第四章物料衡算ppt课件.ppt

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1、 物料衡算的理论依据是质量守恒定律，即在一个孤立物系中，物料衡算的理论依据是质量守恒定律，即在一个孤立物系中，不论物质发生任何变化，它的质量始终不变（不包括核反应，不论物质发生任何变化，它的质量始终不变（不包括核反应，因为核反应能量变化非常大，此定律不适用）。因为核反应能量变化非常大，此定律不适用）。 1通过物料衡算可以知道原料、产品、副产品及中间产品之通过物料衡算可以知道原料、产品、副产品及中间产品之间量的关系，从而计算出原料的转化率、产品的收率、物料损间量的关系，从而计算出原料的转化率、产品的收率、物料损失情况及原料的消耗定额。失情况及原料的消耗定额。 2通过物料衡算得到的数据是设计或选择

2、设备类型、台数和通过物料衡算得到的数据是设计或选择设备类型、台数和尺寸的依据，以便对设备作进一步的计算。尺寸的依据，以便对设备作进一步的计算。3对新建车间、工段或装置的生产工艺指标进行预估，对化对新建车间、工段或装置的生产工艺指标进行预估，对化工过程和设备进行设计。工过程和设备进行设计。1化工过程根据其操作方式可以分成连续操作、间歇操作化工过程根据其操作方式可以分成连续操作、间歇操作以及间歇连续操作（半间歇或半连续操作）三类。以及间歇连续操作（半间歇或半连续操作）三类。2化工过程按物系是否稳定，可分为稳定状态操作和非稳化工过程按物系是否稳定，可分为稳定状态操作和非稳定状态操作。定状态操作。本章

3、主要是以稳定状态操作过程为主介绍物料衡算的有关方本章主要是以稳定状态操作过程为主介绍物料衡算的有关方法，对不稳定状态操作过程只作简要的介绍。法，对不稳定状态操作过程只作简要的介绍。 VmVm 进行物料衡算时，必须首先确定衡算的体系。所谓体系进行物料衡算时，必须首先确定衡算的体系。所谓体系就是物料衡算的范围，它可以是一个设备或几个设备，也可就是物料衡算的范围，它可以是一个设备或几个设备，也可以是一个单元操作或整个化工过程，以是一个单元操作或整个化工过程， 可以根据实际需要人为可以根据实际需要人为地选定，体系的确定以能简化解题为原则。地选定，体系的确定以能简化解题为原则。物料衡算必定是针对特定的衡

4、算体系的，它主要研究在某一物料衡算必定是针对特定的衡算体系的，它主要研究在某一个体系内进、出物料量及组成的变化。个体系内进、出物料量及组成的变化。 进行物料衡算时，尤其是那些设备和过程较多的复杂体进行物料衡算时，尤其是那些设备和过程较多的复杂体系的物料衡算，应按照一定的计算步骤来进行。系的物料衡算，应按照一定的计算步骤来进行。 （1）设计任务数据 生产规模 根据设计任务、生产能力来确定。 生产时间 即年工作时数（操作时间），一般为7200-8000小时左右。 有关工艺技术经济指标 即原料的消耗定额、转化率、收率、选择性（或产率）等。（2）物性数据 如质量、密度、浓度、反应平衡常数、相平衡常数等

5、，可以在有关资料、手册、数据汇编等处查找。查找时应注意资料的可靠性，尽可能找原始资料并注意数据的适用范围。所收集的数据应统一使用国际单位制。（3）工艺参数 如温度、压力、流量、原料配比、停留时间等。 （1）画物料流程图的方法 a.用简单的方框表示过程中的设备，方框中标明过程的特点或设备的名称 ；b.用带箭头的线条表示每股物流的途径和流向 举例：物料流程示意图 CH485%和 C2H615%（mol%）的天然气与空气在混合器中混合。得到的混合气体含CH410%。试计算 100mol 天然气应加入的空气量及得到的混合气量。所画的物料流程简图如图 4-5所示。 混合过程 1 100mol 天然气 C

6、H4 0.85 C2H6 0.15 3 Mmol 混合气 CH4 0.10 C2H6 x 空气 1-0.10-x 2 A mol 空气 举例：含CH485%和C2H615%（摩尔分数）的天然气与空气在混合器中混合。得到的混合气体含CH410%。试计算100mol天然气应加入的空气量及得到的混合气量。所画的物料流程简图如下图所示：混合过程的物料流程图 根据衡算对象的情况，用框图形式画出物料流程简图后，必要时可在流程图中用虚线表示体系的边界，从虚线与物料流股的交点可以很方便地知道进出体系的物料流股有多少。 当物料衡算过程较复杂，包含有很多设备时，合理选择衡算体系对解题是很有帮助的，特别是第一个衡算

7、体系的确定，往往是解题的突破口，解决问题之关键，这时原则上应选择已知条件最多、物料组分最多、未知变量最少的体系作为第一个衡算系统，这些条件有时不一定能同时满足，可视具体情况进行取舍。如果再不能确定衡算体系，需列表进行自由度分析，检查给定的数据条件与求解的变量数目是否相符，确定求解的步骤。 写化学反应方程式时，应按化学反应方程式的正确配平方法将方程式配平，包括主反应和副反应，并将参与反应的各反应物和生成物的分子量列表汇总表示出来，以备计算时用。在物料、能量衡算中，计算基准的选取至关重要，从原则上说选择任何一种计算基准，都能得到正确的解答。 在一般化工计算中，根据过程的特点选择计算基准大致可以从以

8、下几个方面考虑：（1）时间基准 （2）质量基准 （3）物质的量基准 （4）体积基准 对于不同化工过程，采用什么基准适宜，需视具体情况而定，不能作硬性规定。例如，当进料的组成未知时（比如以煤原油等作为原料），只能选单位质量作基准；当密度已知时，也可选体积作基准。但是，不能选1摩尔煤或1摩尔原油作基准，因为不知道它们的分子量。对有化学反应的体系，可以选某一个反应物的物质的量（摩尔数）作基准，因为化学反应是按反应物之间的摩尔比进行的。根据不同过程的特点，选择计算基准时，应该注意以根据不同过程的特点，选择计算基准时，应该注意以下几点：下几点：应选择已知变量数最多的流股作为计算基准。应选择已知变量数最多

9、的流股作为计算基准。对液体或固体的体系，常选取单位质量作基准。对液体或固体的体系，常选取单位质量作基准。对连续流动体系，用单位时间作计算基准有时较方对连续流动体系，用单位时间作计算基准有时较方便。便。对于气体物料，如果环境条件（如温度、压力）已对于气体物料，如果环境条件（如温度、压力）已定，则可选取体积作基准。定，则可选取体积作基准。下面举例说明选择不同的计算基准对解题难简的影响下面举例说明选择不同的计算基准对解题难简的影响程度。程度。 例4-1：丙烷充分燃烧（即转化率100%）时，实际供入的空气量为理论所需量的125%，反应式为：求：每生成100mol的燃烧产物实际需要供入多少摩尔空气？O4

10、HCO3O5HC22283由题意物料流程简图如下： 由流程图可知： 该体系有三股物流：丙烷、空气、燃烧产物。 原则上基准的选择有三种方法： 1、 选一定量的空气为计算基准 2、 选一定量的丙烷为计算基准 3、 选一定量的燃烧产物为计算基准 下面分别以这三种物料为基准，比较各种计算方法的难易程度，以说明合理选择基准的重要性。 图 4-7 例 4-1 物料流程图 燃烧过程 C3H8 燃烧产物（CO2、N2、H2O、O2 ） 空气 （O2、N2） 解：由题意物料流程简图如下： 由流程图可知：该体系有三股物流：丙烷、空气、燃烧产物。原则上基准的选择有三种方法：1.选一定量的空气为计算基准2.选一定量的

11、丙烷为计算基准3.选一定量的燃烧产物为计算基准下面分别以这三种物料为基准，比较各种计算方法的难易程度，以说明合理选择基准的重要性。 方法一 基准：1mol 1molC3H8完全燃烧需要的理论空气量计算：由反应式，完全燃烧理论上需氧量（即实际耗氧量）：5mol由空气过量125%即氧气过量125%，有：实际供氧量 折算成实际供空气量（空气中含氧21%） 29.76mol空气中含氮量 反应后剩余O2量 1.25mol反应所产生的CO2量 3mol反应所产生的H2O量 4mol总的燃烧产物量：(23.51+1.25+3+4)mol=31.76mol所以，每100mol燃烧产物所需空气量为：6.25mo

12、lmol525. 183HC93.7mol31.76mol29.76mol100mol23.51mol0.7929.76mol29.76mol0.216.25mol方法二 基准：1mol空气按题意供入的空气量为理论量的125%，则理论上所需空气量为：因为1mol空气中含氧量为0.21mol；所以供燃烧C3H8的氧量（即反应消耗氧）由反应式，燃烧C3H8的量为 反应产生的CO2量为 反应产生的H2O量为 反应后剩余的O2量为 通入1mol空气产生的燃烧产物的总量为： 所以，每100mol燃烧产物需空气量为：mol8 . 01.251mol0.168mol0.21mol0.8mol0336. 05

13、0.168mol0.1008mol3mol0336. 00.1344mol4mol0336. 0mol042. 0mol)168. 021. 0(mol068. 1mol)79. 0042. 01344. 01008. 0(mol6 .931.068mol1molmol100燃烧产物空气燃烧产物 方法三 基准：燃烧产物有六个未知变量，引进六个参数，分别为：N燃烧产物中N2的量，mol；M燃烧产物中O2的量，mol；P燃烧产物中CO2的量，mol；Q燃烧产物中H2O的量，mol；A入口空气的量，mol；B入口的量，mol。因有6个未知量，所以必须列6个独立方程，列各元素的平衡：体系中有四种元素，

14、可以列四个独立物料衡算方程。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）另有两个辅助条件方程：有燃烧产物总量，有： M+N+P+Q=100mol （5）反应后剩余的氧量： （6）2QPM0.21A1.250.21A0.21AM 从上述三种不同基准的解法可看出，第三种从上述三种不同基准的解法可看出，第三种解法虽然避免了换算，但是比第一、第二种解法解法虽然避免了换算，但是比第一、第二种解法工作量大。如果线性方程组较复杂，则解方程组工作量大。如果线性方程组较复杂，则解方程组时工作量更大。所以，从题意看

15、，第一、第二种时工作量更大。所以，从题意看，第一、第二种解法所选的基准比较恰当。解法所选的基准比较恰当。 由上例可见，选择合适的基准，能简化解题由上例可见，选择合适的基准，能简化解题 、减少计算工作量，将复杂问题简单化还否则会适减少计算工作量，将复杂问题简单化还否则会适得其反，将简单问题复杂化，所以基准的合理选得其反，将简单问题复杂化，所以基准的合理选择是解题步骤中一个很重要的技巧。择是解题步骤中一个很重要的技巧。 说明：本题丙烷的转化率为说明：本题丙烷的转化率为100%，所以对于过量，所以对于过量反应物理论所需量和实际消耗量是一致的。反应物理论所需量和实际消耗量是一致的。 根据衡算体系的具体

16、情况，列出所有独立的根据衡算体系的具体情况，列出所有独立的物料衡算式，当未知变量数等于独立方程式个数物料衡算式，当未知变量数等于独立方程式个数时，可用代数法求解。如当未知数变量多于独立时，可用代数法求解。如当未知数变量多于独立方程式个数时，只能采用试差法或计算机来解题方程式个数时，只能采用试差法或计算机来解题解。解。 将物料衡算的结果加以整理、校核，列成物将物料衡算的结果加以整理、校核，列成物料衡算表。表中需列出输入、输出的物料名称、料衡算表。表中需列出输入、输出的物料名称、数量及单位和占总物料的百分数。数量及单位和占总物料的百分数。 第三节第三节 无化学反应过程的物料衡算无化学反应过程的物料

17、衡算 无化学反应过程是指一些只有物理变化而没有化学反无化学反应过程是指一些只有物理变化而没有化学反应的单元操作，例如混合、精馏、蒸发、干燥、吸收、结应的单元操作，例如混合、精馏、蒸发、干燥、吸收、结晶、萃取、过滤等，或是虽有化学反应，但以物理变化为晶、萃取、过滤等，或是虽有化学反应，但以物理变化为主，这些过程的物料衡算都可以根据质量守恒定律，由物主，这些过程的物料衡算都可以根据质量守恒定律，由物料衡算式（料衡算式（4-4），列出总物料和各组分的衡算式，再用），列出总物料和各组分的衡算式，再用代数法求解即可。代数法求解即可。第三节第三节 无化学反应过程的物料衡算无化学反应过程的物料衡算1、混合、

18、混合 当物料的浓度不符合化工生产要求时，经常需要当物料的浓度不符合化工生产要求时，经常需要通过加入其它浓度的物质来进行调整，这就是混通过加入其它浓度的物质来进行调整，这就是混合，混合有气体和气体之间的混合，液体和液体合，混合有气体和气体之间的混合，液体和液体之间的混合。之间的混合。 例例4-2：现有：现有800kg用过的稀电池溶液，内含用过的稀电池溶液，内含H2SO412.43%（质量分数）。现在需将其配制成含有（质量分数）。现在需将其配制成含有H2SO418.63%的溶液再重新利用，问需加入的溶液再重新利用，问需加入77.7%的的H2SO4多少千克合适？可制得多少千克可利用的酸？多少千克合适

19、？可制得多少千克可利用的酸？第三节第三节 无化学反应过程的物料衡算无化学反应过程的物料衡算解：根据题意可画出如下图解：根据题意可画出如下图4-9所示的物料流程图所示的物料流程图分析：此题中有四个已知数据：一个质量数据，三分析：此题中有四个已知数据：一个质量数据，三个组成数据，要求的有两个未知变量，体系中有个组成数据，要求的有两个未知变量，体系中有两种物质，可列出两个独立的物料衡算方程，问两种物质，可列出两个独立的物料衡算方程，问题可解。题可解。设设F2为浓度为浓度77.7%H2SO4的质量，的质量，F3为浓度为浓度18.63%的的H2SO4质量。可以写出一个总物料平衡式和两质量。可以写出一个总

20、物料平衡式和两个组成平衡式，其中任意两个方程组合都是独立个组成平衡式，其中任意两个方程组合都是独立方程，可以解出两个未知变量。方程，可以解出两个未知变量。第三节第三节 无化学反应过程的物料衡算无化学反应过程的物料衡算 F3 H2SO4 0.1863 H2O 0.8137 混合 F1：800kg H2SO4 0.1243 H2O 0.8757 F2 H2SO4 0.777 H2O 0.233 图 4-9 例 4-2 物料流程图 第三节第三节 无化学反应过程的物料衡算无化学反应过程的物料衡算第三节第三节 无化学反应过程的物料衡算无化学反应过程的物料衡算 2. 结晶结晶 在化工生产中，为了精制固体物

21、质，使溶解在化工生产中，为了精制固体物质，使溶解于液体中的固体溶质呈结晶状析出的操作称为结于液体中的固体溶质呈结晶状析出的操作称为结晶。它是获得纯净固体物质的重要方法之一，应晶。它是获得纯净固体物质的重要方法之一，应用较广泛。用较广泛。 在有关结晶的物料衡算中，溶解度和质量百在有关结晶的物料衡算中，溶解度和质量百分比浓度之间的换算是必需的，因为对于饱和溶分比浓度之间的换算是必需的，因为对于饱和溶液从手册上能查到的是溶解度数据而非质量百分液从手册上能查到的是溶解度数据而非质量百分比浓度数据。比浓度数据。第三节第三节 无化学反应过程的物料衡算无化学反应过程的物料衡算 例例4-5：1000千克千克K

22、Cl饱和水溶液盛于结晶槽饱和水溶液盛于结晶槽中，温度为中，温度为800C。将此溶液冷却到。将此溶液冷却到200C，若在冷，若在冷却过程中，进料溶液中的水有却过程中，进料溶液中的水有7%蒸发掉，求从溶蒸发掉，求从溶液中结晶出的液中结晶出的KCl量。量。 解：由手册查得解：由手册查得KCl在水中的溶解度数据为：在水中的溶解度数据为： 80：51.1克克KCl/100克克H2O 20：24.0克克KCl/100克克H2O。 画物料流程示意图：如下页画物料流程示意图：如下页第三节第三节 无化学反应过程的物料衡算无化学反应过程的物料衡算 结晶过程 80KCl饱和溶液 H2O 1000kg KCl结晶 x

23、 kg 20KCl饱和溶液 第三节第三节 无化学反应过程的物料衡算无化学反应过程的物料衡算第三节第三节 无化学反应过程的物料衡算无化学反应过程的物料衡算 在石油化工生产中，常常需要分离气体混合在石油化工生产中，常常需要分离气体混合物以获得纯净的原料气或气体产品，吸收操作就物以获得纯净的原料气或气体产品，吸收操作就是分离气体混合物的一种有效方法。是分离气体混合物的一种有效方法。 吸 收 塔 吸收剂 精制气体 原料气体 溶液 图 4-13 气体吸收过程示意图 例例4-6：将含：将含20%（质量百分数）丙酮与（质量百分数）丙酮与80%空气的混合气输入吸收塔，塔顶用喷水空气的混合气输入吸收塔，塔顶用喷

24、水吸收丙酮。吸收塔塔顶出口气体含丙酮吸收丙酮。吸收塔塔顶出口气体含丙酮3%，空气空气97%，吸收塔底得到，吸收塔底得到50千克含千克含10%丙酮丙酮的水溶液，计算输入吸收塔气体的量。的水溶液，计算输入吸收塔气体的量。解：详细过程如下所示解：详细过程如下所示 第三节第三节 无化学反应过程的物料衡算无化学反应过程的物料衡算由 题 意 画 出 物 料 流 程 示 意 图 （ 见 图 4-14） 基 准 ： 50kg 10%丙 酮 水 溶 液 设 塔 底 输 入 的 混 合 气 为 水 ：50kg 10%丙 酮 水 溶 液 吸 收 过 程 H2O y kg 丙 酮 3% 空 气 97% x kg 丙

25、酮 20% 空 气 80% 解：由题意画出物料流程示意图解：由题意画出物料流程示意图 ：如下所示：如下所示第三节第三节 无化学反应过程的物料衡算无化学反应过程的物料衡算第三节第三节 无化学反应过程的物料衡算无化学反应过程的物料衡算4干燥干燥 在化工生产中，有些原料、半成品和成品常含在化工生产中，有些原料、半成品和成品常含有水分（或其他溶剂）。为了便于加工，运输、贮有水分（或其他溶剂）。为了便于加工，运输、贮藏和使用，须将物料中的水分（其他溶剂）除去。藏和使用，须将物料中的水分（其他溶剂）除去。这种从物料中去除水分（或其他溶剂）的操作称去这种从物料中去除水分（或其他溶剂）的操作称去湿，去湿的方法

26、很多，可分三类：湿，去湿的方法很多，可分三类：（1）化学去湿法；）化学去湿法；（2）机械除湿法；）机械除湿法；（3）热能去湿法。热能去湿法也称干燥。）热能去湿法。热能去湿法也称干燥。第三节第三节 无化学反应过程的物料衡算无化学反应过程的物料衡算 例例4-7：现有湿纸浆含水：现有湿纸浆含水71%（质量分数），（质量分数），需通过干燥去掉其初始水分的需通过干燥去掉其初始水分的80%，试计算干燥，试计算干燥后纸浆中的含水量和每千克湿纸浆去掉的水分量。后纸浆中的含水量和每千克湿纸浆去掉的水分量。 解：由题意干燥过程的物料流程如下图所示。解：由题意干燥过程的物料流程如下图所示。干燥器 湿纸浆 纸浆 0.

27、29 H2O 0.71 干纸浆 纸浆 1x H2O x 干燥去掉的 H2O=初始量的 80% 第三节第三节 无化学反应过程的物料衡算无化学反应过程的物料衡算第三节第三节 无化学反应过程的物料衡算无化学反应过程的物料衡算5蒸馏蒸馏 蒸馏是利用液体混合物中各组分的挥发度不蒸馏是利用液体混合物中各组分的挥发度不同进行组分分离，多用于分离各种有机物的混合同进行组分分离，多用于分离各种有机物的混合液，也有用于分离无机物混合液的，例如液体空液，也有用于分离无机物混合液的，例如液体空气中氮与氧的分离。气中氮与氧的分离。 例例4-8：有一个蒸馏塔，输入和输出物料量及组成：有一个蒸馏塔，输入和输出物料量及组成如

28、下图如下图4-16。输入物料。输入物料1中中A组分的组分的98.7%自塔顶自塔顶蒸出。求每千克输入物料可得到塔顶馏出物蒸出。求每千克输入物料可得到塔顶馏出物2的量的量及其组成。及其组成。 第三节第三节 无化学反应过程的物料衡算无化学反应过程的物料衡算解：基准：100 kgh -1输入物料 令x = 馏出物中A的百分含量，y = 馏出物中B的百分含量。1 进料 100kgh1 A 0.20 B 0.30 C 0.50 蒸 馏 塔 冷凝器 2 馏出物 P kgh1 A x B y C 1-x-y 3 塔底产物 W kgh1 A 0.005 B 0.055 C 0.94 第三节第三节 无化学反应过程

29、的物料衡算无化学反应过程的物料衡算将各物料的流量及组成列于下表将各物料的流量及组成列于下表组 分 mol% 流股号 流量kgh -1 A B C 1 2 3 100 P W 20 x 0.5 30 y 5.5 50 1-x-y 94.0 由上表可以看出，共有5个未知量，即P、W及流股2的组成A、B、C，由于组成A、B、C的百分含量之和为1，所以只需求得任意两个组成，如A、B（或B、C或C、A），第三个组成就可求出。因此实际上是4个未知量，需要4个方程。但是输入和输出物料中共有3个组分，因而只能写出3个独立物料衡算式。第四个方程必须从另外给定的条件列出。根据题意，已知输入物料中A组分的98.7%

30、自塔顶蒸出，即流股2中A组分量为: （1）总物料衡算式有P和W两个未知量。A、B、C三个组分的衡算式中，A组分的衡算式只含一个未知量W，所以先列A组分的衡算式。A组分衡算式： （2）总物料衡算式： （3）B组分衡算式： （4）由（2）式得：代入（3）式得： 代入（4）式得：y = 56.54%第三节第三节 无化学反应过程的物料衡算无化学反应过程的物料衡算1-1hkg4 .19%7 .9820%h100kgP.x52wkg11h19.74kg0.5%w20%hkg100WP100yPW5.5%30%10052kgw 1h52)kg(100p第三节第三节 无化学反应过程的物料衡算无化学反应过程的物

31、料衡算 由（1）式得： 馏出物中C组成为： 由C组分衡算式得： 结果符合 由上例可以看出，因为第二个方程只有一个未知参数， 解这样的方程，可以避免解方程组。111h48kgh19.74kgPh19.74kgx2.83%56.54%41.13%1yx1y)x(1h48kg94%h52kg50%h100kg1112.83%yx1第三节第三节 无化学反应过程的物料衡算无化学反应过程的物料衡算 以上几例为无化学反应过程的物料衡算，当利用代数以上几例为无化学反应过程的物料衡算，当利用代数法求解时，列衡算式应注意下列几点：法求解时，列衡算式应注意下列几点： 无化学反应体系，能列出的独立物料衡算式数目，无化

32、学反应体系，能列出的独立物料衡算式数目，最多等于输入和输出物料中化学组分的数目。最多等于输入和输出物料中化学组分的数目。 首先列出含未知量数目最少的物料衡算方程，最好首先列出含未知量数目最少的物料衡算方程，最好是能列出一个方程解一个未知数，然后一步一步地列出其是能列出一个方程解一个未知数，然后一步一步地列出其它的方程，避免了解方程组的繁琐。它的方程，避免了解方程组的繁琐。 若体系内具有很多多组分的物料，则最好将每股物若体系内具有很多多组分的物料，则最好将每股物流编号，并列表表示出已知的量和组成，检查能列出的衡流编号，并列表表示出已知的量和组成，检查能列出的衡算方程数目是否等于未知量的数目，判断

33、能否通过物料衡算方程数目是否等于未知量的数目，判断能否通过物料衡算式解决问题。算式解决问题。第三节第三节 无化学反应过程的物料衡算无化学反应过程的物料衡算 无化学反应过程多单元体系是指由若干个设无化学反应过程多单元体系是指由若干个设备（即单元操作）组合而成的体系，且不能作为备（即单元操作）组合而成的体系，且不能作为一个整体来处理。一个整体来处理。 在进行无化学反应过程多单元体系的物料衡算时，在进行无化学反应过程多单元体系的物料衡算时，关键要解决两个问题：关键要解决两个问题： 1独立衡算体系确定独立衡算体系确定 2选择计算的着手点选择计算的着手点 有化学反应的过程，物料中的组分比较复杂，有化学反

34、应的过程，物料中的组分比较复杂，这是由于化学反应使体系内的物质分子发生了变化，这是由于化学反应使体系内的物质分子发生了变化，使得参加反应的每一种物质输入的质量或摩尔流量使得参加反应的每一种物质输入的质量或摩尔流量和输出体系的质量或摩尔流量不能平衡，所以化学和输出体系的质量或摩尔流量不能平衡，所以化学反应过程的物料衡算比无化学反应过程的计算要复反应过程的物料衡算比无化学反应过程的计算要复杂得多，所考虑的因素也多得多杂得多，所考虑的因素也多得多 。 因此，在进行化学反应过程的物料衡算时必然因此，在进行化学反应过程的物料衡算时必然会涉及到原料的配比、反应的转化率、收率、反应会涉及到原料的配比、反应的

35、转化率、收率、反应的选择性等许多因素。的选择性等许多因素。 反应过程有不同的特点，需根据反应过程的反应过程有不同的特点，需根据反应过程的不同特点而灵活选用不同的计算方法，本部分主不同特点而灵活选用不同的计算方法，本部分主要介绍四种对反应器的物料衡算适用的方法。要介绍四种对反应器的物料衡算适用的方法。方法：方法：利用反应物在反应过程中的消耗量和产物的生成量之利用反应物在反应过程中的消耗量和产物的生成量之间符合化学计量系数之比，来进行反应物消耗和生成物间符合化学计量系数之比，来进行反应物消耗和生成物生成量之间的换算，以达到进行反应器的物料衡算的目生成量之间的换算，以达到进行反应器的物料衡算的目的，

36、这种方法就叫直接计算法。的，这种方法就叫直接计算法。适用：适用：反应过程有明确的化学反应方程式，且反应过程比较反应过程有明确的化学反应方程式，且反应过程比较简单，没有很多的副反应发生，并且已知条件比较充分简单，没有很多的副反应发生，并且已知条件比较充分的情况。这样的计算比较简便，不必按前面所介绍的方的情况。这样的计算比较简便，不必按前面所介绍的方法列出物料衡算式。法列出物料衡算式。举例举例:见下页见下页 例例4-11：甲醛由甲醇催化氧化制得，反应物和生成物均：甲醛由甲醇催化氧化制得，反应物和生成物均为气态，氧化剂由空气提供，且过量为气态，氧化剂由空气提供，且过量40%，现已知甲醇转化，现已知甲

37、醇转化率为率为70%。试计算反应完成后离开反应器的气体混合物的摩。试计算反应完成后离开反应器的气体混合物的摩尔组成。已知反应器中所发生的化学反应如下：尔组成。已知反应器中所发生的化学反应如下：O(g)HHCHO(g)(g)O21OH(g)CH223解：由题意：物料流程如图所示解：由题意：物料流程如图所示反应器 CH3OH CH3OH HCHO H2O O2 N2 空气（过量 40%） 图 4-20 例 4-11 流程图 基准：由化学反应方程式：理论需O2量： 由已知空气过量40%，那么O2也过量40%，有实际输入O2量：实际输入的空气量：带入的N2量： 即为7.37kg由已知CH3OH转化率为

38、70%，有反应掉了的CH3OH量： 即为2.24kg离开反应器各组分的输出量：剩余的 CH3OH 100-70=30mol,即为0.96kg生成的HCHO 70mol,即为2.1kg生成的H2O 70mol,即为1.26kg剩余的 O2 即为1.21kg 输出的N2 263.33mol,即为7.37kg2.24kg即为70mol,1.450mol1.6kg即为50mol,0.5100mol333.33mol0.2170molOH100molCH3263.33mol0.79333.33mol70mol70%100mol35mol0.5)mol70(70 无论什么情况下，任何一无论什么情况下，任何

39、一种元素都是平衡的。种元素都是平衡的。 当反应过程比较复杂，尤其是化学反应式无法写出时，当反应过程比较复杂，尤其是化学反应式无法写出时，用直接计算法就无法解题了，这时用元素衡算法是比较合用直接计算法就无法解题了，这时用元素衡算法是比较合适的，例石油裂解过程，过程中存在多种反应而又无法确适的，例石油裂解过程，过程中存在多种反应而又无法确切知道各步反应所占的比例，这时可采用元素平衡的方法切知道各步反应所占的比例，这时可采用元素平衡的方法进行物料衡算。在对这类过程进行物料衡算时，并不需要进行物料衡算。在对这类过程进行物料衡算时，并不需要考虑具体的化学反应，而是按照元素种类被转化及重新组考虑具体的化学

40、反应，而是按照元素种类被转化及重新组合的概念表示为：合的概念表示为： 输入（某种元素）输入（某种元素）=输出（同种元素）输出（同种元素） 4-14： 已知合成气的组成为： 已知合成气的组成为 CH40.4%(体积分数体积分数)、 CO38.3%、 CO25.5%、 H252.8%、 O20.1%和和 N22.9%,现现用用 10%过量空气燃烧，过量空气燃烧，燃烧后生成的燃烧后生成的燃烧气中不含燃烧气中不含 CO，计算燃烧气组成。，计算燃烧气组成。 解：解：由题意可画出由题意可画出物料流程示意图（图物料流程示意图（图 4 4- -2222） 燃 烧 器 燃烧气 CO2、H2O O2、N2 合成气

41、 CH4 0.4%、CO 38.3% CO2 5.5%、H2 52.8% O2 0.1%、N2 2.9% 空气 O2、N2 例例4-14：已知合成气的组成为：已知合成气的组成为CH40.4%(体积分数体积分数)、CO38.3%、CO25.5%、H252.8%、O20.1%和和N22.9%,现用现用10%过量空气燃烧，燃烧后生成的燃烧气中不含过量空气燃烧，燃烧后生成的燃烧气中不含CO，计算，计算燃烧气组成。燃烧气组成。解：由题意可画出物料流程示意图解：由题意可画出物料流程示意图基准：合成气基准：合成气100molh-1合成气中各元素的含量：合成气中各元素的含量：C： H：O：N：生成生成CO2和

42、和H2O所需的氧元素量：所需的氧元素量： 11hmol2 .44%)5 . 5%3 .38%4 . 0(hmol10011hmol2 .107)2%8 .524%4 . 0(hmol10011hmol5 .49)2%1 . 02%5 . 54%3 .38(hmol10011hmol8 . 52%9 . 2hmol100111hmol1422hmol2 .1072hmol2 .44理论上所需氧元素量（由空气提供部分）：理论上所需氧元素量（由空气提供部分）：需理论空气量：需理论空气量：实际输入空气量：实际输入空气量： 实际输入空气中相当于：实际输入空气中相当于： N2：O2：11hmol5 .92

43、hmol)5 .49142(11hmol24.22021. 02hmol5 .9211hmol26.2421 . 1hmol24.22011mol.h39.191hmol26.24279. 011mol.h87.50hmol26.24221. 0对各物质进行元素（或分子）衡算：N2平衡： （1）C平衡： （2）H2平衡： （3）O2平衡： （4）由上述四个方程联立求解可得2NF39.19128 . 52COF2 .44OH2F22 .107222OOHCOF2FF87.5025 .491Nh194.29molF212COh44.2molF1OHh53.6molF21Oh4.62molF2燃烧气

44、组成为：燃烧气组成为：CO2：H2O：O2 ：N2：%9 .141490. 071.2962 .44%06.181806. 071.2966 .53%56. 10156. 071.29662. 4%48.656548. 071.29629.194 联系组分又称惰性组分，是指在整个生产中联系组分又称惰性组分，是指在整个生产中随反应物料进出系统，但完全不参与反应的组分，随反应物料进出系统，但完全不参与反应的组分，因此其数量（质量和摩尔数）总是不变。如在燃因此其数量（质量和摩尔数）总是不变。如在燃烧过程中用空气提供氧气时，随之带入的氮气就烧过程中用空气提供氧气时，随之带入的氮气就是一种惰性物质，称联

45、系组分。利用联系组分的是一种惰性物质，称联系组分。利用联系组分的特点以及和其他物料之间的比例关系，可以算出特点以及和其他物料之间的比例关系，可以算出其他物料的数量，这种方法在反应器的物料衡算其他物料的数量，这种方法在反应器的物料衡算中就称为联系组分计算法。中就称为联系组分计算法。例如：如下图所示例如：如下图所示 系统 F，xt,f P,xt,p 惰性组分进出系统示意图惰性组分进出系统示意图 F和和P分别表示输入系统和从系统输出的物料量，联系组分分别表示输入系统和从系统输出的物料量，联系组分T在物料在物料F和物料和物料P中的质量分数分别为中的质量分数分别为x t,f和和x t,p，则由联系组分的

46、特性，有下式总成立：，则由联系组分的特性，有下式总成立：ptftxPxF,即：ftptxxPF,式（4-13） 有时系统中存在不止一种联系组分，这时可有时系统中存在不止一种联系组分，这时可选择其总量为联系组分，也可选择其中含量较大选择其总量为联系组分，也可选择其中含量较大的组分单独使用，因为联系组分的量越大，计算的组分单独使用，因为联系组分的量越大，计算误差就会越小。误差就会越小。 利用联系组分进行物料衡算可使计算简化，利用联系组分进行物料衡算可使计算简化，尤其在未知变量较多的过程中，通过（尤其在未知变量较多的过程中，通过（4-13）式）式提供的关系可以解出部分未知变量，找到解决问提供的关系可

47、以解出部分未知变量，找到解决问题的突破口。题的突破口。燃 烧 过 程 烟道气 CO2 0.0813 H2O 0.1716 O2 0.0249 N2 0.7222 混合燃烧 CH4、H2 空气 O2 0.21 N2 0.79 例例4-17：在炉子内用空气完全燃烧甲烷与氢气的混合燃料，：在炉子内用空气完全燃烧甲烷与氢气的混合燃料，生成的燃烧气混合物称为烟道气，分析烟道气含量，组成为生成的燃烧气混合物称为烟道气，分析烟道气含量，组成为N2 72.22%（摩尔分数），（摩尔分数），CO2 8.13%，O2 2.49%，H2O 17.16%。试求：（试求：（1）混合燃料中氢与甲烷的比例为多少？（）混合燃

48、料中氢与甲烷的比例为多少？（2）混合燃）混合燃料与空气的比例（摩尔比）为多少？料与空气的比例（摩尔比）为多少？解：由题意画出物料流程图：如下图所示解：由题意画出物料流程图：如下图所示燃烧过程中发生的化学反应式如下：基准选择，因为烟道气的组成已知，所以基准：烟道气100mol烟道气中物质的量：烟道气中CO2量：烟道气中H2O量：O2HCO2OCH2224OHO21H222mol13. 8mol1000813. 017.16mol100mol0.1716烟道气中烟道气中O2量：量：烟道气中烟道气中N2量：量：以以N2为联系组分，根据式为联系组分，根据式 ，即空气中的与烟道，即空气中的与烟道气中量相

49、等，有输入的空气量：气中量相等，有输入的空气量：其中其中O2量：量： 由由C的平衡燃料中的平衡燃料中CH4量：量：8.13molCH4完全燃烧消耗完全燃烧消耗O2量：量：H2完全燃烧耗完全燃烧耗O2量：量： mol49. 2mol1000249. 0mol22.72mol1007222. 0ptftxPxF,mol42.9179. 0mol22.72mol20.1921. 0mol42.91mol26.162mol13. 8mol45. 0mol)49. 226.1620.19(混合燃料中H2量： 混合燃料中氢与甲烷的比例： 混合燃料与空气的比例：9113. 890. 0CHH4210142.

50、9113. 890. 0空气混合燃料mol90. 02mol45. 0例：可逆反应例：可逆反应dDcCbBaA有：有：bBaAdDcCpppppK 1具有循环过程的物料衡算具有循环过程的物料衡算 前面介绍的物料衡算方法只是对反应器本身前面介绍的物料衡算方法只是对反应器本身的物料衡算方法，在化工过程中常会遇到一些具的物料衡算方法，在化工过程中常会遇到一些具有循环的过程，这类过程的物料衡算事实上就是有循环的过程，这类过程的物料衡算事实上就是在无化学反应过程（单元操作）的基础上再加上在无化学反应过程（单元操作）的基础上再加上反应器的物料衡算，计算时根据已知条件选择合反应器的物料衡算，计算时根据已知条