第九章物料衡算.pptx

n第一节第一节 概述概述n第二节第二节 物理过程的物料衡算物理过程的物料衡算n第三节第三节 化学过程的物料衡算化学过程的物料衡算n第四节第四节 连续过程的物料衡算连续过程的物料衡算n第五节第五节 物料流程图物料流程图学习目标和重点n重点重点：物料衡算的作用、任务物料衡算的作用、任务物料衡算一般工程式及基本概念，物料衡算方法及步骤物料衡算一般工程式及基本概念，物料衡算方法及步骤物理过程的物料衡算（吸收过程的物料衡算，整流过程的物料物理过程的物料衡算（吸收过程的物料衡算，整流过程的物料衡算，干燥过程的物料衡算，萃取过程的物料衡算）衡算，干燥过程的物料衡算，萃取过程的物料衡算）化学反应过程的物料衡算（简单的反应器，复杂的反应器）化学反应过程的物料衡算（简单的反应器，复杂的反应器）连续的物料衡算（串联，并联和旁路，循环）连续的物料衡算（串联，并联和旁路，循环）n基本要求基本要求：掌握物理过程的物料衡算掌握物理过程的物料衡算掌握化学反应过程的物料衡算掌握化学反应过程的物料衡算熟悉连续的物料衡算熟悉连续的物料衡算熟悉物料流程图熟悉物料流程图第一节第一节 概述概述n生产中的两大问题：生产中的两大问题：新产品的工艺流程或生产设备的设计和改造新产品的工艺流程或生产设备的设计和改造 实际操作过程的分析和控制实际操作过程的分析和控制n物料衡算是工艺设计的基础，是车间工艺设计物料衡算是工艺设计的基础，是车间工艺设计中最先完成的一个计算项目，其结果是后续的中最先完成的一个计算项目，其结果是后续的车间热量衡算、设备工艺设计与选型、确定原车间热量衡算、设备工艺设计与选型、确定原材料消耗定额、进行管路设计等各种设计项目材料消耗定额、进行管路设计等各种设计项目的依据。的依据。n一、物料衡算的作用和任务物料衡算的作用和任务n二、物料衡算的类型二、物料衡算的类型n三、物料衡算的基本理论三、物料衡算的基本理论n四、物料衡算的基本方法和步骤四、物料衡算的基本方法和步骤n五、计算数据说明五、计算数据说明一、物料衡算的作用和任务一、物料衡算的作用和任务1、目的、目的（1）制定物系，且能找出该物系衡算的界限）制定物系，且能找出该物系衡算的界限 物系：人为规定一个过程的全部或它的某一部分作为完整物系：人为规定一个过程的全部或它的某一部分作为完整的研究对象，也称体系或系统的研究对象，也称体系或系统（2）解释开放与封闭物系之间的差异）解释开放与封闭物系之间的差异（3）写出一般物料衡算中所用相关的内容，包括）写出一般物料衡算中所用相关的内容，包括反应式、进出物料量等反应式、进出物料量等（4）引入的单元操作不发生累积、不生成或消耗、）引入的单元操作不发生累积、不生成或消耗、不发生质量的进入或流出的情况不发生质量的进入或流出的情况（5）列出输入）列出输入=输出等式，利用物料衡算确定各输出等式，利用物料衡算确定各物质的量物质的量（6）解释某一化合物进入物系的质量和该化合物）解释某一化合物进入物系的质量和该化合物离开物系的情况离开物系的情况2、意义意义（1）通过物料衡算可以知道原料、产品、副产品及中间）通过物料衡算可以知道原料、产品、副产品及中间产品之间量的关系，从而计算出原料的转化率、产品产品之间量的关系，从而计算出原料的转化率、产品的收率、物料损失情况及原料的消耗定额。的收率、物料损失情况及原料的消耗定额。（2）通过物料衡算得到的数据是设计或选择设备类型、）通过物料衡算得到的数据是设计或选择设备类型、台数和尺寸的依据，以便对设备作进一步的计算。台数和尺寸的依据，以便对设备作进一步的计算。（3）对新建车间、工段或装置的生产工艺指标进行预）对新建车间、工段或装置的生产工艺指标进行预估，对化工过程和设备进行设计。估，对化工过程和设备进行设计。3、常见的数量和质量标准、常见的数量和质量标准 量：产量、流量、消耗量、排出量、投料量、损量：产量、流量、消耗量、排出量、投料量、损失量、循环量失量、循环量 度：纯度、浓度、分离度度：纯度、浓度、分离度 比：配料比、循环比、固液比、气液比、回流比比：配料比、循环比、固液比、气液比、回流比 率：转化率、单程收率、产率、回收率、利用率率：转化率、单程收率、产率、回收率、利用率二、物料衡算的类型二、物料衡算的类型n按照物质量的变化过程来分按照物质量的变化过程来分（1）物理过程的物料衡算：混合过程和分离过程；）物理过程的物料衡算：混合过程和分离过程；（2）化学过程的物料衡算：化学反应，可用组分平衡）化学过程的物料衡算：化学反应，可用组分平衡态和化学平衡以及化学反应速率、转化率、产物收率态和化学平衡以及化学反应速率、转化率、产物收率等计算。等计算。n按照操作方式分按照操作方式分（1）连续操作：如喷雾干燥）连续操作：如喷雾干燥（2）间歇操作：物料一次性进入一次性移出）间歇操作：物料一次性进入一次性移出三、物料衡算的基本理论三、物料衡算的基本理论对任何一个体系，物料平衡关系式可表示为：对任何一个体系，物料平衡关系式可表示为：n进入物系的全部物料质量加上所有生成量之和等于离进入物系的全部物料质量加上所有生成量之和等于离开该系统的全部产物质量加上消耗掉的和积累起来的开该系统的全部产物质量加上消耗掉的和积累起来的物料质量之和。物料质量之和。n输入的物料量输出的物料量反应消耗的物料量输入的物料量输出的物料量反应消耗的物料量反应生成的物料量反应生成的物料量=积累的物料量积累的物料量。消耗、生成、累积H2O进料出料H2O2燃烧O21、稳定操作状态、稳定操作状态稳定操作时，积累的物料量稳定操作时，积累的物料量=0（1）有化学反应，此时物料平衡关系式为：）有化学反应，此时物料平衡关系式为：输入的物料量输出的物料量反应消耗的物料量输入的物料量输出的物料量反应消耗的物料量反应生成的物料量反应生成的物料量=0（2）无化学反应，反应消耗和生成的物料量为零，）无化学反应，反应消耗和生成的物料量为零，此时物料平衡关系式为：此时物料平衡关系式为：输入的物料量输出的物料量输入的物料量输出的物料量=0（孤立封闭（孤立封闭系统）系统）2、非稳定操作状态、非稳定操作状态非稳定操作时，积累的物料量不为零非稳定操作时，积累的物料量不为零（1）有化学反应）有化学反应输入的物料量输出的物料量反应消耗的物料量输入的物料量输出的物料量反应消耗的物料量+反应生成的物料量反应生成的物料量=积累的物料量积累的物料量即为通式。即为通式。（2）无化学反应）无化学反应 输入的物料量输出的物料量输入的物料量输出的物料量=积累的物料量积累的物料量 进进行行物物料料衡衡算算时时，必必须须首首先先确确定定衡衡算算的的体体系系。所所谓谓体体系系就就是是物物料料衡衡算算的的范范围围，它它可可以以是是一一个个设设备备或或几几个个设设备备，也也可可以以是是一一个个单单元元操操作作或或整整个个化化工工过过程程，可可以以根根据据实实际际需需要要人人为为地地选选定定，体体系系的的确确定定以以能能简简化化解题为原则。解题为原则。物物料料衡衡算算必必定定是是针针对对特特定定的的衡衡算算体体系系的的，它它主主要要研究在某一个体系内进、出物料量及组成的变化。研究在某一个体系内进、出物料量及组成的变化。四、物料衡算的基本方法和步骤四、物料衡算的基本方法和步骤1收集与计算所必需的基本数据收集与计算所必需的基本数据（1）设计任务数据）设计任务数据 生产规模生产规模 根据设计任务、生产能力来确定。根据设计任务、生产能力来确定。生产时间生产时间 即年工作时数，一般即年工作时数，一般7200-8000小时左右。小时左右。有关工艺技术经济指标有关工艺技术经济指标 即原料的消耗定额、转化率、收率、选择性即原料的消耗定额、转化率、收率、选择性 （或产率）等。（或产率）等。步骤（2）物性数据）物性数据 如质量、密度、浓度、反应平衡常数、相平衡如质量、密度、浓度、反应平衡常数、相平衡常数等，可以在有关资料、手册、数据汇编等处查常数等，可以在有关资料、手册、数据汇编等处查找。注意资料的可靠性，尽可能找原始资料并注意找。注意资料的可靠性，尽可能找原始资料并注意其适用范围。所收集的数据应统一使用国际单位制。其适用范围。所收集的数据应统一使用国际单位制。（3）工艺参数）工艺参数 如温度、压力、流量、原料配比、停留时间等。如温度、压力、流量、原料配比、停留时间等。2写出化学反应方程式写出化学反应方程式 写化学反应方程式时，应按化学反应方程式的写化学反应方程式时，应按化学反应方程式的正确配平方法将方程式配平，包括主反应和副反正确配平方法将方程式配平，包括主反应和副反应，并将参与反应的各反应物和生成物的分子量应，并将参与反应的各反应物和生成物的分子量列表汇总表示出来，以备计算时用。列表汇总表示出来，以备计算时用。3根据给定条件画出流程简图根据给定条件画出流程简图画物料流程图的方法画物料流程图的方法 a.用简单的方框表示过程中的设备，方框中标明过用简单的方框表示过程中的设备，方框中标明过程的特点或设备的名称程的特点或设备的名称；b.用带箭头的线条表示每股物流的途径和流向用带箭头的线条表示每股物流的途径和流向 举例：物料流程示意图举例：物料流程示意图在图中，应表示出所有物料线，并注明所有已知和未知变在图中，应表示出所有物料线，并注明所有已知和未知变量。如果过程中有很多股物流，则可将每股物流进行编号，量。如果过程中有很多股物流，则可将每股物流进行编号，以避免出错。以避免出错。举例：含举例：含CH485%和和C2H615%（摩尔分数）的天然气与空气（摩尔分数）的天然气与空气在混合器中混合。得到的混合气体含在混合器中混合。得到的混合气体含CH410%。试计算。试计算100mol天然气应加入的空气量及得到的混合气量。所画的物天然气应加入的空气量及得到的混合气量。所画的物料流程简图如下图所示：混合过程的物料流程图料流程简图如下图所示：混合过程的物料流程图混合过程100mol天然气CH4 85%C2H6 15%A mol 空气B mol 混合气CH4 10%1-10%-x 空气C2H6 x1234选择物料计算基准选择物料计算基准计算基准即作物料衡算时先确定的某一股物料的量。计算基准即作物料衡算时先确定的某一股物料的量。在物料、能量衡算中，计算基准的选取至关重要，从在物料、能量衡算中，计算基准的选取至关重要，从原则上说选择任何一种计算基准，都能得到正确的解原则上说选择任何一种计算基准，都能得到正确的解答。答。在一般化工计算中，根据过程的特点选择计算基准大在一般化工计算中，根据过程的特点选择计算基准大致可以从以下几个方面考虑：致可以从以下几个方面考虑：（1）时间基准：以一段时间的投料量或产量作基准）时间基准：以一段时间的投料量或产量作基准（2）质量基准：当系统为液、固相时，选择一年的质）质量基准：当系统为液、固相时，选择一年的质量原料或产品作为计算准则量原料或产品作为计算准则（3）体积基准：针对气体物料，以标准体积作基准）体积基准：针对气体物料，以标准体积作基准 （4）干湿基准：物料中含有一定的水分）干湿基准：物料中含有一定的水分 对于不同化工过程，采用什么基准适宜，需视具体对于不同化工过程，采用什么基准适宜，需视具体情况而定，不能作硬性规定。例如，当进料的组成未知情况而定，不能作硬性规定。例如，当进料的组成未知时，只能选单位质量作基准；当密度已知时，也可选体时，只能选单位质量作基准；当密度已知时，也可选体积作基准。对有化学反应的体系，可以选某一个反应物积作基准。对有化学反应的体系，可以选某一个反应物的物质的量（摩尔数）作基准，因为化学反应是按反应的物质的量（摩尔数）作基准，因为化学反应是按反应物之间的摩尔比进行的。物之间的摩尔比进行的。根据不同过程的特点，选择计算基准时，应根据不同过程的特点，选择计算基准时，应该注意以下几点：该注意以下几点：n应选择已知变量数最多的流股作为计算基准。应选择已知变量数最多的流股作为计算基准。n对液体或固体的体系，常选取单位质量作基准。对液体或固体的体系，常选取单位质量作基准。n对连续流动体系，用单位时间作计算基准有时较对连续流动体系，用单位时间作计算基准有时较方便。方便。n对于气体物料，如果环境条件（如温度、压力）对于气体物料，如果环境条件（如温度、压力）已定，则可选取体积作基准。已定，则可选取体积作基准。n对于间歇体系，可选择加入设备的批量作基准。对于间歇体系，可选择加入设备的批量作基准。例：丙烷充分燃烧（即转化率例：丙烷充分燃烧（即转化率100%）时，）时，实际供入的空气量为理论所需量的实际供入的空气量为理论所需量的125%，反应式为：反应式为：求：每生成求：每生成100mol的燃烧产物实际需要供的燃烧产物实际需要供入多少摩尔空气？入多少摩尔空气？解：由题意物料流程简图如下：解：由题意物料流程简图如下：由流程图可知：该体系有三股物流：丙烷、空气、燃烧产物。原则上基准的选择有三种方法：1.选一定量的空气为计算基准2.选一定量的丙烷为计算基准3.选一定量的燃烧产物为计算基准 下面分别以这三种物料为基准，比较各种计算方法的难易程度，以说明合理选择基准的重要性。方法一 基准：1mol 1molC3H8完全燃烧需要的理论空气量计算：由反应式，完全燃烧理论上需氧量（即实际耗氧量）：5mol由空气过量125%即氧气过量125%，有：实际供氧量 折算成实际供空气量（空气中含氧21%）29.76mol空气中含氮量 反应后剩余O2量 1.25mol反应所产生的CO2量 3mol反应所产生的H2O量 4mol总的燃烧产物量：(23.51+1.25+3+4)mol=31.76mol所以，每100mol燃烧产物所需空气量为：方法二 基准：1mol空气按题意供入的空气量为理论量的125%，则理论上所需空气量为：因为1mol空气中含氧量为0.21mol；所以供燃烧C3H8的氧量（即反应消耗氧）由反应式，燃烧C3H8的量为 反应产生的CO2量为 反应产生的H2O量为 反应后剩余的O2量为 通入1mol空气产生的燃烧产物的总量为：所以，每100mol燃烧产物需空气量为：方法三 基准：燃烧产物有六个未知变量，引进六个参数，分别为：N燃烧产物中N2的量，mol；M燃烧产物中O2的量，mol；P燃烧产物中CO2的量，mol；Q燃烧产物中H2O的量，mol；A入口空气的量，mol；B入口的量，mol。因有6个未知量，所以必须列6个独立方程，列各元素的平衡：体系中有四种元素，可以列四个独立物料衡算方程。列元素平衡：由C平衡，有：3B=P （1）由H2平衡，有：4B=Q （2）由O2平衡，有：（3）由N2平衡，有：0.79A=N （4）另有两个辅助条件方程：由燃烧产物总量，有：M+N+P+Q=100mol （5）反应后剩余的氧量：（6）可用消元法解上列方程组可用消元法解上列方程组可用消元法解上列方程组可用消元法解上列方程组 从上述三种不同基准的解法可看出，第三种解从上述三种不同基准的解法可看出，第三种解法虽然避免了换算，但是比第一、第二种解法工作量法虽然避免了换算，但是比第一、第二种解法工作量大。如果线性方程组较复杂，则解方程组时工作量更大。如果线性方程组较复杂，则解方程组时工作量更大。所以，从题意看，第一、第二种解法所选的基准大。所以，从题意看，第一、第二种解法所选的基准比较恰当。比较恰当。由上例可见，选择合适的基准，能简化解题由上例可见，选择合适的基准，能简化解题、减少计算工作量，将复杂问题简单化还否则会适得其减少计算工作量，将复杂问题简单化还否则会适得其反，将简单问题复杂化，所以基准的合理选择是解题反，将简单问题复杂化，所以基准的合理选择是解题步骤中一个很重要的技巧。步骤中一个很重要的技巧。说明：本题丙烷的转化率为说明：本题丙烷的转化率为100%，所以对于过量反，所以对于过量反应物理论所需量和实际消耗量是一致的。应物理论所需量和实际消耗量是一致的。5列出物料平衡表。列出物料平衡表。包括输入和输出平衡表；计算原辅料消耗定包括输入和输出平衡表；计算原辅料消耗定额；三废排量表（额；三废排量表（P228表表9-1，9-2,9-3）6绘制物料流程框图绘制物料流程框图 简单清楚地表示出各物料在流程中的位置和相简单清楚地表示出各物料在流程中的位置和相互关系。互关系。n1收集、整理计算数据收集、整理计算数据n2画出物料流程简图画出物料流程简图n3确定衡算体系确定衡算体系n4写出化学反应方程式写出化学反应方程式n5选择合适的计算基准，并在流程图上注明选择合适的计算基准，并在流程图上注明所选的基准值。所选的基准值。n6列出物料衡算式，然后用数学方法求解。列出物料衡算式，然后用数学方法求解。n7校核、整理计算结果校核、整理计算结果五、计算数据说明五、计算数据说明转化率（转化率（x）收率、产率（收率、产率（y）选择性（选择性（）回流比（回流比（L）单耗（单耗（Z）分配系数（分配系数（）和选择性系数（）和选择性系数（）流量和流速（体积流量流量和流速（体积流量qV，流体的线速度，流体的线速度u，质量流，质量流量量qm，质量流速，质量流速G，摩尔流量，摩尔流量qn）摩尔分数（摩尔分数（xi或或yi）和质量分数（）和质量分数（wi）含水量（湿基含水量（湿基w，干基，干基X）湿度（湿度（H）1.摩尔分数、质量分数、平均分子量摩尔分数、质量分数、平均分子量摩尔分数摩尔分数对于流动物系对于流动物系质量分数质量分数对于流动物系对于流动物系平均分子量平均分子量摩尔流量摩尔流量质量流量质量流量质量流速质量流速2.流体的流量和流速流体的流量和流速体积流量：体积流量：m3/h、m3/min、m3/s流体的线速度：流体单位时间内在流动的方向上所流流体的线速度：流体单位时间内在流动的方向上所流 经的距离经的距离,m/s质量流量：单位时间内流经管道或设备的流体的质量质量流量：单位时间内流经管道或设备的流体的质量 kg/h、kg/min、kg/s质量流速质量流速G：单位时间内流经管道或设备的单位横截面积：单位时间内流经管道或设备的单位横截面积 的流体的质量的流体的质量 kg/h、kg/min、kg/s摩尔流量：摩尔流量：kmol/h、kmol/min、kmol/s体积流量体积流量质量流量质量流量线速度线速度W=Q=uA3.气体的体积和密度气体的体积和密度1）一般压力、温度一般压力、温度1M Pa 按按真实真实气体对待气体对待 PV=ZnRTZ为为压缩因子压缩因子，为，为对比压力对比压力pr、对比温度对比温度Tr的函数的函数临界值临界值H2、He和和Ne根据根据pr和和Tr查查表得表得Z如为混合气体如为混合气体3）真实气体混合物真实气体混合物假临界值假临界值仍用压缩因子法计算仍用压缩因子法计算4）标准状况标准状况用标准状况下的体积表示气体的量用标准状况下的体积表示气体的量下标下标“0”表示标准状况，下标表示标准状况，下标“1”表示工作状态表示工作状态4.液体的密度液体的密度对比密度对比密度临界密度临界密度由由pr和和Tr查表查表液体混合物液体混合物密度与温度、压力和组成有关密度与温度、压力和组成有关体积加合法体积加合法5.物质的饱和蒸汽压物质的饱和蒸汽压饱和蒸汽压：饱和蒸汽压：液体在一定温度下相应的蒸发液体在一定温度下相应的蒸发-凝结的平衡状态的蒸汽压力凝结的平衡状态的蒸汽压力6.溶液上方蒸汽中各组分的分压溶液上方蒸汽中各组分的分压1）理想溶液）理想溶液由由化学结构非常相似化学结构非常相似，相对分子质量又相近相对分子质量又相近的组分所形成的溶液的组分所形成的溶液拉乌尔定律拉乌尔定律2）非理想溶液）非理想溶液活度系数，活度系数，riai/xi由范拉尔方程或威尔逊方程求得由范拉尔方程或威尔逊方程求得7.气液平衡常数气液平衡常数1）完全理想系）完全理想系 低压下组分结构十分相似的溶液低压下组分结构十分相似的溶液2）理想系）理想系中压中压(1.52.0Mpa)的理想溶液的理想溶液7.转化率转化率x、收率、收率Y 和选择性和选择性S起始量的选择：起始量的选择：连续反应器连续反应器 反应器进口处原料的状态为起始状态反应器进口处原料的状态为起始状态间歇反应器间歇反应器 反应开始时的状态为起始状态反应开始时的状态为起始状态串联反应器串联反应器 进入第一个反应器的原料组成为计算基准进入第一个反应器的原料组成为计算基准限制反应物限制反应物过量反应物过量反应物Y=Sx第二节第二节 物理过程的物料衡算物理过程的物料衡算 无化学反应过程是指一些只有物理变化而没有无化学反应过程是指一些只有物理变化而没有化学反应的单元操作，例如混合、精馏、蒸发、干化学反应的单元操作，例如混合、精馏、蒸发、干燥、吸收、结晶、萃取、过滤等，或是虽有化学反燥、吸收、结晶、萃取、过滤等，或是虽有化学反应，但以物理变化为主，这些过程的物料衡算都可应，但以物理变化为主，这些过程的物料衡算都可以根据质量守恒定律，由物料衡算式（以根据质量守恒定律，由物料衡算式（4-4），列出），列出总物料和各组分的衡算式，再用代数法求解即可。总物料和各组分的衡算式，再用代数法求解即可。一、简单过程的物料衡算一、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简单过程，是指仅有一个设备或一个单元操作，或整个过程虽有多个设备，但可简化元操作，或整个过程虽有多个设备，但可简化成一个设备的过程。这种过程的物料衡算叫做成一个设备的过程。这种过程的物料衡算叫做简单过程的物料衡算，这种过程的物料衡算比简单过程的物料衡算，这种过程的物料衡算比较简单，在物料流程简图中，设备边界就是体较简单，在物料流程简图中，设备边界就是体系边界。系边界。1、混合、混合 当物料的浓度不符合化工生产要求时，经常需当物料的浓度不符合化工生产要求时，经常需要通过加入其它浓度的物质来进行调整，这就要通过加入其它浓度的物质来进行调整，这就是混合，混合有气体和气体之间的混合，液体是混合，混合有气体和气体之间的混合，液体和液体之间的混合。和液体之间的混合。例例4-2：现有：现有800kg用过的稀电池溶液，内含用过的稀电池溶液，内含H2SO412.43%（质量分数）。现在需将其配制成含有（质量分数）。现在需将其配制成含有H2SO418.63%的溶液再重新利用，问需加入的溶液再重新利用，问需加入77.7%的的H2SO4多少千克合适？可制得多少千克可利用的酸？多少千克合适？可制得多少千克可利用的酸？解：根据题意可画出如下图解：根据题意可画出如下图4-9所示的物料流程图所示的物料流程图分分析析：此此题题中中有有四四个个已已知知数数据据：一一个个质质量量数数据据，三三个个组组成成数数据据，要要求求的的有有两两个个未未知知变变量量，体体系系中中有有两两种种物物质质，可列出两个独立的物料衡算方程，问题可解。可列出两个独立的物料衡算方程，问题可解。设设F2为为浓浓度度77.7%H2SO4的的质质量量，F3为为浓浓度度18.63%的的H2SO4质质量量。可可以以写写出出一一个个总总物物料料平平衡衡式式和和两两个个组组成成平平衡衡式式，其其中中任任意意两两个个方方程程组组合合都都是是独独立立方方程程，可可以以解出两个未知变量。解出两个未知变量。2.结晶结晶 在化工生产中，为了精制固体物质，使溶解在化工生产中，为了精制固体物质，使溶解于液体中的固体溶质呈结晶状析出的操作称为结于液体中的固体溶质呈结晶状析出的操作称为结晶。它是获得纯净固体物质的重要方法之一，应晶。它是获得纯净固体物质的重要方法之一，应用较广泛。用较广泛。在有关结晶的物料衡算中，溶解度和质量百在有关结晶的物料衡算中，溶解度和质量百分比浓度之间的换算是必需的，因为对于饱和溶分比浓度之间的换算是必需的，因为对于饱和溶液从手册上能查到的是溶解度数据而非质量百分液从手册上能查到的是溶解度数据而非质量百分比浓度数据。比浓度数据。例：例：1000千克千克KCl饱和水溶液盛于结晶槽中，饱和水溶液盛于结晶槽中，温度为温度为800C。将此溶液冷却到。将此溶液冷却到200C，若在冷却过，若在冷却过程中，进料溶液中的水有程中，进料溶液中的水有7%蒸发掉，求从溶液中蒸发掉，求从溶液中结晶出的结晶出的KCl量。量。解：由手册查得解：由手册查得KCl在水中的溶解度数据为：在水中的溶解度数据为：80：51.1克克KCl/100克克H2O 20：24.0克克KCl/100克克H2O。画物料流程示意图：如下页画物料流程示意图：如下页80KCl饱和溶液 H2O 1000kg KCl结晶 x kg 20KCl饱和溶液 3吸收吸收 在石油化工生产中，常常需要分离气体混合在石油化工生产中，常常需要分离气体混合物以获得纯净的原料气或气体产品，吸收操作就物以获得纯净的原料气或气体产品，吸收操作就是分离气体混合物的一种有效方法。是分离气体混合物的一种有效方法。例：将含例：将含20%（质量百分数）丙酮与（质量百分数）丙酮与80%空气的混空气的混合气输入吸收塔，塔顶用喷水吸收丙酮。吸收塔塔顶出口合气输入吸收塔，塔顶用喷水吸收丙酮。吸收塔塔顶出口气体含丙酮气体含丙酮3%，空气，空气97%，吸收塔底得到，吸收塔底得到50千克含千克含10%丙丙酮的水溶液，计算输入吸收塔气体的量。酮的水溶液，计算输入吸收塔气体的量。解：详细过程如下所示解：详细过程如下所示 解：由题意画出物料流程示意图解：由题意画出物料流程示意图：如下所示：如下所示4干燥干燥 在化工生产中，有些原料、半成品和成品常含有在化工生产中，有些原料、半成品和成品常含有水分（或其他溶剂）。为了便于加工，运输、贮藏和使水分（或其他溶剂）。为了便于加工，运输、贮藏和使用，须将物料中的水分（其他溶剂）除去。这种从物料用，须将物料中的水分（其他溶剂）除去。这种从物料中去除水分（或其他溶剂）的操作称去湿，去湿的方法中去除水分（或其他溶剂）的操作称去湿，去湿的方法很多，可分三类：很多，可分三类：（1）化学去湿法；）化学去湿法；（2）机械除湿法；）机械除湿法；（3）热能去湿法。热能去湿法也称干燥。）热能去湿法。热能去湿法也称干燥。例：现有湿纸浆含水例：现有湿纸浆含水71%（质量分数），需通（质量分数），需通过干燥去掉其初始水分的过干燥去掉其初始水分的80%，试计算干燥后纸浆中，试计算干燥后纸浆中的含水量和每千克湿纸浆去掉的水分量。的含水量和每千克湿纸浆去掉的水分量。解：由题意干燥过程的物料流程如下图所示。解：由题意干燥过程的物料流程如下图所示。5蒸馏蒸馏 蒸馏是利用液体混合物中各组分的挥发度不同蒸馏是利用液体混合物中各组分的挥发度不同进行组分分离，多用于分离各种有机物的混合液，进行组分分离，多用于分离各种有机物的混合液，也有用于分离无机物混合液的，例如液体空气中也有用于分离无机物混合液的，例如液体空气中氮与氧的分离。氮与氧的分离。例：有一个蒸馏塔，输入和输出物料量及组成如例：有一个蒸馏塔，输入和输出物料量及组成如下图。输入物料下图。输入物料1中中A组分的组分的98.7%自塔顶蒸出。自塔顶蒸出。求每千克输入物料可得到塔顶馏出物求每千克输入物料可得到塔顶馏出物2的量及其组的量及其组成。成。解：基准：解：基准：100 kgh-1输入物料输入物料 令令x=馏出物中馏出物中A的百分含量，的百分含量，y=馏出物中馏出物中B的百分含量。的百分含量。将各物料的流量及组成列于下表将各物料的流量及组成列于下表由上表可以看出，共有由上表可以看出，共有5个未知量，即个未知量，即P、W及流股及流股2的组成的组成A、B、C，由于组成，由于组成A、B、C的百分含量之和为的百分含量之和为1，所以只需，所以只需求得任意两个组成，如求得任意两个组成，如A、B（或（或B、C或或C、A），第三个组），第三个组成就可求出。因此实际上是成就可求出。因此实际上是4个未知量，需要个未知量，需要4个方程。但是个方程。但是输入和输出物料中共有输入和输出物料中共有3个组分，因而只能写出个组分，因而只能写出3个独立物料个独立物料衡算式。第四个方程必须从另外给定的条件列出。衡算式。第四个方程必须从另外给定的条件列出。根据题意，已知输入物料中根据题意，已知输入物料中A组分的组分的98.7%自塔顶蒸出，即自塔顶蒸出，即流股流股2中中A组分量为组分量为:（1）总物料衡算式有总物料衡算式有P和和W两个未知量。两个未知量。A、B、C三个组分的衡算三个组分的衡算式中，式中，A组分的衡算式只含一个未知量组分的衡算式只含一个未知量W，所以先列，所以先列A组分的衡组分的衡算式。算式。A组分衡算式：组分衡算式：（2）总物料衡算式：总物料衡算式：（3）B组分衡算式：组分衡算式：（4）由（由（2）式得：）式得：代入（代入（3）式得：）式得：代入（代入（4）式得：）式得：y=56.54%由（由（1）式得：）式得：馏出物中馏出物中C组成为：组成为：由由C组分衡算式得：组分衡算式得：结果符合结果符合 由上例可以看出，因为第二个方程只有一个未知参数，由上例可以看出，因为第二个方程只有一个未知参数，解这样的方程，可以避免解方程组。解这样的方程，可以避免解方程组。以以上上几几例例为为无无化化学学反反应应过过程程的的物物料料衡衡算算，当当利利用代数法求解时，列衡算式应注意下列几点：用代数法求解时，列衡算式应注意下列几点：无无化化学学反反应应体体系系，能能列列出出的的独独立立物物料料衡衡算算式式数数目，最多等于输入和输出物料中化学组分的数目。目，最多等于输入和输出物料中化学组分的数目。首首先先列列出出含含未未知知量量数数目目最最少少的的物物料料衡衡算算方方程程，最最好好是是能能列列出出一一个个方方程程解解一一个个未未知知数数，然然后后一一步步一一步步地列出其它的方程，避免了解方程组的繁琐。地列出其它的方程，避免了解方程组的繁琐。若若体体系系内内具具有有很很多多多多组组分分的的物物料料，则则最最好好将将每每股股物物流流编编号号，并并列列表表表表示示出出已已知知的的量量和和组组成成，检检查查能能列列出出的的衡衡算算方方程程数数目目是是否否等等于于未未知知量量的的数数目目，判判断断能能否通过物料衡算式解决问题。否通过物料衡算式解决问题。总结总结:二、无化学反应过程多单元体系的物料衡算二、无化学反应过程多单元体系的物料衡算 无化学反应过程多单元体系是指由若干无化学反应过程多单元体系是指由若干个设备（即单元操作）组合而成的体系，且不个设备（即单元操作）组合而成的体系，且不能作为一个整体来处理。能作为一个整体来处理。在进行无化学反应过程多单元体系的物料衡算在进行无化学反应过程多单元体系的物料衡算时，关键要解决两个问题：时，关键要解决两个问题：1独立衡算体系确定独立衡算体系确定 2选择计算的着手点选择计算的着手点第三节第三节 化学反应过程的物料衡算化学反应过程的物料衡算 有化学反应的过程，物料中的组分比较复杂，这有化学反应的过程，物料中的组分比较复杂，这是由于化学反应使体系内的物质分子发生了变化，使是由于化学反应使体系内的物质分子发生了变化，使得参加反应的每一种物质输入的质量或摩尔流量和输得参加反应的每一种物质输入的质量或摩尔流量和输出体系的质量或摩尔流量不能平衡，所以化学反应过出体系的质量或摩尔流量不能平衡，所以化学反应过程的物料衡算比无化学反应过程的计算要复杂得多，程的物料衡算比无化学反应过程的计算要复杂得多，所考虑的因素也多得多所考虑的因素也多得多。因此，在进行化学反应过程的物料衡算时必然会因此，在进行化学反应过程的物料衡算时必然会涉及到原料的配比、反应的转化率、收率、反应的选涉及到原料的配比、反应的转化率、收率、反应的选择性等许多因素。择性等许多因素。一、反应器的物料衡算一、反应器的物料衡算 以进行化学反应为主要任务的设备是反应器，以进行化学反应为主要任务的设备是反应器，所以对化学反应过程进行物料衡算就是以反应器为衡所以对化学反应过程进行物料衡算就是以反应器为衡算对象。算对象。反应过程有不同的特点，需根据反应过程的不同反应过程有不同的特点，需根据反应过程的不同特点而灵活选用不同的计算方法，本部分主要介绍四特点而灵活选用不同的计算方法，本部分主要介绍四种对反应器的物料衡算适用的方法。种对反应器的物料衡算适用的方法。1.直接计算法直接计算法方法：方法：利用反应物在反应过程中的消耗量和产物的生成利用反应物在反应过程中的消耗量和产物的生成量之间符合化学计量系数之比，来进行反应物消耗量之间符合化学计量系数之比，来进行反应物消耗和生成物生成量之间的换算，以达到进行反应器的和生成物生成量之间的换算，以达到进行反应器的物料衡算的目的，这种方法就叫直接计算法。物料衡算的目的，这种方法就叫直接计算法。适用：适用：反应过程有明确的化学反应方程式，且反应过程反应过程有明确的化学反应方程式，且反应过程比较简单，没有很多的副反应发生，并且已知条件比较简单，没有很多的副反应发生，并且已知条件比较充分的情况。这样的计算比较简便，不必按前比较充分的情况。这样的计算比较简便，不必按前面所介绍的方法列出物料衡算式。面所介绍的方法列出物料衡算式。举例举例:见下页见下页 例：甲醛由甲醇催化氧化制得，反应物和生成物均为气例：甲醛由甲醇催化氧化制得，反应物和生成物均为气态，氧化剂由空气提供，且过量态，氧化剂由空气提供，且过量40%，现已知甲醇转化率为，现已知甲醇转化率为70%。试计算反应完成后离开反应器的气体混合物的摩尔组。试计算反应完成后离开反应器的气体混合物的摩尔组成。已知反应器中所发生的化学反应如下：成。已知反应器中所发生的化学反应如下：解：由题意：物料流程如图所示解：由题意：物料流程如图所示基准：由化学反应方程式：理论需O2量：由已知空气过量40%，那么O2也过量40%，有实际输入O2量：实际输入的空气量：带入的N2量：即为7.37kg由已知CH3OH转化率为70%，有反应掉了的CH3OH量：即为2.24kg离开反应器各组分的输出量：剩余的 CH3OH 100-70=30mol,即为0.96kg生成的HCHO 70mol,即为2.1kg生成的H2O 70mol,即为1.26kg剩余的 O2 即为1.21kg 输出的N2 263.33mol,即为7.37kg 2元素衡算法元素衡算法 元素衡算法是物料衡算的一种重要形式，是以反元素衡算法是物料衡算的一种重要形式，是以反应过程中参与反应的各种元素为对象列出平衡方程式应过程中参与反应的各种元素为对象列出平衡方程式而进行的物料衡算。在化学反应过程中而进行的物料衡算。在化学反应过程中,无论什么情无论什么情况下，任何一种元素都是平衡的。况下，任何一种元素都是平衡的。当反应过程比较复杂，尤其是化学反应式无法写当反应过程比较复杂，尤其是化学反应式无法写出时，用直接计算法就无法解题了，这时用元素衡算出时，用直接计算法就无法解题了，这时用元素衡算法是比较合适的，例石油裂解过程，过程中存在多种法是比较合适的，例石油裂解过程，过程中存在多种反应而又无法确切知道各步反应所占的比例，这时可反应而又无法确切知道各步反应所占的比例，这时可采用元素平衡的方法进行物料衡算。在对这类过程进采用元素平衡的方法进行物料衡算。在对这类过程进行物料衡算时，并不需要考虑具体的化学反应，而是行物料衡算时，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：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）输入（某种元素）=输出（同种元素）输出（同种元素）解题过程如下页解题过程如下页解题过程如下页解题过程如下页 例：已知合成气的组成为例：已知合成气的组成为CH40.4%(体积分数体积分数)、CO38.3%、CO25.5%、H252.8%、O20.1%和和N22.9%,现用现用10%过量空气燃烧，燃烧后生成的燃烧气中不含过量空气燃烧，燃烧后生成的燃烧气中不含CO，计算，计算燃烧气组成。燃烧气组成。解：由题意可画出物料流程示意图解：由题意可画出物料流程示意图基准：合成气基准：合成气100molh-1合成气中各元素的含量：合成气中各元素的含量：C：H：O：N：生成生成CO2和和H2O所需的氧元素量：所需的氧元素量：理论上所需氧元素量（由空气提供部分）：理论上所需氧元素量（由空