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1、1,物料平衡,一、基本衡算关系（衡算体、衡算基准） 1 总体质量衡算,2 组分质量衡算,3 元素质量衡算,2,二、物料衡算基本方法 1 直接计算法 根据体系特性直接衡算，多用于简单体系 如：变换过程物料衡算 CO+H2=CO2+H2O 2 联系组分法 以总量不发生变化的物质/种（惰性组分）为“桥梁”进行衡算，简单和复杂体系均适用 如：变换过程 CO+H2=CO2+H2O 以N2为联系组分的物料衡算 3 联合代数法 处理多个未知变量或多个联系方程式的情况。适用于多过程的复杂化工体系 如：变化反应体系和水蒸汽平衡体系的联合物料衡算,3,三、衡算基准和衡算体的确定 衡算基准：间歇体系多以批量生产为基
2、准；连续体系多以单位时间处理量为基准；相对概念体系多以方便计算为基准，如：100 kg，100 mol，100 Nm3等 衡算体的选取：以信息量最多、未知数最少的衡算单元为首选衡算体，再逐步扩展至未知数较多或信息量较少的衡算单元，直至问题完全解决 四、衡算步骤 （1）分析题设条件，画出物料衡算简图，确定衡算基准、分级及总体衡算体，标出已知信息 （2）写出相关的化学反应方程式 （3）详细列出物料衡算式，进行计算 （4）汇总列出计算结果（表或图）,4,例1 以含盐量5.25%的浓盐水和含盐量0.65%的稀盐水配置含盐量3.2%的盐水。问，所需的浓、稀盐水量下述说法不正确的是哪些？（多选题） （1）
3、需浓盐水多； （2）需稀盐水多 （3）浓稀盐水各半；（4）无法配置 解：属于相对概念衡算问题 设配置含盐量3.2%的盐水需要的浓稀盐水的量分别为x和y。则以盐为衡算组分的质量衡算式可写为：, 答案（1）说法正确，依题设为错误答案 答案(2)、(3)和(4)说法不正确，依题设为正确答案,5,例2 将流量为20 000kg/h、苯和甲苯质量百分含量分别为38%和62的混合液，采用连续精馏的方法进行分离，要求馏出物中苯的回收率达到97，塔釜液中苯的残留量不高于2%。问，下列关于塔顶馏出物中苯的摩尔百分数说法不正确的答案是哪些？（多选题） (1) 98%；(2) 87.5%；(3) 85.72%；(4
4、) 84.95%,解： 属于简单过程物料衡算 衡算体选取如右图 衡算基准为塔入口流量 联合代数法,6,三个方程，两个独立，任选两个联立求解得： 塔顶物流：D=8600kg/h, 其中苯85.72%, 甲苯14.28% 塔底物流：W=11400kg/h，其中苯2，甲苯98, 答案（4）说法正确，依题设为错误答案 答案(1)、(2)和(3) 说法不正确，依题设为正确答案,7,例3 精馏塔序列的计算（逐级衡算体扩展法） 求算下图所示的各流股的量及塔2的入料组成,8,解：属复杂过程物料衡算。选取两个衡算体：I为总体系衡算，II为精馏塔2衡算,衡算体I,衡算体II,结果：S2=520mol/h, S4=
5、150mol/h, S5=330mol/h ；S3=480mol/h, X3B=0.0125, X3T=0.5925, X3X=0.395,9,例4 丙烷充分燃烧时要供入空气量为理论量的125%，反应式为C3H8+5O2=3CO2+4H2O，问下列每1 000mol燃烧产物空气摩尔数需求量错误的答案是哪些?（已知每mol空气中含O2 0.21mol，含N2 0.79mol） (1) 749.2 ；(2) 937.0 ；(3) 1686.6；(4) 1324.7,解法1 以1mol丙烷为基准 直接计算： 需要氧气：1.255=6.25mol 需要空气：6.25/0.21=29.76mol 含氮量
6、： 29.760.79=23.51mol 燃烧产物量计算(化学反应式):,O2: 6.25-5=1.25mol; N2: 23.51mol; H2O: 4mol; CO2: 3mol,10,解法2 以1 000mol燃烧产物为基准计算（联系组分法） （1）按上述方法计算每燃烧1mol丙烷得到的燃烧产物量为31.76mol，氮气含量为 23.51/31.76=74.02%,（2）需要的空气量计算：x 79%=1000 74.02% x = 937.0 mol。结果同上。双基准，麻烦！,燃烧产物总mol数：1.2523.514331.76 mol 所以，每1 000mol燃烧产物需要的空气摩尔数为
7、： 1000 (29.76/31.76)=937.0 mol,答案（2）说法正确，依题设为错误答案 答案(1)、(3)和(4) 说法不正确，依题设为正确答案,11,例5 一个结晶槽内装有60oC的NaHCO3饱和溶液1000kg。将此溶液冷却至20oC，若在冷却过程中进料溶液的水有5%蒸发掉，则溶液中结晶出的NaHCO3量不正确的答案有哪些？已知NaHCO3在20oC和60oC的水中溶解度分别为9.6g/100gH2O和16.4g/100gH2O。 (1) 54.66kg ；(2) 62.65kg ；(3) 67.66kg ；(4) 73.05kg,解：（1）计算基准: 1000kg 60oC
8、的 NaHCO3饱和溶液 （2）未知数设定 结晶出的NaHCO3 为x kg ，20oC的NaHCO3饱和溶液量为y kg,12,（3）溶解度单位换算（g/100gH2Owt%） NaHCO3饱和溶液组成计算,（4）物料衡算关联式 NaHCO3衡算：1000 14.10% = x + y 8.76% H2O衡算： 100085.90%=100085.90%5%+y91.24% 联立求解得： x = 62.65 kg ; y = 894.4 kg （5）结论,答案（2）说法正确，依题设为错误答案 答案(1)、(3)和(4) 说法不正确，依题设为正确答案,13,能量平衡（显热、潜热、反应热、功等）
9、 （经常：物料衡算能量衡算）,例6 采用100oC的气体HCl和25oC的水生产25oC、HCl质量百分含量为25%的HCl水溶液，产量为1000kg/h。求生产过程的热效应。,解：（1）基础数据 比热容：kJ/kgoC 100oC HCl(g) 0.815 25oC H2O(l) 4.184,25oC 25% HCl溶液 2.863 25% HCl溶液的溶解热为：65.23kJ/mol HCl,14,（2）衡算基准 1000kg/h 25% HCl水溶液，0oC （3）涉及热过程,原料HCl(g)和水带入热量：Q1 产物25% HCl水溶液带出热量：Q3 25% HCl溶液配制过程溶解热：Q
10、S （4）物料衡算：生产1000kg/h 25% HCl水溶液需要的HCl和H2O量分别为： HCl：1000 25%=250 kg/h，即6.849 kmol/h H2O：1000 75%=750 kg/h，即41.67 kmol/h,15,（5）热量衡算 Q1 = 250 100 0.815 + 750 25 4.184 = 98825 kJ/h,Q3=1000 25 2.863 = 71575 kJ/h QS=(6.849 1000) 65.23 = 446760 kJ 热效应： Q2= Q3Q1QS = 7157598825446760 = -4.74 105 kJ/h （6）结论 生
11、产过程每小时需从吸收装置中移出4.74 105 kJ的热量,16,例7 萘空气氧化制苯酐，以1mol原料萘计的物料衡算结果为：进料 萘1mol，空气50.1mol；出料 苯酐1mol，氧6mol，氮气39.6mol，二氧化碳 2mol，H2O 2mol。液态萘入口温度为200oC、空气入口温度为30oC，反应温度控制在450oC，求需移走多少热？各物质标准生成自由焓和平均比热见下表，反应式为：C10H10(g)+4.5O2=C8H4O3(g)+2CO2 +2H2O (g),解：（1）计算过程设计 原料降温至298K 298K下反应 产物升温至450oC,17,（2）衡算基准: 298K ，1m
12、ol萘 （3）热量衡算: 298K下的化学反应热,C10H10(g)+4.5O2=C8H4O3(g)+2CO2 +2H2O (g),HR,298o=Mi HF,产物o Mi HF,反应物o =(-373.34)1+(-339.51) 2+(-241.81) 2-87.3 =-1623.28 kJ/mol萘 原料带入热量 H1=H1,萘+H1,空气 =0.26(473-298)+0.0321%+0.0379% 50.1(303-298) =45.5 kJ+7.52 kJ=53.02 kJ,18,产物带出热量 H2=H2,苯酐+H2,氧气+H2,氮气+H2,二氧化碳+H2,水蒸气 =0.231+0
13、.036+0.0339.6+0.042+0.042 (723-298) =747.15 kJ 需要移出热量 H= HR,298o+ H2- H1= -1623.28 + 747.15 - 53.02 =929.15 kJ/mol萘,19,例8（换热器的热量计算） 某化工厂计划利用废气的废热生产蒸气。已知废热锅炉入口废气温度为450oC，出口废气温度为260oC，进入废热锅炉的软水温度为25oC，生产的饱和水蒸气温度为233.7oC，压力30MPa（绝压）。废气的平均比热为32.5kJ/kmoloC。计算每100 kmol废气可以产生的蒸汽量。,解： 废气的显热损失（Q损）即为生产蒸汽的供热量
14、查表/手册可知， 25oC水的焓值为104.6kJ/kg 233.7oC、 30MPa饱和水蒸气的焓值为2798.9kJ/kg 以100 kmol废气为衡算基准 Q损=n废气cp,废气(t1,废气-t2,废气)=10032.5(450-260) =617 500kJ W水= Q损/(H蒸汽-H水）= 617 500/(2798.9- 104.6)=229kg,汽化每kg水蒸气需要的热量也可以用显热潜热的方式计算：Q(kJ/kg蒸汽)=cp,水(233.7-25)+H233.7oC水蒸发潜热 =2 694.3kJ/kg水蒸气,20,物料衡算、能量衡算和化学反应综合题,例9 氨氧化反应4NH3(g
15、)+5O2(g) = 4NO(g)+6H2O(g)，标准反应热为-904.6kJ。已知反应器入口条件为：100 mol NH3/h、200 mol O2/h，25 ；反应器出口条件为： 100 mol NO/h， 150 mol H2O/h， 75 mol O2/h, 300 。计算反应器应当输入/输出的热量。,解：（1）衡算基准 25oC、1h（流量） （2）衡算思路 25oC下反应(HR0)，产物,由25oC升温至300oC(H2)。则Q=H=HR0+ H2,21,由题设条件可知，NH3全部反应掉，因此，应以NH3为基准计算化学反应热 HR= nNH3H2980=100(-904.6)/4
16、=-22615 kJ/h 查数据表得产物各组分恒压热容如下： cp,O2= 30.8J/mol.k； cp,H2O= 34.80J /mol.k cp,NO= 29.50+0.818810-2T-0.2925 10-5T2 反应器应当输入/输出的热量（结果为输出热量移热）,22,反应器中进行乙醇脱氢生成乙醛的反应(CH3CH2OH=CH3CHO+H2)，标准反应热为68.95kJ，每小时加入反应器的热量为5300 kJ/h，原料mol配比为：乙醇/乙醛9，物料入口温度300oC,出口265oC。求乙醇的转化率？已知热容值：乙醇(g) cp=0.110kJ/mol., 乙醛(g) cp=0.08 kJ/mol., H2 cp=0.029kJ/mol. ,
