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第 6 节 物料衡算

§3-6 化工过程的物料衡算. 第 6 节 物料衡算. （一）物料衡算的基本方法 （二）无化学反应的物料衡算 （三）反应过程的物料衡算 （四）过程的物料衡算. §3-6 化工过程的物料衡算. （一）物料衡算的基本方法. 1 、物料衡算进行的步骤 2 、物料衡算式 3 、物料衡算的基准. §3-6 化工过程的物料衡算. （一）物料衡算的基本方法. 1 、物料衡算进行的步骤. ⑴画出物料衡算示意图 ( 如方框图 ) ⑵ 写出化学反应方程式（包括主反应和副反应） ⑶列出已知数据和由物料平衡所需要求解的问题

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第 6 节 物料衡算

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Presentation Transcript

  1. §3-6 化工过程的物料衡算 第6节 物料衡算 （一）物料衡算的基本方法 （二）无化学反应的物料衡算 （三）反应过程的物料衡算 （四）过程的物料衡算

  2. §3-6 化工过程的物料衡算 （一）物料衡算的基本方法 1、物料衡算进行的步骤 2、物料衡算式 3、物料衡算的基准

  3. §3-6 化工过程的物料衡算 （一）物料衡算的基本方法 1、物料衡算进行的步骤 ⑴画出物料衡算示意图(如方框图) ⑵写出化学反应方程式（包括主反应和副反应） ⑶列出已知数据和由物料平衡所需要求解的问题 ⑷决定系统的边界.即根据由物料平衡所需要求解的问题,确定计算范围. ⑸选定计算基准 ⑹收集计算所需要的数据 ⑺进行物料衡算 ⑻将物料衡算结果列成物料平衡表，画出物料平衡图

  4. §3-6 化工过程的物料衡算 （一）物料衡算的基本方法 2、物料衡算式 • 物料衡算是研究某一个体系内进、出物料量及组成的变化 • 所谓体系就是物料衡算的范围，它可以根据实际需要人为的选定。体系可以是一个设备或几个设备，也可以是一个单元操作或整个化工过程。 • 进行物料衡算时，必须首先确定衡算的体系。根据质量守恒定律，对某一个体系，输入体系的物料量应该等于输出物料量与体系内积累量之和。所以，物料衡算的基本关系式应该表示为：

  5. §3-6 化工过程的物料衡算 （一）物料衡算的基本方法 体系中积累=输入－输出+生成－消耗 • 式中生成或消耗是因反应而生成或消耗的量;积累项可正可负.当积累项不为零时，称为非稳定过程;积累项为零时,称为稳定过程. • 稳定过程: 输入=输出－生成+消耗 • 对无反应的稳定过程: 输入=输出

  6. §3-6 化工过程的物料衡算 （一）物料衡算的基本方法 • 如图，共有三个流股，进料F及出料P和W。有两个组分。每个流股的流量及组成如图所示。图中x为质量分数。 • 可列出物料衡算式： • 总物料衡算式F = P + W • 每种组分衡算式F·xf1 = P·xp1 + W·xw1 • F·xf2 = P·xp2 + W·xw2

  7. §3-6 化工过程的物料衡算 （一）物料衡算的基本方法 物料平衡形式（稳态过程）

  8. §3-6 化工过程的物料衡算 （一）物料衡算的基本方法 3、物料衡算的基准 • 基准选得适当可是计算简化。究竟采用什么作基准视具体情况而定，不宜硬性规定，可建议： • 以1t产品为基准 • 以1mol某反应物为基准 • 在连续操作中，以单位时间，即㎏/h或kmol/h作基准；在间歇操作中，以㎏/批为基准 • 有化学变化的过程，适宜采用重量作基准；无化学变化的过程，以重量或kmol/h为基准 • 对于液固系统常用单位质量作基准，而其相常用单位体积作基准

  9. 组成 CO2 CO H2 N2 CH4 合计 ％(mol) 28.56 1.2 52.61 17.05 0.575 100 kmol 54.30 2.29 100.04 32.43 1.093 190.99 60000×0.6×1.05 300×24 解:小时产量为 =5.25t/h §3-6化工过程的物料衡算 （一）物料衡算的基本方法 • 某尿素厂的生产能力为6万t尿素/a,年操作日300d，尿素的氨耗为0．6t氨/t尿素，生产过程的氨损失按5％考虑，已知以1t氨为基准的某股气体的组成和量如下表所示。 列出该股气体的组成和流量表.

  10. 组成 CO2 CO H2 N2 CH4 合计 ％(mol) 28.56 1.2 52.61 17.05 0.575 100 kmol/h 285.1 12.02 525.2 170.2 5.74 998.3 §3-6 化工过程的物料衡算 （一）物料衡算的基本方法 以1t氨为基准的各组分的kmol量乘以5.25所得结果为流量. 气体的流量和组成如下表所示:

  11. §3-6 化工过程的物料衡算 （二）无化学反应的物料衡算 • 在化工过程中，一些只有物理变化，不发生化学反应的单元操作，如混合、蒸馏、蒸发、干燥、吸收、结晶、萃取等 • 这些过程都可以根据物料衡算式，列出总物料和各组分的衡算式，再用代数法求解。 1、简单过程的物料衡算 2、多单元系统

  12. §3-6 化工过程的物料衡算 （二）无化学反应的物料衡算 1、简单过程的物料衡算 • 简单过程是指仅有一个设备或一个单元操作或整个过程简化成一个设备的过程。这种过程的物料衡算比较简单，在物料流程简图中，设备边界就是体系边界。 • 下面举例说明计算步骤和计算方法。 • 一种废酸，组成为23％(质量％)HNO3，57％H2SO4和20％H2O，加入93％的H2SO4及90％的浓HNO3，要求混合成27％HNO3及60％H2SO4的混合酸，计算所需废酸及加入浓酸的数量。

  13. §3-6 化工过程的物料衡算 （二）无化学反应的物料衡算 解：设x为废酸量，kg； y为浓H2SO4量，kg； z为浓HNO3量, ㎏ ⑴画物料流程简图

  14. §3-6 化工过程的物料衡算 （二）无化学反应的物料衡算 • ⑵选择基准:可以选废酸或浓酸的量为基准，也可以用混合酸的量为基准，因为四种酸的组成均已知，选任何一种作基准计算都很方便。 • ⑶列物料衡算式，该体系有3种组分，可以列出3个独立方程，所以能求出3个未知量。 • 基准：100kg混合酸 • 总物料衡算式x + y+z=100 (1)

  15. §3-6 化工过程的物料衡算 （二）无化学反应的物料衡算 H2SO4的衡算式 0.57x + 0.93y=100×0.6=60 (2) HNO3的衡算式 0.23x + 0.90z=100×0.27=27 (3) 解(1)，(2)，(3)方程，得x=41.8kg废酸 y = 39kg浓H2SO4 z = 19.2kg浓HNO3 即由41.8kg废酸、39kg浓H2SO4和19.2kg浓HNO3可以混合成100kg混合酸。

  16. §3-6 化工过程的物料衡算 （二）无化学反应的物料衡算 2、多单元系统 • 对有多个设备的过程，进行物料衡算时，可以划分多个衡算体系。此时，必须选择恰当的衡算体系，这是很重要的步骤。不然会使计算繁琐，甚至无法求解。 • 造纸厂的碱回收工序有一个四效蒸发器,供料方式为Ⅲ→Ⅳ→Ⅱ→Ⅰ,蒸发器的总处理量为80000㎏/h造纸废液(黑液).计算总蒸发水量和每一效蒸发器的蒸发水量.

  17. §3-6 化工过程的物料衡算 （二）无化学反应的物料衡算 四效蒸发系统的物料平衡

  18. §3-6 化工过程的物料衡算 （二）无化学反应的物料衡算 • 将整个系统简化为一个单元，可计算出总蒸发量 • FX进=（F进-W）X出 则总蒸发水量为

  19. §3-6 化工过程的物料衡算 （二）无化学反应的物料衡算 第三效蒸发水量为 进入第Ⅳ的料液量　　80000-12600=67400kg/h 则第Ⅳ效的蒸发水量WⅣ为 类推得：ＷⅡ＝15000kg/h ＷⅠ＝18100kg/h

  20. §3-6 化工过程的物料衡算 （三）反应过程的物料衡算 1、直接计算法 • 在物料衡算中,根据化学反应式,运用化学计量系数进行计算的方法,称为直接计算法 • 甲醇氧化制甲醛,其反应过程为 CH3OH + 1/2O2 →HCHO + H2O 反应物及生成物均为气态．甲醇的转化率为75％，若使用50％的过量空气，试计算反应后气体混合物的摩尔组成．

  21. CH3OH HCHO H2O O2 N2 CH3OH 催化反应器 空气 （过量50%) §3-6 化工过程的物料衡算 （三）反应过程的物料衡算 解：画出流程示意图，如下图： 基准：1mol CH3OH 根据反应式，需氧＝0.5 氧入=0.5×1.5=0.75 氮入＝氮出＝0.75×(79/21)=2.82

  22. 组分　　　CH3OH HCHO H2O O2 N2　总计 mol 0.250 0.750 0.750 0.375 2.820 4.945 摩尔分数（％） 5.0 15.2 15.2 7.6 57.0 100.0 §3-6化工过程的物料衡算 （三）反应过程的物料衡算 • 反应的甲醇量＝0.75×1=0.75 • 甲醛的出量＝0.75 甲醇的出量＝1－0.75=0.25 • 氧的出量＝0.75－0.75×0.5=0.375 • 水的出量＝0.75 • 计算结果如下表：

  23. §3-6化工过程的物料衡算 （三）反应过程的物料衡算 ２、元素衡算法 • 元素衡算是物料衡算的一种重要形式。在作这类衡算时，并不需要考虑具体的化学反应，而是按照元素种类被转化及重新组合的概念表示为 • 输入(某种元素)＝输出(同种元素) • 对反应过程中化学反应很复杂，无法用一、两个反应式表示的物料衡算题，可以列出元素衡算式，用代数法求解。

  24. §3-6化工过程的物料衡算 （三）反应过程的物料衡算 ３、用联系组分作衡算 • “联系组分”是指随物料输入体系，但完全不参加反应，又随物料从体系输出的组分，在整个反应过程中，它的数量不变． • 如果体系中存在联系组分，那么输入物料和输出物料之间就可以根据联系组分的含量进行关联。例如，F、P分别为输入、输出物料，T为联系组分。T在F中的质量分数为XFT，在P中的质量分数为XPT，则F与P之间的关系为 FXFT =PXPT

  25. 分流B B 分流A A 分流C ⊙ ⊙ C 节点 节点 节点示意图 §3-6 化工过程的物料衡算 （三）反应过程的物料衡算 ４、以节点进行计算 • 以流程中某一点的汇聚或分支处的交点，即节点来进行计算可使计算简化，如原料加入到循环系统中、物料的混合、溶液的配制以及精流塔塔顶回流和产品取出等，均需采用节点来进行计算

  26. §3-6 化工过程的物料衡算 （三）反应过程的物料衡算 ５、利用反应速率进行物料衡算 • 在以物质的量（摩尔）或质量进行衡算时，由于发生了化学反应，将输入与输出速率之差RC定义为物质C的量（摩尔）生成速率，即 • RC=F C，输入- F C，输出 • 因此，化学反应过程的物料衡算式可写成 • F C，输出 = F C，输入- RC

  27. 循环Ｈ2 新鲜Ｈ2 产物 混合器 反应器 泠凝器 3%H2 80%Ｈ2 20%C6H6 纯C6H6 §3-6 化工过程的物料衡算 （四）过程的物料衡算 1、循环过程 • 例如在生产 中一般将未反应的原料与产品先分离，后循环返回原料进口处，与新原料一起再进入反应器反应 • 例如苯直接加氢转化环己烷中的循环过程：

  28. §3-6 化工过程的物料衡算 （四）过程的物料衡算 1、循环过程 • 在没有循环时，一系列单元步骤的物料衡算可按顺序依次进行，每次可取一个单元．但是，如果有循环的话，由于循环量并不知道，所以逐次计算并不能计算出循环量． • 试差法：假定一个循环量估计值进行计算，将估计值与计算值比较，若不符，重新假定一个估计值，一直计算到估计值与计算值之差在一定的误差范围内． • 代数解法：在循环存在时，列出物料平衡方程式，并求解一般方程式中以循环量作为未知数，应用联立方程式的方法进行求解．

  29. §3-6 化工过程的物料衡算 （四）过程的物料衡算 苯直接加氢转化环己烷中的循环过程的衡算 解：反应为：C6H6+3H2→C6H12 基准：100kmol/h环己烷 查苯的转化率为99% 则生产100kmol/h环己烷需苯 100／0.99=101.01kmol/h 未反应的苯为 101.01-100=1.01kmol/h 产物中含H2,设含量为nH2

  30. §3-6 化工过程的物料衡算 （四）过程的物料衡算 总产量＝100+1.01+3.12=104.13kmol/h 其摩尔分数为 H2的进料率为 100×3＋3.12=303.12kmol/h 苯的进料率为　101.01kmol/h 设H2循环量为R R=100.92kmol/h

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