补充资料9物料衡算

第四章物料衡算本章要求：掌握物料衡算的原理掌握物料衡算的基本步骤掌握物料衡算的基本方法主要内容：物料衡算的理论依据化工过程的类型物料衡算式物料衡算的基本方法无化学反应过程的物料衡算化学反应过程的物料衡算前言一、物料衡算的理论依据物料衡算的理论依据是质量守恒定律，即在一个孤立物系中，不论物质发生任何变化，它的质量始终不变（不包括核反应，因为核反应能量变化非常大，此定律不适用）。二、物料衡算的意义1．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、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估，对化工过程和设备进行设计。第一节物料衡算式一、化工过程的类型1．化工过程根据其操作方式可以分成连续操作、间歇操作以及间歇连续操作（半间歇或半连续操作）三类。2．化工过程按物系是否稳定，可分为稳定状态操作和非稳定状态操作。本章主要是以稳定状态操作过程为主介绍物料衡算的有关方法，对不稳定状态操作过程只作简要的介绍。二、物料衡算式对任何一个体系，物料平衡关系式可表示为：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=积累的物料量VmVm第一节物料衡算式1、稳定操作状态稳定操作时，积累的物料量=0（1）有化学反应，此时物料平衡关系式为：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=0（2）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：输入的物料量—输出的物料量=0非稳定操作状态非稳定操作时，积累的物料量不为零（1）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+反应生成的物料量=积累的物料量即为通式。（2）无化学反应输入的物料量—输出的物料量=积累的物料量一、物料衡算的范围进行物料衡算时，必须首先确定衡算的体系。所谓体系就是物料衡算的范围，它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，可以根据实际需要人为地选定，体系的确定以能简化解题为原则。物料衡算必定是针对特定的衡算体系的，它主要研究在某一个体系内进、出物料量及组成的变化。二、物料衡算的基本步骤进行物料衡算时，尤其是那些设备和过程较多的复杂体系的物料衡算，应按照一定的计算步骤来进行。第二节物料衡算的基本方法1．收集、整理计算数据（1）设计任务数据①生产规模根据设计任务、生产能力来确定。②生产时间即年工作时数（操作时间），一般为7200-8000小时左右。③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（或产率）等。（2）物性数据如质量、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、数据汇编等处查找。查找时应注意资料的可靠性，尽可能找原始资料并注意数据的适用范围。所收集的数据应统一使用国际单位制。（3）工艺参数如温度、压力、流量、原料配比、停留时间等。第二节物料衡算的基本方法第二节物料衡算的基本方法2．画出物料流程简图（1）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举例：物料流程示意图第二节物料衡算的基本方法例如：含CH485%和C2H615%（mol%）的天然气与空气在混合器中混合。得到的混合气体含CH410%。试计算100mol天然气应加入的空气量及得到的混合气量。所画的物料流程简图如图4-5所示。图4-5混合过程物料流程简图混合过程1100mol天然气CH40.85C2H60.153Mmol混合气CH40.10C2H6x空气1-0.10-x2Amol空气在图中，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，以避免出错。举例：含CH485%和C2H615%（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CH410%。试计算100mol天然气应加入的空气量及得到的混合气量。所画的物料流程简图如下图所示：混合过程的物料流程图第二节物料衡算的基本方法3．确定衡算体系根据衡算对象的情况，用框图形式画出物料流程简图后，必要时可在流程图中用虚线表示体系的边界，从虚线与物料流股的交点可以很方便地知道进出体系的物料流股有多少。当物料衡算过程较复杂，包含有很多设备时，合理选择衡算体系对解题是很有帮助的，特别是第一个衡算体系的确定，往往是解题的突破口，解决问题之关键，这时原则上应选择已知条件最多、物料组分最多、未知变量最少的体系作为第一个衡算系统，这些条件有时不一定能同时满足，可视具体情况进行取舍。如果再不能确定衡算体系，需列表进行自由度分析，检查给定的数据条件与求解的变量数目是否相符，确定求解的步骤。第二节物料衡算的基本方法4．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列表汇总表示出来，以备计算时用。5．选择合适的计算基准，并在流程图上注明所选的基准值。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，从原则上说选择任何一种计算基准，都能得到正确的解答。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：第二节物料衡算的基本方法（1）时间基准（2）质量基准（3）物质的量基准（4）体积基准对于不同化工过程，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，当进料的组成未知时（比如以煤．原油等作为原料），只能选单位质量作基准；当密度已知时，也可选体积作基准。但是，不能选1摩尔煤或1摩尔原油作基准，因为不知道它们的分子量。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，应该注意以下几点：⑴应选择已知变量数最多的流股作为计算基准。⑵对液体或固体的体系，常选取单位质量作基准。⑶对连续流动体系，用单位时间作计算基准有时较方便。⑷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。下面举例说明选择不同的计算基准对解题难简的影响程度。第二节物料衡算的基本方法第二节物料衡算的基本方法例4-1：丙烷充分燃烧（即转化率100%）时，实际供入的空气量为理论所需量的125%，反应式为：求：每生成100mol的燃烧产物实际需要供入多少摩尔空气？O4HCO3O5HC22283第二节物料衡算的基本方法解：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。图4-7例4-1物料流程图燃烧过程C3H8燃烧产物（CO2、N2、H2O、O2）空气（O2、N2）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：1mol1molC3H8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：第二节物料衡算的基本方法6.25molmol525.183HC93.7mol31.76mol29.76mol100mol23.51mol0.7929.76mol29.76mol0.216.25mol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：第二节物料衡算的基本方法mol8.01.251mol0.168mol0.21mol0.8mol0336.050.168mol0.1008mol3mol0336.00.1344mol4mol0336.0mol042.0mol)168.021.0(mol068.1mol)79.0042.01344.01008.0(mol6.931.068mol1molmol100燃烧产物空气燃烧产物第二节物料衡算的基本方法方法三基准：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：有燃烧产物总量，有：M+N+P+Q=100mol（5）反应后剩余的氧量：（6）第二节物料衡算的基本方法2QPM0.21A可用消元法解上列方程组1.250.21A0.21AM第二节物料衡算的基本方法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比较恰当。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。说明：本题丙烷的转化率为100%，所以对于过量反应物理论所需量和实际消耗量是一致的。第二节物料衡算的基本方法6．列出物料衡算式，然后用数学方法求解。根据衡算体系的具体情况，列出所有独立的物料衡算式，当未知变量数等于独立方程式个数时，可用代数法求解。如当未知数变量多于独立方程式个数时，只能采用试差法或计算机来解题解。7．校核、整理计算结果将物料衡算的结果加以整理、校核，列成物料衡算表。表中需列出输入、输出的物料名称、数量及单位和占总物料的百分数。第三节无化学反应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（4-4），列出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较简单，在物料流程简图中，设备边界就是体系边界。第三节无化学反应过程的物料衡算1、混合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。例4-2：现有800kg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H2SO418.63%的溶液再重新利用，问需加入77.7%的H2SO4多少千克合适？可制得多少千克可利用的酸？第三节无化学反应过