1、第5章 物料衡算,化工过程开发与设计,不同过程的物料衡算,5.2,化工过程的物料衡算,5.3,物料衡算的基本概念,5.1,第5章 物料衡算,计算机辅助计算方法在物料衡算中的应用,5.4,5.1 物料衡算的基本概念,1,2,物料衡算式,物料衡算的基本步骤,5.1.1 物料衡算式,物料衡算是根据质量守恒定律，利用某进出化工过程中某些已知物流的流量和组成，通过建立有关物料的平衡式和约束式，求出其它未知物流的流量和组成的过程。系统中物料衡算的一般表达式为系统中的积累=输入-输出+生成-消耗（5-1）输入=输出-生成+消耗（5-2）输入=输出（5-3）,5.1.1 物料衡算式,表5-1 稳态过程中物料衡
2、算式的适用情况,5.1.2 物料衡算的基本步骤,（1）收集数据（2）画出流程示意图（3）确定衡算系统和计算方法（4）选择合适的计算基准（5）列出物料衡算式，用数学方法求解（6）将计算结果列成输入输出物料表（7）结论,5.2 不同过程的物料衡算,1,2,物理过程的物料衡算,反应过程的物料衡算,5.2.1 物理过程的物料衡算,1混合混合过程即为若干股物料在同一容器（混合器）内混合为一股物料而流出的过程。例5.1 一种废酸，组成（wt%）为HNO323%、H2SO457%、H2O20%，加入浓度为93%的浓H2SO4和浓度为90%的浓HNO3，要求混合成含27%HNO3和60%H2SO4的混合酸，计
3、算所需废酸及加入浓酸的数量。,5.2.1 物理过程的物料衡算,解（1）画物料流程简图5.1。,W4=100kg,图5.1 混合过程物料流程简图,5.2.1 物理过程的物料衡算,（2）选择基准（3）列物料衡算式W1=41.8kg（废酸）W2=19.2kg（浓HNO3）W3=39kg（浓H2SO4）（4）列出物料平衡表5-2。,5.2.1 物理过程的物料衡算,表5-2 物料平衡表,5.2.1 物理过程的物料衡算,2物理吸收吸收是指用适当的液体吸收剂处理气体混合物，以除去其中一种或多种组分的操作。,图5.2 吸收塔示意图,5.2.1 物理过程的物料衡算,全塔的物料衡算为：（5-4）（5-5）,5.2
4、.1 物理过程的物料衡算,3精馏（1）连续蒸馏,图5.4 连续蒸馏流程简图,5.2.1 物理过程的物料衡算,例5.3 连续常压蒸馏塔进料为含苯质量分数（下同）38%和甲苯62%的混合溶液，要求馏出液中能回收原料中97%的苯，釜残液中含苯不高于2%，进料流量为20000kg/h，求馏出液和釜残液的流量和组成。解：,5.2.1 物理过程的物料衡算,表5-3 蒸馏塔物料平衡表,5.2.1 物理过程的物料衡算,（2）常规精馏例5.4 有一精馏塔，其进料组成和塔顶馏出物组成如图5.5所示。,图5.5 常规精馏流程简图,5.2.1 物理过程的物料衡算,解：F2=38.8kmol/h，F3=61.2kmol
5、/h,表5-4 例5.4的物料平衡表,5.2.2 反应过程的物料衡算,1基本概念（1）限制反应物（2）过量反应物（5-6）（3）转化率（5-7）,5.2.2 反应过程的物料衡算,（4）反应速率 R（S）=（S）r(5-8)q（出，S）=q（入，S）+（S）r s=1，2，s(5-9)（5）收率 Y（P，Q）=(5-10),5.2.2 反应过程的物料衡算,例5.5 邻二甲苯氧化制取苯酐，反应式为C3H10+3O2C8H4O3+3H2O设邻二甲苯的转化率为60%，氧用量为实际反应用量的150%，如果邻二甲苯的投料量为100kg/h，作物料衡算。解进料：邻二甲苯C8H10 100/106=0.944
6、kmol/h 氧O2 0.9440.63150%=2.55kmol/h,5.2.2 反应过程的物料衡算,出料：苯酐C8H4O3 0.9440.6148=83.83kg/h 水H2O 0.9440.6318=30.6kg/h 剩余邻二甲苯 1000.4=40kg/h 剩余氧(2.55-0.9440.63)32=27.22kg/h 氮N2/h,5.2.2 反应过程的物料衡算,表5-5 例5.5计算结果,5.2.2 反应过程的物料衡算,例5.6 在间歇釜中，往苯中通入氯气生产氯苯，所用工业苯纯度为97.5%，氯气纯度为99.5%。为控制副产物的生成量，当氯化液中氯苯质量分数达0.40时，停止通氯，此
7、时氯化液中二氯苯质量分数为0.02，三氯苯质量分数为0.005。试作每釜生产1吨氯苯的物料衡算。,5.2.2 反应过程的物料衡算,表5-6 物料衡算表,5.2.2 反应过程的物料衡算,例5.7 在乙二醇生产中，所用的反应物是由乙烯部分氧化法制得的环氧乙烷。制取环氧乙烷的方法是将乙烯在过量空气存在下通过银催化剂。解：,图5.6 乙烯部分氧化,5.2.2 反应过程的物料衡算,例5.8 将苯氯化生成一种由一氯、二氯、三氯和四氯化苯组成的混合物，其反应为：C6H6+Cl2C6H5Cl+HCl，其反应速率为r1；C6H5Cl+Cl2C6H4Cl2+HCl，其反应速率为r2；C6H4Cl2+Cl2C6H3
8、Cl3+HCl，其反应速率为r3；C6H4Cl3+Cl2C6H2Cl4+HCl，其反应速率为r4。,5.2.2 反应过程的物料衡算,氯化过程的主要产物是三氯化苯C6H3Cl3，它是固体，用做干燥清洁剂。假设氯和苯的进料速率比为Cl2C6H6=3.61，其产物的组成（mol%）：C6H6 1，C6H5Cl 7，C6H4Cl2 12，C6H3Cl3 75，C6H2Cl4 5。如果反应器负荷为1000mol/h苯，计算副产物HCl和主产品C6H3Cl3的产率mol/h。,5.2.2 反应过程的物料衡算,解：,图5.7 苯氯化流程图,5.2.2 反应过程的物料衡算,4以结点作衡算在生产中有些情况下，特
9、别是对大型题目，可以分解为小分流，以便使计算简化。,图5.8 结点示意图,5.2.2 反应过程的物料衡算,例5.9 某工厂用烃类气体转化制取合成甲醇的原料气。在标准状态下，要求原料气量为2321m3/h，其中一氧化碳与氢气的量（mol）的比为124。转化制成的气体组成x（CO）为0.4312（摩尔百分数，下同），x（H2）为0.542，此组成不符合合成甲醇的要求。为此，需将部分转化气送至CO变换反应器变换，变换后气体组成x（CO）为0.0876，x（H2）为0.8975，气体脱CO2后体积缩小2%，用此气体去调节转化气，使之符合原料气质量要求，计算转化气、变换气各需多少？要求原料气中x（CO+
10、H2）占0.98。,5.2.2 反应过程的物料衡算,解：,图5.9 甲醇原料气配制图,5.2.2 反应过程的物料衡算,5利用联系组分作物料衡算所谓“联系组分”，系指衡算过程中联系衡算系统进、出物流的特定组分。当组分从一个物流进到另一物流时，如果它的形态和总量未发生变化，而在不同物流中所占的相对百分数不同，我们利用它的这种特点计算其它组分的量和物流总量。用这种方法可使计算变得简单易行。,5.2.2 反应过程的物料衡算,例5.10 甲烷和氢的混合气与空气完全燃烧以加热锅炉。反应方程式如下：CH4+2O22H2O+CO2（1）H2+O2H2O（2）产生的烟道气经分析其组成（摩尔分数）：x（N2）为0
11、.7219，x（CO2）为0.0812，x（O2）为0.0244，x（H2O）为0.1725。试求：（1）燃料中CH4与H2的摩尔比；（2）空气与（CH4+H2）的摩尔比。,5.2.2 反应过程的物料衡算,解：,图5.10 加热锅炉示意图,表5-7 例5.10计算结果,5.2.2 反应过程的物料衡算,解：mol,5.2.2 反应过程的物料衡算,6利用化学平衡作物料衡算平衡转化率是化学反应达到平衡后反应物转化为产物的百分数。,5.2.2 反应过程的物料衡算,例5.11 已知C2H4（g）+H2O（g）C2H5OH（g）在400K时，平衡常数Kp=9.8710-4kPa。若原料是由1mol的C2H
12、4和1mol的H2O组成，试求在该温度和101.325 kPa下C2H4的转化率，并计算平衡体系中各物质的浓度（气体可当作理想气体）。解：设C2H4的转化率为，那么反应平衡时系统内物料的组成为C2H4（g）+H2O（g）C2H5OH（g）,5.2.2 反应过程的物料衡算,平衡后各物质的摩尔分数为,5.2.2 反应过程的物料衡算,7利用元素原子平衡作物料衡算化学反应前后各元素的原子数是相等的。例5.12 作天燃气一段转化炉的物料衡算，天然气的组成如下：,5.2.2 反应过程的物料衡算,e=(97.8+0.52+0.23+0.14)(10.67)=32.9mola=33.1，b=33.8，c=23
13、2.6，d=100,图5.11 转化炉示意图,5.2.2 反应过程的物料衡算,表5-8 例5.12计算结果,5.3 化工过程的物料衡算,1,2,串联设备,弛放过程,3,循环过程,5.3.1 串联设备,例5.13 用双塔流程分离三组分混合物，已知数据如图5.12，进料中的组分为A，B，C，进料物流N1为100mol/h。计算N3、N4、N5的值及其组分A，B，C的摩尔分数x3,1，x3,2，x3,3。,5.3.1 串联设备,解：,图5.12 双塔流程分离混合物示意图,5.3.1 串联设备,基准：选第一塔进料流量100mol/h为基准选塔为体系，则 100=N3+50故 N3=50mol/hN41
14、2.20mol/h，N5=34.80mol/h,5.3.2 弛放过程,例5.14 合成氨反应式 3H2+N2 2NH3的流程如图5.13。合成氨经分离器分离后，未反应的合成气循环使用，并部分弛放以防惰性气体积累造成不良影响。新鲜合成气中氢气和氮气体积比为3：1。即惰性气体：1%，H2：74.25%，N2：24.75%。已知单程转化率22%，总转化率94%，弛放气含氨3.75%，含惰性气体12.5%。,5.3.2 弛放过程,试通过物料衡算求出：（1）放空比F5/F1，循环比F2/F1；（2）在标准状态下，按100m3/h进新鲜合成气时，生成合成氨的量；（3）1000t/d合成氨装置每小时所需原料
15、量。,图5.13 合成氨反应流程示意图,5.3.2 弛放过程,解：弛放气和循环气中，（氢气氮气）总体积百分比112.5%3.75%83.75%得生成合成氮气的量：F42F124.75%94%46.53 m3/h(46.53/22.417)=35.31kg/h每小时需进新鲜合成气量为100/35.31（1/24）106=1.18105 m3/h,5.3.3 循环过程,例5.15 苯直接加H2转化为环己烷，产量为100kmol/h。输入系统中的苯99%反应生成环己烷，进入反应器物流的组成为80%H2和20%C6 H6（摩尔分数，下同）。产物物流中含有3%的H2。流程如图5.14。试计算：（1）产物
16、物流的组成；（2）H2和C6 H6的进料速率；（3）H2的循环速率。,5.3.3 循环过程,解：H2的进料速率为 kmol/h苯的进料速率为 kmol/h设循环H2的量为R，则有 kmol/h,5.3.3 循环过程,图5.14 环己烷生产流程示意图,5.4 计算机辅助计算方法在物料衡算中的应用,1,2,Matlab在物料衡算中的应用,采用单元过程计算软件进行物料衡算,3,化工流程中的物料衡算,5.4.1 Matlab在物料衡算中的应用,Matlab是一种功能强大的工程计算语言，具有简单、快捷、准确及结果可视化等优点，在解决曲线拟合、线性/非线性方程、常/偏微分方程等方面有着独特的优势，下面通过
17、烟道气组成的求解，讨论其在物料衡算中的应用。,5.4.2 采用单元过程计算软件进行物料衡算,计算的基本步骤如下：（1）确定过程计算所涉及的物质，由物质输入窗口从数据库中选取所需物质或自定义库中缺损物质。（2）如有自定义物质，由物质结构窗口选择构造自定义物质。,5.4.2 采用单元过程计算软件进行物料衡算,例5.16 平衡闪蒸计算。合成氨过程中，反应器出来的产品为氨、未反应的N2和H2以及原料物流带入的并通过反应器的少量氩、甲烷等杂质。反应器出来的产品在33.3和13.3MPa下进入分凝器中进行冷却和分离。进料流率为100kmol/h，计算分凝器出来的各物流流率和组成。,表5-9 合成氨反应器出
18、来的物料组成,5.4.2 采用单元过程计算软件进行物料衡算,解：实际过程为一分凝器，模拟计算时只需选择一个闪蒸器计算模块，将给定的温度、压力值输入即可完成计算。,图5.15 例5.16的计算屏幕显示,5.4.2 采用单元过程计算软件进行物料衡算,表5-10 物流组成,5.4.3 化工流程中的物料衡算,1低沸塔系统工艺流程,图5.16低沸塔系统工艺流程图,5.4.3 化工流程中的物料衡算,2计算模型（1）2号全凝器(5-11)(5-12),5.4.3 化工流程中的物料衡算,（2）尾凝器（3）水分离器,5.4.3 化工流程中的物料衡算,（4）低沸塔冷凝段平均温度=（塔顶温度+进料温度）/2蒸出段平均温度=（进料温度+塔釜温度）/2,5.4.3 化工流程中的物料衡算,3计算程序,图5.17物料衡算程序流程图,Thank you,
