化工設計第3章物料衡算與能量衡算

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23.1物料衡算3.1.1

物料衡算的作用3.1.2物料衡算的依據3.1.3物料衡算式3.1.4物料衡算的基本方法3.1.5無化學反應過程的物料衡算3.1.6有化學反應過程的物料衡算33.1物料衡算物料衡算是化工計算中最基本、最重要的內容之一，是能量衡算的基礎。設計或研究一個化工過程，或對某生產過程進行分析，需要了解能量的分布情況，都必須在物料衡算的基礎上，才能進一步算出物質之間交換的能量以及整個過程的能量分布情況。物料衡算和能量衡算是進行化工工藝設計、過程經濟評價、節(jié)能分析以及過程最優(yōu)化的基礎。43.1.1物料衡算的作用（兩種情況）:一種是對已有的生產設備或裝置，利用實際測定的數(shù)據，算出另一些不能直接測定的物料量。用此計算結果，對生產情況進行分析、作出判斷、提出改進措施。（一般的作業(yè)）另一種是設計一種新的設備或裝置，根據設計任務，先作物料衡算，求出進出各設備的物料量，然后再作能量衡算，求出設備或過程的熱負荷，從而確定設備尺寸及整個工藝流程。（設計）3.1物料衡算53.1.2物料衡算的依據質量守恒定律在一個孤立物系中，不論物質發(fā)生任何變化，它的質量始終不變（不包括核反應，因為核反應能量變化非常大，此定律不適用）。質量守恒（不是摩爾守恒、體積守恒）3.1物料衡算63.1.3物料衡算式物料衡算是研究某一個體系內進、出物料量及組成的變化。所謂體系就是物料衡算的范圍，它可以根據需要選定。體系可以是一個設備或幾個設備，也可以是一個單元操作或整個化工過程。進行物料衡算時，必須首先確定衡算的體系。

3.1物料衡算7對某一個體系，輸入體系的物料量應該等于輸出物料量與體系內積累量之和。連續(xù)過程的物料衡算式一般表示式為：

系統(tǒng)中積累=輸入–輸出+生成–消耗穩(wěn)態(tài)過程時：

輸入=輸出–生成+消耗無化學反應的穩(wěn)態(tài)過程：

輸入=輸出

3.1物料衡算8物料衡算方程的不同形式

總平衡式總質量平衡式總摩爾平衡式組分平衡式 組分質量平衡式 組分摩爾平衡式

元素原子平衡式

元素原子質量平衡式 元素原子摩爾平衡式3.1物料衡算93.1.4物料衡算的基本方法進行物料衡算時，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驟進行。這樣才能獲得準確的計算結果。3.1物料衡算10I.衡算范圍

指定的任何空間范圍。它可是一個設備、一個單元或整個過程。根據給定的條件畫出流程簡圖（過程示意圖或衡算范圍）。圖中用簡單的方框表示過程中的設備，用線條和箭頭表示每個流股的途徑和流向，并標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，可用符號表示。3.1物料衡算11II.衡算對象

參加過程的全部物料。對無化學反應的對象：可選任一物料對有化學反應的對象：選未發(fā)生變化的物質3.1物料衡算12III.衡算基準及其選擇原則上衡算基準是任意選擇。但是，衡算基準選擇得恰當，可以使計算簡化，避免錯誤。對于不同化工過程，采用什么基準適宜，需視具體情況而定，不能作硬性規(guī)定。3.1物料衡算13

1.應選擇已知變量數(shù)最多的流股作為衡算基準。

2.液體或固體的體系，常選取單位質量作基準。

3.對連續(xù)流動體系，用單位時間作計算基準有時較方便。

4.對于氣體物料，如果環(huán)境條件（如溫度、壓力）已定，則可選取體積作基準。3.1物料衡算根據過程的特點，選擇衡算基準時注意以下幾點：14

⑴時間基準連續(xù)（小時，天……）間歇（釜，批……）⑵質量基準kg，mol，kmol……⑶體積基準m3（STP），Nm3⑷干濕基準 干基（不含水），濕基（含水）各種衡算基準3.1物料衡算15IV.物料衡算的程序（步驟）1.

搜集計算數(shù)據（物性參數(shù)與操作參數(shù)等）

2.

畫出物料流程簡圖

3.

確定衡算體系

4.

寫出化學反應方程式，包括主反應和副反應，標出有用的分子量3.1物料衡算165.選擇計算基準，并在流程圖上注明所選的基準值

6.列出物料衡算式，然后用數(shù)學方法求解7.校核計算結果（數(shù)據歸一）8.將計算結果列成輸入-輸出物料表（物料平衡表）（三線表、表頭名稱、基準）3.1物料衡算17關于物性參數(shù)（數(shù)據）“物性參數(shù)”，又被稱作“物化數(shù)據”或“物性數(shù)據”，是由物料本身的物理化學性質所決定的?；せA數(shù)據包括很多，現(xiàn)將常用的一些化工基礎數(shù)據大致歸納成以下幾類:3.1物料衡算18（1）基本物性數(shù)據

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)方程參數(shù)、壓縮系數(shù)、蒸氣壓、氣—液平衡關系等。（2）熱力學物性數(shù)據 如內能、焓、熵、熱容、相變熱、自由能、自由焓等。（3）化學反應和熱化學數(shù)據 如反應熱、生成熱、燃燒熱、反應速度常數(shù)、活化能，化學平衡常數(shù)等。（4）傳遞參數(shù)

如粘度、擴散系數(shù)、導熱系數(shù)等。3.1物料衡算19數(shù)據的獲取：

1.查手冊或文獻資料常用物質的物性數(shù)據可從化學化工類手冊或專業(yè)性的化工手冊中查到。（收集了許多物質的物性數(shù)據及圖表）化學工程手冊，《化學工程手冊》編輯委員會，化學工業(yè)出版社，1980化工工藝設計手冊，國家醫(yī)藥管理局上海醫(yī)藥設計院編，化學工業(yè)出版社，1986化工工藝算圖，吉林化學工業(yè)公司設計院等編，化學工業(yè)出版社，19823.1物料衡算202.估算可以應用物理和化學的一些基本定律計算各種物質的性質參數(shù)。但是，往往由于缺乏計算所需的一些分子性質（偶極矩、極化率、原子間距離等）的數(shù)據而無法計算，或者即使知道這些數(shù)據，計算也很復雜。因此，許多研究人員做了不少工作，建立了理論與經驗相結合的方法，來計算各種物質的物性數(shù)據。這些方法僅從一個化合物二、三種數(shù)據就能估算出該化合物的其他物性數(shù)據來?；鶊F貢獻法3.1物料衡算213.用實驗直接測定實驗直接測定。以上三種數(shù)據來源，從手冊或文獻中查得數(shù)據最方便，但往往有時數(shù)據不夠完整，也會出現(xiàn)一些錯誤。用一些理論的、半經驗的和經驗的公式估算，也是一種簡便的方法。當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)據最可靠，只是實驗比較費時間又花錢。但是，如果查不到有關數(shù)據，而用公式估算得到的結果精度又不夠時，則必須用實驗進行測定。

3.1物料衡算224.計算機檢索近年來，隨著電子計算機的迅速發(fā)展，應用計算機儲存、檢索和推算物性數(shù)據。

一些大型化工企業(yè)、研究部門和高等院校都相應建立了物性數(shù)據庫，以便于通過計算機自動檢索或估算所要求的數(shù)據，而不必自行查找或計算，大大節(jié)省了時間和精力?；の镄詳?shù)據庫

美國，CINDAS(14000)

北京化工大學，大型化工物性數(shù)據庫CEPPDS(3417)3.1物料衡算233.1物料衡算例：丙烷充分燃燒時，要供入的空氣量為理論量的125%，反應式為：C3H8+5O2→3CO2+4H2O問每100摩爾燃燒產物需要多少摩爾空氣？解：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、燃燒產物。從原則上來說，其中任一個物料量均可作為基準。燃燒過程C3H8空氣O2N2123CO2H2OO2N2243.1物料衡算（一）基準：1molC3H8按照反應式，完全燃燒需氧量：5mol實際供氧量：1.25*5=6.25mol供空氣量（空氣中含氧21%（mol））：6.25/0.21=29.76mol其中氮氣量：29.76*0.79=23.51mol物料衡算結果如下表：輸入輸出組分摩爾克組分摩爾克C3H8空氣中O2N216.2523.5144200658.28CO2H2OO2N2341.2523.511327240658.28總計30.76902.2831.76902.28所以，每100mol燃燒產物（煙道氣）所需空氣量為：100mol煙道氣*（6.25+23.51）mol空氣/31.76mol煙道氣=93.7mol1molC3H8需要的空氣量：253.1物料衡算（二）基準：1mol空氣按題意供入的空氣量為理論量的125%，1mol空氣中氧量：0.21mol所以，供燃燒C3H8的氧量：0.21/1.25=0.168mol燃燒的C3H8的量：0.168*(1/5)=0.0336mol物料衡算結果如下表：輸入輸出組分摩爾克組分摩爾克C3H8空氣其中O2N20.0336（1.0）0.210.791.48（28.84）6.7222.12CO2H2OO2N20.1010.1350.0420.794.442.431.3422.12總計1.033630.321.06830.33所以，每100mol燃燒產物（煙道氣）所需空氣量為：100mol煙道氣*1mol空氣/1.068mol煙道氣=93.6mol26（三）基準：100mol煙道氣3.1物料衡算設：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。按照反應式的化學計量關系，還可以列出另外幾個線性方程，但是都與以上六個式子有關，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：氮氣，二氧化碳，水蒸氣，氧氣273.1.5無化學反應過程的物料衡算在化工過程中，只有物理變化不發(fā)生化學反應的單元操作如混合、蒸餾、蒸發(fā)、干燥、吸收、結晶、萃取等，這些過程都可以根據物料衡算式，直接列出總物料和各組分的衡算式，再用代數(shù)法求解。3.1物料衡算28I.簡單過程的物料衡算簡單過程是指僅有一個設備或一個單元操作的過程。設備邊界就是體系邊界。1.畫出物料流程簡圖。

2.選擇基準。

3.列物料衡算式，求解。4.校核計算結果。5.將計算結果列成輸入—輸出物料表（物料平衡表）。

3.1物料衡算293.1物料衡算例：一種廢酸，組成為23%（質量分數(shù)）HNO3，57%H2SO4和20%H2O，加入93%的濃H2SO4及90%的濃HNO3，要求混合成含27%HNO3及60%H2SO4的混合酸，計算所需廢酸及加入濃酸的數(shù)量。解：

設x：廢酸量，kg；

y：濃H2SO4量，kg；

z：濃HNO3量，kg。1.畫出物料流程簡圖303.1物料衡算2.選擇基準：可以選擇廢酸或者濃酸的量為基準，也可以用混合酸的量為基準，因為四種酸的組成均已知，選任何一種作基準，計算都很方便。3.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?？偽锪虾馑闶剑簒+y+z=100(1)H2SO4衡算式：0.57x+0.93y=100×0.6=60(2)HNO3衡算式：0.23x+0.90z=100×0.27=27(3)解(1)-(3)方程，得x=41.8kg廢酸，y=39kg濃H2SO4，z=19.2kg濃HNO3即由41.8kg廢酸，39kg濃H2SO4，19.2kg濃HNO3可以混合成100kg混合酸。根據水平衡，可以核對以上結果：加入的水量=41.8×0.2+39×0.07+19.2×0.10=13kg混合后的酸，含有13%H2O，所以計算結果正確。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，均可以求得上述結果31II.有多個設備過程的物料衡算3.1物料衡算對有多個設備的過程，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?shù)暮馑泱w系。例：有兩個設備的過程，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的衡算方程。若每個設備的輸入和輸出物料中均含有3個組分，則每個體系可寫出3+1個衡算方程，其中有3個是獨立方程。如，體系A,B,C各有3個獨立方程，每個體系的3個獨立方程成為一組，共三組。這樣，具有兩個設備的過程，共有2+1組衡算方程（即設備I，II的2組方程和整個過程的1組方程）。但是，只有2組方程是獨立的。所以，獨立方程，總數(shù)應該是2×3個，就是最多能求出6個未知量323.1物料衡算例：有兩個蒸餾塔的分離裝置，將含有50%苯、30%甲苯和20%（mol%）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成如右圖，計算蒸餾1000mol/h原料所得各流股的量及進塔II物料組成的。333.1物料衡算343.1.6有化學反應過程的物料衡算有化學反應的過程，物料中的組分變化比較復雜。工業(yè)上的化學反應，各反應物的實際用量，并不等于化學反應式中的理論量。為了使所需的反應順利進行，或使其中較昂貴的反應物全部轉化，常常使價格較低廉的一些反應物用量過量。3.1物料衡算35I.反應轉化率、選擇性及收率等概念1.限制反應物化學反應原料不按化學計量比配料時，其中以最小化學計量數(shù)存在的反應物稱為限制反應物。2.過量反應物不按化學計量比配料的原料中，某種反應物的量超過限制反應物完全反應所需的理論量，該反應物稱為過量反應物。3.過量百分數(shù)過量反應物超過限制反應物所需理論量的部分占所需理論量的百分數(shù)。3.1物料衡算364.轉化率（x）某一反應物反應掉的量占其輸入量的百分數(shù)。5.選擇性（S）反應物反應成目的產物所消耗的量占反應物反應掉的量的百分數(shù)。

轉化率與選擇性是反應過程的兩個主要技術指標。6.收率（Y）反應物反應成目的產物所消耗的量除以反應物（通常指限制反應物）輸入量，以百分數(shù)表示。它可以用物質的量（摩爾數(shù)）或質量進行計算。3.1物料衡算轉化率、選擇性與收率三者之間的關系:Y=Sx37轉化率（x）某一反應物反應掉的量占其輸入量的百分數(shù)。

某反應過程中，反應物A的轉化率：

不管是參加正反應還是副反應。Attention:分子分母需要統(tǒng)一，或都使用質量，或都使用物質的量。38收率（Y）反應物反應成目的產物所消耗的量除以反應物（通常指限制反應物）輸入量，以百分數(shù)表示。摩爾收率（Y）

以反應物A計的產物C的摩爾收率：

摩爾收率不可能大于100%，是反映物質真實的收率。39質量收率（Y）以反應物A計的產物C的質量收率：

質量收率大于100%是有可能的，是直觀的收率。40選擇性（S）

反應物反應成目的產物所消耗的量（質量或物質的量）占反應物反應掉的量（質量或物質的量）的百分數(shù)。

目的產物生成量（質量或物質的量）占反應物反應掉的量理論全部生成目的產物的量（質量或物質的量）的百分數(shù)。

以反應物A計的產物C的選擇性：

41例：用鄰二甲苯氣相催化氧化生產鄰苯二甲酸酐（苯酐）。鄰二甲苯投料量為210kg/h，空氣4620Hm3/h。反應器出口物料組成（mol%）為：苯酐0.654%，順丁烯二酸酐（順酐）0.066%，鄰二甲苯0.03%，氧16.53%，氮氣77.75%，其它還有H2O，CO2，CO等。試計算鄰二甲苯轉化率及苯酐和順酐的收率及選擇性3.1物料衡算解：物料流程示意圖423.1物料衡算433.1物料衡算摩爾量之比3.49%3.25%6.45%44例：已知丙烯氧化法生產丙烯醛的一段反應器，原料丙烯投料量為600kg/h，出料中有丙烯醛640kg/h，另有未反應的丙烯25kg/h，試計算原料丙烯的轉化率、選擇性及丙烯醛的收率。一段反應器丙烯600kg/h丙烯25kg/h丙烯醛640kg/h解：丙烯氧化生成丙烯醛的化學反應方程式：3.1物料衡算45丙烯的選擇性：丙烯的轉化率：丙烯醛的收率：3.1物料衡算46II.一般反應過程的物料衡算對有化學反應過程的物料衡算，由于各組分在過程中發(fā)生了化學反應，因此就不能簡單地列組分的衡算式，必須考慮化學反應中生成或消耗的量，應該根據化學反應式，列衡算方程。對一般的反應過程，可用下列幾種方法求解。

3.1物料衡算471.直接求解法有些化學反應過程的物料衡算，有時只含一個未知量或組成，這類問題比較簡單，通?？筛鶕瘜W反應式直接求解，不必列出衡算式。直接求解法也稱化學計量法。

3.1物料衡算483.1物料衡算例：丙烯、氨及氧反應制丙烯腈。反應式如下：原料氣組成為10%（mol%）C3H6，12%NH3，78%空氣。丙烯轉化率為30%，求輸出物料組成。解：493.1物料衡算50組分輸入輸出組成摩爾(kmol)kg組成摩爾(kmol)kgC3H6NH3O2N2C3H3NH2O101278101216.3861.6242020452417256.908.8711.7069.712.958.877911.8361.62392941533801725159162總計100.002873101.528733.1物料衡算51例：苯乙烯的反應器，年生產能力為10000t，年工作時間為8000h，苯乙烯收率為40%，以反應物乙苯計的苯乙烯選擇性為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%（質量分數(shù)），反應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1:1.5（質量比），要求對該反應器進行物料衡算，即計算進出反應器各物料的流量。反應器C6H5C2H5C6H5CH3(2%)、H2OC6H5C2H5、C6H6、C6H5CH3H2O、CH4、C2H4、C、H23.1物料衡算52解：反應器中發(fā)生了以下化學反應：

C6H5C2H5C6H5C2H3+H2（1）C6H5C2H5+H2C6H5CH3+CH4（2）

C6H5C2H5C2H4+C6H6（3）

C6H5C2H57C+3H2+CH4（4）各物料的摩爾質量匯總列于表3-1。3.1物料衡算53物料C6H5C2H5C6H5C2H3C6H6C6H5CH3H2OCH4C2H4CH2摩爾質量/(g/mol)1061047892181628122表3-1各物料的摩爾質量（基準：1000kg/h乙苯原料）3.1物料衡算54進反應器純乙苯量1000

kg/h×98%=980

kg/h，即為9.245

kmol/h原料中甲苯量1000

kg/h×2%=20

kg/h，即為0.217

kmol/h水蒸氣量980kg/h×1.5=1470kg/h，即為81.667

kmol/h乙苯的轉化率為0.4/0.9=0.4444參加反應的總乙苯量980kg/h×0.4444=435.11

kg/h，即為4.109

kmol/h3.1物料衡算55產物中各組分情況如下：未反應的乙苯量（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由各物質的選擇性：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）1470kg/h，即為81.667kmol/h實際每小時要求苯乙烯的產量10000×1000kg/8000h=1250kg/h比例系數(shù)1250/384.60=3.253.1物料衡算56乙苯脫氫反應器物料衡算表組分輸入輸出摩爾流量/(kmol/h)質量流量/(kg/h)摩爾流量/(kmol/h)質量流量/(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296.1698027.5310.4828028.933.1物料衡算572.元素衡算法元素衡算是物料衡算的一種重要形式。在作這類衡算時，并不需要考慮具體的化學反應，而是按照元素種類被轉化及重新組合的概念，表示為：

輸入（某種元素）=輸出（同種元素）對反應過程中化學反應很復雜，無法用一、兩個反應式表示的物料衡算時，可以列出元素衡算式，用代數(shù)法求解。3.1物料衡算583.1物料衡算例：甲烷、乙烷與水蒸氣用鎳催化劑進行轉化反應，生產氫氣，反應器出口氣體組成（干基）為：組分CH4C2H6COCO2H2mol%4.62.518.64.669.7假定原料中只含有CH4和C2H6兩種碳氫化合物，則求這兩種氣體的摩爾比為多少？每1000標米3原料氣，需要多少千克蒸汽參加反應？干基就是以單位質量的干空氣或干氣體為基準表示的濕空氣或濕氣體的性質。593.1物料衡算解：60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NaOH0.59%（質量分數(shù)），Na2CO314.88%，H2O84.53%，反應后的苛化液含CaCO313.48%，Ca(OH)20.28%，Na2CO30.61%，NaOH10.36%，H2O75.27%。計算：1）每100kg苛化液需加石灰的質量及石灰的組成；2）每100kg苛化液需用碳酸鈉溶液的質量。3.1物料衡算解

:設碳酸鈉溶液的質量為F（kg）

石灰的質量為W（kg）石灰中CaCO3

、CaO及Ca(OH)2的質量分別設為x、y和z，則石灰中各物質的組成可表示為：x/W，y/W，z/W基準：100kg苛化液61苛化反應器FNaOH0.59%Na2CO314.88%H2O84.53%CaCO313.48%Ca(OH)20.28%Na2CO30.61%NaOH10.36%H2O75.27%CaCO3

x/WCaOy/WCa(OH)2

z/W畫出物料流程示意圖3.1物料衡算62各種物料質量和物質的量Na2CO3溶液苛化鈉溶液物料摩爾質量（g/mol）質量（kg）物質的量（kmol）物料摩爾質量（g/mol）質量（kg）物質的量（kmol）NaOH400.59%F0.000148FNaOH4010.360.2590Na2CO310614.88%F0.001404FNa2CO31060.610.00575H2O1884.53%F0.04696FH2O1875.274.18Ca(OH)2740.280.00377CaCO310013.480.13473.1物料衡算以質量計轉化為以物質的量計，來進行元素守恒計算63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=100

kg/mol石灰總量等于各物質質量之和：

W=x+y+z

3.1物料衡算64計算結果匯總組分輸入輸出物質的量/kmol質量/kg物質的量/kmol質量/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296.1691004.58751003.1物料衡算653.“聯(lián)系組分”法“聯(lián)系組分”是指隨物料輸入體系，但完全不參加反應，又隨物料從體系輸出的組分，在整個反應過程中，它的數(shù)量不變。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根據聯(lián)系組分的含量進行關聯(lián)。用聯(lián)系組分作衡算，尤其是對含未知量較多的物料衡算，可以使計算簡化。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，應該注意，當某個聯(lián)系組分數(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。3.1物料衡算663.1物料衡算解：例：甲烷與氫混合氣在爐子里用空氣完全燃燒，煙道氣分析為N272.22%，CO28.13%，O22.49%，H2O17.16%(mol%)，問（1）燃料中氫氣與甲烷的比例多少？（2）燃料（H2+CH4）對空氣的比例多少？

673.1物料衡算68例：試計算年產16000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過程損失為甲醛總量的2%（質量），年開工8000小時；⒊有關數(shù)據：工業(yè)甲醇組成（質量）：CH3OH98%，H2O2%，反應尾氣組成（體積）：CH40.8%，O20.5%，N273.7%，CO24.0%，H221% 福爾馬林組成（質量）：HCHO36.22%，CH3OH7.9%，H2O55.82%3.1物料衡算69工業(yè)甲醇空氣水尾氣反應氣體福爾馬林吸收塔主反應

CH3OH+1/2O2HCHO+H2O（1）CH3OHHCHO+H2（2）副反應

CH3OH+3/2O2CO2+2H2O（3）CH3OH+H2CH4+2H2O（4）3.1物料衡算反應器70①反應消耗氧量取尾氣100Nm3為計算基準，氮作為聯(lián)系物其中氧量：換算為摩爾數(shù)：反應耗氧量：3.1物料衡算Nm3：是指在0攝氏度1個標準大氣壓下的氣體體積。71②甲醇消耗量反應（3）消耗甲醇量為反應（4）消耗甲醇量為反應（2）生成的氫，部分消耗于反應（4），現(xiàn)尾氣中H2=21%，氫摩爾數(shù)為

則反應（2）消耗甲醇量為973.5+35.7=1009.2mol反應（1）消耗甲醇量為（852.7-178.6*3/2）*2=1169.6mol每生成100Nm3尾氣時消耗甲醇量為

178.6+35.7+1009.2+1169.6=2393.1mol2393.1mol×32=76.6kg3.1物料衡算③計算甲醇總消耗量每消耗2393.1mol甲醇生成甲醛的量為1169.6+1009.2=2178.8mol2178.8×30=65.36kg機械損失為2%，實得：65.36×0.98=64.1kg得工業(yè)福爾馬林：72其中含未反應的甲醇：177×7.9%=13.98kg每生成177kg福爾馬林共消耗工業(yè)甲醇：由此得甲醇轉化率甲醛的質量收率3.1物料衡算73④每小時福爾馬林產量

工業(yè)甲醇年消耗量：所需空氣量：3.1物料衡算74⑤用水量計算工業(yè)福爾馬林含水177×0.558=98.8kg工業(yè)甲醇含水92×0.02=1.84kg由反應生成的水為按反應（1）生成1169.6mol按反應（3）生成178.6×2=357mol按反應（4）生成35.7mol共計生成水1169.6+357+35.7=1562.1mol為制取177kg福爾馬林須補充水：98.8-1.84-28.1=68.86kg按產量為2t/h須補充水量為：2000/177×68.86=778kg/h3.1物料衡算75吸收塔工業(yè)甲醇（質量）1039kgCH3OH98%1018.2kgH2O2%20.8kg空氣1054Nm3O2221.3N2832.7

尾氣%（V）1356Nm3CH40.810.8O20.56.8N273.7999.4CO24.054.2H221.0284.8甲醛損失14.5kg反應器補充水778kg

HCHO738.9kgCH3OH158.0H2O345.6CH410.8O26.8N2999.4CO254.2H2284.8福爾馬林（質量）2000kgHCHO36.22%724.4CH3OH7.9%158.0H2O55.88%1117.6物料平衡流程圖3.1物料衡算764.平衡常數(shù)法對有平衡反應過程的物料衡算，除了需要建立物料或元素衡算以外，還需要利用反應的平衡關系計算產物的平衡組成。對反應

aA+bB=cC+dD 平衡時，其平衡常數(shù)為：

3.1物料衡算773.1物料衡算例：在接觸法硫酸生產中，SO2被氧化成SO3，反應式為：氧化過程的溫度為570℃，壓力為1.1大氣壓。輸入氣體的組成為：SO2

8%(mol%)，O2

9%，N283%。計算達到平衡時的轉化率及平衡組成(已知570℃的平衡常數(shù)Kr為14.9)783.1物料衡算

SO2793.1物料衡算SO3O2803.1物料衡算3.1物料衡算813.1物料衡算82例：試計算合成甲醇過程中反應混合物的平衡組成。設原料氣中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。設進料為1mol，其組成為：I=0.138mol;H2=(1-0.138)4.5/5.5=0.7053mol;CO=(1-0.138)/5.5=0.1567mol;3.1物料衡算基準：1mol原料氣寫出化學反應平衡方程式：設轉化率為x，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；Σ:1-0.3134xCO+2H2→

CH3OH83計算出口氣體各組分的分壓：將上式代入平衡平常表達式：平衡時出口氣體中各組成的摩爾分率為：CO：0.0948，H2

：0.6521，CH3OH：0.0902，I：0.1629；3.1物料衡算84III.復雜過程的物料衡算復雜過程不是指過程或設備多而是具有循環(huán)、排放及旁路的過程。在化工過程中具有循環(huán)、排放及旁路的過程的物料衡算與以上介紹的方法相類似，只是需要先根據已知的條件及所求的未知量選擇合適的衡算體系，列出一般過程物料衡算式再加上結點關系求解。3.1物料衡算85復雜過程的物料衡算方法（1）試差法估計循環(huán)流量，并繼續(xù)計算至循環(huán)回流的那一點。將估計值與計算值進行比較，并重新假定一個估計值，一直計算到估計值與計算值之差在一定的誤差范圍內。（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)，應用聯(lián)立方程的方法進行求解。3.1物料衡算863.1物料衡算循環(huán)過程的物料衡算在化工生產中，有一些反應過程每次經反應器后的轉化率不高，有的甚至很低。乙烯氧化制環(huán)氧乙烷的過程，乙烯的單程轉化率（即原料一次通過反應器的轉化率）約30%左右；由氫、氮合成氨的單程轉化率一般只有20%左右；而乙烯直接水合制乙醇的過程，乙烯的單程轉化率只有4-5%。因此，在反應器出口的產物中有大量原料未反應，為提高原料的利用率，把這部分未反應的原料從反應產物中分離出來，然后把它循環(huán)返回反應器，與新鮮原料一起再進行反應。此過程即為循環(huán)過程。873.1物料衡算某些無化學反應過程，如蒸發(fā)結晶過程、精餾過程等，為了提高原料利用率或為保證產品質量、改善經濟指標，也有采用循環(huán)過程的。上圖中，進反應器（或無化學反應的過程）的物料MF是由新鮮原料F與循環(huán)物料R混合而成，從反應器出來的產物RP經分離器分成產品P和循環(huán)物料R。有循環(huán)的過程，轉化率常分為單程轉化率與總轉化率：88具有循環(huán)及排放過程的物料衡算3.1物料衡算循環(huán)過程在穩(wěn)定狀態(tài)下操作時，物料的質量既不積累也不消失，各流股的組分恒定。但是，如果原料中含有不反應的雜質或惰性物質，經長時間的循環(huán)會使其濃度逐漸增加，因此就必須把一部分循環(huán)物料不斷地排放掉，以維持進料中雜質的含量不再增大。上圖為具有循環(huán)及排放過程的物料流程圖。圖中W為排放物料，即從分離器出來的分離產物S分為兩部分，一部分為排放物料W，另一部分為循環(huán)物料R。R/W(或R/F，R/MF)稱為循環(huán)比，是循環(huán)過程的一個重要參數(shù)。893.1物料衡算上圖包括以下幾個衡算體系，用虛線表示。每個衡算體系各物料之間的關系為：總物料衡算：F=P+W反應器物料衡算：MF=RP分離器物料衡算：RP=S+P結點A物料衡算：F+R=MF結點B物料衡算：S=R+WF和R的組成是不相同的，而S、R和W各物料的組成則是相同的。通常對有循環(huán)過程的物料衡算，若已知總轉化率，可以先做總物料衡算，若已知單程轉化率，則可以先從反應器衡算做起。903.1物料衡算具有旁路過程的物料衡算具有旁路的過程，就是把一部分物料繞過一個或多個設備，直接與另一流股物料相混，流程如下圖。這類過程的物料衡算與循環(huán)過程的物料衡算相類似，計算時應注意結點平衡。913.1物料衡算例：丙烷在催化反應器中脫氫生成丙烯，其反應式為：丙烷的總轉化率為95%。反應生成物經分離器分成產物P和循環(huán)物料R。產物中含有C3H8、C3H6及H2，其中C3H8量為未反應C3H8的0.555%。循環(huán)物料中含有C3H8和C3H6，其中C3H6量是產物中C3H6量的5%。計算產品組成、循環(huán)物料組成和單程轉化率。解：923.1物料衡算基準：新鮮原料100kmol/hC3H8933.1物料衡算94例：苯乙烯制取過程如下圖所示，先由乙烯與苯反應生成乙苯，然后將乙苯脫氫制取苯乙烯：C2H4+C6H6C6H5C2H5C6H5C2H5C6H5C2H3+H2乙苯反應是在560K、600kPa，在催化劑作用下，乙烯與苯的摩爾比為1:5進行氣相合成的。副反應生成的多乙基苯在乙苯精餾塔中分離出來。乙烯的轉化率為100%。乙苯脫氫反應在850K，乙苯的單程轉化率為60%，苯乙烯的選擇性為90%。3.1物料衡算95反應中，副反應生成的物質與苯乙烯質量之比：苯與甲苯為7%，膠狀物質為2%，廢氣為7%。乙苯脫氫反應為吸熱反應，為提供反應過程中的反應熱，同時抑制副反應，在反應中直接加入過熱蒸汽。反應后未反應的乙苯分離后循環(huán)返回乙苯脫氫裝置。假定進料的乙烯量為100kmol，試計算：①從苯塔中回收循環(huán)至烷基化反應器的苯量（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50000t苯乙烯，乙苯脫氫裝置的物料衡算。3.1物料衡算96苯乙烯制取過程烷基化苯，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R1R23.1物料衡算97解

基準:

100kmol乙烯

⒈烷基化反應設苯的循環(huán)量為R1

100/(100+R1)=1/5；R1=400kmol⒉設乙苯的循環(huán)量為R2

(100+R2)×0.4=R2

R2=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膠狀物質為9378×0.02=187.6kg未反應的乙苯為(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）為9378.0+187.6=9565.6kg3.1物料衡算98⒋

進料乙苯為50000×100×106.2/9378.0=56621

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

t苯，甲苯為50000×（656.5/9378.0）=3500

t廢氣為3500

t

膠狀物質為50000×（187.6/9378.0）=1000

t

反應器應供給的過熱水蒸氣=50000+37750+3500+3500+1000-56621-37750=1379

t3.1物料衡算99輸入輸出原料t生成物t乙苯56621苯乙烯50000循環(huán)乙苯37750未反應乙苯37750過熱水蒸氣1379苯，甲苯3500廢氣3500膠狀物質1000Σ95750Σ95750乙苯脫氫裝置的物料衡算（苯乙烯50000t）

3.1物料衡算1003.2能量衡算3.2.1能量衡算的依據3.2.2能量衡算方程式3.2.3能量衡算101在化工生產中，能量的消耗是一項重要的技術經濟指標，它是衡量工藝過程、設備設計、操作制度是否先進合理的主要指標之一。能量衡算的基礎是物料衡算，只有在進行完備的物料衡算后才能作出能量衡算。3.2能量衡算1023.2能量衡算在化工生產中，需要通過能量衡算解決的問題：確定物料輸送機械和其它操作機械所需功率；確定各單元過程所需熱量或者冷量及其傳遞速率；化學反應所需的放熱速率和供熱速率；做好余熱綜合利用；最終確定總需求能量和能量的費用。103能量衡算的分類一種是先對使用中的裝置或設備，實際測定一些能量，通過衡算計算出另外一些難以直接測定的能量，由此作出能量方面的評價，即由裝置或設備進出口物料的量和溫度，以及其它各項能量，求出裝置或設備的能量利用情況；另一種是在設計新裝置或設備時，根據已知的或可設定的物料量求得未知的物料量或溫度，和需要加入或移出的熱量。3.2能量衡算1043.2.1能量衡算的依據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3.2能量衡算105I.封閉體系的能量衡算方程

封閉體系特點：與環(huán)境只有能量交換，沒有物質交換。ΔE=ΔEk+ΔEp+ΔU=Q+W如間歇過程，體系物質的動能、位能無變化，則：△U=Q+W若體系與環(huán)境沒有功的交換，則：△U=Q

3.2能量衡算3.2.2能量衡算方程式106II.連續(xù)穩(wěn)態(tài)流動過程的能量衡算—物料連續(xù)通過邊界進出[能量輸入速率]-[能量輸出速率]=[能量積累速率]3.2能量衡算ΔEk+ΔEp+ΔH=Q+W107在實際中，上式視不同情況而有不同的形式：

1）絕熱過程

Q=0，動、位能差可忽略△H=W

即用焓差計算環(huán)境向體系作功

2）無作功過程（多數(shù)化工操作過程）

W=0，動、位能差可忽略△H=Q3）無功、熱傳遞過程

Q=0，W=0，動、位能差可忽略△H=0（焓平衡）3.2能量衡算1083.2.3能量衡算總能量衡算在化工計算時分熱量衡算和機械能衡算。1.對有些化工過程如流體流動過程，此時傳熱量的變化較其他小，次要。故能量衡算變?yōu)闄C械能衡算?；ぴ碇械牧黧w流動-柏努力方程。3.2能量衡算1092.更多化工過程中如反應器、蒸餾塔、蒸發(fā)器、換熱器等中，功、動能、位能變化較之傳熱、內能和焓的變化，是可以忽略。此時（無外功W=0）能量衡算簡化為熱量衡算。

Q=△H=H2－

H1(敞開體系)或Q=△U=U2

－

U1(封閉體系)由于實際應用時，進出設備的物料不止一個，因此：

Q=∑

Hi－∑

Hk3.2能量衡算110I.熱量衡算式（化工中的能量衡算）一般化工過程的能量衡算指熱量衡算（無外功W=0）：

Q=△H=H2－

H1（敞開體系）

Q=∑

Hi－∑

Hk3.2能量衡算111II.熱量衡算的基本方法和步驟①建立以單位時間為基準的物料流程圖（或平衡表）。也可以100mol或100kmol原料為基準，但前者更常用。②在物料流程框圖上標明已知溫度、壓力、相態(tài)等條件，并查出或計算出每個物料組分的焓值，在圖上注明。3.2能量衡算112③選定計算基準（溫度和相態(tài)）。這是人為選定的計算基準，即輸入體系的熱量和由體系輸出的熱量應該有同一的比較基準，可選0℃（273K）、25℃（298K）或其它溫度作為基準溫度。由于手冊、文獻上查到的熱力學數(shù)據大多是298K時的數(shù)據，故選298K為基準溫度，計算比較方便。同時相態(tài)的確定也是很重要的.

④列出熱量衡算式，然后用數(shù)學方法求解未知值。

⑤當生產過程及物料組成較復雜時，可以列出熱量衡算表。3.2能量衡算1133.2能量衡算例：兩股不同溫度的水用鍋爐進水，它們的流量及溫度為：A：120kg/min，30℃B：175kg/min，65℃鍋爐壓力，17atm（絕壓）出口蒸汽通過內徑為6cm的管子離開鍋爐。如產生的蒸汽是鍋爐壓力下的飽和蒸汽，計算每分鐘要供應鍋爐多少千焦的熱量。忽略進口的動能。解：1143.2能量衡算作水的物料衡算，可知產生的蒸汽流量應為295kg/min。確定各流股的比焓，由水蒸氣表查得30℃、65℃液態(tài)水及17atm時的飽和水蒸汽的焓。查得的數(shù)據已填入流程圖中。寫出能量衡算方程并求解，對于這樣一個敞開體系來說

Q+W=△H+△Ek+△Er由于沒有運動的部件，W=0，由于沒有高度上大的差別，△Er=0，所以

Q=△H+△Ek下面來分別計算△H和△Ek；計算△H

115水蒸氣動能計算：17atm的質量體積V=0.1166m3/kgu=202m/sEk=1/2(295)(202)2=6.02×10(3)kJ/minQ=7.61×10(5)+6.02×10(3)=7.67×10(5)kJ/min動能占總能量的6.02×10(3)/7.61×10(5)=0.78%故本題可視為單純的熱量衡算。3.2能量衡算116III.無化學反應過程的熱量衡算無化學反應過程的能量衡算，一般指進出過程物料的焓差-熱量衡算。由于焓是狀態(tài)函數(shù)，所以一個過程△H，可以用假想的，由始態(tài)到終態(tài)幾個階段代替原過程，每一階段的△Hi之和即為全過程的△H。

3.2能量衡算117途經各個階段的類型有5種，即：恒T時P的變化恒P時T的變化恒T恒P時相態(tài)的變化兩物質在恒T恒P時混合和分離恒T恒P時的反應過程前4種已學（無相變、有相變、混合熱等的計算）下面重點講反應過程的熱量衡算。3.2能量衡算118IV.有化學反應過程的熱量衡算化學反應過程也常伴隨有大量的熱效應—吸熱或放熱。為了使反應溫度得到控制，必須自反應體系排走或向反應供給熱量，即反應器也須有供給或冷卻用的換熱設備，這些都需進行反應過程的熱量衡算。3.2能量衡算119一、反應熱及其表示1.恒壓反應熱在恒壓條件下，如果體系不做非體積功，反應物按化學計量式完全反應，物料在反應前后的焓差稱為恒壓反應熱或反應熱，以△Hr表示。Qp=△Hr注意：一定的△Hr值是對一定的反應式而言的。如果uA是反應物或生成物A的化學計量系數(shù)，nA為發(fā)生反應消耗或生成的A的摩爾數(shù)，則化學反應的總焓差為：△H=nA

△Hr/uA3.2能量衡算1202.恒容反應熱在恒T恒V下，反應物在溫度T時按化學計量系數(shù)完全反應后內能的變化，即為恒容反應熱或恒容熱：Qv=△UrQp與Qv的關系： 如果n是氣態(tài)反應物或生成物i的化學計量系數(shù)，且氣體為理想氣體，設液、固容積變化可忽略，則

△Ur=△Hr－△nRT

3.2能量衡算121二、反應熱數(shù)據的獲得

反應熱（△Hr）的來源：實驗測定已有數(shù)據估算（蓋斯定律）3.2能量衡算1221.由標準生成熱△Hf計算標準反應熱△Hr1）標準生成熱△Hf在1atm、25℃由穩(wěn)定狀態(tài)的單質生成1mol化合物的恒壓反應熱。

規(guī)定在標準態(tài)下（1atm、25℃）處于穩(wěn)定狀態(tài)的單質的△Hf=02）由標準生成熱計算標準反應熱△Hr根據蓋斯定律-化學反應熱只決定于物質的初態(tài)和終態(tài)，與過程的途徑無關，則：△Hr=∑生成物ui（△Hf）－

∑反應物ui（△Hf）3.2能量衡算1233.2能量衡算

△Hr=(△Hf

)CH4－

(2×(△Hf

)H2+

(△Hf

)C(石墨))=(△Hf

)CH4△Hr=(△Hf

)CH4－

(2×(△Hf

)H2+

(△Hf

)C(金剛石))=(△Hf

)CH4－(△Hf

)C(金剛石))1242.由標準燃燒熱△Hc計算標準反應熱△Hr1）標準燃燒熱△Hc在1atm、25℃各種處于穩(wěn)定狀態(tài)的物質進行燃燒反應生成燃燒產物時的焓變。注意：燃燒熱指的1mol化合物與正好足夠的O2反應，生成指定的燃燒產物。2）由標準燃燒熱計算標準反應熱根據蓋斯定律-化學反應熱只決定于物質的初態(tài)和終態(tài)，與過程的途徑無關，則：△Hr=∑反應物ui（△Hc

）－

∑生成物ui（△Hc）3.2能量衡算125三、化學反應過程的熱量衡算

把前述化工過程，加入有化學反應的焓差同前一起計算即可。一般有兩種基準：1.已知△Hr（使用標準反應熱）選擇1atm、25℃為反應物及產物為計算基準。對非反應物質另選適當?shù)臏囟然鶞省?/p>

2.未知△Hr（使用標準生成熱）只能用反應物及產物元素在1atm、25℃時的生成熱為基準，非反應組分另選適當溫度為基準。3.2能量衡算126式中,為進反應器物料在等壓變溫過程中的焓變和有相變時的焓變之和；為出反應器物料在等壓變溫過程中的焓變和有相變時的焓變之和。（一）以標準反應熱為基礎進行衡算對于簡單反應過程，假定位能與動能忽略不計，則：3.2能量衡算為標準狀態(tài)下所有主、副反應的反應熱的總和。1273.2能量衡算反應前反應物溫度：T1恒壓反應：反應后產物溫度：T2反應前反應物溫度：298K反應后產物溫度：298K128例：氨氧化反應器的能量衡算氨氧化反應式為：4NH3(氣)+5O2(氣)=4NO(氣)+6H2O(氣)

此反應在25℃、101.3

kPa的反應熱為=-904.6

kJ/mol。

現(xiàn)有25℃100

molNH3/h和200

molO2/h連續(xù)進入反應器，氨在反應器內全部反應，產物在300℃呈氣態(tài)離開反應器。操作壓力為101.3

kPa，計算反應器應輸入或輸出的熱量。3.2能量衡算反應器25℃，O2200mol/hNH3100mol/h300℃,O275mol/hH2O150mol/hNO100mol/hQ/(kJ/h)129解：由物料衡算得到的各組分的摩爾流量示于圖。

計算焓時的基準態(tài)：25℃，101.3

kPaNH3(氣)，O2(氣)，NO(氣)，H2O(氣)。因此進口兩股物料的焓均為零。計算出口物料的焓：由手冊查得300℃時O2與H2O的值：3.2能量衡算1303.2能量衡算

131氨氧化反應器的能量衡算物料n進(mol/h)H進(mol/h)N出(mol/h)H出(mol/h)NH31000O2200075635.25NO100845.3H2O(氣)1501435.5已知氨的消耗量為100mol/h，反應的標準反應熱由此算出過程的ΔH為=-904.6kJ/mol，則反應放出的熱量：3.2能量衡算132（二）以標準生成熱為基礎進行衡算進入反應器物料的熱焓：出反應器物料的熱焓：3.2能量衡算133其中,是組分i的量(kmol/h)；是組分i的標準生成熱(kJ/mol)；是組分i的等壓熱容(kJ/mol.K)；是進料組分i在基準溫度下從基準相態(tài)變?yōu)檫M料相態(tài)時的相變熱(kJ/mol)；是出料組分i在基準溫度下從基準相態(tài)變?yōu)槌隽舷鄳B(tài)時的相變熱(kJ/mol)。3.2能量衡算1343.2能量衡算反應前反應物溫度：T1恒壓反應：反應后產物溫度：T2反應前反應物溫度：298K反應后產物溫度：298K135例：甲烷在連續(xù)式反應器中用空氣氧化生產甲醛，副反應是甲烷完全氧化生成CO2和H2O。 CH4(氣)+O2

HCHO(氣)+H2O(氣) CH4(氣)+2O2

CO2+2H2O(氣)以100

mol進反應器的甲烷為基準，物料流程圖如示。反應器25℃,CH4100mol100℃,O2100molN2376mol150℃,CH460molHCHO(氣)30molCO210molH2O(氣)50molO250molN2376molQ3.2能量衡算136解：取101.3kPa及25℃時生成各個反應物和產物的各種單質（即C、O2、H2）為基準，非反應物質N2也取101.3kPa及25℃為基準（因25℃是氣體平均摩爾熱容的參考溫度）。3.2能量衡算kJ1373.2能量衡算kJ/molkJkJ/molkJ1383.2能量衡算(150-25)(150-25)kJkJ1393.2能量衡算kJkJkJ/mol1403.2能量衡算kJkJkJkJ/molkJ/mol1413.2能量衡算1423.2能量衡算（一）以標準反應熱為基礎進行衡算（二）以標準生成熱為基礎進行衡算第二種方法可以轉化為第一種方法：主要將由標準生成熱先計算標準反應熱，然后再使用第一種方法。兩種方法：143由標準生成熱△Hf計算標準反應熱△Hr1）標準生成熱△Hf在1atm、25℃由穩(wěn)定狀態(tài)的單質生成1mol化合物的恒壓反應熱。

規(guī)定在標準態(tài)下（1atm、25℃）處于穩(wěn)定狀態(tài)的單質的△Hf=02）由標準生成熱計算標準反應熱△Hr根據蓋斯定律-化學反應熱只決定于物質的初態(tài)和終態(tài)，與過程的途徑無關，則：△Hr=∑生成物ui（△Hf）－

∑反應物ui（△Hf）3.2能量衡算144IV.等溫反應過程的熱量衡算對于等溫反應器:

T進=T出=TE若忽略動能、勢能的變化，則普遍能量平衡式可寫成：

Q=3.2能量衡算145例：某連續(xù)等溫反應器在400℃進行下列反應：CO

(氣)+H2OCO2(氣)+H2(氣)假定原料在溫度為400℃在時按照化學計量比送入反應器。要求CO的轉化率為90%，試計算使反應器內的溫度穩(wěn)定在400℃時所需傳遞的熱量。反應器1molCO(氣)400℃1molH2O(氣)400℃CO2(氣)H2(氣)400℃0.9molCO20.9molH20.1molCO20.9molH2O3.2能量衡算146解：已知進、出反應器的物料組成，不必作物料衡算。查得各物質的標準生成熱：計算物料進、出反應器的焓：CO（400℃，氣）H2O（400℃，氣）3.2能量衡算1473.2能量衡算CO（400℃，氣）H2O（400℃，氣）沒有考慮相變熱！??！148V.絕熱反應過程的熱量衡算絕熱反應過程中與外界完全沒有熱量交換，若忽略動能、勢能的變化，則Q=0即<0，則T出>T進，反應產物被加熱；>0，則T出<T進，反應產物被冷卻。3.2能量衡算1492NO(氣)+O2(氣)2NO2(氣)例：一氧化氮在一連續(xù)的絕熱反應器里被氧化成二氧化氮反應器700℃100molNO50molO