現(xiàn)代化工計(jì)算單元3化工過(guò)程物料衡算教材

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1、22:44 單 元 3化 工 過(guò) 程 物 料 衡 算 1 單 元 三 化 工 過(guò) 程 物 料 衡 算任 務(wù) 1 理 解 物 料 衡 算 基 礎(chǔ) 知 識(shí)一 、 物 料 衡 算 的 兩 大 類(lèi) 型二 、 化 工 生 產(chǎn) 過(guò) 程 的 類(lèi) 型三 、 物 料 衡 算 的 理 論 依 據(jù) 及 物 料 衡 算 式四 、 物 料 衡 算 計(jì) 算 基 準(zhǔn) 及 其 選 擇五 、 物 料 衡 算 的 一 般 步 驟任 務(wù) 2 物 理 過(guò) 程 的 物 料 衡 算一 、 混 合 過(guò) 程 物 料 衡 算二 、 蒸 發(fā) 與 結(jié) 晶 過(guò) 程 物 料 衡 算三 、 吸 收 過(guò) 程 物 料 衡 算四 、 精 餾 過(guò) 程 物 料

2、衡 算任 務(wù) 3 反 應(yīng) 過(guò) 程 物 料 衡 算一 、 反 應(yīng) 物 配 比二 、 轉(zhuǎn) 化 率 、 選 擇 性 、 收 率 、三 、 單 一 反 應(yīng) 過(guò) 程 物 料 衡 算 四 、 復(fù) 雜 反 應(yīng) 過(guò) 程 物 料 衡 算 (一 ) 直 接 求 解 法(二 ) 元 素 衡 算 法(三 ) 利 用 聯(lián) 系 組 分 衡 算(四 ) 利 用 化 學(xué) 平 衡 衡 算 22:44 單 元 3化 工 過(guò) 程 物 料 衡 算 2 任 務(wù) 1 理 解 物 料 衡 算 基 礎(chǔ) 知 識(shí)知識(shí)目標(biāo)：掌握物料衡算的類(lèi)型、化工過(guò)程的類(lèi)型、物料衡算的理論依據(jù)，熟悉物料衡算時(shí)計(jì)算基準(zhǔn)的選擇方法，熟悉物料衡算的一般步驟。能力目標(biāo)：

3、能針對(duì)不同類(lèi)型的化工過(guò)程和衡算對(duì)象，選擇合適的計(jì)算基準(zhǔn)和比較正確的衡算步驟。一 、 物 料 衡 算 的 兩 大 類(lèi) 型(1)核 算 型 對(duì) 已 有 的 生 產(chǎn) 設(shè) 備 或 裝 置 ,利 用 實(shí) 際 測(cè) 定 的 數(shù) 據(jù) ,計(jì) 算 出 另一 些 不 能 直 接 測(cè) 定 的 物 理 量 。 用 此 計(jì) 算 結(jié) 果 ,對(duì) 生 產(chǎn) 情 況 進(jìn) 行分 析 、 作 出 判 斷 、 提 出 改 進(jìn) 措 施 。(2)設(shè) 計(jì) 型 根 據(jù) 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) ,先 作 物 料 衡 算 ,求 出 進(jìn) 出 各 設(shè) 備 的 物 料 量 ,然后 再 作 能 量 衡 算 ,求 出 設(shè) 備 或 過(guò) 程 的 熱 負(fù) 荷 ,從 而 確

4、 定 設(shè) 備 尺 寸及 整 個(gè) 工 藝 流 程 。 返 回 22:44 單 元 3化 工 過(guò) 程 物 料 衡 算 3 任 務(wù) 1 理 解 物 料 衡 算 基 礎(chǔ) 知 識(shí)二 、 化 工 生 產(chǎn) 過(guò) 程 的 類(lèi) 型(1)間 歇 操 作(2)連 續(xù) 操 作 穩(wěn) 態(tài) ； 非 穩(wěn) 態(tài)(3)半 連 續(xù) 操 作三 、 物 料 衡 算 的 理 論 依 據(jù) 及 物 料 衡 算 式(1)物 料 衡 算 的 理 論 依 據(jù) 質(zhì) 量 守 恒 定 律(2)物 料 衡 算 式總 物 料 （ 若 元 素 ） ： m 入 = m出 + m積 累 (3-1)（ 注 意 單 位 ： kg， 若 用 kmol則 無(wú) 化 學(xué) 反 應(yīng)

5、 時(shí) 適 用 ）組 分 ： mi入 mi生 成 或 消 耗 = mi出 + mi積 累 (3-2)返 回 22:44 單 元 3化 工 過(guò) 程 物 料 衡 算 4 任 務(wù) 1 理 解 物 料 衡 算 基 礎(chǔ) 知 識(shí)四 、 物 料 衡 算 計(jì) 算 基 準(zhǔn) 及 其 選 擇(1)穩(wěn) 定 流 動(dòng) 過(guò) 程 單 位 時(shí) 間 ， 如 ： 1小 時(shí) 、 1分 鐘 、 1秒 鐘 單 位 數(shù) 量 或 某 一 整 量 的 原 料 或 產(chǎn) 品 ， 如 ：A)氣 體 原 料 ， 有 100mol或 kmol或 100Nm3等 ， 理 由 是氣 體 物 料 通 常 用 mol%組 成 或 體 積 %；B)液 體 原 料

6、， 有 100kg， 理 由 是 液 體 物 料 通 常 用 質(zhì) 量 %。(2)間 歇 過(guò) 程 不 采 用 單 位 時(shí) 間 為 計(jì) 算 基 準(zhǔn) 。 22:44 單 元 3化 工 過(guò) 程 物 料 衡 算 5 計(jì) 算 基 準(zhǔn) 選 擇 舉 例 ,例 3-1戊 烷 充 分 燃 燒 ,空 氣 用 量 為 理 論 量 的 120%,反 應(yīng) 式為 :C5H12+8O25CO2+6 H2O,問(wèn) 每 100mol燃 燒 產(chǎn) 物 需 要 多 少 mol空 氣 ？解 ： 由 題 意 畫(huà) 出 示 意 流 程 圖 方 法 一 ： 基 準(zhǔn) 1mol C5H12則 ： 理 論 O2量 ： n理 論 氧 =8n戊 烷 =8m

7、ol實(shí) 際 O2量 :n實(shí) 際 氧 =1.20n理 論 氧 =9.60mol實(shí) 際 air用 量 :n實(shí) 際 空 氣 =9.60/0.21=45.71molN2量 ： n實(shí) 際 氮 =45.710.79=36.11mol計(jì) 算 結(jié) 果 列 表 如 下 ： 輸 入 項(xiàng) 輸 出 項(xiàng)組 分 摩 爾 數(shù) 克 數(shù) 組 分 摩 爾 數(shù) mol% 克 數(shù) C5H12 1 72 CO2 5 10.26 220O2 9.60 307.2 H2O 6 12.32 108N2 36.11 1101.20 O2 1.60 3.28 51.2 N2 36.11 74.13 1011.20 46.71 1390.40 4

8、8.71 100.00 1390.40每 100mol燃 燒 產(chǎn) 物 （ 煙 氣 ） 所 需 空 氣 量 為 ： 45.7148.71100=93.84mol或 由 N2平 衡 方 程 得 ： 10073.13%79%=93.84mol (實(shí) 際 計(jì) 算 過(guò) 程 建 議 用 Excel處 理 ) 22:44 單 元 3化 工 過(guò) 程 物 料 衡 算 6 計(jì) 算 基 準(zhǔn) 選 擇 舉 例 ,戊 烷 充 分 燃 燒 ， 空 氣 用 量 為 理 論 量 的 120%， 反 應(yīng) 式 為 ：C5H12+8O25CO2+6H2O,問(wèn) 每 100mol燃 燒 產(chǎn) 物 需 要 多 少 mol空 氣 ？解 ： 由

9、 題 意 畫(huà) 出 示 意 流 程 圖 方 法 二 ： 基 準(zhǔn) 1mol空 氣則 其 中 O2量 ： n實(shí) 際 氧 =0.21mol反 應(yīng) 的 O2量 ： n反 應(yīng) 氧 =0.21/1.20=0.175mol燃 燒 的 C3H8量 ： n丙 烷 =0.175/8=0.0219mol計(jì) 算 結(jié) 果 列 表 如 下 ： 每 100mol燃 燒 產(chǎn) 物 （ 煙 氣 ） 所 需 空 氣 量 為 ： 100/1.0656=93.84mol或 由 N2平 衡 方 程 得 ： 10074.13%79%=93.84mol 輸 入 項(xiàng) 輸 出 項(xiàng)組 分 摩 爾 數(shù) 克 數(shù) 組 分 摩 爾 數(shù) mol% 克 數(shù)C5

10、H12 0.0219 1.575 CO2 0.1094 10.26 4.8125O2 0.21 6.72 H2O 0.1313 12.32 2.3625N2 0.79 22.12 O2 0.035 3.28 1.12 N2 0.79 74.13 22.12 1.0219 30.415 1.0656 100.00 30.415(實(shí) 際 計(jì) 算 過(guò) 程 建 議 用 Excel處 理 ) 22:44 單 元 3化 工 過(guò) 程 物 料 衡 算 7C平 衡 ： 5B=P （ 1）H2平 衡 ： 6B=Q （ 2）O2平 衡 ： 0.21A=M+P+Q/2 （ 3）N2平 衡 ： 0.79A=N （ 4）

11、總 物 料 ： M+N+P+Q=100 （ 5）過(guò) 剩 O2： (0.21AM)1.20=0.21A 0.035A=M （ 6）以 上 6個(gè) 線 性 方 程 采 用 Excel的 MDETERM、 MINVERSE、MMULT三 個(gè) 函 數(shù) 或 規(guī) 劃 求 解 法 求 解 上 述 線 性 方 程 方 法 三 ： 基 準(zhǔn) 100mol 煙 氣 ,設(shè) :N煙 氣 中 N2量 ， mol；M煙 氣 中 O2量 ， mol；P煙 氣 中 CO2量 ， mol；Q煙 氣 中 H2O量 ， mol；A入 口 空 氣 量 ， mol；B入 口 C5H12量 ， mol。以 上 6個(gè) 未 知 數(shù) ， 需 要

12、6個(gè) 獨(dú) 立 方 程 。 22:44 單 元 3化 工 過(guò) 程 物 料 衡 算 8 方 法 三 ： 基 準(zhǔn) 100mol 煙 氣組 分 N M P Q A Bmol數(shù) 74.135 3.284 10.264 12.317 93.842 2.053結(jié) 論 ：(1)手 算 以 限 制 反 應(yīng) 為 基 準(zhǔn) 能 簡(jiǎn) 化 計(jì) 算 ； (2)計(jì) 算 機(jī) 計(jì) 算 則 以 已 知 條 件 最 多 的 物 料 為 計(jì) 算 基 準(zhǔn) 較 為 適 宜 。返 回 22:44 單 元 3化 工 過(guò) 程 物 料 衡 算 9 任 務(wù) 1 理 解 物 料 衡 算 基 礎(chǔ) 知 識(shí)五 、 物 料 衡 算 的 一 般 步 驟(1)搜

13、 集 原 始 數(shù) 據(jù) ；(2)由 題 意 畫(huà) 出 過(guò) 程 物 料 流 程 簡(jiǎn) 圖 ， 明 確 已 知 量 、 待 求量 ；(3)明 確 衡 算 體 系 ;(4)選 擇 計(jì) 算 基 準(zhǔn) ；(5)寫(xiě) 出 有 關(guān) 化 學(xué) 反 應(yīng) 方 程 式 ；(6)列 出 物 料 衡 算 式 ， 選 擇 合 適 的 數(shù) 學(xué) 方 法 ;(7)校 核 計(jì) 算 結(jié) 果 ， 整 理 數(shù) 據(jù) ， 如 列 成 表 格 或 畫(huà) 出 物 料流 程 圖 。 返 回 22:44 單 元 3化 工 過(guò) 程 物 料 衡 算 10 任 務(wù) 1 理 解 物 料 衡 算 基 礎(chǔ) 知 識(shí) 返 回 五、物料衡算的一般步驟 物料流程圖 22:44 單

14、 元 3化 工 過(guò) 程 物 料 衡 算 11 任 務(wù) 2 物 理 過(guò) 程 的 物 料 衡 算知識(shí)目標(biāo)：掌握典型物理過(guò)程的物料衡算方法。能力目標(biāo)：能針對(duì)化工生產(chǎn)過(guò)程中的常見(jiàn)物理過(guò)程，列出物料平衡式并解出正確答案。 主 要 方 法 ,通 常 有 三 類(lèi) 衡 算 式 ,即 :(1)總 物 料 平 衡 式 ;(2)組 分 平 衡 式 ;(3)歸 一 方 程 。一 、 混 合 過(guò) 程 物 料 衡 算 例 3-2 一 種 廢 酸 ， 組 成 為 33%（ 質(zhì) 量 %） HNO3、 47%H2SO4和20%H2O， 加 入 98.5%的 濃 H2SO4和 90%的 濃 HNO3， 要 求 混合 成 含 27

15、%HNO 3及 60%H2SO4的 混 合 酸 ， 計(jì) 算 所 需 廢 酸 及 加入 濃 酸 的 數(shù) 量 。分 析 ： 此 題 已 知 相 對(duì) 量 ， 絕 對(duì) 量 可 任 意 假 定 。解 ： 設(shè) x為 廢 酸 量 ,kg;y為 濃 H2SO4量 ,kg;z為 濃 HNO3量 ,kg。計(jì) 算 基 準(zhǔn) :100kg混 合 酸 ,由 題 意 畫(huà) 出 過(guò) 程 示 意 圖 (見(jiàn) 例 3-2附 圖 ) 22:44 單 元 3化 工 過(guò) 程 物 料 衡 算 12 任 務(wù) 2 物 理 過(guò) 程 的 物 料 衡 算一 、 混 合 過(guò) 程 物 料 衡 算 例 3-2總 物 料 平 衡 ： x+y+z=100 (1

16、)H 2SO4平 衡 ： 0.57x+0.93y=1000.60 (2)HNO3平 衡 ： 0.23x+0.90z=1000.27 (3)解 上 式 方 程 組 得 ： x=41.69kg、 y=38.96kg、 z=19.35kg返 回 22:44 單 元 3化 工 過(guò) 程 物 料 衡 算 13 任 務(wù) 2 物 理 過(guò) 程 的 物 料 衡 算二 、 蒸 發(fā) 與 結(jié) 晶 過(guò) 程 物 料 衡 算 補(bǔ) 例 1 用 空 氣 、 純 氧 和 水 通 入 蒸 發(fā) 室 制 備 富 氧 濕 空 氣 。 水 在 蒸 發(fā)室 內(nèi) 全 部 汽 化 ,其 流 量 為 0.0012m3/h,使 濕 空 氣 中 含 水

17、為1.5%(mol%),純 氧 摩 爾 流 量 為 空 氣 流 量 的 1/5,計(jì) 算 所 有 的 未 知量 及 組 成 。 解 :設(shè) Q空 氣 流 量 ,kmol/h;0.2Q純 氧 流 量 ,kmol/h; F富 氧 濕 空 氣 流 量 ,kmol/h; x富 氧 濕 空 氣 中 含 氧 量 ,mol分 率計(jì) 算 基 準(zhǔn) :1小 時(shí) ,畫(huà) 出 物 料 流 程 簡(jiǎn) 圖 如 下 : 22:44 單 元 3化 工 過(guò) 程 物 料 衡 算 14 任 務(wù) 2 物 理 過(guò) 程 的 物 料 衡 算二 、 蒸 發(fā) 與 結(jié) 晶 過(guò) 程 物 料 衡 算補(bǔ) 例 1將 水 的 體 積 流 量 換 算 為 mol流

18、 量 :W=0.00121000/18 =0.06666kmol/hH2O衡 算 式 W=F0.015=0.06666 (1)總 物 料 衡 算 式 0.2Q+Q+W=F (2)N 2衡 算 式 0.79Q=F(1 0.015 x) (3)解 上 述 方 程 組 得 : F =4.444 kmol/h Q =3.648 kmol/h x =0.377 22:44 單 元 3化 工 過(guò) 程 物 料 衡 算 15 任 務(wù) 2 物 理 過(guò) 程 的 物 料 衡 算二 、 蒸 發(fā) 與 結(jié) 晶 過(guò) 程 物 料 衡 算(1)溶 解 度 的 定 義 (C)在 一 定 溫 度 下 ,某 物 質(zhì) (此 處 僅 指

19、 固 體 物 質(zhì) )在100g溶 劑 中 達(dá) 到 飽 和 時(shí) 所 溶 解 的 克 數(shù) 。 對(duì) 于 固 體 物 質(zhì) 的 溶 解度 ,通 常 僅 是 溫 度 的 函 數(shù) ,即 :C=f(T)(2)溶 解 度 的 計(jì) 算 公 式 100 /100C g g 溶 質(zhì) 的 質(zhì) 量 溶 質(zhì) 溶 劑溶 劑 的 質(zhì) 量 )( )(100 ba溶 劑 的 質(zhì) 量溶 質(zhì) 的 質(zhì) 量溶 劑溶 質(zhì) 的 溶 解 度 dc cba adcba (3)計(jì) 算 舉 例 ,補(bǔ) 例 2 配 制 100噸 90 飽 和 食 鹽 水 ， 需 水 、 NaCl各 為 多 少 ？ 已 知 90 時(shí) NaCl的 溶 解 度 為 38.5g

20、。解 ： 38.5/(38.5+100)=x/100 x=27.8噸 NaCl、 水 :10027.8=72.2噸 22:44 單 元 3化 工 過(guò) 程 物 料 衡 算 16 二 、 蒸 發(fā) 與 結(jié) 晶 過(guò) 程 物 料 衡 算補(bǔ) 例 3溶 解 度 數(shù) 據(jù) (g/100gH2O(l)： 溫 度 溶 解 度 C 溫 度 溶 解 度 C 溫 度 溶 解 度 C60 16.4 40 12.7 20 9.650 14.45 30 11.1 10 8.15解 ： 基 準(zhǔn) 1000kg60 飽 和 NaHCO3(aq)由 t1=60 查 得 ： C1=16.4 g/100gH2O(l) x1=C1/(100

21、+C1)=16.4/116.4=0.1409總 物 料 平 衡 ： m 1=m2+m3 （ 1）NaHCO3(s)平 衡 ： m1 x1=m2+m3 x3 （ 2）代 入 數(shù) 據(jù) 得 ：1000=50+m3 （ 3）10000.1409=50+m3 x3 （ 4）解 之 得 ： m3=950kg、 x3=0.09568 C3=100 x3/(1x3)=1000.09568/(10.09568) =10.58 g/100gH2O(l)由 溶 解 度 數(shù) 據(jù) 線 性 內(nèi) 插 得 ：t3=20+10/(11.19.60)(10.589.60)=26.53 內(nèi) 插 法 講 解 : 2 11 12 1

22、( )C CC C t tt t 2 11 1 2 1 ( )t tt t C CC C 返 回 22:44 單 元 3化 工 過(guò) 程 物 料 衡 算 17 任 務(wù) 2 物 理 過(guò) 程 的 物 料 衡 算三 、 吸 收 過(guò) 程 物 料 衡 算例 3-4 含 20%(質(zhì) 量 %)丙 酮 與 80%空 氣 的 混 合 氣 進(jìn) 吸 收 塔 ， 塔 頂噴 水 吸 收 丙 酮 。 吸 收 塔 出 口 氣 體 含 丙 酮 3%， 塔 底 得 到 50千 克含 10%丙 酮 的 水 溶 液 ， 計(jì) 算 進(jìn) 吸 收 塔 氣 體 的 量 。解 :由 題 意 畫(huà) 物 料 流 程 示 意 圖 ,以 50kg10%丙

23、 酮 水 溶 液 為 計(jì) 算 基 準(zhǔn)列 衡 算 式 ：丙 酮 衡 算 式 0.20 x=0.03y+5 (1) 空 氣 衡 算 式 0.80 x=0.97y (2) 解 (1)、 (2)得 x=28.52kg， y=23.52kg 進(jìn) 料 氣 中 丙 酮 :0.20 x=0.2028.52=5.70 kg出 料 氣 中 丙 酮 : 5.7-5=0.7kg或 0.03y=0.0323.52=0.70kg 返 回 22:44 單 元 3化 工 過(guò) 程 物 料 衡 算 18 任 務(wù) 2 物 理 過(guò) 程 的 物 料 衡 算四 、 精 餾 過(guò) 程 物 料 衡 算例 3-5 有 一 個(gè) 蒸 餾 塔 ， 輸

24、 入 和 輸 出 物 料 量 及 組 成 如 下 圖 。 輸 入物 料 1中 A組 分 的 98.7%自 塔 頂 蒸 出 。 求 每 千 克 輸 入 物 料 可 得到 塔 頂 餾 出 物 2的 量 及 其 組 成 。解 :基 準(zhǔn) 為 1小 時(shí)令 :x 餾 出 物 中 A的 百 分 含 量 y 餾 出 物 中 B的 百 分 含 量 。 將 各 物 料 的 流 量 及 組 成 列 于 下 表 流 股號(hào) 流 量(kg/h) 組 分 (mol%)A B C1 100 20 30 50 2 P x y 1-x-y3 W 0.5 5.5 94.0 22:44 單 元 3化 工 過(guò) 程 物 料 衡 算 19

25、 任 務(wù) 2 物 理 過(guò) 程 的 物 料 衡 算四 、 精 餾 過(guò) 程 物 料 衡 算 例 3-6 由 表 可 看 出 ,共 有 5個(gè) 未 知 量 ,即 P、 W及 流 股 2的 組 成 A、 B、 C,由 于 組 成A+B+C 1,所 以 只 需 求 得 任 意 兩 個(gè) 組 成 ,如 A、 B(或 B、 C或 C、 A),第 三 個(gè)組 成 就 可 求 出 。 因 此 實(shí) 際 上 是 4個(gè) 未 知 量 ,需 要 4個(gè) 方 程 。 但 是 輸 入 和 輸 出物 料 個(gè) 共 有 3個(gè) 組 分 ,因 而 只 能 寫(xiě) 出 3個(gè) 獨(dú) 立 物 料 衡 算 式 。 第 四 個(gè) 方 程 必 須從 另 外 給

26、定 的 條 件 列 出 。根 據(jù) 題 意 ,已 知 輸 入 物 料 中 A組 分 的 98.7%自 塔 頂 蒸 出 ,即 流 股 2中 A組 分 量 為 :Px 100 20% 98.7% 19.74 kg (1)總 物 料 衡 算 式 有 P和 W兩 個(gè) 未 知 量 。 A、 B、 C三 組 分 的 衡 算 式 中 ， A組 分 的衡 算 式 只 含 有 一 個(gè) 未 知 量 W,所 以 先 列 A組 分 的 衡 算 式 。A組 分 衡 算 式 10020% W0.5%+19.74 (2)總 物 料 衡 算 式 100 P+W (3)B組 分 衡 算 式 10030% 5.5%W+Py (4)

27、由 (2)式 得 W=52kg代 入 (3)式 得 P=10052 48 kg 代 入 (4)式 得 y=56.54%由 (1)式 得 x 19.74/P 19.74/48=41.13%C組 成 為 1xy 141.13%56.54% 2.33%由 C組 分 衡 算 式 得 10050%=5294%+48(1xy) 1xy 2.33% 結(jié) 果 符 合 。 返 回 22:44 單 元 3化 工 過(guò) 程 物 料 衡 算 20 任 務(wù) 2 物 理 過(guò) 程 的 物 料 衡 算課 堂 小 練 習(xí) 一 蒸 發(fā) 器 連 續(xù) 操 作 ， 處 理 量 為 25噸 /時(shí) 溶 液 ， 原液 含 10%NaCl、 1

28、0%NaOH及 80%（ 質(zhì) 量 %） H2O。經(jīng) 蒸 發(fā) 后 ， 溶 液 中 水 分 蒸 出 ， 并 有 NaCl結(jié) 晶 析 出 ，離 蒸 發(fā) 器 溶 液 濃 度 為 12%NaCl、 40%NaOH及48%H2O。 計(jì) 算 ： （ 1） 每 小 時(shí) 蒸 出 的 水 量 （ kg/h） ；（ 2） 每 小 時(shí) 析 出 的 NaCl量 ； （ 3） 每 小 時(shí) 離 蒸 發(fā) 器的 濃 溶 液 的 量 。 返 回 22:44 單 元 3化 工 過(guò) 程 物 料 衡 算 21 任 務(wù) 3 化 學(xué) 反 應(yīng) 過(guò) 程 的 物 料 衡 算 知識(shí)目標(biāo)：掌握反應(yīng)物配比、轉(zhuǎn)化率、選擇性、收率的概念，掌握單一化學(xué)反應(yīng)

29、過(guò)程物料衡算的方法，了解復(fù)雜化工過(guò)程物料衡算的一般步驟、方法。能力目標(biāo)：能對(duì)單一化學(xué)反應(yīng)過(guò)程進(jìn)行物料衡算，能對(duì)典型循環(huán)過(guò)程進(jìn)行物料衡算。一 、 反 應(yīng) 物 的 配 比(1)限 制 反 應(yīng) 物 :化 學(xué) 反 應(yīng) 原 料 不 按 化 學(xué) 計(jì) 量 比 配 料 時(shí) ， 其 中 以 最小 化 學(xué) 計(jì) 量 數(shù) 存 在 的 反 應(yīng) 物 稱(chēng) 為 限 制 反 應(yīng) 物 。(2)過(guò) 量 反 應(yīng) 物 :不 按 化 學(xué) 計(jì) 量 比 配 料 的 原 料 中 ， 某 種 反 應(yīng) 物 的 量超 過(guò) 限 制 反 應(yīng) 物 完 全 反 應(yīng) 的 理 論 量 ， 該 反 應(yīng) 物 稱(chēng) 為 過(guò) 量 反 應(yīng)物 ， 即 用 量 超 過(guò) 理 論

30、 量 的 反 應(yīng) 物 。注 意 ： 限 制 反 應(yīng) 物 只 有 一 種 ， 而 過(guò) 量 反 應(yīng) 物 則 可 能 有 若 干 種 。如 :2CH 3-CH=CH2+2NH3+3O2 =2CH2=CH-CN+6H2O(3)過(guò) 量 百 分 數(shù) :過(guò) 量 反 應(yīng) 物 超 過(guò) 限 制 反 應(yīng) 物 所 需 理 論 量 的 部 分 占其 所 需 理 論 量 的 百 分 數(shù) 稱(chēng) 為 過(guò) 量 百 分 數(shù) 。 %100% id iden nn過(guò) 量 (3-5) 返 回 22:44 單 元 3化 工 過(guò) 程 物 料 衡 算 22 任 務(wù) 3 化 學(xué) 反 應(yīng) 過(guò) 程 的 物 料 衡 算二 、 轉(zhuǎn) 化 率 、 選 擇

31、性 、 收 率（ 一 ） 轉(zhuǎn) 化 率 （ x） 某 一 反 應(yīng) 物 反 應(yīng) 掉 的 量 占 其 輸 入 量 的 百 分 數(shù) 。 根 據(jù) 選 擇 的 對(duì) 象 的 不 同 以 及 計(jì) 算 內(nèi) 容 的 不 同 ， 轉(zhuǎn) 化 率 又 可 分為 三 種 ： 單 程 轉(zhuǎn) 化 率 ； 總 轉(zhuǎn) 化 率 ； 平 衡 轉(zhuǎn) 化 率 。(1)單 程 轉(zhuǎn) 化 率 （ x單 ） 以 反 應(yīng) 器 為 對(duì) 象 （ 體 系 ） ， 某 一 物 料 一 次 性 通 過(guò) 反 應(yīng) 器 反應(yīng) 掉 的 量 與 其 反 應(yīng) 器 輸 入 量 之 比 值 。注 意 ： 一 個(gè) 化 學(xué) 反 應(yīng) 往 往 有 若 干 個(gè) 反 應(yīng) 物 參 與 反 應(yīng)

32、， 由 于 實(shí) 際反 應(yīng) 系 統(tǒng) 中 通 常 不 按 化 學(xué) 計(jì) 量 比 配 料 ， 因 此 不 同 的 反 應(yīng) 物 為計(jì) 算 對(duì) 象 可 得 到 不 同 的 轉(zhuǎn) 化 率 ， 故 需 指 明 具 體 的 反 應(yīng) 物 的 轉(zhuǎn)化 率 。 若 沒(méi) 有 指 明 時(shí) ， 則 往 往 是 指 限 制 反 應(yīng) 物 的 轉(zhuǎn) 化 率 。 22:44 單 元 3化 工 過(guò) 程 物 料 衡 算 23 任 務(wù) 3 化 學(xué) 反 應(yīng) 過(guò) 程 的 物 料 衡 算二 、 轉(zhuǎn) 化 率 、 選 擇 性 、 收 率（ 一 ） 轉(zhuǎn) 化 率 （ x）(1) 單 程 轉(zhuǎn) 化 率 （ x單 ）假 定 反 應(yīng) 物 A為 限 制 反 應(yīng) 物

33、， 則 ： %100%100 22 32 AAA AAA nnn nnx 反單 22:44 單 元 3化 工 過(guò) 程 物 料 衡 算 24 （ 一 ） 轉(zhuǎn) 化 率(2)總 轉(zhuǎn) 化 率 （ x總 ）以 整 個(gè) 反 應(yīng) 系 統(tǒng) 為 對(duì) 象 計(jì) 算 的 某 一反 應(yīng) 物 的 轉(zhuǎn) 化 率 稱(chēng) 為 總 轉(zhuǎn) 化 率 ,即 :某 一 物 料 一 次 性 通 過(guò) 反 應(yīng) 器反 應(yīng) 掉 的 量 與 其 反 應(yīng) 系 統(tǒng) 輸 入的 該 物 質(zhì) 的 新 鮮 量 之 比 值 。(3)平 衡 轉(zhuǎn) 化 率 （ x*） :以 反 應(yīng) 器 為 對(duì) 象 （ 體 系 ） ， 當(dāng) 反 應(yīng) 達(dá) 平 衡時(shí) 某 一 物 料 在 反 應(yīng) 器

34、 中 反 應(yīng) 掉 的 量 與 其 反 應(yīng) 前 的 量 之 比 值 。%100%100 11 32 AAA AAA nnn nnx 反總 %1002* AAnnx 反(4)三 種 轉(zhuǎn) 化 率 之 間 的 關(guān) 系 x單 x*、 x單 x總 、 x*與 x總 無(wú) 法 相 比 。 返 回 22:44 單 元 3化 工 過(guò) 程 物 料 衡 算 25 任 務(wù) 3 化 學(xué) 反 應(yīng) 過(guò) 程 的 物 料 衡 算一 、 轉(zhuǎn) 化 率 、 選 擇 性 、 收 率（ 二 ） 選 擇 性 （ S） 生 成 目 的 產(chǎn) 物 所 耗 某 反 應(yīng)物 的 量 與 該 反 應(yīng) 物 反 應(yīng) 掉 的 量的 比 值 ， 或 生 成 目

35、的 產(chǎn) 物 的 量與 反 應(yīng) 掉 的 原 料 所 能 生 成 的 目的 產(chǎn) 物 的 理 論 量 的 比 值 ， 即 : 當(dāng) 反 應(yīng) 系 統(tǒng) 屬 催 化 反 應(yīng) 系 統(tǒng) 時(shí) ， 用 選 擇 性 的 概 念 較 好 ， 此值 的 大 小 反 映 了 催 化 劑 的 性 能 的 好 壞 。 選 擇 性 也 有 的 教 材 稱(chēng) 之 為 產(chǎn) 率 。 %100)(%100%100 13232 1 adnn nnn dannnS AA DAADADA反反 返 回 22:44 單 元 3化 工 過(guò) 程 物 料 衡 算 26 任 務(wù) 3 化 學(xué) 反 應(yīng) 過(guò) 程 的 物 料 衡 算一 、 轉(zhuǎn) 化 率 、 選 擇

36、性 、 收 率（ 三 ） 收 率 （ Y）(1)摩 爾 收 率 （ 簡(jiǎn) 稱(chēng) 收 率 ） 單 程 收 率 （ Y單 ） 以 反 應(yīng) 器 為 體 系 ， 生 成 目的 產(chǎn) 物 所 耗 的 某 原 料 量 與 進(jìn)入 反 應(yīng) 器 的 該 原 料 量 之 比 值 ?；?生 成 目 的 產(chǎn) 物 的 量 與 進(jìn) 入反 應(yīng) 器 的 原 料 全 部 轉(zhuǎn) 化 為 目的 產(chǎn) 物 的 量 之 比 值 。 %100%100%100 122 12 adn nn dannnY A DADADA反單 22:44 單 元 3化 工 過(guò) 程 物 料 衡 算 27 任 務(wù) 3 化 學(xué) 反 應(yīng) 過(guò) 程 的 物 料 衡 算一 、 轉(zhuǎn)

37、化 率 、 選 擇 性 、 收 率（ 三 ） 收 率 （ Y）(1)摩 爾 收 率 （ 簡(jiǎn) 稱(chēng) 收 率 ） 總 收 率 （ Y總 ） 以 整 個(gè) 反 應(yīng) 系 統(tǒng) 為 體 系 ,生 成目 的 產(chǎn) 物 所 耗 的 某 原 料 量 與進(jìn) 入 反 應(yīng) 系 統(tǒng) 的 該 原 料 量(新 鮮 原 料 )之 比 值 。 或 生 成目 的 產(chǎn) 物 的 量 與 進(jìn) 入 反 應(yīng) 系統(tǒng) 的 原 料 全 部 轉(zhuǎn) 化 為 目 的 產(chǎn)物 的 量 之 比 值 。 %100%100%100 111 11 adn nn dannnY A DADADA反總 22:44 單 元 3化 工 過(guò) 程 物 料 衡 算 28 任 務(wù) 3 化

38、 學(xué) 反 應(yīng) 過(guò) 程 的 物 料 衡 算一 、 轉(zhuǎn) 化 率 、 選 擇 性 、 收 率（ 三 ） 收 率 （ Y）(2)質(zhì) 量 收 率 當(dāng) 反 應(yīng) 器 內(nèi) 發(fā) 生 的 反 應(yīng) 比 較 復(fù)雜 ,難 于 寫(xiě) 出 具 體 的 化 學(xué) 反 應(yīng) 方程 時(shí) ,比 如 重 油 加 氫 生 產(chǎn) 輕 油 時(shí) 。此 時(shí) 采 用 獲 得 的 產(chǎn) 品 的 質(zhì) 量 與進(jìn) 入 反 應(yīng) 器 或 反 應(yīng) 系 統(tǒng) 的 某 一物 料 的 質(zhì) 量 之 比 來(lái) 表 示 收 率 。 %1002 ADmmY單 質(zhì) 單 程 質(zhì) 量 收 率 （ Y單 質(zhì) ） 以 反 應(yīng) 器 為 體 系 ,生 成 的 目 的 產(chǎn) 物 的 質(zhì) 量 與 輸 入

39、反 應(yīng) 器 的 某一 物 料 的 質(zhì) 量 之 比 稱(chēng) 為 單 程 質(zhì) 量 收 率 ,即 : 22:44 單 元 3化 工 過(guò) 程 物 料 衡 算 29 任 務(wù) 3 化 學(xué) 反 應(yīng) 過(guò) 程 的 物 料 衡 算一 、 轉(zhuǎn) 化 率 、 選 擇 性 、 收 率（ 三 ） 收 率 （ Y）(2)質(zhì) 量 收 率 總 質(zhì) 量 收 率 （ Y總 質(zhì) ） 以 反 應(yīng) 系 統(tǒng) 為 體 系 ,生 成 的目 的 產(chǎn) 物 的 質(zhì) 量 與 輸 入 反 應(yīng)系 統(tǒng) 的 某 一 物 料 的 質(zhì) 量 之 比稱(chēng) 為 單 程 質(zhì) 量 收 率 ,即 :注 意 :當(dāng) 此 類(lèi) 反 應(yīng) 是 分 子 量 增 大 的 反 應(yīng) 時(shí) ,單 程 質(zhì)

40、量 收 率 和 總 質(zhì)量 收 率 有 可 能 大 于 1。 如 :原 料 分 子 量 134產(chǎn) 品 分 子 量 218.12 %100 1 ADmmY總 質(zhì) 返 回 22:44 單 元 3化 工 過(guò) 程 物 料 衡 算 30 任 務(wù) 3 化 學(xué) 反 應(yīng) 過(guò) 程 的 物 料 衡 算一 、 轉(zhuǎn) 化 率 、 選 擇 性 、 收 率（ 四 ） 轉(zhuǎn) 化 率 、 選 擇 性 、 收 率三 者 之 間 的 關(guān) 系 22 32 AAA AAA nnn nnx 反單 13232 1 )( adnn nnn dannnS AA DAADADA 反反 %100%100%100 122 12 adn nn dannn

41、Y A DADADA反單Y單 =xA單 S 22:44 單 元 3化 工 過(guò) 程 物 料 衡 算 31 任 務(wù) 3 化 學(xué) 反 應(yīng) 過(guò) 程 的 物 料 衡 算一 、 轉(zhuǎn) 化 率 、 選 擇 性 、 收 率（ 四 ） 轉(zhuǎn) 化 率 、 選 擇 性 、 收率 三 者 之 間 的 關(guān) 系 Y 總 =xA總 S 11 32 AAA AAA nnn nnx 反總 13232 1 )( adnn nnn dannnS AA DAADADA 反反 %100%100%100 111 11 adn nn dannnY A DADADA反總 22:44 單 元 3化 工 過(guò) 程 物 料 衡 算 32 任 務(wù) 3 化

42、 學(xué) 反 應(yīng) 過(guò) 程 的 物 料 衡 算三 率 計(jì) 算 :補(bǔ) 例 用 鄰 二 甲 苯 氣 相 催 化 氧 化 制 苯 酐 。 鄰 二 甲 苯 投 料 量 210kg/h,air量 4620Nm3/h。 反 應(yīng) 器 出 口 物 料 組 成 (mol%)為 :苯 酐 0.654%,順 酐 0.066%,鄰 二 甲 苯 0.030%,O216.53%,N277.75%,其 它 還 有 H2O、 CO2、 CO等 。 試 計(jì)算 鄰 二 甲 苯 轉(zhuǎn) 化 率 及 苯 酐 和 順 酐 的 收 率 及 選 擇 性 。解 ： 由 題 意 畫(huà) 出 過(guò) 程 示 意 圖計(jì) 算 基 準(zhǔn) ： 1小 時(shí) ;反 應(yīng) 式 ：C

43、6H4(CH3)2+3O2 C8H4O3+3H2O（ 1）2C6H4(CH3)2+9O2 4C4H2O3+6H2O（ 2） n 氧 氣 =4620/22.40.21=43.31kmol/h210kg/h鄰 二 甲 苯 所 需 理 論 氧 氣 量 ： 4.5210/106=8.915kmol/h43.31kmol/h所 以 空 氣 為 過(guò) 量 反 應(yīng) 物 ， 鄰 二 甲 苯 為 限 制 反 應(yīng) 物 。輸 入 反 應(yīng) 器 的 N2量 ： n氮 氣 =4620/22.40.79=162.94kmol/h由 氮 平 衡 得 產(chǎn) 物 總 量 PT： PT=162.94/0.7775=209.57 kmo

44、l/h產(chǎn) 物 中 各 物 質(zhì) 量 為 ：鄰 二 甲 苯 ： 209.570.0003=0.6287kmol/h=6.664kg/h苯 酐 ： 209.570.00654=1.3706kmol/h=202.84kg/h順 酐 ： 209.570.00066=0.1383kmol/h=13.55kg/h鄰 二 甲 苯 單 程 轉(zhuǎn) 化 率 ： (2106.664)/210=96.83% 22:44 單 元 3化 工 過(guò) 程 物 料 衡 算 33 任 務(wù) 3 化 學(xué) 反 應(yīng) 過(guò) 程 的 物 料 衡 算三 率 計(jì) 算 :補(bǔ) 例 7145.0106664.62103706.1 鄰 二 甲 苯 反苯 酐苯

45、酐 n nS苯 酐 選 擇 性 :(鄰 二 甲 苯 與 苯 酐 的 摩 爾 比 為 11)順 酐 選 擇 性 ：(鄰 二 甲 苯 與 順 酐 的 摩 爾 比 為12) 03605.0106664.6210 5.01383.05.0 鄰 二 甲 苯 反順 酐順 酐 nnS苯 酐 單 程 收 率 ： Y苯 酐 單 =x單 S苯 酐 =96.83%0.7145=69.19% 順 酐 單 程 收 率 ： Y順 酐 單 =x單 S順 酐 =96.83%0.03605=3.49% 6918.01062103706.1 鄰 二 甲 苯苯 酐苯 酐 單 nnY 0.1383 0.5 0.0349210106n

46、Y n 順 酐順 酐 單 鄰 二 甲 苯 22:44 單 元 3化 工 過(guò) 程 物 料 衡 算 34 任 務(wù) 3 化 學(xué) 反 應(yīng) 過(guò) 程 的 物 料 衡 算三 率 計(jì) 算 :例 3-6如 : 乙 烯 氧 化 制 環(huán) 氧 乙 烷 的 反 應(yīng)CH2=CH2+1/2O2 =CH2-CH2O (主 反 應(yīng) )CH2=CH2+3O22CO2+2H2O (副 反 應(yīng) )已 知 :nA2=100kg, nA3=20kg, nA1=81.63kg mD=100kg,xA單 =(nA2 nA3)/nA2=(100-20)/100=80%xA總 =(nA2 nA3)/nA1=(100-20)/81.63=98.0

47、%m D=100kgnD=100/44=2.273kmol nDA反 = 2.273 28=63.64kgS=63.64/80=79.55%Y單 =nDA反 /nA2=63.64/100= 63.64%或 mid=(nA2/28) 44=157.14kg Y單 =mD/mid=100/157.14= 63.64%或 Y單 =xA單 S=80% 79.55% = 63.64%Y總 =nDA反 /nA1=63.64/81.63=77.96%或 mid=(nA1/28)44=(81.63/28)44=128.28kgY總 =mD/mid=100/128.28= 77.96%或 Y總 =xA總 S=9

48、8% 79.55% = 77.96%Y單 質(zhì) = mD/nA2=100/100= 100%Y總 質(zhì) = mD/nA1=100/81.63=122.5% 返 回 22:44 單 元 3化 工 過(guò) 程 物 料 衡 算 35 任 務(wù) 3 化 學(xué) 反 應(yīng) 過(guò) 程 的 物 料 衡 算三 、 簡(jiǎn) 單 反 應(yīng) 系 統(tǒng) 的 物 料 衡 算 （ 一 ） 直 接 求 解 法 (1)條 件 寫(xiě) 出 明 確 的 化 學(xué) 反 應(yīng) 方 程 式 ; 已 知 三 率 等 。 (2)衡 算 式 根 據(jù) 化 學(xué) 反 應(yīng) 方 程 式 的 化 學(xué) 計(jì) 量 系 數(shù) 之 間 的 關(guān) 系 ; 三 率 、 過(guò) 量 百 分 數(shù) 等 表 達(dá) 式

49、 。 (3)計(jì) 算 基 準(zhǔn) 通 常 采 用 某 種 原 料 （ 往 往 是 限 制 反 應(yīng) 物 ） 為 基 準(zhǔn) 。 (4)計(jì) 算 舉 例 ,例 3-3-2 1000kg對(duì) 硝 基 氯 苯 ClC 6H4NO2用 含 20%游 離 SO3的 發(fā)煙 硫 酸 磺 化 ， 規(guī) 定 反 應(yīng) 終 點(diǎn) 時(shí) ， 廢 酸 中 含 游 離 SO37%（ 假 定 反 應(yīng) 轉(zhuǎn) 化 率為 100%） 。 反 應(yīng) 式 如 下 ：ClC6H4NO2+SO3 ClC6H3(SO3H)NO2試 計(jì) 算 ： （ 1） 20%SO3的 發(fā) 煙 硫 酸 用 量 ； （ 2） 廢 酸 生 成 量 ； （ 3） 對(duì) 硝 基 氯苯 磺 酸

50、 生 成 量 。解 ： 以 1kmol對(duì) 硝 基 氯 苯 為 計(jì) 算 基 準(zhǔn) ， 所 需 20%游 離 SO3量 為 xkg 22:44 單 元 3化 工 過(guò) 程 物 料 衡 算 36 任 務(wù) 3 化 學(xué) 反 應(yīng) 過(guò) 程 的 物 料 衡 算一 、 簡(jiǎn) 單 反 應(yīng) 系 統(tǒng) 的 物 料 衡 算 5（ 一 ） 直 接 求 解 法 (4)計(jì) 算 舉 例 ,例 3-7組 分 ClC6H4NO2 SO3 H2SO4 ClC6H3(SO3H)NO2分 子 量 157.5 80 98 237.5輸 入 量 :對(duì) 硝 基 氯 苯 1kmol=157.5kg;發(fā) 煙 硫 酸 其 中 SO3 0.2xkg、 H2S

51、O40.8xkg輸 出 量 :對(duì) 硝 基 氯 苯 磺 酸 1kmol=237.5kg廢 酸 其 中 SO3 0.2x80 kg、 H2SO40.8xkg已 知 廢 酸 中 含 SO 37%解 得 ： x=572.3kg將 以 上 計(jì) 算 結(jié) 果 折 合 成 以 1000kg對(duì) 硝 基 氯 苯 為 計(jì) 算 基 準(zhǔn) ,乘 上 比 例 系 數(shù)1000/157.5=6.3492,則 ：（ 1） 20%SO3的 發(fā) 煙 硫 酸 用 量 ： 572.36.3492=3633.7kg（ 2） 廢 酸 生 成 量 ： (572.380)6.3492=3125.7kg（ 3） 對(duì) 硝 基 氯 苯 磺 酸 生 成

52、 量 ： 237.56.3492=1507.9kg驗(yàn) 算 :輸 入 量 1000+3633.7=4633.7kg、 輸 出 量 3125.7+1507.9=4633.6kg 符 合%78.0)802.0( 802.0 xx x 返 回 22:44 單 元 3化 工 過(guò) 程 物 料 衡 算 37 任 務(wù) 3 化 學(xué) 反 應(yīng) 過(guò) 程 的 物 料 衡 算三 、 簡(jiǎn) 單 反 應(yīng) 系 統(tǒng) 的 物 料 衡 算（ 二 ） 元 素 衡 算 法(1)適 用 場(chǎng) 合 反 應(yīng) 體 系 復(fù) 雜 ， 難 于 正 確 寫(xiě) 出 或 根 本 無(wú) 法 寫(xiě) 出 體 系 中 具 體 的化 學(xué) 反 應(yīng) 方 程 式 及 各 反 應(yīng) 所

53、 占 的 比 例 等 。(2)衡 算 式 各 元 素 平 衡(3)計(jì) 算 舉 例 例 3-3-3甲 烷 、 乙 烷 與 水 蒸 汽 用 鎳 催 化 劑 進(jìn) 行 轉(zhuǎn) 化 反 應(yīng) 生 成 合成 氣 ， 反 應(yīng) 器 出 口 氣 體 組 成 （ 干 基 ） 為 ： 組 分 CH 4 C2H6 CO CO2 H2mol% 4.6 2.5 18.6 4.6 69.7假 定 原 料 中 只 含 CH4和 C2H6兩 種 成 份 ， 則 求 這 兩 種 氣 體 的 摩 爾比 為 多 少 ？ 每 1000Nm3原 料 氣 需 要 多 少 kg水 蒸 汽 參 加 反 應(yīng) ？ 22:44 單 元 3化 工 過(guò) 程

54、物 料 衡 算 38 三 、 簡(jiǎn) 單 反 應(yīng) 系 統(tǒng) 的 物 料 衡 算（ 二 ） 元 素 衡 算 法 (3)例 3-8解 :計(jì) 算 基 準(zhǔn) 100kmol干 燥 產(chǎn) 物 氣 體 ,由 題 意 畫(huà) 出 過(guò) 程 示 意 圖 列 元 素 衡 算 式O原 子 S=18.6+24.6=27.8kmol （ 1）C原 子 M+2E=4.6+22.5+18.6+4.6=32.8kmol （ 2）H原 子 4M+6E+2S=44.6+62.5+269.7=172.8kmol （ 3）解 上 述 方 程 組 得 ：S=27.8kmol/100kmol干 燥 產(chǎn) 物 氣 體M=18.8kmol/100kmol干

55、 燥 產(chǎn) 物 氣 體E=7.0kmol/100kmol干 燥 產(chǎn) 物 氣 體因 此 原 料 中 CH 4/C2H6 mol比 為 ： M/E=18.8/7.0=2.691000Nm3原 料 氣 所 需 參 與 反 應(yīng) 的 水 蒸 汽 量 為 ： kg9.865180.78.18 8.27643.44184.221000 EMS 返 回 22:44 單 元 3化 工 過(guò) 程 物 料 衡 算 39 任 務(wù) 3 化 學(xué) 反 應(yīng) 過(guò) 程 的 物 料 衡 算三 、 簡(jiǎn) 單 反 應(yīng) 系 統(tǒng) 的 物 料 衡 算（ 三 ） 利 用 聯(lián) 系 組 分 作 衡 算 聯(lián) 系 組 分 即 不 參 與 反 應(yīng) 的 惰 性

56、 組 分 。 當(dāng) 系 統(tǒng) 中 同 時(shí) 存 在幾 個(gè) 聯(lián) 系 組 分 時(shí) ， 應(yīng) 選 擇 數(shù) 量 級(jí) 較 大 的 聯(lián) 系 組 分 作 衡 算 式 ，以 免 造 成 較 大 的 誤 差 。例 3-9已 知 一 段 轉(zhuǎn) 化 爐 出 口 氣 量 為 90000Nm3/h， 組 成 為 ： 組 分 H 2 N2 CO CO2 CH4 Ar一 段 出 口 氣 71.00 0.50 5.50 14.00 9.00 /二 段 出 口 氣 58.43 21.30 8.44 11.36 0.20 0.27求 :(1)二 段 出 口 氣 量 ?(2)二 段 爐 中 加 入 的 空 氣 量 ?(空 氣 組成 :O2=

57、21%,N2=78%,Ar=1%);(3)在 二 段 爐 中 是 水 蒸 汽 分 解 為 氫 ，還 是 氫 被 氧 化 為 水 ?求 分 解 的 水 或 氧 化 的 氫 量 為 多 少 ? 22:44 單 元 3化 工 過(guò) 程 物 料 衡 算 40 任 務(wù) 3 化 學(xué) 反 應(yīng) 過(guò) 程 的 物 料 衡 算三 、 簡(jiǎn) 單 反 應(yīng) 系 統(tǒng) 的 物 料 衡 算（ 三 ） 利 用 聯(lián) 系 組 分 作 衡 算 例 3-9解 :取 1小 時(shí) 為 計(jì) 算 基 準(zhǔn)（ 1） 由 C平 衡 可 得 :90000(0.0550+0.1400+0.900)=V2(0.0850+0.1130+0.0020) V2=128

58、250Nm3/h（ 2） 由 N平 衡 得 :900000.0005+Vair0.78=1282500.2130 Vair=34445.2Nm3/h（ 若 采 用 Ar平 衡 ,則 :0.01Vair=0.0027V2 Vair=34627.5Nm3/h,相 差182.3Nm3/h）（ 3） 干 氣 中 的 H平 衡 :一 段 轉(zhuǎn) 化 氣 中 含 H:(V H2)1=90000(0.7100+20.0900)=80100 Nm3/h二 段 轉(zhuǎn) 化 氣 中 含 H:(VH2)2=128250(0.5843+20.0020)=75449.5 Nm3/h則 :(VH2)2 (VH2)1， 說(shuō) 明 有

59、 H2被 氧 化 為 H2O被 氧 化 的 H2為 :(VH2)1(VH2)2=8010075449.5=4650.5 Nm3/h 返 回 22:44 單 元 3化 工 過(guò) 程 物 料 衡 算 41 任 務(wù) 3 化 學(xué) 反 應(yīng) 過(guò) 程 的 物 料 衡 算三 、 簡(jiǎn) 單 反 應(yīng) 系 統(tǒng) 的 物 料 衡 算（ 四 ） 利 用 化 學(xué) 平 衡 進(jìn) 行 衡 算 (1)適 用 條 件 正 確 寫(xiě) 出 化 學(xué) 反 應(yīng) 方 程 式 ; 已 知 化 學(xué) 反 應(yīng) 的 平 衡 常 數(shù) 。此 類(lèi) 計(jì) 算 ,往 往 出 現(xiàn) 非 線 性 方 程 或 方 程 組 ,需 借 助 計(jì) 算 機(jī) 編 程 計(jì) 算 。 (2)計(jì) 算

60、 舉 例 ,例 3-10在 接 觸 法 硫 酸 生 產(chǎn) 中 ,SO2被 氧 化 為 SO3。 反 應(yīng) 式為 :SO 2+1/2O2SO3,氧 化 過(guò) 程 的 溫 度 為 570 ,壓 力 為 1.1atm。輸 入 氣 體 的 組 成 (mol%)為 :SO28%、 O29%、 N283%。 計(jì) 算 達(dá)到 平 衡 時(shí) 的 轉(zhuǎn) 化 率 及 平 衡 組 成 (已 知 570 的 平 衡 常 數(shù) Kp為 14.9)解 :基 準(zhǔn) 為 1mol輸 入 氣 體 ,設(shè) SO2平 衡 轉(zhuǎn) 化 率 為 x,則 反 應(yīng) 前 后 各 組分 的 量 如 下 表 : 22:44 單 元 3化 工 過(guò) 程 物 料 衡 算

61、42 任 務(wù) 3 化 學(xué) 反 應(yīng) 過(guò) 程 的 物 料 衡 算三 、 簡(jiǎn) 單 反 應(yīng) 系 統(tǒng) 的 物 料 衡 算（ 四 ） 利 用 化 學(xué) 平 衡 進(jìn) 行 衡 算組 分 輸 入 項(xiàng) 輸 出 項(xiàng)mol數(shù) mol% mol數(shù) mol%SO2 0.08 8 0.08(1x) 0.08(1x)/(10.04x)O2 0.09 9 0.090.50.08x (0.090.04x)/(10.04x)SO 3 / / 0.08x 0.08x/(10.04x)N2 0.83 83 0.83 0.83/(10.04x)總 計(jì) 1 100 10.04x 100因 反 應(yīng) 系 統(tǒng) 處 于 常 壓 下 ， 故 系 統(tǒng)

62、內(nèi) 的 各 氣 體 可 視 為 理 想 氣 體 。由 平 衡 常 數(shù) 表 達(dá) 式 得 ： 32 2SOSO O (1)p pK p p將 各 分 壓 代 入 (1)式 得 : 0.081 0.04 (2)0.08(1 ) 0.09 0.041 0.04 1 0.04p pxK x xp px x 22:44 單 元 3化 工 過(guò) 程 物 料 衡 算 43 任 務(wù) 3 化 學(xué) 反 應(yīng) 過(guò) 程 的 物 料 衡 算三 、 簡(jiǎn) 單 反 應(yīng) 系 統(tǒng) 的 物 料 衡 算（ 四 ） 利 用 化 學(xué) 平 衡 進(jìn) 行 衡 算例 3-10將 Kp=14.9、 p=1.1atm代 入 (2)式 整 理 得 ：10.

63、705284x344.6675 x2+59.0991 x24.1769=0采 用 Newton迭 代 法 解 得 ： x=0.793;故 計(jì) 算 結(jié) 果 為 ：0.081 0.04 (2)0.08(1 ) 0.09 0.041 0.04 1 0.04p pxK x xp px x 組 分 輸 入 項(xiàng) 輸 出 項(xiàng)mol數(shù) mol% mol數(shù) mol%SO 2 0.08 8 0.08(10.793)=0.01656 1.71O2 0.09 9 0.090.040.793=0.05828 6.02SO3 / / 0.080.793=0.06344 6.55N2 0.83 83 0.83 85.72總

64、 計(jì) 1 100 10.040.793=0.96828 100.00返 回 22:44 單 元 3化 工 過(guò) 程 物 料 衡 算 44 任 務(wù) 3 化 學(xué) 反 應(yīng) 過(guò) 程 的 物 料 衡 算四 、 復(fù) 雜 反 應(yīng) 系 統(tǒng) 的 物 料 衡 算 圖 3-3-3中 R/W（ 或 R/F、 R/MF） 稱(chēng) 為 循 環(huán) 比 。 其 包 括 了 5個(gè) 衡 算體 系 ， 每 個(gè) 衡 算 體 系 各 物 料 之 間 的 關(guān) 系 為 ：總 物 料 衡 算 F=P+W反 應(yīng) 器 物 料 衡 算 MF=RP(只 能 適 用 于 kg為 單 位 )分 離 器 物 料 衡 算 RP=S+P結(jié) 點(diǎn) A（ 混 合 器 ）

65、物 料 衡 算 F+R=MF結(jié) 點(diǎn) B（ 分 流 器 ） 物 料 衡 算 S=W+R 通 常 對(duì) 有 循 環(huán) 過(guò) 程 的 物 料 衡 算 ， 若 已 知 總 轉(zhuǎn) 化 率 ， 可 先 做 總 物 料 衡 算 ； 若 已 知 單 程 轉(zhuǎn) 化 率 ， 則 可 先 從 反 應(yīng) 器 衡 算 做 起 。 22:44 單 元 3化 工 過(guò) 程 物 料 衡 算 45 任 務(wù) 3 化 學(xué) 反 應(yīng) 過(guò) 程 的 物 料 衡 算四 、 復(fù) 雜 反 應(yīng) 過(guò) 程 的 物 料 衡 算 例 3-11 乙 烯 氧 化 制 環(huán) 氧 乙 烷 ， 其 生 產(chǎn) 流 程 如 圖 3-10所 示 。 已 知新 鮮 原 料 中 乙 烯 空

66、氣 =1 10， 乙 烯 單 程 轉(zhuǎn) 化 率 為 55%， 吸 收塔 出 口 氣 體 總 量 的 65%循 環(huán) 返 回 反 應(yīng) 器 。 計(jì) 算 ： 總 轉(zhuǎn) 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(jì) 算 新 鮮 原 料 中 乙 烯 與 空 氣 的 比 例 和 單 程 轉(zhuǎn) 化 率 。假 設(shè) 此 反 應(yīng) 系 統(tǒng) 中 只 發(fā) 生 乙 烯 氧 化 生 成 環(huán) 氧 乙 烷 的 單 一 主 反 應(yīng) 。 22:44 單 元 3化 工 過(guò) 程 物 料 衡 算 46 任 務(wù) 3 化 學(xué) 反 應(yīng) 過(guò) 程 的 物 料 衡 算四 、 復(fù) 雜 反 應(yīng) 過(guò) 程 的 物 料 衡 算 例 3-11 新 鮮 原 料 C2H4:air=1:10,x單 55%,吸 收 塔 出 口 氣 65%循 環(huán) 返 回 。 計(jì) 算 : 總 轉(zhuǎn) 化率 、 各 流 股 物 料 量 及 排 放 物 料 W組 成 。解 ： 反 應(yīng) 式 C 2H4+1/2O2 C2H4O 以 10mol新 鮮 原