化工設(shè)計(jì)概論第三章 物料衡算和能量衡算

1第三章物料衡算與能量衡算第三章物料衡算與能量衡算

物料衡算與能量衡算是進(jìn)行化工工藝過(guò)程設(shè)計(jì)及技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)的基本依據(jù)。通過(guò)對(duì)全生產(chǎn)過(guò)程或單元過(guò)程的物料和能量的衡算，計(jì)算得到：

1）主、副產(chǎn)品產(chǎn)量；

2）原材料的消耗定額，過(guò)程的物料損耗；

3）“三廢”的生成量及組成；

4）水、電、汽或其他燃料等消耗定額；

5）設(shè)計(jì)物料流程圖。

第三章物料衡算與能量衡算根據(jù)物料衡算和能量的衡算結(jié)果，可以：

1）對(duì)生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)和選型；

2）確定產(chǎn)品成本等各項(xiàng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，從而可以定量地評(píng)述所選擇的工藝路線、生產(chǎn)方法及工藝流程在經(jīng)濟(jì)上是否合理，技術(shù)上是否先進(jìn)。4第一節(jié)物料衡算的基本方法教學(xué)內(nèi)容：了解物料衡算和能量衡算的意義和基本概念。重點(diǎn)和難點(diǎn)：重點(diǎn)：掌握物料衡算基準(zhǔn)和物料衡算的基本步驟。難點(diǎn)：衡算基準(zhǔn)的選擇，包括基準(zhǔn)物流的名稱和單位選擇。

在化工過(guò)程中，物料平衡是指“在單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入系統(tǒng)（體系）的全部物料質(zhì)量必定等于離開該系統(tǒng)（體系）的全部物料質(zhì)量再加上損失掉的與積累起來(lái)的物料質(zhì)量?！睂?duì)物料平衡進(jìn)行計(jì)算稱為物料衡算。物料平衡的理論依據(jù)是質(zhì)量守恒定律，即在一個(gè)孤立體系中不論物質(zhì)發(fā)生任何變化(不包括核反應(yīng))它的質(zhì)量始終保持不變。

一、物料衡算的概念及分類：物料衡算的概念：物料平衡方程式根據(jù)質(zhì)量守恒定律，對(duì)某一個(gè)體系內(nèi)質(zhì)量流動(dòng)及變化的情況用數(shù)學(xué)式描述物料平衡關(guān)系則為物料平衡方程式。其基本表達(dá)式為：

∑F0=∑D+A+∑B

式中，F(xiàn)0—輸入體系的物料質(zhì)量；

D—離開體系的物料質(zhì)量；

A—體系內(nèi)積累的物料質(zhì)量；

B—損失的物料質(zhì)量(如跑、冒、滴、漏)

7一般表示式為：進(jìn)入系統(tǒng)的質(zhì)量流量一排出系統(tǒng)的質(zhì)量流量=系統(tǒng)內(nèi)質(zhì)量的累積對(duì)穩(wěn)態(tài)過(guò)程，系統(tǒng)內(nèi)質(zhì)量的累積為零。此時(shí)：進(jìn)入系統(tǒng)的質(zhì)量流量=排出系統(tǒng)的質(zhì)量流量列物料平衡式時(shí)應(yīng)注意的事項(xiàng)(1)物料平衡是指質(zhì)量平衡，不是體積或物質(zhì)的量(摩爾數(shù))平衡。若體系內(nèi)有化學(xué)反應(yīng)，則衡算式中各項(xiàng)用摩爾／時(shí)為單位時(shí)，必須考慮反應(yīng)式中的化學(xué)計(jì)量系數(shù)。

列物料平衡式時(shí)應(yīng)注意的事項(xiàng)(2)對(duì)于無(wú)化學(xué)反應(yīng)體系，能列出獨(dú)立物料平衡式的最多數(shù)目等于輸入和輸出的物流里的組分?jǐn)?shù)。(3)在寫平衡方程式時(shí)，要盡量使方程式中所包含的未知數(shù)最少。物料衡算的分類1、按操作方式分為間歇操作、連續(xù)操作及半連續(xù)操作等三類物料衡算；

2、按狀態(tài)將其分為穩(wěn)定狀態(tài)操作和不穩(wěn)定狀態(tài)操作兩類衡算。

3、按衡算范圍分為單元操作過(guò)程(或單個(gè)設(shè)備)和全流程的兩類物料衡算；11二、物料衡算基準(zhǔn)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%第三章物料衡算與能量衡算三、物料衡算的步驟

1、畫出流程示意圖

稀溶液二次蒸汽F,wfW加熱蒸汽凝水提濃液B，wB物料衡算步驟2、列出主、副化學(xué)反應(yīng)式3、確定計(jì)算任務(wù)4、收集數(shù)據(jù)資料（生產(chǎn)規(guī)模、時(shí)間，收率、轉(zhuǎn)化率，原材料及產(chǎn)品規(guī)格，有關(guān)物理化學(xué)常數(shù)）5、選定計(jì)算基準(zhǔn)（時(shí)間，質(zhì)量，體積）6、建立物料平衡方程，展開計(jì)算7、整理并校核計(jì)算結(jié)果8、繪制物料流程圖、填寫物流表14第二節(jié)反應(yīng)過(guò)程的物料衡算教學(xué)內(nèi)容：結(jié)合具體實(shí)例，理解根據(jù)不同反應(yīng)類型及工藝過(guò)程選擇合適的物料平衡方法進(jìn)行物料衡算。重點(diǎn)和難點(diǎn)：重點(diǎn)：掌握不同化工過(guò)程的物料衡算思路。難點(diǎn)：對(duì)一個(gè)化工過(guò)程的物料衡算應(yīng)選擇什么物流作衡算基準(zhǔn)，如何列出平衡表達(dá)式。15⑴轉(zhuǎn)化率轉(zhuǎn)化率=⑵選擇性選擇性=xA=Φ=第三章物料衡算與能量衡算反應(yīng)：aA+bBcC+dD16⑶收率收率=轉(zhuǎn)化率×選擇性=η=ΦxA

=⑷限制反應(yīng)物⑸過(guò)量反應(yīng)物第三章物料衡算與能量衡算17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：18丙烯的選擇性：

丙烯的轉(zhuǎn)化率：丙烯醛的收率：19第三章物料衡算與能量衡算二、直接推算法反應(yīng)器C6H5C2H5C6H5CH3、H2OC6H5C2H5、C6H6、C6H5CH3H2O、CH4、C2H4、C、H2例3-1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。20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。21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)22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/h23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=3.2524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)296.1698027.5310.4828028.9325第三章物料衡算與能量衡算三、原子平衡法例3-2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?？粱磻?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/W26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

、CaCO3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）27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)2740.280.00377CaCO310013.480.134728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3-429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)296.1691004.587510030四、平衡常數(shù)法對(duì)反應(yīng)aA+bB=cC+dD平衡時(shí)，其平衡常數(shù)為：=

式中，為化學(xué)反應(yīng)的平衡常數(shù)，其可以表示為（濃度以mol·L-1表示），（濃度以分壓p表示），(N濃度以摩爾分率表示)。31例3-3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，惰性組分(I)含量為13.8%，壓力為30MPa，溫度為365℃，平衡常數(shù)=2.505×10-3MPa-2。寫出化學(xué)反應(yīng)平衡方程式：

CO+2H2CH3OH設(shè)進(jìn)料為1mol，其組成為：I=0.138mol;H2=(1-0.138)4.5/5.5=0.7053;CO=(1-0.138)/5.5=0.1567基準(zhǔn)：1mol原料氣第三章物料衡算與能量衡算32設(shè)轉(zhuǎn)化率為，則出口氣體組成為：CO：0.1567（1-x）；H2：0.7053-2×0.1567x；CH3OH：0.1567x；I：0.138；Σ1-0.3134x第三章物料衡算與能量衡算33計(jì)算出口氣體各組分的分壓：將上式代入平衡平常表達(dá)式：

平衡時(shí)出口氣體中各組成的摩爾分率為：CO0.0948，H20.6521，CH3OH0.0902，I0.1629；34五、帶有循環(huán)、放空及旁路的物料平衡第三章物料衡算與能量衡算

（1）試差法估計(jì)循環(huán)流量，并繼續(xù)計(jì)算至循環(huán)回流的那一點(diǎn)。將估計(jì)值與計(jì)算值進(jìn)行比較，并重新假定一個(gè)估計(jì)值，一直計(jì)算到估計(jì)值與計(jì)算值之差在一定的誤差范圍內(nèi)。（2）代數(shù)法列出物料平衡方程式，并求解。一般方程式中以循環(huán)量作為未知數(shù)，應(yīng)用聯(lián)立方程的方法進(jìn)行求解。35例3-4苯乙烯制取過(guò)程如圖3-3所示，先由乙烯與苯反應(yīng)生成乙苯C2H4+C6H6C6H5C2H5C6H5C2H5C6H5C2H3+H2乙苯是在560K、600kPa，在催化劑作用下，乙烯與苯的摩爾比為1:5進(jìn)行氣相合成的。副反應(yīng)生成的多乙基苯在乙苯精餾塔中分離出來(lái)。乙烯的轉(zhuǎn)化率為100%。乙苯脫氫反應(yīng)在850K，乙苯的單程轉(zhuǎn)化率為60%，苯乙烯的選擇性為90%。第三章物料衡算與能量衡算36反應(yīng)中由于副反應(yīng)生成的物質(zhì)與苯乙烯質(zhì)量之比：苯與甲苯為7%，膠狀物質(zhì)為2%，廢氣為7%。乙苯脫氫反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，為提供反應(yīng)過(guò)程中的反應(yīng)熱，同時(shí)抑制副反應(yīng)，在反應(yīng)中直接加入過(guò)熱蒸汽。反應(yīng)后未反應(yīng)的乙苯分離后循環(huán)返回乙苯脫氫裝置。假定進(jìn)料的乙烯量為100kmol，試計(jì)算：①?gòu)谋剿谢厥昭h(huán)至烷基化反應(yīng)器的苯量（kmol）；②從乙苯塔中回收循環(huán)至乙苯脫氫裝置的乙苯（kmol）；

③乙苯塔塔頂和塔底的餾出量（kg）；

④年產(chǎn)50000t苯乙烯，乙苯脫氫裝置的物料衡算。

37圖3-3例3-4附圖苯乙烯制取過(guò)程烷基化苯，甲苯塔苯塔乙苯塔乙苯塔苯乙烯乙苯脫氫乙烯多烷基苯苯,甲苯苯乙烯苯重物質(zhì)R1R238解基準(zhǔn):100kmol乙烯

⒈烷基化反應(yīng)設(shè)苯的循環(huán)量為R1R1=400kmol⒉設(shè)乙苯的循環(huán)量為R2(100+R2)×0.6=100R2=66.67kmol⒊生成苯乙烯（S）S=(100+66.67)×0.6×0.9=90kmol=9378kg苯，甲苯為9378×0.07=656.5kg廢氣為9378×0.07=656.5kg膠狀物質(zhì)為9378×0.02=187.6kg未反應(yīng)的乙苯為(100+66.67)×（1-0.6）=66.67kmol=7080.4kg餾出液（乙苯）為7080.4kg釜底液（苯乙烯+膠狀物質(zhì)）為9378.0+187.6=9565.6kg39⒋進(jìn)料乙苯為50000×100×106.2/9378.0=56621t

未反應(yīng)的乙苯=循環(huán)乙苯為50000×（7080.4/9378.0）=37750t

苯，甲苯為50000×（656.5/9378.0）=3500t

廢氣為3500t

膠狀物質(zhì)為50000×（187.6/9378.0）=1000t

反應(yīng)器應(yīng)供給的過(guò)熱水蒸氣

=50000+37750+3500+3500+1000-56621-37750=1379t

計(jì)算結(jié)果列于表3-5中。40輸入輸出原料t生成物t乙苯56621苯乙烯50000循環(huán)乙苯37750未反應(yīng)乙苯37750過(guò)熱水蒸氣1379苯，甲苯3500廢氣3500膠狀物質(zhì)1000Σ95750Σ95750表3-5乙苯脫氫裝置的物料衡算（苯乙烯50000t）41六、聯(lián)系組分法聯(lián)系物是指系統(tǒng)中的特定組分，如生產(chǎn)過(guò)程中不參加反應(yīng)的惰性物質(zhì)。42例3-6試計(jì)算年產(chǎn)15000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：⒈氧化劑為空氣，用銀催化劑固定床氣相氧化；⒉過(guò)程損失為甲醛總量的2%（質(zhì)量），年開工8000小時(shí)；⒊有關(guān)數(shù)據(jù)：工業(yè)甲醇組成（質(zhì)量）：CH3OH98%，H2O2%，反應(yīng)尾氣組成（V）：CH40.8%，O20.5%，N273.7%，CO24.0%，H221%福爾馬林組成（質(zhì)量）：HCHO36.22%，CH3OH7.9%，H2O55.82%43吸收塔工業(yè)甲醇空氣水尾氣反應(yīng)氣體福爾馬林反應(yīng)器主反應(yīng)CH3OH+1/2O2HCHO+H2O（1）CH3OHHCHO+H2

（2）副反應(yīng)CH3OH+3/2O2CO2+2H2O（3）CH3OH+H2CH4+2H2O（4）44①反應(yīng)消耗氧量取尾氣100Nm3為計(jì)算基準(zhǔn)，氮作為聯(lián)系物

其中氧量換算為摩爾數(shù)

反應(yīng)耗氧量

45②甲醇消耗量反應(yīng)（3）消耗甲醇量為反應(yīng)（4）消耗甲醇量為反應(yīng)（2）生成的氫，部分消耗于反應(yīng)（4），現(xiàn)尾氣中H2=21%，氫摩爾數(shù)為

則反應(yīng)（2）消耗甲醇量為973.5+35.7=1009.2mol每生成100Nm3尾氣時(shí)消耗甲醇量為178.6+35.7+1009.2+1169.6=2393.1mol2393.1mol×32=76.6kg46③計(jì)算甲醇總消耗量每消耗2393.1摩爾甲醇生成甲醛的量為1169.6+1009.2=2178.8mol2178.8×30=65.36kg機(jī)械損失為2%，實(shí)得65.36×0.98=64.1kg得工業(yè)福爾馬林其中含未反應(yīng)的甲醇177×7.9%=13.98kg每生成177kg福爾馬林共消耗工業(yè)甲醇由此得甲醇轉(zhuǎn)化率為甲醛的質(zhì)量收率

47④工業(yè)甲醇年消耗量每小時(shí)福爾馬林產(chǎn)量考慮到設(shè)計(jì)裕量，設(shè)福爾馬林產(chǎn)量為2t/h消耗工業(yè)甲醇量

所需空氣量

48⑤用水量計(jì)算工業(yè)福爾馬林含水177×0.558=98.8kg工業(yè)甲醇含水92×0.02=1.84kg由反應(yīng)生成的水為按反應(yīng)（1）生成1169.6mol按反應(yīng)（3）生成178.6×2=357mol按反應(yīng)（4）生成35.7mol共計(jì)生成水1169.6+357+35.7=1562.1mol為制取177kg福爾馬林須補(bǔ)充水98.8-1.84-28.1=68.86kg按產(chǎn)量為2t/h須補(bǔ)充水量為2000/177×68.86=778kg/h通過(guò)下列計(jì)算得出物料衡算結(jié)果并示于物料平衡流程圖3-6中。49吸收塔工業(yè)甲醇（質(zhì)量）1039kg

CH3OH98%1018.2

H2O2%20.8空氣1054Nm3O2221.3N2832.7

尾氣%（V）1356Nm3、CH40.810.8O20.56.8N273.7999.4CO24.054.2H221.0284.8甲醛損失14.5kg反應(yīng)器補(bǔ)充水778kg

HCHO738.9kgCH3OH158.0H2O345.6CH410.8O26.8N2999.4CO254.2H2284.8福爾馬林（質(zhì)量）2000kg、HCHO36.22%724.4

CH3OH7.9%158.0

H2O55.88%1117.6圖3-6例3-6物料平衡流程圖1、采用蒸發(fā)方法將濃度為10％NaOH及10％NaCl的水溶液進(jìn)行濃縮。蒸發(fā)時(shí)只有部分水分汽化成為水蒸氣而逸出，部分NaCl結(jié)晶成晶粒而留在母液中。操作停止后，分析母液的成分為：50％NaOH，2％NaCl及48％H2O。若每批處理1000kg原料液，試求每批操作中：1)獲得的母液量，2)蒸發(fā)出的水分量，3)結(jié)晶出的NaCl量。作業(yè)：

2.甲醇制造甲醛的反應(yīng)過(guò)程為：

CH30H+1/2O2HCHO+H20

反應(yīng)物及生成物均為氣態(tài)，若使用50％的過(guò)量空氣，且甲醇的轉(zhuǎn)化率為75％，試計(jì)算反應(yīng)后氣體混合物的摩爾組成。3、一種廢酸，組成為22％(質(zhì)量％)HNO3，57％H2SO4和21％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，試完成該過(guò)程的物料衡算。4、甲苯用混酸硝化制取一硝基甲苯過(guò)程中，一硝基甲苯最終收率Y=94%。甲苯與硝酸的摩爾比為1:1.01，甲苯純度98%，混酸組成為H2SO4：56%、HNO3：27%、H2O:17%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。計(jì)劃年產(chǎn)400噸純度為99%的一硝基甲苯，求主要原料消耗定額（假設(shè)無(wú)副反應(yīng)發(fā)生）54第三節(jié)反應(yīng)過(guò)程的能量衡算教學(xué)內(nèi)容：結(jié)合具體實(shí)例，理解根據(jù)不同反應(yīng)類型及工藝過(guò)程選擇合適的物料平衡方法進(jìn)行物料衡算。重點(diǎn)和難點(diǎn)：重點(diǎn)：掌握兩種衡算方法的衡算基準(zhǔn)和計(jì)算方法。難點(diǎn)：熱量衡算的基準(zhǔn)，包括溫度、壓力和相態(tài)，以及有相變時(shí)其熱量的正負(fù)符號(hào)的取向。1、能量衡算定義

根據(jù)能量守恒定律，利用能量傳遞和轉(zhuǎn)化的規(guī)則，用以確定能量比例和能量轉(zhuǎn)變的定量關(guān)系的過(guò)程稱為能量衡算。2、能量守恒定律

輸入能量+生成能量=消耗能量+積累能量+輸出能量一、能量衡算的基本概念二、能量平衡方程式能量衡算平衡方程式△E:表示體系能量總變化；

Q:

表示體系從環(huán)境吸收的熱量；

W:表示環(huán)境對(duì)體系所做的功。三、熱量衡算熱量衡算有兩種情況：

1）對(duì)單元設(shè)備做熱量衡算；

2）整個(gè)過(guò)程的熱量衡算。

（當(dāng)各個(gè)工序或單元操作之間有熱量交換時(shí)，必須做全過(guò)程的熱量衡算。）熱量衡算方程式

∑Q入=∑Q出

-∑Q損

式中:∑Q入一輸入設(shè)備熱量總和；∑Q出

—輸出設(shè)備熱量總和；∑Q損—損失熱量總和。

熱量衡算步驟(1)繪制以單位時(shí)間為基準(zhǔn)的物料流程圖，確定熱量平衡范圍；(2)在物料流程圖上標(biāo)明已知溫度、壓力、相態(tài)等已知條件；(3)選定計(jì)算基準(zhǔn)溫度。由于手冊(cè)，文獻(xiàn)上查到的熱力學(xué)數(shù)據(jù)大多數(shù)是273K或298K的數(shù)據(jù)，故選此溫度為基準(zhǔn)溫度，計(jì)算比較方便。計(jì)算時(shí)相態(tài)的確定也是很重要的；(4)列出熱量衡算式，然后用數(shù)學(xué)方法求解未知值；(5)整理并校核計(jì)算結(jié)果，列出熱量平衡表。進(jìn)行熱量衡算注意事項(xiàng)(1)熱量衡算時(shí)要先根據(jù)物料的變化和走向，認(rèn)真分析熱量間的關(guān)系，然后根據(jù)熱量守衡定律列出熱量關(guān)系式。(2)要弄清楚過(guò)程中出現(xiàn)的熱量形式，以便搜集有關(guān)的物性數(shù)據(jù)。進(jìn)行熱量衡算注意事項(xiàng)

(3)計(jì)算結(jié)果是否正確適用，關(guān)鍵在于數(shù)據(jù)的正確性和可靠性。

(4)間歇操作設(shè)備，傳熱量Q隨時(shí)間而變化，因此要用不均衡系數(shù)將設(shè)備的熱負(fù)荷由千焦／臺(tái)換算為千焦／小時(shí)。

(5)選定設(shè)備的換熱面積要大于理論計(jì)算。

熱量衡算舉例例1試計(jì)算將1000kg73%的硫酸稀釋至40%時(shí)，稀釋過(guò)程的恒壓熱。已知：73%硫酸的積分溶解熱為4.184×104kJ/kmol(溶質(zhì))，40%硫酸的積分溶解熱為6.276×104kJ/kmol(溶質(zhì))。例2甲烷氣與20%過(guò)量空氣混合，在25oC、0.1MPa下進(jìn)入燃燒爐中燃燒，若燃燒完全，其產(chǎn)物所能達(dá)到的最高溫度為多少？反應(yīng)熱（kJ/mol）熱容Cp(最高溫度)（J/mol*K）甲烷-74.85\氧氣020二氧化碳-393.5130水蒸汽-241.8335氮?dú)?2264第三章物料衡算與能量衡算（一）以標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)熱為基礎(chǔ)進(jìn)行衡算1、反應(yīng)熱

在化學(xué)反應(yīng)中放出的熱量取決于反應(yīng)條件。在標(biāo)準(zhǔn)條件下，純組分、壓力為0.1MPa、溫度為25℃（并非一定需要），反應(yīng)進(jìn)行時(shí)放出的熱量稱為標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)熱。對(duì)于簡(jiǎn)單反應(yīng)過(guò)程，假定位能與動(dòng)能忽略不計(jì)則：式中,為進(jìn)反應(yīng)器物料在等壓變溫過(guò)程中的焓變和有相變時(shí)的焓變之和：

為出反應(yīng)器物料在等壓變溫過(guò)程中的焓變和有相變時(shí)的焓變之和：

65例3-7氨氧化反應(yīng)器的能量衡算氨氧化反應(yīng)式為：4NH3(氣)+5O2(氣)4NO(氣)+6H2O(氣)此反應(yīng)在25℃、101.3kPa的反應(yīng)熱為=-904.6kJ?，F(xiàn)有25℃100molNH3/h和200molO2/h連續(xù)進(jìn)入反應(yīng)器，氨在反應(yīng)器內(nèi)全部反應(yīng)，產(chǎn)物在300℃呈氣態(tài)離開反應(yīng)器。操作壓力為101.3kPa，計(jì)算反應(yīng)器應(yīng)輸入或輸出地?zé)崃俊７磻?yīng)器25℃,O2200mol/hNH3100mol/h300℃,O275mol/hH2O150mol/hNO100mol/hQ/(kJ/

h)