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1、化工设计第三章第三章 物料衡算与能量衡算物料衡算与能量衡算Chart3 Materiel Balance and Energy Balance一、一、化工过程化工过程所谓所谓化工过程化工过程，是指由，是指由原料原料经经化学处理和物理处理化学处理和物理处理加工成加工成化学产品或中间产品化学产品或中间产品的生产过程。的生产过程。它包括许多工序，每个工序又由若干个或若干组设备（如它包括许多工序，每个工序又由若干个或若干组设备（如反应器、蒸馏塔、吸收塔、干燥塔，分离器、换热器及输反应器、蒸馏塔、吸收塔、干燥塔，分离器、换热器及输送设备等等）组合而成。送设备等等）组合而成。物料通过各设备时，完成某种化学
2、或物理处理，最终成为物料通过各设备时，完成某种化学或物理处理，最终成为合格的产品。合格的产品。应用守恒定律来研究化工过程的物料衡算和能量衡算问题。在不同的生产过程中，有一些具有共性的在不同的生产过程中，有一些具有共性的物理操作物理操作，它们，它们不改变物料的化学性质，只改变物料的物理性质，这类操不改变物料的化学性质，只改变物料的物理性质，这类操作被称为作被称为单元操作单元操作，如流体输送、传热、蒸馏、干燥、蒸，如流体输送、传热、蒸馏、干燥、蒸发、结晶、萃取、吸收、吸附、过滤及破碎等操作。发、结晶、萃取、吸收、吸附、过滤及破碎等操作。化工过程中还包括一些改变物料的化工过程中还包括一些改变物料的化
3、学性质的反应过程化学性质的反应过程，如氢与氮合成氨反应、乙烯氧化成环氧乙烷反应等等。如氢与氮合成氨反应、乙烯氧化成环氧乙烷反应等等。化工过程就是由化工过程就是由反应过程反应过程和和若干个单元操作若干个单元操作组合而成的一组合而成的一个系统。个系统。化工过程的类型化工过程的类型 根据其操作方式分根据其操作方式分间歇间歇操作操作 原料一次加入原料一次加入过程过程产品一次排出产品一次排出连续连续操作操作 原料连续加入原料连续加入过程过程产品连续排出产品连续排出半连续半连续操作操作 原料一次加入原料一次加入过程过程产品连续排出产品连续排出 或原料连续加入或原料连续加入过程过程产品一次排出产品一次排出根
4、据操作状态分根据操作状态分稳定稳定状态操作（定态操作）过程参数状态操作（定态操作）过程参数=f(x、y、z)不稳定不稳定状态操作（非定态操作）过程参数状态操作（非定态操作）过程参数=f(x、y、z、t)化工过程基本参数化工过程基本参数过程参数：生产过程中影响过程参数：生产过程中影响过程运行和状态的物理量过程运行和状态的物理量。一）温度一）温度 表示物体冷热程度的物理量。温标。表示物体冷热程度的物理量。温标。1、摄氏温标摄氏温标，水的正常冰点：水的正常冰点：0 水的正常沸点：水的正常沸点：100 其间均分其间均分100等份等份 其单位为其单位为 2、开尔文温标开尔文温标，K（又叫热力学温度，热力
5、学温标）（又叫热力学温度，热力学温标）单位是单位是“开尔文开尔文”，英文是，英文是“Kelvin”Kelvin”简称简称“开开”，国际代号，国际代号“K”K”。开尔。开尔文是为了纪念英国物理学家文是为了纪念英国物理学家Lord KelvinLord Kelvin而命名的。而命名的。以绝对零度（以绝对零度（0K0K）为最低温度，规定水的三相点的温度为）为最低温度，规定水的三相点的温度为 273.16K273.16K，开定义为水三相点热力学温度的开定义为水三相点热力学温度的1/273.151/273.15。3 华氏温标华氏温标,水盐混合物的温度：水盐混合物的温度：0 ；健康人的血液温度：；健康人的
6、血液温度：96 水的正常冰点：水的正常冰点：32；水的正常沸点：；水的正常沸点：212 其间均分其间均分180等份等份 其单位为其单位为 4、兰金温标兰金温标，R 与开氏温标相似，也是以最低理论温度为与开氏温标相似，也是以最低理论温度为0度的一种绝度的一种绝对温标。对温标。其其0度为度为-459.67（-460）。）。四种温度的关系：四种温度的关系：二）压力二）压力(压强）压强）三）流量三）流量四）组成四）组成3.1 物料衡算物料衡算3.2 能量衡算能量衡算3.3 化工模拟软件在化工设计中的应用化工模拟软件在化工设计中的应用本 章要求要求掌握掌握非反应过程的物料衡算及反应过程非反应过程的物料衡
7、算及反应过程的物料衡算；的物料衡算；掌握掌握装置的物料衡算；装置的物料衡算；掌握掌握以反应热效应为基础的计算方法，以反应热效应为基础的计算方法，以及以生成热为基础的计算方法。以及以生成热为基础的计算方法。本章重、难点：物料衡算及热量衡算。本章重、难点：物料衡算及热量衡算。物料、能量衡算物料、能量衡算在化工技术中的作用作用物料、能量衡算是所有设计计算的基础，基础，是反应器和设备设计的根据根据，也是过程、设备各系统经济核算和最优化的依据。一般来说，在设计一个生产系统，或者计算某个单元操作及设备时，首首先必须作物料、能量衡算。先必须作物料、能量衡算。物料、能量衡算的物料、能量衡算的目的和内容目的和内
8、容在于定量研究生产过程，为过程设计和操为过程设计和操作最佳化提供依据。作最佳化提供依据。对过程中的各个设备和工序，逐个计算各物料的流量、组成及热流量和温度，定量定量地表示所研究的对象。地表示所研究的对象。物料、能量衡算的物料、能量衡算的意义意义计算生产过程的原材料消耗指标、能耗定额和产品产原材料消耗指标、能耗定额和产品产率等率等。根据物料衡算和能量衡算数据和设备恰当的生产强度，可以设计或选择设备的类型、台数及尺寸。设计或选择设备的类型、台数及尺寸。物料衡算和能量衡算是设备计算的依据。作物料衡算可以检查检查各物料的计量、分析测定数据是否正确；检查检查生产运行是否正常。作系统各设备及管路的物料衡算
9、时，可以检查检查出生产上的薄弱环节或限制部位。从而找出相应的强化措施。物料衡算和能量衡算是传统最优化和经济核算的基础。传统最优化和经济核算的基础。物料衡算和能量衡算的方程往往用于求取生产过程中用于求取生产过程中的某些未知量或操作条件。的某些未知量或操作条件。3.1 物料衡算物料衡算物料衡算物料衡算运用质量运用质量守恒定律，对化工过程或设备进行定量计算。守恒定律，对化工过程或设备进行定量计算。通过物料衡算解决以下问题：通过物料衡算解决以下问题：计算原料消耗量、副产品量；计算原料消耗量、副产品量；输出过程物料的损耗量及三废的生成量；输出过程物料的损耗量及三废的生成量；在物料衡算基础做能量衡算，计算
10、蒸汽、水、电、煤或其他燃料的在物料衡算基础做能量衡算，计算蒸汽、水、电、煤或其他燃料的消耗定额。消耗定额。计算产品的技术经济指标。计算产品的技术经济指标。为生产设备和辅助设备的选型及设计、管路设施与公用工程的设为生产设备和辅助设备的选型及设计、管路设施与公用工程的设计等方面提供依据。计等方面提供依据。一、物料衡算依据一、物料衡算依据1.理论依据理论依据质量守恒定律质量守恒定律物料衡物料衡算范围算范围单元操作的物料衡算单元操作的物料衡算化工设备设计的前提化工设备设计的前提化工过程的物料衡算化工过程的物料衡算化工过程设计的前提化工过程设计的前提物料衡算的一般表达式为：物料衡算的一般表达式为：输入量
11、输出量生成量消耗量积累量输入量输出量生成量消耗量积累量对稳定操作过程，积累量对稳定操作过程，积累量=0输入量输入量-输出量输出量+生成量生成量-消耗量消耗量=0对无化学反应的过程：对无化学反应的过程：输入量输出量积累量输入量输出量积累量对无化学反应的稳定操作过程：对无化学反应的稳定操作过程：输入量输出量输入量输出量对有化学反应的过程对有化学反应的过程：总物料衡算：总物料衡算+元素衡算式元素衡算式2.数据基础数据基础(1)技术方案、操作方法、生产能力、年工作时。技术方案、操作方法、生产能力、年工作时。(2)建设单位或研究单建设单位或研究单位的要求位的要求、设计参数、小试及中试数据：、设计参数、小
12、试及中试数据：化工单元过程的化工单元过程的化学反应式化学反应式、原料配比、转化率、选择率、总收、原料配比、转化率、选择率、总收率，催化剂状态、用量、回收方法、安全性能等；率，催化剂状态、用量、回收方法、安全性能等；原料及产品的分离方式原料及产品的分离方式，分离剂的用量，各步的回收率；，分离剂的用量，各步的回收率；特殊化学品的物性特殊化学品的物性：沸点、熔点、饱和蒸汽压、闪点等。：沸点、熔点、饱和蒸汽压、闪点等。(3)工艺流程示意图。工艺流程示意图。二、物料衡算基准二、物料衡算基准 物料衡算时须物料衡算时须选择计算基准选择计算基准，并在计算过程中，并在计算过程中保持一致保持一致。一般计算过程的基
13、准有以下几种：一般计算过程的基准有以下几种：(1)时间基准时间基准对连续生产过程，常以单位时间对连续生产过程，常以单位时间(如如d、h、s）的投料）的投料量或产品量为计算基准。量或产品量为计算基准。(2)批量基准批量基准以每批操作或一釜以每批操作或一釜料的生产周期为基准。料的生产周期为基准。(3)质量基准质量基准当系统介质为液、当系统介质为液、固相时，选择一定质量的原料或产固相时，选择一定质量的原料或产品作为计算基准较适合。品作为计算基准较适合。(4)物质的量基准：物质的量基准：对于有化学反应的过程因化学反应的按摩尔进行对于有化学反应的过程因化学反应的按摩尔进行的，用物质的量基准更方便。的，用
14、物质的量基准更方便。(5)标准体积基准：标准体积基准：对气体物料进行衡算，可采用标准体积基准，对气体物料进行衡算，可采用标准体积基准，Nm3(STP)，既排除，既排除T、p的影响，又可直接换算为摩尔。的影响，又可直接换算为摩尔。(6)干湿基准：干湿基准：由于物料中均含有一定量的水分，选用基准时就有算不由于物料中均含有一定量的水分，选用基准时就有算不算水分的问题。湿基计算水分，干基不计算水分。算水分的问题。湿基计算水分，干基不计算水分。实际计算时，必须根据具体情况选择合适的基准，过程的实际计算时，必须根据具体情况选择合适的基准，过程的物料衡物料衡算及能量衡算应在同一基准上算及能量衡算应在同一基准
15、上进行。进行。三、物料衡算的基本程序三、物料衡算的基本程序(1)确定确定衡算对象和范围衡算对象和范围，画出计算对象的草图。注意物料种类和走，画出计算对象的草图。注意物料种类和走向，明确输入和输出。向，明确输入和输出。(2)确定确定计算任务计算任务，明确已知项、待求项，选择数学公式，力求使计算，明确已知项、待求项，选择数学公式，力求使计算方法简化。方法简化。(3)确定过程所确定过程所涉及的组分涉及的组分，并对所有组分依次编号。，并对所有组分依次编号。(4)对物流的对物流的流股进行编号流股进行编号，并标注物流变量。，并标注物流变量。(5)收集数据资料收集数据资料（设计任务所规定已知条件，与过程有关
16、物理化学参（设计任务所规定已知条件，与过程有关物理化学参数）：数）：生产规模生产规模（设计任务所规定，（设计任务所规定，t/年）和年）和生产时间生产时间（指全年有效生（指全年有效生产天数产天数300330天天/年，计约年，计约8000h）。）。有关定有关定额的技术指标额的技术指标，通常指产品单耗、配料比、循环比、固液，通常指产品单耗、配料比、循环比、固液比、气液比、回流比、利用率、单程收率、回收率等等。比、气液比、回流比、利用率、单程收率、回收率等等。原辅材料、产品、中间产品原辅材料、产品、中间产品的规格；的规格；与过程有关有物理化学参数，如临界参数、密度或比体积、状态方与过程有关有物理化学参
17、数，如临界参数、密度或比体积、状态方程参数、蒸汽压、气液平衡常数或平衡关系等。程参数、蒸汽压、气液平衡常数或平衡关系等。(6)列出过程全部独立物料平衡方程式及其相关约束式列出过程全部独立物料平衡方程式及其相关约束式，对有化，对有化学反应的还要写出化学反应方程式，指出其转化率和选择性。学反应的还要写出化学反应方程式，指出其转化率和选择性。(7)选择计算基准；选择计算基准；(8)统计变量个数与方程个数，确定设计变量个数及全部设计变量。统计变量个数与方程个数，确定设计变量个数及全部设计变量。(9)整理并校核计算结果，并根据需要换算基准，最后列成表格即整理并校核计算结果，并根据需要换算基准，最后列成表
18、格即物流表。物流表。(10)绘制物料流程图，编写物流表作为设计文件成果编入正式设计绘制物料流程图，编写物流表作为设计文件成果编入正式设计文件。文件。识别问题的类型识别问题的类型绘制工艺过程示意图绘制工艺过程示意图选择计算基准选择计算基准建立物料衡算方程式并进行未知量的求解建立物料衡算方程式并进行未知量的求解列出物料衡算表列出物料衡算表。化工过程的化工过程的主要效率指标主要效率指标生产能力和生产强度生产能力和生产强度n生产能力生产能力指一个设备、一套装置或一个工厂在指一个设备、一套装置或一个工厂在 单位时间内生产的产品量，或在单位时间内处理单位时间内生产的产品量，或在单位时间内处理 的原料量。的
19、原料量。设计能力设计能力设备或装置在最佳条件下可以达到设备或装置在最佳条件下可以达到的最大生产能力。的最大生产能力。即设备的即设备的单位体积的生产能力单位体积的生产能力，或，或单位面积的单位面积的生产能力生产能力。n 生产强度生产强度为设备的单位特征几何量的生产能力。为设备的单位特征几何量的生产能力。n此指标主要用于此指标主要用于比较那些相同反应过程或物理加比较那些相同反应过程或物理加工过程的设备或装置的优劣工过程的设备或装置的优劣。n有效生产周期：有效生产周期：n开工因子开工因子通常在通常在0.90.9左右左右，开工因子大意味着停，开工因子大意味着停工检修带来的损失小，即设备先进可靠，催化工
20、检修带来的损失小，即设备先进可靠，催化剂寿命长。剂寿命长。（1 1）转化率）转化率 （2-132-13）n关键反应物关键反应物反应物中价值最高的组分，为使反应物中价值最高的组分，为使其尽可能转化，常使其他反应组分过量。其尽可能转化，常使其他反应组分过量。n不可逆反应，关键组分的转化率最大为不可逆反应，关键组分的转化率最大为100%100%。n可逆反应，关键组分的转化率可逆反应，关键组分的转化率其平衡转化率其平衡转化率。转化率、选择性和收率转化率、选择性和收率对对循环过程循环过程而言，有而言，有单程转化率单程转化率和和全程转化率全程转化率。新鲜原料新鲜原料反应系统反应系统分离系统分离系统产品产品
21、循环物流循环物流循环机械循环机械图图 带有物料循环的流程示意带有物料循环的流程示意图图排放排放 （2 2）选择性）选择性 是指体系中转化成目的产物的某反应物的量是指体系中转化成目的产物的某反应物的量与参加所有反应而转化的该反应物总量之比。与参加所有反应而转化的该反应物总量之比。在复杂反应体系中，在复杂反应体系中，选择性表达了主、副反选择性表达了主、副反应进行程度的相对大小应进行程度的相对大小，能确切，能确切反映原料的利用反映原料的利用是否合理是否合理。n 选择性选择性 或或 n注意注意：式中的分母是按主反应式的化学计量关系来式中的分母是按主反应式的化学计量关系来计算的，并假设转化了的所有反应物
22、全部计算的，并假设转化了的所有反应物全部转变成目的产物。转变成目的产物。（3 3）收率（产率）收率（产率）n对同一反应物对同一反应物，Y=SX。n无副反应的体系无副反应的体系，S=1，Y=X，收率，收率=转化率转化率；n有副反应的体系有副反应的体系，S100%，则过量空气的含义，则过量空气的含义是包括是包括理论需要空气量和超过部分的量的总和理论需要空气量和超过部分的量的总和。例例 丙烷充分燃烧时，要供入空气量丙烷充分燃烧时，要供入空气量125%，反应式为：，反应式为：C3H8+5O2 3CO2+4H2O，问每产生，问每产生100摩尔烟道摩尔烟道气需空气量多少摩尔？气需空气量多少摩尔？解：采用不
23、同的计算基准计算。解：采用不同的计算基准计算。解法解法基准基准：100 mol丙烷丙烷（关键组分）。（关键组分）。n反应式：反应式：C3H8+5O2 3CO2+4H2O n转化量：转化量：100 X Y Zn X=500mol Y=300mol Z=400moln由于空气中氧气和氮气的摩尔比为：由于空气中氧气和氮气的摩尔比为：nO2 N2 =21 79n理论空气量理论空气量=500/0.21=2380.9mol n则实际空气量则实际空气量=过量空气过量空气%理论空气量理论空气量=125%2380=2976 moln反应前反应前：n 反应后反应后：氮气不参加反应，仍为氮气不参加反应，仍为2351
24、 mol。物料衡算结果一览表物料衡算结果一览表1n从上表中可看出，从上表中可看出，反应前后反应前后，各组分的摩尔数各组分的摩尔数和质量数都不相等。和质量数都不相等。n总摩尔数也不相等，物质的总摩尔数也不相等，物质的总质量数未变总质量数未变。物料物料分分子子量量输入输入输出输出molmol%Kgwt%molmol%Kgwt%C3H8441003.254.44.88O23262520.3220.022.171253.944.04.43N226235176.4365.8372.96235174.0265.8372.96CO2443009.4513.214.63H2O1840012.597.27.98
25、总计总计307610090.23100.01317610090.23100n从计算结果可以看出，当从计算结果可以看出，当空气加入量为空气加入量为2976mol时时，可，可产生烟道气产生烟道气3176mol，所以，每，所以，每产生产生100mol烟道气需加入烟道气需加入的空气量为：的空气量为：1002976317693.7（mol）解法解法 基准：基准：100 mol空气空气n反应前：反应前：n所含所含 =过量氧气量过量氧气量 n由由 过量氧气量过量氧气量=过量空气过量空气%需要氧气量（也需要氧气量（也称为理论需氧量）称为理论需氧量）n理论氧气量理论氧气量=过量氧气量过量氧气量/过量空气过量空气
26、%=21/125%=16.8 moln 则根据化学反应式则根据化学反应式C3H8+5O23CO2+4H2O可可以求得参加反应的丙烷用量：以求得参加反应的丙烷用量：1 5=M 16.8 M=3.36 moln反应后：反应后：n 氮气不参加反应，仍为氮气不参加反应，仍为79mol。物料衡算结果一览表物料衡算结果一览表2n从上表中可看出，仍然可以得出与表从上表中可看出，仍然可以得出与表1相同相同的结的结论；比较表论；比较表1和表和表2，可以看出，可以看出，虽然计算基准不虽然计算基准不同，但进出物料的组成是一致的。同，但进出物料的组成是一致的。物料物料分分子子量量输入输入输出输出molmol%Kgwt
27、%molmol%Kgwt%C3H8443.263.250.1484.88O2322120.320.67222.174.23.940.1344.43N2267976.432.21272.967.974.022.21272.96CO24410.089.450.44414.63H2O1813.4412.590.2427.98总计总计103.361003.032100.01106.721003.032100n从计算结果知，每产生从计算结果知，每产生106.72mol的烟道的烟道气需加入气需加入100mol空气空气，所以，所以产生产生100mol烟道气需要加入的空气量烟道气需要加入的空气量是：是：100
28、100106.7293.7（mol）例：在鼓泡反应器中进行苯的氯化反应生产氯苯，主反应为：C6H6Cl2C6H5ClHCl 同时有副反应发生，生成二氯苯和三氯苯，反应如下：C6H62Cl2C6H4Cl22HCl C6H63Cl2C6H3Cl33HCl 已知鼓泡反应器的产品中，主、副反应产物和未反应的苯的重量比为:氯苯：二氯苯：三氯苯：苯l:0.08:0.016:2，求(1)苯的转化率；(2)氯苯的收率；(3)反应的选择性；(4)反应生成的氯化氢总量；(5)反应消耗的氯气总量。解：以100kg产物氯苯为计算基准。苯、氯苯、二氯苯、三氯苯的分子量分别为78，112.5，147和181.5。按照所取
29、的计算基准，出口产品混合物中有苯200kg，氯苯100kg，二氯苯8kg，三氯苯1.6kg，需要加入反应器的苯(100)的量计算如下：生成氯苯消耗苯：生成二氯苯消耗苯：生成三氯苯消耗苯：未反应的苯200kg，因此需要加入的苯的总量为：69.334.2450.688200274.3kg（1）苯的转化率苯的转化量69.33十4.245十0.68874.3kg,苯的加入量274.3kg所以 苯的转化率X74.3274.30.2709（2）氯苯的收率Y （3）反应的选择性S（4）反应生成的氯化氢总量 生成氯苯时同时生成的氯化氢：生成二氯苯时同时生成的氯化氢：生成三氯苯时同时生成的氯化氢：因此，生成的氯
30、化氢总量为：32.43.970.96637.35kg(5)反应消耗的氯气总量生成氯苯消耗氯气：生成二氯苯消耗氯气：生成三氯苯消耗氯气：因此，反应消耗的氯气总量为：63.117.7281.87872.72kg（2 2）元素平衡法（原子衡算法）元素平衡法（原子衡算法）n方法方法：因为反应前后的物质虽然分子结构不同，但：因为反应前后的物质虽然分子结构不同，但都是由相同元素组成的。所以都是由相同元素组成的。所以反应前后各元素原子反应前后各元素原子的量是守衡的的量是守衡的，然后依每个分子结构通过相应元素，然后依每个分子结构通过相应元素的量（原子数的比值）计算出各个未知的具体量。的量（原子数的比值）计算出
31、各个未知的具体量。n适用范围适用范围：反应过于复杂，即反应式明确但较多，包含有平反应过于复杂，即反应式明确但较多，包含有平行、连串等反应时；行、连串等反应时；反应式不太明确，无法写出时。反应式不太明确，无法写出时。n例例 合成气组成为合成气组成为0.4%CH4、52.8%H2、38.3%CO、5.5%CO2、0.1%O2和和2.9%N2（体积百分数）。若用（体积百分数）。若用10%过量空气燃烧，设燃过量空气燃烧，设燃烧气中不含烧气中不含CO，试计算燃烧气组成。，试计算燃烧气组成。n解法解法 用原子衡算法求解用原子衡算法求解。画出示意图。画出示意图。nH：0.4%10004+52.8%10002
32、 =1072 mol2CnC：0.4%1000+38.3%1000+5.5%1000 =442 molBnO：38.3%1000+5.5%10002+0.1%100020.21A2=2BC2D nN：2.9%100020.79A2=2E n对对O2作物料衡算，输入量作物料衡算，输入量+产生量产生量=输出量输出量+消耗量消耗量0.21A+0.1%1000D+0.1%1000+0.21A/1.1解之得：解之得：A2422.4mol，B442 mol，C=536 mol，D46.3 mol，E1943 mol 基准：基准：1000 mol合成气。合成气。其中各原子的量为：其中各原子的量为：0.4%C
33、H4、52.8%H2、38.3%CO、5.5%CO2、0.1%O2、2.9%N2物料物料分分子子量量输入输入输出输出molmol%Kgwt%molmol%Kgwt%H2252815.421.0561.24CH41640.120.0640.08CO2838311.1910.72412.62CO244551.612.4202.8544214.919.44822.88O232508.8+114.8916.31419.2046.21.561.4821.74N22829+191456.7754.40464.02194365.4854.40464.02H2O1853618.069.64811.35总计总计
34、3422.810084.982100.012967.310084.98299.99例：丙烷充分燃烧时要使空气过量25,燃烧反应方程式为：C3H85O2CO24H2O求每100mol燃烧产物(烟道气)需要加入多少丙烷和空气。解：以l00mol烟道气作基准进行物料衡算作作C原子原子平衡得：平衡得：3BP作作H原子原子平衡得：平衡得：8B2Q作作O原子原子平衡得：平衡得：0.21 A22PQ2M作作N平衡得：平衡得：0.79A2N2由由以以l00mol烟道气作基准烟道气作基准得：得：P+Q+M+N100作作O2平衡得：平衡得：0.21 A（0.251.25）M 解上述方程组得：A93.76mol，B
35、3.148 mol，因此，100mol烟道气烟道气需要加入空气空气93.76mol，加入丙烷，加入丙烷3.148mol。（3 3）以化学平衡进行衡算）以化学平衡进行衡算n 化学反应中，当化学反应中，当正反应与逆反应的反应速率正反应与逆反应的反应速率相等相等时，即达到化学平衡，在定时，即达到化学平衡，在定T T、定、定P P，且反应，且反应物的浓度不变时，平衡将保持稳定，此时需借助物的浓度不变时，平衡将保持稳定，此时需借助化学反应平衡常数与浓度之间的关系式化学反应平衡常数与浓度之间的关系式计算。计算。n例例 试计算合成甲醇过程中反应混合物的平衡组成。设试计算合成甲醇过程中反应混合物的平衡组成。设
36、原料气中原料气中H2与与CO摩尔比为摩尔比为4.5，惰性组分含量为，惰性组分含量为13.8%，压力为，压力为30MPa，温度为，温度为365，平衡常数，平衡常数Kp=2.50510-3 MPa-2。n解：分析：由解：分析：由Kp可看出，此题是当作理想气体混合物可看出，此题是当作理想气体混合物进行简化计算的。依题意求进行简化计算的。依题意求yi，需求出反应后的，需求出反应后的ni和和n，因发生化学反应，应对每个组分进行物料衡算，方，因发生化学反应，应对每个组分进行物料衡算，方可确定。可确定。n化学反应式：化学反应式：CO+2H2 CH3OH 首先计算出原料气的摩尔组成：首先计算出原料气的摩尔组成
37、：n含惰性组分含惰性组分13.8%，(H2+CO)为为113.8%=86.2%，需分别求出，需分别求出H2和和CO的组成含量。的组成含量。原料气中原料气中H2与与CO摩尔比为摩尔比为4.5nH2 4.5/(1+4.5)86.2%=70.53%；nCO (1/5.5)86.2%=15.67%惰性气体惰性气体 13.8%；基准：基准：1 mol原料气，平衡转化率为原料气，平衡转化率为XCO。CO +2H2 CH3OH平衡时平衡时n/mol：0.1567(1-xCO)0.7053-20.1567xCO 0.1567xCO开始开始n/mol：0.1567 0.7053转化量转化量n/mol：0.156
38、7xCO 20.1567xCO惰性气体：惰性气体：0.138 试差得试差得 XCO=0.4876 n平衡时组成：平衡时组成：nCO：0.1567(1-0.4876)=0.0803 molnH2：0.705320.15670.4876=0.5525 molnCH3OH：0.15670.4876=0.0764 moln惰性气体惰性气体0.138 mol n =10.31340.4876=0.8472 moln摩尔组成：摩尔组成：n 若某产物若某产物P的收率已知，根据收率的定义式，的收率已知，根据收率的定义式，便可求出一定产量下的加料量。便可求出一定产量下的加料量。n 例如有一连串反应，其计量关系为
39、例如有一连串反应，其计量关系为APQ，已知，已知P的摩尔收率的摩尔收率Yp0.8，P的产量为的产量为100kmolh，根据收率的定义式有：，根据收率的定义式有：因而，A的加料量100/0.8125(kmol/h)(4)(4)根据收率数据作物料衡算根据收率数据作物料衡算例：乙烯氧化制环氧乙烷的反应器中进行如下反应：例：乙烯氧化制环氧乙烷的反应器中进行如下反应：反应器进口混合气体的流量为反应器进口混合气体的流量为45000m3(STP)/h，组，组成如下：成如下：乙烯的转化率为乙烯的转化率为32，反应选择性为，反应选择性为69，求反应器，求反应器出口气体的组成和流量。出口气体的组成和流量。n转化率
40、转化率 n收率收率n 选择性选择性 YSXn解：环氧乙烷的收率解：环氧乙烷的收率0.320.690.2208 CO2的收率的收率0.32(10.69)0.0992 因此，因此，反应器出口气体反应器出口气体各组分的流量为：各组分的流量为：乙烯乙烯 环氧乙烷环氧乙烷 CO2 H2ON2 O2反应器的物料平衡表如下：反应器的物料平衡表如下：（5 5）具有循环和旁路过程的物料衡算）具有循环和旁路过程的物料衡算n 在化工生产中，由于受到化学平衡、相平衡以及在化工生产中，由于受到化学平衡、相平衡以及反应速度等多种因素的限制，原料往往不能完全转比反应速度等多种因素的限制，原料往往不能完全转比为产品，为了为产
41、品，为了提高原料利用率，增加产品的经济效益提高原料利用率，增加产品的经济效益，可采取可采取循环操作循环操作。n 循环操作循环操作就是把反应后得到的产品，经就是把反应后得到的产品，经全部分离全部分离或部分分离后，将其剩余的物料重新返回系统，与新或部分分离后，将其剩余的物料重新返回系统，与新鲜原料混合继续进行加工鲜原料混合继续进行加工。n循环流程的优点：循环流程的优点：n能够显著地提高原料利用率，减少系统排放量，降低了原能够显著地提高原料利用率，减少系统排放量，降低了原料消耗，也减少了对环境的污染。料消耗，也减少了对环境的污染。n循环流程的缺点循环流程的缺点：n循环体系中循环体系中惰性物质和其他杂
42、质会逐渐积累惰性物质和其他杂质会逐渐积累，对反应速率，对反应速率和产品产率有影响，必需定期排出这些物质以避免积累。和产品产率有影响，必需定期排出这些物质以避免积累。n另外，大量另外，大量循环物料的输送会消耗较多动力循环物料的输送会消耗较多动力，所以对于那，所以对于那些反应后绝大部分原料均转化为目的产物的过程，不必采些反应后绝大部分原料均转化为目的产物的过程，不必采用循环流程。用循环流程。通常可采用下列两种算法：通常可采用下列两种算法：n试差法试差法（需多次计算）（需多次计算）估计循环流量，计算至循环回流的那一点。将估计估计循环流量，计算至循环回流的那一点。将估计值与计算值比较，重新假定估计值，
43、一直计算到估计值值与计算值比较，重新假定估计值，一直计算到估计值与计算值之差在一定的误差范围内。与计算值之差在一定的误差范围内。n代数解法代数解法 列出物料平衡方程式，并求解。一般方程式中以循列出物料平衡方程式，并求解。一般方程式中以循环量为未知数，用联立方程式的方法求解。环量为未知数，用联立方程式的方法求解。具体做法：具体做法：一般在衡算时，先进行总的过程衡算，一般在衡算时，先进行总的过程衡算，再对循环系统列出方程式求解再对循环系统列出方程式求解。在在没有循环时没有循环时，一系列单元步骤的物料平衡可按，一系列单元步骤的物料平衡可按顺序依次进行。顺序依次进行。但是若但是若有循环物料有循环物料时
44、，由于循环流量尚未计算，时，由于循环流量尚未计算，采用逐次计算并不能计算出循环量。采用逐次计算并不能计算出循环量。n例题：例题：在银催化剂作用下，乙烯可被空气氧化成环氧在银催化剂作用下，乙烯可被空气氧化成环氧乙烷（乙烷（C2H4O），副反应是乙烯完全氧化生成），副反应是乙烯完全氧化生成CO2和和H2O。已知离开氧化反应器的气体干基组成为：。已知离开氧化反应器的气体干基组成为：C2H4 3.22%，N2 79.64%，O2 10.81%，C2H4O 0.83%，CO2 5.5%（均为体积分数）。（均为体积分数）。该气体进入水吸收塔，其中的环氧乙烷和水蒸气全部该气体进入水吸收塔，其中的环氧乙烷和水
45、蒸气全部溶解于水中，而其他气体不溶于水，由吸收塔顶逸出溶解于水中，而其他气体不溶于水，由吸收塔顶逸出后排放少量至系统外，其余循环回氧化反应器。后排放少量至系统外，其余循环回氧化反应器。n计算（计算（1）乙烯的单程转化率；（）乙烯的单程转化率；（2）生成环氧乙烷）生成环氧乙烷的选择性；（的选择性；（3）循环比；（）循环比；（4）新鲜原料中乙烯和）新鲜原料中乙烯和空气量之比。空气量之比。解：对题目进行初步分析，分析与计算同步进行：解：对题目进行初步分析，分析与计算同步进行：n 此题因有循环，采用代数解法。此题因有循环，采用代数解法。n 由转化率和选择性的概念可知，需计算反应过程中由转化率和选择性的
46、概念可知，需计算反应过程中的变化量，即需要进行物料衡算才能得知。的变化量，即需要进行物料衡算才能得知。n 由题给条件由题给条件离开反应器的气体干基组成，可选离开反应器的气体干基组成，可选定计算基准为反应器出口气中定计算基准为反应器出口气中100 mol干气。干气。n 由题意画出流程方框图，选定各物料未知量符号，由题意画出流程方框图，选定各物料未知量符号，并根据题意标明各组分量。并根据题意标明各组分量。n 因为有两个反应式，组分也较多，所以采用原子衡因为有两个反应式，组分也较多，所以采用原子衡算法计算。算法计算。n该过程的流程方框图如下：该过程的流程方框图如下：n计算基准：反应器出口气中计算基准
47、：反应器出口气中100 mol干气。干气。n令新鲜原料气（令新鲜原料气（FF）中）中C2H4量为量为Xmol，空气为，空气为Ymol（含（含79%N2和和21%O2）；排放气为）；排放气为Wmol；乙烯完全氧化生成的水量为；乙烯完全氧化生成的水量为Zmol。Fresh fluidMix fluidproductRecycle feedReaction product Separate productwasteC2H4 XmolO2N2空气空气 YmolWmolC2H4 3.22%N2 79.64%O2 10.81%C2H4O 0.83%CO2 5.5%H2O ZmolH2O ZmolC2H4O
48、 0.83molC2H4N2O2CO2C2H4 N2O2 CO2C2H4N2O2CO2C2H4 N2O2 CO2C2H4+0.5O2C2H4OC2H4+3O22CO2+2H2O基准：基准：100 mol干气干气（1）确定反应产物经分离后的各部分的量。）确定反应产物经分离后的各部分的量。n分析：由流程方框图可知，物流分析：由流程方框图可知，物流RP分离成分离成P和和SP，SP分流为分流为RC和和W，该两过程均无化学反应，且，该两过程均无化学反应，且SP、RC和和W三者的组成相同。三者的组成相同。则各部分的量：则各部分的量：SP=RPP；RC=SPWn又环氧乙烷和水蒸气全部溶解于水中，又环氧乙烷和
49、水蒸气全部溶解于水中，则则 P=1000.83%+Z。（2）确定进入反应器的混合物料量。）确定进入反应器的混合物料量。n分析：进反应器的气体分析：进反应器的气体MF由新鲜原料气由新鲜原料气FF和循环气和循环气RC组成，混合过程无化学反应，则组成，混合过程无化学反应，则MF=FF+RC。RP、P、SP、W中各组分物质的量和组成表中各组分物质的量和组成表 物料物料RP（出反应器气）（出反应器气）P（产物）（产物）SP（出吸收塔气）（出吸收塔气）W（排放气）（排放气）mol干基干基mol%molmolmol%molmol%C2H43.223.223.223.250.0325 W3.25O210.81
50、10.8110.8110.900.109 W10.90N279.6479.6479.6480.300.803 W80.30C2H4O0.830.830.83CO25.55.55.55.550.0555 W5.55H2OZZ总计总计100+Z1000.83+Z99.17100W100RC、FF和和MF中各组分物质的量和组成表中各组分物质的量和组成表 物料物料RC（循环气（循环气=SP=SP-W W）FF（新鲜原料气）（新鲜原料气）MF（混合原料气）（混合原料气）molmol%molmol%mol%C2H43.22-0.03250.0325W3.25X3.22-0.0325W+XO210.81-0