化工計算課件

化工計算化工計算的目的及意義一、化工計算的目的工藝流程的確定設備的設計操作參數(shù)的選定經(jīng)濟分析二、化工計算的意義改善操作降低成本提高產(chǎn)品質量減少生產(chǎn)過程的盲目性

化工計算的內容涉及到化工過程的計算很多，大致有以下

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

關系；4.能量衡算：計算生產(chǎn)過程中各種物料的狀態(tài)與能量變

化的關系。5.化學或物理過程的平衡關系：解決過程進行的方向與

限度；6.化學或物理過程的速率的計算：解決過程進行的快慢

問題；7.對各種設備的結構和尺寸進行計算的設備計算。1.化工基礎數(shù)據(jù)的獲??；

2.物料衡算：對化工過程物料的流量及組

成進行計算；

3.能量衡算：對化工過程能量變化進行計

算，在許多情況下，操作所涉及的能量

只有熱能，這時能量衡算即為熱量衡算?；び嬎愕膬热荼菊n程重點進行以下幾個方面的計算一、化工工藝過程的特征按—定程序使原料發(fā)生種種物理和化學變化加工成為所需要的產(chǎn)品的過程，都可稱為化工工藝過程。二、化工工藝過程的構成與分類構成預處理過程——化學反應過程——后處理過程分類1.連續(xù)2.間歇3.半連續(xù)半間歇化工工藝過程的特征、構成與分類1.合理組織生產(chǎn)和管理方面2.化工過程開發(fā)方面3.在設計型計算方面4.在操作型計算方面化工計算的作用

化工常用基礎數(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)是重要的物質基本性質數(shù)據(jù)，它不僅表示本身的物理意義，而且也是用以計算其他物質基本性質的主要數(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、密度和相對密度1.密度⑴密度單位體積的物質所具有的質量稱為該物質的密度。定義式為理想氣體：⑵重度單位體積物質的重量稱為該物質的重度，定義式：2.相對密度物質A的相對密度是物質A的密度與基準物質的密度之比。相對密度一般可通過數(shù)據(jù)手冊查得。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，液體內的一些分子會由于運動而逸出液面形成蒸氣，同時還有一部分分子從蒸氣中經(jīng)過液面進入液體內。當逸出液面進入蒸氣的分子總數(shù)與經(jīng)過液面進入液體的分子總數(shù)相等時，我們就說液體與其液面上的蒸氣呈飽和狀態(tài)。當液體與其蒸氣呈平衡狀態(tài)時，此蒸氣所產(chǎn)生的壓力稱為飽和蒸氣壓，簡稱為蒸氣壓。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)典型蒸氣壓計算經(jīng)驗公式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℃時水的飽和蒸氣壓為多少？

解：得：

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

當對物質進行加熱時，其溫度升高，當物質冷卻時放熱，其溫度降低。單位質量的物質溫度升高1K（或l℃）所需的熱量稱為熱容，又叫比熱。

1.分類

按物質的量分

⑴質量熱容，單位為

⑵摩爾熱容，單位為

按過程特征分

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，化工計算中所用的熱容一般都是等壓熱容。第二節(jié)常用熱力學物性數(shù)據(jù)2.計算方法⑴式中a、b、c、d——物質熱容隨溫度變化的擬合參數(shù)⑵當缺乏數(shù)據(jù)時，可用基團結構加和法進行估算。式中各參數(shù)查取見教材適合：理想氣體3.舉例：略（見教材）第二節(jié)常用熱力學物性數(shù)據(jù)第二節(jié)常用熱力學物性數(shù)據(jù)

二、相變熱1.定義任何物質都有三種相態(tài)，氣相、液相和固相，在化工生產(chǎn)過程中，因為反應條件的變化和化學反應的影響，常有物質會從一種相態(tài)變到另一種相態(tài)，出現(xiàn)蒸發(fā)、冷凝、結晶、升華等相變過程，在相變發(fā)生的過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）：當溫度和壓力不變，1mol液體蒸發(fā)時所需的熱量（或氣體冷凝時放出的熱量），用表示。

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

第二節(jié)常用熱力學物性數(shù)據(jù)

3.計算相變熱的經(jīng)驗公式蒸發(fā)熱的經(jīng)驗公式：⑴特魯頓（Trouton）法則⑵里德爾（Reidel）法則

⑶克-克（Clausius-Clapeyron）方程⑷沃森（Watson）公式第二節(jié)常用熱力學物性數(shù)據(jù)4．舉例例2-4用特魯頓和里德爾公式分別計算乙醚在正常沸點時的蒸發(fā)熱（乙醚的、、）。解：（1）用（2-16）式計算，取88，則（2）用（2-17）式計算，由、、

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

U——體系的內能，J；

p——體系的壓力，Pa；

V——體系的體積，m3

2.計算

化工產(chǎn)品的生產(chǎn)過程往往伴隨著化學反應，化學反應過程的反應熱是能量衡算過程中的一個重要參數(shù)，本節(jié)重點介紹標準生成熱、標準燃燒熱及反應熱的有關概念及它們之間的聯(lián)系。一、標準生成熱第三節(jié)化學反應和熱化學數(shù)據(jù)

在25℃，101.3kPa下，由穩(wěn)定單質生成1mol化合物時的焓變即為標準生成熱，以表示，單位為：kJ?mol-1，與物質狀態(tài)有關，同一種物質在氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)的標準生成熱都是不一樣的，在25℃，101.3kPa下，處于穩(wěn)定狀態(tài)的單質其=0，常見物質的可查有關的手冊，本書附錄中也收錄了一些常見物質的標準生成熱數(shù)據(jù)。二、標準燃燒熱第三節(jié)化學反應和熱化學數(shù)據(jù)三、反應熱

1.定義

在25℃，101.3kPa下，由各種處于穩(wěn)定狀態(tài)的1mol物質進行燃燒反應生成指定燃燒產(chǎn)物時的焓變，稱為物質的標準燃燒熱，以表示。常見物質的可查有關的手冊，本書附錄中也收錄了一些常見物質的標準燃燒熱數(shù)據(jù)。

在25℃，101.3kPa下，由穩(wěn)定單質生成1mol化合物時的焓變即為標準標準生成熱，以表示，單位為：kJ?mol-1

，與物質狀態(tài)有關，同一種物質在氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)的標準生成熱都是不一樣的，在25℃，101.3kPa下，處于穩(wěn)定狀態(tài)的單質其=0，常見物質的可查有關的手冊，本書附錄中也收錄了一些常見物質的標準生成熱數(shù)據(jù)。第三節(jié)化學反應和熱化學數(shù)據(jù)

2．計算1）由標準生成熱計算標準反應熱由標準生成熱計算標準反應熱可采用下式：2）由標準燃燒熱計算

第四節(jié)傳遞參數(shù)

一、黏度

1.定義 當流體流動時，由于其內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，有的流體較難流動。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力黏度和運動黏度兩種。

⑴動力黏度——動力黏度度是兩流體層相距1cm，其面積各為1cm2，相對移動速度為lcm／s時所產(chǎn)生的阻力。動力黏度又稱絕對黏度，通常所謂的黏度就是指動力黏度。

⑵運動黏度——運動黏度是流體的動力黏度與其密度之比：

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

化工過程參數(shù)

第一節(jié)評價化工生產(chǎn)效果的常用指標

一、生產(chǎn)能力和生產(chǎn)強度

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：設計能力、查定能力和現(xiàn)有能力。

①設計能力是指在設計任務書和技術文件中所規(guī)定的生產(chǎn)能力，根據(jù)工廠設計中規(guī)定的產(chǎn)品方案和各種數(shù)據(jù)來確定。通常新建化工企業(yè)竣工投產(chǎn)后，要經(jīng)過一段時間運轉，熟悉和掌握生產(chǎn)技術后才能達到規(guī)定的設計能力。

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

③現(xiàn)有能力現(xiàn)有能力又稱計劃能力，指在計劃年度內，依據(jù)現(xiàn)有的生產(chǎn)技術組織條件及計劃年度內能夠實現(xiàn)的實際生產(chǎn)效果，按計劃期內產(chǎn)品方案計算確定的。

注意：這三種生產(chǎn)能力在實際生產(chǎn)中各有不同的用途，設計能力和查定能力是用作編制企業(yè)長遠規(guī)劃的依據(jù)，現(xiàn)有能力是編制年度生產(chǎn)計劃的重要依據(jù)。

第一節(jié)評價化工生產(chǎn)效果的常用指標2．生產(chǎn)強度

生產(chǎn)強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備在單位時間內生產(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。

催化化學反應設備的生產(chǎn)強度常用催化劑的空時產(chǎn)率(或稱時空收率)來表示，即單位時間內，單位體積(或單位質量)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)評價化工生產(chǎn)效果的常用指標二、轉化率

1.定義轉化率是反應物料中的某一反應物在一個系統(tǒng)中參加化學反應的量占其通入系統(tǒng)總量的百分數(shù)，它表示了化學反應進行的程度。2.表達式3.分類根據(jù)研究的系統(tǒng)不同，工業(yè)生產(chǎn)中轉化率分為有單程轉化率和總轉化率，單程轉化率是以生產(chǎn)過程中的反應器為系統(tǒng)

⑴單程轉化率

單程轉化率=⑵總轉化率

第一節(jié)評價化工生產(chǎn)效果的常用指標

三、限制反應物與過量反應物

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)。通常以此來表示過量反應物的過量程度。其計算方法有兩種⑴用化學計量數(shù)計算：過量%=

第一節(jié)評價化工生產(chǎn)效果的常用指標第一節(jié)評價化工生產(chǎn)效果的常用指標（2）用反應物量計算過量百分數(shù)由定義式也可表示為：過量反應物的轉化率總是小于限制反應物的轉化率，一般沒有特別說明的情況下轉化率是指限制反應物的轉化率，它可以用作衡量反應完全程度的標準。4.舉例

第一節(jié)評價化工生產(chǎn)效果的常用指標

例3-1：用磨碎的礬土礦與硫酸反應制得硫酸鋁，反應式如下：礬土礦中含Al2O355.4%（質量分數(shù)），硫酸溶液的濃度為77.7%（質量分數(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反應物料中哪一種反應物為過量反應物？⑵過量反應物的過量百分數(shù)為多少？⑶過量反應物的轉化率是多少？⑷限制反應物的轉化率為多少？第一節(jié)評價化工生產(chǎn)效果的常用指標⑴過量反應物的判斷計算各反應物的化學計量數(shù)Al2O3的化學計量數(shù)：5.87H2SO4的化學計量數(shù)：所以H2SO4為過量反應物⑵過量反應物H2SO4的過量百分數(shù)的計算H2SO4的化學計量數(shù)：第一節(jié)評價化工生產(chǎn)效果的常用指標⑶生產(chǎn)5.26kmolAl2(SO4)3需消耗硫酸的量則硫酸的轉化率為：⑷限制反應物即Al2O3的轉化率

從本題可看出，限制反應物的轉化率為90%，過量反應物的轉化率僅為79.4%，限制反應物的轉化率遠比過量反應物的轉化率大，它才是真正表達了反應的完全程度。第一節(jié)評價化工生產(chǎn)效果的常用指標

三、產(chǎn)率和選擇性

1.產(chǎn)率產(chǎn)率指的是化學反應過程中得到目的產(chǎn)品的百分數(shù)。常用的產(chǎn)率指標為理論產(chǎn)率。理論產(chǎn)率是以產(chǎn)品的理論產(chǎn)量為基礎來計算的產(chǎn)率，即化學反應過程中實際所得目的產(chǎn)品量占理論產(chǎn)量的百分數(shù)。一般情況下，實際得到的目的產(chǎn)品數(shù)量只會比理論產(chǎn)量小，因此理論產(chǎn)率總是小于100%。根據(jù)計算目的產(chǎn)品理論產(chǎn)量的基準不同，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系：選擇性×單程轉化率＝單程收率

第一節(jié)評價化工生產(chǎn)效果的常用指標

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

在某些生產(chǎn)過程中，由于采用的原料是復雜的混合物，其中的各種成分都有可能轉化為目的產(chǎn)物，而各種物料在反應中轉化為目的產(chǎn)物的情況又很難確定（比如石油裂解生產(chǎn)有機原料乙烯過程），此時，無法或很難用產(chǎn)率來表示產(chǎn)品的得率。為了表明反應效果，就常以收率來計算目的產(chǎn)物的得率。第一節(jié)評價化工生產(chǎn)效果的常用指標五、舉例

例3-3：已知丙烯氧化法生產(chǎn)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。第一節(jié)評價化工生產(chǎn)效果的常用指標解：反應器物料變化如圖所示

丙烯氧化生成丙烯醛的化學反應方程式：CH2CH=CH2+O2→CH2CHO+H2O一段反應器丙烯600kg/h丙烯25kg/h丙烯醛640kg/h丙烯轉化率丙烯的選擇性丙烯醛的收率消耗定額

工藝技術管理工作的目標除了保證完成目的產(chǎn)品的產(chǎn)量和質量，還要努力降低消耗，因此各化工企業(yè)都根據(jù)產(chǎn)品設計數(shù)據(jù)和本企業(yè)的條件在工藝技術規(guī)程中規(guī)定了各種原材料的消耗定額，作為本企業(yè)的工藝技術經(jīng)濟指標。如果超過了規(guī)定指標，必須查找原因，降低消耗以達到生產(chǎn)強度大、產(chǎn)品質量高、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)工藝技術經(jīng)濟指標第二節(jié)工藝技術經(jīng)濟指標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）轉化為具有一定純度要求的最終產(chǎn)品，按化學反應方程式的化學計量為基礎計算的消耗定額，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，必須消耗原料量的理論值，因此實際過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)過程的實際情況(工藝允許的物料損失和生產(chǎn)中應該能達到的水平等)估算出來而編入工藝技術規(guī)程，作為本企業(yè)的控制指標。

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)工藝技術經(jīng)濟指標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，試計算原料乙醛的理論消耗定額、實際消耗定額以及原料利用率。

解：乙醛氧化法生產(chǎn)醋酸的化學反應方程式為：CH3CHO＋l／2O2——>CH3COOH原料乙醛的理論消耗定額、實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＝(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)是質量守恒定律，即在一個孤立物系中，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）。

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

2．通過物料衡算得到的數(shù)據(jù)是設計或選擇設備類型、臺數(shù)和尺寸的依據(jù)，以便對設備作進一步的計算。3．對新建車間、工段或裝置的生產(chǎn)工藝指標進行預估，對化工過程和設備進行設計。第一節(jié)物料衡算式一、化工過程的類型1．化工過程根據(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)操作過程為主介紹物料衡算的有關方法，對不穩(wěn)定狀態(tài)操作過程只作簡要的介紹。二、物料衡算式對任何一個體系，物料平衡關系式可表示為：輸入的物料量－輸出的物料量－反應消耗的物料量＋反應生成的物料量=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，積累的物料量=0（1）有化學反應，此時物料平衡關系式為：輸入的物料量－輸出的物料量－反應消耗的物料量＋反應生成的物料量=0（2）無化學反應，反應消耗和生成的物料量為零，此時物料平衡關系式為：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，積累的物料量不為零（1）有化學反應輸入的物料量—輸出的物料量—反應消耗的物料量+反應生成的物料量=積累的物料量即為通式。（2）無化學反應輸入的物料量—輸出的物料量=積累的物料量

一、物料衡算的范圍進行物料衡算時，必須首先確定衡算的體系。所謂體系就是物料衡算的范圍，它可以是一個設備或幾個設備，也可以是一個單元操作或整個化工過程，可以根據(jù)實際需要人為地選定，體系的確定以能簡化解題為原則。物料衡算必定是針對特定的衡算體系的，它主要研究在某一個體系內進、出物料量及組成的變化。二、物料衡算的基本步驟進行物料衡算時，尤其是那些設備和過程較多的復雜體系的物料衡算，應按照一定的計算步驟來進行。

第二節(jié)物料衡算的基本方法1．收集、整理計算數(shù)據(jù)（1）設計任務數(shù)據(jù)

①生產(chǎn)規(guī)模根據(jù)設計任務、生產(chǎn)能力來確定。

②生產(chǎn)時間即年工作時數(shù)（操作時間），一般為7200-8000小時左右。

③有關工藝技術經(jīng)濟指標即原料的消耗定額、轉化率、收率、選擇性（或產(chǎn)率）等。（2）物性數(shù)據(jù)如質量、密度、濃度、反應平衡常數(shù)、相平衡常數(shù)等，可以在有關資料、手冊、數(shù)據(jù)匯編等處查找。查找時應注意資料的可靠性，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)應統(tǒng)一使用國際單位制。（3）工藝參數(shù)如溫度、壓力、流量、原料配比、停留時間等。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．畫出物料流程簡圖（1）畫物料流程圖的方法a.用簡單的方框表示過程中的設備，方框中標明過程的特點或設備的名稱；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，應表示出所有物料線，并注明所有已知和未知變量。如果過程中有很多股物流，則可將每股物流進行編號，以避免出錯。舉例：含CH485%和C2H615%（摩爾分數(shù)）的天然氣與空氣在混合器中混合。得到的混合氣體含CH410%。試計算100mol天然氣應加入的空氣量及得到的混合氣量。所畫的物料流程簡圖如下圖所示：混合過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)衡算對象的情況，用框圖形式畫出物料流程簡圖后，必要時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可以很方便地知道進出體系的物料流股有多少。當物料衡算過程較復雜，包含有很多設備時，合理選擇衡算體系對解題是很有幫助的，特別是第一個衡算體系的確定，往往是解題的突破口，解決問題之關鍵，這時原則上應選擇已知條件最多、物料組分最多、未知變量最少的體系作為第一個衡算系統(tǒng)，這些條件有時不一定能同時滿足，可視具體情況進行取舍。如果再不能確定衡算體系，需列表進行自由度分析，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．寫出化學反應方程式

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

（1）時間基準（2）質量基準（3）物質的量基準（4）體積基準對于不同化工過程，采用什么基準適宜，需視具體情況而定，不能作硬性規(guī)定。例如，當進料的組成未知時（比如以煤．原油等作為原料），只能選單位質量作基準；當密度已知時，也可選體積作基準。但是，不能選1摩爾煤或1摩爾原油作基準，因為不知道它們的分子量。對有化學反應的體系，可以選某一個反應物的物質的量（摩爾數(shù)）作基準，因為化學反應是按反應物之間的摩爾比進行的。第二節(jié)物料衡算的基本方法

根據(jù)不同過程的特點，選擇計算基準時，應該注意以下幾點：⑴應選擇已知變量數(shù)最多的流股作為計算基準。⑵對液體或固體的體系，常選取單位質量作基準。⑶對連續(xù)流動體系，用單位時間作計算基準有時較方便。⑷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。下面舉例說明選擇不同的計算基準對解題難簡的影響程度。

第二節(jié)物料衡算的基本方法

例4-1：丙烷充分燃燒（即轉化率100%）時，實際供入的空氣量為理論所需量的125%，反應式為：求：每生成100mol的燃燒產(chǎn)物實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。原則上基準的選擇有三種方法：1.選一定量的空氣為計算基準2.選一定量的丙烷為計算基準3.選一定量的燃燒產(chǎn)物為計算基準下面分別以這三種物料為基準，比較各種計算方法的難易程度，以說明合理選擇基準的重要性。方法一基準：1mol1molC3H8完全燃燒需要的理論空氣量計算：由反應式，完全燃燒理論上需氧量（即實際耗氧量）：5mol由空氣過量125%即氧氣過量125%，有：實際供氧量折算成實際供空氣量（空氣中含氧21%）29.76mol空氣中含氮量反應后剩余O2量1.25mol反應所產(chǎn)生的CO2量3mol反應所產(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：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：因為1mol空氣中含氧量為0.21mol；所以供燃燒C3H8的氧量（即反應消耗氧）由反應式，燃燒C3H8的量為反應產(chǎn)生的CO2量為反應產(chǎn)生的H2O量為反應后剩余的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：燃燒產(chǎn)物有六個未知變量，引進六個參數(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個未知量，所以必須列6個獨立方程，列各元素的平衡：體系中有四種元素，可以列四個獨立物料衡算方程。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）另有兩個輔助條件方程：有燃燒產(chǎn)物總量，有：M+N+P+Q=100mol（5）反應后剩余的氧量：（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雜，則解方程組時工作量更大。所以，從題意看，第一、第二種解法所選的基準比較恰當。由上例可見，選擇合適的基準，能簡化解題、減少計算工作量，將復雜問題簡單化還否則會適得其反，將簡單問題復雜化，所以基準的合理選擇是解題步驟中一個很重要的技巧。說明：本題丙烷的轉化率為100%，所以對于過量反應物理論所需量和實際消耗量是一致的。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)學方法求解。根據(jù)衡算體系的具體情況，列出所有獨立的物料衡算式，當未知變量數(shù)等于獨立方程式個數(shù)時，可用代數(shù)法求解。如當未知數(shù)變量多于獨立方程式個數(shù)時，只能采用試差法或計算機來解題解。7．校核、整理計算結果將物料衡算的結果加以整理、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數(shù)。第三節(jié)無化學反應過程的物料衡算

無化學反應過程是指一些只有物理變化而沒有化學反應的單元操作，例如混合、精餾、蒸發(fā)、干燥、吸收、結晶、萃取、過濾等，或是雖有化學反應，但以物理變化為主，這些過程的物料衡算都可以根據(jù)質量守恒定律，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，或整個過程雖有多個設備，但可簡化成一個設備的過程。這種過程的物料衡算叫做簡單過程的物料衡算，這種過程的物料衡算比較簡單，在物料流程簡圖中，設備邊界就是體系邊界。第三節(jié)無化學反應過程的物料衡算1、混合當物料的濃度不符合化工生產(chǎn)要求時，經(jīng)常需要通過加入其它濃度的物質來進行調整，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用過的稀電池溶液，內含H2SO412.43%（質量分數(shù)）?，F(xiàn)在需將其配制成含有H2SO418.63%的溶液再重新利用，問需加入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)無化學反應過程的物料衡算解：根據(jù)題意可畫出如下圖4-9所示的物料流程圖分析：此題中有四個已知數(shù)據(jù)：一個質量數(shù)據(jù)，三個組成數(shù)據(jù)，要求的有兩個未知變量，體系中有兩種物質，可列出兩個獨立的物料衡算方程，問題可解。設F2為濃度77.7%H2SO4的質量，F(xiàn)3為濃度18.63%的H2SO4質量。可以寫出一個總物料平衡式和兩個組成平衡式，其中任意兩個方程組合都是獨立方程，可以解出兩個未知變量。第三節(jié)無化學反應過程的物料衡算第三節(jié)無化學反應過程的物料衡算第三節(jié)無化學反應過程的物料衡算2.結晶在化工生產(chǎn)中，為了精制固體物質，使溶解于液體中的固體溶質呈結晶狀析出的操作稱為結晶。它是獲得純凈固體物質的重要方法之一，應用較廣泛。在有關結晶的物料衡算中，溶解度和質量百分比濃度之間的換算是必需的，因為對于飽和溶液從手冊上能查到的是溶解度數(shù)據(jù)而非質量百分比濃度數(shù)據(jù)。第三節(jié)無化學反應過程的物料衡算

例4-5：1000千克KCl飽和水溶液盛于結晶槽中，溫度為800C。將此溶液冷卻到200C，若在冷卻過程中，進料溶液中的水有7%蒸發(fā)掉，求從溶液中結晶出的KCl量。解：由手冊查得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：如下頁第三節(jié)無化學反應過程的物料衡算80℃KCl飽和溶液

H2O

1000kgKCl結晶

xkg20℃KCl飽和溶液第三節(jié)無化學反應過程的物料衡算第三節(jié)無化學反應過程的物料衡算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%（質量百分數(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，計算輸入吸收塔氣體的量。

解：詳細過程如下所示

第三節(jié)無化學反應過程的物料衡算第三節(jié)無化學反應過程的物料衡算解：由題意畫出物料流程示意圖：如下所示第三節(jié)無化學反應過程的物料衡算第三節(jié)無化學反應過程的物料衡算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）化學去濕法；（2）機械除濕法；（3）熱能去濕法。熱能去濕法也稱干燥。第三節(jié)無化學反應過程的物料衡算

例4-7：現(xiàn)有濕紙漿含水71%（質量分數(shù)），需通過干燥去掉其初始水分的80%，試計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：由題意干燥過程的物料流程如下圖所示。第三節(jié)無化學反應過程的物料衡算第三節(jié)無化學反應過程的物料衡算5．蒸餾

蒸餾是利用液體混合物中各組分的揮發(fā)度不同進行組分分離，多用于分離各種有機物的混合液，也有用于分離無機物混合液的，例如液體空氣中氮與氧的分離。例4-8：有一個蒸餾塔，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)無化學反應過程的物料衡算解：基準：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)無化學反應過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組成，如A、B（或B、C或C、A），第三個組成就可求出。因此實際上是4個未知量，需要4個方程。但是輸入和輸出物料中共有3個組分，因而只能寫出3個獨立物料衡算式。第四個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兩個未知量。A、B、C三個組分的衡算式中，A組分的衡算式只含一個未知量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)無化學反應過程的物料衡算第三節(jié)無化學反應過程的物料衡算

由（1）式得：餾出物中C組成為：由C組分衡算式得：

結果符合由上例可以看出，因為第二個方程只有一個未知參數(shù)，解這樣的方程，可以避免解方程組。第三節(jié)無化學反應過程的物料衡算總結:

以上幾例為無化學反應過程的物料衡算，當利用代數(shù)法求解時，列衡算式應注意下列幾點：

⑴無化學反應體系，能列出的獨立物料衡算式數(shù)目，最多等于輸入和輸出物料中化學組分的數(shù)目。

⑵首先列出含未知量數(shù)目最少的物料衡算方程，最好是能列出一個方程解一個未知數(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若體系內具有很多多組分的物料，則最好將每股物流編號，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，判斷能否通過物料衡算式解決問題。第三節(jié)無化學反應過程的物料衡算二、無化學反應過程多單元體系的物料衡算無化學反應過程多單元體系是指由若干個設備（即單元操作）組合而成的體系，且不能作為一個整體來處理。在進行無化學反應過程多單元體系的物料衡算時，關鍵要解決兩個問題：

1．獨立衡算體系確定

2．選擇計算的著手點第四節(jié)化學反應過程的物料衡算

有化學反應的過程，物料中的組分比較復雜，這是由于化學反應使體系內的物質分子發(fā)生了變化，使得參加反應的每一種物質輸入的質量或摩爾流量和輸出體系的質量或摩爾流量不能平衡，所以化學反應過程的物料衡算比無化學反應過程的計算要復雜得多，所考慮的因素也多得多。因此，在進行化學反應過程的物料衡算時必然會涉及到原料的配比、反應的轉化率、收率、反應的選擇性等許多因素。第四節(jié)化學反應過程的物料衡算一、反應器的物料衡算以進行化學反應為主要任務的設備是反應器，所以對化學反應過程進行物料衡算就是以反應器為衡算對象。

反應過程有不同的特點，需根據(jù)反應過程的不同特點而靈活選用不同的計算方法，本部分主要介紹四種對反應器的物料衡算適用的方法。第四節(jié)化學反應過程的物料衡算1.直接計算法方法：利用反應物在反應過程中的消耗量和產(chǎn)物的生成量之間符合化學計量系數(shù)之比，來進行反應物消耗和生成物生成量之間的換算，以達到進行反應器的物料衡算的目的，這種方法就叫直接計算法。適用：反應過程有明確的化學反應方程式，且反應過程比較簡單，沒有很多的副反應發(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:見下頁第四節(jié)化學反應過程的物料衡算

例4-11：甲醛由甲醇催化氧化制得，反應物和生成物均為氣態(tài)，氧化劑由空氣提供，且過量40%，現(xiàn)已知甲醇轉化率為70%。試計算反應完成后離開反應器的氣體混合物的摩爾組成。已知反應器中所發(fā)生的化學反應如下：解：由題意：物料流程如圖所示基準：由化學反應方程式：理論需O2量：由已知空氣過量40%，那么O2也過量40%，有實際輸入O2量：實際輸入的空氣量：帶入的N2量：即為7.37kg由已知CH3OH轉化率為70%，有反應掉了的CH3OH量：即為2.24kg離開反應器各組分的輸出量：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)化學反應過程的物料衡算第四節(jié)化學反應過程的物料衡算2．元素衡算法元素衡算法是物料衡算的一種重要形式，是以反應過程中參與反應的各種元素為對象列出平衡方程式而進行的物料衡算。在化學反應過程中,

無論什么情況下，任何一種元素都是平衡的。當反應過程比較復雜，尤其是化學反應式無法寫出時，用直接計算法就無法解題了，這時用元素衡算法是比較合適的，例石油裂解過程，過程中存在多種反應而又無法確切知道各步反應所占的比例，這時可采用元素平衡的方法進行物料衡算。在對這類過程進行物料衡算時，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）第四節(jié)化學反應過程的物料衡算解題過程如下頁

例4-14：已知合成氣的組成為CH40.4%(體積分數(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基準：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)化學反應過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：實際輸入空氣量：實際輸入空氣中相當于：N2：O2：第四節(jié)化學反應過程的物料衡算第四節(jié)化學反應過程的物料衡算對各物質進行元素（或分子）衡算：N2平衡：（1）C平衡：（2）H2平衡：（3）O2平衡：（4）由上述四個方程聯(lián)立求解可得第四節(jié)化學反應過程的物料衡算燃燒氣組成為：CO2：H2O：O2

：N2：第四節(jié)化學反應過程的物料衡算3．聯(lián)系組分法

聯(lián)系組分又稱惰性組分，是指在整個生產(chǎn)中隨反應物料進出系統(tǒng)，但完全不參與反應的組分，因此其數(shù)量（質量和摩爾數(shù)）總是不變。如在燃燒過程中用空氣提供氧氣時，隨之帶入的氮氣就是一種惰性物質，稱聯(lián)系組分。利用聯(lián)系組分的特點以及和其他物料之間的比例關系，可以算出其他物料的數(shù)量，這種方法在反應器的物料衡算中就稱為聯(lián)系組分計算法。第四節(jié)化學反應過程的物料衡算例如：如下圖所示

惰性組分進出系統(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中的質量分數(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)化學反應過程的物料衡算

有時系統(tǒng)中存在不止一種聯(lián)系組分，這時可選擇其總量為聯(lián)系組分，也可選擇其中含量較大的組分單獨使用，因為聯(lián)系組分的量越大，計算誤差就會越小。利用聯(lián)系組分進行物料衡算可使計算簡化，尤其在未知變量較多的過程中，通過（4-13）式提供的關系可以解出部分未知變量，找到解決問題的突破口。第四節(jié)化學反應過程的物料衡算

例4-17：在爐子內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%（摩爾分數(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)化學反應過程的物料衡算燃燒過程中發(fā)生的化學反應式如下：基準選擇，因為煙道氣的組成已知，所以基準：煙道氣100mol煙道氣中物質的量：煙道氣中CO2量：煙道氣中H2O量：第四節(jié)化學反應過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)化學反應過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)化學反應過程的物料衡算4．利用化學平衡常數(shù)進行衡算

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式以外，常常還需要利用反應的平衡關系來計算產(chǎn)物的平衡組成?；瘜W平衡常數(shù)表示了可逆反應過程在反應達到平衡時各物料之間組成上的定量關系，平衡常數(shù)在可逆反應的物料衡算中提供了一種過程限制關系。例：可逆反應有：第四節(jié)化學反應過程的物料衡算二、具有循環(huán)、排放及旁路過程的物料衡算

1．具有循環(huán)過程的物料衡算前面介紹的物料衡算方法只是對反應器本身的物料衡算方法，在化工過程中常會遇到一些具有循環(huán)的過程，這類過程的物料衡算事實上就是在無化學反應過程（單元操作）的基礎上再加上反應器的物料衡算，計算時根據(jù)已知條件選擇合適的計算衡算體系，這樣有利于順利地解題。（1）設置循環(huán)的目的（2）包含循環(huán)過程的典型物料流程圖:如下頁所示第四節(jié)化學反應過程的物料衡算第四節(jié)化學反應過程的物料衡算在對分離器和混合器進行物料衡算時這兩個參數(shù)很重要，有時可以作為解題的線索。（3）舉例另外，具有循環(huán)過程的體系還有兩個過程限制參數(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)化學反應過程的物料衡算

例4-20：丙烯由丙烷在催化反應器中脫氫生成，其反應式為：丙烷的總轉化率為95%。離開反應器的產(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的量為反應器混合物中未反應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%。試計算（1）產(chǎn)品和循環(huán)物料組成；（2）單程轉化率。第四節(jié)化學反應過程的物料衡算解：畫出物料流程圖基準：100mol·h-1新鮮原料（C3H8）即FF1=mol·h-1第四節(jié)化學反應過程的物料衡算因為已知總轉化率，所以衡算體系選擇總個過程。衡算體系：總過程由已知C3H6的總轉化率為95%，即：解得：由反應式可知：產(chǎn)品的組成：C3H8:C3H6:H2:第四節(jié)化學反應過程的物料衡算衡算體系：分離器由已知P1是反應后混合物中未反應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)化學反應過程的物料衡算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：由單程轉化率，有：第四節(jié)化學反應過程的物料衡算總結循環(huán)過程的物料衡算有以下規(guī)律:1.當已知循環(huán)物流的流量和組成，或者通過一些已知的條件可以間接得到循環(huán)物流的流量和組成，這類物料衡算問題比較容易求解。2.當循環(huán)物流的流量和組成未知時，有時需用試差法解題。第四節(jié)化學反應過程的物料衡算2．具有排放過程的物料衡算

（1）排放設置的目的為了防止惰性物質和副產(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，使惰性物質的輸出量能與進料中的輸入量平衡，或是副產(chǎn)物的輸出量能與副反應產(chǎn)生的量平衡，從而維持整個系統(tǒng)的物料流量和組成穩(wěn)定。（2）排放位置的確定選取需調整成分的含量最高的位置為排放位置；或是經(jīng)分析測定后定期排放。第四節(jié)化學反應過程的物料衡算（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物料的總轉化率。第四節(jié)化學反應過程的物料衡算（4）排放量的確定根據(jù)穩(wěn)態(tài)流動過程的物料平衡，為了使惰性物質和副產(chǎn)物不在系統(tǒng)中積累，排放物料流量應調節(jié)到能平衡惰性物質的輸入量和副產(chǎn)物的產(chǎn)生量。假設惰性物質和副產(chǎn)物全部進入循環(huán)物流，則惰性物質：副產(chǎn)物：第四節(jié)化學反應過程的物料衡算

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

例4-22：甲苯催化加氫脫甲基制苯，主反應和副反應主反應：副反應：以純氫和純甲苯為原料，進入反應器的氫與甲苯之比為5:1（摩爾比）。甲苯的單程轉化率為80%，生成苯的選擇性為98%，未反應的甲苯和產(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%，計算排放比及各物流的組成。第四節(jié)化學反應過程的物料衡算解：由題意畫出物料流程圖第四節(jié)化學反應過程的物料衡算

說明：（1）流程中物料流股各物質流量的下標編號盡可能保持一致，下標相同表示同一種物質，這樣可以避免列衡算式時出差錯。本題中只有混合原料的組成有已知數(shù)據(jù)，設其為基準后可先對反應器系統(tǒng)進行物料衡算。（2）由題意要求混合原料中甲烷含量不大于10%，取10%進行計算，這樣計算得到的排放量數(shù)據(jù)為最小值，實際排放時應稍稍大于此值。第四節(jié)化學反應過程的物料衡算基準：進反應器混合原料：100衡算體系：反應器進料：由已知，總物料：（1）（2）解（1）、（2）式得：出料：C6H5CH3的剩余：

第四節(jié)化學反應過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)化學反應過程的物料衡算反應器出口物料的組成：

衡算體系：分離器

第四節(jié)化學反應過程的物料衡算則：

則：由分流器的特征，有：，第四節(jié)化學反應過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)化學反應過程的物料衡算新鮮原料的組成：混合原料計算：衡算體系：分流器

H2的平衡：第四節(jié)化學反應過程的物料衡算有：CH4的平衡：有：總物料：排放物料組成：

計算排放比：排放比=第四節(jié)化學反應過程的物料衡算計算結果匯總列表如下表

第四節(jié)化學反應過程的物料衡算3．具有旁路過程的物料衡算

旁路就是指某一股物料的一部分繞過一個或幾個設備而直接進入后續(xù)工序，與另一股物料相混的過程。旁路過程的典型流程如圖所示旁路過程主要用于調節(jié)物料的組成或溫度。第四節(jié)化學反應過程的物料衡算

例4-23：用以生產(chǎn)甲醇的合成氣由烴類氣體轉化而得。要求合成氣中（摩爾比），氣體量為（標準狀況）。因轉化氣中含（摩爾分數(shù)），，不符合要求，為此需將部分轉化氣送至變換反應器，變換后氣體中含（摩爾分數(shù)），，氣體體積減少2%，用此變換氣去調節(jié)轉化氣，求轉化氣及變換氣各為多少（標準狀況）？解：畫出物料流程圖第四節(jié)化學反應過程的物料衡算第四節(jié)化學反應過程的物料衡算基準：合成氣（標準狀態(tài)）設：合成氣中的CO摩爾分率為，H2的摩爾分率為2.4。混合器的衡算：總物料平衡：（1）

CO平衡：（2）

H2平衡：（3）解上述方程組得：（標準狀況）（標準狀況）第四節(jié)化學反應過程的物料衡算因經(jīng)過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：（標準狀況）

說明：上述物料流量雖然是用體積作單位，但因為均轉換成了標準體積，所以可以列平衡式。（標準狀況）（標準狀況）

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)濟又合理的能量消耗方案。二、能量衡算的理論依據(jù)熱力學第一定律：能量既不能產(chǎn)生，也不能消滅三、能量衡算的應用主要應用在兩種類型的問題上：

一類是對使用中的裝置或設備；另一類是在設計新裝置或設備時。

能量衡算的基礎是物料衡算。只有在進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，即要計算進入和離開特定體系的能量值，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雜。一、位能（Ep）位能又稱勢能，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有關，物體在重力場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：位能的大小和基準面有關，因此物體距基準面的高度差決定了位能的大小，當物體處于基準面上時其位能為零。由于多數(shù)化工生產(chǎn)過程基本上是在地表或接近地表的高度進行的，位能對整個能量衡算的影響一般不大，除在計算物料的輸送功率時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、動能（Ek）

由于物體運動所具有的能量，稱為動能，其值表示為：

物體的動能與物體運動速度的平方成正比，因此物體的運動速度對動能的影響較大，但在化工生產(chǎn)過程中物料的流動速度一般都不大，與其他能量相比較可以忽略，只有當物料經(jīng)過噴嘴或銳孔形成高速的噴射流時，在能量衡算中動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、內能（U）內能表示除了宏觀的動能和位能外物質所具有的能量，其大小與分子運動有關。對于純組分物質，內能可表示成與溫度和摩爾體積間的函數(shù)關系：我們只能計算內能的差，或計算相對于某個參考態(tài)的內能，而無法計算內能的絕對值。第三節(jié)幾個與能量衡算有關的重要物理量

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>

說明：環(huán)境對系統(tǒng)作功取為正值，系統(tǒng)對環(huán)境作功取為負值。熱量的單位為焦耳（J）

在化工生產(chǎn)過程中常見的有體積功、流動功及旋軸功的機械功等。

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

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

注意兩點:

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

三、焓（H）對于焓的定義在第二章化工常用基礎數(shù)據(jù)的有關章節(jié)中已做了介紹。焓與內能一樣，都是熱力學函數(shù)中的狀態(tài)函數(shù)，這種狀態(tài)函數(shù)與過程的途徑無關，只與所處的狀態(tài)有關。

既然焓是用來表達流動系統(tǒng)中能量的適當形式，為了解決問題方便，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)熱力學第一定律，能量衡算方程式可寫為：式中:2.對不同的體系能量衡算式又有不同的簡化形式：

⑴封閉體系

⑵連續(xù)穩(wěn)態(tài)流動過程的總能量衡算第四節(jié)能量衡算的基本方法二、機械能衡算

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

三、熱量衡算對于沒有功的傳遞（W=0），并且動能和位能可以忽略不計的設備，如換熱器，連續(xù)穩(wěn)定流動過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)25萬噸乙烯的裂解裝置，采用柴油作裂解原料時，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備，在連續(xù)穩(wěn)態(tài)流動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，熱量衡算就是計算在指定的條件下體系中進出物料的焓差或內能差，從而確定過程傳遞的熱量。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計時，根據(jù)給定的進出物料量及已知溫度求另一股物料的未知物料量或溫度，常用于計算換熱設備的熱物料（如蒸汽等）用量或冷物料（如冷卻水等）用量。

另一種是在原有過程或裝置上，對某個設備，利用實際測定（有時也需要作一些相應的