化工計(jì)算課件

化工計(jì)算化工計(jì)算的目的及意義一、化工計(jì)算的目的工藝流程的確定設(shè)備的設(shè)計(jì)操作參數(shù)的選定經(jīng)濟(jì)分析二、化工計(jì)算的意義改善操作降低成本提高產(chǎn)品質(zhì)量減少生產(chǎn)過(guò)程的盲目性

化工計(jì)算的內(nèi)容涉及到化工過(guò)程的計(jì)算很多，大致有以下

1.化工過(guò)程基本參數(shù)如溫度、壓力、流量、濃度的計(jì)算；2.基礎(chǔ)物理性質(zhì),特別是混合物物理性質(zhì)的計(jì)算；3.物科衡算：計(jì)算生產(chǎn)過(guò)程中各種物料的數(shù)量與組成的

關(guān)系；4.能量衡算：計(jì)算生產(chǎn)過(guò)程中各種物料的狀態(tài)與能量變

化的關(guān)系。5.化學(xué)或物理過(guò)程的平衡關(guān)系：解決過(guò)程進(jìn)行的方向與

限度；6.化學(xué)或物理過(guò)程的速率的計(jì)算：解決過(guò)程進(jìn)行的快慢

問(wèn)題；7.對(duì)各種設(shè)備的結(jié)構(gòu)和尺寸進(jìn)行計(jì)算的設(shè)備計(jì)算。1.化工基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的獲取；

2.物料衡算：對(duì)化工過(guò)程物料的流量及組

成進(jìn)行計(jì)算；

3.能量衡算：對(duì)化工過(guò)程能量變化進(jìn)行計(jì)

算，在許多情況下，操作所涉及的能量

只有熱能，這時(shí)能量衡算即為熱量衡算。化工計(jì)算的內(nèi)容本課程重點(diǎn)進(jìn)行以下幾個(gè)方面的計(jì)算一、化工工藝過(guò)程的特征按—定程序使原料發(fā)生種種物理和化學(xué)變化加工成為所需要的產(chǎn)品的過(guò)程，都可稱為化工工藝過(guò)程。二、化工工藝過(guò)程的構(gòu)成與分類構(gòu)成預(yù)處理過(guò)程——化學(xué)反應(yīng)過(guò)程——后處理過(guò)程分類1.連續(xù)2.間歇3.半連續(xù)半間歇化工工藝過(guò)程的特征、構(gòu)成與分類1.合理組織生產(chǎn)和管理方面2.化工過(guò)程開(kāi)發(fā)方面3.在設(shè)計(jì)型計(jì)算方面4.在操作型計(jì)算方面化工計(jì)算的作用

化工常用基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

第一節(jié)常用基本物性數(shù)據(jù)一、臨界常數(shù)

臨界常數(shù)是重要的物質(zhì)基本性質(zhì)數(shù)據(jù)，它不僅表示本身的物理意義，而且也是用以計(jì)算其他物質(zhì)基本性質(zhì)的主要數(shù)據(jù)。

1.臨界溫度氣體可以液化的最高溫度稱為臨界溫度，記作Tc。

2.臨界壓力臨界溫度下氣體液化所需的最低壓力稱為臨界壓力，記作Pc。

3.臨界體積在臨界溫度及臨界壓力下，1mol氣體所占的體積稱為臨界體積，記作Vc，即為摩爾臨界體積。

4.臨界常數(shù)的應(yīng)用臨界溫度、臨界壓力和臨界體積通稱為臨界常數(shù)。

第一節(jié)常用基本物性數(shù)據(jù)二、密度和相對(duì)密度1.密度⑴密度單位體積的物質(zhì)所具有的質(zhì)量稱為該物質(zhì)的密度。定義式為理想氣體：⑵重度單位體積物質(zhì)的重量稱為該物質(zhì)的重度，定義式：2.相對(duì)密度物質(zhì)A的相對(duì)密度是物質(zhì)A的密度與基準(zhǔn)物質(zhì)的密度之比。相對(duì)密度一般可通過(guò)數(shù)據(jù)手冊(cè)查得。第一節(jié)常用基本物性數(shù)據(jù)

三、蒸氣壓和飽和蒸氣壓在一定的溫度下，液體內(nèi)的一些分子會(huì)由于運(yùn)動(dòng)而逸出液面形成蒸氣，同時(shí)還有一部分分子從蒸氣中經(jīng)過(guò)液面進(jìn)入液體內(nèi)。當(dāng)逸出液面進(jìn)入蒸氣的分子總數(shù)與經(jīng)過(guò)液面進(jìn)入液體的分子總數(shù)相等時(shí)，我們就說(shuō)液體與其液面上的蒸氣呈飽和狀態(tài)。當(dāng)液體與其蒸氣呈平衡狀態(tài)時(shí)，此蒸氣所產(chǎn)生的壓力稱為飽和蒸氣壓，簡(jiǎn)稱為蒸氣壓。蒸氣壓隨溫度升高而增加。在相同的溫度下，不同的液體的飽和蒸氣壓不同。蒸氣壓越高，液體越容易汽化。第一節(jié)常用基本物性數(shù)據(jù)典型蒸氣壓計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式1.安托尼(Antoine)公式：2.克拉貝龍（Clapeyron）蒸氣壓方程：

第一節(jié)常用基本物性數(shù)據(jù)第一節(jié)常用基本物性數(shù)據(jù)蒸汽壓的計(jì)算舉例

例2-2巳知水的安托尼常數(shù)A＝7.96681，B＝1668.211C＝228．求100℃時(shí)水的飽和蒸氣壓為多少？

解：得：

熱力學(xué)物性數(shù)據(jù)是化工計(jì)算中常用的另一類基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。常用的有：內(nèi)能、焓、熵、熱容、相變熱、自由能、自由焓等。本節(jié)主要內(nèi)容是介紹熱容、相變熱、焓等熱力學(xué)物性數(shù)據(jù)的物理意義、計(jì)算或估算方法。第二節(jié)常用熱力學(xué)物性數(shù)據(jù)一、熱容

當(dāng)對(duì)物質(zhì)進(jìn)行加熱時(shí)，其溫度升高，當(dāng)物質(zhì)冷卻時(shí)放熱，其溫度降低。單位質(zhì)量的物質(zhì)溫度升高1K（或l℃）所需的熱量稱為熱容，又叫比熱。

1.分類

按物質(zhì)的量分

⑴質(zhì)量熱容，單位為

⑵摩爾熱容，單位為

按過(guò)程特征分

⑴恒壓熱容：

⑵恒容熱容：氣體的和不同，但固體和液體的和差別很小，化工計(jì)算中所用的熱容一般都是等壓熱容。第二節(jié)常用熱力學(xué)物性數(shù)據(jù)2.計(jì)算方法⑴式中a、b、c、d——物質(zhì)熱容隨溫度變化的擬合參數(shù)⑵當(dāng)缺乏數(shù)據(jù)時(shí)，可用基團(tuán)結(jié)構(gòu)加和法進(jìn)行估算。式中各參數(shù)查取見(jiàn)教材適合：理想氣體3.舉例：略（見(jiàn)教材）第二節(jié)常用熱力學(xué)物性數(shù)據(jù)第二節(jié)常用熱力學(xué)物性數(shù)據(jù)

二、相變熱1.定義任何物質(zhì)都有三種相態(tài)，氣相、液相和固相，在化工生產(chǎn)過(guò)程中，因?yàn)榉磻?yīng)條件的變化和化學(xué)反應(yīng)的影響，常有物質(zhì)會(huì)從一種相態(tài)變到另一種相態(tài)，出現(xiàn)蒸發(fā)、冷凝、結(jié)晶、升華等相變過(guò)程，在相變發(fā)生的過(guò)程中伴隨著熱量的產(chǎn)生，稱為相變熱。2.分類⑴蒸發(fā)熱（或冷凝熱）：當(dāng)溫度和壓力不變，1mol液體蒸發(fā)時(shí)所需的熱量（或氣體冷凝時(shí)放出的熱量），用表示。

⑵熔融熱（或凝固熱）：當(dāng)溫度和壓力不變，1mol固體熔融所需的熱量（或液體凝固時(shí)放出的熱量），用表示。⑶升華熱（或凝華熱）：當(dāng)溫度和壓力不變，1mol固體升華時(shí)所需的熱量（或氣體凝華時(shí)放出的熱量），用表示。

第二節(jié)常用熱力學(xué)物性數(shù)據(jù)

3.計(jì)算相變熱的經(jīng)驗(yàn)公式蒸發(fā)熱的經(jīng)驗(yàn)公式：⑴特魯頓（Trouton）法則⑵里德?tīng)枺≧eidel）法則

⑶克-克（Clausius-Clapeyron）方程⑷沃森（Watson）公式第二節(jié)常用熱力學(xué)物性數(shù)據(jù)4．舉例例2-4用特魯頓和里德?tīng)柟椒謩e計(jì)算乙醚在正常沸點(diǎn)時(shí)的蒸發(fā)熱（乙醚的、、）。解：（1）用（2-16）式計(jì)算，取88，則（2）用（2-17）式計(jì)算，由、、

第二節(jié)常用熱力學(xué)物性數(shù)據(jù)三、焓1.定義焓是一個(gè)狀態(tài)函數(shù)，它的定義式是：式中H——體系的焓，J；

U——體系的內(nèi)能，J；

p——體系的壓力，Pa；

V——體系的體積，m3

2.計(jì)算

化工產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程往往伴隨著化學(xué)反應(yīng)，化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的反應(yīng)熱是能量衡算過(guò)程中的一個(gè)重要參數(shù)，本節(jié)重點(diǎn)介紹標(biāo)準(zhǔn)生成熱、標(biāo)準(zhǔn)燃燒熱及反應(yīng)熱的有關(guān)概念及它們之間的聯(lián)系。一、標(biāo)準(zhǔn)生成熱第三節(jié)化學(xué)反應(yīng)和熱化學(xué)數(shù)據(jù)

在25℃，101.3kPa下，由穩(wěn)定單質(zhì)生成1mol化合物時(shí)的焓變即為標(biāo)準(zhǔn)生成熱，以表示，單位為：kJ?mol-1，與物質(zhì)狀態(tài)有關(guān)，同一種物質(zhì)在氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)生成熱都是不一樣的，在25℃，101.3kPa下，處于穩(wěn)定狀態(tài)的單質(zhì)其=0，常見(jiàn)物質(zhì)的可查有關(guān)的手冊(cè)，本書附錄中也收錄了一些常見(jiàn)物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)生成熱數(shù)據(jù)。二、標(biāo)準(zhǔn)燃燒熱第三節(jié)化學(xué)反應(yīng)和熱化學(xué)數(shù)據(jù)三、反應(yīng)熱

1.定義

在25℃，101.3kPa下，由各種處于穩(wěn)定狀態(tài)的1mol物質(zhì)進(jìn)行燃燒反應(yīng)生成指定燃燒產(chǎn)物時(shí)的焓變，稱為物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)燃燒熱，以表示。常見(jiàn)物質(zhì)的可查有關(guān)的手冊(cè)，本書附錄中也收錄了一些常見(jiàn)物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)燃燒熱數(shù)據(jù)。

在25℃，101.3kPa下，由穩(wěn)定單質(zhì)生成1mol化合物時(shí)的焓變即為標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)生成熱，以表示，單位為：kJ?mol-1

，與物質(zhì)狀態(tài)有關(guān)，同一種物質(zhì)在氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)生成熱都是不一樣的，在25℃，101.3kPa下，處于穩(wěn)定狀態(tài)的單質(zhì)其=0，常見(jiàn)物質(zhì)的可查有關(guān)的手冊(cè)，本書附錄中也收錄了一些常見(jiàn)物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)生成熱數(shù)據(jù)。第三節(jié)化學(xué)反應(yīng)和熱化學(xué)數(shù)據(jù)

2．計(jì)算1）由標(biāo)準(zhǔn)生成熱計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)熱由標(biāo)準(zhǔn)生成熱計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)熱可采用下式：2）由標(biāo)準(zhǔn)燃燒熱計(jì)算

第四節(jié)傳遞參數(shù)

一、黏度

1.定義 當(dāng)流體流動(dòng)時(shí)，由于其內(nèi)部分子間的作用力不產(chǎn)生的阻力。不同的流體產(chǎn)生的阻力大小不同，所以有的流體容易流動(dòng)，有的流體較難流動(dòng)。表示這種阻力大小的物性叫做黏度。

2.分類黏度一般分為動(dòng)力黏度和運(yùn)動(dòng)黏度兩種。

⑴動(dòng)力黏度——?jiǎng)恿︷ざ榷仁莾闪黧w層相距1cm，其面積各為1cm2，相對(duì)移動(dòng)速度為lcm／s時(shí)所產(chǎn)生的阻力。動(dòng)力黏度又稱絕對(duì)黏度，通常所謂的黏度就是指動(dòng)力黏度。

⑵運(yùn)動(dòng)黏度——運(yùn)動(dòng)黏度是流體的動(dòng)力黏度與其密度之比：

第四節(jié)傳遞參數(shù)二、熱導(dǎo)率熱量能夠從物體的高溫部分沿著物體傳到其低溫部分。這種傳熱過(guò)程叫做熱傳導(dǎo)。不同的物質(zhì)傳熱的本領(lǐng)并不相同。物質(zhì)的傳熱本領(lǐng)可以用熱導(dǎo)率表示。熱導(dǎo)率的定義為物質(zhì)厚度為1m，其兩壁面溫度相差1K時(shí)，每單位時(shí)間通過(guò)該平壁的熱量，以λ表示，λ數(shù)值越大，該物質(zhì)的導(dǎo)熱性能越好。規(guī)律：金屬的熱導(dǎo)率最大，傳熱效果最好，非金屬的固體次之，液體的較小，氣體的最小。

化工過(guò)程參數(shù)

第一節(jié)評(píng)價(jià)化工生產(chǎn)效果的常用指標(biāo)

一、生產(chǎn)能力和生產(chǎn)強(qiáng)度

1.生產(chǎn)能力

⑴定義：生產(chǎn)能力是指生產(chǎn)裝置每年生產(chǎn)的產(chǎn)品量，單位為

⑵分類：設(shè)計(jì)能力、查定能力和現(xiàn)有能力。

①設(shè)計(jì)能力是指在設(shè)計(jì)任務(wù)書和技術(shù)文件中所規(guī)定的生產(chǎn)能力，根據(jù)工廠設(shè)計(jì)中規(guī)定的產(chǎn)品方案和各種數(shù)據(jù)來(lái)確定。通常新建化工企業(yè)竣工投產(chǎn)后，要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)，熟悉和掌握生產(chǎn)技術(shù)后才能達(dá)到規(guī)定的設(shè)計(jì)能力。

②查定能力一般是指老企業(yè)在沒(méi)有設(shè)計(jì)能力數(shù)據(jù)，或雖原有設(shè)計(jì)能力，但由于企業(yè)的產(chǎn)品方案和組織管理、技術(shù)條件等發(fā)生了重大變化，致使原設(shè)計(jì)能力已不能正確反映企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)能力可達(dá)到的水平，此時(shí)重新調(diào)整和核定的生產(chǎn)能力。它是根據(jù)企業(yè)現(xiàn)有條件，并考慮到查定期內(nèi)可能實(shí)現(xiàn)的各種技術(shù)組織措施而確定的。

③現(xiàn)有能力現(xiàn)有能力又稱計(jì)劃能力，指在計(jì)劃年度內(nèi)，依據(jù)現(xiàn)有的生產(chǎn)技術(shù)組織條件及計(jì)劃年度內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)的實(shí)際生產(chǎn)效果，按計(jì)劃期內(nèi)產(chǎn)品方案計(jì)算確定的。

注意：這三種生產(chǎn)能力在實(shí)際生產(chǎn)中各有不同的用途，設(shè)計(jì)能力和查定能力是用作編制企業(yè)長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃的依據(jù)，現(xiàn)有能力是編制年度生產(chǎn)計(jì)劃的重要依據(jù)。

第一節(jié)評(píng)價(jià)化工生產(chǎn)效果的常用指標(biāo)2．生產(chǎn)強(qiáng)度

生產(chǎn)強(qiáng)度指的是單位特征幾何量的生產(chǎn)能力，例如單位體積或單位面積的設(shè)備在單位時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)得到的目的產(chǎn)品數(shù)量(或投入的原料量)，單位是kg?m-3?h-1、t?m-3?d-1或kg?m-2?h-1、t?m-2?h-1等。

催化化學(xué)反應(yīng)設(shè)備的生產(chǎn)強(qiáng)度常用催化劑的空時(shí)產(chǎn)率(或稱時(shí)空收率)來(lái)表示，即單位時(shí)間內(nèi)，單位體積(或單位質(zhì)量)催化劑所能獲得的目的產(chǎn)物的數(shù)量，可表示為kg／(h·m3催化劑)、t／(d，m3催化劑)或kg／(h．kg催化劑)、t／(d·kg催化劑)等。第一節(jié)評(píng)價(jià)化工生產(chǎn)效果的常用指標(biāo)二、轉(zhuǎn)化率

1.定義轉(zhuǎn)化率是反應(yīng)物料中的某一反應(yīng)物在一個(gè)系統(tǒng)中參加化學(xué)反應(yīng)的量占其通入系統(tǒng)總量的百分?jǐn)?shù)，它表示了化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的程度。2.表達(dá)式3.分類根據(jù)研究的系統(tǒng)不同，工業(yè)生產(chǎn)中轉(zhuǎn)化率分為有單程轉(zhuǎn)化率和總轉(zhuǎn)化率，單程轉(zhuǎn)化率是以生產(chǎn)過(guò)程中的反應(yīng)器為系統(tǒng)

⑴單程轉(zhuǎn)化率

單程轉(zhuǎn)化率=⑵總轉(zhuǎn)化率

第一節(jié)評(píng)價(jià)化工生產(chǎn)效果的常用指標(biāo)

三、限制反應(yīng)物與過(guò)量反應(yīng)物

1.限制反應(yīng)物化學(xué)反應(yīng)原料不按化學(xué)計(jì)量比配料時(shí)，其中以最小化學(xué)計(jì)量數(shù)存在的反應(yīng)物稱為限制反應(yīng)物。

2.過(guò)量反應(yīng)物不按化學(xué)計(jì)量比配料的原料中，某種反應(yīng)物的量超過(guò)限制反應(yīng)物完全反應(yīng)所需的理論量，該反應(yīng)物稱為過(guò)量反應(yīng)物。

3.過(guò)量百分?jǐn)?shù)過(guò)量反應(yīng)物超過(guò)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)。通常以此來(lái)表示過(guò)量反應(yīng)物的過(guò)量程度。其計(jì)算方法有兩種⑴用化學(xué)計(jì)量數(shù)計(jì)算：過(guò)量%=

第一節(jié)評(píng)價(jià)化工生產(chǎn)效果的常用指標(biāo)第一節(jié)評(píng)價(jià)化工生產(chǎn)效果的常用指標(biāo)（2）用反應(yīng)物量計(jì)算過(guò)量百分?jǐn)?shù)由定義式也可表示為：過(guò)量反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率總是小于限制反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率，一般沒(méi)有特別說(shuō)明的情況下轉(zhuǎn)化率是指限制反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率，它可以用作衡量反應(yīng)完全程度的標(biāo)準(zhǔn)。4.舉例

第一節(jié)評(píng)價(jià)化工生產(chǎn)效果的常用指標(biāo)

例3-1：用磨碎的礬土礦與硫酸反應(yīng)制得硫酸鋁，反應(yīng)式如下：礬土礦中含Al2O355.4%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），硫酸溶液的濃度為77.7%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。以1080kg礬土礦和2510kg硫酸溶液為原料，生產(chǎn)出1798kg純的硫酸鋁產(chǎn)品。求⑴反應(yīng)物料中哪一種反應(yīng)物為過(guò)量反應(yīng)物？⑵過(guò)量反應(yīng)物的過(guò)量百分?jǐn)?shù)為多少？⑶過(guò)量反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率是多少？⑷限制反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率為多少？第一節(jié)評(píng)價(jià)化工生產(chǎn)效果的常用指標(biāo)⑴過(guò)量反應(yīng)物的判斷計(jì)算各反應(yīng)物的化學(xué)計(jì)量數(shù)Al2O3的化學(xué)計(jì)量數(shù)：5.87H2SO4的化學(xué)計(jì)量數(shù)：所以H2SO4為過(guò)量反應(yīng)物⑵過(guò)量反應(yīng)物H2SO4的過(guò)量百分?jǐn)?shù)的計(jì)算H2SO4的化學(xué)計(jì)量數(shù)：第一節(jié)評(píng)價(jià)化工生產(chǎn)效果的常用指標(biāo)⑶生產(chǎn)5.26kmolAl2(SO4)3需消耗硫酸的量則硫酸的轉(zhuǎn)化率為：⑷限制反應(yīng)物即Al2O3的轉(zhuǎn)化率

從本題可看出，限制反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率為90%，過(guò)量反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率僅為79.4%，限制反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率遠(yuǎn)比過(guò)量反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率大，它才是真正表達(dá)了反應(yīng)的完全程度。第一節(jié)評(píng)價(jià)化工生產(chǎn)效果的常用指標(biāo)

三、產(chǎn)率和選擇性

1.產(chǎn)率產(chǎn)率指的是化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中得到目的產(chǎn)品的百分?jǐn)?shù)。常用的產(chǎn)率指標(biāo)為理論產(chǎn)率。理論產(chǎn)率是以產(chǎn)品的理論產(chǎn)量為基礎(chǔ)來(lái)計(jì)算的產(chǎn)率，即化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中實(shí)際所得目的產(chǎn)品量占理論產(chǎn)量的百分?jǐn)?shù)。一般情況下，實(shí)際得到的目的產(chǎn)品數(shù)量只會(huì)比理論產(chǎn)量小，因此理論產(chǎn)率總是小于100%。根據(jù)計(jì)算目的產(chǎn)品理論產(chǎn)量的基準(zhǔn)不同，理論產(chǎn)率又有兩種不同的表示方法。2.選擇性

3.單程收率

選擇性和單程收率的關(guān)系：選擇性×單程轉(zhuǎn)化率＝單程收率

第一節(jié)評(píng)價(jià)化工生產(chǎn)效果的常用指標(biāo)

四、收率收率泛指一般的反應(yīng)過(guò)程及非反應(yīng)過(guò)程中得到的目的產(chǎn)品的百分率。

在某些生產(chǎn)過(guò)程中，由于采用的原料是復(fù)雜的混合物，其中的各種成分都有可能轉(zhuǎn)化為目的產(chǎn)物，而各種物料在反應(yīng)中轉(zhuǎn)化為目的產(chǎn)物的情況又很難確定（比如石油裂解生產(chǎn)有機(jī)原料乙烯過(guò)程），此時(shí)，無(wú)法或很難用產(chǎn)率來(lái)表示產(chǎn)品的得率。為了表明反應(yīng)效果，就常以收率來(lái)計(jì)算目的產(chǎn)物的得率。第一節(jié)評(píng)價(jià)化工生產(chǎn)效果的常用指標(biāo)五、舉例

例3-3：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。第一節(jié)評(píng)價(jià)化工生產(chǎn)效果的常用指標(biāo)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消耗定額

工藝技術(shù)管理工作的目標(biāo)除了保證完成目的產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量，還要努力降低消耗，因此各化工企業(yè)都根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和本企業(yè)的條件在工藝技術(shù)規(guī)程中規(guī)定了各種原材料的消耗定額，作為本企業(yè)的工藝技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。如果超過(guò)了規(guī)定指標(biāo)，必須查找原因，降低消耗以達(dá)到生產(chǎn)強(qiáng)度大、產(chǎn)品質(zhì)量高、單位產(chǎn)品成本低的目的。1.定義指生產(chǎn)單位產(chǎn)品所消耗的各種原料及輔助材料——水、燃料、電力和蒸汽量等。第二節(jié)工藝技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)第二節(jié)工藝技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)2.分類⑴原料消耗定額

如果將初始物料（—般不是100%的純物質(zhì)）轉(zhuǎn)化為具有一定純度要求的最終產(chǎn)品，按化學(xué)反應(yīng)方程式的化學(xué)計(jì)量為基礎(chǔ)計(jì)算的消耗定額，稱為理論消耗定額，用“A理”表示。它是生產(chǎn)單位目的產(chǎn)品時(shí)，必須消耗原料量的理論值，因此實(shí)際過(guò)程的原料消耗量絕不可能低于理論消耗定額?；て髽I(yè)的原材料消耗定額數(shù)據(jù)是根據(jù)理論消耗定額，參考同類型生產(chǎn)工廠的消耗定額數(shù)據(jù)，考慮本企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)際情況(工藝允許的物料損失和生產(chǎn)中應(yīng)該能達(dá)到的水平等)估算出來(lái)而編入工藝技術(shù)規(guī)程，作為本企業(yè)的控制指標(biāo)。

⑵公用工程的消耗定額

公用工程指的是化工廠必不可少的供水、供熱、冷凍、供電和供氣等條件。第二節(jié)工藝技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)3．舉例

例3-4：乙醛氧化法生產(chǎn)醋酸，已知原料投料量為純度99.4%的乙醛500kg/h，得到的產(chǎn)物為純度98%的醋酸580kg/h，試計(jì)算原料乙醛的理論消耗定額、實(shí)際消耗定額以及原料利用率。

解：乙醛氧化法生產(chǎn)醋酸的化學(xué)反應(yīng)方程式為：CH3CHO＋l／2O2——>CH3COOH原料乙醛的理論消耗定額、實(shí)際消耗定額以及原料利用率為：A理＝(1000×44÷0.994)／(60÷0.98)＝723(kg原料乙醛／t成品醋酸)A實(shí)＝(1000×500)／580＝862.06(kg原料乙醛／t成品醋酸)η＝(723／862.06)×100％＝83.87％

物料衡算

前言一、物料衡算的理論依據(jù)物料衡算的理論依據(jù)是質(zhì)量守恒定律，即在一個(gè)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）。

二、物料衡算的意義1．通過(guò)物料衡算可以知道原料、產(chǎn)品、副產(chǎn)品及中間產(chǎn)品之間量的關(guān)系，從而計(jì)算出原料的轉(zhuǎn)化率、產(chǎn)品的收率、物料損失情況及原料的消耗定額。

2．通過(guò)物料衡算得到的數(shù)據(jù)是設(shè)計(jì)或選擇設(shè)備類型、臺(tái)數(shù)和尺寸的依據(jù)，以便對(duì)設(shè)備作進(jìn)一步的計(jì)算。3．對(duì)新建車間、工段或裝置的生產(chǎn)工藝指標(biāo)進(jìn)行預(yù)估，對(duì)化工過(guò)程和設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)。第一節(jié)物料衡算式一、化工過(guò)程的類型1．化工過(guò)程根據(jù)其操作方式可以分成連續(xù)操作、間歇操作以及間歇連續(xù)操作（半間歇或半連續(xù)操作）三類。2．化工過(guò)程按物系是否穩(wěn)定，可分為穩(wěn)定狀態(tài)操作和非穩(wěn)定狀態(tài)操作。本章主要是以穩(wěn)定狀態(tài)操作過(guò)程為主介紹物料衡算的有關(guān)方法，對(duì)不穩(wěn)定狀態(tài)操作過(guò)程只作簡(jiǎn)要的介紹。二、物料衡算式對(duì)任何一個(gè)體系，物料平衡關(guān)系式可表示為：輸入的物料量－輸出的物料量－反應(yīng)消耗的物料量＋反應(yīng)生成的物料量=積累的物料量

第一節(jié)物料衡算式1、穩(wěn)定操作狀態(tài)穩(wěn)定操作時(shí)，積累的物料量=0（1）有化學(xué)反應(yīng)，此時(shí)物料平衡關(guān)系式為：輸入的物料量－輸出的物料量－反應(yīng)消耗的物料量＋反應(yīng)生成的物料量=0（2）無(wú)化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)消耗和生成的物料量為零，此時(shí)物料平衡關(guān)系式為：輸入的物料量—輸出的物料量=0非穩(wěn)定操作狀態(tài)非穩(wěn)定操作時(shí)，積累的物料量不為零（1）有化學(xué)反應(yīng)輸入的物料量—輸出的物料量—反應(yīng)消耗的物料量+反應(yīng)生成的物料量=積累的物料量即為通式。（2）無(wú)化學(xué)反應(yīng)輸入的物料量—輸出的物料量=積累的物料量

一、物料衡算的范圍進(jìn)行物料衡算時(shí)，必須首先確定衡算的體系。所謂體系就是物料衡算的范圍，它可以是一個(gè)設(shè)備或幾個(gè)設(shè)備，也可以是一個(gè)單元操作或整個(gè)化工過(guò)程，可以根據(jù)實(shí)際需要人為地選定，體系的確定以能簡(jiǎn)化解題為原則。物料衡算必定是針對(duì)特定的衡算體系的，它主要研究在某一個(gè)體系內(nèi)進(jìn)、出物料量及組成的變化。二、物料衡算的基本步驟進(jìn)行物料衡算時(shí)，尤其是那些設(shè)備和過(guò)程較多的復(fù)雜體系的物料衡算，應(yīng)按照一定的計(jì)算步驟來(lái)進(jìn)行。

第二節(jié)物料衡算的基本方法1．收集、整理計(jì)算數(shù)據(jù)（1）設(shè)計(jì)任務(wù)數(shù)據(jù)

①生產(chǎn)規(guī)模根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)、生產(chǎn)能力來(lái)確定。

②生產(chǎn)時(shí)間即年工作時(shí)數(shù)（操作時(shí)間），一般為7200-8000小時(shí)左右。

③有關(guān)工藝技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)即原料的消耗定額、轉(zhuǎn)化率、收率、選擇性（或產(chǎn)率）等。（2）物性數(shù)據(jù)如質(zhì)量、密度、濃度、反應(yīng)平衡常數(shù)、相平衡常數(shù)等，可以在有關(guān)資料、手冊(cè)、數(shù)據(jù)匯編等處查找。查找時(shí)應(yīng)注意資料的可靠性，盡可能找原始資料并注意數(shù)據(jù)的適用范圍。所收集的數(shù)據(jù)應(yīng)統(tǒng)一使用國(guó)際單位制。（3）工藝參數(shù)如溫度、壓力、流量、原料配比、停留時(shí)間等。第二節(jié)物料衡算的基本方法第二節(jié)物料衡算的基本方法2．畫出物料流程簡(jiǎn)圖（1）畫物料流程圖的方法a.用簡(jiǎn)單的方框表示過(guò)程中的設(shè)備，方框中標(biāo)明過(guò)程的特點(diǎn)或設(shè)備的名稱；b.用帶箭頭的線條表示每股物流的途徑和流向舉例：物料流程示意圖

第二節(jié)物料衡算的基本方法在圖中，應(yīng)表示出所有物料線，并注明所有已知和未知變量。如果過(guò)程中有很多股物流，則可將每股物流進(jìn)行編號(hào)，以避免出錯(cuò)。舉例：含CH485%和C2H615%（摩爾分?jǐn)?shù)）的天然氣與空氣在混合器中混合。得到的混合氣體含CH410%。試計(jì)算100mol天然氣應(yīng)加入的空氣量及得到的混合氣量。所畫的物料流程簡(jiǎn)圖如下圖所示：混合過(guò)程的物料流程圖第二節(jié)物料衡算的基本方法3．確定衡算體系根據(jù)衡算對(duì)象的情況，用框圖形式畫出物料流程簡(jiǎn)圖后，必要時(shí)可在流程圖中用虛線表示體系的邊界，從虛線與物料流股的交點(diǎn)可以很方便地知道進(jìn)出體系的物料流股有多少。當(dāng)物料衡算過(guò)程較復(fù)雜，包含有很多設(shè)備時(shí)，合理選擇衡算體系對(duì)解題是很有幫助的，特別是第一個(gè)衡算體系的確定，往往是解題的突破口，解決問(wèn)題之關(guān)鍵，這時(shí)原則上應(yīng)選擇已知條件最多、物料組分最多、未知變量最少的體系作為第一個(gè)衡算系統(tǒng)，這些條件有時(shí)不一定能同時(shí)滿足，可視具體情況進(jìn)行取舍。如果再不能確定衡算體系，需列表進(jìn)行自由度分析，檢查給定的數(shù)據(jù)條件與求解的變量數(shù)目是否相符，確定求解的步驟。第二節(jié)物料衡算的基本方法4．寫出化學(xué)反應(yīng)方程式

寫化學(xué)反應(yīng)方程式時(shí)，應(yīng)按化學(xué)反應(yīng)方程式的正確配平方法將方程式配平，包括主反應(yīng)和副反應(yīng)，并將參與反應(yīng)的各反應(yīng)物和生成物的分子量列表匯總表示出來(lái)，以備計(jì)算時(shí)用。5．選擇合適的計(jì)算基準(zhǔn)，并在流程圖上注明所選的基準(zhǔn)值。計(jì)算基準(zhǔn)即作物料衡算時(shí)先確定的某一股物料的量。在物料、能量衡算中，計(jì)算基準(zhǔn)的選取至關(guān)重要，從原則上說(shuō)選擇任何一種計(jì)算基準(zhǔn)，都能得到正確的解答。在一般化工計(jì)算中，根據(jù)過(guò)程的特點(diǎn)選擇計(jì)算基準(zhǔn)大致可以從以下幾個(gè)方面考慮：第二節(jié)物料衡算的基本方法

（1）時(shí)間基準(zhǔn)（2）質(zhì)量基準(zhǔn)（3）物質(zhì)的量基準(zhǔn)（4）體積基準(zhǔn)對(duì)于不同化工過(guò)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。例如，當(dāng)進(jìn)料的組成未知時(shí)（比如以煤．原油等作為原料），只能選單位質(zhì)量作基準(zhǔn)；當(dāng)密度已知時(shí)，也可選體積作基準(zhǔn)。但是，不能選1摩爾煤或1摩爾原油作基準(zhǔn)，因?yàn)椴恢浪鼈兊姆肿恿?。?duì)有化學(xué)反應(yīng)的體系，可以選某一個(gè)反應(yīng)物的物質(zhì)的量（摩爾數(shù)）作基準(zhǔn)，因?yàn)榛瘜W(xué)反應(yīng)是按反應(yīng)物之間的摩爾比進(jìn)行的。第二節(jié)物料衡算的基本方法

根據(jù)不同過(guò)程的特點(diǎn)，選擇計(jì)算基準(zhǔn)時(shí)，應(yīng)該注意以下幾點(diǎn)：⑴應(yīng)選擇已知變量數(shù)最多的流股作為計(jì)算基準(zhǔn)。⑵對(duì)液體或固體的體系，常選取單位質(zhì)量作基準(zhǔn)。⑶對(duì)連續(xù)流動(dòng)體系，用單位時(shí)間作計(jì)算基準(zhǔn)有時(shí)較方便。⑷對(duì)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(zhǔn)。下面舉例說(shuō)明選擇不同的計(jì)算基準(zhǔn)對(duì)解題難簡(jiǎn)的影響程度。

第二節(jié)物料衡算的基本方法

例4-1：丙烷充分燃燒（即轉(zhuǎn)化率100%）時(shí)，實(shí)際供入的空氣量為理論所需量的125%，反應(yīng)式為：求：每生成100mol的燃燒產(chǎn)物實(shí)際需要供入多少摩爾空氣？第二節(jié)物料衡算的基本方法解：由題意物料流程簡(jiǎn)圖如下：由流程圖可知：該體系有三股物流：丙烷、空氣、燃燒產(chǎn)物。原則上基準(zhǔn)的選擇有三種方法：1.選一定量的空氣為計(jì)算基準(zhǔn)2.選一定量的丙烷為計(jì)算基準(zhǔn)3.選一定量的燃燒產(chǎn)物為計(jì)算基準(zhǔn)下面分別以這三種物料為基準(zhǔn)，比較各種計(jì)算方法的難易程度，以說(shuō)明合理選擇基準(zhǔn)的重要性。方法一基準(zhǔn)：1mol1molC3H8完全燃燒需要的理論空氣量計(jì)算：由反應(yīng)式，完全燃燒理論上需氧量（即實(shí)際耗氧量）：5mol由空氣過(guò)量125%即氧氣過(guò)量125%，有：實(shí)際供氧量折算成實(shí)際供空氣量（空氣中含氧21%）29.76mol空氣中含氮量反應(yīng)后剩余O2量1.25mol反應(yīng)所產(chǎn)生的CO2量3mol反應(yīng)所產(chǎn)生的H2O量4mol總的燃燒產(chǎn)物量：(23.51+1.25+3+4)mol=31.76mol所以，每100mol燃燒產(chǎn)物所需空氣量為：第二節(jié)物料衡算的基本方法方法二基準(zhǔn)：1mol空氣按題意供入的空氣量為理論量的125%，則理論上所需空氣量為：因?yàn)?mol空氣中含氧量為0.21mol；所以供燃燒C3H8的氧量（即反應(yīng)消耗氧）由反應(yīng)式，燃燒C3H8的量為反應(yīng)產(chǎn)生的CO2量為反應(yīng)產(chǎn)生的H2O量為反應(yīng)后剩余的O2量為通入1mol空氣產(chǎn)生的燃燒產(chǎn)物的總量為：

所以，每100mol燃燒產(chǎn)物需空氣量為：第二節(jié)物料衡算的基本方法第二節(jié)物料衡算的基本方法

方法三基準(zhǔn)：燃燒產(chǎn)物有六個(gè)未知變量，引進(jìn)六個(gè)參數(shù)，分別為：N——燃燒產(chǎn)物中N2的量，mol；M——燃燒產(chǎn)物中O2的量，mol；P——燃燒產(chǎn)物中CO2的量，mol；Q——燃燒產(chǎn)物中H2O的量，mol；A——入口空氣的量，mol；B——入口的量，mol。因有6個(gè)未知量，所以必須列6個(gè)獨(dú)立方程，列各元素的平衡：體系中有四種元素，可以列四個(gè)獨(dú)立物料衡算方程。列元素平衡：由C平衡，有：3B=P（1）由H2平衡，有：4B=Q（2）由O2平衡，有：（3）由N2平衡，有：0.79A=N（4）另有兩個(gè)輔助條件方程：有燃燒產(chǎn)物總量，有：M+N+P+Q=100mol（5）反應(yīng)后剩余的氧量：（6）第二節(jié)物料衡算的基本方法可用消元法解上列方程組第二節(jié)物料衡算的基本方法

從上述三種不同基準(zhǔn)的解法可看出，第三種解法雖然避免了換算，但是比第一、第二種解法工作量大。如果線性方程組較復(fù)雜，則解方程組時(shí)工作量更大。所以，從題意看，第一、第二種解法所選的基準(zhǔn)比較恰當(dāng)。由上例可見(jiàn)，選擇合適的基準(zhǔn)，能簡(jiǎn)化解題、減少計(jì)算工作量，將復(fù)雜問(wèn)題簡(jiǎn)單化還否則會(huì)適得其反，將簡(jiǎn)單問(wèn)題復(fù)雜化，所以基準(zhǔn)的合理選擇是解題步驟中一個(gè)很重要的技巧。說(shuō)明：本題丙烷的轉(zhuǎn)化率為100%，所以對(duì)于過(guò)量反應(yīng)物理論所需量和實(shí)際消耗量是一致的。第二節(jié)物料衡算的基本方法6．列出物料衡算式，然后用數(shù)學(xué)方法求解。根據(jù)衡算體系的具體情況，列出所有獨(dú)立的物料衡算式，當(dāng)未知變量數(shù)等于獨(dú)立方程式個(gè)數(shù)時(shí)，可用代數(shù)法求解。如當(dāng)未知數(shù)變量多于獨(dú)立方程式個(gè)數(shù)時(shí)，只能采用試差法或計(jì)算機(jī)來(lái)解題解。7．校核、整理計(jì)算結(jié)果將物料衡算的結(jié)果加以整理、校核，列成物料衡算表。表中需列出輸入、輸出的物料名稱、數(shù)量及單位和占總物料的百分?jǐn)?shù)。第三節(jié)無(wú)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的物料衡算

無(wú)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程是指一些只有物理變化而沒(méi)有化學(xué)反應(yīng)的單元操作，例如混合、精餾、蒸發(fā)、干燥、吸收、結(jié)晶、萃取、過(guò)濾等，或是雖有化學(xué)反應(yīng)，但以物理變化為主，這些過(guò)程的物料衡算都可以根據(jù)質(zhì)量守恒定律，由物料衡算式（4-4），列出總物料和各組分的衡算式，再用代數(shù)法求解即可。一、簡(jiǎn)單過(guò)程的物料衡算簡(jiǎn)單過(guò)程，是指僅有一個(gè)設(shè)備或一個(gè)單元操作，或整個(gè)過(guò)程雖有多個(gè)設(shè)備，但可簡(jiǎn)化成一個(gè)設(shè)備的過(guò)程。這種過(guò)程的物料衡算叫做簡(jiǎn)單過(guò)程的物料衡算，這種過(guò)程的物料衡算比較簡(jiǎn)單，在物料流程簡(jiǎn)圖中，設(shè)備邊界就是體系邊界。第三節(jié)無(wú)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的物料衡算1、混合當(dāng)物料的濃度不符合化工生產(chǎn)要求時(shí)，經(jīng)常需要通過(guò)加入其它濃度的物質(zhì)來(lái)進(jìn)行調(diào)整，這就是混合，混合有氣體和氣體之間的混合，液體和液體之間的混合。

例4-2：現(xiàn)有800kg用過(guò)的稀電池溶液，內(nèi)含H2SO412.43%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）?，F(xiàn)在需將其配制成含有H2SO418.63%的溶液再重新利用，問(wèn)需加入77.7%的H2SO4多少千克合適？可制得多少千克可利用的酸？第三節(jié)無(wú)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的物料衡算解：根據(jù)題意可畫出如下圖4-9所示的物料流程圖分析：此題中有四個(gè)已知數(shù)據(jù)：一個(gè)質(zhì)量數(shù)據(jù)，三個(gè)組成數(shù)據(jù)，要求的有兩個(gè)未知變量，體系中有兩種物質(zhì)，可列出兩個(gè)獨(dú)立的物料衡算方程，問(wèn)題可解。設(shè)F2為濃度77.7%H2SO4的質(zhì)量，F(xiàn)3為濃度18.63%的H2SO4質(zhì)量?？梢詫懗鲆粋€(gè)總物料平衡式和兩個(gè)組成平衡式，其中任意兩個(gè)方程組合都是獨(dú)立方程，可以解出兩個(gè)未知變量。第三節(jié)無(wú)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的物料衡算第三節(jié)無(wú)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的物料衡算第三節(jié)無(wú)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的物料衡算2.結(jié)晶在化工生產(chǎn)中，為了精制固體物質(zhì)，使溶解于液體中的固體溶質(zhì)呈結(jié)晶狀析出的操作稱為結(jié)晶。它是獲得純凈固體物質(zhì)的重要方法之一，應(yīng)用較廣泛。在有關(guān)結(jié)晶的物料衡算中，溶解度和質(zhì)量百分比濃度之間的換算是必需的，因?yàn)閷?duì)于飽和溶液從手冊(cè)上能查到的是溶解度數(shù)據(jù)而非質(zhì)量百分比濃度數(shù)據(jù)。第三節(jié)無(wú)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的物料衡算

例4-5：1000千克KCl飽和水溶液盛于結(jié)晶槽中，溫度為800C。將此溶液冷卻到200C，若在冷卻過(guò)程中，進(jìn)料溶液中的水有7%蒸發(fā)掉，求從溶液中結(jié)晶出的KCl量。解：由手冊(cè)查得KCl在水中的溶解度數(shù)據(jù)為：

80℃：51.1克KCl/100克H2O20℃：24.0克KCl/100克H2O。畫物料流程示意圖：如下頁(yè)第三節(jié)無(wú)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的物料衡算80℃KCl飽和溶液

H2O

1000kgKCl結(jié)晶

xkg20℃KCl飽和溶液第三節(jié)無(wú)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的物料衡算第三節(jié)無(wú)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的物料衡算3．吸收在石油化工生產(chǎn)中，常常需要分離氣體混合物以獲得純凈的原料氣或氣體產(chǎn)品，吸收操作就是分離氣體混合物的一種有效方法。

例4-6：將含20%（質(zhì)量百分?jǐn)?shù)）丙酮與80%空氣的混合氣輸入吸收塔，塔頂用噴水吸收丙酮。吸收塔塔頂出口氣體含丙酮3%，空氣97%，吸收塔底得到50千克含10%丙酮的水溶液，計(jì)算輸入吸收塔氣體的量。

解：詳細(xì)過(guò)程如下所示

第三節(jié)無(wú)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的物料衡算第三節(jié)無(wú)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的物料衡算解：由題意畫出物料流程示意圖：如下所示第三節(jié)無(wú)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的物料衡算第三節(jié)無(wú)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的物料衡算4．干燥在化工生產(chǎn)中，有些原料、半成品和成品常含有水分（或其他溶劑）。為了便于加工，運(yùn)輸、貯藏和使用，須將物料中的水分（其他溶劑）除去。這種從物料中去除水分（或其他溶劑）的操作稱去濕，去濕的方法很多，可分三類：（1）化學(xué)去濕法；（2）機(jī)械除濕法；（3）熱能去濕法。熱能去濕法也稱干燥。第三節(jié)無(wú)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的物料衡算

例4-7：現(xiàn)有濕紙漿含水71%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），需通過(guò)干燥去掉其初始水分的80%，試計(jì)算干燥后紙漿中的含水量和每千克濕紙漿去掉的水分量。解：由題意干燥過(guò)程的物料流程如下圖所示。第三節(jié)無(wú)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的物料衡算第三節(jié)無(wú)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的物料衡算5．蒸餾

蒸餾是利用液體混合物中各組分的揮發(fā)度不同進(jìn)行組分分離，多用于分離各種有機(jī)物的混合液，也有用于分離無(wú)機(jī)物混合液的，例如液體空氣中氮與氧的分離。例4-8：有一個(gè)蒸餾塔，輸入和輸出物料量及組成如下圖4-16。輸入物料1中A組分的98.7%自塔頂蒸出。求每千克輸入物料可得到塔頂餾出物2的量及其組成。

第三節(jié)無(wú)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的物料衡算解：基準(zhǔn)：100

kg·h-1輸入物料令x=餾出物中A的百分含量，y

=餾出物中B的百分含量。第三節(jié)無(wú)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的物料衡算將各物料的流量及組成列于下表由上表可以看出，共有5個(gè)未知量，即P、W及流股2的組成A、B、C，由于組成A、B、C的百分含量之和為1，所以只需求得任意兩個(gè)組成，如A、B（或B、C或C、A），第三個(gè)組成就可求出。因此實(shí)際上是4個(gè)未知量，需要4個(gè)方程。但是輸入和輸出物料中共有3個(gè)組分，因而只能寫出3個(gè)獨(dú)立物料衡算式。第四個(gè)方程必須從另外給定的條件列出。根據(jù)題意，已知輸入物料中A組分的98.7%自塔頂蒸出，即流股2中A組分量為:

（1）總物料衡算式有P和W兩個(gè)未知量。A、B、C三個(gè)組分的衡算式中，A組分的衡算式只含一個(gè)未知量W，所以先列A組分的衡算式。A組分衡算式：（2）總物料衡算式：（3）B組分衡算式：（4）由（2）式得：代入（3）式得：代入（4）式得：y=56.54%第三節(jié)無(wú)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的物料衡算第三節(jié)無(wú)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的物料衡算

由（1）式得：餾出物中C組成為：由C組分衡算式得：

結(jié)果符合由上例可以看出，因?yàn)榈诙€(gè)方程只有一個(gè)未知參數(shù)，解這樣的方程，可以避免解方程組。第三節(jié)無(wú)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的物料衡算總結(jié):

以上幾例為無(wú)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的物料衡算，當(dāng)利用代數(shù)法求解時(shí)，列衡算式應(yīng)注意下列幾點(diǎn)：

⑴無(wú)化學(xué)反應(yīng)體系，能列出的獨(dú)立物料衡算式數(shù)目，最多等于輸入和輸出物料中化學(xué)組分的數(shù)目。

⑵首先列出含未知量數(shù)目最少的物料衡算方程，最好是能列出一個(gè)方程解一個(gè)未知數(shù)，然后一步一步地列出其它的方程，避免了解方程組的繁瑣。

⑶若體系內(nèi)具有很多多組分的物料，則最好將每股物流編號(hào)，并列表表示出已知的量和組成，檢查能列出的衡算方程數(shù)目是否等于未知量的數(shù)目，判斷能否通過(guò)物料衡算式解決問(wèn)題。第三節(jié)無(wú)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的物料衡算二、無(wú)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程多單元體系的物料衡算無(wú)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程多單元體系是指由若干個(gè)設(shè)備（即單元操作）組合而成的體系，且不能作為一個(gè)整體來(lái)處理。在進(jìn)行無(wú)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程多單元體系的物料衡算時(shí)，關(guān)鍵要解決兩個(gè)問(wèn)題：

1．獨(dú)立衡算體系確定

2．選擇計(jì)算的著手點(diǎn)第四節(jié)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的物料衡算

有化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程，物料中的組分比較復(fù)雜，這是由于化學(xué)反應(yīng)使體系內(nèi)的物質(zhì)分子發(fā)生了變化，使得參加反應(yīng)的每一種物質(zhì)輸入的質(zhì)量或摩爾流量和輸出體系的質(zhì)量或摩爾流量不能平衡，所以化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的物料衡算比無(wú)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的計(jì)算要復(fù)雜得多，所考慮的因素也多得多。因此，在進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的物料衡算時(shí)必然會(huì)涉及到原料的配比、反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率、收率、反應(yīng)的選擇性等許多因素。第四節(jié)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的物料衡算一、反應(yīng)器的物料衡算以進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)為主要任務(wù)的設(shè)備是反應(yīng)器，所以對(duì)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程進(jìn)行物料衡算就是以反應(yīng)器為衡算對(duì)象。

反應(yīng)過(guò)程有不同的特點(diǎn)，需根據(jù)反應(yīng)過(guò)程的不同特點(diǎn)而靈活選用不同的計(jì)算方法，本部分主要介紹四種對(duì)反應(yīng)器的物料衡算適用的方法。第四節(jié)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的物料衡算1.直接計(jì)算法方法：利用反應(yīng)物在反應(yīng)過(guò)程中的消耗量和產(chǎn)物的生成量之間符合化學(xué)計(jì)量系數(shù)之比，來(lái)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(jì)算法。適用：反應(yīng)過(guò)程有明確的化學(xué)反應(yīng)方程式，且反應(yīng)過(guò)程比較簡(jiǎn)單，沒(méi)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(jì)算比較簡(jiǎn)便，不必按前面所介紹的方法列出物料衡算式。舉例:見(jiàn)下頁(yè)第四節(jié)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的物料衡算

例4-11：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(guò)量40%，現(xiàn)已知甲醇轉(zhuǎn)化率為70%。試計(jì)算反應(yīng)完成后離開(kāi)反應(yīng)器的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)如下：解：由題意：物料流程如圖所示基準(zhǔn)：由化學(xué)反應(yīng)方程式：理論需O2量：由已知空氣過(guò)量40%，那么O2也過(guò)量40%，有實(shí)際輸入O2量：實(shí)際輸入的空氣量：帶入的N2量：即為7.37kg由已知CH3OH轉(zhuǎn)化率為70%，有反應(yīng)掉了的CH3OH量：即為2.24kg離開(kāi)反應(yīng)器各組分的輸出量：剩余的

CH3OH100-70=30mol,即為0.96kg生成的HCHO70mol,即為2.1kg生成的H2O70mol,即為1.26kg剩余的O2即為1.21kg

輸出的N2263.33mol,即為7.37kg第四節(jié)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的物料衡算第四節(jié)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的物料衡算2．元素衡算法元素衡算法是物料衡算的一種重要形式，是以反應(yīng)過(guò)程中參與反應(yīng)的各種元素為對(duì)象列出平衡方程式而進(jìn)行的物料衡算。在化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中,

無(wú)論什么情況下，任何一種元素都是平衡的。當(dāng)反應(yīng)過(guò)程比較復(fù)雜，尤其是化學(xué)反應(yīng)式無(wú)法寫出時(shí)，用直接計(jì)算法就無(wú)法解題了，這時(shí)用元素衡算法是比較合適的，例石油裂解過(guò)程，過(guò)程中存在多種反應(yīng)而又無(wú)法確切知道各步反應(yīng)所占的比例，這時(shí)可采用元素平衡的方法進(jìn)行物料衡算。在對(duì)這類過(guò)程進(jìn)行物料衡算時(shí)，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表示為：輸入（某種元素）=輸出（同種元素）第四節(jié)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的物料衡算解題過(guò)程如下頁(yè)

例4-14：已知合成氣的組成為CH40.4%(體積分?jǐn)?shù))、CO38.3%、CO25.5%、H252.8%、O20.1%和N22.9%,現(xiàn)用10%過(guò)量空氣燃燒，燃燒后生成的燃燒氣中不含CO，計(jì)算燃燒氣組成。解：由題意可畫出物料流程示意圖基準(zhǔn)：合成氣100mol·h-1合成氣中各元素的含量：C：H：O：N：生成CO2和H2O所需的氧元素量：

第四節(jié)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的物料衡算理論上所需氧元素量（由空氣提供部分）：需理論空氣量：實(shí)際輸入空氣量：實(shí)際輸入空氣中相當(dāng)于：N2：O2：第四節(jié)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的物料衡算第四節(jié)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的物料衡算對(duì)各物質(zhì)進(jìn)行元素（或分子）衡算：N2平衡：（1）C平衡：（2）H2平衡：（3）O2平衡：（4）由上述四個(gè)方程聯(lián)立求解可得第四節(jié)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的物料衡算燃燒氣組成為：CO2：H2O：O2

：N2：第四節(jié)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的物料衡算3．聯(lián)系組分法

聯(lián)系組分又稱惰性組分，是指在整個(gè)生產(chǎn)中隨反應(yīng)物料進(jìn)出系統(tǒng)，但完全不參與反應(yīng)的組分，因此其數(shù)量（質(zhì)量和摩爾數(shù)）總是不變。如在燃燒過(guò)程中用空氣提供氧氣時(shí)，隨之帶入的氮?dú)饩褪且环N惰性物質(zhì)，稱聯(lián)系組分。利用聯(lián)系組分的特點(diǎn)以及和其他物料之間的比例關(guān)系，可以算出其他物料的數(shù)量，這種方法在反應(yīng)器的物料衡算中就稱為聯(lián)系組分計(jì)算法。第四節(jié)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的物料衡算例如：如下圖所示

惰性組分進(jìn)出系統(tǒng)示意圖

F和P分別表示輸入系統(tǒng)和從系統(tǒng)輸出的物料量，聯(lián)系組分T在物料F和物料P中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為和，則由聯(lián)系組分的特性，有下式總成立：即：式（4-13）第四節(jié)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的物料衡算

有時(shí)系統(tǒng)中存在不止一種聯(lián)系組分，這時(shí)可選擇其總量為聯(lián)系組分，也可選擇其中含量較大的組分單獨(dú)使用，因?yàn)槁?lián)系組分的量越大，計(jì)算誤差就會(huì)越小。利用聯(lián)系組分進(jìn)行物料衡算可使計(jì)算簡(jiǎn)化，尤其在未知變量較多的過(guò)程中，通過(guò)（4-13）式提供的關(guān)系可以解出部分未知變量，找到解決問(wèn)題的突破口。第四節(jié)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的物料衡算

例4-17：在爐子內(nèi)用空氣完全燃燒甲烷與氫氣的混合燃料，生成的燃燒氣混合物稱為煙道氣，分析煙道氣含量，組成為N272.22%（摩爾分?jǐn)?shù)），CO28.13%，O22.49%，H2O17.16%。試求：（1）混合燃料中氫與甲烷的比例為多少？（2）混合燃料與空氣的比例（摩爾比）為多少？解：由題意畫出物料流程圖：如下圖所示第四節(jié)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的物料衡算燃燒過(guò)程中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)式如下：基準(zhǔn)選擇，因?yàn)闊煹罋獾慕M成已知，所以基準(zhǔn)：煙道氣100mol煙道氣中物質(zhì)的量：煙道氣中CO2量：煙道氣中H2O量：第四節(jié)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的物料衡算煙道氣中O2量：煙道氣中N2量：以為聯(lián)系組分，根據(jù)式，即空氣中的與煙道氣中量相等，有輸入的空氣量：其中O2量：由C的平衡燃料中CH4量：8.13molCH4完全燃燒消耗O2量：H2完全燃燒耗O2量：

第四節(jié)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的物料衡算混合燃料中H2量：混合燃料中氫與甲烷的比例：

混合燃料與空氣的比例：第四節(jié)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的物料衡算4．利用化學(xué)平衡常數(shù)進(jìn)行衡算

對(duì)有平衡反應(yīng)過(guò)程的物料衡算，除了需要建立物料或元素衡算式以外，常常還需要利用反應(yīng)的平衡關(guān)系來(lái)計(jì)算產(chǎn)物的平衡組成。化學(xué)平衡常數(shù)表示了可逆反應(yīng)過(guò)程在反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)各物料之間組成上的定量關(guān)系，平衡常數(shù)在可逆反應(yīng)的物料衡算中提供了一種過(guò)程限制關(guān)系。例：可逆反應(yīng)有：第四節(jié)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的物料衡算二、具有循環(huán)、排放及旁路過(guò)程的物料衡算

1．具有循環(huán)過(guò)程的物料衡算前面介紹的物料衡算方法只是對(duì)反應(yīng)器本身的物料衡算方法，在化工過(guò)程中常會(huì)遇到一些具有循環(huán)的過(guò)程，這類過(guò)程的物料衡算事實(shí)上就是在無(wú)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程（單元操作）的基礎(chǔ)上再加上反應(yīng)器的物料衡算，計(jì)算時(shí)根據(jù)已知條件選擇合適的計(jì)算衡算體系，這樣有利于順利地解題。（1）設(shè)置循環(huán)的目的（2）包含循環(huán)過(guò)程的典型物料流程圖:如下頁(yè)所示第四節(jié)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的物料衡算第四節(jié)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的物料衡算在對(duì)分離器和混合器進(jìn)行物料衡算時(shí)這兩個(gè)參數(shù)很重要，有時(shí)可以作為解題的線索。（3）舉例另外，具有循環(huán)過(guò)程的體系還有兩個(gè)過(guò)程限制參數(shù)，通常稱為循環(huán)比和混合比，定義如下：循環(huán)比=（4-15）混合比=

（4-16）第四節(jié)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的物料衡算

例4-20：丙烯由丙烷在催化反應(yīng)器中脫氫生成，其反應(yīng)式為：丙烷的總轉(zhuǎn)化率為95%。離開(kāi)反應(yīng)器的產(chǎn)物經(jīng)分離器分成產(chǎn)品P和循環(huán)物料R。產(chǎn)品中含有C3H8、C3H6及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和C3H6，其中C3H6的量是產(chǎn)品物料中C3H6的5%。試計(jì)算（1）產(chǎn)品和循環(huán)物料組成；（2）單程轉(zhuǎn)化率。第四節(jié)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的物料衡算解：畫出物料流程圖基準(zhǔn)：100mol·h-1新鮮原料（C3H8）即FF1=mol·h-1第四節(jié)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的物料衡算因?yàn)橐阎傓D(zhuǎn)化率，所以衡算體系選擇總個(gè)過(guò)程。衡算體系：總過(guò)程由已知C3H6的總轉(zhuǎn)化率為95%，即：解得：由反應(yīng)式可知：產(chǎn)品的組成：C3H8:C3H6:H2:第四節(jié)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的物料衡算衡算體系：分離器由已知P1是反應(yīng)后混合物中未反應(yīng)C3H8量的0.5%，即：解得：C3H8的平衡：解得：由已知R2是產(chǎn)品中C3H6量的5%，即：代入數(shù)據(jù)解得：第四節(jié)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的物料衡算C2H6的平衡：代入數(shù)據(jù)得：循環(huán)物料的組成：C3H8：C3H6：衡算體系：混合器C3H8的平衡：代入數(shù)據(jù)得：C2H6的平衡：由單程轉(zhuǎn)化率，有：第四節(jié)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的物料衡算總結(jié)循環(huán)過(guò)程的物料衡算有以下規(guī)律:1.當(dāng)已知循環(huán)物流的流量和組成，或者通過(guò)一些已知的條件可以間接得到循環(huán)物流的流量和組成，這類物料衡算問(wèn)題比較容易求解。2.當(dāng)循環(huán)物流的流量和組成未知時(shí)，有時(shí)需用試差法解題。第四節(jié)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的物料衡算2．具有排放過(guò)程的物料衡算

（1）排放設(shè)置的目的為了防止惰性物質(zhì)和副產(chǎn)物在系統(tǒng)中的不斷增加，就必須排放一部分循環(huán)物料，使惰性物質(zhì)的輸出量能與進(jìn)料中的輸入量平衡，或是副產(chǎn)物的輸出量能與副反應(yīng)產(chǎn)生的量平衡，從而維持整個(gè)系統(tǒng)的物料流量和組成穩(wěn)定。（2）排放位置的確定選取需調(diào)整成分的含量最高的位置為排放位置；或是經(jīng)分析測(cè)定后定期排放。第四節(jié)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的物料衡算（3）具有排放的循環(huán)系統(tǒng)其典型流程如圖所示注意：由分流器的特征，進(jìn)出分流器的物料的組成是相同的，即待循環(huán)物料、排出物和循環(huán)物料的組成是相同的，所以排放量的多少直接影響反應(yīng)物料的總轉(zhuǎn)化率。第四節(jié)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的物料衡算（4）排放量的確定根據(jù)穩(wěn)態(tài)流動(dòng)過(guò)程的物料平衡，為了使惰性物質(zhì)和副產(chǎn)物不在系統(tǒng)中積累，排放物料流量應(yīng)調(diào)節(jié)到能平衡惰性物質(zhì)的輸入量和副產(chǎn)物的產(chǎn)生量。假設(shè)惰性物質(zhì)和副產(chǎn)物全部進(jìn)入循環(huán)物流，則惰性物質(zhì)：副產(chǎn)物：第四節(jié)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的物料衡算

在有排放過(guò)程的物料衡算中排放比是一個(gè)很有用的過(guò)程限制參數(shù)，定義為：排放比=（5）舉例

例4-22：甲苯催化加氫脫甲基制苯，主反應(yīng)和副反應(yīng)主反應(yīng)：副反應(yīng)：以純氫和純甲苯為原料，進(jìn)入反應(yīng)器的氫與甲苯之比為5:1（摩爾比）。甲苯的單程轉(zhuǎn)化率為80%，生成苯的選擇性為98%，未反應(yīng)的甲苯和產(chǎn)物苯作為產(chǎn)品物流輸出體系，氫和甲烷循環(huán)。要求混合原料中甲烷含量不大于10%，計(jì)算排放比及各物流的組成。第四節(jié)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的物料衡算解：由題意畫出物料流程圖第四節(jié)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的物料衡算

說(shuō)明：（1）流程中物料流股各物質(zhì)流量的下標(biāo)編號(hào)盡可能保持一致，下標(biāo)相同表示同一種物質(zhì)，這樣可以避免列衡算式時(shí)出差錯(cuò)。本題中只有混合原料的組成有已知數(shù)據(jù)，設(shè)其為基準(zhǔn)后可先對(duì)反應(yīng)器系統(tǒng)進(jìn)行物料衡算。（2）由題意要求混合原料中甲烷含量不大于10%，取10%進(jìn)行計(jì)算，這樣計(jì)算得到的排放量數(shù)據(jù)為最小值，實(shí)際排放時(shí)應(yīng)稍稍大于此值。第四節(jié)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的物料衡算基準(zhǔn)：進(jìn)反應(yīng)器混合原料：100衡算體系：反應(yīng)器進(jìn)料：由已知，總物料：（1）（2）解（1）、（2）式得：出料：C6H5CH3的剩余：

第四節(jié)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的物料衡算生成的C6H6：CH4的量：

H2的量：出料的總量：

第四節(jié)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的物料衡算反應(yīng)器出口物料的組成：

衡算體系：分離器

第四節(jié)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的物料衡算則：

則：由分流器的特征，有：，第四節(jié)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的物料衡算衡算體系：混合器CH4平衡：（3）C6H5CH3平衡：（4）H2平衡：（5）聯(lián)立（4）、（5）、（6）式解得：

第四節(jié)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的物料衡算新鮮原料的組成：混合原料計(jì)算：衡算體系：分流器

H2的平衡：第四節(jié)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的物料衡算有：CH4的平衡：有：總物料：排放物料組成：

計(jì)算排放比：排放比=第四節(jié)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的物料衡算計(jì)算結(jié)果匯總列表如下表

第四節(jié)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的物料衡算3．具有旁路過(guò)程的物料衡算

旁路就是指某一股物料的一部分繞過(guò)一個(gè)或幾個(gè)設(shè)備而直接進(jìn)入后續(xù)工序，與另一股物料相混的過(guò)程。旁路過(guò)程的典型流程如圖所示旁路過(guò)程主要用于調(diào)節(jié)物料的組成或溫度。第四節(jié)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的物料衡算

例4-23：用以生產(chǎn)甲醇的合成氣由烴類氣體轉(zhuǎn)化而得。要求合成氣中（摩爾比），氣體量為（標(biāo)準(zhǔn)狀況）。因轉(zhuǎn)化氣中含（摩爾分?jǐn)?shù)），，不符合要求，為此需將部分轉(zhuǎn)化氣送至變換反應(yīng)器，變換后氣體中含（摩爾分?jǐn)?shù)），，氣體體積減少2%，用此變換氣去調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)化氣，求轉(zhuǎn)化氣及變換氣各為多少（標(biāo)準(zhǔn)狀況）？解：畫出物料流程圖第四節(jié)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的物料衡算第四節(jié)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的物料衡算基準(zhǔn)：合成氣（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)）設(shè)：合成氣中的CO摩爾分率為，H2的摩爾分率為2.4?；旌掀鞯暮馑悖嚎偽锪掀胶猓海?）

CO平衡：（2）

H2平衡：（3）解上述方程組得：（標(biāo)準(zhǔn)狀況）（標(biāo)準(zhǔn)狀況）第四節(jié)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的物料衡算因經(jīng)過(guò)變換后氣體體積減少2%，所以：FF=F+B=(989.18+1351.6)m3·h-1=2340.78m3?h-1脫除的CO2的量為：（標(biāo)準(zhǔn)狀況）

說(shuō)明：上述物料流量雖然是用體積作單位，但因?yàn)榫D(zhuǎn)換成了標(biāo)準(zhǔn)體積，所以可以列平衡式。（標(biāo)準(zhǔn)狀況）（標(biāo)準(zhǔn)狀況）

能量衡算

第一節(jié)概述一、能量衡算的意義

選擇最佳操作條件，制定既經(jīng)濟(jì)又合理的能量消耗方案。二、能量衡算的理論依據(jù)熱力學(xué)第一定律：能量既不能產(chǎn)生，也不能消滅三、能量衡算的應(yīng)用主要應(yīng)用在兩種類型的問(wèn)題上：

一類是對(duì)使用中的裝置或設(shè)備；另一類是在設(shè)計(jì)新裝置或設(shè)備時(shí)。

能量衡算的基礎(chǔ)是物料衡算。只有在進(jìn)行物料衡算后才能做出能量衡算。四、能量平衡圖第二節(jié)能量的基本形式

能量衡算和物料衡算類似，要用到守恒的概念，即要計(jì)算進(jìn)入和離開(kāi)特定體系的能量值，因此必須分清不同形式的能量形式及表示的方法。由于能量存在有多種形式，因此能量衡算要比物料衡算復(fù)雜。一、位能（Ep）位能又稱勢(shì)能，是物體由于在高度上的位移而具有的能量。其值的大小與物體所在的力場(chǎng)有關(guān)，物體在重力場(chǎng)中所具有的位能可用下式表示：第二節(jié)能量的基本形式分析：位能的大小和基準(zhǔn)面有關(guān)，因此物體距基準(zhǔn)面的高度差決定了位能的大小，當(dāng)物體處于基準(zhǔn)面上時(shí)其位能為零。由于多數(shù)化工生產(chǎn)過(guò)程基本上是在地表或接近地表的高度進(jìn)行的，位能對(duì)整個(gè)能量衡算的影響一般不大，除在計(jì)算物料的輸送功率時(shí)物料的位能變化是不可忽略的外，在能量衡算中位能皆可忽略。第二節(jié)能量的基本形式

二、動(dòng)能（Ek）

由于物體運(yùn)動(dòng)所具有的能量，稱為動(dòng)能，其值表示為：

物體的動(dòng)能與物體運(yùn)動(dòng)速度的平方成正比，因此物體的運(yùn)動(dòng)速度對(duì)動(dòng)能的影響較大，但在化工生產(chǎn)過(guò)程中物料的流動(dòng)速度一般都不大，與其他能量相比較可以忽略，只有當(dāng)物料經(jīng)過(guò)噴嘴或銳孔形成高速的噴射流時(shí)，在能量衡算中動(dòng)能的影響才比較明顯其值不可以忽略。

第二節(jié)能量的基本形式

三、內(nèi)能（U）內(nèi)能表示除了宏觀的動(dòng)能和位能外物質(zhì)所具有的能量，其大小與分子運(yùn)動(dòng)有關(guān)。對(duì)于純組分物質(zhì)，內(nèi)能可表示成與溫度和摩爾體積間的函數(shù)關(guān)系：我們只能計(jì)算內(nèi)能的差，或計(jì)算相對(duì)于某個(gè)參考態(tài)的內(nèi)能，而無(wú)法計(jì)算內(nèi)能的絕對(duì)值。第三節(jié)幾個(gè)與能量衡算有關(guān)的重要物理量

一、功（W）功是能量傳遞的一種形式，功是力與位移的乘積?？杀硎緸椋?/p>

說(shuō)明：環(huán)境對(duì)系統(tǒng)作功取為正值，系統(tǒng)對(duì)環(huán)境作功取為負(fù)值。熱量的單位為焦耳（J）

在化工生產(chǎn)過(guò)程中常見(jiàn)的有體積功、流動(dòng)功及旋軸功的機(jī)械功等。

功只是指被傳遞的熱量，從熱力學(xué)第二定律可知，功可以無(wú)條件地全部轉(zhuǎn)化為熱量。第三節(jié)幾個(gè)與能量衡算有關(guān)的重要物理量

二、熱量（Q）當(dāng)溫度不同的兩物體進(jìn)行接觸時(shí)，能量總是從熱（溫度高）的物體向冷（溫度低）的物體流動(dòng)，這種由于溫度差而引起傳遞的能量稱為熱量。環(huán)境對(duì)系統(tǒng)加的熱為正，從系統(tǒng)中取出的熱為負(fù)。熱量的單位為焦耳（J）

注意兩點(diǎn):

第一，熱量是一種能量的形式，是傳遞過(guò)程中的能量形式；第二，一定要有溫度差或溫度梯率，才會(huì)有熱量的傳遞。第三節(jié)幾個(gè)與能量衡算有關(guān)的重要物理量

三、焓（H）對(duì)于焓的定義在第二章化工常用基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的有關(guān)章節(jié)中已做了介紹。焓與內(nèi)能一樣，都是熱力學(xué)函數(shù)中的狀態(tài)函數(shù)，這種狀態(tài)函數(shù)與過(guò)程的途徑無(wú)關(guān)，只與所處的狀態(tài)有關(guān)。

既然焓是用來(lái)表達(dá)流動(dòng)系統(tǒng)中能量的適當(dāng)形式，為了解決問(wèn)題方便，科技工作者編制了許多形式的焓值表，并提出估算相變熱的方法，其中重要的有：水蒸氣表氣體焓值表相變焓第四節(jié)能量衡算的基本方法

一、能量衡算方程

1.能量衡算方程式的一般形式根據(jù)熱力學(xué)第一定律，能量衡算方程式可寫為：式中:2.對(duì)不同的體系能量衡算式又有不同的簡(jiǎn)化形式：

⑴封閉體系

⑵連續(xù)穩(wěn)態(tài)流動(dòng)過(guò)程的總能量衡算第四節(jié)能量衡算的基本方法二、機(jī)械能衡算

有關(guān)Σhf的計(jì)算方法，在化工原理課程中已作詳細(xì)討論，此處不再敘述。第四節(jié)能量衡算的基本方法

三、熱量衡算對(duì)于沒(méi)有功的傳遞（W=0），并且動(dòng)能和位能可以忽略不計(jì)的設(shè)備，如換熱器，連續(xù)穩(wěn)定流動(dòng)過(guò)程的能量衡算主要就體現(xiàn)在熱量衡算，且化工生產(chǎn)中熱量消耗是能量消耗的主要部分，例如一套年產(chǎn)25萬(wàn)噸乙烯的裂解裝置，采用柴油作裂解原料時(shí)，總能量消耗約為1.314×109kJ·h-1，其中90%以上的能量消耗就是體現(xiàn)在熱量消耗上。因此，化工過(guò)程中的能量衡算主要是熱量衡算。第四節(jié)能量衡算的基本方法1．熱量衡算式以熱量傳遞為主的設(shè)備，在連續(xù)穩(wěn)態(tài)流動(dòng)的情況下其熱量衡算可采用下式表示：在間歇操作情況下其熱量衡算可采用下式表示：

從上兩式可以看出，熱量衡算就是計(jì)算在指定的條件下體系中進(jìn)出物料的焓差或內(nèi)能差，從而確定過(guò)程傳遞的熱量。第四節(jié)能量衡算的基本方法2．熱量衡算的基本方法及步驟

⑴熱量衡算有兩種情況一種是在設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)給定的進(jìn)出物料量及已知溫度求另一股物料的未知物料量或溫度，常用于計(jì)算換熱設(shè)備的熱物料（如蒸汽等）用量或冷物料（如冷卻水等）用量。

另一種是在原有過(guò)程或裝置上，對(duì)某個(gè)設(shè)備，利用實(shí)際測(cè)定（有時(shí)也需要作一些相應(yīng)的