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1、第四章 物料衡算第四章物物料衡算算1.教学学目的与与要求掌握化工工过程物物料衡算算的基本本方法，包包括无化化学反应应的物料料衡算、有有化学反反应的物物料衡算算。2.主要要教学内内容物料衡算算式、物物料衡算算的基本本方法、无无化学反反应的物物料衡算算、有化化学反应应的物料料衡算以以及物料料衡算的的计算机机解题。3.重点点与难点点：重点：无无化学反反应及有有化学反反应的物物料衡算算方法难点：具具有循环环、排放放及旁路路过程的的物料衡衡算4.学时时分配： 8+6S 学时时物料衡算算是化工工计算中中最基本本、也是是最重要要的内容容之一，它它是能量量衡算的的基础。通常，物物料衡算算有两种种情况，一种是是
2、对已有有的生产设备备或装置置，利用用实际测测定的数数据，算算出另些不能能直接测测定的物物料量。用用此计算算结果，对对生产情情况进行行分析、作作出判断断、提出出改进措措施。另另一种是是设计一种新的的设备或或装置，根根据设计计任务，先先作物料料衡算，求求出进出出各设备备的物料料量，然然后再作作能量衡衡算，求求出设备备或过程程的热负负荷，从从而确定定设备尺尺寸及整整个工艺艺流程。物料衡算算的理论论依据是是质量守守恒定律律，即在在个孤孤立物系系中，不不论物质质发生任任何变化化，它的的质量始始终不变变(不包包括核反反应，团团为核反反应能量量变比非非常大，此此定律不不适用)。第一节 物料料衡算式式41 化
3、工过过程的类类型化工过程程根据其其操作方方式可以分成成间歇操操作、连连续操作作以及半半连续操操作三类类。或行行将其分分为稳定定状态操操作和不不稳定状状态操作作两类。在对对某个化化工过程程作物料料或能量量衡算时时，必须须先了解解生产过过程的类类型。间歇操作作过程：42 物料衡衡算式物料衡算算是研究究某一个个体系内内进、出出物料量量及组成成的变化化。根据据质量守守恒定律律，对某某一个体体系，输输入体系系的物料料量应该该等于输输出物料料量与体体系内积积累量之和和。所以以，物料料衡算的的基本关关系式应应该表示示为；如果体系系内发生生化学反反应，则则对任一一个组分分或任一一种元素素作衡算算时，必必须把由
4、由反应消消耗或生生成的量量亦考虑虑在内。所所以(441)式成为为：上式对反反应物作作衡算时时由反反应而消消耗的量量，应取取减号，对对生成物物作衡算算时，由由反应而而生成的的量，应应取加号号。但是，列列物料衡衡算式时时应该注注意，物物料平衡衡是指质质量平衡衡，不是是体积或或物质的的量(摩尔数)平衡。若若体系内内有化学学反应，则则衡算式中中各项用用摩尔时为单单位时，必必须考虑虑反应式式中的化化学计量量系数。出出为反应应前后物物料中的的分子数数不守恒恒。第二节 物料衡算算的基本本方法进行物料料衡算时时，为了了能顺利利地解题题，避免免错误，必必须掌握握解题技技巧，按按正确的的解题方方法和步步骤进行行。
5、尤其其是对复复杂的物物料衡算算题，更更应如此此，这样样才能获获得准确确的计算算结果。43画画物料流流程简图图方法求解物料料衡算问问题，首首先应该该根据给给定的条条件画出出流程简简图。图图中用简简单的方方框表示示过程中的的设备，用用线条和和箭头表表示每个个流股的的途径和和流向。并并标出每每个流股股的已知知变量（如如流量、组组成)及及单位。对对一些未未知的变变量，可可用符号号表示。44 计算算基准及及其选择择进行物料料、能虽虽衡算时时，必须须选择一一个计算算基准。从从原则上上说选择择任何一一种计算算基准，都能得到正确的解答。但是，计算基准选择得恰当，可以使计算简化，避免错误。对于不同同化工过过程，
6、采采用什么么基准适适宜，需需视具体体情况而而定，不不能什硬硬性规定定。根据不同同过程的的特点，选选样计算算基准时时，应该该注意以以下几点点：1. 应应选择已已知变量量数最多多的流股股作为计计算基准准。2. 对液体或或固体的的体系，常常选取单单位质量量作基准准。3. 对对连续流流动体系系，用单单位时间间作计算算基准有有时较方方便。4. 对对于气体体物料，如如果环境境条件(如温度度、压力力)已定定，则可可选取体体积作基基准。45 物料衡算算的步骤骤1搜集计计算数据据。2画出物物料流程程简图。3确定衡衡算体系系。4写比化化学反应应方程式式，包括括主反应应和副反反应，标标出有用用的分子子量，如如果无化
7、化学反应应，则此此步可免免去。5选择合合适的计计算基准准，并在在流程图图上注明明所选的的基准值值。6列出出物料衡衡算式，然然后用数数学方法法求解。7将计计算结果果列成输输入一输输出物料料表。第三节 无化学学反应过过程的物物料衡算算在化工过过程中，些只有物理变化不发生化学反应的单元操作，如混合、蒸馏、蒸发、干燥、吸收、结晶、萃取等，这些过程的物料衡算都可以根据物料衡算式(43)，列出总物料和各组分的衡算式，再用代数法求解。46简简单过程程的物料料衡算简单过程程是指仅仅有一个个设备或或一个单单元操作作或整个个过程简简化成一一个设备备的过程程。这种种过程由由物料衡衡算比较较简单，在在物料流流程简图图
8、中，设设备边界界就是体体系边界界。当利用代代数法求求解时，列列衡算式式应注意意下列几几点：1无化化学反应应体系，能能列出的的独立物物料衡算算式数目目，最多多等于输输入和输输出物料料中化学学组分的的数目。2首先先列出含含未知量量数目最最少的物物料衡算算方程，以以便于解题。 3总总体系内内具有很很多多组组分的物物料，则则最好将将每个流流股编号号并列列表表示示出己知知的量和和组成检查能能列出的的衡算方方程数目目是否等等于未知知量的数数目。 47 有多多个设备备过程的的物料衡衡算对有多个个设备的的过程，进进行物料料衡算时，可可以划分分多个衡衡算体系系。此时时，必须须选择恰恰当的衡算体体系，这这是很重重
9、要的步步骤。不不然会使使计算繁繁琐，甚甚至无法法求解。例477 有有两个蒸蒸馏塔的的分离装装置，将将含500苯、330甲甲苯和220(moll)二二甲苯的的混合物物分成较较纯的三三个馏试试份，其其流程图图及各流流股组成成如下图图，计算算蒸馏10000mmolh原料料所得各各流股的的量及进进塔2物物料组成成。有化学反反应过程程的物料料衡算有化学反反应的过过程，物物料中的的组分比比较复杂杂。因为为，工业业上的化化学反应应，各各反应物物的实际际用量并不等等于化学学反应式式中的理理论量。为为了使所所需的反反应顺利利进行，或或使其中中较昂贵贵的反应应物全部部转化，常常常使价价格较低低廉的一一些反应应物用
10、量量过量。 488 反反应转化化率、选选择性及及收率等等概念工业化学学反应过过程中，当当反应原原料的配配比不按按化学计计量比时时，根据据反应物物的化学学计量数数大小可可称其为为限制反反应物与与过量反反应物。1限制制反应物物：化学学反应原原料不按按化学计计量比配配料时，其其中以最最小化学学计量数数存在的的反应物物称为限限制反应物物。 2过过量反应应物：不不按化学学计量比比配料的的原料中中，某种种反应物物的量超超过限制制反应物物完全反反应所需需总的理理论量，该该反应物物称为过过量反应物物。 3过过量百分分数：过过量反应应物超过过限制反反应物所所需理论论量的部部分占所所需理论论量的百百分数。4转化化
11、率：5选择择性；6收率率：49一一般反应应过程的的物料衡衡算 对有化化学反应应过程的的物料衡衡算，由由于各组组分在过过程中发发生了化化学反应应，因此此就不能能简单地地按(443)式列组组分的衡衡算式，必必须考虑虑化学反反应中生生成或消消耗的量量，应该该根据化化学反应应式，按按(44)式式列衡算算方程。对对一般的的反应过过程，可可用下列列几种方方法求解解。一、直接接求解法法有些化学学反应过过程的物物料衡算算，有时时只含一一个未知知量或组组成，这这类问题题比较简简单可根根据化学学反应式式直接求求解，不不必列出出衡算式式，如下下例。二、元素素衡算元素衡算算是物料料衡算的的一种重重要形式式。在作作这类
12、衡衡算时，并并不需要要考虑具具体的化化学反应应，而是是按照元元素种类类被转化化及重新新组合的的概念表表示为 输入(某种元元素)输出(同种元元素)对反应过过程中化化学反应应很复杂杂，无法法用一、两两个反应应式表示示的物料料衡算题题，可以以列出元元素衡算算式，用用代数法法求解。三、用联联系组分分作衡算算 “联系系组分”是是指随物物料输入入体系，但但完全不不参加反反应，又又随物料料从体系系输出的的组分。在在整个反反应过程程中，它它的数量量不变。 如果体体系中存存在联系系组分，那那么输入入物料和和输出物物料之间间就可以以根据联联系组分分的含量量进行关关联。例例如，FF、P分分别为输输入、输输出物料料，
13、T为为联系组组分。TT在F中中的质量量分数为为xfTT在P中中的质量量分数为为xPTT，则FF与P之之间的关关系为4100 有有平衡反反应过程程的物料料衡算 对有平平衡反应应过程的的物料衡衡算，除除了需要要建立物物料或元元素衡算算式以外外，常常常还需要要利用反反应的平平衡关系系来计算算产物的的平衡组组成。讨讨算方法法见下例例。4111 具具有循环环、排放及及旁路过过程的物物料衡算算在化工过过程中，有有一些具具有循环环、排放放及旁路路的过程程，这类类过程的的物料衡衡算与以以上介绍绍的方法法相类似似，只是是需要先先根据已已知的条条件及所所求的未未知量选选择合适适的衡算算体系，列列出物料料衡算式再再
14、求解。如如果存在在联系组组分，则则可以利利用联系系组分计计算。一、循环环过程的的物料衡衡算在化工生生产中，有有一些反反应过程程每次经经反应器器后的转转化率不不高，有有的甚至至很低。如如乙烯氧氧化制环环氧乙烷烷的过程程，乙烯烯的单程程转化率率(即原原料一次次通过反反应器的的转化率率)约330左左右；由由氢、氮氮合成氨氨的单程程转化率率一般也也只有220左左右。而而乙烯直直接水合合制乙醇醇的过程程，乙烯的的单程转转化率只只有45。因因此在反反应器出出口的产产物中有有大量原原料未反反应。为为提高原原料的利利用率，把把这部分分末反应应的原料料从反应应产物中中分离出出来，然然后把它它循环返返回反应应器，
15、与与新鲜物物料一起起再进行行反应。此过程程即为循循环过程程。其流流程如图图455。某些些无化学学反应过过程，如如蒸发结晶过过程、精精馏过程程等，为为了提高高原料利利用率或或为保证证产品质质量、改改善经济济指标、也也有采用用循环过过程的。二、具有有循环及及排放过过程的物物料衡算算循环过程程在稳定定状态下下操作时时，物料料的质量量既不积积累也不不消失，各各流股的的组分恒恒定。但但是，如如果原料料中含有有不反应应的杂质质或惰性性物质，经经长时间间的循环环会使其其浓度逐逐渐增加加，因此此就必须须把一部部分循环环物料不不断地排排放掉，以以维持进进料中杂杂质的含含量不再再增大。 例如，假假定反应应器进料料
16、A的最初初流量是是100kkg/h，进进料含110pppm的惰惰性物质质(以II表示)，单程程转化率率为500。经经反应后后，剩下下50kkghh未反应应的原料料和惰性性物，将将其与产产物分离离后全部部循环。由由于总量量减少了了一半，所所以循环环料中惰惰性杂质质含量增增加一倍倍，为220pppm。如如图46。第二次进进反应器器的原料料变成新新鲜原料料50和循环环物料550的的混合料料，其中中含I组份115pppm(因为循环环料中含含20pppm的的I)，第第二次循循环料中中I组分含含量增加加到300ppmm。第三三次通过过反应器器的原料料中I组分就就变成220pppm。这这样经长长时间不不停地循循环，将将会使循循环料中中杂质积积累浓浓度增高高，以至至影响正正常生产产。为了了排除积积累的杂杂质，就就必须排排放一部部分循环环料。 图47为具具有循环环及排放放过程的的物料流流程图。图图中W为为排放物物料，即即从分离离器出来来的分 三、具具有旁路过程程的物料料衡算 具有有旁路的的过程，就就是把一一部分物物料绕过过一个或或多个设设备，直直接与另另一流股股物料相相混，其其流程如如图48。这这类过程程的物料料衡算与与循环过过程的物物料衡算算相类似似，计算算时应注注意结点点平衡。