化工工艺设计化工工艺设计(Chemical Process Design)西南科技大学西南科技大学第第6 6节节 物料衡算物料衡算（一）物料衡算的基本方法（一）物料衡算的基本方法（二）无化学反应的物料衡算（二）无化学反应的物料衡算（三）反应过程的物料衡算（三）反应过程的物料衡算 （四）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化工过程的物料衡算 化工工艺设计化工工艺设计(Chemical Process Design)西南科技大学西南科技大学（一）物料衡算的基本方法（一）物料衡算的基本方法1 1、物料衡算进行的步骤、物料衡算进行的步骤2 2、物料衡算式、物料衡算式3 3、物料衡算的基准、物料衡算的基准§3-6 化工过程的物料衡算化工过程的物料衡算 化工工艺设计化工工艺设计(Chemical Process Design)西南科技大学西南科技大学（一）物料衡算的基本方法（一）物料衡算的基本方法1 1、物料衡算进行的步骤、物料衡算进行的步骤⑴⑴画出物料衡算示意图画出物料衡算示意图( (如方框图如方框图) )⑵⑵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）⑶⑶列出已知数据和由物料平衡所需要求解的问题列出已知数据和由物料平衡所需要求解的问题⑷⑷决定系统的边界决定系统的边界. .即根据由物料平衡所需要求解的问题即根据由物料平衡所需要求解的问题, ,确定计算范围确定计算范围. .⑸⑸选定计算基准选定计算基准⑹⑹收集计算所需要的数据收集计算所需要的数据⑺⑺进行物料衡算进行物料衡算⑻⑻将物料衡算结果列成物料平衡表，画出物料平衡图将物料衡算结果列成物料平衡表，画出物料平衡图§3-6 化工过程的物料衡算化工过程的物料衡算 化工工艺设计化工工艺设计(Chemical Process Design)西南科技大学西南科技大学（一）物料衡算的基本方法（一）物料衡算的基本方法2 2、、物料衡算式物料衡算式q物料衡算是研究某一个体系内进、出物料量及组成的变化物料衡算是研究某一个体系内进、出物料量及组成的变化Ø所谓体系就是物料衡算的范围，它可以根据实际需要人为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元操作或整个化工过程Ø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根根据据质质量量守守恒恒定定律律，，对对某某一一个个体体系系，，输输入入体体系系的的物物料料量量应应该该等等于于输输出出物物料料量量与与体体系系内内积积累累量量之之和和所所以以，，物物料料衡衡算算的的基基本本关关系系式式应应该表示为：该表示为：§3-6 化工过程的物料衡算化工过程的物料衡算 化工工艺设计化工工艺设计(Chemical Process Design)西南科技大学西南科技大学Ø式式中中生生成成或或消消耗耗是是因因反反应应而而生生成成或或消消耗耗的的量量; ;积积累累项项可可正正可可负负. .当当积积累累项项不不为为零零时时，，称称为为非非稳稳定定过过程程; ;积积累累项项为零时为零时, ,称为稳定过程称为稳定过程. .p对无反应的稳定过程对无反应的稳定过程: : 输入输入= =输出输出体系中积累体系中积累= =输入输入－－输出输出+ +生成生成－－消耗消耗p稳定过程稳定过程: : 输入输入= =输出－生成输出－生成+ +消耗消耗§3-6 化工过程的物料衡算化工过程的物料衡算（一）物料衡算的基本方法（一）物料衡算的基本方法 化工工艺设计化工工艺设计(Chemical Process Design)西南科技大学西南科技大学Ø如如图图，，共共有有三三个个流流股股，，进进料料F F及及出出料料P P和和W W。
有有两两个个组组分分每每个流股的流量及组成如图所示图中个流股的流量及组成如图所示图中x x为质量分数为质量分数Ø可列出物料衡算式：可列出物料衡算式：Ø总物料衡算式总物料衡算式 F = P + WF = P + WØ每种组分衡算式每种组分衡算式 F F·x xf1f1 = P = P·x xp1p1 + W + W·x xw1w1Ø F F·x xf2f2 = P = P·x xp2p2 + W + W·x xw2w2§3-6 化工过程的物料衡算化工过程的物料衡算（一）物料衡算的基本方法（一）物料衡算的基本方法 化工工艺设计化工工艺设计(Chemical Process Design)西南科技大学西南科技大学平衡式类型平衡式类型物料平衡形式物料平衡形式无无化学反应化学反应 有有化学反应化学反应总总平衡式平衡式总总质量平衡式质量平衡式总物质的量平衡式总物质的量平衡式是是是是是是非非组分平衡式组分平衡式组分质量平衡式组分质量平衡式组分物质的量平衡式组分物质的量平衡式是是是是非非非非元素原子元素原子平衡式平衡式元素原子质量平衡式元素原子质量平衡式元素原子物质的量平衡式元素原子物质的量平衡式是是是是是是是是物料平衡形式（稳态过程）物料平衡形式（稳态过程）§3-6 化工过程的物料衡算化工过程的物料衡算（一）物料衡算的基本方法（一）物料衡算的基本方法 化工工艺设计化工工艺设计(Chemical Process Design)西南科技大学西南科技大学3 3、物料衡算的基准、物料衡算的基准q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，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：不宜硬性规定，可建议：Ø以以1t1t产品为基准产品为基准Ø以以1mol1mol某某反应物为基准反应物为基准Ø在连续操作中，以单位时间，即㎏在连续操作中，以单位时间，即㎏/h/h或或kmol/hkmol/h作基准；在间歇操作中，作基准；在间歇操作中，以㎏以㎏/ /批为基准批为基准Ø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，以重量或量或kmol/hkmol/h为基准为基准Ø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§3-6 化工过程的物料衡算化工过程的物料衡算（一）物料衡算的基本方法（一）物料衡算的基本方法 化工工艺设计化工工艺设计(Chemical Process Design)西南科技大学西南科技大学q某某尿素厂的生产能力为尿素厂的生产能力为6 6万万t t尿素尿素/a,/a,年操作日年操作日300d300d，，尿尿素的氨耗为素的氨耗为0 0．．6t6t氨氨/t/t尿素，生产过程的氨损失按尿素，生产过程的氨损失按5 5％考虑，％考虑，已知以已知以1t1t氨为基准的某股气体的组成和量如下表所示。
氨为基准的某股气体的组成和量如下表所示组成组成 CO2 CO H2 N2 CH4 合计合计％％(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列出该股气体的组成和流量表列出该股气体的组成和流量表. .解解: :小时产量为小时产量为 6000060000×0.60.6×1.051.05 300 300×24 24 =5.25t/h=5.25t/h§3-6化工过程的物料衡算化工过程的物料衡算（一）物料衡算的基本方法（一）物料衡算的基本方法 化工工艺设计化工工艺设计(Chemical Process Design)西南科技大学西南科技大学以以1t1t氨为基准的各组分的氨为基准的各组分的kmolkmol量乘以量乘以5.255.25所得结果为流量所得结果为流量. .气体的流量和组成如下表所示气体的流量和组成如下表所示: :组成组成 CO2 CO H2 N2 CH4 合计合计％％(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化工过程的物料衡算（一）物料衡算的基本方法（一）物料衡算的基本方法 化工工艺设计化工工艺设计(Chemical Process Design)西南科技大学西南科技大学（二）无化学反应的物料衡算（二）无化学反应的物料衡算1 1、、简单过程的物料衡算简单过程的物料衡算2 2、、多单元系统多单元系统Ø在化工过程中，一些只有物理变化，不发生化学反应的在化工过程中，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、单元操作，如混合、蒸馏、蒸发、干燥、吸收、结晶、萃取等萃取等p这些过程都可以根据物料衡算式，列出总物料和各组分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。
的衡算式，再用代数法求解 §3-6 化工过程的物料衡算化工过程的物料衡算 化工工艺设计化工工艺设计(Chemical Process Design)西南科技大学西南科技大学（二）无化学反应的物料衡算（二）无化学反应的物料衡算1 1、简单过程的物料衡算、简单过程的物料衡算p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流程简图中，设备边界就是体系边界Ø下面举例说明计算步骤和计算方法下面举例说明计算步骤和计算方法p一种废酸，组成为一种废酸，组成为2323％％( (质量％质量％)HNO)HNO3 3，，5757％％H H2 2SOSO4 4和和2020％％H H2 2O O，，加入加入9393％的％的H H2 2SOSO4 4及及9090％的浓％的浓HNOHNO3 3，，要求混合成要求混合成2727％％HNOHNO3 3及及6060％％H H2 2SOSO4 4的混合酸，计算所需废酸及加入浓酸的数量。
的混合酸，计算所需废酸及加入浓酸的数量 §3-6 化工过程的物料衡算化工过程的物料衡算 化工工艺设计化工工艺设计(Chemical Process Design)西南科技大学西南科技大学 解：设解：设 x x为废酸量，为废酸量，kgkg；； y y为浓为浓H H2 2SOSO4 4量，量，kgkg；； z z为浓为浓HNOHNO3 3量量, , ㎏㎏ ⑴⑴画物料流程简图画物料流程简图（二）无化学反应的物料衡算（二）无化学反应的物料衡算§3-6 化工过程的物料衡算化工过程的物料衡算 化工工艺设计化工工艺设计(Chemical Process Design)西南科技大学西南科技大学⑵⑵选择基准选择基准: :可以选废酸或浓酸的量为基准，也可以用混合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基准计算都很方便。
⑶⑶列物料衡算式，该体系有列物料衡算式，该体系有3 3种组分，可以列出种组分，可以列出3 3个独立方个独立方程，所以能求出程，所以能求出3 3个未知量个未知量 基准：基准：100kg100kg混合酸混合酸Ø总物料衡算式总物料衡算式 x x + + y y+ +z z= =100 100 (1)(1)（二）无化学反应的物料衡算（二）无化学反应的物料衡算§3-6 化工过程的物料衡算化工过程的物料衡算 化工工艺设计化工工艺设计(Chemical Process Design)西南科技大学西南科技大学H2SO4H2SO4的衡算式的衡算式 0.570.57x x + + 0.930.93y=y=100100×0.6=600.6=60 (2) (2)HNO3HNO3的衡算式的衡算式 0.230.23x x + 0.90 + 0.90z=z=100100×0.27=27 0.27=27 (3)(3) 解解(1)(1)，，(2)(2)，，(3)(3)方程，得方程，得x=x=41.8kg41.8kg废酸废酸 y = y = 39kg39kg浓浓H2SO4H2SO4 z = z = 19.2kg19.2kg浓浓HNO3HNO3即由即由41.8kg41.8kg废酸、废酸、39kg39kg浓浓H2SO4H2SO4和和19.2kg19.2kg浓浓HNO3HNO3可以混合可以混合成成100kg100kg混合酸。
混合酸二）无化学反应的物料衡算（二）无化学反应的物料衡算§3-6 化工过程的物料衡算化工过程的物料衡算 化工工艺设计化工工艺设计(Chemical Process Design)西南科技大学西南科技大学2 2、多单元系统、多单元系统Ø对有多个设备的过程，进行物料衡算时，可以划分多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，甚至无法求解重要的步骤不然会使计算繁琐，甚至无法求解 p造纸厂的碱回收工序有一个四效蒸发器造纸厂的碱回收工序有一个四效蒸发器, ,供料方式为供料方式为Ⅲ→Ⅳ→Ⅱ→Ⅰ,Ⅲ→Ⅳ→Ⅱ→Ⅰ,蒸发器的总处理量为蒸发器的总处理量为8000080000㎏㎏/h/h造纸废造纸废液液( (黑液黑液).).计算总蒸发水量和每一效蒸发器的蒸发水量计算总蒸发水量和每一效蒸发器的蒸发水量. .（二）无化学反应的物料衡算（二）无化学反应的物料衡算§3-6 化工过程的物料衡算化工过程的物料衡算 化工工艺设计化工工艺设计(Chemical Process Design)西南科技大学西南科技大学四效四效蒸发系统的物料平衡蒸发系统的物料平衡（二）无化学反应的物料衡算（二）无化学反应的物料衡算§3-6 化工过程的物料衡算化工过程的物料衡算 化工工艺设计化工工艺设计(Chemical Process Design)西南科技大学西南科技大学Ø将将整个系统简化为一个单元，可计算出总蒸发量整个系统简化为一个单元，可计算出总蒸发量ØFXFX进进= =（（F F进进-W-W））X X出出则总则总蒸发水量为蒸发水量为（二）无化学反应的物料衡算（二）无化学反应的物料衡算§3-6 化工过程的物料衡算化工过程的物料衡算 化工工艺设计化工工艺设计(Chemical Process Design)西南科技大学西南科技大学第三效蒸发水量为第三效蒸发水量为则第则第ⅣⅣ效的蒸发水量效的蒸发水量W WⅣⅣ为为进入第进入第ⅣⅣ的料液量 的料液量 80000-12600=67400kg/h80000-12600=67400kg/h类推得：类推得：ＷＷⅡ＝＝15000kg/h ＷＷⅠ＝＝18100kg/h（二）无化学反应的物料衡算（二）无化学反应的物料衡算§3-6 化工过程的物料衡算化工过程的物料衡算 化工工艺设计化工工艺设计(Chemical Process Design)西南科技大学西南科技大学（三）反应过程的物料衡算（三）反应过程的物料衡算1 1、直接计算法、直接计算法Ø在物料衡算中在物料衡算中, ,根据化学反应式根据化学反应式, ,运用化学计量系运用化学计量系数进行计算的方法数进行计算的方法, ,称为直接计算法称为直接计算法p甲醇氧化制甲醛甲醇氧化制甲醛, ,其反应过程为其反应过程为 CHCH3 3OH + 1/2OOH + 1/2O2 2 →HCHO + H →HCHO + H2 2O O反应物及生成物均为气态．甲醇的转化率为反应物及生成物均为气态．甲醇的转化率为7575％，若使用％，若使用5050％的过量空气，试计算反应后气体混合物的摩尔组成．％的过量空气，试计算反应后气体混合物的摩尔组成．§3-6 化工过程的物料衡算化工过程的物料衡算 化工工艺设计化工工艺设计(Chemical Process Design)西南科技大学西南科技大学（三）反应过程的物料衡算（三）反应过程的物料衡算解：画出流程示意图，如下图：解：画出流程示意图，如下图：催化反应器催化反应器CH3OH空气空气CH3OH HCHO H2O O2 N2（过量（过量50%)50%) 基准：基准：1mol CH1mol CH3 3OHOH根据反应式，需氧＝根据反应式，需氧＝0.5 0.5 氧入氧入=0.5=0.5××1.5=0.75 1.5=0.75 氮入＝氮出＝氮入＝氮出＝0.750.75××(79/21)=2.82(79/21)=2.82§3-6 化工过程的物料衡算化工过程的物料衡算 化工工艺设计化工工艺设计(Chemical Process Design)西南科技大学西南科技大学Ø反应的甲醇量＝反应的甲醇量＝0.750.75××1=0.751=0.75p甲醛的出量＝甲醛的出量＝0.75 0.75 甲醇的出量＝甲醇的出量＝1 1－－0.75=0.250.75=0.25Ø氧的出量＝氧的出量＝0.750.75－－0.750.75××0.5=0.3750.5=0.375Ø水的出量＝水的出量＝0.750.75p计算结果如下表：计算结果如下表： 组分 组分 CH3OH HCHO H2O O2 N2 总计 总计 mol 0.250 0.750 0.750 0.375 2.820 4.945摩尔分数（％）摩尔分数（％） 5.0 15.2 15.2 7.6 57.0 100.0 （三）反应过程的物料衡算（三）反应过程的物料衡算§3-6化工过程的物料衡算化工过程的物料衡算 化工工艺设计化工工艺设计(Chemical Process Design)西南科技大学西南科技大学２、元素衡算法２、元素衡算法 Ø元素衡算是物料衡算的一种重要形式。
在作这类衡算时，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重新组合的概念表示为p 输入输入( (某种元素某种元素) )＝输出＝输出( (同种元素同种元素) )Ø对反应过程中化学反应很复杂，无法用一、两个反应式表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，用代数法求解示的物料衡算题，可以列出元素衡算式，用代数法求解 （三）反应过程的物料衡算（三）反应过程的物料衡算§3-6化工过程的物料衡算化工过程的物料衡算 化工工艺设计化工工艺设计(Chemical Process Design)西南科技大学西南科技大学３、用联系组分作衡算３、用联系组分作衡算 p““联系组分联系组分””是指随物料输入体系，但完全不参加反应，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．量不变．Ø如果体系中存在联系组分，那么输入物料和输出物料之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，间就可以根据联系组分的含量进行关联例如，F F、、P P分别分别为输入、输出物料，为输入、输出物料，T T为联系组分为联系组分T T在在F F中的质量分数为中的质量分数为XFTXFT，在，在P P中的质量分数为中的质量分数为XPTXPT，则，则F F与与P P之间的关系为之间的关系为FXFT =PXPT （三）反应过程的物料衡算（三）反应过程的物料衡算§3-6化工过程的物料衡算化工过程的物料衡算 化工工艺设计化工工艺设计(Chemical Process Design)西南科技大学西南科技大学４、以节点进行计算４、以节点进行计算⊙ ⊙节点节点分流分流B分流分流C分流分流A⊙ ⊙节点节点ABC节点示意图节点示意图q以流程中某一点的汇聚或分支处的交点，即节点来进行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采用节点来进行计算（三）反应过程的物料衡算（三）反应过程的物料衡算§3-6 化工过程的物料衡算化工过程的物料衡算 化工工艺设计化工工艺设计(Chemical Process Design)西南科技大学西南科技大学５、利用反应速率进行物料衡算５、利用反应速率进行物料衡算Ø在以在以物质的量（摩尔）或质量进行衡算时，由于发生了化物质的量（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学反应，将输入与输出速率之差R RC C定义为物质定义为物质C C的量（摩尔）的量（摩尔）生成速率，即生成速率，即 R RC C=F =F C C，，输入输入- F - F C C，，输出输出 q因此，化学反应过程的物料衡算式可写成因此，化学反应过程的物料衡算式可写成 F F C C，，输出输出 = F = F C C，输入，输入 - R- RC C（三）反应过程的物料衡算（三）反应过程的物料衡算§3-6 化工过程的物料衡算化工过程的物料衡算 化工工艺设计化工工艺设计(Chemical Process Design)西南科技大学西南科技大学（四）过程的物料衡算（四）过程的物料衡算1 1、循环过程、循环过程Ø例如在生产例如在生产 中一般将未反应的原料与产品先分离，后循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环返回原料进口处，与新原料一起再进入反应器反应Ø例如苯直接加氢转化环己烷中的循环过程：例如苯直接加氢转化环己烷中的循环过程：混合器混合器泠凝器泠凝器新鲜新鲜ＨＨ2纯纯C6H6循环循环ＨＨ280%ＨＨ220%C6H6产物产物3%H2反应器反应器§3-6 化工过程的物料衡算化工过程的物料衡算 化工工艺设计化工工艺设计(Chemical Process Design)西南科技大学西南科技大学Ø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．量并不知道，所以逐次计算并不能计算出循环量．Ø试差法：试差法：假定一个循环量估计值进行计算，将估计值与计算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．与计算值之差在一定的误差范围内．Ø代数解法代数解法：在循环存在时，列出物料平衡方程式，并求解一：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．行求解．1 1、循环过程、循环过程§3-6 化工过程的物料衡算化工过程的物料衡算（四）过程的物料衡算（四）过程的物料衡算 化工工艺设计化工工艺设计(Chemical Process Design)西南科技大学西南科技大学苯直接加氢转化环己烷中的循环过程的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：解：反应为：C C6 6H H6 6+3H+3H2 2→C→C6 6H H1212 基准：基准：100kmol/h100kmol/h环己烷环己烷 查苯的转化率为查苯的转化率为99%99%则生产则生产100kmol/h100kmol/h环己烷需苯环己烷需苯 100100／／0.99=101.01kmol/h0.99=101.01kmol/h未反应的苯为未反应的苯为 101.01-100=1.01kmol/h101.01-100=1.01kmol/h产物中含产物中含H H2,2,设含量为设含量为n nH2H2§3-6 化工过程的物料衡算化工过程的物料衡算（四）过程的物料衡算（四）过程的物料衡算 化工工艺设计化工工艺设计(Chemical Process Design)西南科技大学西南科技大学总产量＝总产量＝100+1.01+3.12=104.13kmol/h100+1.01+3.12=104.13kmol/h其摩尔分数为其摩尔分数为H H2 2的进料率为的进料率为 100100××3 3＋＋3.12=303.12kmol/h3.12=303.12kmol/h苯的进料率为 苯的进料率为 101.01kmol/h101.01kmol/h设设H H2 2循环量为循环量为R RR=100.92kmol/hR=100.92kmol/h§3-6 化工过程的物料衡算化工过程的物料衡算（四）过程的物料衡算（四）过程的物料衡算 。