化工工藝計算-物料衡算

課程：化工工藝初級設(shè)計知識點(diǎn)：無化學(xué)反應(yīng)的物料衡算無化學(xué)反應(yīng)過程換熱輸送精餾混合單元操作不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，這類過程常稱為化工單元操作常見無化學(xué)反應(yīng)過程的物料衡算簡單過程僅有一個設(shè)備的單元過程，設(shè)備的邊界就是系統(tǒng)的邊界1混合常見無化學(xué)反應(yīng)過程的物料衡算分離過程僅有一個設(shè)備的單元過程，設(shè)備的邊界就是系統(tǒng)的邊界2常見無化學(xué)反應(yīng)過程的物料衡算多單元系統(tǒng)由數(shù)個單元設(shè)備組成，但要對系統(tǒng)中的每一個設(shè)備都要計算其流量及組成3小結(jié)無化學(xué)反應(yīng)過程12常見無化學(xué)反應(yīng)的物料衡算課程：化工工藝初級設(shè)計知識點(diǎn)：物料衡算方法—聯(lián)系組分法方法簡介

聯(lián)系組分又稱惰性組分，是指在整個生產(chǎn)中隨反應(yīng)物進(jìn)出系統(tǒng)，但完全不參與反應(yīng)的組分，因此其數(shù)量總是不變。

利用聯(lián)系組分的特點(diǎn)以及和其它物料之間的比例關(guān)系，可以算出其它物料的質(zhì)量（或物質(zhì)的量），這種物料衡算方法稱為聯(lián)系組分法。O221%N279%適用場合利用聯(lián)系組分進(jìn)行物料衡算可使計算簡化，尤其在未知量較多的過程中，可通過由聯(lián)系組分建立的關(guān)系式解出部分未知變量，找到解決問題的突破口。舉例例：甲烷與氫的混合氣體在爐子內(nèi)用空氣完全燃燒，煙道氣組分及其組成為組分N2CO2O2H2O合計mol%72.228.132.4917.16100反應(yīng)方程式CH4+2O2=CO2+2H2OH2+1/2O2=H2O計算：（1）燃料中甲烷與氫氣的摩爾比；（2）空氣與混合氣體(CH4+H2)的摩爾比。解：以100mol煙道氣為計算基準(zhǔn)。N2為聯(lián)系組分根據(jù)煙道氣中N2含量，100×0.7222=72.22mol得到輸入的空氣量為72.22/0.79=91.42mol

燃燒爐燃料CH4H2空氣O2N2煙道氣CO28.13%H2O17.16%O22.49%N272.22%91.42則空氣中O2的量為：91.42×0.21=19.20mol混合氣中CH4的量為：8.13molCH4燃燒消耗O2的量為：2×8.13=16.26molH2燃燒消耗O2的量為：19.20-16.26-2.49=0.45mol混合氣體中H2的量為：2×0.45=0.9mol燃燒爐燃料CH4H2空氣O2N2煙道氣CO28.13H2O17.16O2

2.49N272.2291.4219.2072.228.130.9于是輸入混合氣體中甲烷與氫氣的摩爾比為：8.13/0.9=9.03空氣與混合燃料（CH4+H2）的摩爾比為：

91.42/（8.13+0.9）=10.12燃燒爐燃料CH4H2空氣O2N2煙道氣CO28.13H2O17.16O2

2.49N272.2291.4219.2072.228.130.9小結(jié)聯(lián)系組分法簡介1適用場合2舉例說明元聯(lián)系組分法的使用3課程：化工工藝初級設(shè)計知識點(diǎn)：物料衡算方法--元素衡算法方法介紹元素衡算法是物料衡算的一種重要方法，是以反應(yīng)過程中參與反應(yīng)的各種元素為對象列出平衡方程式而進(jìn)行的物料衡算，無需考慮具體的化學(xué)反應(yīng)，按照元素種類被轉(zhuǎn)化及重新組合的概念表示為：

輸入（元素)=輸出（同元素）適用范圍

當(dāng)反應(yīng)過程比較復(fù)雜，同時發(fā)生多個反應(yīng)但詳細(xì)分配情況不清楚或化學(xué)反應(yīng)式無法寫出時，用元素衡算法比較合適，如石油裂解過程。舉例例：已知合成氣的組成為CH40.4%(摩爾分?jǐn)?shù))、CO38.3%、CO25.5%、H252.8%、O20.1%和N22.9%,現(xiàn)用10%過量空氣燃燒，燃燒后生成的燃燒氣中不含CO，計算燃燒氣組成。解：由題意可畫出物料流程示意圖燃燒器合成氣CH40.4%CO

38.3%CO25.5%H252.8%O20.1%N22.9%空氣

O221%N279%燃燒氣CO2H2OO2N2基準(zhǔn)：合成氣100mol·h-1合成氣中各元素（C、H、O、N）的含量：C：H：O：N：生成CO2和H2O所需的氧(元素)量：

燃燒器合成氣CH40.4%CO

38.3%CO25.5%H252.8%O20.1%N22.9%空氣

O221%N279%燃燒氣CO2H2OO2N2理論供氧（元素）量：空氣理論提供量：實(shí)際輸入空氣中相當(dāng)于：N2：O2：燃燒器合成氣CH40.4CO

38.3CO25.5H252.8O20.1N22.9空氣

O221%N279%燃燒氣CO2H2OO2N2合成氣（mol·h-1）C44.2H

107.2O

49.5N

5.8題干：---現(xiàn)用10%過量空氣燃燒---對各物質(zhì)進(jìn)行元素（或分子）衡算：C平衡：（1）H2平衡：（2）O2平衡：（3）N2平衡：（4）由上述四個方程聯(lián)立求解燃燒器中各組分含量可得合成氣C44.2H

107.2O

49.5N

5.8燃燒器合成氣CH4CO

CO2H2O2N2空氣O250.87N2191.39燃燒氣CO2H2OO2N2燃燒氣各組分的摩爾組成為：CO2：H2O：O2

：N2：燃燒器合成氣CH40.4CO

38.3CO25.5H252.8O20.1N22.9空氣O250.87N2191.39燃燒氣CO244.2H2O53.6O24.62N2194.29296.71小結(jié)元素衡算法介紹1元素衡算法適用范圍2舉例說明元素衡算法的使用3課程：化工工藝初級設(shè)計知識點(diǎn)：物料衡算方法--直接計算法方法介紹方法：利用反應(yīng)物在反應(yīng)過程中的消耗量和產(chǎn)物的生成量之間符合化學(xué)計量系數(shù)之比，來進(jìn)行反應(yīng)物消耗和生成物生成量之間的換算，以達(dá)到進(jìn)行反應(yīng)器的物料衡算的目的，這種方法就叫直接計算法?！鱪a:b:c:d適用范圍適用：反應(yīng)過程有明確的化學(xué)反應(yīng)方程式，且反應(yīng)過程比較簡單，沒有很多的副反應(yīng)發(fā)生，并且已知條件比較充分的情況。這樣的計算比較簡便，不必按前面所介紹的方法列出物料衡算式。舉例:見下頁

例：甲醛由甲醇催化氧化制得，反應(yīng)物和生成物均為氣態(tài)，氧化劑由空氣提供，且過量40%，現(xiàn)已知甲醇轉(zhuǎn)化率為70%。試計算反應(yīng)完成后離開反應(yīng)器尾氣氣體混合物的摩爾組成。已知反應(yīng)器中所發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)：舉例解：由題意物料流程如圖所示基準(zhǔn)：100mol的CH3OH理論需O2量：100×0.5=50mol

由已知條件空氣過量40%，那么O2也過量40%，實(shí)際輸入O2量：50×1.4=70mol

實(shí)際輸入的空氣量：

70÷0.21=333.3mol

帶入的N2量：

333.3×0.79=263.3mol

甲醇轉(zhuǎn)化率為70%

1:0.5:1:1

由已知CH3OH轉(zhuǎn)化率為70%，則反應(yīng)掉了的CH3OH量離開反應(yīng)器各組分的輸出量：剩余的

CH3OH100-70=30mol生成的HCHO70mol生成的H2O70mol剩余的O270-

70×0.5=35

mol

輸出的N2263.3mol100mol△n1:0.5:1:1

△n70:35:70:700270, 30mol70mol70mol35mol263.3molN2263.3小結(jié)直接計算法介紹1直接計算法適用范圍2舉例說明直接計算法的使用3課程：化工工藝初級設(shè)計知識點(diǎn)：化學(xué)反應(yīng)的物料衡算化學(xué)反應(yīng)基本概念轉(zhuǎn)化率某物質(zhì)在反應(yīng)中的轉(zhuǎn)化程度選擇性轉(zhuǎn)化成目的產(chǎn)物的某反應(yīng)物量與參加反應(yīng)而轉(zhuǎn)化的該反應(yīng)物總量的百分率。收率進(jìn)入反應(yīng)器的原料與生成目的產(chǎn)物所消耗的原料之間的數(shù)量關(guān)系化學(xué)反應(yīng)過程的物料衡算方法直接計算法根據(jù)化學(xué)反應(yīng)方程式以及反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率和選擇性，利用化學(xué)計量系數(shù)進(jìn)行計算1常見無化學(xué)反應(yīng)過程的物料衡算原子平衡法利用反應(yīng)前后原子的種類和數(shù)目保持不變的原理，列出原子平衡方程式，對反應(yīng)過程進(jìn)行物料衡算2常見無化學(xué)反應(yīng)過程的物料衡算平衡常數(shù)法達(dá)到化學(xué)平衡,在定溫、定壓、且反應(yīng)物的濃度不變時，平衡將保持穩(wěn)定3常見無化學(xué)反應(yīng)過程的物料衡算帶循環(huán)、放空及旁路3試差法代數(shù)解法估計循環(huán)流量，計算至循環(huán)回流節(jié)點(diǎn)以循環(huán)流量為未知數(shù)，聯(lián)立方程組求解小結(jié)化學(xué)反應(yīng)基本概念12化學(xué)反應(yīng)過程的物料衡算方法課程：化工工藝初級設(shè)計知識點(diǎn)：化學(xué)反應(yīng)過程物料衡算時的幾個重要參數(shù)當(dāng)配比不等于化學(xué)計量比時引入以下概念：1、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，以最小化學(xué)計量數(shù)存在的反應(yīng)物。2、過量反應(yīng)物——反應(yīng)物的量超過限制反應(yīng)物完全反應(yīng)所需的理論量的，該反應(yīng)物叫過量反應(yīng)物。限制反應(yīng)物和過量反應(yīng)物注意：（1）按化學(xué)計量數(shù)最小而非絕對量最小；（2）當(dāng)體系有幾個反應(yīng)時，按主反應(yīng)計量關(guān)系考慮；

（3）計算過量反應(yīng)物的理論量時，限制反應(yīng)物必須完全反應(yīng)（無論實(shí)際情況如何，按轉(zhuǎn)化率100%計。)

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)物完全反應(yīng)所需理論量Nt的部分占所需理論量的百分?jǐn)?shù)。過量百分?jǐn)?shù)——某反應(yīng)物反應(yīng)掉的量占其輸入量的百分?jǐn)?shù)。反應(yīng)：aA+bBcC+dD反應(yīng)體系NA1NA2對B的x怎樣求之？轉(zhuǎn)化率注意：1）要注明是指那種反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率；2）反應(yīng)掉的量應(yīng)包括主副反應(yīng)消耗的原料之和；3）若未指明是那種反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率，則常指限制反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率。選擇性S——生成目的產(chǎn)物所消耗的某原料量占該原料反應(yīng)量的百分?jǐn)?shù)。

若有反應(yīng)：aA→dD選擇性

收率Y——生成目的產(chǎn)物所消耗的某原料量占該原料通入量的百分?jǐn)?shù)。收率

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，試計算原料丙烯的轉(zhuǎn)化率、選擇性及丙烯醛的收率。舉例：解：反應(yīng)器物料變化如圖所示

丙烯氧化生成丙烯醛的化學(xué)反應(yīng)方程式：CH2CH=CH2+O2→CH2CHO+H2O一段反應(yīng)器丙烯600kg/h丙烯25kg/h丙烯醛640kg/h丙烯轉(zhuǎn)化率丙烯的選擇性丙烯醛的收率課程：化工工藝初級設(shè)計知識點(diǎn)：計算基準(zhǔn)的選擇計算基準(zhǔn)有以下幾種：1、時間基準(zhǔn)

對連續(xù)穩(wěn)定流動體系，以單位時間作基準(zhǔn)。該基準(zhǔn)可與生產(chǎn)規(guī)模直接聯(lián)系。對間歇過程，以處理一批物料的生產(chǎn)周期作基準(zhǔn)。2、質(zhì)量基準(zhǔn)

對于液、固系統(tǒng)，因其多為復(fù)雜混合物選擇一定質(zhì)量的原料或產(chǎn)品作為計算基準(zhǔn)。

若原料產(chǎn)品為單一化合物或組成已知，取物質(zhì)量（mol）作基準(zhǔn)更方便。3、體積基準(zhǔn)

對氣體選用體積作基準(zhǔn)，通常取標(biāo)況下體積。4、干濕基準(zhǔn)干基不計所含水量，濕基考慮所含水量。恰當(dāng)?shù)倪x取計算基準(zhǔn)可簡化計算。例題：

丙烷充分燃燒時，通入的空氣量為理論量的125％，反應(yīng)式為C3H8+5O2＝＝3CO2+4H2O問100mol燃燒產(chǎn)物需要多少摩爾空氣？3燃燒過程C3H81空氣O221％,2N279％CO2H2OO2N2解：畫出物料流程示意圖（一）取1molC3H8為計算基準(zhǔn)完全燃燒所需氧的理論量5mol實(shí)際供氧量1.25×5＝6.25mol供空氣量6.25／0.21＝29.76mol氣中N2量29.76×0.79＝23.51mol生成水量4mol生成CO2量3mol剩余氧量6.25－5＝1.25mol產(chǎn)生煙道氣的量＝3+4+1.25+23.51

＝31.76mol100mol煙道氣所需空氣的量100×29.76／31.76＝93.7mol（二）取1mol空氣為計算基準(zhǔn)1mol空氣為計算基準(zhǔn)中氧量為0.21mol燃燒丙烷耗氧量0.21／1.25＝0.168mol燃燒丙烷的量0.168／5＝0.0336mol

輸入

輸出組分摩爾克組分摩爾

克C3H80.033644CO20.101132O20.21200H2O0.13572N20.79658O20.04240N20.79658總計1.0336902總計1.068902衡算結(jié)果列于下表：100mol煙道氣所需空氣的量:100／1.068＝93.6mol（三）取100mol煙道氣為計算基準(zhǔn)

煙道氣組成未知，氣中各組分量及所需丙烷和空氣量均未知。設(shè)：N——為煙道氣中N2的量，mol;M——為煙道氣中O2的量，mol;P——為煙道氣中CO2的量，mol;A——入口空氣的量，mol;Q——為煙道氣中H2O的量，mol;B——入口C3H8的量，mol。6個未知量，需列6個獨(dú)立方程。對元素列平衡式：C元素平衡3B＝PH元素平衡8B＝2QN元素平衡2×0.79A＝2NO元素平衡

2×0.21A＝2M+2P+Q

煙道氣總量M+N+P+Q＝100

過剩氧量0.21A×0.25／1.25＝M解上述6個方程的要求的結(jié)果。（過程略）

由上例可知計算基準(zhǔn)選取恰當(dāng)與否，對計算難易影響。所以要重視計算基準(zhǔn)選取?；鶞?zhǔn)選取中幾點(diǎn)說明：

（1）上面幾種基準(zhǔn)具體選哪種（有時幾種共用）視具體條件而定，難以硬性規(guī)定。（2）通常選擇已知變量數(shù)最多的物料流股作基準(zhǔn)較方便。（3）取一定物料量作基準(zhǔn)，相當(dāng)于增加了一個已知條件（當(dāng)產(chǎn)物的原料的量均未知時，使隱條件明朗化）。

（4）選取相對量較大的物流作基準(zhǔn)，可減少計算誤差。課程：化工工藝初級設(shè)計知識點(diǎn)：物料衡算的方法與步驟物料衡算的方法與步驟030201收集數(shù)據(jù)資料確定衡算體系02畫物料流程圖，確定過程所涉及的組分和物流03060204校核，檢驗(yàn)列物料平衡方程求解05選定計算基準(zhǔn)舉例說明（化工物料的混合）：例：

一種廢酸，組成為23%（質(zhì)量%）HNO3，57%H2SO4和20%H2O。加入93%的H2SO4及90%的HNO3，要求混合成27%HNO3及60%H2SO4的混合酸，計算所需廢酸及加入濃酸的量。解：（1）畫物料流程圖，確定過程所涉及的組分和物流混合器廢酸F1濃硫酸F2濃硝酸F3混合酸F4（2）確定衡算體系混合器廢酸F1濃硫酸F2濃硝酸F3混合酸F4（3）收集數(shù)據(jù)資料混合器廢酸F1濃硫酸F2濃硝酸F3x11=0.23x12=0.57x13=0.20x31=0.9x33=0.1x22=0.93x23=0.07混合酸F4x41=0.27x42=0.6x43=0.13說明：下標(biāo)序號第一個序號代表物流；第二個序號代表物流中的組分，1代表HNO3，2代表H2SO4，3代表H2O（4）選定計算基準(zhǔn)題中所給條件為質(zhì)量分率，以質(zhì)量作為計算基準(zhǔn)較好。選取產(chǎn)生100kg混合酸為計算基準(zhǔn)。（也可選擇廢酸作為計算基準(zhǔn)，因?yàn)榻M成都是已知的。）混合器廢酸F1濃硫酸F2濃硝酸F3x11=0.23x12=0.57x13=0.20x31=0.9x33=0.1x22=0.93x23=0.07混合酸F4x41=0.27x42=0.6x43=0.13100kg（5）列物料衡算式混合器廢酸F1濃硫酸F2濃硝酸F3x11=0.23x12=0.57x13=0.20x31=0.9x33=0.1x22=0.93x23=0.07混合酸F4x41=0.27x42=0.6x43=0.13100kg總物料衡算式H2SO4衡算式HNO3衡算式41.8kg39kg19.2kg（6）校核，檢驗(yàn)以H2O的衡算式來驗(yàn)證輸入：輸出：故計算結(jié)果正確?？偽锪虾馑闶紿2SO4衡算式HNO3衡算式混合器廢酸F1濃硫酸F2濃硝酸F3x11=0.23x12=0.57x13=0.20x31=0.9x33=0.1x22=0.93x23=0.07混合酸F4x41=0.27x42=0.6x43=0.13100kg41.8kg39kg19.2kg課程：化工工藝初級設(shè)計知識點(diǎn)：物料衡算的概述物料衡算的理論依據(jù)質(zhì)量守恒定律：即在一個孤立物系中，不論物質(zhì)發(fā)生任何變化，它的質(zhì)量始終不變（不包括核反應(yīng)，因?yàn)楹朔磻?yīng)能量變化非常大，此定律不適用）。質(zhì)量守恒（不是摩爾守恒、體積守恒）（1）原材料消耗定額，判斷是否達(dá)到設(shè)計要求。（2）各設(shè)備的輸入及輸出的物流量，摩爾分率組成及其他組成，并列表，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)備的選型及設(shè)計，并確定三廢排放位置、數(shù)量及組成，有利于進(jìn)一步提出三廢治理的方法。（3）作為熱量計算的依據(jù)。（4）根據(jù)計算結(jié)果繪出物流圖，可進(jìn)行管路設(shè)計及材質(zhì)、儀表及自控設(shè)計的選取等。

物料衡算的意義一種是對已有的生產(chǎn)設(shè)備或裝置，利用實(shí)際測定的數(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(jìn)行分析、作出判斷、提出改進(jìn)措施。（一般的作業(yè)）另一種是設(shè)計一種新的設(shè)備或裝置，根據(jù)設(shè)計任務(wù)，先作物料衡算，求出進(jìn)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，從而確定設(shè)備尺寸及整個工藝流程。（設(shè)計）物料衡算有兩種情況:物料衡算基準(zhǔn)質(zhì)量體積干濕衡算基準(zhǔn)時間對于連續(xù)生產(chǎn)，以一段時間間隔作為計算基準(zhǔn)，如1秒、1小時、1天等的投料量或產(chǎn)品量。這種基準(zhǔn)可直接聯(lián)系到生產(chǎn)規(guī)模和設(shè)備設(shè)計計算，如年產(chǎn)300萬噸乙烯裝置，年操作時間為8000h，每小時的平均產(chǎn)量為37.5t。

對間歇生產(chǎn)，一般可以一釜或一批料的生產(chǎn)周期作為基準(zhǔn)。（1）時間基準(zhǔn)當(dāng)系統(tǒng)介質(zhì)為液、固相時，選擇一定質(zhì)量的原料或產(chǎn)品作為計算基準(zhǔn)是合適的。

如以煤、石油、礦石為原料的化工過程采用一定量的原料，例如：1kg、1000kg等作基準(zhǔn)。如果所用原料或產(chǎn)品系單一化合物，或者由已知組成百分?jǐn)?shù)和組分分子量的多組分組成，那么用物質(zhì)的量（摩爾）作基準(zhǔn)更方便。（2）質(zhì)量基準(zhǔn)對氣體物料進(jìn)行衡算時選用體積基準(zhǔn)。這時應(yīng)將實(shí)際情況下的體積換算為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積，即標(biāo)