第二章物料衡算课件

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1、第二章第二章 物料衡算物料衡算学习要求：学习要求： 、熟练掌握物料衡算的依据和基本方法。、熟练掌握物料衡算的依据和基本方法。 重点重点-依据；选合适的计算基准。依据；选合适的计算基准。 、熟练掌握简单过程的衡算方法。、熟练掌握简单过程的衡算方法。 、熟练掌握有化学反应过程的物料衡算基本概、熟练掌握有化学反应过程的物料衡算基本概念和念和直接法直接法、元素衡算法元素衡算法和用和用联系组分联系组分的衡算方法。的衡算方法。 、掌握由、掌握由循环、排放、旁路循环、排放、旁路等过程的物料衡等过程的物料衡算方法及解题技巧。算方法及解题技巧。 、了解根据、了解根据平衡常数与平衡转化率平衡常数与平衡转化率计算平

2、衡计算平衡组成。组成。第一节第一节 物料衡算的理论依据物料衡算的理论依据u物料衡算物料衡算 指某一体系内指某一体系内进出物料量及组成变化进出物料量及组成变化的研究。的研究。实际化工计算中实际化工计算中最基本、最重要的内容之一最基本、最重要的内容之一，也是，也是能量衡算的基础能量衡算的基础。u物料衡算类型物料衡算类型 有，两种衡算类型有，两种衡算类型 设计型计算设计型计算 操作型计算操作型计算-本节内容本节内容u物料衡算的依据物料衡算的依据 质量守恒定律质量守恒定律，即在孤立物系中，不论物质发，即在孤立物系中，不论物质发生何种变化，它的质量始终不变。生何种变化，它的质量始终不变。、对无化学反应体

3、系、对无化学反应体系l稳定态过程稳定态过程 过程的过程的过程参数过程参数( (如，如，T T、P P、物料量及组成、物料量及组成) )不不随时间而变化的过程随时间而变化的过程。 对于稳态过程，对于稳态过程，G G积积 = 0= 0、对有化学反应体系、对有化学反应体系 对于稳态过程，对于稳态过程，G G积积 = 0= 0 式中，各项均为单位时间内的物料量表示，即式中，各项均为单位时间内的物料量表示，即Kg/hKg/h（或（或mol/hmol/h）。）。l注意注意 物料平衡指物料平衡指质量平衡质量平衡，不是体积或物质的量，不是体积或物质的量( (摩尔数摩尔数) )平衡。故平衡。故用摩尔用摩尔/h/

4、h单位时，必须考虑反应单位时，必须考虑反应式中式中化学计量数化学计量数。第二节第二节 物料衡算的基本方法物料衡算的基本方法 进行物料衡算时，为了避免错误，必须掌握解进行物料衡算时，为了避免错误，必须掌握解题技巧，按正确的解题方法和步骤进行。题技巧，按正确的解题方法和步骤进行。 物料衡算的一般步骤：（物料衡算的一般步骤：（P77P77）1 1、收集计算数据。、收集计算数据。 如，流量、温度、压力、浓度、密度等。这些如，流量、温度、压力、浓度、密度等。这些数据，在进行设计时，常常是给定值。如果从生产数据，在进行设计时，常常是给定值。如果从生产现场收集，现场收集，应尽量准确应尽量准确。2 2、画出物

5、料流程简图。、画出物料流程简图。 在图中，在图中，应注明所有已知和未知变量，并标出应注明所有已知和未知变量，并标出每个流股编号每个流股编号。使衡算思路更明朗。使衡算思路更明朗。3 3、确定衡算体系。、确定衡算体系。 对有多个设备的过程，必须对有多个设备的过程，必须选择恰当的衡算体选择恰当的衡算体系系，这对整个物料衡算，具有很重要的意义。，这对整个物料衡算，具有很重要的意义。根据根据已知条件及计算要求确定衡算体系已知条件及计算要求确定衡算体系。4 4、写出化学反应方程式，包括主反应和副反应。、写出化学反应方程式，包括主反应和副反应。 若无化学反应，此步骤免去。若无化学反应，此步骤免去。5 5、选

6、择合适的计算基准。、选择合适的计算基准。 这对物料衡算具有很重要意义。因为这对物料衡算具有很重要意义。因为选择恰选择恰当，使计算简化当，使计算简化，反之复杂，易出现错误。通常，反之复杂，易出现错误。通常，按如下原则选择：按如下原则选择： 、选择、选择已知变量数量最多的流股已知变量数量最多的流股为基准。为基准。 如、某一体系，若反应物组成只知主要成分，如、某一体系，若反应物组成只知主要成分，而产物的组成已知，则应选产物的量为基准。而产物的组成已知，则应选产物的量为基准。 、对液体或固体的体系，常选单位质量为基、对液体或固体的体系，常选单位质量为基准。而准。而气体常选单位摩尔数及单位体积气体常选单

7、位摩尔数及单位体积为基准。为基准。 对连续流动体系，用对连续流动体系，用单位时间单位时间作计算基准较作计算基准较方便。方便。 如、如、1h1h、1d1d的投料量或产品量作基准。的投料量或产品量作基准。6 6、列出物料衡算式、列出物料衡算式( (总物料，各组分衡算式总物料，各组分衡算式) )，并，并用数学方法求解。用数学方法求解。 对组成复杂的物料，应列出对组成复杂的物料，应列出输入输入- -输出物料表输出物料表，这有助于列物料衡算式。这有助于列物料衡算式。7 7、最后，将计算结果列成、最后，将计算结果列成输入输入- -输出物料表输出物料表。例例1 1 （P73, P73, 例例4-14-1）

8、( (选基准的重要性选基准的重要性) ) 丙烷丙烷充分燃烧充分燃烧时，要供入的空气量为理论量的时，要供入的空气量为理论量的125%125%，其反应式为：，其反应式为： C C3 3H H8 8 + 5O + 5O2 2 3CO 3CO2 2 + 4H + 4H2 2O O问：每问：每100100摩尔燃烧产物需要多少摩尔摩尔燃烧产物需要多少摩尔空气空气？解：解：( (据据基准基准不同解法有三种，其中解法三不同解法有三种，其中解法三) )元素元素衡算法衡算法 不考虑具体化学反应式不考虑具体化学反应式，而是按元素种类，被，而是按元素种类，被转化及重新组合的概念表示。即，转化及重新组合的概念表示。即，

9、 输入量（某种元素）输入量（某种元素）= =输出量（同种元素）输出量（同种元素） 基准：基准：100 mol100 mol烟道气烟道气 烟道气总量：烟道气总量：P+Q+M+N=100 P+Q+M+N=100 C C平衡：平衡： 3B=P 3B=P H H2 2平衡：平衡： 4B=Q 4B=Q O O2 2平衡：平衡： 0.21A=M+P+Q/20.21A=M+P+Q/2 N N2 2平衡：平衡： 0.79A=N 0.79A=N 过剩氧量：过剩氧量： 0.21A0.21A(0.25/1.25)=M(0.25/1.25)=M 联立，可求得联立，可求得 A A、B B、P P、Q Q、M M、N N

10、。 解法一、二是最后需换算，但是计算相对简单。解法一、二是最后需换算，但是计算相对简单。而解法三是，虽可避免换算，但计算相对复杂，特而解法三是，虽可避免换算，但计算相对复杂，特别是若线性方程较复杂，计算工作量更大。别是若线性方程较复杂，计算工作量更大。 故，故，解法一、二所选基准较恰当解法一、二所选基准较恰当。第三节第三节 无化学反应方程的物料衡算无化学反应方程的物料衡算一、简单过程的物料衡算一、简单过程的物料衡算简单过程（简单过程（一一个设备过程个设备过程） 只有物理变化只有物理变化, ,不发生化学反应的单元操作不发生化学反应的单元操作, ,如如混合、蒸发、干燥、吸收、结晶、萃取等。混合、蒸

11、发、干燥、吸收、结晶、萃取等。 以下研究简单过程的物料衡算：以下研究简单过程的物料衡算：例例2 2 （P77P77） 在如下流程简图中，已知各股在如下流程简图中，已知各股( (三股、各股有三股、各股有K K个组分个组分) )物流量及组成：物流量及组成：试考察物料衡算式及试考察物料衡算式及独立的物料衡算式独立的物料衡算式。 、对于总物料、对于总物料 F=P+W F=P+W 总物料衡算式总物料衡算式 、对于各组分、对于各组分 可见，对于可见，对于K K个组分个组分的简单过程的简单过程, ,可列出可列出( (K K+ +1 1) )个衡个衡算式算式。但是，在。但是，在每一股物流中每一股物流中, ,存

12、在归一性方程存在归一性方程，即：，即： 所以，在组分物料衡算式中所以，在组分物料衡算式中, ,任意一个组分的任意一个组分的质量分数均可用其它组分的质量分数替换。即，质量分数均可用其它组分的质量分数替换。即，在在K K个组分衡算式中，只有个组分衡算式中，只有(K-1)(K-1)个方程是独立的个方程是独立的。 所以，所以，对于简单过程，若有对于简单过程，若有K K个组分个组分的的(K+1)(K+1)个个物料衡算式中，物料衡算式中，K K个衡算式是独立的个衡算式是独立的。例例3 3 （P78P78，例，例4-24-2，说明说明如何列衡算方程问题如何列衡算方程问题） 一种一种废酸废酸，组成为，组成为2

13、3%(23%(质量质量% %)HNO)HNO3 3，57%H57%H2 2SOSO4 4和和20%H20%H2 2O O，加入，加入93%93%的浓的浓H H2 2SOSO4 4及及90%90%的浓的浓HNOHNO3 3，要求，要求混合成含混合成含27%HNO27%HNO3 3及及60%H60%H2 2SOSO4 4的的混合酸混合酸，计算所需废，计算所需废酸及加入浓酸的数量。酸及加入浓酸的数量。解：解：基准：基准：100100kgkg废酸废酸 (每股物流的组成均已知，故每股物流的量均可作为基准，而且其计算方便)物料衡算式：物料衡算式：(体系有三个组分，三个物料衡算式是独立的） 总物料：总物料：

14、100+Y+Z=W 100+Y+Z=W HNO HNO3 3衡算式：衡算式：0.230.23100+0.9Y=0.27W 100+0.9Y=0.27W H H2 2S0S04 4衡算式：衡算式：0.570.57100+0.93Z=0.6W 100+0.93Z=0.6W 联立解联立解、方程，得方程，得 Z=93.46(kg)Z=93.46(kg)；Y=46.41(kg)Y=46.41(kg)；W=239.87(kg)W=239.87(kg)列出物料输入、输出表：列出物料输入、输出表： 物物 流流输输入入X X输输入入Y Y输输入入Z Z输输入入W W组组分含量分含量(%)(%)HNOHNO3 3

15、0.230.230.900.900.270.27H H2 2SOSO4 40.570.570.930.930.600.60H H2 2O O0.200.200.100.100.070.070.130.13总总和和(Kg)(Kg)10010046.4146.4193.4693.46239.87239.87 如何选衡算体系如何选衡算体系对物料衡算也具有重要意义，选对物料衡算也具有重要意义，选择恰当则计算简便，反之复杂、易出现错误。择恰当则计算简便，反之复杂、易出现错误。例例4 4 （P110P110，习题，习题4-54-5，解决如何选衡算体系问题解决如何选衡算体系问题） 一蒸馏塔分离戊烷一蒸馏塔分

16、离戊烷(C(C5 5H H1212) )和己烷和己烷(C(C6 6H H1414) )混合物混合物, ,进料组成：进料组成：5050( (质量质量)C)C5 5H H12,12,5050C C6 6H H1414，顶部流出，顶部流出液含液含C C5 5H H12129595, ,塔底排出液含塔底排出液含C C6 6H H14149696。塔顶蒸出气。塔顶蒸出气体经冷凝后体经冷凝后, ,部分冷凝液回流部分冷凝液回流, ,其余为产品其余为产品, ,回流比回流比( (回回流量流量/ /馏出产物量馏出产物量) )为为0.60.6。计算：。计算： 、每千克进料的馏出产物及塔底产物的量、每千克进料的馏出产物及塔底产物的量(W,B)(W,B)； 、进冷凝器物料量与原料量之比、进冷凝器物料量与原料量之比(D/F)(D/F)； 、若进料为、若进料为100kmol/h100kmol/h，计算馏出产物、塔底产物，计算馏出产物、塔底产物的质量流量的质量流量(kg/h)(kg/h)。解：解：对于求问对于求问、解法解法1 1：（解法有二）（解法有二） 确定衡算体系确定衡算体系基准：基准：1kg1kg进料进料 列物