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化工设计物料衡算

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物料衡算

物料衡算

物料衡算物料衡算是化工计算中最基本、也是最重要的内容之一，它是能量衡算的基础。

一般在物料衡算之后，才能计算所需要提供或移走的能量。

通常，物料衡算有两种情况，一种是对已有的生产设备或装置，利用实际测定的数据，算出另一些不能直接测定的物料量。

用此计算结果，对生产情况进行分析、作出判断、提出改进措施。

另一种是设计一种新的设备或装置，根据设计任务，先作物料衡算，求出进出各设备的物料量，然后再作能量衡算，求出设备或过程的热负荷，从而确定设备尺寸及整个工艺流程。

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）。

3－1物料衡算式1、化工过程的类型化工过程操作状态不同，其物料或能量衡算的方程亦有差别。

化工过程根据其操作方式可以分成间歇操作、连续操作以及半连续操作三类。

或者将其分为稳定状态操作和不稳定状态操作两类。

在对某个化工过程作物料或能量衡算时，必须先了解生产过程的类别。

闻歇操作过程：原料在生产操作开始时一次加入，然后进行反应或其他操作，一直到操作完成后，物料一次排出，即为间歇操作过程。

此过程的特点是在整个操作时间内，再无物料进出设备，设备中各部分的组成、条件随时间而不断变化。

连续操作过程：在整个操作期间，原料不断稳定地输入生产设备，同时不断从设备排出同样数量（总量）的物料。

设备的进料和出料是连续流动的，即为连续操作过程。

在整个操作期间，设备内各部分组成与条件不随时间而变化。

半连续操作过程：操作时物料一次输入或分批输入，而出料是连续的，或连续输入物料，而出料是一次或分批的。

稳定状态操作就是整个化工过程的操作条件（如温度、压力、物料量及组成等）如果不随时间而变化，只是设备内不同点有差别，这种过程称为稳定状态操作过程，或称稳定过程。

如果操作条件随时间而不断变化的，则称为不稳定状态操作过程，或称不稳定过程。

间歇过程及半连续过程是不稳定状态操作。

化工过程设计 第三章 物料衡算与热量衡算(1)

化工过程设计 第三章 物料衡算与热量衡算(1)

各流股组份数一览表
HAC 24%
11 循环流 进料 HAC 30％ H2O 69.8% H2SO4 0.2% 萃 取 塔 4
流股号 1 2 3
组份数 3 3 3 4 2 2 2 2
1
2
12
3
混合器1
4
5 6 7 8 9 10 11 12
E 7% HAC H2O H2SO4 混合器2
溶 剂 回 收 塔
7（2） E 99% H2O 1％
附加关系式数
自由度
9（4）
（2）溶剂提馏塔及整体的自由度分析
11（2） 循环流
HAC 24%
进料 HAC 30％ 1（3） H2O 69.8% H2SO4 0.2% 混合器1 2（3）
萃 取 塔
3（3） 12（2） 溶 剂 回 收 塔 产品流 HAC 99% H2O 1% 产 品 精 馏 塔
独立MB方程数
已知流股变量数 已知其它关系式数 自由度 2、具体MB计算（略）
在开始下一节讲授之前，大家先考虑一个精馏塔的MB问题。 例题：有人提出了一个无反应的单精馏塔流程的方案，试做其MB计算:
100 C3 i-C4 i-C5 C5 kmol/h 0.20 0.30 0.20 0.30
2 1 精 馏 塔 3
MB与HB计算是化工工艺设计中最基本，也是最主要的计算内容。
一、化工流程（过程）中MB、HB、EB三者之间的关系 1、MB与HB之间的关系 MB有可能能单独（不依赖HB而独立）求解； HB一般不能单独求解； （间壁式换热器除外） 当MB不能独立求解时，它就必须与HB联合起来，求解CB。 2、EB与HB之间的关系 流程压力水平不高，而且压力变化也不大，系统能量只考虑其热 焓，而忽略其动能、势能等机械能，在这种情况下：

化工设计竞赛9-1附录一 物料衡算(0001)

化工设计竞赛9-1附录一 物料衡算(0001)

目录1.物料衡算目的 (2)2.物料衡算方法 (2)3.物料衡算任务 (2)4.全装置物料衡算表 (3)5.分工段物料衡算 (4)5.1醋酸乙烯酯合成工段 (4)5.2原料分离与循环工段 (6)5.3产品分离与精制工段 (9)1.物料衡算目的本项目拟建一套年产20万吨的醋酸乙烯酯装置。

工艺设计中，物料衡算是在工艺流程确定后进行的。

目的是根据原料与产品之间的定量转化关系，计算原料的消耗量，各种中间产品、产品和副产品的产量，生产过程中各阶段的消耗量以及组成，进而为热量衡算、其他工艺计算及设备计算打基础。

对于已有装置，物料衡算可以弄清原料的来龙去脉，找出生产中的薄弱环节，为改进生产、完善管理提供可靠的依据和明确方向，并可作为检查原料利用率及三废处理完善程度的一种手段。

2.物料衡算方法物料衡算是根据质量守恒定律，利用某进出化工过程中某些已知物流的流量和组成，通过建立有关物料的平衡式和约束式，求出其他未知物流的流量和组成的过程。

系统中物料衡算一般表达式为：系统中的积累=输入-输出+生成-消耗式中，生成或消耗项是由于化学反应而生成或消耗的量；积累量可以是正值，也可以是负值，当系统中积累量不为零时称为非稳定状态过程；积累量为零时，称为稳定状态过程。

稳定状态过程时，可以简化为：输入=输出-生成+消耗对无化学反应的稳定过程，又可表示为：输入=输出3.物料衡算任务（1）确定醋酸乙烯酯的实际产量以及质量指标；（2）确定工艺中的“三废”排放量等公共经济指标；（3）各主要单元过程的物料衡算，并指导工艺设备的尺寸确定；（4）总全流程物料衡算，数据用于完成物料流程图等后续设计任务。

4.全装置物料衡算表图4-1总流程图表4-1项目总物料平衡表入方单位kg/h 单位t/d 单位t/a乙烯15598.549 374.365 124663.604氧气15120 362.88 120839.04醋酸19783.629 474.807 158110.763 工艺软水72250.903 1734.022 577429.217DEA 2886.882 69.285 23071.96甘油﹤0.001 - -碳酸钾﹤0.001 - -总计125639.963 3015.359 1004114.584出方单位kg/h 单位t/d 单位t/a 乙烯回收后废水11899.942 285.598 95104.336 废气分离器顶部废气9700.672 232.816 77527.771 废气分离器底部废水66336.25 1592.07 530159.31 产品V Ac 27265.67 654.376 217907.235甘油回收后废水3915.825 93.980 31295.273脱水器顶部废水6521.601 156.518 52120.635 总计125639.963 3015.359 1004114.5845.分工段物料衡算5.1醋酸乙烯酯合成工段图5-1醋酸乙烯酯合成工段表5-1醋酸乙烯酯合成工段物料平衡表入方出方物流说明氧气新鲜乙烯新鲜醋酸循环醋酸循环乙烯反应混合物温度℃40 30 41 127.5 113 40压力bar 12 12 1 1.7 12 8.313 气化分率 1 1 0 0 1 0.613 摩尔流量471.486 556.15 329.862 541.407 2628.351 4363.211 kmol/hr5.2原料分离与循环工段图5-2原料分离与循环工段图表5-2原料分离与循环工段物料平衡表华侨大学The Elites队7华侨大学The Elites队8茂名石化年产20万吨醋酸乙烯酯项目物料衡算5.3产品分离与精制工段图5-3产品分离与精制工段图表5-3产品分离与精制工段物料平衡表入方出方物流说明醋酸精馏塔塔顶馏出液新鲜甘油产品V Ac 甘油回收后废水温度℃72.2 50 72.447.9压力bar 1.5 2 1.11气化分率0 0 00摩尔流量kmol/hr522.442 318.398204.044质量流量kg/hr31181.494 ﹤0.001 27265.6693915.825体积流量cum/hr35.542 31.603 4.054组分kg/hr kg/hr kg/hr kg/hr茂名石化年产20万吨醋酸乙烯酯项目物料衡算华侨大学The Elites队10。

化工物料衡算

化工物料衡算
⑶对连续流动体系，用单位时间作计算基准有时较方 便。
第二节 物料衡算的基本方法
2．画出物料流程简图
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
第二节 物料衡算的基本方法
举例如例：4含-1C：H4含85%C和HC482H56%15%和（Cm2oHl%6）15的%天（然气摩与尔空气分在数混合）器的中天混合然。气得到与的空混气合气体含 CH41在0%混。试合计器算中100混mo合l 天。然气得应到加入的的混空合气量气及体得到含的C混H合4气10量%。。所画试的计物算料流1程00简m图o如l 图 4-5
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。
4．确定求解步骤 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。
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。
第二节 物料衡算的基本方法
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。

化工设计——第三章物料衡算和能量衡算

化工设计——第三章物料衡算和能量衡算

第一节 连续过程的物料衡算
二、物料衡算的基本程序 确定衡算的对象和范围。 (1) 确定衡算的对象和范围。 确定计算任务。 (2) 确定计算任务。 确定过程所涉及的组分， (3) 确定过程所涉及的组分 ， 并对所有组分依 次编号。 次编号。 对物流流股进行编号，并标注物流变量。 (4) 对物流流股进行编号，并标注物流变量。 收集数据资料。 (5) 收集数据资料。
2C2 H 4 + O2 → 2C2 H 4O
同时存在副反应： 同时存在副反应： C
2
H 4 + 3O2 → 2CO2 + 2 H 2O
如果进料物质的流量为1000mol/h，进料中含C 如果进料物质的流量为1000mol/h，进料中含C2H4 1000mol/h 摩尔分数为10% 乙烯的转化率为25% 10%， 25%， 摩尔分数为10%，乙烯的转化率为25%，生成产物的 的选择性为80% 80%， C2H4的选择性为80%，计算反应器出口物流的流量与 组成。 组成。
第一节 连续过程的物料衡算
四、反应过程的物料衡算
Ns Nr
∑ F x + ∑V
i =1 i ij m =1
jm m
r = 0( j = 1, 2, ⋅⋅⋅, N c )
第一节 连续过程的物料衡算
[例3-1]在化学反应器中，利用乙烯部分氧化制 1]在化学反应器中， 在化学反应器中 取环氧乙烷， 取环氧乙烷，是将乙烯在过量空气存在条件下通 过银催化剂进行。主反应： 过银催化剂进行。主反应：
第一节 连续过程的物料衡算
2、 选择基准 ， 可以选废酸或浓酸的量为 、 选择基准， 基准，也可以用混合酸的量为基准， 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， 四种酸的组成均已知，选任何一种作基准 计算都很方便。 计算都很方便。 3、列物料衡算式，该体系有 种组分，可 种组分， 、列物料衡算式，该体系有3种组分 以列出3个独立方程 所以能求出3个未知 个独立方程， 以列出 个独立方程，所以能求出 个未知 量。 基准： 基准：100kg混合酸 混合酸

化工设计概论第三章 物料衡算和能量衡算

化工设计概论第三章 物料衡算和能量衡算

cC+dD
反应物的反应量 反应物的进料量
xA =
第 三 章 物 料 衡 算 与 能 量 衡 算
n A0 n A n A0
⑵ 选择性 选择性 =
生成目的产物所消耗的反应物量 100% 原料的反应量
Φ=
(nC nC 0 ) / c ( n A0 n A ) / a
15
⑶ 收率
收率 = 转化率×选择性
丙烯醛的收率：

640 / 56 100% 80% 600 / 42
18
二、直接推算法
例3-1 苯乙烯的反应器，年生产能力为10000t，年工作时间 为8000h，苯乙烯收率为40%，以反应物乙苯计的苯乙烯选 择性为90%，苯选择性为3%，甲苯选择性为5%，焦油选择 性为2%。原料乙苯中含甲苯2%（质量分数），反应时通入 水蒸气提供部分热量并降低乙苯分压，乙苯原料和水蒸气比 为1:1.5（质量比），要求对该反应器进行物料衡算，即计算 进出反应器各物料的流量。
石灰总量等于各物质质量之和W=x+y+z 计算结果汇总列入表3-4
28
表3-4 计算结果汇总
组分 NaOH Na2CO3 H2O CaCO3 CaO 输 物质的量/kmol 0.0135 0.1285 4.2973 0.012 0.015 入 质量/kg 0.54 13.62 77.35 1.2 6.44 0.2590 0.00575 4.182 0.137 输 物质的量/kmol 出 质量/kg 10.35 0.61 75.27 13.48
丙烯 600kg/h 一段反应器 丙烯25kg/h 丙烯醛640kg/h
解：丙烯氧化生成丙烯醛的化学反应方程式：
CH2 CHCH3 O2 CH2 CHCHO H2O

化工计算 物料衡算

化工计算 物料衡算
解：1、画出流程简图 z kg HNO3 0.90 H2O 0.10 废酸 xkg HNO3 0.23 H2SO4 0.57 H2O 0.20
y kg H2SO4 0.93 H2O 0.07 混合过程
混合酸 HNO3 0.27 H2SO4 0.60 H2O 0.13
2、选择计算基准 4个物流均可选，选取100kg混 酸为基准。
t0
Fdt Pdt Wdt
t0 t0
tf
tf
第四节 物料衡算的基本方法
4—1 画物料流程简图的方法
画出流程简图，可将整个过程和各个设备的 进出物流、已知变量和待求变量清晰地在图上表 示出来。有助于体系的划定及衡算方法的选择 。
画流程简图步骤及要点如下： （1） 流程简图中的设备可用方框表示; （2）用线条和箭头表示物料流股的途径和流向； （3）标出流股的已知变量（流量、组成等）和单位；
对C6组分列式
x 3, C 6
200 0.6 100 0.5 0.5667 300
x3,C8 1 x3,C6 1 0.5667 0.4333
例 4—2 （P 78）一种废酸，组成为23％(w%) HNO3，57％H2SO4和20％H2O，加入93％的 H2SO4及90％的HNO3，要求混合成 27％ HNO3，60％H2SO4的混合酸，计算所需废酸 及加入浓酸的量。
解：画出物料流程简图，取一分钟为计算基准。
200kmol xA,C6=0.6 xA,C8=0.4 100kmol xB,C6=0.5 xB,C8=0.5 F3 x3,C6=? x3，对总物料列式
F3 200 100 300kmol/ min
200x A,C6 100x B,C6 F3x3,C6

化工过程设计物料衡算

化工过程设计物料衡算

间甲苯胺制备工艺流程设计一项目名称间甲苯胺制备工艺流程PFD图设计。

二、实验目的通过这些设计性的实验，培养制药工程、化学工程与工艺等专业的研究生综合运用化工原理、反应工程、CAD制图等化工专业知识在化工过程设计方面的基本技能，夯实专业基本技能，提高其计算能力和分析问题、解决问题的能力，为将来从事化学工程方面的科研奠定基础。

具体包括：1. 通过运用Auto-CAD制图软件设计并绘制工艺流程图、反应器、塔器、换热设备、贮罐、工艺管线及其控制图，熟练掌握该软件的使用；2. 联系有机化学基本原理深入理解化工原理、化学反应工程和分离工程的相关知识；3. 了解在化工过程设计中进行物料衡算和热量衡算的方法和重要性；4. 了解反应器、塔器、换热设备、贮罐等化工设备的工艺设计方法和原则；5. 对化工过程涉及的管路设计、布置以及化工车间的布置设计有一定了解。

四、实验设计思路1. 掌握化工过程设计的基本原理、规定和方法；2. 工艺流程设计贯穿化工过程设计整个过程，最其中基础、最重要的环节，必须掌握工艺流程设计的原理和方法；3. 以氯乙烯和间甲苯胺的制造为例，在掌握合成这两个化合物的有机化学基本原理基础之上，还要弄清其制造过程中涉及到的化工原理、化学反应工程和分离工程方面的情况，通过物料衡算和热量衡算，确定设计参数；4. 在工艺流程设计的不同阶段，需要绘制不同的工艺流程图。

在化工过程初步设计阶段，需要提供工艺示意流程图，以氯乙烯制造过程中经历的一系列变化为例，对诸如化学反应、化学物质的分配、温度变化、压力变化、相变化、物理分离等过程逐一进行分析，然后以适当的方式把这些过程组合起来，形成氯乙烯制造过程的示意流程图；5. 在化工过程扩大初步设计和施工图设计等阶段，需要提供较为详细的工艺流程图（即PFD图），以间硝基甲苯催化加氢还原制造间甲苯胺过程的中试放大为例，在绘制工艺示意流程图的基础上，通过物料衡算和热量衡算确定各生产环节的设备参数和尺寸、操作条件、控制方案、控制仪表以及三废处理方案等，绘制成间甲苯胺制造过程的PFD图。

物料衡算 化工计算

物料衡算 化工计算

4—5 物料衡算的步骤
物料衡算的步骤为： 1、搜集计算数据 如流量（G）、温度（T）、压力（P）、浓度 （C）、密度（ρ）、饱和蒸汽压（Ps）等。 实验、中试或生产装置测定
获取数据的途径
手册或专业书籍查取
估算
注意所得数据的单位要统一。
2、画出物料流程图
用方框表示过程中设备，用线条箭头表示出每 股物流的途径和流向注明所有已知和未知变量（未 知变量用符号表示）。流股多时要将其编号。 3、确定衡算体系 根据已知量和未知量划定体系，应特别注意尽 量利用已知条件，要求的未知量要通过体系边界， 且应使通过边界的物料流股的未知项尽量少。 4、 写出化学反应方程式 包括所有主副反应，且为配平后的，将各 反应的选择性、收率注明。
衡算结果列于下表：
输 组分 C3H8 O2 N2 摩尔 0.0336 0.21 0.79 入 克 44 200 658 输 组分 CO2 H2O O2 出 摩尔 0.101 0.135 0.042 克 132 72 40
N2
总计 1.0336 902 总计
0.79
1.068
658
902
100mol烟道气所需空气的量:
恰当的选取计算基准可简化计算。
例题 丙烷充分燃烧时，通入的空气量为理论量 的125％，反应式为
C3H8+5O2＝＝3CO2+4H2O
问100mol 燃烧产物需要多少摩尔空气？
解：画出物料流程示意图
C3H8 1 3 燃烧过程
空气 O221％,
N279％
CO2 H2O
O2
2
N2
（一）取1mol C3H8 为计算基准 完全燃烧所需氧的理论量 5mol
z kg HNO3 0.90 H2O 0.10 废酸 xkg HNO3 0.23 H2SO4 0.57 H2O 0.20

化工设计物料和能量衡算

化工设计物料和能量衡算

化工设计物料和能量衡算1. 引言化工设计中的物料和能量衡算是一个关键的步骤，它涉及到化工工艺过程中物料的数量和能量的转化。

在化工过程中，物料进出口的计算和能量的平衡是确保工艺过程运行稳定和效果良好的重要因素。

本文将介绍化工设计中物料和能量衡算的基本原理和方法，并通过实例来说明。

2. 物料衡算物料衡算是指在化工过程中对物料质量和流量进行计算的过程。

它的目的是确定原料的消耗量、产物的产量和中间物的转化量，从而满足工艺过程的要求。

在物料衡算中，我们需要考虑以下几个方面：2.1 原料消耗量计算原料消耗量计算是衡算中的一个重要环节。

通常，化工工艺过程中会使用多种原料，而这些原料的消耗量会直接影响到产品的产量和质量。

原料消耗量的计算需要考虑原料的化学组成、反应的摩尔比以及反应的转化率等因素。

通过这些数据，我们可以对原料的消耗量进行准确的计算。

2.2 产物产量计算产物产量计算是另一个重要的衡算环节。

在化工过程中，我们通常希望得到高产量的产品。

产物产量的计算需要考虑反应的转化率以及反应过程中的损耗和副产物的生成等因素。

通过对这些因素的分析和计算，我们可以确定最终产品的产量，并优化工艺过程以提高产量。

2.3 中间物转化量计算中间物转化量计算是指在化工过程中，各种中间产物的转化量的计算。

中间产物是指在反应过程中生成的但不是最终产品的化合物。

中间物转化量的计算需要考虑反应的转化率以及反应过程中中间物的生成和消耗等因素。

通过对这些因素的计算，我们可以确定各个中间物的转化量，从而优化工艺过程。

3. 能量衡算能量衡算是指化工工艺过程中能量的转化和平衡的计算。

能量衡算的目的是确定工艺过程中的能量损失和能量转化效率，以提高工艺过程的能源利用效率和减少能源的消耗。

在能量衡算中，我们需要考虑以下几个方面：3.1 能量输入输出计算能量输入输出计算是能量衡算的一个基本环节。

在化工过程中，能量的输入通常是燃料或电能，而能量的输出包括产品的热能和工艺过程中的损耗。

化工设计第3、4章物料衡算和能量衡算和过程模拟

化工设计第3、4章物料衡算和能量衡算和过程模拟
= 2.82mol； 反应的CH3OH =0.75×1 = 0.75mol
输出： HCHO（输出）= 0.75mol； CH3OH（输出）= 1－ 0.75 = 0.25mol； O2（输出）= 0.75－ 0.75×0.5=0.375mol； H2O（输出）= 0.75mol
循环过程(两种解法）
1) 确定加热剂或冷却剂的消耗量； 2)为公用工程（热工、电、锅炉、给水、冷暖）提供设计条件; 3) 为提高能量利用率，降低能耗提供重要依据; 4)确定总需求能量和能量的费用。
热量衡算步骤
(1)以单位时间为基准的物料流程图，确定热量平衡范围； (2)在物料流程图上标明已知温度、压力、相态等已知条件； (3)选定计算基准温度； (4)列出热量衡算式，求解未知值； (5)整理并校核计算结果，列出热量平衡表。
F1=2000kg/h 75%液体 25%固体
过滤机
滤饼 90%固体 F3=？kg/h 10%液体
F2=？kg/h 1%固体 99%液体
滤液
精馏过程
F3
F1 料液 乙醇 40% 水 60%
馏出液
乙醇=1% 水 24% 苯 75%
F2 苯
乙醇产品 F4=1000kg/h
化学反应过程的物料衡算
1.直接计算法
化工工程设计中需要大量的时间查找、筛选和估算物性数据。 衡算时必须有足够而准确的原始数据。原始数据的来源根据计算 性质而不同。 对于设计一个新的工艺过程，有关数据可由实验室试验或中试提 供，对于生产过程，则由生产装置测定而得到。当某些数据不能精确 测定或缺少时，可在工程设计计算所允许的范围内推算或假设。
过程模拟简介
过程模拟类型 模拟型、设计型、优化型
过程模拟的三要素 系统模型、物性数据和热力学方法、算法

化工过程设计与开发第5章 物料衡算

化工过程设计与开发第5章 物料衡算

2915.7
杂质
59.0
总计
2915.7
5.2.2 反应过程的物料衡算
例[5.7] 在乙二醇生产中，所用的反应物是由乙烯部分 氧化法制得的环氧乙烷。制取环氧乙烷的方法是将乙烯 在过量空气存在下通过银催化剂。 解：
图5.6 乙烯部分氧化
5.2.2 反应过程的物料衡算
例[5.8] 将苯氯化生成一种由一氯、二氯、三氯和四氯 化苯组成的混合物，其反应为： C6H6+Cl2→C6H5Cl+HCl，其反应速率为r1； C6H5Cl+Cl2→C6H4Cl2+HCl，其反应速率为r2； C6H4Cl2+Cl2→C6H3Cl3+HCl，其反应速率为r3； C6H4Cl3+Cl2→C6H2Cl4+HCl，其反应速率为r4。
%(wt )
kmol /h
%(mo l)
kg/h
%(wt )
kmol /h
%(mo l)
kg/h
%(wt )
kmo %(m l/h ol)
苯
7600 0
38
97.4 3
41.9 7372 85.6 6 .6 0
94.5 2
87.5 2
227. 8
2.0
2.9 2.3 25
甲 1240 苯0
62
合 计
图5.5 常规精馏流程简图
5.2.1 物理过程的物料衡算
解：
0.5F2 0.01F3 0.2 100
F2=38.8kmol/h， F3=61.2kmol/h
表5-4 例5.4的物料平衡表
流股
组分
丙烷 异丁烷 异戊烷 正戊烷 合计
1
进料

化工设计之物料衡算及热量衡算

化工设计之物料衡算及热量衡算

每小时需要的乙苯量： ＝530Kg/h 每小时需要的乙苯量： 530/0.98＝540.8Kg/h 每小时需要的水蒸气的量： 540.8×2.6＝1406.08Kg/h 其余为甲苯，则甲苯量为：540.8×0.02=10.8Kg/h （2）产物组成 苯乙烯的产率为90%，可知理论苯乙烯的量为： 208.3/0.9＝231.4Kg/h
能量衡算
特殊过程能量衡算时的简化如下：
• • • •
绝热过程（Q ＝ 0） △H ＝W 无做功过程（W ＝ 0） △H ＝Q 无功、无热量传递过程(Q ＝0，W ＝0) △H ＝0 间歇过程△(PV) ＝0 △U ＝Q ＋W
化学反应过程的能量衡算
• 对于无化学反应的能量衡算问题，由于都是物理 过程，所以只要计算进出口流股相对于参考态的焓， 即可计算出焓值
- h 2.22
=25.81kJ/mol
- h 42.22
=42.9kJ/mol
则溶液稀释后能量的变化为 △H=（42.9-25.81）*3.125=53.41KJ 该能量使得水的温度升高
根据Q=Cm△T Q为总能量， C为水的比热容， m为水的质量， △T为温度变化量
查水的比热容为
4.2 103 kJ / kg ℃
每小时转化的乙苯量为： ＝235.9Kg/h＝2.23Kmol/h 未反应的乙苯量为：540.8－235.9＝304.9Kg/h 生成的甲苯量： 2.23×0.05×92＋10.8＝21.1Kg/h
生成的苯量：
2.23×0.03×78＝5.22Kg/h
生成的焦炭量：
2.23×0.02×7×12＝3.75Kg/h
第二种基准中的物质，是组成反应物和产物的、以自然 形态存在的原子。
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化工计算 第四章物料衡算 第四节化学反应过程的物料衡算

化工计算 第四章物料衡算 第四节化学反应过程的物料衡算
高职高专“十一五”规划教材《化工计算》
第四节 化学反应过程的物料衡算
2．元素衡算法 元素衡算法是物料衡算的一种重要形式，是以反应过
程中参与反应的各种元素为对象列出平衡方程式而进行的 物料衡算。在化学反应过程中, 无论什么情况下，任何一 种元素都是平衡的。
当反应过程比较复杂，尤其是化学反应式无法写出时， 用直接计算法就无法解题了，这时用元素衡算法是比较合 适的，例石油裂解过程，过程中存在多种反应而又无法确 切知道各步反应所占的比例，这时可采用元素平衡的方法 进行物料衡算。在对这类过程进行物料衡算时，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重新组 合的概念表示为： 输入（某种元素）=输出（同种元素）
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第四节 化学反应过程的物料衡算
FH2O 53.6mol h1
FO2 4.62mol h1
燃烧气组成为：
CO2：
44.2 0.1490 14.9% 296.71
H2O：
53.6 296.71
0.1806
18.06%
O2 ： 4.62 0.0156 1.56%
第四节 化学反应过程的物料衡算
烟道气中O2量：0.0249100mol 2.49mol 烟道气中N2量：0.7222100mol 72.22mol 以为联系组分，根据式 F xt, f P xt,p，即空气中的与烟道气 中量相等，有输入的空气量：72.22mol 91.42mol
0.79
296.71
N2： 194.29 0.6548 65.48%
296.71
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第四节 化学反应过程的物料衡算
3．联系组分法 联系组分又称惰性组分，是指在整个生产中

化工设计物料和能量衡算

化工设计物料和能量衡算

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化工设计物料和能量衡算
五、有化学反应过程的物料衡算
l 有化学反应的过程，物料中的组分变化比 较复杂。
l 工业上的化学反应，各反应物的实示用量， 并不等于化学反应式中的理论量。为了使 所需的反应顺利进行，或使其中较昂贵的 又应物全部转化，常常使价格较低廉的一 些反应物用量过量。
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化工设计物料和能量衡算
l 二）压力(压强） l 三）流量 l 四）组成
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化工设计物料和能量衡算
三、 化工过程开发
l 化工过程开发是指一个化学反应从实验室 过渡到第一套生产装置的全部过程。（开 发的成果要以基础设计形式出现）
l 化工过程开发，首先是决定化学反应的可 能性、转化率及反应速度是否具有工业价 值，产物分离的难易程度以及机械、设备、 材料是否可行。当然，最终取决于是否有 经济效益。
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化工设计物料和能量衡算
具体：⑴ 时间基准 连续（小时，天……） 间歇（釜，批……）
⑵ 质量基准 kg，mol， kmol ……
⑶ 体积基准 m3（STP），Nm3
⑷ 干湿基准 干基（不含水），湿基（含水）
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化工设计物料和能量衡算
l 4 、物料衡算的程序（步骤）
( l ）搜集计算数据。 ( 2 ）画出物料流程简图。 ( 3 ）确定衡算体系。 ( 4 ）写出化学反应方程式，包括主反应 和副反应，标出有用的分子量。
l l 、衡算范围
指定的任何空间范围。它可是一个设备、一个单元或 整个过程。根据给定的条件画出流程简图（过程示意图或衡算
范围）。图中用简单的方框表示过程中的设备，用线条和箭头表 示每个流股的途径和流向。并标出每个流股的已知变量（如流量、 组成）及单位。对一些未知的变量，可用符号表示。

化工设计第三章 物料衡算和能量衡算

化工设计第三章 物料衡算和能量衡算
【解】 ⑶ 方程与约束式
物料衡算
①物料平衡方程
C2H4 － F1x11 F2 x21 2r1 r2 0 O2 －－ F1x12 F2 x22 r1 3r2 0 N2－－ F1x13 F2 x23 0 C2H4O F2 x24 2r1 0 CO2 － F2 x25 2r2 0 H2O－ F2 x26 2r2 0
������ （5）Handbook of Technology
������ （6）I.C.T （国际物理、化学和工艺数值手册）
������ （7）化工工艺设计手册
������ （8）材料与零部件手册

§3-2 物料衡算
对已有的生产设备或装置，利用实际测定的数 据，算出另一些不能直接测定的物料量。用此 计算结果，对生产情况进行分析、作出判断、 提出改进措施。
⑵ 计算简图，如图3-1所示
1
F1
x11，x12，x13
r1 r2
催化反应器
γφ
F2 x21 x22 x23 x24 x25 x26
⑶ 方程与约束式 ①物料平衡方程 根据
Ns
Nr
Fixij jmrm 0( j 1,2,..., Nc )
i1
m1
2

四、连续过程的物料衡算
由题意取 F1, x11, 1 , ,
为一组设计变量，其值分别为：
F1=1000 mol/h
x11 0.1
1 0.25 0.8
0.21 / 0.79 0.2658

四、连续过程的物料衡算
【解】 ⑸ 求解方程组
物料衡算
方程式（1）与式（3）中只含两个未知数 x11 , x13 可首先
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表四 硝化分离器物料平衡表
项目 输入 物料名称 甲苯 HNO3 一硝基甲 苯 2,4-二硝 基甲苯 2,4-二硝 基甲苯酚 H2SO4 水 合计 输出 合计 有机物 废酸 工业品质 量 kg∕h 纯度% 纯品量 kg∕h 23.21 17.86 1105.54 10.70 4.99 1128.02 507.29 2797.61 1132.91 1664.11 2797.02 密度 kg∕m3 体积 m3 备注
NO2 N2O5 H2
合计
2.对 2#硝化釜进行计算 （1）2#硝化釜内反应情况 主反应：甲苯转化量：773.35 × 0.09 = 69.60kg ∕ h 硝酸消耗量：69.60 ÷ 92 × 63 = 47.66kg ∕ h 硝基甲苯生成量：69.60 ÷ 92 × 137 = 103.64kg ∕ h 水生成量：69.60 ÷ 92 × 18 = 13.62kg ∕ h （2）釜内剩余情况 甲苯余量：116.01 − 69.60 = 46.41kg ∕ h
2,4-二硝 基甲苯 2,4-二硝 基甲苯酚 H2SO4 水 合计
10.70 4.99 3702.18 1665.99 6575.85
3.对 3#硝化釜进行计算 釜内剩余情况 甲苯余量：23.21kg ∕ h 硝酸余量：17.86 + 40.84 = 58.7kg ∕ h 一硝甲苯的量：1070.99+34.55=1105.54 kg∕h 2,4-二硝基甲苯的量：10.70 kg∕h 2,4-二硝基甲苯酚的量：4.99 kg∕h 硫酸的量：3702.18 kg∕h 水的量： 507.29+1163.24=1670.53 kg∕h 表三 3#硝化釜物料平衡表
2,4-二硝基甲苯酚的量：4.99 kg∕h 硫酸的量：1128.02 kg∕h 水的量：502.75+4.54=507.29 kg∕h 表三 3#硝化釜物料平衡表
项目 输入 物料名称 甲苯 HNO3 H2SO4 一硝基甲 苯 2,4-二硝 基甲苯 2,4-二硝 基甲苯酚 水 合计 输出 甲苯 HNO3 一硝基甲 苯 2,4-二硝 基甲苯 2,4-二硝 基甲苯酚 H2SO4 水 合计 工业品质 量 kg∕h 纯度% 98 98 98 纯品量 kg∕h 46.41 33.75 1128.02 1070.99 10.70 4.99 502.75 2797.61 23.21 17.86 1105.54 10.70 4.99 1128.02 507.29 2797.61 密度 kg∕m3 体积 m3 备注
NO2 N2O5 H2
合计
2.对 2#硝化釜进行计算 釜内剩余情况 甲苯余量：46.41kg ∕ h 硝酸余量：33.75 + 40.84 = 74.59kg ∕ h 一硝甲苯的量：967.35 + 103.64 = 1070.99kg ∕ h 2,4-二硝基甲苯的量：10.70 kg∕h 2,4-二硝基甲苯酚的量：4.99 kg∕h 硫酸的量：3702.18kg∕h 水的量：502.75 + 1163.24 = 1665.99kg ∕ h 表二 2#硝化釜物料平衡表
一、不加循环废酸时物料衡算
1.对 1#硝化釜进行计算（设副反应都在 1#釜进行） （1）物料进料情况 每小时生产一硝甲苯的实际的量： 7500 × 103 × 0.995 = 1151.62kg ∕ h 300 × 24 × 0.90 每小时需要纯甲苯的量： 1151.62 × 92 = 773.35kg ∕ h 137 所以每小时需要工业甲苯的量： 773.35 ÷ 0.98 = 789.13kg ∕ h 每小时需要硝酸的量： 773.35 × 63 × 1.01 = 543.87kg ∕ h 92 每小时需要混酸的量： 543.87 ÷ 0.27 = 2014.33kg ∕ h 工业甲苯：789.13 kg∕h 混酸的量：2014.33 kg∕h 纯甲苯：773.35kg∕h 水： 15.78 kg∕h 硫酸：2014.33 × 0.56 = 1128.02kg ∕ h 硝酸：543.87 kg∕h 水： 2014.33 × 0.17 = 342.44kg ∕ h
项目 输入 物料名称 甲苯 HNO3 H2SO4 一硝基甲 苯 2,4-二硝 基甲苯 2,4-二硝 基甲苯酚 水 合计 输出 甲苯 HNO3 一硝基甲 苯 2,4-二硝 基甲苯 2,4-二硝 基甲苯酚 H2SO4 水 合计 工业品质 量 kg∕h 纯度% 98 98 98 纯品量 kg∕h 116.01 81.41 1128.02 967.35 10.70 4.99 489.13 2797.61 46.41 33.75 1070.99 10.70 4.99 1128.02 502.75 2797.61 密度 kg∕m3 体积 m3 备注
二、加循环废酸时物料衡算
1.对 1#硝化釜进行计算 （1）物料进料情况 工业甲苯：789.13 kg∕h 混酸的量：5792.57 kg∕h
纯甲苯：773.35kg∕h 水： 15.78 kg∕h 硫酸：1128.02 + 2574.16 = 3702.18kg ∕ h 硝酸：543.87+ 40.84=584.71kg∕h 水： 342.44 + 1163.24 = 1505.68kg ∕ h
4.对硝化分离器进行计算 有机物： （23.21+1105.54+10.70+4.99）× 98.5%+0.5%× 1128.02=1132.91kg∕h 废酸：1128.02 × 99.5% + 17.86 + 507.29 + 1105.54 × 1.5% = 1664.11kg ∕ h H2SO4 ：1128.02 × 99.5%/1664.11 = 67.45% HNO3 ：17.86/1664.11=1.07% H2O ：507.29/1664.11=30.48% 混酸体积：1× 2014.33/1.670=1206.19m3 循环废酸体积：1206.19 × 2 = 2412.38m3 查得 67.45%的硫酸密度为 1.582 kg∕m3 循环废酸的量：1.582 × 2412.38/1 = 3816.39kg ∕ h 循环废酸中 H2SO4 ：3816.39 × 67.45% = 2574.16kg∕h HNO3 ：3816.39 × 1.07% = 40.84kg∕h H2O ：3816.39 × 30.48% = 1163.24kg∕h
3.对 3#硝化釜进行计算 （1）3#硝化釜内反应情况 主反应：甲苯转化量：773.35 × 0.03 = 23.20kg ∕ h 硝酸消耗量：23.20 ÷ 92 × 63 = 15.89kg ∕ h 硝基甲苯生成量：23.20 ÷ 92 × 137 = 34.55kg ∕ h 水生成量：23.20 ÷ 92 × 18 = 4.54kg ∕ h （2）釜内剩余情况 甲苯余量：46.41 − 23.20 = 23.21kg ∕ h 硝酸余量：33.75 − 15.89 = 17.86kg ∕ h 一硝甲苯的量：1070.99+34.55=1105.54 kg∕h 2,4-二硝基甲苯的量：10.70 kg∕h
（2）釜内反应情况 主反应：甲苯转化量：773.35 × 0.84 = 649.61kg ∕ h 硝酸消耗量：649.61 ÷ 92 × 63 = 444.84kg ∕ h 硝基甲苯生成量：649.61 ÷ 92 × 137 = 967.35kg ∕ h 水生成量：649.61 ÷ 92 × 18 = 127.10kg ∕ h 副反应（1） ：硝酸消耗量：543.87 × 0.01 = 5.44kg ∕ h N2O5 产量： 5.44 × 108 = 4.66kg ∕ h 126 水生成量：5.44 − 4.66 = 0.78kg ∕ h 副反应（2） ：甲苯消耗量： 7 773.35 × 0.01 × = 5.41kg ∕ h 10 硝酸消耗量：5.41 ÷ 92 × 2 × 63 = 7.41kg ∕ h 生成 2,4-二硝基甲苯的量：5.41 ÷ 92 × 182 = 10.70kg ∕ h 水生成量：5.41 ÷ 92 × 2 × 18 = 2.12kg ∕ h 副反应(3):甲苯消耗量： 3 773.35 × 0.01 × = 2.32kg ∕ h 10 硝酸消耗量：2.32 ÷ 92 × 3 × 63 = 4.77kg ∕ h 2,4-二硝基甲苯酚生成量：2.32 ÷ 92 × 198 = 4.99kg ∕ h
项目 输入 物料名称 甲苯 混酸 工业品质 量 kg∕h 789.13 5792.57 纯度% 98 纯品量 kg∕h 773.35 密度 kg∕m3 体积 m3 备注
合计 输出 甲苯 HNO3 一硝基甲 苯 2,4-二硝 基甲苯 2,4-二硝 基甲苯酚 H2SO4 水
6581.7 116.01 122.25 967.35 10.70 4.99 3702.18 1652.37 1.16 4.66 0.03 6581.7
项目 输入 物料名称 甲苯 HNO3 H2SO4 一硝基甲 苯 2,4-二硝 基甲苯 2,4-二硝 基甲苯酚 水 合计 输出 甲苯 HNO3 一硝基甲 苯 工业品质 量 kg∕h 纯度% 98 98 98 纯品量 kg∕h 116.01 122.25 3702.18 967.35 10.70 4.99 1652.37 6575.85 46.41 9 1070.99 密度 kg∕m3 体积 m3 备注
项目 输入 合计 输出 甲苯 HNO3 一硝基甲 苯 2,4-二硝 基甲苯 2,4-二硝 基甲苯酚 H2SO4 水 物料名称 甲苯 混酸 工业品质 量 kg∕h 789.13 2014.33 2803.46 116.01 81.41 967.35 10.70 4.99 1128.02 489.13 1.16 4.66 0.03 2803.46 纯度% 98 纯品量 kg∕h 773.35 1.670 1206.19 密度 kg∕m3 体积 m3 备注