化工生產(chǎn)物料和能量平衡

物料和能量(néngliàng)平衡Prof.Dr.YangXuefengSchoolofChem.Eng.anUniversity精品資料1.1概述(ɡàishù)物料(wùliào)衡算和能量衡算是化工工藝設計的基礎，也是進行化工工藝設計及經(jīng)濟評價的基本依據(jù)。通過對全過程或單元過程的物料(wùliào)和能量衡算，可以確定工廠生產(chǎn)裝置設備的設計規(guī)模和能力；同時，可以計算出主、副產(chǎn)品的產(chǎn)量，原料的消耗定額，生產(chǎn)過程的物料(wùliào)損耗以及三廢的排放量、蒸汽、水、電、燃料等公用工程消耗。通過物料(wùliào)平衡和能量衡算可以確定各物料(wùliào)的流量、組成、狀態(tài)和物化性質，從而為確定設備尺寸、管道設計、儀表設計、公用工程設計以及建筑、結構設計提供依據(jù)。精品資料1.1概述(ɡàishù)物料和能量衡算是化工技術人員必須掌握的基本技能，也是學習和對化工過程進行深入研究時，推導數(shù)學模型基本方程的重要基礎?；み^程根據(jù)其操作方式可以分成間歇操作、連續(xù)操作以及半連續(xù)操作三類?；蛘邔⑵浞譃榉€(wěn)定狀態(tài)操作和不穩(wěn)定狀態(tài)操作兩類。在對某個化工過程作物料或能量衡算時，必須了解(liǎojiě)生產(chǎn)過程的類別。精品資料1.1概述(ɡàishù)間歇操作過程：原料在生產(chǎn)操作開始時一次加入，然后進行反應或其它操作，一直到操作完成后，物料一次排出。在整個操作時間內，沒有物料進出設備，設備中各部分的組成、條件(tiáojiàn)隨時間不斷變化。連續(xù)操作過程：在整個操作期間，設備的進料和出料是連續(xù)流動的，原料不斷穩(wěn)定地輸人生產(chǎn)設備，同時不斷從設備排出總量相等的物料。在整個操作期間，設備內各部分組成與條件(tiáojiàn)不隨時間而變化。半連續(xù)操作過程：操作時物料一次輸入或分批輸入，而出料是連續(xù)的；或連續(xù)輸入物料，而出料是一次或分批的。精品資料1.1概述(ɡàishù)穩(wěn)定狀態(tài)操作過程（穩(wěn)定過程）：整個化工過程的操作條件（如溫度、壓力、物料(wùliào)量及組成等）不隨時間而變化，只是設備內不同點有差別。不穩(wěn)定狀態(tài)操作過程（不穩(wěn)定過程）：操作條件隨時間而不斷變化的過程。化工過程操作狀態(tài)不同，其物料(wùliào)或能量衡算的方程亦有差別。精品資料1.2物料(wùliào)平衡精品資料1.2.1基本概念

進行物料衡算的理論依據(jù)是質量守恒定律，即在一個獨立的體系中，無論物質發(fā)生怎樣的變化，其質量保持(bǎochí)不變。物料衡算基本式精品資料1.2.1基本概念

若體系內有化學反應發(fā)生，在作衡算時，要把由反應消耗(xiāohào)或生成的量考慮在內在對反應物作衡算時，由反應而消耗的量應取(yīnɡqǔ)減號；對生成物作衡算時，由反應而生成的量應取(yīnɡqǔ)加號。精品資料1.2.2基本(jīběn)方法畫出物料流程簡圖，選擇計算基準(jīzhǔn)及物料衡算式。(1)物料流程簡圖求解物料衡算問題，應先根據(jù)給定的條件畫出流程簡圖。圖中用簡單的方框表示過程中的設備，用線條和箭頭表示每個流股的途徑和流向，并標出每個流股的已知變量及單位。對一些未知的變量，可用符號表示。

精品資料1.2.2基本(jīběn)方法例：含CH490％和C2H610％(mol％)的天然氣與空氣在混合器中混合，得到的混合氣含CH48％。試計算100mol天然氣應加入(jiārù)的空氣量及得到的混合氣量。精品資料1.2.2基本(jīběn)方法(2)選擇計算基準(jīzhǔn)進行物料、能量衡算時，必須選擇一個計算基準(jīzhǔn)。從原則上講，任何一種計算基準(jīzhǔn)都能得到正確的解答，但計算基準(jīzhǔn)選擇得恰當，可以使計算簡化，避免錯誤。精品資料1.2.2基本(jīběn)方法根據(jù)過程特點，選擇計算基準時應注意以下幾點：1)應選擇已知變量數(shù)最多的流股作為計算基準。例如：某一個體系，反應物組成(zǔchénɡ)只知其主要成份，而產(chǎn)物的組成(zǔchénɡ)已知，就可以選用產(chǎn)物的單位質量或單位體積作基準，反之亦然。2)對液體或固體的體系，常選取單位質量作基準。3)對連續(xù)流動體系，用單位時間作計算基準有時較方便。例如：以1小時、1天等的投料量或產(chǎn)品量作基準。4)對于氣體物料，如果環(huán)境條件(如溫度、壓力)已定，則可選取體積作基準。精品資料1.2.2基本(jīběn)方法(3)根據(jù)過程的不同情況選擇物料衡算式進行計算。具體進行物料計算時，可采用下列步驟(bùzhòu)1)收集已知數(shù)據(jù)，如進入或輸出體系的物料的流量、溫度、壓力、濃度、密度等。2)作流程簡圖，在圖中應作出所有物料線，標上所有已知和未知量。若過程中有多股物流，則可將各股物流編號。3)確定衡算體系，根據(jù)已知條件及計算要求進行確定，可在流程圖中用虛線表示體系邊界。精品資料1.2.2基本(jīběn)方法4)寫出化學反應方程式，包括主副反應，注明分子量。若無化學反應發(fā)生，可免去此步。5)選擇恰當?shù)挠嬎慊鶞?，在流程圖上注明所選的基準值，過程的物料衡算和能量(néngliàng)衡算應在同一基準上進行。6)列出物料衡算式，用數(shù)學方法求解。對組成較復雜的物料，可先列出輸入-輸出物料表，便于整理已知條件和計算結果。7)完成輸入-輸出物料表。精品資料1.2.3無化學反應過程(guòchéng)的物料平衡在化工過程中，一些沒有發(fā)生化學反應，只發(fā)生物理變化的單元操作，比如混合、蒸餾、蒸發(fā)、干燥、吸收、結晶、萃取等。如果體系沒有積累，這些穩(wěn)定過程的物料衡算都可以(kěyǐ)根據(jù)物料衡算式進入體系的物料量=輸出體系的物料量列出總物料和各組分的衡算式，再用代數(shù)法求解。精品資料1.2.3無化學反應(huàxuéfǎnyìng)過程的物料平衡若每個股流有n個組分，則可列出下列(xiàliè)衡算式：總物流衡算式各組分的衡算式F——進入體系的物料；P、W——輸出體系的物料；xFi、xPi、xWi——分別為F、P、W中組分i的質量分數(shù)（對于沒有化學反應的過程，也可用摩爾數(shù)）。精品資料1.2.3無化學反應(huàxuéfǎnyìng)過程的物料平衡若物料中有n個組分，可列出n個組分的衡算式(suànshì)和一個總物料衡算式(suànshì)，共n+1個衡算方程歸一定律n+1個方程中，只有任意n個方程是獨立的。對有n個組分的體系，只需求解n個未知量。精品資料(1)簡單(jiǎndān)過程的物料衡算簡單過程是指僅有一個設備、或一個單元操作、或整個(zhěnggè)過程簡化成一個設備的過程。在物料流程簡圖中，設備的邊界就是體系的邊界。以連續(xù)蒸餾塔為例，連續(xù)蒸餾塔物料衡算的目的是找出塔頂產(chǎn)品、塔底產(chǎn)品的流量和組成與原料液的流量和組成之間的關系，若塔的分離任務已定，則已知進料組成和流量可求出塔頂和塔底產(chǎn)品的流量和組成。精品資料(1)簡單(jiǎndān)過程的物料衡算全塔總質量(zhìliàng)衡算全塔各組分的質量衡算F——進塔原料流量，kmol/h；D——塔頂產(chǎn)品流量，kmol/h；W——塔底產(chǎn)品流量，kmol/h；xFi——進料中各組分的摩爾分數(shù)；xDi——塔頂產(chǎn)品中各組分的摩爾分數(shù)；xWi——塔底產(chǎn)品中各組分的摩爾分數(shù)。精品資料例1.2.3-1連續(xù)常壓蒸餾塔分離(fēnlí)苯、甲苯混合溶液，要求餾出液中苯回收率為97％。解：MB＝78，MT＝92F＝

20000kg/hwFB＝0.38W＝

?wWB0.02D＝?xDB=?精品資料例1.2.3-1餾出液苯回收率為97％代入已知數(shù)據(jù)(shùjù)得得

W=124.2kmol/h

D=108kmol/hF＝

232.2kmol/hxFB＝0.4196W＝

?xWB0.02351D＝?xDB=?精品資料例1.2.3-1蒸餾塔物料(wùliào)平衡塔進料塔頂餾出物塔低餾出物kg/h％(wt)kmol/h％(mol)kg/h％(wt)kmol/h％(mol)kg/h％(wt)kmol/h％(mol)苯76003897.4341.967372.685.6094.5287.52227.82.02.922.35甲苯1240062134.858.041240.214.4013.4812.4811159.498.0121.397.65合計20000100232.21008612.810010810011387.2100124.2100精品資料(2)有多個設備過程(guòchéng)的物料衡算可先劃分(huàfēn)出多個衡算體系每個衡算體系均可列出相應的衡算方程。若每個設備的輸入和輸出物料中均含有n個組分，則每個體系可寫出n+1個衡算方程，其中有n個是獨立方程。ABC精品資料例1.2.3-2將含有50％苯、30％甲苯和20％二甲苯(mol％)的混合物分成較純的三個餾份。計算(jìsuàn)蒸餾1000mol/h原料所得各流股的量及進塔II的物料組成。解：設S2、S3……表示各流股物料量，mol/h；x3B、x3T表示流股3中苯、甲苯的組成(zǔchénɡ)。共可列出三組衡算方程，每組選三個獨立方程。精品資料例1.2.3-2體系A（塔I）：總物料(wùliào)1000=S2+S3 (1)苯10000.5=0.95S2+x3BS3 (2)甲苯10000.3=0.03S2+x3TS3 (3)體系B（塔II）：總物料(wùliào)S3=S4+S5(4)苯x3BS3=0.03S4+0.0045S5 (5)甲苯x3TS3=0.95S4+0.43S5 (6)體系C（整個過程）：總物料 1000=S2+S4+S5 (7)苯 10000.5=0.95S2+0.03S4+0.0045S5 (8)甲苯 10000.3=0.03S2+0.95S4+0.43S5 (9)精品資料例1.2.3-29個方程，只有6個獨立，可任選兩組方程求解。本題應選(yīnɡxuǎn)先體系C，因2、4、5的組成均為已知，只有S2、S4、S5三個未知量，可從(7)、(8)、(9)三式直接求解。得：S2=520mol/hS4=150mol/hS5=330mol/h再任選一組（體系A或B）衡算方程，即再由(1)、(2)、(3)或(4)、(5)、(6)可解得S3=480mol/hx3B=0.0125x3T=0.5925x3X=0.395精品資料例1.2.3-2由此例可以看出，多設備過程又有大量多組分流股時，可列出許多線性方程。在許多線性方程中，不管衡算體系如何選擇(xuǎnzé)、組合，其獨立方程的最多數(shù)目應等于設備數(shù)(M)與物料組分數(shù)(C)的乘積，即MC個獨立方程。上例中，M=2，C=3，共6個方程。最多能求解MC個未知量。精品資料1.2.4有化學反應過程(guòchéng)的物料平衡化學反應使體系產(chǎn)生新物質，各化學物質進入與輸出體系的量或質量流率就會不平衡。反應速率、轉化率、產(chǎn)物(chǎnwù)收率等因素對物料平衡都有影響。工業(yè)化學反應過程中，當反應原料比不按化學計量比時，根據(jù)反應物的化學計量數(shù)大小可分為：(1)限制反應物：以最小化學計量數(shù)存在的反應物。(2)過量反應物：用量超過限制反應所需理論量的反應物。精品資料1.2.4有化學反應(huàxuéfǎnyìng)過程的物料平衡(3)轉化率（以x表示）：某一反應物反應掉的量占其輸入量的百分數(shù)。若以NA1、NA2分別(fēnbié)表示反應物A輸入及輸出體系的摩爾數(shù)，則反應物A的轉化率為同一個化學反應，由不同的反應物可計算得到不同的轉化率。因此，應用時必須指明某個反應物的轉化率。若沒有指明，則通常指限制反應物的轉化率。

精品資料1.2.4有化學反應過程的物料(wùliào)平衡(4)選擇性（以S表示）：反應物生成目的產(chǎn)物的量與反應物消耗(xiāohào)總量的百分數(shù)。若反應物為A，目的產(chǎn)物為D，ND為生成D的摩爾數(shù)，a、d為A與D的化學計量系數(shù)，則選擇性為式中：NA1-NA2——反應物A反應掉的摩爾數(shù)。轉化率與選擇性是反應過程的兩個主要技術指標。精品資料1.2.4有化學反應過程(guòchéng)的物料平衡(5)收率（以Y表示）：目的產(chǎn)物(chǎnwù)量與反應物（通常指限制反應物）輸入量之比。可用物質的量（摩爾數(shù)）或質量計算。若以摩爾數(shù)計算，考慮化學計量系數(shù)，則目的產(chǎn)物(chǎnwù)D的收率為轉化率、選擇性與收率三者之間的關系為精品資料例1.2.4-1用鄰二甲苯氣相催化(cuīhuà)鄰二甲苯酸酐(苯酐)。計算鄰二甲苯轉化率及苯酐和順(héshùn)酐的收率及選擇性。出口組成mol％苯酐0.654順丁烯二酸酐(順酐)0.066鄰二甲苯0.030氧16.53氮77.75其它H2O，CO2，CO等反應式：

C8H10+3O2C8H4O3+3H2O2C8H10+9O24C4H2O3+6H2O精品資料例1.2.4-1基準(jīzhǔn)：鄰二甲苯投料量210kg/h1mol空氣中O2量為0.21mol，N2量為0.79mol輸入O2量kmol/h210kg/h鄰二甲苯理論需O2量生成苯酐

kmol/h生成順酐kmol/h所以空氣為過量反應物，鄰二甲苯為限制反應物。輸入N2量kmol/hN2不反應，數(shù)量不變。產(chǎn)物總量kmol/hC8H10+3O2C8H4O3+3H2O2C8H10+9O24C4H2O3+6H2O精品資料例1.2.4-1產(chǎn)物(chǎnwù)中：鄰二甲苯209.570.0003=0.06287kmol/h=6.664kg/h苯酐209.570.00654=1.370kmol/h=202.76kg/h順酐209.570.00066=0.1383kmol/h=13.55kg/h鄰二甲苯轉化率苯酐收率質量收率順酐收率質量收率苯酐的選擇性或精品資料(1)直接(zhíjiē)計算法根據(jù)反應方程式，運用(yùnyòng)化學計量系數(shù)進行計算。精品資料例1.2.4-2丙烯、氨及氧反應(fǎnyìng)制取丙烯腈，其反應(fǎnyìng)過程為原料氣組成(mol％)為10％C3H6，12％NH3，78％空氣。丙烯(bǐnɡxī)轉化率為30％。試求輸出物料組成。解：基準100kmol原料氣。輸入量：C3H6 1000.10=10kmol42=420kgNH3 1000.12=12kmol17=204kgO2 1000.780.21=16.38kmol32=524kgN2 1000.780.79=61.62kmol28=1725kg精品資料例1.2.4-2輸出量：C3H3N 100.30=3kmol=159kgH2O 100.303=9kmol=162kg剩余(shèngyú)C3H6 10(1-0.30)=7kmol=294kg剩余(shèngyú)NH3 12-3=9kmol=153kgO2 16.38-100.303/2=11.88kmol=380kgN2 61.62kmol=1725kg精品資料例1.2.4-2計算結果如表所示?；鶞?jīzhǔn)：100kmol原料組分輸入輸出組成％kmolkg組成％kmolkgC3H610104206.907294NH312122048.879153O27816.3852411.7011.88380N261.62172560.7161.621725C3H3N

2.953159H2O

8.879162總計100.002873

101.502873精品資料(2)利用反應速率進行(jìnxíng)物料衡算以物質的量或質量進行衡算時，將輸入與輸出速率(sùlǜ)之差ri定義為物質i的量生成速率(sùlǜ)，即則化學反應過程的物料衡算式為

精品資料例1.2.4-3合成氨原料(yuánliào)氣中的CO在反應器1中CO大部分轉化，在反應器2中完全脫去。反應(fǎnyìng)：物流5中H2與N2比為3:1。假定水蒸汽流率是原料氣總量（干基）的2倍，同時反應器1中CO的轉化率為80％，試計算中間物流4的組成。精品資料例1.2.4-3解：基準(jīzhǔn)物流l為100mol/h先用總單元過程(guòchéng)摩爾衡算式，設CO轉化量為r：N2(A)平衡CO(B)平衡H2O(C)平衡CO2(D)平衡H2(E)平衡已知H2與N2的關系為精品資料例1.2.4-3解：基準(jīzhǔn)物流l為100mol/h原料氣(干基(ɡànjī))與水蒸汽的關系為將H2和CO平衡式相加，消去r，得將F2值代入CO平衡式中，得由此得最后，由CO2和H2O平衡得到精品資料例1.2.4-3解：基準(jīzhǔn)物流l為100mol/h反應器1中，CO轉化率為80％精品資料(3)元素(yuánsù)平衡由于化學反應中化學物質產(chǎn)生變化，可采用元素平衡的方法進行(jìnxíng)衡算，衡算式可表示為精品資料例1.2.4-4甲烷、乙烷與水蒸汽用鎳催化劑進行轉化反應，生成氫氣，反應器出口(chūkǒu)氣體組成(干基)為假定原料中只含CH4和C2H6兩種碳氫化合物，則這兩種氣體(qìtǐ)的摩爾比為多少？每1000Nm3原料氣需多少kg蒸汽參加反應？CH4M=?kmolC2H6E=?kmolH2OS=?kmolCH44.6kmolC2H62.5kmolCO18.6kmolCO24.6kmolH269.7kmol精品資料例1.2.4-4基準：100kmol干燥產(chǎn)物(chǎnwù)氣體O原子(yuánzǐ)S=18.6+4.62=27.8 (1)C原子(yuánzǐ)M+2E=4.6+22.5+18.6+4.6=32.8 (2)H原子(yuánzǐ)4M+6E+2S=44.6+62.5+269.7=172.8 (3)CH4M=?kmolC2H6E=?kmolH2OS=?kmolCH44.6kmolC2H62.5kmolCO18.6kmolCO24.6kmolH269.7kmol精品資料例1.2.4-4基準：100kmol干燥產(chǎn)物(chǎnwù)氣體得S=27.8kmol/100kmol干燥(gānzào)產(chǎn)物氣體E=7.0kmol/100kmol干燥(gānzào)產(chǎn)物氣體M=18.8kmol/100kmol干燥(gānzào)產(chǎn)物氣體CH4、C2H6mol比為1000Nm3原料氣（kmol原料氣）需水蒸汽的量

kg蒸氣

精品資料(4)用聯(lián)系(liánxì)組分作衡算“聯(lián)系組分”是指隨物料輸人體系，但不參加反應，最終隨物料輸出體系的組分。因此，在整個(zhěnggè)反應過程中，聯(lián)系組分的數(shù)量不變。若F、P分別為輸入、輸出物流，L為聯(lián)系組分，L在F中的質量分數(shù)為xFL，在P中的質量分數(shù)為xPL，則

精品資料例1.2.4-5甲烷與氫混合氣在爐子(lúzi)內用空氣完全燃燒，煙道氣分析為N272.22％，CO28.13％，O22.49％，H2O17.16％(mol％)。問：(1)燃料中氫與甲烷的比例多少？(2)燃料(H2+CH4)對空氣的比例多少？解：反應式

基準：100mol煙道(yāndào)氣，以N2為聯(lián)系組分精品資料例1.2.4-5煙道氣中N2為72.22mol，即為輸入空氣中N2量所以，輸入空氣中O2為mol煙道氣中CO28.13mol根據(jù)反應式，輸入燃料中CH4量為8.13mol.CH4燃燒耗O28.132=16.26molH2燃燒耗O2應為19.20-16.26-2.49=0.45mol根據(jù)反應式，輸入中H2量0.452=0.90mol精品資料例1.2.4-5計算結果如下(rúxià)表(基準：100mol煙道氣)燃料(ránliào)中：組分輸入輸出燃料空氣煙道氣組成％mol組成％mol組成％molH211.150.90CH488.858.13O22119.202.492.49N27972.2272.2272.22CO28.138.13H2O17.1617.16精品資料1.2.5具有(jùyǒu)物料循環(huán)、排放及旁路過程的物料平衡(1)物料(wùliào)循環(huán)過程的物料(wùliào)衡算單程轉化率和單程收率：物料通過反應器一次所達到的轉化率和收率?？傓D化率和總收率：新鮮原料從進入系統(tǒng)（虛線方框）起到離開系統(tǒng)止所達到的轉化率和收率。

精品資料1.2.5具有物料循環(huán)、排放(páifànɡ)及旁路過程的物料平衡由于(yóuyú)循環(huán)，新鮮物料多次經(jīng)過反應器，比經(jīng)過反應器一次所達到轉化率和收率高：按照單程轉化率和總轉化率的定義，可寫出有物料循環(huán)的流程的單程轉化率和總轉化率計算如下：

精品資料總物料(wùliào)平衡： 新鮮物料(wùliào)量=產(chǎn)品物料(wùliào)量+排放物料(wùliào)量組分(zǔfèn)平衡：新鮮物料量－反應中物質減少量=產(chǎn)品物料量+排放物料量1.2.5具有物料循環(huán)、排放及旁路過程的物料平衡對穩(wěn)態(tài)過程，積累項為零，若以圖中虛線方框為界，列循環(huán)系統(tǒng)的物料平衡方程，則有如下關系：惰性組分：新鮮物料中惰性組分量=產(chǎn)品物料惰性組分量+排放物料惰性組分量精品資料V0，新鮮原料氣

冷凝

氨

合

成

塔

V4，總產(chǎn)氨氣V2，塔入口氣V1，放空氣V3，塔出口氣例1.2.5-1作氨的合成(héchéng)系統(tǒng)的物料衡算忽略氣體在液氨中的溶解；因水冷后氨的冷凝(lěngníng)量很小，近似地把塔出口氣體中的氨含量與放空氣中的氨含量視為相等。組成mol％H273.729N224.558CH41.42Ar0.293組成mol％NH32.5組成mol％NH311組成mol％NH311CH4+Ar19.296精品資料例1.2.5-1作氨的合成系統(tǒng)(xìtǒng)的物料衡算解：基準1000Nm3新鮮(xīnxiān)原料氣。(a)放空氣量Vl及組成。作系統(tǒng)的惰性氣平衡得新鮮(xīnxiān)氣帶入的惰性氣=放空氣帶出的惰性氣已知

V0=1000Nm3

放空氣組成的計算：NH3、(CH4+Ar)的摩爾分數(shù)為11％和19.296％，N2及H2的摩爾比近似等于化學反應計量系數(shù)1:3精品資料例1.2.5-1作氨的合成系統(tǒng)(xìtǒng)的物料衡算H2的摩爾(móěr)分數(shù)=N2的摩爾分數(shù)=CH4的摩爾分數(shù)=Ar的摩爾分數(shù)=(N2+H2)的摩爾分數(shù)為1-(0.11+0.19296)=0.69704精品資料例1.2.5-1作氨的合成系統(tǒng)(xìtǒng)的物料衡算(b)總產(chǎn)氨量V4

每生成(shēnɡchénɡ)1體積氨，系統(tǒng)總體積減少(1+3-2)/2=1體積。新鮮氣體積-由于反應而減少的體積=放空氣體積+冷凝為產(chǎn)品排出的氣氨體積

生成的氨氣＝(V4+0.11V1)Nm3，故由于反應而減少的體積為(V4+0.11V1)1而

V0=1000Nm3

V1=88.775Nm3

解得V4=450.73Nm3

精品資料例1.2.5-1作氨的合成(héchéng)系統(tǒng)的物料衡算(c)氨合成塔出口(chūkǒu)氣量V3和入口氣量V2反應減少的體積=

V2-V3

由系統(tǒng)氨平衡系統(tǒng)排出氨=V4+0.11V1，生成氨=0.11V3-0.025V2代入Vl和V4解得

V2=6013.6Nm3

V3=5553.024Nm3

反應生成的氨=系統(tǒng)排出的氨

精品資料例1.2.5-1作氨的合成系統(tǒng)(xìtǒng)的物料衡算(d)氨合成塔入口氣體(qìtǐ)組成作系統(tǒng)H2平衡塔入口含H2=新鮮氣帶入H2-放空氣帶H2+塔出口含H2

合成塔進口含H2-塔出口含H2=新鮮氣帶入H2-放空氣帶出H2

===3358.26Nm3

精品資料例1.2.5-1作氨的合成(héchéng)系統(tǒng)的物料衡算(d)氨合成塔入口(rùkǒu)氣體組成作系統(tǒng)N2平衡得塔入口含N2=新鮮氣帶入N2-放空氣帶N2+塔出口含N2

===1119.24Nm3精品資料例1.2.5-1作氨的合成系統(tǒng)(xìtǒng)的物料衡算(d)氨合成塔入口(rùkǒu)氣體組成作塔進、出口CH4平衡得塔入口含CH4=塔出口含CH4===816.06Nm3

作塔進、出口Ar平衡得塔進口含Ar=塔出口含Ar===168.48Nm3

精品資料例1.2.5-1作氨的合成(héchéng)系統(tǒng)的物料衡算(d)氨合成塔入口(rùkǒu)氣體組成作系統(tǒng)氨平衡得

塔出口含氨-塔進口含氨=系統(tǒng)排出的氨+放空氣帶出的氨塔進口含氨=塔出口含氨-系統(tǒng)排出的氨-放空氣帶出的氨===150.34Nm3

精品資料(2)具有排放(páifànɡ)過程的物料衡算穩(wěn)定循環(huán)過程，物料的質量既不積累又不消失，各流股的組分恒定。長時間循環(huán)會使原料中雜質或惰性物質濃度(nóngdù)逐漸增加。必須部分排放，以維持進料中雜質的含量。排放物料中雜質或副產(chǎn)物的流量應等于新鮮物料中雜質進入體系的流量。精品資料例1.2.5-2乙烯氧化制環(huán)氧乙烷新鮮原料中乙烯:空氣=1:10，乙烯單程(dānchéng)轉化率55％，吸收塔出口氣體總量的65％循環(huán)。計算：乙烯(yǐxī):空氣1:10單程轉化率55％65％循環(huán)總轉化率、各流股物料量及排放物料W組成。如果W的分析數(shù)據(jù)為：N281.5％，O216.5％，C2H42.0％循環(huán)比(R/W)為3.0，計算新鮮原料中乙烯與空氣的比例和單程轉化率。精品資料例1.2.5-2乙烯氧化制環(huán)氧乙烷解：反應式

1)計算總轉化率，需求出環(huán)氧乙烷生成量。已知單程(dānchéng)轉化率為55％，循環(huán)比R:W=65:35，因此可利用結點A物料平衡進行計算。精品資料例1.2.5-2乙烯氧化制環(huán)氧乙烷基準：新鮮原料中C2H410mol設MF中C2H4為xmol根據(jù)A點物料衡算A點C2H4衡算解得x=14.15mol生成環(huán)氧乙烷量55％·x=55％14.15=7.78mol反應器出口RP中C2H4剩余量14.15-7.78=6.37mol總轉化率為

精品資料例1.2.5-2乙烯氧化制環(huán)氧乙烷計算(jìsuàn)W組成W中C2H4量為已知。N2是聯(lián)系(liánxì)組分，W中N2數(shù)量也已知?？捎肁點物料衡算求出MF中含O2量，減去生成環(huán)氧乙烷消耗的O2量，得RP中的O2量，從而求得W中的含O2量。設混合料MF中O2為ymolF中C2H410mol，已知C2H4:空氣=1:10F中空氣100mol，其中N279mol，O221mol生成環(huán)氧乙烷消耗O2量精品資料例1.2.5-2乙烯氧化制環(huán)氧乙烷各流股中組合(zǔhé)含量如表所示。

FMFRPSRWPN27979/0.3579/0.3579/0.350.65/0.357979.0

O221yy-3.89y-3.890.65(y-3.89)0.35(y-3.89)

C2H41014.156.376.370.656.370.356.37

C2H4O--7.78-

-

-7.78精品資料例1.2.5-2乙烯氧化制環(huán)氧乙烷根據(jù)(gēnjù)A點O2衡算解得y=52.78molW組成(zǔchénɡ)為：molmol％N279.079/98.34100％=80.33％O20.35(y-3.89)=0.35(52.78-3.89)=17.1117.11/98.34100％=17.40％C2H40.356.37=2.232.23/98.34100％=2.27％合計98.34將y=52.78代入上表，可得出各流股中組分的量精品資料例1.2.5-2乙烯氧化制環(huán)氧乙烷計算結果精品資料例1.2.5-2乙烯氧化制環(huán)氧乙烷2)已知W組成（N281.5％，O216.5％，C2H42.0％)及循環(huán)比(R/W=3.0)，求新鮮(xīnxiān)原料F中C2H4與空氣的比例及單程轉化率。N2是該反應過程中的聯(lián)系組分，可以此根據(jù)總衡算求出新鮮原料(yuánliào)F中N2和O2的量，并按A點平衡計算MF中的N2和O2量。F中C2H4:空氣未知，選擇F中C2H4量為基準不合適。W組成已知，以W量100mol作基準。精品資料例1.2.5-2乙烯氧化制環(huán)氧乙烷基準(jīzhǔn)：100molW由總物料衡算，W與F中N2不變。已知W中N2為81.5％。F中N281.5mol，F(xiàn)中O281.50.21/0.79=21.66molR、S和RP（不包括(bāokuò)環(huán)氧乙烷）的組成與W組成相同。已知R/W=3/1RP/W=S/W=4/1R中N2381.5=244.5molC2H432.0=6.0molO2316.5=49.5molRP（不包括(bāokuò)C2H4O）=S，其中N2481.5=326molO2416.5=66molC2H442.0=8.0mol精品資料例1.2.5-2乙烯氧化制環(huán)氧乙烷根據(jù)A點平衡F+R=MFA點O2平衡MF中O221.66+49.5=71.16mol反應器中消耗(xiāohào)O271.16-66=5.16mol反應器中消耗(xiāohào)的C2H425.16=10.32mol按反應器物料中C2H4平衡MF中C2H4量=RP中C2H4量+反應器中消耗(xiāohào)的C2H4量MF中C2H48.0+10.32=18.32molF中C2H4量=MF中C2H4量-R中C2H4量F中C2H418.32-6.0=12.32mol精品資料例1.2.5-2乙烯氧化制環(huán)氧乙烷基準：100mol排放(páifànɡ)氣體(W)

FMFRPSRWPN281.5326326326244.581.5

O221.6671.16666649.5165

C2H412.3218.328.08.06.02.0

C2H4O

10.32

10.32總計

400300100

單程(dānchéng)轉化率精品資料3)具有旁路(pánɡlù)過程的物料衡算具有旁路的過程(guòchéng)，就是把一部分物料繞過一個或多個設備，直接與另一流股物料相混。旁路主要用于控制物流組成或溫度，這類過程(guòchéng)的物料衡算與循環(huán)過程(guòchéng)的物料衡算相類似，計算時應注意結點平衡。精品資料例1.2.5-3烴類氣體轉化(zhuǎnhuà)制合成氣生產(chǎn)甲醇合成氣量為2321Nm3/h，CO:H2=1:2.4(mol)。轉化氣中CO43.12％(mol)，H254.20％，不合要求。將部分轉化氣送至CO變換反應器，變換氣含CO8.76％，H289.75％(mol)，如果變換、脫除過程僅發(fā)生CO到CO2的變化(biànhuà)，且CO2以100％濃度排放。用此變換氣去調節(jié)轉化氣，求轉化氣及變換氣各為多少？精品資料例1.2.5-3基準：合成氣2321Nm3/h轉化(zhuǎnhuà)氣組成：CO43.12％，H254.20％變換后氣體組成：CO8.76％，H289.75％設合成氣中CO摩爾分數(shù)為xco則合成氣中H2摩爾分數(shù)為2.4xco精品資料例1.2.5-3b點總物料(wùliào)衡算B+SP=2321(1)b點CO衡算0.4312B+0.0876SP=2321xco (2)b點H2衡算0.542B+0.8975SP=23212.4xco (3)解(1)、(2)、(3)式，得到B=1352Nm3/hSP=969Nm3/hxco=0.2877精品資料例1.2.5-3對變換、脫除過程(guòchéng)作衡算：對CO衡算 0.4312SF=0.08761325+SCl00％ (4)對體積衡算 SF=1325+SC (5)得到SF=2125.4Nm3/hSC=800.4Nm3/hF=3121.4Nm3/h精品資料1.3能量(néngliàng)平衡精品資料1.3.1基本概念能量衡算的基礎是物料衡算，只有在進行完備的物料衡算后，才能作出能量衡算。能量有多種存在形式，如勢能、動能、電能、熱能、機械能、化學能等，各種形式的能量在一定的條件下可以相互轉化(zhuǎnhuà)。無論怎樣轉化(zhuǎnhuà)，總能量是守恒的。精品資料(1)能量(néngliàng)守恒定律基本式輸出能量=輸入能量+生成能量-消耗能量-積累能量能量的形式主要有以下幾種：1)動能Ek—物體(wùtǐ)由于運動而產(chǎn)生的能量。2)勢能Ep—物體(wùtǐ)由于豎直位移差而具有的能量。3)內能U—物體(wùtǐ)除了宏觀的動能和勢能之外所具有的能量，與分子的運動有關。精品資料(1)能量(néngliàng)守恒定律內能可用物質的溫度(wēndù)來衡量，即4)功W—物體在外力的作用下通過一定距離，其所作的功為

式中：F—外力，N；l—距離，m。外界對系統(tǒng)作功取正值，系統(tǒng)對外界作功取負值。

精品資料(1)能量(néngliàng)守恒定律系統(tǒng)壓力(yālì)和體積發(fā)生變化時p—壓力，PaV—單位體積，m3。上述情況主要發(fā)生在氣體壓縮和膨脹時。

5)熱能—可以轉化為熱和功。熱和功的轉化，使系統(tǒng)的能量發(fā)生變化。通常，外界對系統(tǒng)加熱為正，系統(tǒng)向外界放熱為負。6)電能—電能是機械能的一種，在能量衡算方程式中一般包含在功的一項中。電能只有在電化學過程的能量衡算才是重要的。

精品資料(2)能量(néngliàng)衡算方程熱力學第一(dìyī)定律E—體系總能量的變化，E=E

K+E

p+U；Q—體系從環(huán)境中吸收的能量；W—外界對體系所作的功。1)封閉體系間歇過程體系中沒有物質流動，無動能和勢能變化精品資料(2)能量(néngliàng)衡算方程2)流動體系流動體系是指物質連續(xù)(liánxù)通過邊界進出的體系。V1,T1,p1,u1,U1V2,T2,p2,u2,U2Z2Z1ZUqW精品資料(2)能量(néngliàng)衡算方程(a)穩(wěn)態(tài)過程(guòchéng)精品資料(2)能量(néngliàng)衡算方程總功W為流動(liúdòng)功及軸功之和Wt—流動功，等于作用于體系入口處流體的功減去作用于體系出口處流體的功；Ws—軸功，體系內運動部件對過程流體所作的功。

恒壓體系

精品資料(2)能量(néngliàng)衡算方程引入焓的概念(gàiniàn)，H=U+pV(b)封閉體系

對一定質量的物質體系

精品資料(2)能量(néngliàng)衡算方程(c)孤立(gūlì)體系精品資料(3)能量衡算的一般(yībān)方法能量衡算可按照以下步驟進行：1)作系統(tǒng)示意簡圖，標明已知條件和物料狀態(tài)；2)確定(quèdìng)各組分的熱力學數(shù)據(jù)，如焓、熱容、相變熱等；3)選擇計算基準，在與物料衡算一起進行時，可選用物料衡算所取的基準作為能量衡算的基準，同時，還要選取熱力學函數(shù)的基準態(tài)；4)列出能量衡算方程式進行求解。精品資料1.3.2熱物性(wùxìnɡ)數(shù)據(jù)化工工藝研究設計和生產(chǎn)的重要基礎數(shù)據(jù)(shùjù)。工藝計算、物料和能量平衡計算的正確性，很大程度上取決于使用的物性數(shù)據(jù)(shùjù)的正確性。化工工程師應當熟悉檢索各種物性數(shù)據(jù)(shùjù)及相應的估算方法，力求做到先進、可靠、準確。常見熱物性數(shù)據(jù)(shùjù)有熱容、比熱、熱容比、焓、熵等。精品資料(1)熱容(rèrónɡ)Qpr和dT分別為體系在過程中增加（或減少(jiǎnshǎo)）的熱量及在此過程(pr)中體系的溫度變化。摩爾熱容

比熱容

熱容是與體系物質的量(n)或質量(m)成比例的一個廣度量。

1)定義精品資料(1)熱容(rèrónɡ)Cpr可以為+，-，0，，取決于體系在傳熱(chuánrè)時所經(jīng)歷的過程。僅對確定的過程Cpr才能確定的數(shù)值。下角標pr表示熱容（或熱量）是與過程性質有關的。對恒體積過程對恒壓過程氣體多用摩爾熱容，凝聚態(tài)物質多用比熱容。精品資料Cp與Cv的關系(guānxì)物性手冊上有Cp數(shù)據(jù)。Cv實驗測定對固、液有困難，可通過熱容差或熱容比方程(fāngchéng)計算等溫壓縮系數(shù)絕熱壓縮系數(shù)精品資料2)Cp與Cv的關系(guānxì)除(p/V)S外兩式中其它(qítā)偏導數(shù)皆可由PVT數(shù)據(jù)或狀態(tài)方程得到。(p/V)S與Ks或與音速有關。求出真實氣體的Cp-Cv值或Cp/Cv值，再由已得到的Cp數(shù)值求出Cv。理想氣體凝聚態(tài)物質—體積膨脹系數(shù)精品資料(2)焓、熵的計算(jìsuàn)對于純流體或定組成流體混合物體系，工程實用上常是要求T，p變化時體系的H、S。從(T1，p1)(T2，p2)，H12＝H2-H1，S12＝S2-S1，可以通過不同(bùtónɡ)途徑來計算，其結果都是相同的。O

p2

p1

T1

T2

(p1,

T1)(p2,

T2)12B

D

E

L

精品資料(2)焓、熵的計算(jìsuàn)O

p2

p1

T1

T2

(p1,

T1)(p2,

T2)12B

D

E

L

精品資料(2)焓、熵的計算(jìsuàn)O

p2

p1

T1

T2

(p1,

T1)(p2,

T2)12B

D

E

L

精品資料1.3.3無化學反應過程(guòchéng)的能量衡算(1)無相變體系(tǐxì)的能量衡算間歇過程或封閉過程連續(xù)穩(wěn)定流動過程1)恒容過程2)恒壓過程精品資料例1.3.3-1廢熱鍋爐(guōlú)的能量衡算甲醇蒸氣離開合成設備時為450oC，經(jīng)廢熱鍋爐冷卻，廢熱鍋爐產(chǎn)生0.45MPa飽和蒸汽。已知進水溫度20℃，壓力0.45MPa。進料水與甲醇的摩爾比為0.20。假設鍋爐是絕熱操作(cāozuò)，求甲醇的出口溫度。廢熱鍋爐0.2molH2O20℃0.45MPa

1molCH3OH(g)450℃0.2molH2O(g)0.45MPa飽1molCH3OH(g)T=？℃精品資料例1.3.3-1廢熱鍋爐(guōlú)的能量衡算CH3OH(g)在450-300℃

20℃時水(H水)20℃=83.74kJ/kg=1507kJ/kmol0.45MPa飽和(bǎohé)水蒸汽(H水汽)0.45MPa=2747.8kJ/kg=49460kJ/kmol能量衡算：Q=H=0（絕熱操作）n水(H出－H進)水=

n醇(H出－H進)醇(H水)進=1507kJ/kmol(H水)出=49460kJ/kmol(H醇)進=0精品資料例1.3.3-1廢熱鍋爐(guōlú)的能量衡算代入能量衡算式0.2(49460-1507)+1(4.5710-2T2+19.05T-37688)=0即4.57510-2T2+19.05T-28097=0解得T1=602K=329℃T2=-1019K，顯然(xiǎnrán)只有329℃才有意義，故CH3OH(g)的出口溫度為329℃。精品資料(2)相變過程(guòchéng)的能量衡算氣化和冷凝、熔化(rónghuà)和凝固、升華和凝華這類相變過程往往伴有顯著的內能和焓的變化，這種變化常成為過程熱量的主體。精品資料例1.3.3-2每小時(xiǎoshí)100mol液體正己烷，在25℃、0.7MPa下恒壓氣化并加熱至300℃，忽略壓力對焓的影響，計算每小時(xiǎoshí)的供熱量。解：能量衡算式Q=H由手冊可查得正己烷在0.7MPa時，沸點(fèidiǎn)為146℃，這146℃即為實際發(fā)生氣化的溫度。查得正己烷在正常沸點(fèidiǎn)(69℃)時Hv=28.90kJ/mol，因此設計一條途徑，使正己烷在69℃由液體成為蒸氣，而不是實際氣化溫度146℃氣化。精品資料例1.3.3-2已知146℃的Hv，可按ABEH途徑(tújìng)(實際過程)計算總H。已知25℃的Hv，可按CF途徑(tújìng)計算。由于已知69℃的Hv，故應按ADG途徑(tújìng)計算。正己烷（液）25℃正己烷（氣）25℃正己烷（氣）300℃正己烷（液）69℃正己烷（氣）69℃正己烷（液）146℃正己烷（氣）149℃HBGDEFCA精品資料例1.3.3-2液體(yètǐ)正己烷Cp=215.6kJ/kmolKCp氣=6.94+55.2110-2T-28.6510-5T2+57.6810-9T3kJ/kmolKHA=Cp(T2-T1)=215.6(342.15-298.15)=9.486kJ/molHD=HV(69℃)=28.90kJ/mol正己烷（液）25℃正己烷（氣）300℃正己烷（液）69℃正己烷（氣）69℃GDA精品資料例1.3.3-2過程(guòchéng)的總能量衡算正己烷（液）25℃正己烷（氣）300℃正己烷（液）69℃正己烷（氣）69℃GDA精品資料(3)溶解和混合過程(guòchéng)的能量衡算固體、氣體溶于液體，或兩種液體混合，由于分子間的相互作用與它們在純態(tài)時不同，伴隨這些過程就會有能量(néngliàng)的放出或吸收，因而造成純組分與混合物之間內能和焓的差別，這兩種過程的過程熱分別稱為溶解熱和混合熱。精品資料1)溶解熱和混合(hùnhé)熱1mol溶質(氣體或固體)于恒壓恒溫下溶于nmol溶劑中，形成溶液時焓的變化，稱該濃度溶液的積分溶解熱HS(Ti,n)。隨著n的增大，HS趨于一極限值，稱為無限稀釋積分溶解熱?；旌蠠岷腿芙鉄峋哂邢嗤暮x，只是指兩種液體(yètǐ)混合過程的焓變。精品資料2)溶解(róngjiě)與混合過程的能量衡算當配制(pèizhì)、濃縮、稀釋一種溶液時，要作熱量衡算，可列進、出口焓表，列表時將溶液看作是一種簡單的物質，還應列出溶質的量或流率，焓的單位應是J/mol溶質。若過程物料中有純物質，宜選用25℃（或已知HS的其它溫度）溶質和溶劑作為計算焓的基準；如果進出口物料是稀溶液，則選無限稀釋的溶液和純溶劑為基準。精品資料例1.3.3-3水吸收HCl制造鹽酸(yánsuān)過程的溶解熱用水吸收氣態(tài)HCl制鹽酸。如用100℃的HCl(氣)和25℃的H2O(液)，生產(chǎn)40℃、25％(質量(zhìliàng))HCl水溶液1000kg/h，問吸收設備應加入或排走多少熱量?吸收塔6.849kmolHCl(g)/h100℃1000kg/h25%(w)HCl40℃6.849kmolHCl/h41.66kmolH2O(l)/h41.667kmolH2O(l)/h25℃QkJ/h精品資料例1.3.3-3水吸收HCl制造鹽酸(yánsuān)過程的溶解熱解：先物料衡算，計算HCl(氣)和H2O(液)的流率基準：1000kg/h、25％(質量(zhìliàng)分數(shù))的HCl水溶液能量衡算基準：HCl(氣)，H2O(液)，25℃

對HCl精品資料例1.3.3-3水吸收HCl制造鹽酸(yánsuān)過程的溶解熱計算(jìsuàn)hHCl溶液由溶解表查得

查得25％(w)的鹽酸的比熱容為2.88kJ/(kg·K)精品資料例1.3.3-3水吸收HCl制造鹽酸(yánsuān)過程的溶解熱故吸收(xīshōu)過程需移走4.19105kJ。精品資料1.3.4有化學反應過程(guòchéng)的能量平衡化工生產(chǎn)過程一般有化學反應(huàxuéfǎnyìng)，同時產(chǎn)生熱效應。熱量衡算時主要應考慮計算反應熱的因素。熱量衡算以物料衡算為基礎，包括：化學反應中的熱效應(吸熱或放熱)物理變化(蒸發(fā)或冷凝)中的熱效應從外界得到的熱量或從系統(tǒng)中移去的熱量隨反應產(chǎn)物帶出的熱量及設備器壁的熱量散失等精品資料(1)反應熱在化學反應中放出的熱量取決于反應條件。標準反應熱：在標準狀態(tài)下，某純組分在壓力為0.101325MPa、溫度為298.15K、反應進行時放出的熱量。標準反應熱可以(kěyǐ)查閱文獻或計算獲得。精品資料(1)反應熱

方程式給出了反應物和產(chǎn)物的物質的量(摩爾)，指明(zhǐmíng)了是多少數(shù)量物質的反應熱。對放熱反應，Hr焓變Hr為負值，即反應熱-Hr為正值（Hr中，上標表示是標準狀態(tài)下的值）。精品資料(1)反應熱

如果(rúguǒ)反應多于一種狀態(tài)，反應物和生成物的狀態(tài)也應該給出。水的汽化(qìhuà)潛熱若不注明物質狀態(tài)，則有可能得不到所要的結果。標準反應熱可用標準生成熱和標準燃燒熱得到。

精品資料1)標準(biāozhǔn)生成熱定義：在標準(biāozhǔn)狀態(tài)下，由構成組分的單質生成1mol組分時的焓差。單質生成熱為零。任何反應的標準(biāozhǔn)反應熱Hf可以由反應物和生成物的生成熱計算得到。—化學反應式中的計算系數(shù)，下標pi表示生成物組成，Ri表示反應物組成；

Hf,pi—生成物的生成熱，kJ/mol

Hf,Ri—反應物的生成熱，kJ/mol。精品資料2)標準(biāozhǔn)燃燒熱定義：組分和氧完全燃燒的標準反應熱。標準燃燒熱一般由實驗測定給出，其它反應熱可以(kěyǐ)由反應物和生成物的燃燒熱計算得到。

H0,pi——生成物的燃燒熱，kJ/mol

H0,Ri——反應物的燃燒熱，kJ/mol。由燃燒熱或由生成熱計算反應熱時，反應物與生成物項的次序恰好相反。精品資料(2)化學反應(huàxuéfǎnyìng)過程的能量衡算對于簡單化學反應過程，假定(jiǎdìng)位能和動能可忽略不計，系統(tǒng)不作功，能量平衡式可以表示為Q2—離開反應器物料的熱量，kJ；Q1—進入反應器物料的熱量，kJ；Qt—移入或移出的熱量，入為正，出為負，kJ；Qr—化學反應熱，kJ，Qr=n(-Hr)；Q損——熱量損失，kJ。精品資料(2)化學反應過程(guòchéng)的能量衡算物料的熱量(rèliàng)計算可以用比熱容，也可以用熱焓。用比熱容的計算式用熱焓的計算式式中：T，p，—溫度、壓力和相態(tài)。精品資料例1.3.4-1甲醇(jiǎchún)合成反應器V%CH41.9CO17.9CO210.8H268.5N20.9原料氣523K分離器CH4N2COCH3OHCO2H2OH2CH4COCO2H2N2馳放氣粗甲醇493K轉化率88％轉化率85％原料進料量為100mol/h時，離開反應(fǎnyìng)器的流量。反應(fǎnyìng)(1)和(2)的標準反應(fǎnyìng)熱是多少？由反應(fǎnyìng)器移出的熱量是多少?精品資料例1.3.4-1甲醇(jiǎchún)合成解：基準(jīzhǔn)－原料氣100mol離開反應器的氣體組成：CH41.90molCO17.9(1-0.88)=2.15molCO210.8(1-0.85)=1.62molH268.5-17.90.882-10.80.853=9.46molN20.9molCH3OH17.90.88+10.80.85=24.96molH2O10.80.85=9.18mol精品資料例1.3.4-1甲醇(jiǎchún)合成由物料(wùliào)衡算及熱力學數(shù)據(jù)得表物質進口流量(mol)出口流量(mol)Hfj

(kJmol-1)HLV

(kJmol-1)H2j

(kJmol-1)H1j

(kJmol-1)CH41.901.90-74.50

8.009.42CO17.92.15-110.57

5.756.65CO210.81.62-393.54

7.959.29H268.59.46

5.646.54N20.900.90

50726.62CH3OH

24.93-239.1037.5010.2812.12H2O

9.18-285.8344.016.717.7810050.14

精品資料例1.3.4-1甲醇(jiǎchún)合成從上表(shànɡbiǎo)可得反應(1)的反應熱和反應(2)的反應熱

精品資料例1.3.4-1甲醇(jiǎchún)合成Q1=-3230.78+1338.89+416.96-689.22=-2164.15kJ故需移去的熱量(rèliàng)為2164.15kJ。物質nHfjnHLVn2jH2jn1jH1jCH4

15.20-17.90CO1741.48

12.37-119.18CO23612.42

12.88-100.34H2

53.33-445.85N2

5.15-5.96CH3OH-5960.75934.88256.39

H2O-2623.92404.0161.63

-3230.781338.89416.96-689.22精品資料1.4不穩(wěn)定過程(guòchéng)的物料及能量平衡穩(wěn)定過程的物料與能量衡算中，積累(jīlěi)項等于零。在不穩(wěn)定過程中，物料的數(shù)量和狀態(tài)是隨時間而變的，因而物料或能量衡算中的積累(jīlěi)項不等于零，處理上比穩(wěn)定過程復雜。化工生產(chǎn)中有許多重要的不穩(wěn)定過程，如設備開停車、間歇過程、操作條件變動及操作過程波動等。精品資料1.4.1基本(jīběn)方法物料(wùliào)衡算或能量衡算的一般衡算式輸入量+生成量-輸出量-消耗量=積累量此方程有兩種形式：(1)用于瞬時的微分衡算；(2)用于一定時間間隔的積分衡算。精品資料(1)微分(wēifēn)衡算設過程中有物質(wùzhì)A，且m入、m出—A進、出邊界的質量流率，kg/s；r生、r耗—體系內A的生成、消耗速率，kg/s；m—t至t+t內，A的積累量，kg；m入、m出、r生、r耗耗均隨時間而變。t至t+t內，t很小，可認為m入、m出、r生、r耗不變，則有精品資料(1)微分(wēifēn)衡算當t0，m/t

dm/dt等號右邊四個速率項均隨時間(shíjiān)而變。對于連續(xù)穩(wěn)定的體系，m=常數(shù)，dm/dt=0。只要式中各項不全為零，且隨時間而變，dm/dt0。不穩(wěn)定狀態(tài)體系在任一瞬時的衡算方程是微分方程。精品資料(2)積分(jīfēn)衡算對于封閉(間歇)體系(tǐxì)，對質量有m入=m出=0原始輸入量+生成量=最終輸出量+消耗量

精品資料1.4.2物料(wùliào)衡算(1)建立不穩(wěn)定過程的衡算方程，通常是微分方程。應先選定自變量（一般為時間t）和隨變量，當時間t有dt變化(biànhuà)，隨變量x有dx變化(biànhuà)，由此建立起具有如下形式的方程隨變量有多少個，方程數(shù)就需要多少個。(2)解方程。要使微分方程可解，須有x與t之間的函數(shù)關系，還需要知道一個或多個邊界條件。精品資料例1.4.2-1儲罐的物料(wùliào)衡算50m3甲烷儲罐換儲丙烷氣。丙烷通往儲罐的流率為7m3/min。罐內氣體以同樣流率排出。設罐內各處氣體組成相同。氣體溫度(wēndù)27℃，壓力0.1013MPa。計算要將罐內原有甲烷的99％置換掉，要多長時間?50m3nkmolxmolCH4/mol7m3/min27℃0.1013MPam入

kmol/min7m3/min27℃0.1013MPam出

kmol/min精品資料例1.4.2-1儲罐的物料(wùliào)衡算設氣體遵守理想氣體(lǐxiǎnɡqìtǐ)定律2)選時間t為主變量，任意時間儲罐內氣體總摩爾量n，CH