第1章物料能量平衡.

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系统损失量总和总和系统积累量　　　　　　　　　　输出系统质量总和总和输入系统质量2组分质量衡算系统损失量系统积累量输出系统的量　化学反应量摩尔量）输入系统的量（质量或对组分:i3元素质量衡算系统损失量系统积累量输出系统的量　摩尔量）输入系统的量（质量或对元素:j2二、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：100kg，100mol，100Nm3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）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：yxyxyxyx244.1/%2.3)(%65.0%25.5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20000kg/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)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6dBfBwBdBfBxDxFWDFxWxDxF%97三个方程，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％%95.8492/%)72.851(78/%72.8578/%72.85/)1(//92,78%;%18766甲苯苯苯苯甲苯苯：塔顶产物为基准进行）塔顶浓度换算（以MXMXMXxMMMMmolwtmoldBdBdBHCHC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54254254243.095.003.03.01000:045.003.095.05.01000:1000:SSSTSSSBSSSTOTAL衡算体I衡算体IITBXTBXXXXSTXSBSTOTAL33333333133043.015095.0:3300045.015003.0:330150:结果：S2=520mol/h,S4=150mol/h,S5=330mol/h；S3=480mol/h,X3B=0.0125,X3T=0.5925,X3X=0.3959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1000mol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O20.21mol，含N20.79mol）(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：1.255=6.25mol需要空气：6.25/0.21=29.76mol含氮量：29.760.79=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;CO2:3mol10解法2以1000mol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=937.0mol。结果同上。双基准，麻烦！燃烧产物总mol数：1.25＋23.51＋4＋3＝31.76mol所以，每1000mol燃烧产物需要的空气摩尔数为：1000(29.76/31.76)=937.0mol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:1000kg60oC的NaHCO3饱和溶液（2）未知数设定结晶出的NaHCO3为xkg，20oC的NaHCO3饱和溶液量为ykg12（3）溶解度单位换算（g/100gH2Owt%）NaHCO3饱和溶液组成计算%90.8514.10%-1OH%;10.141004.164.16NaHCO:C60%24.918.76%-1OH%;76.81006.96.9NaHCO:C2023o23o（4）物料衡算关联式NaHCO3衡算：100014.10%=x+y8.76%H2O衡算：100085.90%=100085.90%5%+y91.24%联立求解得：x=62.65kg;y=894.4kg（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）（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/kg·oC100oCHCl(g)0.81525oCH2O(l)4.18425oC25%HCl溶液2.86325%HCl溶液的溶解热为：65.23kJ/molHCl14（2）衡算基准1000kg/h25%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：Q325%HCl溶液配制过程溶解热：QS（4）物料衡算：生产1000kg/h25%HCl水溶液需要的HCl和H2O量分别为：HCl：100025%=250kg/h，即6.849kmol/hH2O：100075%=750kg/h，即41.67kmol/h15（5）热量衡算Q1=2501000.815+750254.184=98825kJ/hQ3=1000252.863=71575kJ/hQS=(6.8491000)65.23=446760kJ热效应：Q2=Q3–Q1–QS=71575–98825–446760=-4.74105kJ/h（6）结论生产过程每小时需从吸收装置中移出4.74105kJ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，H2O2mol。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)萘(l)苯酐(g)CO2H2O(g)O2N2H298087.3-373.3-393.5-241.8--kJ/molCP0.260.230.040.040.030.03kJ/mol.K解：（1）计算过程设计原料降温至298K298K下反应产物升温至450oC17（2）衡算基准:298K，1mol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]=-1623.28kJ/mol萘原料带入热量H1=H1,萘+H1,空气=0.26(473-298)+[0.0321%+0.0379%]50.1(303-298)=45.5kJ+7.52kJ=53.02kJ18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=[0.231+0.036+0.0339.6+0.042+0.042](723-298)=747.15kJ需要移出热量H=HR,298o+H2-H1=-1623.28+747.15-53.02=929.15kJ/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/kmol·oC。计算每100kmol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查表/手册可知，25oC水的焓值为104.6kJ/kg233.7oC、30MPa饱和水蒸气的焓值为2798.9kJ/kg以100kmol废气为衡算基准Q损=n废气cp,废气(t1,废气-t2,废气)=10032.5(450-260)=617500kJW水=Q损/(H蒸汽-H水）=617500/(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=2694.3kJ/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)+5O2(g)=4NO(g)+6H2O(g)，标准反应热为-904.6kJ。已知反应器入口条件为：100molNH3/h、200molO2/h，25℃；反应器出口条件为：100molNO/h，150molH2O/h，75molO2/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+H221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=nNH3H2980=100(-904.6)/4=-22615kJ/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.kcp,NO=29