(xué)反應(yīng)方程式，指出其轉(zhuǎn)化率和選擇性。約束式分?jǐn)?shù)約束式設(shè)備約束式①進(jìn)料配比為一常數(shù)；②分流器出口物流具有相同的組成；③相平衡常數(shù)；④化學(xué)反應(yīng)平衡常數(shù)；⑤化學(xué)反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率、選擇性或其他限度。第三章物料衡算和能量衡算上課原輔材料、產(chǎn)品、中間產(chǎn)品的規(guī)格；(6)列出過(guò)程全部獨(dú)立物料9①畫出流程示意圖。②列出已知數(shù)據(jù)。③列出由物料平衡所需求解的問(wèn)題。④決定系統(tǒng)的邊界。⑤寫出主、副產(chǎn)品的化學(xué)反應(yīng)方程式。⑥約束條件確定。⑦選擇計(jì)算基準(zhǔn)。⑧進(jìn)行物料平衡計(jì)算。⑨列出物料平衡表，并進(jìn)行校核。⑩寫出結(jié)論。

物料衡算的方法和步驟

第三章物料衡算和能量衡算上課①畫出流程示意圖。物料衡算的方法和步驟第三章物料衡算和能量10一種廢酸，組成為23％(質(zhì)量％)HNO3，57％H2SO4和20％H2O，加入93％的濃H2SO4及90％的濃HNO3

，要求混合成27％HNO3及60％H2SO4的混合酸，計(jì)算所需廢酸及加入濃酸的數(shù)量?；旌掀鲝U酸濃硝酸濃硫酸混合酸第三章物料衡算和能量衡算上課一種廢酸，組成為23％(質(zhì)量％)HNO3，57％H2SO4和11①畫出流程示意圖。②列出已知數(shù)據(jù)。③列出由物料平衡所需求解的問(wèn)題。④決定系統(tǒng)的邊界。⑤寫出主、副產(chǎn)品的化學(xué)反應(yīng)方程式。⑥約束條件確定。⑦選擇計(jì)算基準(zhǔn)。⑧進(jìn)行物料平衡計(jì)算。⑨列出物料平衡表，并進(jìn)行校核。⑩寫出結(jié)論。

物料衡算的方法和步驟

第三章物料衡算和能量衡算上課①畫出流程示意圖。物料衡算的方法和步驟第三章物料衡算和能量12一種廢酸，組成為23％(質(zhì)量％)HNO3，57％H2SO4和20％H2O，加入93％的濃H2SO4及90％的濃HNO3

，要求混合成27％HNO3及60％H2SO4的混合酸，計(jì)算所需廢酸及加入濃酸的數(shù)量?；旌掀鲝U酸濃硝酸HNO3H2O濃硫酸H2SO4H2OHNO3

0.23H2SO4

0.57H2O0.20混合酸HNO3H2SO4H2O0.900.100.930.070.270.600.13第三章物料衡算和能量衡算上課一種廢酸，組成為23％(質(zhì)量％)HNO3，57％H2SO4和13①畫出流程示意圖。②列出已知數(shù)據(jù)。③列出由物料平衡所需求解的問(wèn)題。④決定系統(tǒng)的邊界。⑤寫出主、副產(chǎn)品的化學(xué)反應(yīng)方程式。⑥約束條件確定。⑦選擇計(jì)算基準(zhǔn)。⑧進(jìn)行物料平衡計(jì)算。⑨列出物料平衡表，并進(jìn)行校核。⑩寫出結(jié)論。

物料衡算的方法和步驟

第三章物料衡算和能量衡算上課①畫出流程示意圖。物料衡算的方法和步驟第三章物料衡算和能量14混合器廢酸HNO3

0.23H2SO4

0.57H2O0.20混合酸HNO3H2SO4H2Oykgzkgxkg0.900.100.930.070.270.600.13一種廢酸，組成為23％(質(zhì)量％)HNO3，57％H2SO4和20％H2O，加入93％的濃H2SO4及90％的濃HNO3

，要求混合成27％HNO3及60％H2SO4的混合酸，計(jì)算所需廢酸及加入濃酸的數(shù)量。濃硝酸HNO3H2O濃硫酸H2SO4H2O第三章物料衡算和能量衡算上課混合器廢酸HNO30.23混合酸HNO3ykgzkgxk15①畫出流程示意圖。②列出已知數(shù)據(jù)。③列出由物料平衡所需求解的問(wèn)題。④決定系統(tǒng)的邊界。⑤寫出主、副產(chǎn)品的化學(xué)反應(yīng)方程式。⑥約束條件確定。⑦選擇計(jì)算基準(zhǔn)。⑧進(jìn)行物料平衡計(jì)算。⑨列出物料平衡表，并進(jìn)行校核。⑩寫出結(jié)論。

物料衡算的方法和步驟

第三章物料衡算和能量衡算上課①畫出流程示意圖。物料衡算的方法和步驟第三章物料衡算和能量16一種廢酸，組成為23％(質(zhì)量％)HNO3，57％H2SO4和20％H2O，加入93％的濃H2SO4及90％的濃HNO3

，要求混合成27％HNO3及60％H2SO4的混合酸，計(jì)算所需廢酸及加入濃酸的數(shù)量。混合器廢酸HNO3

0.23H2SO4

0.57H2O0.20混合酸HNO3H2SO4H2Oykgzkgxkg0.900.100.930.070.270.600.13濃硝酸HNO3H2O濃硫酸H2SO4H2O第三章物料衡算和能量衡算上課一種廢酸，組成為23％(質(zhì)量％)HNO3，57％H2SO17①畫出流程示意圖。②列出已知數(shù)據(jù)。③列出由物料平衡所需求解的問(wèn)題。④決定系統(tǒng)的邊界。⑤寫出主、副產(chǎn)品的化學(xué)反應(yīng)方程式。⑥約束條件確定。⑦選擇計(jì)算基準(zhǔn)。⑧進(jìn)行物料平衡計(jì)算。⑨列出物料平衡表，并進(jìn)行校核。⑩寫出結(jié)論。

物料衡算的方法和步驟

第三章物料衡算和能量衡算上課①畫出流程示意圖。物料衡算的方法和步驟第三章物料衡算和能量18基準(zhǔn)：100kg混合酸混合器廢酸HNO3

0.23H2SO4

0.57H2O0.20混合酸HNO3H2SO4H2Oykgzkgxkg0.900.100.930.070.270.600.13濃硝酸HNO3H2O濃硫酸H2SO4H2O第三章物料衡算和能量衡算上課混合器廢酸HNO30.23混合酸HNO3ykgzkgxk19①畫出流程示意圖。②列出已知數(shù)據(jù)。③列出由物料平衡所需求解的問(wèn)題。④決定系統(tǒng)的邊界。⑤寫出主、副產(chǎn)品的化學(xué)反應(yīng)方程式。⑥約束條件確定。⑦選擇計(jì)算基準(zhǔn)。⑧進(jìn)行物料平衡計(jì)算。⑨列出物料平衡表，并進(jìn)行校核。⑩寫出結(jié)論。

物料衡算的方法和步驟

第三章物料衡算和能量衡算上課①畫出流程示意圖。物料衡算的方法和步驟第三章物料衡算和能量20總物料衡算式：

x+y+z=100組分衡算式：H2SO4

0.57x+0.93z=100*0.6=60HNO3

0.23x+0.90y=100*0.27=27解得：x=41.8kg；y=19.2kg；z=39kg混合器廢酸HNO3

0.23H2SO4

0.57H2O0.20混合酸HNO3H2SO4H2Oykgzkgxkg0.900.100.930.070.270.600.13濃硝酸HNO3H2O濃硫酸H2SO4H2O第三章物料衡算和能量衡算上課混合器廢酸HNO30.23混合酸HNO3ykgzkgxk21①畫出流程示意圖。②列出已知數(shù)據(jù)。③列出由物料平衡所需求解的問(wèn)題。④決定系統(tǒng)的邊界。⑤寫出主、副產(chǎn)品的化學(xué)反應(yīng)方程式。⑥約束條件確定。⑦選擇計(jì)算基準(zhǔn)。⑧進(jìn)行物料平衡計(jì)算。⑨列出物料平衡表，并進(jìn)行校核。⑩寫出結(jié)論。

物料衡算的方法和步驟

第三章物料衡算和能量衡算上課①畫出流程示意圖。物料衡算的方法和步驟第三章物料衡算和能量22物料平衡表輸入輸出組分質(zhì)量/kg組分質(zhì)量/kg廢酸廢酸中的硝酸廢酸中的硫酸廢酸中的水濃硝酸濃硝酸中的硝酸濃硝酸中的水濃硫酸濃硫酸中的硫酸濃硫酸中的水總計(jì)41.89.623.88.419.217.281.923936.272.73100混合酸混合酸中的濃硝酸混合酸中的濃硫酸混合酸中的H2O總計(jì)100602713100第三章物料衡算和能量衡算上課物料平衡表輸入輸出組分質(zhì)量/kg組分質(zhì)量/kg廢酸41.8混23校核結(jié)果：依據(jù)水平衡混合器廢酸HNO3

0.23H2SO4

0.57H2O0.20混合酸HNO3H2SO4H2Oykgzkgxkg0.900.100.930.070.270.600.13濃硝酸HNO3H2O濃硫酸H2SO4H2O第三章物料衡算和能量衡算上課混合器廢酸HNO30.23混合酸HNO3ykgzkgxk24①畫出流程示意圖。②列出已知數(shù)據(jù)。③列出由物料平衡所需求解的問(wèn)題。④決定系統(tǒng)的邊界。⑤寫出主、副產(chǎn)品的化學(xué)反應(yīng)方程式。⑥約束條件確定。⑦選擇計(jì)算基準(zhǔn)。⑧進(jìn)行物料平衡計(jì)算。⑨列出物料平衡表，并進(jìn)行校核。⑩寫出結(jié)論。

物料衡算的方法和步驟

第三章物料衡算和能量衡算上課①畫出流程示意圖。物料衡算的方法和步驟第三章物料衡算和能量25

二、無(wú)化學(xué)反應(yīng)的物料衡算一個(gè)設(shè)備簡(jiǎn)單過(guò)程整個(gè)過(guò)程（可簡(jiǎn)化為一個(gè)設(shè)備單元）多單元系統(tǒng)：對(duì)有數(shù)個(gè)單元設(shè)備的系統(tǒng)中的每一個(gè)設(shè)備都要計(jì)算其流量及組成。第三章物料衡算和能量衡算上課二、無(wú)化學(xué)反應(yīng)的物料衡算第三章物料衡算和能量衡算上課26精餾例1：以苯為溶劑，用共沸精餾法分離乙醇－水混合物，制取純乙醇。假定料液混合物含水60%，乙醇40%，在精餾塔餾出液中含苯75%，水24%，其余為醇（組成均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。若要求乙醇生產(chǎn)量為1000kg／h，試計(jì)算精餾中所需的苯量。簡(jiǎn)單過(guò)程第三章物料衡算和能量衡算上課精餾簡(jiǎn)單過(guò)程第三章物料衡算和能量衡算上課27解：畫出流程示意圖?？偽锪掀胶馐剑?/p>

F1＋F2=F3＋F4組分物料平衡式：苯平衡：

F2=0.75F3水平衡：

0.6F1=0.24F3解得

F1=2667kg／h,F2=5000kg／h,F3=6667kg／h校核：依據(jù)醇平衡：0.4F1=0.01F3+F4

左右兩邊相等，結(jié)果準(zhǔn)確。F1？料液F2？苯

F3？餾出液

F4=1000kg/h乙醇產(chǎn)品乙醇40%水60%乙醇1%水24%苯75%第三章物料衡算和能量衡算上課解：畫出流程示意圖。F1？料液F2？苯F328對(duì)系統(tǒng)中的每一個(gè)設(shè)備都要計(jì)算其流量及組成，這種系統(tǒng)就稱為多單元系統(tǒng)。如下圖即為多單元系統(tǒng)12435單元Ⅰ單元Ⅱ多單元系統(tǒng)Fx1，x1’D1xD1，xD1’D2xD2，xD2’W1

xW1xW1’W2xW2，xW2’第三章物料衡算和能量衡算上課對(duì)系統(tǒng)中的每一個(gè)設(shè)備都要計(jì)算其流量及組成，這種系統(tǒng)就稱為多單29結(jié)論：兩單元過(guò)程可處理為：?jiǎn)卧?、單元Ⅱ和總過(guò)程單元可列平衡方程：兩組單元平衡方程式和一組總平衡方程式。其中每一組方程均由S個(gè)獨(dú)立的物料平衡方程式所構(gòu)成。第三章物料衡算和能量衡算上課結(jié)論：第三章物料衡算和能量衡算上課30多單元系統(tǒng)例2：造紙廠的堿回收工段有一個(gè)四效蒸發(fā)器，將造紙廢液（簡(jiǎn)稱黑液）濃縮，供料方式為Ⅲ→Ⅳ→Ⅱ→Ⅰ，蒸發(fā)器的總處理能力為80000kg／h,從含15%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）固形物濃縮到含60%固形物，第Ⅲ效后含17.8%固形物，第Ⅳ效后含22.6%固形物，第Ⅱ效后含31.5%固形物。按以上要求計(jì)算總蒸發(fā)水量和每一效蒸發(fā)器的蒸發(fā)水量。解題思路：畫出流程示意圖→列出已知數(shù)據(jù)→列出待求解數(shù)據(jù)→確定系統(tǒng)的邊界→列衡算式→結(jié)論。第三章物料衡算和能量衡算上課多單元系統(tǒng)例2：造紙廠的堿回收工段有一個(gè)四效蒸發(fā)器，將造31解：畫出流程示意圖，如圖所示。

80000kg/h15%ⅢⅣⅡⅠ蒸汽60%31.5%22.6%17.8%第三章物料衡算和能量衡算上課解：畫出流程示意圖，如圖所示。

80000kg/hⅢⅣⅡⅠ蒸32F進(jìn)X進(jìn)=（F進(jìn)－W）X出式中

F進(jìn)——進(jìn)口料液的流量，kg／h；

X進(jìn)——進(jìn)口料液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；

X出——出口料液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；

W——當(dāng)效的蒸發(fā)水量，kg／h.由上式可以得到

W=F進(jìn)（1－X進(jìn)／X出）則總的蒸發(fā)水量為

W總=80000×（1－15／60）=60000kg／h第三章物料衡算和能量衡算上課F進(jìn)X進(jìn)=（F進(jìn)－W）X出第三章物料衡算和能量衡算上課33第Ⅲ效的蒸發(fā)水量

WⅢ=80000×（1－15／17.8）=12600kg／h第Ⅳ效的蒸發(fā)水量為WⅣ=67400×（1－17.8／22.6）=14300kg／h第Ⅱ效的蒸發(fā)水量為

WⅡ=53100×（1－22.6／31.5）=15000kg／h第Ⅰ效的蒸發(fā)水量為

WⅠ=53100×（1－22.6／31.5）=15000kg／h校核：W總=WⅠ+

WⅡ+

WⅢ+WⅣ結(jié)論：W總=60000kg／h；WⅢ=12600kg／h；WⅣ=14300kg／h；WⅡ=15000kg／h；WⅠ=18100kg／h。第三章物料衡算和能量衡算上課第Ⅲ效的蒸發(fā)水量第三章物料衡算和能量衡算上課341:在過(guò)濾機(jī)中將含有20%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的固體料漿進(jìn)行過(guò)濾，固體料漿的進(jìn)料流量為1000kg∕h，過(guò)濾后濾餅含有90%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的固體，而濾液含有1%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的固體，試計(jì)算濾液和濾餅的流量。

練習(xí)：簡(jiǎn)單過(guò)程第三章物料衡算和能量衡算上課練習(xí)：簡(jiǎn)單過(guò)程第三章物料衡算和能量衡算上課35解：畫出流程示意圖，如圖所示。

過(guò)濾機(jī)料漿

F1=1000kg∕h20%固體80%液體濾液

F2=？kg∕h1%固體99%液體

濾餅

F3=？kg∕h90%固體10%液體

第三章物料衡算和能量衡算上課解：畫出流程示意圖，如圖所示。過(guò)濾機(jī)料漿F1=1000k36總平衡式輸入的料漿=輸出的濾液+輸出的濾餅F1=F2＋F3液體平衡式料漿中的液體=濾液中的液體＋濾餅中的液體F1X11=F2X21＋F3X31代入已知數(shù)據(jù)，得方程式

1000=

F2＋F3

0.8×1000=0.99F2＋0.10F3解方程式得：F2=786.5kg／hF3=213.5kg／h固體平衡式校核：0.2×1000=0.01×786.5＋0.9×213.5平衡式兩邊相等，故答案正確。第三章物料衡算和能量衡算上課總平衡式輸入的料漿=輸出的濾液+輸出的濾餅第三章37

三、反應(yīng)過(guò)程的物料衡算理論消耗量：只和化學(xué)反應(yīng)有關(guān)原材料的消耗定額實(shí)際消耗量：極少等于理論量衡量實(shí)際消耗量和理論消耗量差別的指標(biāo)：轉(zhuǎn)化率、選擇性、收率、限制反應(yīng)物、過(guò)量反應(yīng)物。第三章物料衡算和能量衡算上課三、反應(yīng)過(guò)程的物料衡算第三章物料衡算和能量衡算上課38

1、轉(zhuǎn)化率（x）

轉(zhuǎn)化率：原料中某一反應(yīng)物轉(zhuǎn)化掉的量（摩爾）與初始反應(yīng)物的量（摩爾）的比值，它是化學(xué)反應(yīng)進(jìn)程的一個(gè)標(biāo)志。單程轉(zhuǎn)化率=×100％總轉(zhuǎn)化率=×100％可簡(jiǎn)寫成

轉(zhuǎn)化率=×100％

數(shù)學(xué)表達(dá)式為:=

第三章物料衡算和能量衡算上課1、轉(zhuǎn)化率（x）轉(zhuǎn)化率：原料中某一反應(yīng)物轉(zhuǎn)化掉的量（39

2、選擇性（β）選擇性：當(dāng)同一種原料可以轉(zhuǎn)化為幾種產(chǎn)物，即同時(shí)存在主反應(yīng)和副反應(yīng)時(shí)，選擇性表示實(shí)際轉(zhuǎn)化為目的產(chǎn)物的原料的量（摩爾）與被轉(zhuǎn)化掉的原料的量（摩爾）的比值。選擇性=×100％數(shù)學(xué)表達(dá)式為:β=

第三章物料衡算和能量衡算上課2、選擇性（β）選擇性：當(dāng)同一種原料可以轉(zhuǎn)化為幾種產(chǎn)物40

3、收率（Ψ）收率：原料轉(zhuǎn)化為目的產(chǎn)物的量（摩爾）與進(jìn)反應(yīng)系統(tǒng)的初始量（摩爾）的比值。

收率=

數(shù)學(xué)表達(dá)式為:Ψ=

收率=轉(zhuǎn)化率×選擇性

Ψ=β第三章物料衡算和能量衡算上課3、收率（Ψ）收率：原料轉(zhuǎn)化為目的產(chǎn)物的量（摩爾）與進(jìn)41

4、限制反應(yīng)物與過(guò)量反應(yīng)物限制反應(yīng)物：在參與反應(yīng)的反應(yīng)物中，以最小化學(xué)計(jì)量存在的反應(yīng)物為限制反應(yīng)物。過(guò)量反應(yīng)物：在參與反應(yīng)的反應(yīng)物中，超過(guò)化學(xué)計(jì)量的反應(yīng)物為過(guò)量反應(yīng)物。反應(yīng)物的過(guò)量程度，通常以過(guò)量百分?jǐn)?shù)來(lái)表示，即

過(guò)量程度=×100％第三章物料衡算和能量衡算上課4、限制反應(yīng)物與過(guò)量反應(yīng)物限制反應(yīng)物：在參與反應(yīng)的反應(yīng)42

練習(xí)（轉(zhuǎn)化率、選擇性、收率的計(jì)算）

例：已知丙烯氧化法生產(chǎn)丙烯醛的一段反應(yīng)器，原料丙烯投料量為600kg/h，出料中有丙烯醛640kg/h，另有未反應(yīng)的丙烯25kg/h，試計(jì)算原料丙烯的轉(zhuǎn)化率、選擇性及丙烯醛的收率。一段反應(yīng)器丙烯600kg/h丙烯25kg/h丙烯醛640kg/h解：丙烯氧化生成丙烯醛的化學(xué)反應(yīng)方程式：第三章物料衡算和能量衡算上課練習(xí)（轉(zhuǎn)化率、選擇性、收率的計(jì)算）例：43丙烯的轉(zhuǎn)化率：丙烯醛的收率：丙烯的選擇性：第三章物料衡算和能量衡算上課丙烯的轉(zhuǎn)化率：丙烯醛的收率：丙烯的選擇性：第三章物44①直接計(jì)算法。有些化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的物料衡算，有時(shí)只含一個(gè)未知量或組成，這類問(wèn)題比較簡(jiǎn)單，通?？筛鶕?jù)化學(xué)反應(yīng)式直接求解，不必列出衡算式。②元素平衡。

③利用反應(yīng)速率進(jìn)行物料衡算。④以節(jié)點(diǎn)進(jìn)行衡算。

反應(yīng)過(guò)程的物料衡算計(jì)算方法第三章物料衡算和能量衡算上課①直接計(jì)算法。有些化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的物料衡算，有時(shí)只含一個(gè)未知量45例3-1：甲醇氧化制甲醛，其反應(yīng)過(guò)程為

CH3OH+1/2O2HCHO+H2O反應(yīng)物及生成物均為氣態(tài)。甲醇的轉(zhuǎn)化率為75%，若使用50%的過(guò)量空氣，試計(jì)算反應(yīng)后氣體混合物的摩爾組成。

催化反應(yīng)器CH3OH

空氣（過(guò)量50%）HCHOH2OCH3OH

O2

N2解：畫出流程示意圖，如圖所示。

一、直接推算法第三章物料衡算和能量衡算上課例3-1：甲醇氧化制甲醛，其反應(yīng)過(guò)程為催化反應(yīng)器CH3OH46基準(zhǔn)：1molCH3OH

O2的量（需要）=0.5molO2的量（輸入）=1.5x0.5=0.75molN2的量（輸入）=N2的量（輸出）=0.75x(79/21)=2.82molCH3OH為限制反應(yīng)物，反應(yīng)的CH3OH量=0.75x1=0.75mol因此，HCHO的量（輸出）=0.75molCH3OH的量（輸出）=1-0.75=0.25molO2的量（輸出）=0.75-0.75x0.5=0.375molH2O的量（輸出）=0.75mol

CH3OH+1/2O2HCHO+H2O第三章物料衡算和能量衡算上課基準(zhǔn)：1molCH3OHCH3OH+1/2O247計(jì)算結(jié)果如表所示：組分物質(zhì)的量/mol摩爾分?jǐn)?shù)/%CH3OHHCHOH2OO2N2總計(jì)0.2500.7500.7500.3752.8204.9455.015.215.27.657.0100.0第三章物料衡算和能量衡算上課計(jì)算結(jié)果如表所示：組分物質(zhì)的量/mol摩爾分?jǐn)?shù)/%CH3OH48第三章物料衡算與能量衡算反應(yīng)器C6H5C2H5C6H5CH3、H2OC6H5C2H5、C6H6、C6H5CH3、C6H5C2H3H2O、CH4、C2H4、C、H2例3-2苯乙烯的反應(yīng)器，年生產(chǎn)能力為10000t，年工作時(shí)間為8000h，苯乙烯收率為40%，以反應(yīng)物乙苯計(jì)的苯乙烯選擇性為90%，苯選擇性為3%，甲苯選擇性為5%，焦油選擇性為2%。原料乙苯中含甲苯2%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），反應(yīng)時(shí)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1:1.5（質(zhì)量比），要求對(duì)該反應(yīng)器進(jìn)行物料衡算，即計(jì)算進(jìn)出反應(yīng)器各物料的流量。第三章物料衡算和能量衡算上課第三章物料衡算與能量衡算反應(yīng)器C6H5C2H5C6H5C49解：反應(yīng)器中發(fā)生了以下化學(xué)反應(yīng)：C6H5C2H5C6H5C2H3+H2（1）C6H5C2H5+H2C6H5CH3+CH4（2）

C6H5C2H5C2H4+C6H6（3）

C6H5C2H57C+3H2+CH4（4）各物料的摩爾質(zhì)量匯總列于表3-1。第三章物料衡算和能量衡算上課解：反應(yīng)器中發(fā)生了以下化學(xué)反應(yīng)：第三章物料衡算和能量衡算上課50物料C6H5C2H5C6H5C2H3C6H6C6H5CH3H2OCH4C2H4CH2摩爾質(zhì)量/(g/mol)1061047892181628122表3-1各物料的摩爾質(zhì)量（基準(zhǔn)：1000kg/h乙苯原料）基準(zhǔn)：選1000kg/h乙苯原料為計(jì)算基準(zhǔn)第三章物料衡算和能量衡算上課物料C6H5C2H5C6H5C2H3C6H6C6H5CH3H51進(jìn)反應(yīng)器純乙苯量1000kg/h×98%=980kg/h，即為9.245kmol/h原料中甲苯量1000kg/h×2%=20kg/h，即為0.217kmol/h水蒸氣量980kg/h×1.5=1470kg/h，即為81.667kmol/h乙苯的轉(zhuǎn)化率為0.4/0.9=0.4444參加反應(yīng)的總乙苯量980kg/h×0.4444=435.11kg/h，即為4.109kmol/h第三章物料衡算和能量衡算上課進(jìn)反應(yīng)器純乙苯量1000kg/h×98%=980kg/h，即52產(chǎn)物中各組分情況如下：未反應(yīng)的乙苯量（980-435.11）kg/h=544.89kg/h，即為5.140kmol/h由苯乙烯選擇性，生成苯乙烯量4.109kmol/h×90%=3.698kmol/h，即為384.60kg/h由各物質(zhì)的選擇性，有輸出的甲苯量4.109kmol/h×5%+0.217kmol/h=0.423kmol/h，即為38.92kg/h生成的苯量4.109kmol/h×3%=0.123kmol/h，即為9.60kg/h生成的乙烯量4.109kmol/h×3%=0.123kmol/h，即為3.44kg/h生成的碳量4.109kmol/h×2%×7=0.575kmol/h，即為6.9kg/h生成的甲烷量4.109kmol/h×（5%+2%）=0.288kmol/h，即為4.61kg/h輸出的氫量4.109kmol/h×（90%-5%+2%×3）=3.739kmol/h，即為7.48kg/h輸出水量=輸入水量（不參與反應(yīng)）1470kg/h，即為81.667kmol/h實(shí)際每小時(shí)要求苯乙烯的產(chǎn)量10000×1000kg/8000h=1250kg/h比例系數(shù)1250/384.60=3.25第三章物料衡算和能量衡算上課產(chǎn)物中各組分情況如下：第三章物料衡算和能量衡算上課53表3-2乙苯脫氫反應(yīng)器物料衡算表組分輸入輸出摩爾流量/(kmol/h)質(zhì)量流量/(kg/h)摩爾流量/(kmol/h)質(zhì)量流量/(kg/h)C6H5C2H530.046318516.7051770.89C6H5CH30.705651.375126.49H2O265.4184777.5265.4184777.5C6H5C2H312.0191249.95C6H60.00431.20C2H40.00411.18CH40.93614.98C1.86922.43H212.15224.31合計(jì)296.1698027.5310.4828028.93第三章物料衡算和能量衡算上課表3-2乙苯脫氫反應(yīng)器物料衡算表組分輸入輸54第三章物料衡算與能量衡算二、原子平衡法例3-3將碳酸鈉溶液加入石灰進(jìn)行苛化，已知碳酸鈉溶液組成為NaOH0.59%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），Na2CO314.88%，H2O84.53%，反應(yīng)后的苛化液含CaCO313.48%，Ca(OH)20.28%，Na2CO30.61%，NaOH10.36%，H2O75.27%。計(jì)算：1）每100kg苛化液需加石灰的質(zhì)量及石灰的組成；2）每100kg苛化液需用碳酸鈉溶液的質(zhì)量。苛化反應(yīng)器FNaOH0.59%Na2CO314.88%H2O84.53%CaCO313.48%Ca(OH)20.28%Na2CO30.61%NaOH10.36%H2O75.27%CaCO3x/WCaOy/WCa(OH)2z/W第三章物料衡算和能量衡算上課第三章物料衡算與能量衡算二、原子平衡法例3-3將碳酸鈉55第三章物料衡算與能量衡算解:設(shè)碳酸鈉溶液的質(zhì)量為F（kg）

石灰的質(zhì)量為W（kg）石灰中CaCO3、CaO及Ca(OH)2的質(zhì)量分別設(shè)為x、y和z，則石灰中各物質(zhì)的組成可表示為：x/W，y/W，z/W基準(zhǔn)：100kg苛化液畫出物料流程示意圖（圖3-2）第三章物料衡算和能量衡算上課第三章物料衡算與能量衡算解:設(shè)碳酸鈉溶液的質(zhì)量為F（k56表3-3各種物料質(zhì)量和物質(zhì)的量計(jì)算結(jié)果Na2CO3溶液中苛化鈉溶液中物料摩爾質(zhì)量（g/mol）質(zhì)量（kg）物質(zhì)的量（kmol）物料摩爾質(zhì)量（g/mol）質(zhì)量（kg）物質(zhì)的量（kmol）NaOH400.59%F0.000148FNaOH4010.360.2590Na2CO310614.88%F0.001404FNa2CO31060.610.00575H2O1884.53%F0.04696FH2O1875.274.18Ca(OH)2740.280.00377CaCO310013.480.1347第三章物料衡算和能量衡算上課表3-3各種物料質(zhì)量和物質(zhì)的量計(jì)算結(jié)果Na2CO3溶液中苛57列元素平衡式Na平衡：0.000148F+0.001404F×2=（0.00575×2+0.2590）kmolC平衡：

Ca平衡：

總物料平衡：F+W=100kg/mol石灰總量等于各物質(zhì)質(zhì)量之和W=x+y+z計(jì)算結(jié)果匯總列入表3-4第三章物料衡算和能量衡算上課列元素平衡式第三章物料衡算和能量衡算上課58表3-4計(jì)算結(jié)果匯總組分輸入輸出物質(zhì)的量/kmol質(zhì)量/kg物質(zhì)的量/kmol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(jì)296.1691004.5875100第三章物料衡算和能量衡算上課表3-4計(jì)算結(jié)果匯總組分輸入輸出物質(zhì)的量59試計(jì)算合成甲醇過(guò)程中反應(yīng)混合物的平衡組成。設(shè)原料氣中H2與CO摩爾比為4.5：1.0，惰性組分含量為13.8%，壓力為30MPa，溫度為365攝氏度，平衡常數(shù)Kp=2.505*10-3MPa-2

三、平衡常數(shù)法第三章物料衡算和能量衡算上課試計(jì)算合成甲醇過(guò)程中反應(yīng)混合物的平衡組成。設(shè)原料氣中H2與C60物質(zhì)C的質(zhì)量（摩爾）生成速率:在以物質(zhì)的量（摩爾）或質(zhì)量進(jìn)行衡算時(shí)，由于發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，將輸入與輸出速率之差Rc

稱為物質(zhì)C的質(zhì)量（摩爾）生成速率.即Rc=Fc輸出—Fc輸入物料衡算式：Fc輸出=Fc輸入+Rc

⑴

aA+bB==cC+dD

反應(yīng)速率r可定義為：r=Rc/σcc=1.2...,n（σc表示物質(zhì)C的化學(xué)計(jì)量系數(shù)）任一物質(zhì)C的生成速率：Rc=σcrc=1,2......n

⑵因此，物質(zhì)的摩爾平衡方程式可寫成：Fc輸出=Fc輸入+σcr

三、利用反應(yīng)速率進(jìn)行物料衡算第三章物料衡算和能量衡算上課物質(zhì)C的質(zhì)量（摩爾）生成速率:在以物質(zhì)的量（摩爾）或質(zhì)量進(jìn)行61例4-6：合成氨原料氣中的CO通過(guò)變換反應(yīng)器而除去，如圖4-6所示。在反應(yīng)器1中CO大部分轉(zhuǎn)化，在反應(yīng)器2中完全脫去。原料氣由發(fā)生爐煤氣（78%N2，20%CO,2%CO2),均為體積分?jǐn)?shù)，下同）和水煤氣（50%H2，50%CO）混合而成，在反應(yīng)器中與水蒸氣流速發(fā)生反應(yīng)：CO+H2OCO2+H2，最后得到的物流中H2與N2之比為3:1，假定水蒸氣流率是原料氣總量（干基）的2倍，同時(shí)反應(yīng)器1中CO的轉(zhuǎn)化率為80%，試計(jì)算中間物流4的組成。

第三章物料衡算和能量衡算上課例4-6：合成氨原料氣中的CO通過(guò)變換反應(yīng)器而除去，如圖4-62解：畫出流程示意圖反應(yīng)器1

F1N278%CO20%CO22%

反應(yīng)器2F2H250%CO50%F3

H2O

F4

N2H2COCO2H2OF5

N2H2CO2H2O第三章物料衡算和能量衡算上課解：畫出流程示意圖反應(yīng)器1F1反應(yīng)器2F2F363節(jié)點(diǎn)：在工藝流程的計(jì)算中，以流程中某一點(diǎn)的匯集或分支出的交合。

④以節(jié)點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算●分流A分流C分流B●分流A分流C分流B節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)第三章物料衡算和能量衡算上課節(jié)點(diǎn)：在工藝流程的計(jì)算中，以流程中某一點(diǎn)的匯集或分支出的交合64【例4—8】某廠用烴類氣體轉(zhuǎn)化制合成氣生產(chǎn)甲醇，合成氣體體積為2321m3（STP)/h，CO與H2的物質(zhì)的量比為1;2:4。但是由于轉(zhuǎn)化后的氣體體積組成為CO43.12%、H54.2%,不符合要求，為此需將部分轉(zhuǎn)化氣送去變換反應(yīng)器，變換后氣體體積分?jǐn)?shù)為CO8.76%、H289.75%,此氣體經(jīng)脫CO2后體積減少2%。用此變換氣去調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)化氣，使其達(dá)到合成甲醇原料氣的要求，其原料氣中CO與H2的含量為98%，試計(jì)算轉(zhuǎn)化氣、變換氣各為多少。第三章物料衡算和能量衡算上課【例4—8】某廠用烴類氣體轉(zhuǎn)化制合成氣生產(chǎn)甲醇，合成氣體體65解：畫出流程示意圖如圖所示。CO變換CO2脫除●●V0V2V1V3V4轉(zhuǎn)化氣CO43.12%H254.2%CO8.76%變換氣H289.75%CO2

轉(zhuǎn)化氣CO8.99%H291.11%AB第三章物料衡算和能量衡算上課解：畫出流程示意圖如圖所示。CO變換CO2脫除●66四、過(guò)程的物料衡算（一）循環(huán)過(guò)程：流體返回（循環(huán)）到前一級(jí)【例4-9】丙烷在催化反應(yīng)器中脫氫聲成丙烯，丙烷的總轉(zhuǎn)化率為95％，反應(yīng)生成物經(jīng)分離器分成產(chǎn)品和循環(huán)物料，產(chǎn)品中含有C3H8,C3H6,H2,其中C3H8的量為反應(yīng)器混合物中未反應(yīng)C3H8的0.5％，循環(huán)物料中含有C3H8,C3H6，其中C3H6的量是產(chǎn)品物料中C3H6的5％。試計(jì)算產(chǎn)品組成、循環(huán)物料和單程轉(zhuǎn)化率。第三章物料衡算和能量衡算上課四、過(guò)程的物料衡算（一）循環(huán)過(guò)程：流體返回（循環(huán)）到前67反應(yīng)器冷凝器C3H8C3H6產(chǎn)物C3H8C3H6H2化學(xué)反應(yīng)式為C3H8→C3H6+H2混合器第三章物料衡算和能量衡算上課反應(yīng)器冷凝器C3H8C3H6產(chǎn)物化學(xué)反應(yīng)式為+H2混合器第三68【例4-10】苯直接加H2轉(zhuǎn)化為環(huán)己烷，產(chǎn)量為100kmol/h。輸入系統(tǒng)中的苯有99%反應(yīng)生成環(huán)己烷，進(jìn)入反應(yīng)器物流的組成為80%H2和20%C6H6（摩爾分?jǐn)?shù),下同），產(chǎn)物物流中含有3%的H2.流程示意圖見(jiàn)圖4-10。試計(jì)算：①產(chǎn)物物流的組成；②H2和C6H6的進(jìn)料速率；③H2的循環(huán)速率。

第三章物料衡算和能量衡算上課【例4-10】苯直接加H2轉(zhuǎn)化為環(huán)己烷，產(chǎn)量為100km69反應(yīng)器冷凝器新鮮H2純C6H680%H220%C6H6產(chǎn)物3%H2

化學(xué)反應(yīng)式為C6H6+3H2→C6H12苯轉(zhuǎn)化了99%第三章物料衡算和能量衡算上課反應(yīng)器冷凝器新鮮H2純C6H680%H2產(chǎn)物化學(xué)反應(yīng)式為苯轉(zhuǎn)70（二）馳放過(guò)程在工業(yè)上，為了使循環(huán)系統(tǒng)中的惰性氣保持在一定濃度，就需要將一部分循環(huán)氣排放出去，這種排放稱為馳放過(guò)程。在馳放過(guò)程中，穩(wěn)態(tài)條件是

弛放時(shí)惰性氣體排出量=系統(tǒng)惰性氣體的進(jìn)料量弛放物流中任一組分的濃度與進(jìn)料弛放那一點(diǎn)的循環(huán)物流濃度相同。因此，所需的弛放速度可由下式?jīng)Q定：

料液流速×料液中惰性氣體濃度=弛放物流速率×指定循環(huán)流中惰性氣體濃度

第三章物料衡算和能量衡算上課（二）馳放過(guò)程在工業(yè)上，為了使循環(huán)系統(tǒng)中的惰性氣保持在一定濃71【例4-11】

由氫氣和氮?dú)馍a(chǎn)合成氨時(shí)，原料氣中含有一定量的惰性氣體，如氬和甲烷。為了防止循環(huán)氫、氮?dú)庵卸栊詺怏w的積累，因而需設(shè)置的弛放裝置，如圖所示。假定原料氣的組成為：N224.75%，H274.25%，惰性氣體1.00%；N2的單程轉(zhuǎn)化率為25%；循環(huán)物流中惰性氣體為12.5%，用表示，NH3為3.75%（以上組成均值摩爾分?jǐn)?shù)）。試計(jì)算：①氮?dú)獾目傓D(zhuǎn)化率；②弛放氣與原料氣的摩爾比；③循環(huán)物流量與原料氣的摩爾比。

第三章物料衡算和能量衡算上課【例4-11】由氫氣和氮?dú)馍a(chǎn)合成氨時(shí)，原料氣中含有一定72反應(yīng)器冷凝器F1F2F4循環(huán)R弛放12.5%惰性氣體液氨第三章物料衡算和能量衡算上課反應(yīng)器冷凝器F1F2F4循環(huán)R弛放液氨第三章物料衡731、物料衡算的方法和步驟2、無(wú)化學(xué)反應(yīng)的物料衡算——簡(jiǎn)單過(guò)程、多單元系統(tǒng)3、反應(yīng)過(guò)程的物料衡算

4、過(guò)程的物料衡算

小結(jié)第三章物料衡算和能量衡算上課1、物料衡算的方法和步驟小結(jié)第三章物料衡算和能量衡算上課741、需要制備富氧濕空氣。把空氣、純氧和水通入蒸發(fā)室，水在蒸發(fā)室汽化。出蒸發(fā)室的氣體經(jīng)分析含1.5％（mol%）H2O。水的流量為0.0012m3/h，純氧的流量（千摩爾/時(shí)）為空氣流量（千摩爾/時(shí)）的1/5，計(jì)算所有的未知量及組成。

2、有兩個(gè)蒸餾塔（Ⅰ、Ⅱ）的分離裝置，將含50%苯、30%甲苯和20%（摩爾分?jǐn)?shù)）二甲苯的混合物分成較純的三個(gè)餾份，塔Ⅰ的餾出液摩爾分?jǐn)?shù)分別為95%苯、3%甲苯和2%二甲苯，塔Ⅱ的餾出液摩爾分?jǐn)?shù)分別為3%苯、95%甲苯和2%二甲苯，塔Ⅱ釜?dú)堃耗柗謹(jǐn)?shù)分別為0.45%苯、43%甲苯和56.55%二甲苯，計(jì)算蒸餾1000mol/h原料所得各流股的量及進(jìn)塔Ⅱ物料的組成。

作業(yè)第三章物料衡算和能量衡算上課1、需要制備富氧濕空氣。把空氣、純氧和水通入蒸發(fā)室，水在蒸發(fā)75第三章物料衡算和能量衡算上課第三章物料衡算和能量衡算上課76第三章物料衡算和能量衡算上課第三章物料衡算和能量衡算上課77順酐的選擇性：S=Y/x＝(3.49%)/(96.82%)=3.6%3.23%第三章物料衡算和能量衡算上課順酐的選擇性：3.23%第三章物料衡算和能量衡算上課78演講完畢，謝謝聽(tīng)講!再見(jiàn)，seeyouagain3rew2022/12/20第三章物料衡算和能量衡算上課演講完畢，謝謝聽(tīng)講!再見(jiàn)，seeyouagain3rew79第三章物料衡算和能量衡算上課2022/12/20第三章物料衡算和能量衡算上課第三章物料衡算和能量衡算上課2022/12/14第三章物料衡80主要內(nèi)容物料衡算能量衡算化工模擬軟件在化工設(shè)計(jì)中的應(yīng)用132第三章物料衡算和能量衡算上課主要內(nèi)容物料衡算132第三章物料衡算81物料衡算的目的和意義1、確定主、副產(chǎn)品的產(chǎn)量，原材料的消耗量，生產(chǎn)過(guò)程的物料損耗，各單元設(shè)備的流體流量及其組成以及“三廢”的生成量判斷是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求（產(chǎn)品的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)）。2、作為能量衡算的基礎(chǔ)。3、根據(jù)物料及能量衡算結(jié)果對(duì)生產(chǎn)設(shè)備和生產(chǎn)輔助設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)和選型，對(duì)過(guò)程所需設(shè)備的投資及其可行性進(jìn)行評(píng)價(jià)。第三章物料衡算和能量衡算上課物料衡算的目的和意義1、確定主、副產(chǎn)品的產(chǎn)量，原材料的消耗量823.1物料衡算物料衡算—運(yùn)用質(zhì)量守恒定律，對(duì)化工過(guò)程或設(shè)備進(jìn)行定量計(jì)算。一、物料衡算依據(jù)

1.理論依據(jù)——質(zhì)量守恒定律物料衡算范圍單元操作的物料衡算——化工設(shè)備設(shè)計(jì)的前提化工過(guò)程的物料衡算——化工過(guò)程設(shè)計(jì)的前提第三章物料衡算和能量衡算上課3.1物料衡算物料衡算—運(yùn)用質(zhì)量守恒定律，對(duì)化工過(guò)程或設(shè)83物料衡算的一般表達(dá)式為：

輸入量－輸出量＋生成量－消耗量＝積累量

對(duì)穩(wěn)定操作過(guò)程，積累量=0輸入量-輸出量+生成量-消耗量=0對(duì)無(wú)化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程：輸入量－輸出量＝積累量

對(duì)無(wú)化學(xué)反應(yīng)的穩(wěn)定操作過(guò)程：輸入量＝輸出量

第三章物料衡算和能量衡算上課物料衡算的一般表達(dá)式為：輸入量－輸出量＋生成量－消耗量＝積842.數(shù)據(jù)基礎(chǔ)

(1)技術(shù)方案、操作方法、生產(chǎn)能力、年工作時(shí)。(2)建設(shè)單位或研究單位的要求、設(shè)計(jì)參數(shù)、小試及中試數(shù)據(jù)：化工單元過(guò)程的化學(xué)反應(yīng)式、原料配比、轉(zhuǎn)化率、選擇率、總收率，催化劑狀態(tài)、用量、回收方法、安全性能等；原料及產(chǎn)品的分離方式，分離劑的用量，各步的回收率；特殊化學(xué)品的物性：沸點(diǎn)、熔點(diǎn)、飽和蒸汽壓、閃點(diǎn)等。(3)工藝流程示意圖。第三章物料衡算和能量衡算上課2.數(shù)據(jù)基礎(chǔ)(1)技術(shù)方案、操作方法、生產(chǎn)能力、年工作85二、物料衡算基準(zhǔn)

物料衡算時(shí)須選擇計(jì)算基準(zhǔn)，并在計(jì)算過(guò)程中保持一致。一般計(jì)算過(guò)程的基準(zhǔn)有以下幾種：⑴時(shí)間基準(zhǔn)：連續(xù)（小時(shí)，天……）間歇（釜，批……）⑵質(zhì)量基準(zhǔn)kg，mol，kmol……⑶體積基準(zhǔn)m3（STP）⑷干濕基準(zhǔn)干基（不含水），濕基（含水）例：100kg濕物料，其中含水10kg，按濕基：含水率為10%；若按干基：含水率為10/（100-10）×100%=11.11%實(shí)際計(jì)算時(shí)，必須根據(jù)具體情況選擇合適的基準(zhǔn)，過(guò)程的物料衡算及能量衡算應(yīng)在同一基準(zhǔn)上進(jìn)行。第三章物料衡算和能量衡算上課二、物料衡算基準(zhǔn)物料衡算時(shí)須選擇計(jì)算基準(zhǔn)，并在計(jì)算過(guò)程中保86三、物料衡算的基本程序

(1)確定衡算對(duì)象和范圍，畫出計(jì)算對(duì)象的草圖。注意物料種類和走向，明確輸入和輸出。(2)確定計(jì)算任務(wù)，明確已知項(xiàng)、待求項(xiàng)，選擇數(shù)學(xué)公式，力求使計(jì)算方法簡(jiǎn)化。(3)確定過(guò)程所涉及的組分，并對(duì)所有組分依次編號(hào)。(4)對(duì)物流的流股進(jìn)行編號(hào)，并標(biāo)注物流變量。(5)收集數(shù)據(jù)資料（設(shè)計(jì)任務(wù)所規(guī)定已知條件，與過(guò)程有關(guān)物理化學(xué)參數(shù)）：

生產(chǎn)規(guī)模（設(shè)計(jì)任務(wù)所規(guī)定，t/年）和生產(chǎn)時(shí)間（指全年有效生產(chǎn)天數(shù)300~330天/年，計(jì)約8000h）。有關(guān)定額的技術(shù)指標(biāo)，通常指產(chǎn)品單耗、配料比、循環(huán)比、固液比、氣液比、回流比、利用率、單程收率、回收率等等。第三章物料衡算和能量衡算上課三、物料衡算的基本程序(1)確定衡算對(duì)象和范圍，畫出計(jì)算87原輔材料、產(chǎn)品、中間產(chǎn)品的規(guī)格；與過(guò)程有關(guān)有物理化學(xué)參數(shù)，如臨界參數(shù)、密度或比體積、狀態(tài)方程參數(shù)、蒸汽壓、氣液平衡常數(shù)或平衡關(guān)系等。(6)列出過(guò)程全部獨(dú)立物料平衡方程式及其相關(guān)約束式，對(duì)有化學(xué)反應(yīng)的還要寫出化學(xué)反應(yīng)方程式，指出其轉(zhuǎn)化率和選擇性。約束式分?jǐn)?shù)約束式設(shè)備約束式①進(jìn)料配比為一常數(shù)；②分流器出口物流具有相同的組成；③相平衡常數(shù)；④化學(xué)反應(yīng)平衡常數(shù)；⑤化學(xué)反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率、選擇性或其他限度。第三章物料衡算和能量衡算上課原輔材料、產(chǎn)品、中間產(chǎn)品的規(guī)格；(6)列出過(guò)程全部獨(dú)立物料88①畫出流程示意圖。②列出已知數(shù)據(jù)。③列出由物料平衡所需求解的問(wèn)題。④決定系統(tǒng)的邊界。⑤寫出主、副產(chǎn)品的化學(xué)反應(yīng)方程式。⑥約束條件確定。⑦選擇計(jì)算基準(zhǔn)。⑧進(jìn)行物料平衡計(jì)算。⑨列出物料平衡表，并進(jìn)行校核。⑩寫出結(jié)論。

物料衡算的方法和步驟

第三章物料衡算和能量衡算上課①畫出流程示意圖。物料衡算的方法和步驟第三章物料衡算和能量89一種廢酸，組成為23％(質(zhì)量％)HNO3，57％H2SO4和20％H2O，加入93％的濃H2SO4及90％的濃HNO3

，要求混合成27％HNO3及60％H2SO4的混合酸，計(jì)算所需廢酸及加入濃酸的數(shù)量?；旌掀鲝U酸濃硝酸濃硫酸混合酸第三章物料衡算和能量衡算上課一種廢酸，組成為23％(質(zhì)量％)HNO3，57％H2SO4和90①畫出流程示意圖。②列出已知數(shù)據(jù)。③列出由物料平衡所需求解的問(wèn)題。④決定系統(tǒng)的邊界。⑤寫出主、副產(chǎn)品的化學(xué)反應(yīng)方程式。⑥約束條件確定。⑦選擇計(jì)算基準(zhǔn)。⑧進(jìn)行物料平衡計(jì)算。⑨列出物料平衡表，并進(jìn)行校核。⑩寫出結(jié)論。

物料衡算的方法和步驟

第三章物料衡算和能量衡算上課①畫出流程示意圖。物料衡算的方法和步驟第三章物料衡算和能量91一種廢酸，組成為23％(質(zhì)量％)HNO3，57％H2SO4和20％H2O，加入93％的濃H2SO4及90％的濃HNO3

，要求混合成27％HNO3及60％H2SO4的混合酸，計(jì)算所需廢酸及加入濃酸的數(shù)量?；旌掀鲝U酸濃硝酸HNO3H2O濃硫酸H2SO4H2OHNO3

0.23H2SO4

0.57H2O0.20混合酸HNO3H2SO4H2O0.900.100.930.070.270.600.13第三章物料衡算和能量衡算上課一種廢酸，組成為23％(質(zhì)量％)HNO3，57％H2SO4和92①畫出流程示意圖。②列出已知數(shù)據(jù)。③列出由物料平衡所需求解的問(wèn)題。④決定系統(tǒng)的邊界。⑤寫出主、副產(chǎn)品的化學(xué)反應(yīng)方程式。⑥約束條件確定。⑦選擇計(jì)算基準(zhǔn)。⑧進(jìn)行物料平衡計(jì)算。⑨列出物料平衡表，并進(jìn)行校核。⑩寫出結(jié)論。

物料衡算的方法和步驟

第三章物料衡算和能量衡算上課①畫出流程示意圖。物料衡算的方法和步驟第三章物料衡算和能量93混合器廢酸HNO3

0.23H2SO4

0.57H2O0.20混合酸HNO3H2SO4H2Oykgzkgxkg0.900.100.930.070.270.600.13一種廢酸，組成為23％(質(zhì)量％)HNO3，57％H2SO4和20％H2O，加入93％的濃H2SO4及90％的濃HNO3

，要求混合成27％HNO3及60％H2SO4的混合酸，計(jì)算所需廢酸及加入濃酸的數(shù)量。濃硝酸HNO3H2O濃硫酸H2SO4H2O第三章物料衡算和能量衡算上課混合器廢酸HNO30.23混合酸HNO3ykgzkgxk94①畫出流程示意圖。②列出已知數(shù)據(jù)。③列出由物料平衡所需求解的問(wèn)題。④決定系統(tǒng)的邊界。⑤寫出主、副產(chǎn)品的化學(xué)反應(yīng)方程式。⑥約束條件確定。⑦選擇計(jì)算基準(zhǔn)。⑧進(jìn)行物料平衡計(jì)算。⑨列出物料平衡表，并進(jìn)行校核。⑩寫出結(jié)論。

物料衡算的方法和步驟

第三章物料衡算和能量衡算上課①畫出流程示意圖。物料衡算的方法和步驟第三章物料衡算和能量95一種廢酸，組成為23％(質(zhì)量％)HNO3，57％H2SO4和20％H2O，加入93％的濃H2SO4及90％的濃HNO3

，要求混合成27％HNO3及60％H2SO4的混合酸，計(jì)算所需廢酸及加入濃酸的數(shù)量?；旌掀鲝U酸HNO3

0.23H2SO4

0.57H2O0.20混合酸HNO3H2SO4H2Oykgzkgxkg0.900.100.930.070.270.600.13濃硝酸HNO3H2O濃硫酸H2SO4H2O第三章物料衡算和能量衡算上課一種廢酸，組成為23％(質(zhì)量％)HNO3，57％H2SO96①畫出流程示意圖。②列出已知數(shù)據(jù)。③列出由物料平衡所需求解的問(wèn)題。④決定系統(tǒng)的邊界。⑤寫出主、副產(chǎn)品的化學(xué)反應(yīng)方程式。⑥約束條件確定。⑦選擇計(jì)算基準(zhǔn)。⑧進(jìn)行物料平衡計(jì)算。⑨列出物料平衡表，并進(jìn)行校核。⑩寫出結(jié)論。

物料衡算的方法和步驟

第三章物料衡算和能量衡算上課①畫出流程示意圖。物料衡算的方法和步驟第三章物料衡算和能量97基準(zhǔn)：100kg混合酸混合器廢酸HNO3

0.23H2SO4

0.57H2O0.20混合酸HNO3H2SO4H2Oykgzkgxkg0.900.100.930.070.270.600.13濃硝酸HNO3H2O濃硫酸H2SO4H2O第三章物料衡算和能量衡算上課混合器廢酸HNO30.23混合酸HNO3ykgzkgxk98①畫出流程示意圖。②列出已知數(shù)據(jù)。③列出由物料平衡所需求解的問(wèn)題。④決定系統(tǒng)的邊界。⑤寫出主、副產(chǎn)品的化學(xué)反應(yīng)方程式。⑥約束條件確定。⑦選擇計(jì)算基準(zhǔn)。⑧進(jìn)行物料平衡計(jì)算。⑨列出物料平衡表，并進(jìn)行校核。⑩寫出結(jié)論。

物料衡算的方法和步驟

第三章物料衡算和能量衡算上課①畫出流程示意圖。物料衡算的方法和步驟第三章物料衡算和能量99總物料衡算式：

x+y+z=100組分衡算式：H2SO4

0.57x+0.93z=100*0.6=60HNO3

0.23x+0.90y=100*0.27=27解得：x=41.8kg；y=19.2kg；z=39kg混合器廢酸HNO3

0.23H2SO4

0.57H2O0.20混合酸HNO3H2SO4H2Oykgzkgxkg0.900.100.930.070.270.600.13濃硝酸HNO3H2O濃硫酸H2SO4H2O第三章物料衡算和能量衡算上課混合器廢酸HNO30.23混合酸HNO3ykgzkgxk100①畫出流程示意圖。②列出已知數(shù)據(jù)。③列出由物料平衡所需求解的問(wèn)題。④決定系統(tǒng)的邊界。⑤寫出主、副產(chǎn)品的化學(xué)反應(yīng)方程式。⑥約束條件確定。⑦選擇計(jì)算基準(zhǔn)。⑧進(jìn)行物料平衡計(jì)算。⑨列出物料平衡表，并進(jìn)行校核。⑩寫出結(jié)論。

物料衡算的方法和步驟

第三章物料衡算和能量衡算上課①畫出流程示意圖。物料衡算的方法和步驟第三章物料衡算和能量101物料平衡表輸入輸出組分質(zhì)量/kg組分質(zhì)量/kg廢酸廢酸中的硝酸廢酸中的硫酸廢酸中的水濃硝酸濃硝酸中的硝酸濃硝酸中的水濃硫酸濃硫酸中的硫酸濃硫酸中的水總計(jì)41.89.623.88.419.217.281.923936.272.73100混合酸混合酸中的濃硝酸混合酸中的濃硫酸混合酸中的H2O總計(jì)100602713100第三章物料衡算和能量衡算上課物料平衡表輸入輸出組分質(zhì)量/kg組分質(zhì)量/kg廢酸41.8混102校核結(jié)果：依據(jù)水平衡混合器廢酸HNO3

0.23H2SO4

0.57H2O0.20混合酸HNO3H2SO4H2Oykgzkgxkg0.900.100.930.070.270.600.13濃硝酸HNO3H2O濃硫酸H2SO4H2O第三章物料衡算和能量衡算上課混合器廢酸HNO30.23混合酸HNO3ykgzkgxk103①畫出流程示意圖。②列出已知數(shù)據(jù)。③列出由物料平衡所需求解的問(wèn)題。④決定系統(tǒng)的邊界。⑤寫出主、副產(chǎn)品的化學(xué)反應(yīng)方程式。⑥約束條件確定。⑦選擇計(jì)算基準(zhǔn)。⑧進(jìn)行物料平衡計(jì)算。⑨列出物料平衡表，并進(jìn)行校核。⑩寫出結(jié)論。

物料衡算的方法和步驟

第三章物料衡算和能量衡算上課①畫出流程示意圖。物料衡算的方法和步驟第三章物料衡算和能量104

二、無(wú)化學(xué)反應(yīng)的物料衡算一個(gè)設(shè)備簡(jiǎn)單過(guò)程整個(gè)過(guò)程（可簡(jiǎn)化為一個(gè)設(shè)備單元）多單元系統(tǒng)：對(duì)有數(shù)個(gè)單元設(shè)備的系統(tǒng)中的每一個(gè)設(shè)備都要計(jì)算其流量及組成。第三章物料衡算和能量衡算上課二、無(wú)化學(xué)反應(yīng)的物料衡算第三章物料衡算和能量衡算上課105精餾例1：以苯為溶劑，用共沸精餾法分離乙醇－水混合物，制取純乙醇。假定料液混合物含水60%，乙醇40%，在精餾塔餾出液中含苯75%，水24%，其余為醇（組成均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。若要求乙醇生產(chǎn)量為1000kg／h，試計(jì)算精餾中所需的苯量。簡(jiǎn)單過(guò)程第三章物料衡算和能量衡算上課精餾簡(jiǎn)單過(guò)程第三章物料衡算和能量衡算上課106解：畫出流程示意圖?？偽锪掀胶馐剑?/p>

F1＋F2=F3＋F4組分物料平衡式：苯平衡：

F2=0.75F3水平衡：

0.6F1=0.24F3解得

F1=2667kg／h,F2=5000kg／h,F3=6667kg／h校核：依據(jù)醇平衡：0.4F1=0.01F3+F4

左右兩邊相等，結(jié)果準(zhǔn)確。F1？料液F2？苯

F3？餾出液

F4=1000kg/h乙醇產(chǎn)品乙醇40%水60%乙醇1%水24%苯75%第三章物料衡算和能量衡算上課解：畫出流程示意圖。F1？料液F2？苯F3107對(duì)系統(tǒng)中的每一個(gè)設(shè)備都要計(jì)算其流量及組成，這種系統(tǒng)就稱為多單元系統(tǒng)。如下圖即為多單元系統(tǒng)12435單元Ⅰ單元Ⅱ多單元系統(tǒng)Fx1，x1’D1xD1，xD1’D2xD2，xD2’W1

xW1xW1’W2xW2，xW2’第三章物料衡算和能量衡算上課對(duì)系統(tǒng)中的每一個(gè)設(shè)備都要計(jì)算其流量及組成，這種系統(tǒng)就稱為多單108結(jié)論：兩單元過(guò)程可處理為：?jiǎn)卧瘛卧蚝涂傔^(guò)程單元可列平衡方程：兩組單元平衡方程式和一組總平衡方程式。其中每一組方程均由S個(gè)獨(dú)立的物料平衡方程式所構(gòu)成。第三章物料衡算和能量衡算上課結(jié)論：第三章物料衡算和能量衡算上課109多單元系統(tǒng)例2：造紙廠的堿回收工段有一個(gè)四效蒸