注冊化工工程師物料衡算

第一章物料衡算和能量衡算

物料衡算和能量衡算是化工工藝設(shè)計的基礎(chǔ)，是進行化工工藝設(shè)計及經(jīng)濟評價的基本依據(jù)。通過

對全過程或單元過程的物料和能量衡算，可以確定工廠生產(chǎn)裝置設(shè)備的設(shè)計規(guī)模和能力，可以計算出

原料消耗定額、能量消耗定額和三廢排放量及組成，是設(shè)備選擇和計算的依據(jù)，是改進生產(chǎn)和降低生

產(chǎn)成本的依據(jù)。

第一節(jié)物料衡算

1.1物料平衡分析和計算方法

1.質(zhì)量守恒與物料平衡式

根據(jù)質(zhì)量守恒算定律寫出的平衡關(guān)聯(lián)式：

（1）總質(zhì)量平衡關(guān)聯(lián)

⑴

是輸入系統(tǒng)物料質(zhì)量總和；%是從系統(tǒng)輸出物料質(zhì)量總和；ZG3是物料損失質(zhì)量總和。

該式表達了任何體系，總質(zhì)量是守恒的。

（2）組分平衡關(guān)聯(lián)

物理過程中，各組分的質(zhì)量和摩爾數(shù)守恒，化學(xué)反應(yīng)過程中，不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的惰性組分的質(zhì)量

和摩爾數(shù)守恒，對參與化學(xué)反應(yīng)的組分，要考慮該組分在反應(yīng)過程中質(zhì)量和摩爾數(shù)的變化，對某一體

系的組分A：

加入系統(tǒng)（或單元設(shè)備）A的量=在系統(tǒng)（或單元設(shè)備）中轉(zhuǎn)化的A量+離開系統(tǒng)（或單元設(shè)備）

A的量+在系統(tǒng)（或單元設(shè)備）中積累A的量

對于連續(xù)定態(tài)的生產(chǎn)過程，物料無積累。

（3）元素平衡關(guān)聯(lián)

無論是物理過程還是化學(xué)過程，元素都是平衡的。元素守恒包括元素的質(zhì)量平衡守恒和元素的摩

爾數(shù)平衡。對化學(xué)反應(yīng)過程，在進行物料平衡計算時，常用組分平衡和元素平衡，尤其是化學(xué)反應(yīng)計

量系數(shù)未知或很復(fù)雜，以及只有參加反應(yīng)各物質(zhì)的化學(xué)分析數(shù)據(jù)時，用元素平衡最為方便。有的時候,

也只有元素守恒才可求解。

2.物料平衡計算方法

物料平衡計算的方法有直接解法、聯(lián)系物解法和代數(shù)解法。

直接解法適用于求解單元設(shè)備的簡單體系，有已知數(shù)據(jù)，用四則運算直接求解未知數(shù)據(jù)。

聯(lián)系物解法對于單元設(shè)備的簡單體系和復(fù)雜體系都適用。對于化工過程，惰性物或惰性組分不參

與化學(xué)反應(yīng)，若一種或多種惰性物質(zhì)由一物流全部轉(zhuǎn)入另一物流，可用惰性物把兩股物流的流量聯(lián)系

起。對于多種惰性物質(zhì)可作為聯(lián)系物時，一般選數(shù)量大的惰性物作聯(lián)系物。

代數(shù)解法對于單元設(shè)備的復(fù)雜體系和復(fù)雜化工過程的各種體系，以及含多個未知量和多個方程的

情況都適用。

3.物料平衡計算基準(zhǔn)

平衡計算的基準(zhǔn)選擇很重要，基準(zhǔn)選擇適當(dāng)可大大簡化計算。對于基準(zhǔn)的選擇要根據(jù)具體的情況,

非硬性規(guī)定，基準(zhǔn)選擇的經(jīng)驗：

(1)已知進料組成時，若進料組成用質(zhì)量百分?jǐn)?shù)表示，則用100kg/h或100g/h進料為基準(zhǔn),

若為摩爾百分?jǐn)?shù)時，用100mol/h或100kmol/h進料為基準(zhǔn)；

(2)已知出料組成時，若出料組成用質(zhì)量百分?jǐn)?shù)表示，則用100kg/h或100g/h出料為基準(zhǔn),

若為摩爾百分?jǐn)?shù)時，用100mol/h或100kmol/h出料為基準(zhǔn)；

(3)以It產(chǎn)品為基準(zhǔn)；

(4)以Imol反應(yīng)物為基準(zhǔn)；

(5)以每一批生產(chǎn)量為基準(zhǔn)；

(6)對液固體系，常選單位質(zhì)量作基準(zhǔn)，對氣體物料，若環(huán)境條件已定，選體積做基準(zhǔn)，對

連續(xù)流動體系，用單位時間作基準(zhǔn)。

4.物料平衡計算步驟

(1)畫出物料平衡計算方框圖；

(2)寫出化學(xué)反應(yīng)方程式；

(3)寫明指定年產(chǎn)量、年工作日或每晝夜生產(chǎn)能力、產(chǎn)率、產(chǎn)品純度等；

(4)選定計算基準(zhǔn)；

(5)收集計算需要的數(shù)據(jù)；

(6)進行物料平衡計算；

(7)將物料平衡計算結(jié)果列成物料平衡表，畫出物料平衡圖。

例1某尿素廠的生產(chǎn)能力為6X104t尿素/年，年操作日300天，尿素的氨耗為0.6t氨/尿素，生

產(chǎn)過程的氨損失按5%(質(zhì)量百分?jǐn)?shù))考慮，已知以It氨為基準(zhǔn)的某股氣體的組成如表1所示。計算

完成生產(chǎn)任務(wù)所需的該股氣體的流量。

表1物料組成

CO

組分COH2N2CH4合計

2

組成/%281.2

52.6117.050.575100

(mol).560

摩爾數(shù)542.2100.0190.1

32.431.093

/kmol.309453

解：由題意，每小時產(chǎn)氨量為

(60000X0.6X1.05)4-(300X24)=5.25t/h

以It氨為基準(zhǔn)的各組分的摩爾質(zhì)量乘以5.25,所得結(jié)果即為流量，其結(jié)果列于表2：

表2物料組成和流量

CO

組分COH2N2CH4合計

2

組成/%281.2

52.6117.050.575100

(mol).560

流量/2812.998.3

525.2170.35.74

(kmol/h)5.1026

1.2物料平衡計算的基本參數(shù)

為了準(zhǔn)確進行物料平衡計算，有必要熟悉在物料平衡計算中常用的參數(shù)和計量單位。

1.流體的流量和流速

(1)體積流量Q

單位時間流經(jīng)管道或設(shè)備的流體的體積為體積流量，常用的體積流量單位m3/h、m3/min、m3/s?

(2)流體的線速度u

流體單位時間在流動的方向上所經(jīng)過的距離稱為線速度，單位常用m/s,工程上，把流體的體積

流量除以截面積所得的商來表示流體通過截面的線速度即：

瓦=2

A

(3)質(zhì)量流量W

單位時間流經(jīng)管道或設(shè)備的流體的質(zhì)量稱為質(zhì)量流量，其單位一般常用Kg/h、Kg/min、Kg/s。

(4)質(zhì)量流速G

單位時間通過管道或設(shè)備的單位截面積的流體的質(zhì)量稱為質(zhì)量流速，

質(zhì)量流速的單位一般常用Kg/(m2,h)、Kg/(m2?min)、Kg/(m2?s)

(J=—

A

(5)摩爾流量F

單位時間流經(jīng)管道或設(shè)備的流體的物質(zhì)的量稱為摩爾流量，其單位一般常用kmol/h、kmol/min,

kmol/so

質(zhì)量流量、體積流量和線速度的關(guān)系式如下：

W=Qp=uApp為流體的密度

2.摩爾分?jǐn)?shù)和質(zhì)量分?jǐn)?shù)

(1)摩爾分?jǐn)?shù)

混合物中某組分的物質(zhì)的量與混合物的物質(zhì)的量之比稱為該組分的摩爾分?jǐn)?shù)。液體混合物中i組

分的摩爾分?jǐn)?shù)一般用x,表示，而氣體混合物中的i組分摩爾分?jǐn)?shù)用y,表示，即

%

X-=—%一%

m,m務(wù)別為i組分和混合物;的物質(zhì)的量，單位為mol。

對于流動物系，摩爾分?jǐn)?shù)為

耳耳

F,F,

R,握分別為i組分和混合物的摩爾流量，單位為mol/h。對于混合氣體i組分的摩爾分?jǐn)?shù)和體積

分?jǐn)?shù)相等。

(2)質(zhì)量分?jǐn)?shù)

混合物中，某組分的質(zhì)量與混合物的質(zhì)量之比為該組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，用明表示，即

_，組分的質(zhì)量

混合物的質(zhì)量

對流動物系有

二，組分的質(zhì)量流量=W,成=，組分的質(zhì)量流速=G

W_混合物的質(zhì)量流量一應(yīng)「混合物的質(zhì)量流速—G；

例2一混合物中苯和甲苯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.3和0.7,求苯和甲苯的摩爾分?jǐn)?shù)(分別用xi和xz

表示)。

解：本例題是質(zhì)量分?jǐn)?shù)與摩爾分?jǐn)?shù)的換算。主要是質(zhì)量和物質(zhì)的量以及分子質(zhì)量的關(guān)系。

30

78=0.336

3070

------1------

7892

x2=l-xi=0.664

3.混合物的平均相對分子質(zhì)量

M=2

1=1

X.為i組分的摩爾分?jǐn)?shù)；Mi為i組分的相對分子質(zhì)量；而為混合物的平均相對分子質(zhì)量。

例3混合物中乙醇和水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.4和0.6,求此混合物的平均相對分子質(zhì)量。

以下標(biāo)1和2分別表示乙醇和水,即Mi=46和M2=18O

解：有M=可知要想求平均相對分子質(zhì)量，首先需要把質(zhì)量分?jǐn)?shù)轉(zhuǎn)化為摩爾

分?jǐn)?shù)。t

40

46=0.207

4060

------1------

4618

x2=l-Xi=0.793

=23.796必

4.氣體的體積

(1)一般壓力、溫度下氣體的體積

一般來說，操作壓力在IMPa以下，可按理想氣體對待，服從理想氣體狀態(tài)方程式:

PV=nRT

對混合氣體

PV=2RT

M

對于R的具體數(shù)值因單位而異，以SI單位R=8.314J/(mol-K)

對于流動系統(tǒng)，理想氣體狀態(tài)方程為

PQ=FRT

標(biāo)準(zhǔn)狀況下，出11101氣體的體積為22.41113,所以一般壓力下的氣體體積也可用下式計算:

273+1

V22Anx

273p

273+?0.10133

Q=22AFx----------x

273P

(2)高壓下的氣體體積

操作壓力在IMPa以上時，真實氣體對待。在各種計算方法中，以壓縮因子法最方便，壓縮因子

作為理想氣體狀態(tài)方程的校正系數(shù)，用來算真實氣體體積，即

PV=ZnRT和PQ=ZFRT

Z是壓縮因子，是對比壓力Pr和對比溫度Tr的函數(shù)，可有Tr、Pr查壓縮因子圖得到。

對比參數(shù)是某狀態(tài)下的參數(shù)除以相對應(yīng)的臨界參數(shù)。

P產(chǎn)P/PcTr=T/Tc

對于氫、氫、氟三種氣體，按下式計算Pr和Tr,所得的Z更符合實際：

Pr=P/(Pe+8)Tr=T/(Tc+8)

式中壓力的單位為MPa。

5.氣體和液體的密度

(1)氣體的密度

由于氣體的體積受壓力和溫度的影響很大，所以氣體的密度受壓力和溫度的影響也很大。壓力在

IMPa以下，按理想氣體對待，當(dāng)操作壓力大于IMPa時，用下式計算：

MP

密度的單位Kg/m3；壓力單位為MPa；溫度單位K。

高壓下混合氣體的密度計算公式和單一氣體密度計算公式相似，分子質(zhì)量用平均相對分子質(zhì)量代

替。壓縮因子用混合氣體壓縮因子代替。

(2)液體的密度

液體在一般壓力下，密度隨壓力變化不大，但隨溫度的變化比較顯著。在一般手冊和書籍可以查

到常溫下液體的密度，也可查有實驗結(jié)果列出的液體密度與溫度變化的數(shù)據(jù)和曲線圖。

工業(yè)中，遇見的液體混合物密度，除了和溫度壓力有關(guān)