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1、化工设计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主主 要要 内内 容容 物料衡算物料衡算 能量衡算能量衡算 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 132物料衡算的物料衡算的目的和意义目的和意义1 1、确定、确定主、副产品的产量，原材料的消耗量，生主、副产品的产量，原材料的消耗量，生产过程的物料损耗，各单元设备的流体流量及其产过程的物料损耗，各单元设备的流体流量及其组成以及组成以及“三废三废”的生成量的生成量判断是否达到设计要判断是否达到设计要求（产品的技术经济指标）。
2、求（产品的技术经济指标）。2 2、作为、作为能量衡算能量衡算的基础。的基础。3 3、根据物料及能量衡算结果对生产设备和生产辅、根据物料及能量衡算结果对生产设备和生产辅助助设备进行设计和选型设备进行设计和选型，对过程所需设备的投资，对过程所需设备的投资及其可行性进行评价。及其可行性进行评价。3.1 物料衡算物料衡算物料衡算物料衡算运用质量守恒定律，对化工过程或设备进行运用质量守恒定律，对化工过程或设备进行定量计算。定量计算。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
3、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 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
4、要求位的要求、设计参数、小试及中试数据：、设计参数、小试及中试数据：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、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；总收率，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 p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
5、程中，并在计算过程中保持一致保持一致。p一般计算过程的基准有以下几种：一般计算过程的基准有以下几种：时间基准：时间基准：连续（小时，天连续（小时，天）间歇（釜，批间歇（釜，批）质量基准质量基准 kg，mol，kmol 体积基准体积基准 m3（STP）干湿基准干湿基准 干基（不含水），湿基（含水）干基（不含水），湿基（含水）例：例：100kg湿物料，其中含水湿物料，其中含水10kg，按，按 湿基：含水率为湿基：含水率为10%；若按干基：含水率为若按干基：含水率为10/（100-10）100%=11.11%实际计算时，必须根据具体情况选择合适的基准，过程的物实际计算时，必须根据具体情况选择合适的基
6、准，过程的物料衡算及能量衡算应在同一基准上进行。料衡算及能量衡算应在同一基准上进行。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，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。和走向，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，明确已知项、待求项，选择数学公式，力求使计算方法简化。使计算方法简化。(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
7、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，与过程有关物理（设计任务所规定已知条件，与过程有关物理化学参数）：化学参数）：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（指全年有效生产天数效生产天数300330天天/年，计约年，计约8000h）。）。有关定额的技术指标有关定额的技术指标，通常指产品单耗、配料比、循环比、，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。固液比、气液比、回流比、利用率、单程收率、回收率等等。原辅材料、产品、中间产品的规格；原辅材料、产品、中间产品的规格；与过程有
8、关有物理化学参数，如临界参数、密度或比体积、与过程有关有物理化学参数，如临界参数、密度或比体积、状态方程参数、蒸汽压、气液平衡常数或平衡关系等。状态方程参数、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。约束式约束式分数约束式分数约束式设备约束式设备约束式 进料配比为一常数；进料配比为一常数；分流器出口物流具有相同的组成；分流器出口物流具有相同的组成；相平衡常数；相平衡常数；化学反应平衡常数
9、；化学反应平衡常数；化学反应的转化率、选择性或其他化学反应的转化率、选择性或其他限度。限度。画出流程示意图。画出流程示意图。列出已知数据。列出已知数据。列出由物料平衡所需求解的问题。列出由物料平衡所需求解的问题。决定系统的边界。决定系统的边界。写出主、副产品的化学反应方程式。写出主、副产品的化学反应方程式。约束条件确定。约束条件确定。选择计算基准。选择计算基准。进行物料平衡计算。进行物料平衡计算。列出物料平衡表，并进行校核。列出物料平衡表，并进行校核。写出结论。写出结论。物料衡算的方法和步骤物料衡算的方法和步骤 一种废酸，组成为一种废酸，组成为2323(质量质量)HNO3，5757H2SO4和
10、和2020H2O，加入，加入9393的浓的浓H2SO4及及9090的浓的浓HNO3，要求混合成，要求混合成2727 HNO3及及6060 H2SO4的混的混合酸，计算所需废酸及加入浓酸的数量。合酸，计算所需废酸及加入浓酸的数量。混合器混合器废酸酸浓硝酸硝酸浓硫酸硫酸混合酸混合酸画出流程示意图。画出流程示意图。列出已知数据。列出已知数据。列出由物料平衡所需求解的问题。列出由物料平衡所需求解的问题。决定系统的边界。决定系统的边界。写出主、副产品的化学反应方程式。写出主、副产品的化学反应方程式。约束条件确定。约束条件确定。选择计算基准。选择计算基准。进行物料平衡计算。进行物料平衡计算。列出物料平衡表
11、，并进行校核。列出物料平衡表，并进行校核。写出结论。写出结论。物料衡算的方法和步骤物料衡算的方法和步骤 一种废酸，组成为一种废酸，组成为2323(质量质量)HNO3，5757H2SO4和和2020H2O，加入，加入9393的浓的浓H2SO4及及9090的浓的浓HNO3，要求混合成，要求混合成2727 HNO3及及6060 H2SO4的混的混合酸，计算所需废酸及加入浓酸的数量。合酸，计算所需废酸及加入浓酸的数量。混合器混合器废酸酸浓硝酸硝酸HNO3H2O浓硫酸硫酸H2SO4H2OHNO3 0.23H2SO4 0.57H2O 0.20混合酸混合酸HNO3H2SO4H2O0.900.100.930.
12、070.270.600.13画出流程示意图。画出流程示意图。列出已知数据。列出已知数据。列出由物料平衡所需求解的问题。列出由物料平衡所需求解的问题。决定系统的边界。决定系统的边界。写出主、副产品的化学反应方程式。写出主、副产品的化学反应方程式。约束条件确定。约束条件确定。选择计算基准。选择计算基准。进行物料平衡计算。进行物料平衡计算。列出物料平衡表，并进行校核。列出物料平衡表，并进行校核。写出结论。写出结论。物料衡算的方法和步骤物料衡算的方法和步骤 混合器混合器废酸酸HNO3 0.23H2SO4 0.57H2O 0.20混合酸混合酸HNO3H2SO4H2Oykgzkgxkg0.900.100.
13、930.070.270.600.13 一种废酸，组成为一种废酸，组成为2323(质量质量)HNO3，5757H2SO4和和2020H2O，加入，加入9393的浓的浓H2SO4及及9090的浓的浓HNO3，要，要求混合成求混合成2727 HNO3及及6060 H2SO4的混合酸，计算所的混合酸，计算所需废酸及加入浓酸的数量。需废酸及加入浓酸的数量。浓硝酸硝酸HNO3H2O浓硫酸硫酸H2SO4H2O画出流程示意图。画出流程示意图。列出已知数据。列出已知数据。列出由物料平衡所需求解的问题。列出由物料平衡所需求解的问题。决定系统的边界。决定系统的边界。写出主、副产品的化学反应方程式。写出主、副产品的化
14、学反应方程式。约束条件确定。约束条件确定。选择计算基准。选择计算基准。进行物料平衡计算。进行物料平衡计算。列出物料平衡表，并进行校核。列出物料平衡表，并进行校核。写出结论。写出结论。物料衡算的方法和步骤物料衡算的方法和步骤 一种废酸，组成为一种废酸，组成为2323(质量质量)HNO3，5757H2SO4和和2020H2O，加入，加入9393的浓的浓H2SO4及及9090的浓的浓HNO3，要，要求混合成求混合成2727 HNO3及及6060 H2SO4的混合酸，计算所的混合酸，计算所需废酸及加入浓酸的数量。需废酸及加入浓酸的数量。混合器混合器废酸酸HNO3 0.23H2SO4 0.57H2O 0
15、.20混合酸混合酸HNO3H2SO4H2Oykgzkgxkg0.900.100.930.070.270.600.13浓硝酸硝酸HNO3H2O浓硫酸硫酸H2SO4H2O画出流程示意图。画出流程示意图。列出已知数据。列出已知数据。列出由物料平衡所需求解的问题。列出由物料平衡所需求解的问题。决定系统的边界。决定系统的边界。写出主、副产品的化学反应方程式。写出主、副产品的化学反应方程式。约束条件确定。约束条件确定。选择计算基准。选择计算基准。进行物料平衡计算。进行物料平衡计算。列出物料平衡表，并进行校核。列出物料平衡表，并进行校核。写出结论。写出结论。物料衡算的方法和步骤物料衡算的方法和步骤 基准：基
16、准：100kg100kg混合酸混合酸混合器混合器废酸酸HNO3 0.23H2SO4 0.57H2O 0.20混合酸混合酸HNO3H2SO4H2Oykgzkgxkg0.900.100.930.070.270.600.13浓硝酸硝酸HNO3H2O浓硫酸硫酸H2SO4H2O画出流程示意图。画出流程示意图。列出已知数据。列出已知数据。列出由物料平衡所需求解的问题。列出由物料平衡所需求解的问题。决定系统的边界。决定系统的边界。写出主、副产品的化学反应方程式。写出主、副产品的化学反应方程式。约束条件确定。约束条件确定。选择计算基准。选择计算基准。进行物料平衡计算。进行物料平衡计算。列出物料平衡表，并进行校
17、核。列出物料平衡表，并进行校核。写出结论。写出结论。物料衡算的方法和步骤物料衡算的方法和步骤 总物料衡算式：总物料衡算式：x+y+z=100组分衡算式：组分衡算式：H2SO4 0.57x+0.93z=100*0.6=60 HNO3 0.23x+0.90y=100*0.27=27解得：解得：x=41.8kg；y=19.2kg；z=39kg混合器混合器废酸酸HNO3 0.23H2SO4 0.57H2O 0.20混合酸混合酸HNO3H2SO4H2Oykgzkgxkg0.900.100.930.070.270.600.13浓硝酸硝酸HNO3H2O浓硫酸硫酸H2SO4H2O画出流程示意图。画出流程示意图
18、。列出已知数据。列出已知数据。列出由物料平衡所需求解的问题。列出由物料平衡所需求解的问题。决定系统的边界。决定系统的边界。写出主、副产品的化学反应方程式。写出主、副产品的化学反应方程式。约束条件确定。约束条件确定。选择计算基准。选择计算基准。进行物料平衡计算。进行物料平衡计算。列出物料平衡表，并进行校核。列出物料平衡表，并进行校核。写出结论。写出结论。物料衡算的方法和步骤物料衡算的方法和步骤 物料平衡表物料平衡表输入输入输出输出组分组分质量质量/kg组分组分质量质量/kg废酸废酸废酸中的硝酸废酸中的硝酸废酸中的硫酸废酸中的硫酸废酸中的水废酸中的水浓硝酸浓硝酸浓硝酸中的硝酸浓硝酸中的硝酸浓硝酸中
19、的水浓硝酸中的水浓硫酸浓硫酸浓硫酸中的硫酸浓硫酸中的硫酸浓硫酸中的水浓硫酸中的水总计总计41.89.623.88.419.217.281.923936.272.73100混合酸混合酸混合酸中的浓硝酸混合酸中的浓硝酸混合酸中的浓硫酸混合酸中的浓硫酸混合酸中的混合酸中的H2O总计总计100602713100校核结果：依据水平衡校核结果：依据水平衡混合器混合器废酸酸HNO3 0.23H2SO4 0.57H2O 0.20混合酸混合酸HNO3H2SO4H2Oykgzkgxkg0.900.100.930.070.270.600.13浓硝酸硝酸HNO3H2O浓硫酸硫酸H2SO4H2O画出流程示意图。画出流程
20、示意图。列出已知数据。列出已知数据。列出由物料平衡所需求解的问题。列出由物料平衡所需求解的问题。决定系统的边界。决定系统的边界。写出主、副产品的化学反应方程式。写出主、副产品的化学反应方程式。约束条件确定。约束条件确定。选择计算基准。选择计算基准。进行物料平衡计算。进行物料平衡计算。列出物料平衡表，并进行校核。列出物料平衡表，并进行校核。写出结论。写出结论。物料衡算的方法和步骤物料衡算的方法和步骤 二、无化学反应的物料衡算二、无化学反应的物料衡算 一个设备一个设备简单过程简单过程 整个过程（可简化为一个设备单元）整个过程（可简化为一个设备单元）多单元系统：多单元系统：对有数个单元设备的系统中的
21、每一对有数个单元设备的系统中的每一个设备都要计算其流量及组成。个设备都要计算其流量及组成。精馏精馏例例1 1：以苯为溶剂，用共沸精馏法分离乙醇水混以苯为溶剂，用共沸精馏法分离乙醇水混合物，制取纯乙醇。假定料液混合物含水合物，制取纯乙醇。假定料液混合物含水60%60%，乙，乙醇醇40%40%，在精馏塔馏出液中含苯，在精馏塔馏出液中含苯75%75%，水，水24%24%，其余，其余为醇（组成均为质量分数）。若要求乙醇生产量为为醇（组成均为质量分数）。若要求乙醇生产量为1000kg1000kgh h，试计算精馏中所需的苯量。，试计算精馏中所需的苯量。简单过程简单过程 解：画出流程示意图。解：画出流程示
22、意图。总物料平衡式：总物料平衡式：F1F2=F3F4 组分物料平衡式：组分物料平衡式：苯平衡：苯平衡：F2=0.75 F3 水平衡：水平衡：0.6F1=0.24F3 解得解得 F1=2667kgh,F2=5000kgh,F3=6667kgh 校核：校核：依据醇平衡：依据醇平衡：0.4F1=0.01F3+F4 左右两边相等，结果准确。左右两边相等，结果准确。F1？料液料液F2？苯苯 F3？馏出液馏出液 F4=1000kg/h乙醇产品乙醇产品乙醇乙醇 40%40%水水 60%60%乙醇乙醇 1%1%水水 24%24%苯苯 75%75%对系统中的每一个设备都要计算其流量及组对系统中的每一个设备都要计
23、算其流量及组成，这种系统就称为多单元系统。成，这种系统就称为多单元系统。如下图即为多单元系统如下图即为多单元系统12435单元单元单元单元多单元系统多单元系统Fx1，x1D1 xD1，xD1D2 xD2，xD2W1 xW1 xW1W2 xW2，xW2结论：结论：两单元过程可处理为：单元两单元过程可处理为：单元、单元、单元和总过程单元和总过程单元可列平衡方程：两组单元平衡方程式和一组总平衡方程式。其可列平衡方程：两组单元平衡方程式和一组总平衡方程式。其中每一组方程均由中每一组方程均由S个独立的物料平衡方程式所构成。个独立的物料平衡方程式所构成。多单元系统多单元系统例例2 2：造纸厂的碱回收工段有
24、一个四效蒸发器，造纸厂的碱回收工段有一个四效蒸发器，将造纸废液（简称黑液）浓缩，供料方式为将造纸废液（简称黑液）浓缩，供料方式为，蒸发器的总处理能力为，蒸发器的总处理能力为 80000kg80000kgh,h,从含从含15%15%（质量分数，下同）固形（质量分数，下同）固形物浓缩到含物浓缩到含60%60%固形物，第固形物，第效后含效后含17.8%17.8%固形固形物，第物，第效后含效后含22.6%22.6%固形物，第固形物，第效后含效后含31.5%31.5%固形物。按以上要求计算总蒸发水量和固形物。按以上要求计算总蒸发水量和每一效蒸发器的蒸发水量。每一效蒸发器的蒸发水量。解题思路：解题思路：画
25、出流程示意图画出流程示意图列出已知数据列出已知数据列列出待求解数据出待求解数据确定系统的边界确定系统的边界列衡算式列衡算式结论。结论。解：画出流程示意图，如图所示。解：画出流程示意图，如图所示。80000kg/h 15%蒸汽蒸汽60%31.5%22.6%17.8%F进进X进进=（F进进W）X出出 式中式中 F进进进口料液的流量，进口料液的流量，kgkgh h；X进进进口料液的质量分数，进口料液的质量分数，%；X出出出口料液的质量分数，出口料液的质量分数，%；W当效的蒸发水量，当效的蒸发水量，kgkgh.h.由上式可以得到由上式可以得到 W=F进进（1X进进X出出）则总的蒸发水量为则总的蒸发水量
26、为 W总总=80000（11560）=60000kgh第第效的蒸发水量效的蒸发水量 W=80000（11517.8）=12600kgh第第效的蒸发水量为效的蒸发水量为 W=67400（1 17.8 22.6）=14300kg h 第第效的蒸发水量为效的蒸发水量为 W=53100（122.631.5）=15000kgh 第第效的蒸发水量为效的蒸发水量为 W=53100（122.631.5）=15000kgh校核：校核：W总总=W+W+W+W结结论论：W总总=60000kgh；W=12600kgh；W=14300kgh；W=15000 kgh；W=18100 kgh。1:1:在在过过滤滤机机中中将
27、将含含有有20%20%（质质量量分分数数）的的固固体体料料浆浆进进行行过过滤滤，固固体体料料浆浆的的进进料料流流量量为为1000kgh1000kgh，过过滤滤后后滤滤饼饼含含有有90%90%（质质量量分分数数）的的固固体体，而而滤滤液液含含有有1%1%（质质量量分分数数）的的固固体体，试试计计算算滤滤液和滤饼的流量。液和滤饼的流量。练习：简单过程练习：简单过程解：画出流程示意解：画出流程示意图图，如，如图图所示。所示。过滤机过滤机料料浆浆 F1=1000kgh 20%固体固体 80%液体液体滤滤液液 F2=？kgh 1%固体固体 99%液体液体 滤饼滤饼 F3=？kgh90%固体固体10%液体
28、液体 总总平衡式平衡式 输输入的料入的料浆浆=输输出的出的滤滤液液+输输出的出的滤饼滤饼 F1=F2 F3液体平衡式液体平衡式 料料浆浆中的液体中的液体=滤滤液中的液体液中的液体 滤饼滤饼中的液体中的液体 F1X11=F2X21 F3X31代入已知数据，得方程式代入已知数据，得方程式 1000=F2 F3 0.81000=0.99F2 0.10F3解方程式得：解方程式得：F2=786.5kgh F3=213.5kgh固体平衡式校核：固体平衡式校核：0.21000=0.01786.50.9213.5平衡式两平衡式两边边相等，故答案正确。相等，故答案正确。三、反应过程的物料衡算三、反应过程的物料衡
29、算 理论消耗量：只和化学反应有关理论消耗量：只和化学反应有关原材料的消耗定额原材料的消耗定额 实际消耗量：极少等于理论量实际消耗量：极少等于理论量衡量实际消耗量和理论消耗量差别的指标：衡量实际消耗量和理论消耗量差别的指标：转化率、选择性、收率、限制反应物、过量反应物。转化率、选择性、收率、限制反应物、过量反应物。1、转化率（转化率（x x）转化率：转化率：原料中某一反应物转化掉的量（摩尔）与初始反应原料中某一反应物转化掉的量（摩尔）与初始反应 物的量（摩尔）的比值，它是化学反应进程的一个标志。物的量（摩尔）的比值，它是化学反应进程的一个标志。单程转化率单程转化率=100总转化率总转化率=100
30、 可简写成可简写成 转化率转化率=100 数学表达式为数学表达式为:=2、选择性（选择性（）选择性：选择性：当同一种原料可以转化为几种产物，即同时存在主当同一种原料可以转化为几种产物，即同时存在主反应和副反应时，选择性表示实际转化为目的产物的原料反应和副反应时，选择性表示实际转化为目的产物的原料的量（摩尔）与被转化掉的原料的量（摩尔）的比值。的量（摩尔）与被转化掉的原料的量（摩尔）的比值。选择性选择性=100 数学表达式为数学表达式为:=3、收率（收率（）收率：收率：原料转化为目的产物的量（摩尔）与进反应原料转化为目的产物的量（摩尔）与进反应系统的初始量（摩尔）的比值。系统的初始量（摩尔）的比
31、值。收率收率=数学表达式为数学表达式为:=收率收率=转化率转化率选择性选择性 =4、限制反应物与过量反应物限制反应物与过量反应物限制反应物：限制反应物：在参与反应的反应物中，以最小化学计量存在参与反应的反应物中，以最小化学计量存在的反应物为限制反应物。在的反应物为限制反应物。过量反应物：过量反应物：在参与反应的反应物中，超过化学计量的反在参与反应的反应物中，超过化学计量的反应物为过量反应物。应物为过量反应物。反应物的过量程度，通常以过量百分数来表示，即反应物的过量程度，通常以过量百分数来表示，即 过量程度过量程度=100 练习练习（转化率、选择性、收率的计算）（转化率、选择性、收率的计算）例：
32、已知丙烯氧化法生产丙烯醛的一段反应器，原料丙烯投例：已知丙烯氧化法生产丙烯醛的一段反应器，原料丙烯投料量为料量为600kg/h，出料中有丙烯醛，出料中有丙烯醛640kg/h，另有未反应的丙，另有未反应的丙烯烯25kg/h，试计算原料丙烯的转化率、选择性及丙烯醛的收，试计算原料丙烯的转化率、选择性及丙烯醛的收率。率。一段反应器一段反应器丙烯丙烯600kg/h丙烯丙烯25kg/h丙烯醛丙烯醛640kg/h解：丙烯氧化生成丙烯醛的化学反应方程式：丙烯的转化率：丙烯的转化率：丙烯醛的收率：丙烯醛的收率：丙烯的选择性：丙烯的选择性：直接计算法。直接计算法。有些化学反应过程的物料衡算，有时只含一个未知量或
33、组成，这类问题比较简单，通常可根据化学反应式直接求解，不必通常可根据化学反应式直接求解，不必列出衡算式。列出衡算式。元素平衡。元素平衡。利用反应速率进行物料衡算。利用反应速率进行物料衡算。以节点进行衡算。以节点进行衡算。反应过程的物料衡算计算方法反应过程的物料衡算计算方法 例例3-1：甲醇氧化制甲醛，其反应过程为甲醇氧化制甲醛，其反应过程为 CH3OH+1/2O2 HCHO+H2O反反应应物物及及生生成成物物均均为为气气态态。甲甲醇醇的的转转化化率率为为75%75%，若若使使用用50%50%的的过过量量空空气气，试试计计算算反反应应后后气气体体混混合合物物的的摩摩尔组成。尔组成。催化反应器催化
34、反应器CH3OH 空气（过量空气（过量50%）HCHO H2O CH3OH O2 N2解：画出流程示意解：画出流程示意图图，如，如图图所示。所示。一、直接推算法基准：基准：1 mol CH3OH O2的量（需要）的量（需要）=0.5molO2的量（的量（输输入）入）=1.5 x x0.5=0.75molN2的量（的量（输输入）入）=N2的量（的量（输输出）出）=0.75 x x(79/21)=2.82molCH3OH为为限制反限制反应应物，反物，反应应的的CH3OH量量=0.75 x x 1=0.75mol因此，因此，HCHO的量（的量（输输出）出）=0.75 molCH3OH的量（的量（输输
35、出）出）=1-0.75=0.25molO2的量（的量（输输出）出）=0.75-0.75 x x 0.5=0.375molH2O的量（的量（输输出）出）=0.75mol CH3OH+1/2O2 HCHO+H2O计算结果如表所示：组分组分物质的量物质的量/mol摩尔分数摩尔分数/%CH3OHHCHOH2OO2N2总计总计0.2500.7500.7500.3752.8204.9455.015.215.27.657.0100.0第三章 物料衡算与能量衡算反应器反应器C6H5C2H5C6H5CH3、H2OC6H5C2H5、C6H6、C6H5CH3、C6H5C2H3H2O、CH4、C2H4、C、H2例例3
36、-2 苯乙烯的反应器，年生产能力为苯乙烯的反应器，年生产能力为10000t，年工作时间为，年工作时间为8000h，苯乙烯收率为，苯乙烯收率为40%，以反应物乙苯计的苯乙烯选择性，以反应物乙苯计的苯乙烯选择性为为90%，苯选择性为，苯选择性为3%，甲苯选择性为，甲苯选择性为5%，焦油选择性为，焦油选择性为2%。原料乙苯中含甲苯。原料乙苯中含甲苯2%（质量分数），反应时通入水蒸（质量分数），反应时通入水蒸气提供部分热量并降低乙苯分压，乙苯原料和水蒸气比为气提供部分热量并降低乙苯分压，乙苯原料和水蒸气比为1:1.5（质量比），要求对该反应器进行物料衡算，即计算进（质量比），要求对该反应器进行物料衡算
37、，即计算进出反应器各物料的流量。出反应器各物料的流量。解：反应器中发生了以下化学反应：解：反应器中发生了以下化学反应：C6H5C2H5 C6H5C2H3+H2 （1）C6H5C2H5+H2 C6H5CH3+CH4 （2）C6H5C2H5 C2H4+C6H6 （3）C6H5C2H5 7C+3H2+CH4 （4）各物料的摩尔质量汇总列于表各物料的摩尔质量汇总列于表3-1。物料物料C6H5C2H5C6H5C2H3C6H6C6H5CH3H2OCH4C2H4CH2摩摩尔尔质质量量/(g/mol)1061047892181628122表表3-1 各物料的摩尔质量（基准：各物料的摩尔质量（基准：1000kg
38、/h乙苯原料）乙苯原料）基准：选1000kg/h乙苯原料为计算基准进反应器纯乙苯量进反应器纯乙苯量1000kg/h98%=980kg/h，即为，即为9.245kmol/h原料中甲苯量原料中甲苯量1000 kg/h2%=20kg/h，即为，即为0.217kmol/h水蒸气量水蒸气量980 kg/h1.5=1470kg/h，即为，即为81.667kmol/h乙苯的转化率为乙苯的转化率为0.4/0.9=0.4444参加反应的总乙苯量参加反应的总乙苯量980 kg/h0.4444=435.11kg/h，即为，即为4.109kmol/h产物中各组分情况如下：产物中各组分情况如下：未反应的乙苯量（未反应的
39、乙苯量（980-435.11）kg/h=544.89 kg/h，即为，即为5.140kmol/h由苯乙烯选择性，生成苯乙烯量由苯乙烯选择性，生成苯乙烯量4.109 kmol/h90%=3.698 kmol/h，即为即为384.60kg/h由各物质的选择性，有由各物质的选择性，有输出的甲苯量输出的甲苯量4.109 kmol/h5%+0.217 kmol/h=0.423 kmol/h，即为即为38.92kg/h生成的苯量生成的苯量4.109 kmol/h3%=0.123 kmol/h，即为，即为9.60kg/h生成的乙烯量生成的乙烯量4.109 kmol/h3%=0.123 kmol/h，即为，即
40、为3.44kg/h生成的碳量生成的碳量4.109 kmol/h2%7=0.575 kmol/h，即为，即为6.9kg/h生成的甲烷量生成的甲烷量4.109 kmol/h（5%+2%）=0.288 kmol/h，即为，即为4.61kg/h输出的氢量输出的氢量4.109 kmol/h（90%-5%+2%3）=3.739 kmol/h，即，即为为7.48kg/h输出水量输出水量=输入水量（不参与反应）输入水量（不参与反应）1470kg/h，即为，即为81.667kmol/h实际每小时要求苯乙烯的产量实际每小时要求苯乙烯的产量100001000kg/8000h=1250kg/h比例系数比例系数1250
41、/384.60=3.25表表3-2 乙苯脱氢反应器物料衡算表乙苯脱氢反应器物料衡算表组组分分输输 入入输输 出出摩摩尔尔流量流量/(kmol/h)质质量流量量流量/(kg/h)摩摩尔尔流量流量/(kmol/h)质质量流量量流量/(kg/h)C6H5C2H530.046318516.7051770.89C6H5CH30.705651.375126.49H2O265.4184777.5265.4184777.5C6H5C2H312.0191249.95C6H60.00431.20C2H40.00411.18CH40.93614.98C1.86922.43H212.15224.31合合计计296.1
42、698027.5310.4828028.93第三章 物料衡算与能量衡算二、原子平衡法二、原子平衡法例例3-3 将碳酸钠溶液加入石灰进行苛化，已知碳酸钠溶液将碳酸钠溶液加入石灰进行苛化，已知碳酸钠溶液组成为组成为NaOH 0.59%（质量分数），（质量分数），Na2CO3 14.88%，H2O 84.53%，反应后的苛化液含，反应后的苛化液含CaCO3 13.48%，Ca(OH)2 0.28%，Na2CO3 0.61%，NaOH 10.36%，H2O 75.27%。计算：。计算：1）每）每100kg苛化液需加石灰的质量及石灰苛化液需加石灰的质量及石灰的组成；的组成；2）每）每100kg苛化液需用
43、碳酸钠溶液的质量。苛化液需用碳酸钠溶液的质量。苛化反应苛化反应器器FNaOH 0.59%Na2CO3 14.88%H2O 84.53%CaCO3 13.48%Ca(OH)2 0.28%Na2CO3 0.61%NaOH 10.36%H2O 75.27%CaCO3 x/WCaO y/WCa(OH)2 z/W第三章 物料衡算与能量衡算解解:设碳酸钠溶液的质量为设碳酸钠溶液的质量为F（kg）石灰的质量为石灰的质量为W（kg）石灰中石灰中CaCO3、CaO及及Ca(OH)2的质量分的质量分别设为别设为x、y和和z，则石灰中各物质的组成可表示，则石灰中各物质的组成可表示为：为：x/W，y/W，z/W基准：
44、基准：100kg苛化液苛化液画出物料流程示意图（图画出物料流程示意图（图3-2）表表3-3 各种物料质量和物质的量计算结果各种物料质量和物质的量计算结果Na2CO3溶液中溶液中苛化苛化钠钠溶液中溶液中物料物料摩摩尔尔质质量量（g/mol）质质量量（kg）物物质质的量的量（kmol）物料物料摩摩尔尔质质量量（g/mol）质质量量（kg）物物质质的的量量（kmol）NaOH400.59%F0.000148FNaOH4010.360.2590Na2CO310614.88%F0.001404FNa2CO31060.610.00575H2O1884.53%F0.04696FH2O1875.274.18C
45、a(OH)2740.280.00377CaCO310013.480.1347列元素平衡式列元素平衡式Na平衡：平衡：0.000148F+0.001404F2=（0.005752+0.2590）kmol C平衡：平衡：Ca平衡：平衡：总物料平衡：总物料平衡：F+W=100kg/mol 石灰总量等于各物质质量之和石灰总量等于各物质质量之和W=x+y+z 计算结果汇总列入表计算结果汇总列入表3-4表表3-4 计算结果汇总计算结果汇总组组分分输输 入入输输 出出物物质质的量的量/kmol质质量量/kg物物质质的量的量/kmol质质量量/kgNaOH0.01350.540.259010.35Na2CO3
46、0.128513.620.005750.61H2O4.297377.354.18275.27CaCO30.0121.20.13713.48CaO0.0156.44Ca(OH)20.01160.860.003770.28合合计计296.1691004.5875100试计试计算合成甲醇算合成甲醇过过程中反程中反应应混合物的平衡混合物的平衡组组成。成。设设原料气原料气中中H H2 2与与COCO摩摩尔尔比比为为4.54.5：1.0 1.0，惰性，惰性组组分含量分含量为为13.8%13.8%，压压力力为为30MPa30MPa，温度，温度为为365365摄摄氏度，平衡常数氏度，平衡常数Kp=2.505K
47、p=2.505*1010-3 3MPaMPa-2-2 三、平衡常数法三、平衡常数法物物质质C C的的质质量量（摩摩尔尔）生生成成速速率率:在在以以物物质质的的量量（摩摩尔尔）或或质质量量进进行行衡衡算算时时，由由于于发发生生了了化化学学反反应应，将将输输入入与与输输出出速速率之差率之差Rc 称称为为物物质质C C的的质质量（摩量（摩尔尔）生成速率）生成速率.即即 Rc=Fc 输输出出Fc 输输入入物料衡算式物料衡算式：Fc输输出出=Fc 输输入入+Rc aA+bB=cC+dD 反反应应速速率率r r可可定定义义为为：r=Rc/c c=1.2.,n（c表示物质C的化学计量系数）任一物任一物质质C
48、 C的生成速率：的生成速率：Rc=cr c=1,2.n 因此，物因此，物质质的摩的摩尔尔平衡方程式可写成：平衡方程式可写成：Fc输输出出=Fc 输输入入+c cr r 三、利用反应速率进行物料衡算三、利用反应速率进行物料衡算例例4-6：合合成成氨氨原原料料气气中中的的CO通通过过变变换换反反应应器器而而除除去去，如如图图4-6所所示示。在在反反应应器器1中中CO大大部部分分转转化化，在在反反应应器器2中中完完全全脱脱去去。原原料料气气由由发发生生炉炉煤煤气气（78%N2，20%CO,2%CO2),均均为为体体积积分分数数，下下同同）和和水水煤煤气气（50%H2，50%CO）混混合合而而成成，在
49、反应器中与水蒸气流速发生反应：在反应器中与水蒸气流速发生反应：CO+H2O CO2+H2，最最后后得得到到的的物物流流中中H2 与与N2之之比比为为3:1，假假定定水水蒸蒸气气流流率率是是原原料料气气总总量量（干干基基）的的2倍倍，同同时时反反应应器器1中中CO的转化率为的转化率为80%，试计算中间物流，试计算中间物流4的组成。的组成。解：画出流程示意图解：画出流程示意图反反应应器器1 F1N2 78%CO 20%CO2 2%反应器反应器2F2H2 50%CO 50%F3 H2O F4 N2 H2CO CO2 H2OF5 N2 H2 CO2 H2O节节点：在工点：在工艺艺流程的流程的计计算中，
50、以流程中某一点的算中，以流程中某一点的汇汇集或分支出集或分支出的交合。的交合。以节点进行计算以节点进行计算分流分流A A分流分流C C分流分流B B分流分流A A分流分流C C分流分流B B节点节点节点节点【例例48】某某厂厂用用烃类气气体体转化化制制合合成成气气生生产甲甲醇醇，合合成成气气体体体体积为2321m3（STP)/h，CO与与H2的的物物质的的量量比比为1;2:4。但但是是由由于于转化化后后的的气气体体体体积组成成为CO 43.12%、H54.2%,不不符符合合要要求求，为此此需需将将部部分分转化化气气送送去去变换反反应器器，变换后后气气体体体体积分分数数为CO8.76%、H289