第四章物料衡算教材

1、1第四章第四章 物料衡算及熱量衡算物料衡算及熱量衡算2n一、物料衡算的目的一、物料衡算的目的n（1）原材料消耗定額，判斷是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求。n（2）各設(shè)備的輸入及輸出的物流量，摩爾分率組成及n 其他組成表示方法。n（3）作為熱量計(jì)算的依據(jù)。4.1物料衡算物料衡算3n二、物料衡算的依據(jù)二、物料衡算的依據(jù)n（1）設(shè)計(jì)任務(wù)書中確定的技術(shù)方案、產(chǎn)品生產(chǎn)能力、年工作時(shí)及操作方法。n（2）建設(shè)單位或研究單位所提供的要求、設(shè)計(jì)參數(shù)及實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)或中試等數(shù)據(jù)。n（3）工藝流程示意圖。4n物料衡算的基本方法物料衡算的基本方法n1.物料平衡的方程物料平衡的方程-質(zhì)量守恒定律質(zhì)量守恒定律n對(duì)于任一化工過(guò)程單元或過(guò)程單元

2、系統(tǒng)，均服從質(zhì)量守恒定律。n對(duì)于沒有化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程，一般只列寫各組分組分的衡算方程，只有涉及化學(xué)反應(yīng)時(shí)，才列出各元素元素的衡算方程。5三、物料衡算的基本方程式三、物料衡算的基本方程式n微元時(shí)間, 微元體積內(nèi):n某組分流入量=某組分流出量+某組分反應(yīng)消耗量+某組分累積量 W入入 = W出出 + W消耗消耗 + W累積累積6n物料衡算的基準(zhǔn)物料衡算的基準(zhǔn)n（1）時(shí)間基準(zhǔn)）時(shí)間基準(zhǔn)n 連續(xù)操作連續(xù)操作過(guò)程，單位時(shí)間可取1d、1h、或1s等n（2）批量基準(zhǔn)）批量基準(zhǔn)n 間歇操作間歇操作過(guò)程，按投入一批物料的數(shù)量為基準(zhǔn)n（3） 質(zhì)量、量、體積等為基準(zhǔn)質(zhì)量、量、體積等為基準(zhǔn)7n物料衡算步驟：物料衡算步驟：

3、n陳述的問題n列出可獲得的數(shù)據(jù)n畫出衡算方框圖n對(duì)物流流股及各組分編號(hào)n確定衡算范圍n建立系統(tǒng)各參數(shù)的基準(zhǔn)n建立各組分和總物料的衡算方程n解析方程n校核計(jì)算結(jié)果n繪制物料流程圖，編寫物流表89n（I）分?jǐn)?shù)約束式）分?jǐn)?shù)約束式n當(dāng)一般物流的組成用摩爾分?jǐn)?shù)或質(zhì)量分?jǐn)?shù)表示時(shí)，有下式成立n式中xij 第j組分在第i股物流中的摩爾分?jǐn)?shù)；n Ns 物流的股數(shù)n Ne 物流組分?jǐn)?shù)), 2 , 1( 11sjijNixcNNe10n（II）設(shè)備約束式）設(shè)備約束式n常見的設(shè)備約束式有：n進(jìn)料比為一常數(shù)n兩股物流具有相同的組成n相平衡常數(shù)n化學(xué)平衡常數(shù)n化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中的轉(zhuǎn)化率、選擇性或其他限度。11 四、四、 物料

4、衡算中用到的基本量物料衡算中用到的基本量 1、 流體的流量和流速流體的流量和流速n體積流量Q: 單位時(shí)間內(nèi)流經(jīng)設(shè)備的流體體積。單位: m3/min; m3/sn質(zhì)量流量W: 單位時(shí)間內(nèi)流經(jīng)設(shè)備的流體質(zhì)量。單位: Kg/min; kg/s12n流體的線速度: 流體每單位時(shí)間在流動(dòng)的方向上所流經(jīng)的距離。m/s u=Q/An摩爾流量: 單位時(shí)間內(nèi)流經(jīng)設(shè)備的流體的物質(zhì)的量。單位: Kmol/h; kmol/min; kmol/sn質(zhì)量流量、體積流量、線速度之間的關(guān)系: W=Q= uA 132、 摩爾分?jǐn)?shù)和質(zhì)量分?jǐn)?shù)摩爾分?jǐn)?shù)和質(zhì)量分?jǐn)?shù)n摩爾分?jǐn)?shù)摩爾分?jǐn)?shù): 混合物中某組分物質(zhì)的量與混合物的物質(zhì)的量之比。xi

5、=ni/nt ni i組分的物質(zhì)的量, mol ; nt 混合物的物質(zhì)的量, mol。14n對(duì)于流動(dòng)物系: xi=Fi/Ft , Fi i組分的摩爾流量; Ft 混合物總物汁的量。n質(zhì)量分?jǐn)?shù):混合物中, 某組分的質(zhì)量與混合物質(zhì)量之比。i15質(zhì)量分?jǐn)?shù)與摩爾分?jǐn)?shù)的相互轉(zhuǎn)換:摩爾分?jǐn)?shù)摩爾分?jǐn)?shù) xi=(i/Mi) (i/Mi +j/Mj) 質(zhì)量分?jǐn)?shù)質(zhì)量分?jǐn)?shù) i=(xiMi) (xiMi + xjMj)3、混合物的平均分子量、混合物的平均分子量: M = (Mixi) Mii組分相對(duì)分質(zhì)量164、 單組分液體的密度單組分液體的密度 在一般壓力下, 液體的密度隨壓力的變化不大,但隨溫度的變化較顯著。常溫常

6、壓的密度易得 1 =0 + T + T2 + T3式中1 液體的密度;、 常數(shù), 175、多組分液體混合物的密度、多組分液體混合物的密度液體混合時(shí)體積變化不大i i組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù) 1/= (i/i)18CAO= (A GA/ MA )/ Vo6、 多組分液體混合物的體積流量多組分液體混合物的體積流量（1）產(chǎn)量為已知時(shí)按反應(yīng)計(jì)量式折算原料的質(zhì)量流量。（2）已知反應(yīng)混合物的密度求初始濃度。 CAO=1混混/ (1MA+Mini)ni A 為基準(zhǔn)(1摩爾)時(shí)的其它物質(zhì)的摩爾比。 Vo =(G1+G2+U惰惰)/混混19例4.1 一混合物中苯和甲苯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為 0.4和0.6, 求苯和甲苯的摩爾分

7、數(shù)。 例4.2 混合物中乙醇和水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為 0.6和0.4, 求此混合物的平均分子量。例4.3 常壓19下, 液體乙醇的密度為 0.795g/cm3,水的密度為0.9982g/cm3, 估算質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的乙醇水溶液在 常壓、19的密度 。20五、計(jì)算實(shí)例五、計(jì)算實(shí)例 n1、用元素的原子平衡的方法做物料衡算、用元素的原子平衡的方法做物料衡算化學(xué)反化學(xué)反應(yīng)前后各元素的原子數(shù)是相等的應(yīng)前后各元素的原子數(shù)是相等的n(氣相反應(yīng)組分較多時(shí)常用此計(jì)算法) 例4.4 丙烷充分燃燒時(shí)要使空氣過(guò)量25%, 燃燒反應(yīng)方程式為: C3H8 + 5O2 3CO2 + 4H20求每100mol燃燒產(chǎn)物(煙道氣)

8、需要加入多少丙烷和空氣? 解: 以100mol煙道氣作基準(zhǔn)作物料衡算。21 C3H8 + 5O2 3CO2 + 4H2022解得232、 直接使用反應(yīng)計(jì)量方程作物料衡算直接使用反應(yīng)計(jì)量方程作物料衡算 n例4.5 在鼓泡反應(yīng)器中進(jìn)行苯的氯化反應(yīng)生成氯苯，主反應(yīng)為：n C6H6 + Cl2 C6H5Cl + HCln同時(shí)有副反應(yīng)發(fā)生，生成二氯苯和三氯苯， 反應(yīng)式如下： C6H6 + 2Cl2 C6H4Cl2 + 2HCl C6H6 + 3Cl2 C6H3Cl3 + 3HCl24n已知鼓泡反應(yīng)器的產(chǎn)物中， 主、副反應(yīng)產(chǎn)物和未反應(yīng)的苯的重量比為：n氯苯：二氯苯：三氯苯：苯=1：0.08：0.016：2

9、, 求n苯的轉(zhuǎn)化率;n氯苯的收率;n反應(yīng)的選擇性;n反應(yīng)生成的氯化氫總量;n反應(yīng)消耗的氯氣總量。n78，112.5，147，181.525解: 以以100產(chǎn)物氯苯為計(jì)算基準(zhǔn)產(chǎn)物氯苯為計(jì)算基準(zhǔn)。苯、氯苯、二氯苯、三氯苯的分子量分別為78，112.5，181.5。按此基準(zhǔn)出口產(chǎn)品混合物中有苯200kg，氯苯100kg，二氯苯8kg，三氯苯1.6kg，需要加入反應(yīng)器的苯量計(jì)算如下（100%）：262728293、利用聯(lián)系物作物料衡算、利用聯(lián)系物作物料衡算 n生產(chǎn)過(guò)程中有些物料不參加反應(yīng), 叫惰性物料。它的數(shù)量在反應(yīng)器的進(jìn)口、出口物料中沒有變化, 計(jì)算時(shí)可以利用它的設(shè)備進(jìn)、出口的數(shù)量不變的關(guān)系列物料衡

10、算方程。n利用惰性聯(lián)系物作物料衡算可以簡(jiǎn)化計(jì)算。n但當(dāng)惰性物料數(shù)量很少, 且分析誤差很大時(shí)就不能用此法。30n例4.6 用甲烷和氫的混合氣完全燃燒來(lái)加熱鍋爐, 反應(yīng)方程式如下: CH4 + 2O2 CO2 + H2O 2H2 + O2 2H2O煙道氣組成如下:組分N2CO2O2H2O合計(jì)% (mol)72.198.122.4417.25100計(jì)算:(1) 燃料中甲烷與氫氣的摩爾比;(2) 空氣與(CH4 + H2)的摩爾比。31解: 100 mol煙道氣為基準(zhǔn)煙道氣為基準(zhǔn)。煙道中含有N2 72.19 mol, CO2 8.12 mol和O2 2.44 mol, H2O 17.25 mol),

11、進(jìn)入燃燒室的空氣含O2 量可用N2 作聯(lián)系物求出。 72.19 21/79=19.19 mol煙道氣中所含8.12 mol CO2 是由CH4燃燒而來(lái), 從反應(yīng)式可知甲烷量是8.12 mol, O 2量為8.12 mol2=16.24 mol, 因此, H2燃燒消耗的O2量為 19.1916.242.44=0.51 mol由第二方程式可得, 燃料中氫的量為 20.51=1.02 mol由此, 燃料中甲烷與氫氣的摩爾比為 8.12/1.02=7.96空氣與(CH4 + H2)的摩爾比為 91.38/9.19=9.94324、 復(fù)雜反應(yīng)體系使用產(chǎn)物、副產(chǎn)物復(fù)雜反應(yīng)體系使用產(chǎn)物、副產(chǎn)物各自的收率數(shù)據(jù)

12、作物料衡算各自的收率數(shù)據(jù)作物料衡算n化工生產(chǎn)中, 比較方便的辦法是到生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)或中間試驗(yàn)廠實(shí)測(cè)主產(chǎn)物和副產(chǎn)物各自的收率。如果設(shè)計(jì)的項(xiàng)目,它的生產(chǎn)條件與實(shí)測(cè)收率的生產(chǎn)條件相近, 就可以用生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)或中試得到的收率來(lái)做物料衡算。333435365、 以節(jié)點(diǎn)進(jìn)行衡算以節(jié)點(diǎn)進(jìn)行衡算n以流程中某一點(diǎn)的匯集或分支處的交點(diǎn), 即節(jié)點(diǎn)來(lái)進(jìn)行衡算, 可以使計(jì)算簡(jiǎn)化 373839406、 帶有物料循環(huán)的流程的物料衡算帶有物料循環(huán)的流程的物料衡算帶有物料循環(huán)的流程示意圖41n對(duì)循環(huán)系統(tǒng)來(lái)說(shuō), 有單程轉(zhuǎn)化率、單程收率和總轉(zhuǎn)化率、總收率之分, 由于原料循環(huán), 新鮮原料在系統(tǒng)內(nèi)經(jīng)過(guò)反應(yīng)器若干次, 達(dá)到的轉(zhuǎn)化率和收率比經(jīng)過(guò)反應(yīng)器一次的轉(zhuǎn)化率和收率高。42如果有循環(huán)物流的話, 由于循環(huán)量不知道, 逐次單元計(jì)算不能算出循環(huán)量。這類問題有兩種解法兩種解法。 試差法: 估計(jì)循環(huán)流量, 繼續(xù)循環(huán)至循環(huán)回流的那一點(diǎn)。 將估計(jì)值與計(jì)算值進(jìn)行比較, 并重新估計(jì)一個(gè)循環(huán)值, (1) 一直計(jì)算到估計(jì)值與計(jì)算值之差在一定誤差范圍內(nèi)。43n(2) 代數(shù)解法: 在循環(huán)存在時(shí), 列出物料平衡方程式,n 并求解。一般方程中以循環(huán)量為未知數(shù), n 應(yīng)用聯(lián)立方程的方法求解。n 對(duì)于只有一個(gè)或兩個(gè)循環(huán)物流的簡(jiǎn)單情況, 只要計(jì)算基準(zhǔn)和系統(tǒng)邊界選擇適當(dāng), 計(jì)算常常可以簡(jiǎn)化。n 一般在衡算時(shí), 先進(jìn)行總的過(guò)程