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第三章 物料衡算和能量衡算

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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：

第三章 能量衡算

第三章 能量衡算

O2 200 0 75 635.25 H2O (气)
150 1435.5
已知氨的消耗量为100mol/h，反应的标准反应热
H
0 r
=-904.6kJ/mol，则反应放出的热量：
nAR
H
0 r
100 (904.6)
22615kJ
/h
A
4
H

H
0 r

输出ni Hi
输入 niHi 22615 （635.25 845.3 1435.5） 0
19700kJ / h
化工设计电子课件
（四）以标准生成热为基础进行衡算
一、生成热
在标准状态下，由构成组成的元素生成1mol组分
时的焓差。任何反应的标准反应热可以由反应物和生
成物的生成热计算得到。反之，组分的生成热也可以
其中,
niHi

nn
n
ni
H
0 f
,298
K

T2
298 niCP,idT
n
H
/ i ,298
K
i 1
i 1
n i 是组分i的量（kmol/h）；
H
0 f
,298K
是组分i的标准生成热(kJ/mol)；
C P,i 是组分i的等压热容(kJ/mol.K)；
H i,298K 是进料组分i在基准温度下从进料相态变为基准相态时
热锅炉冷却，废热锅炉产生4.5atm的饱和蒸汽。已知
进水温度为20℃，压力为4.5atm，进料水与甲醇的
摩尔比为0.2。假如锅炉是绝热操作，求甲醇的出口温
第 三
度。
章
物 料 衡 算 与 能 量 衡 算

最新第三章物料衡算和能量衡算(热量)

最新第三章物料衡算和能量衡算(热量)

例题： • 两种组成不同的煤气在预热器中混合。并从25℃加热到127℃，
以供燃烧炉使用。两种煤气的流量分别为0.4kmol/s和0.1kmol/s。 预热器的热损失为150kJ/s。试计算预热器应提供的热量。 计算中煤气的焓取下列数值： 25℃时，第一种煤气为765kJ／kmol；第二种煤气为846kJ／kmol。 127℃时，混合煤气的焓值为3640kJ／kmol。
p
' c
和假临界温度
T
' c
，求得
混合气体的对比压力和对比温度，
解： 以1s为计算基准。根据公式：
( ) ∑ ∑ ( ) ∑ Q =n iH io- utn jH jin
Q Q 提 ＋ Q 供 损 Q 提 1 供 k 5J0
H o＝ u ( 0 t .4 0 .1 ) 3k 6 J 1 4k 8 0J 20
H in ( 0 . 4 7 0 6 . 1 8 5 ) k 4 3 J 6 . 6 k 9J 0
• 例题： 已知常压下气体甲烷0～t℃的平均定压摩尔热容数据如下：
• 试求常压下甲烷在200℃到800℃温度范围的平均定压摩尔热容， 并计算15kmol甲烷在常压下从800℃降温到200℃所放出的热量。
解：假设如下热力学途径：
• 从 C p,m t 表中查得，
Cp,m3.9 6k6J/k ( mK o)l Cp,m5.5k6J/k ( mK o)l
• 1、热容 • 2、焓 • 3、汽化热 • 4、反应热
1. 热容
(1)热容与温度的关系 • 热容是给定条件下，系统每升高1K所吸收的热。随温度
而变。根据过程不同，用分为等压热容和等容热容。 • 描述定压热容Cp与温度之间的关系一般有三种方法：

化工中物料衡算和热量衡算公式

化工中物料衡算和热量衡算公式

化工中物料衡算和热量衡算公式一、物料衡算公式1.物料总量计算公式物料总量计算公式可以根据物质的密度（ρ）和体积（V）来计算。

公式如下：物料总量=密度×体积2.物料质量计算公式物料质量计算公式可以根据物质的密度（ρ）、体积（V）和物质的质量（m）之间的关系得出。

公式如下：质量=密度×体积3.物料浓度计算公式物料浓度计算公式可以根据溶质的质量（m）和溶液的体积（V）来计算。

公式如下：浓度=质量/体积4.溶液的重量和体积之间的关系溶液的重量可以根据溶液的密度（ρ）和溶液的体积（V）相乘得到。

公式如下：重量=密度×体积1.热量传递计算公式热量传递计算公式可以用于计算传热功率（Q）和传热面积（A）之间的关系。

公式如下：Q=h×A×ΔT其中，h为传热系数，ΔT为温差。

2.物料的热量计算公式物料的热量计算公式可以根据物料的质量（m）、比热容（Cp）和温度变化（ΔT）来计算。

公式如下：热量=质量×比热容×温度变化3.水的蒸发热计算公式水的蒸发热计算公式可以根据水的质量（m）和蒸发热（ΔHvap）来计算。

热量=质量×蒸发热三、补充说明1. 密度（ρ）是物质单位体积的质量，常用的单位有千克/立方米（kg/m^3）或克/立方厘米（g/cm^3）。

2. 比热容（Cp）是物质单位质量的热容量，表示单位质量物质温度升高1℃所需的热量，常用的单位是千焦/千克·℃（kJ/kg·°C）或焦/克·℃（J/g·°C）。

3.传热系数（h）是衡量热传导性能的参数，表示单位面积上的热量流入或流出的速率，常用的单位是瓦特/平方米·℃（W/m^2·°C）。

4.温度变化（ΔT）是物质的温度差，常用的单位是摄氏度（℃）或开尔文（K）。

5. 蒸发热（ΔHvap）是物质从液态转变为气态所需的热量，常用的单位是焦耳/克（J/g）或千焦/千克（kJ/kg）。

2化工设计概论第三章_物料衡算与能量衡算

2化工设计概论第三章_物料衡算与能量衡算

2化工设计概论第三章_物料衡算与能量衡算物料衡算与能量衡算是化工设计中非常重要的内容，本文将从物料衡算和能量衡算两个方面进行介绍。

一、物料衡算物料衡算是指在化工生产过程中，对各种原料、中间体和产品的质量、数量和成分进行准确计算的过程。

物料衡算的目的是确定生产过程中各种物料的需求量，确保生产过程稳定和产品质量符合要求。

物料衡算的方法主要有质量衡算和量衡衡算两种。

质量衡算是以物料的质量为基础进行计算，通过分析反应进入和离开反应器的质量，计算物料的损失和转化率等。

量衡衡算是以物料的容积或重量为基础进行计算，通过对物料流动的速度、压力、体积和化学反应速率等参数的测量，来计算物料的数量和流动性。

物料衡算的具体步骤包括：确定物料流程图，定义物料的属性和流动参数，编写物料表，进行物料平衡方程的建立，计算各物料的需求量和产量等。

二、能量衡算能量衡算是指在化工生产过程中，对能量的输入、输出和损失进行准确计算和分析的过程。

能量衡算的目的是确保生产过程中的能量平衡和能源利用效率的提高。

能量衡算的方法主要有热平衡法和能量流平衡法两种。

热平衡法是基于热力学原理，通过测量和计算热量的流入和流出来进行能量衡算。

能量流平衡法是基于能量守恒原理，通过对能量流动的速度、温度和压力等参数的测量，来计算能量的输入和输出。

能量衡算的具体步骤包括：确定能量流程图，定义能量的属性和流动参数，编写能量表，进行能量平衡方程的建立，计算各能量的输入量和输出量等。

三、物料衡算和能量衡算的关系在进行物料衡算和能量衡算时，需要考虑以下几个方面：1.反应进程的热力学和动力学特性对物料和能量衡算有重要影响。

在确定衡算方法和参数时，需考虑反应的热效应和速率等因素。

2.物料的组成和性质对衡算结果有重要影响。

不同物料具有不同的热容量、蒸发潜热和燃烧热等参数，这些参数直接影响到能量衡算的结果。

3.流程设计和设备选择对衡算结果也有影响。

不同的流程和设备对物料流动的速度、压力和温度等参数有不同的要求，这些参数直接影响到物料和能量衡算的结果。

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》 第三章物料衡算和热量衡算

《化工设计》 第三章物料衡算和热量衡算
在下列情况下上式可简化为： ①稳定操作过程（ Fi－Fo）＋Dp－Dr ）＝ W ②系统内无化学反应的间歇操作：Fi－Fo ＝ W ③系统内无化学反应的稳态操作过程： Fi－Fo＝0
对于没有化学反应的过程，一般上列写各组分的衡算方程， 只有涉及化学反应量，才列写出各元素的衡算方程。
• 稳态过程（连续），体系内无物料积累。
F
x f1
P
xp1
W
xw1
F
x f2
P xp2
W
xw2
7.将物料衡算结果列成输入－输出物料表（物料平 衡表），画出物料平衡图。
物料衡算表
组分
输入
质量，kg/d
组分
输出
质量，kg/d
杂质 合计
杂质 合计
8.校核计算结果（结论）。
五、无化学反应的物料衡算
• 在系统中，物料没有发生化学反应的过程， 称为无反应过程。
（三）、物料衡算基准 物料衡算过程，必须选择计算基准，并在整个运算
中保持一致。若基准选的好，可使计算变得简单。
①时间基准 （单位时间可取1d、1h或1s等等）。 ②批量基准； ③质量基准 例如: 可取某一基准物流的质量为100Kg
为基准计算。 ④物质的量基准； ⑤标准体积基准；
（四）、物料衡算的基本程序
100.00
解：
水F1 1200kg/h
吸 收 塔
混合气体F2，1.5 （mol）%丙酮
空气F3
蒸 馏 塔
冷凝器
废料F5:丙酮5%，
95% 水
产品F4 丙酮99%，水1%
本系统包括三个单元．即吸收塔、蒸馏塔和冷凝器。由于 除空气进料外的其余组成均是以质量百分数表示的，所以 将空气-丙酮混合气进料的摩尔百分数换算为质量百分数。 基准：100kmol气体进进料。

化工设计概论第三章_物料衡算与能量衡算

化工设计概论第三章_物料衡算与能量衡算

化工设计概论第三章_物料衡算与能量衡算物料衡算与能量衡算是化工设计中非常重要的环节，它们是进行化工过程的关键步骤，对化工产品的质量和产量有着直接的影响。

本章将介绍物料衡算与能量衡算的概念、原则和方法，并结合实际案例进行详细说明。

一、物料衡算物料衡算是指在化工过程中对物料的输入、输出量进行定量分析和计算，以确定每种物料的用量和流量。

物料衡算的目的是保证化工过程中物料的平衡，确保物料的流动和转化符合设计要求。

物料衡算的基本原则是质量守恒定律和能量守恒定律。

根据质量守恒定律，物理系统中的物质质量是不变的，即输入物质的总质量等于输出物质的总质量。

根据能量守恒定律，物理系统中的能量总量是不变的，即输入能量的总量等于输出能量的总量。

物料衡算的方法主要有两种：物质衡算和元素衡算。

物质衡算是根据物料的化学组成进行衡算，以化学方程式为基础，通过分子计数法和平衡方程法计算物料的输入和输出量。

元素衡算是根据物料中各元素的含量进行衡算，以确定每种元素的输入和输出量。

物料衡算的步骤一般包括以下几个方面：确定衡算参考物质，编写化学方程式，计算输入物质的总质量，计算输出物质的总质量，计算每种物质的输入和输出量。

在实际衡算过程中，还需要考虑补料和损耗等因素，对补料和损耗进行补偿。

二、能量衡算能量衡算是指在化工过程中对能量的输入、输出量进行定量分析和计算，以确定每种能量的用量和转化效率。

能量衡算的目的是保证化工过程中能量的平衡，以提高能量利用效率。

能量衡算的基本原则是能量守恒定律和能量转化效率的最大化。

根据能量守恒定律，物理系统中的能量总量是不变的，即输入能量的总量等于输出能量的总量。

能量转化效率是指能量输入与输出的比值，衡量能量转化过程的效果。

提高能量转化效率有助于降低能源消耗和环境污染。

能量衡算的方法主要有两种：热力衡算和焓能衡算。

热力衡算是根据化学反应的热效应进行衡算，以热平衡方程为基础，计算输入和输出热量的总量。

焓能衡算是根据物料的热焓变化进行衡算，以焓平衡方程为基础，计算输入和输出焓能的总量。

第三章物料衡算和能量衡算-1(物料)

第三章物料衡算和能量衡算-1(物料)

转化率、选择性和收率
（1）转化率
某一反应物的转化总量 X 该反应物的起始量 （2-13）
关键反应物——反应物中价值最高的组分，为使 其尽可能转化，常使其他反应组分过量。
不可逆反应，关键组分的转化率最大为100%。
可逆反应，关键组分的转化率≤其平衡转化率。
排放
新鲜原料
反应系统
分离系统产品循ຫໍສະໝຸດ 物流物料、能量衡算的目的和内容
• 在于定量研究生产过程，为过程设计和操 作最佳化提供依据。
• 对过程中的各个设备和工序，逐个计算各 物料的流量、组成及热流量和温度，定量 地表示所研究的对象。
物料、能量衡算的意义
• ①计算生产过程的原材料消耗指标、能耗定额和产品产 率等 。
• ②根据物料衡算和能量衡算数据和设备恰当的生产强度， 可以设计或选择设备的类型、台数及尺寸。物料衡算和 能量衡算是设备计算的依据。
应特别注意，过量百分比是基于限制反应物 100%的转化，而不论真实反应是否完全或不完 全。
在燃烧过程中，通常采用过量空气，即实际供给的空 气量超过使燃料中可燃物完全燃烧所需的理论空气量， 多余的空气，即为“过量空气”。一般燃烧器，空气 过量为5-20%。
①燃气或烟道气
经过燃烧过程所产生的气体，包括其所含的水蒸 气的称为湿气，不包括水蒸气在内的称为干气。
二、物料衡算基准
物料衡算时须选择计算基准，并在计算过程中保持一致。 一般计算过程的基准有以下几种：
(1) 时间基准——对连续生产过程，常以单位时间(如d、h、s）的投料
量或产品量为计算基准。
(2) 批量基准——以每批操作或一釜料的生产周期为基准。 (3) 质量基准——当系统介质为液、固相时，选择一定质量的原料或产

3 物料衡算和能量衡算

3 物料衡算和能量衡算
• 但是，往往由于缺乏计算所需的一些分子性质 （偶极矩、极化率、原子间距离等）的数据而 无法计算，或者即使知道这些数据，计算也很 复杂。因此，许多研究人员做了不少工作，建 立了理论与经验相结合的方法，来计算各种物 质的物性数据。这些方法仅从一个化合物二、 三种数据就能估算出该化合物的其他物性数据 来。
• 化学工程手册， 《化学工程手册》 编辑委员会 ，化学工业出版社，1980
• 化工工艺设计手册，国家医药管理局上海医药 设计院编，司设计院等编 ，化学工业出版社，1982
3 物料衡算与能量衡算
2 、估算
• 可以应用物理和化学的一些基本定律计算各种 物质的性质参数。
3 物料衡算与能量衡算
例题 苯与丙烯反应生产异丙苯，丙烯转化率为84％， 温度为523K、压力1.722MPa、苯与丙烯的摩尔比为 5。原料苯中含有5％的甲苯，假定不考虑甲苯的反应， 计算产物的组成。
解：画出流程简图
下标1，2， 3，4分别表 F2 示丙烯、苯、 x2,2 甲苯和异丙 x2,3 苯
• 基团贡献法
3 物料衡算与能量衡算
3 、用实验直接测定
• 实验直接测定。 • 以上三种数据来源，从手册或文献中查得数据最方便，
但往往有时数据不够完整，也会出现一些错误。用一些 理论的、半经验的和经验的公式估算，也是一种简便的 方法。当手册或文献中无法查得时，可以进行估算。直 接用实验测定得到的数据最可靠，只是实验比较费时间 又花钱。但是，如果查不到有关数据，而用公式估算得 到的结果精度又不够时，则必须用实验进行测定。
⑶转化率
转化率

反应物的反应量 反应物的进料量
注意：
xA

nA0 nA nA0
1）要注明是指那种反应物的转化率 ；

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

第三章物料衡算和能量衡算上课

第三章物料衡算和能量衡算上课
第三章物料衡算和能量衡算上课
解：画出流程示意图。
F3 ？ 馏出液
总物料平衡式： F1＋F2=F3＋F4
组分物料平衡式： 苯平衡： F2 = 0.75 F3 水平衡： 0.6F1=0.24F3
F1？ 料液
乙醇 40% 水 60%
F2 ？ 苯
乙醇 1% 水 24% 苯 75%
F4=1000kg/h
乙醇产品
物料衡算的方法和步骤
①画出流程示意图。 ②列出已知数据。 ③列出由物料平衡所需求解的问题。 ④决定系统的边界。 ⑤写出主、副产品的化学反应方程式。 ⑥约束条件确定。 ⑦选择计算基准。 ⑧进行物料平衡计算。 ⑨列出物料平衡表，并进行校核。 ⑩写出结论。
第三章物料衡算和能量衡算上课
浓硝酸 ykg
HNO3 0.90 H2O 0.10
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） ⑷ 干湿基准
干基（不含水），湿基（含水） 例：100kg湿物料，其中含水10kg，按 湿基：含水率为 10%； 若按干基：含水率为10/（100-10） ×100%=11.11% 实际计算时，必须根据具体情况选择合适的基准，过程的物 料衡算及能量衡算应在同一基准上进行。 第三章物料衡算和能量衡算上课
三、物料衡算的基本程序 (1) 确定衡算对象和范围，画出计算对象的草图。注意物料种类
和走向，明确输入和输出。 (2) 确定计算任务，明确已知项、待求项，选择数学公式，力求
使计算方法简化。 (3) 确定过程所涉及的组分，并对所有组分依次编号。 (4) 对物流的流股进行编号，并标注物流变量。 (5) 收集数据资料（设计任务所规定已知条件，与过程有关物理

第3章 物料衡算和能量衡算

第3章 物料衡算和能量衡算
乙苯的转化率为0.4/0.9=0.4444 参加反应的总乙苯量980 kg/h×0.4444=435.11kg/h，即为 4.109kmol/h
化学工程系化工与制药教研室
制药工程设计课程 Design of Pharmaceutical Engineering
未反应的乙苯量（980-435.11）kg/h=544.89 kg/h，即为5.140kmol/h
化学工程系化工与制药教研室
制药工程设计课程 Design of Pharmaceutical Engineering

进反应器纯乙苯量1000kg/h×98%=980kg/h，即为
9.245kmol/h

原料中甲苯量1000 kg/h×2%=20kg/h，即为0.217kmol/h
水蒸气量980 kg/h×1.5=1470kg/h，即为81.667kmol/h
制药工程设计课程 Design of Pharmaceutical Engineering
表3-1 各物料的摩尔质量
物料
摩尔质量/(g/mol)
C6H5C2H5
106
C6H5C2H3
104
C6H6
78
C6H5CH3
92
H2O
18
CH4
16
C2H4
28
C
12
H2
2
基准：选1000kg/h乙苯原料为计算基准
【例7】 试计算合成甲醇过程中反应混合物的平衡组成。设原料气中H2
由苯乙烯选择性，生成苯乙烯量4.109 kmol/h×90%=3.698 kmol/h， 即为384.60kg/h 由各物质的选择性，有 输出的甲苯量4.109 kmol/h×5%+0.217 kmol/h =0.423 kmol/h，即为38.92kg/h 生成的苯量4.109 kmol/h×3% =0.123 kmol/h，即为9.60kg/h 生成的乙烯量4.109 kmol/h×3% =0.123 kmol/h，即为3.44kg/h 生成的碳量4.109 kmol/h×2%×7 =0.575 kmol/h，即为6.9kg/h 生成的甲烷量4.109 kmol/h×（5%+2%） =0.288 kmol/h，即为4.61kg/h 输出的氢量4.109 kmol/h×（90%-5%+2%×3） =3.739 kmol/h，即为7.48kg/h 输出水量=输入水量（不参与反应）1470kg/h，即为81.667kmol/h 实际每小时要求苯乙烯的产量10000×1000kg/8000h=1250kg/h 比例系数1250/384.60=3.25

第3章 物料衡算和能量衡算

第3章 物料衡算和能量衡算
究竟哪2个是独立反应呢？判断原则是： 反应的组合过程中，不应少了某个组分。 例如： 选①②、①③或②④可以 但不能选②③，∵②+③： C+1/2O2+CO+1/2O2=CO+CO2 少了组分CO 少了组分CO2 少了组分CO2
上例中，m=2, n=4 ∴ 独立反应数： N反应= 4-2=2

1. 2.
对有化学反应的过程，应写独立的反应方程 式或独立反应数。例如碳与氧的燃烧过程 ：
C O2 CO2 1 C O2 CO 2 1 CO O2 CO2 2 CO2 C 2CO
①
②
③ ④
这4个反应是否是独立的呢？如何判断呢？
10

反应过程中，若有m种元素和n个组分参与反应 时，独立反应数为： N反应=n-m
设计过程中各种计算通常以小时或是以设备为单位进 行，而设计任务却是指定年产量，此时应注意计算基 准。 12

例3-1 设计一个年产量为10000t（吨）的间歇本 体法聚丙烯设备装置，由二个反应釜并联操作， 反应釜的操作时间表如下 置换 进料 聚合反应 0.5h 0.5h 5.0h




z kg H N O 3 0.90 H 2 O 0.10 y kg H 2 S O 4 0.93 0.07 H2O
废酸
x kg
混合过程
混合酸
H NO 3 0.27 H 2 S O 4 0.60 H2O 0.13
H N O 3 0.23 H 2 S O 4 0.57 H 2 O 0.20
23
2)、选择基准
a）稳定操作过程（即稳流过程）： （3-2） （3-3） b）系统内无化学反应：
( ) ( Fi FiFo )FoW W

化工设计概论第三章物料衡算与能量衡算

化工设计概论第三章物料衡算与能量衡算

化工设计概论第三章物料衡算与能量衡算物料衡算与能量衡算是化工设计中非常重要的内容，对于化工流程的合理设计和优化具有重要意义。

物料衡算主要是指通过对原料、中间体和产物等物质在化工过程中的流动情况进行定量分析和计算，以达到合理使用和节约能源的目的。

能量衡算则是指化工过程中的能量流动情况的定量分析和计算。

物料衡算从物质的守恒原理出发，根据质量守恒定律和组分守恒定律，通过对物料在化工过程中的流动情况进行分析和计算，掌握物料流动的方式、速度和量，以及各个组分的分布情况。

物料衡算可以帮助化工工程师确定化工过程中原料的用量、中间体的产率、产品的纯度等重要参数，以及评估流程的合理性和可行性。

此外，物料衡算还可以帮助化工工程师预测和解决流程中可能遇到的问题，如混合不均、反应转化率低等，从而优化化工过程。

能量衡算在化工设计中同样非常重要。

能量衡算通过对化工过程中能量的流动和转换情况进行分析和计算，掌握能量的源头、消耗和转化等关键信息。

在能量衡算中，化工工程师需要对化工过程中的各个单位操作和设备进行能量平衡分析，如反应器、蒸发器、冷凝器等，以此来评估和优化能量利用的效率。

同时，能量衡算还可以帮助化工工程师检查和解决可能存在的能量损失和能量不平衡问题，从而提高化工过程的能量利用效率。

物料衡算和能量衡算在化工设计中有很多应用。

例如，在新工艺的设计和改进中，通过物料衡算可以确定合理的原料用量和物料流动方式，从而达到降低生产成本和提高产品质量的目的。

在设备的设计和选型中，通过能量衡算可以评估不同设备的能量消耗和效益，选择最适合的设备。

在工艺的优化和节能改造中，通过物料衡算和能量衡算可以找出能量损失的原因和途径，提出相应的改进方案，从而降低能耗和生产成本。

总之，物料衡算和能量衡算是化工设计中非常重要的内容。

通过物料衡算和能量衡算，化工工程师可以更好地理解和掌握化工过程中物质和能量的流动情况，从而进行合理的设计和优化，以实现降低成本、提高效益和节约资源的目标。

第03章 化工计算-物料衡算

第03章 化工计算-物料衡算
2C2H4 + O2 → 2C2H4O
副反应为：
C2H4 + 3O2 → 2CO2 + 2H2O
进料中乙烯含量0.10，乙烯转化率25%，目标产物的选择性80%。 计算反应器出口物流组成。
2
Epoxidation Process
C2H4 Air（O2+N2）
基准: 100 mol C2H4 空气流量: 900 mol Air
（5）可行性研究报告、各国文摘和专利、各类工艺书籍、各 类调查报告、各种化工过程与设备计算等书籍。
一. 设计计算前的准备工作
4. 几本常用的化工设计资料和手册 （1） Industrial Chemicals （2） Encyclopedia of Chemical Technology （3） Science and Technology （4） Chemical Abstracts （C.A） （5） Handbook of Technology （6） I.C.T （物性手册） （7） 化工工艺设计手册 （8） 材料与零部件手册
O2 :
189 mol O2
N2 :
711 mol N2
乙烯转化率 25%，即25 mol C2H4反应掉， Fixed bed 产物中含C2H4 75 mol
SEP
C2H4O C2H4 CO2 H2O O2 N2
生成环氧乙烷消耗 25×80%= 20 mol 生成环氧乙烷: 20 mol 氧化成CO2消耗乙烯25 - 20 = 5.0 mol 生成CO2 : 5.0×2 = 10 mol 生成H2O : 10 mol O2总消耗量 20×1/2 + 5.0×3 = 25 mol
1-12.5%-3.75% = 83.75% 其中，H2 : 83.75%×3/4 = 62.81%

Aspen物料衡算与能量衡算

Aspen物料衡算与能量衡算

2.1 衡算方法
基本概念 物料平衡的理论依据是质量守恒定律，即在一个孤立体系中 不论物质发生任何变化(不包括核反应)它的质量始终保持不变。
在化工过程中，能量衡算是根据能量守恒定律，利用能量传
递和转化的规则，以确定能量比例和能量转变定量关系的过程。
能量衡算的理论依据是热力学第一定律，即体系的能量总变化
南 京 工 业 大 学 包 宗 宏
6/40
2.1.4 用软件进行物料衡算与能量衡算的要点 (1) 选择合适的因次模板。因次模板是ASPEN PLUS软件为 不同工艺过程编制的因次集，分为普通模拟过程与石油加工过 程两大类，每大类又含有若干套，每套都包含英制与公制两种 因次集，如表2-1。
南 京 工 业 大 学 包 宗 宏
含虚拟组分 真空
BK10, IDEAL
P<1MPa
SR-POLAR,
PRWS, RKSWS 及其衍生方程
南
京
工 业
模拟
大 学
体系
包 宗 宏
不含电解质 含极性物质
含电解质
P>1MPa
有二元交互 作用参数
无二元交互 作用参数
不含极性物质
ELECNRTL, PITZER 及其衍生方程
PSRK, PR, RKS 及其衍生方程
连续流动系统的总能量衡算式是柏努利方程式，即：
南
京
工
业
大 学
在进行设备的能量衡算时，位能变化、动能变化、外功等项
包 相对较小，可忽略不计，因此稳流系统总能量衡算可简化为热
宗 宏
量衡算。
3/40
2.1.3 衡算的基本步骤
(1)收集数据资料。一般需要收集的数据和资料包括生产规模 和生产时间(即年生产时数)、有关的定额、收率、转化率、原 料、辅助材料、产品、中间产品的规格、与过程计算有关的物 理化学常数等。

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

化工生产过程物料衡算和能量衡算

化工生产过程物料衡算和能量衡算

主要内容
一、物料衡算 Mass Balance 二、能量衡算 Energy Accounting or Energy Balance
一、物料衡算
1.物料衡算的理论基础
质量守恒定律
2.物料衡算的范围
物料衡算针对的体系可以人为选定
3.物料衡算基本方程式
输入物料的总质量=输出物料的质量+系统内积累 的物料质量+系统损耗的物料质量
硫酸 1678.3kg
水
334.5+238.1=572.6kg
废酸总量 58.4+1678.3+572.6=2309.3kg
4.列出物料衡算表
组分
HNO3 H2SO4 H2O 乙苯 杂质 对硝基乙苯 邻硝基乙苯 间硝基乙苯 合计
输入物料 kg/d 891.9 1678.3 334.5 1404.6 74
4.查取手册得到有关热力学数据
各组分的标准生成焓△HFiθ和25～500℃间的平均 摩尔定压热容CP,m见下表：
组分 △HFθ/（kJ·kmol） CP,m/（kJ·kmol·℃-1） △t/℃ △HFiθ+ CP25-500△t/（kJ·kmol）
CH4
-74.85×103
48.76
475
-51689
物理过程
5.物料衡算 计算方法
化学过程
建立物料衡算式的方法必须考虑化学 反应中生成和消耗的物料量。有直接 计算法、衡算联系物法、终点衡算法。
示例1 甲烷气蒸汽转化过程的物料衡算
某石化企业甲烷蒸汽转化车间，在装有催化剂的管式转化器 中进行甲烷转化反应。甲烷蒸汽转化的反应式为：
CH4+H2O == CO+3H2 （3-4） CH4+CO2 ==2CO+2H2 （3-5） CO+H2O == CO2+H2 （3-6） 水蒸气与甲烷的物质的量比为2.5，甲烷的转化率为75%， 蒸汽转化温度为500℃，离开转化器的混合气体中CO和 CO2之比以反应(3-6)达到化学平衡时的比率确定。已知 500℃时，式(3-6)的平衡常数为0.8333。若每小时通入的 甲烷为1kmol，求反应后气体混合物的组成。
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24
作业2
年产聚氯乙烯3000吨，年生产时间为8400 小时，单体合成树脂的总收率为92%，原 料纯度如下。 HCl(w%)：HCl 95％；H2 3%；N2 2% C2H2(w%)：C2H2 99%；N2 1% 乙炔转化率为70%，乙炔与氯化氢的摩尔 比为1:1.05（纯），副反应和过程损失不 计，试作物料衡算。
14

则产物中： 未反应的乙烯=75（mol/h）； 生成环氧乙烷=20（mol/h）； 生成二氧化碳=5×2=10（mol/h）； 生成水=5×2=10（mol/h）； 消耗氧气=20×0.5+5×3=25（mol/h）； 剩余氧气=189－25=164（mol/h）； 氮气=711（mol/h）。 则反应器出口物料量及质量组成如下表 时间基准
连续（小时，天……）
间歇（釜，批……） ⑵ 质量基准 kg，吨…… ⑶ 摩尔基准 mol， kmol …… ⑷ 体积基准 m3 …… （5）干湿基准 干基（不含水），湿基（含水）
第 三 章 物 料 衡 算 与 能 量 衡 算
7
物料平衡计算的条件
１.方程式 ⑴ 物料平衡方程式
⑵ 选择性
第 三 章 物 料 衡 算 与 能 量 衡 算
生成目的产物所消耗的 反应物量 100% 选择性 = 原料的反应量
β=
(nC nC 0 ) / c ( n A0 n A ) / a
10
⑶ 收率 收率 = 转化率×选择性
生成目的产物所消耗的 反应物量 = 反应物的进料量
第 三 章 物 料 衡 算 与 能 量 衡 算
23
二、联系物解法
例4 某氧化过程排出的尾气体积组成为：O2 10%；N2 85%；CO2 5%，计算空气用量、耗氧 量、和过剩空气系数。 解：以氮气为联系物，取100mol尾气为计算基 准。 则尾气中的N2为85mol； 空气用量为85÷0.79=107.6mol； 进料中O2为107.6×0.21=22.6mol； 耗氧量为22.6－10=12.6mol； 过剩空气系数为22.6÷12.6×100%=179%。
17
解：以1h为计算基准 消耗总CH3CHO量：2600×0.995×0.993=2568.9(kg/h)。 按①计算：消耗CH3CHO量 =2568.9×0.96=2466.1(kg/h)； 需O2=(2466.1×16)÷44=896.8(kg/h)； 生成CH3COOH=(2466.1×60)÷44=3362.9(kg/h)。 按②计算：消耗CH3CHO量=2568.9×0.014=36.0(kg/h)； 需O2=(36.0×32×3) ÷(44×3)=26.2(kg/h)； 生成HCOOH=(36.0×46) ÷(44×3)=12.5(kg/h)； 生成CH3COOH=(36.0×120) ÷(44×3)=32.7(kg/h)； 生成H2O =(36.0×18) ÷(44×3)=4.9(kg/h)； 生成CO2=(36.0×44) ÷(44×3)=12.0(kg/h)。 按③计算：消耗CH3CHO量=2568.9×0.0025=6.4(kg/h)； 需O2=(6.4×32)÷(44×3)=1.6(kg/h)； 生成CH3CH(OCOCH3)2=(6.4×146) ÷(44×3)=7.1(kg/h)； 生成H2O =(6.4×18) ÷(44×3)=0.9(kg/h)。
18
按④计算：消耗CH3CHO量=2568.9×0.0095=24.4(kg/h)； 需O2=(24.4×48) ÷(44×2)=13.3(kg/h)； 生成CO2=(24.4×44) ÷(44×2)=12.2(kg/h)； 生成H2O =(24.4×18) ÷(44×2)=5.0(kg/h)； 生成CH3COOCH3=(24.4×74) ÷(44×2)=20.5(kg/h)。 按⑤计算：消耗CH3CHO量 =2568.9×0.014=36.0(kg/h)； 需O2=(36.0×160×3) ÷(44×2)=65.5(kg/h)； 生成H2O =(36.0×72) ÷(44×2)=29.5(kg/h)； 生成CO2=(36.0×176) ÷(44×2)=72.0(kg/h)。
1
第一节 一般过程的物料衡算
教学内容： 结合具体实例，理解一般过程中各种物料衡算 的方法。 重点和难点： 重点 掌握各种方法的应用。 难点是衡算基准的选择，包括基准物流的名称 和单位选择，以及物料平衡方程、摩尔分数约 束式及设备约束式的内容和形式。
2
一、连续过程的物料衡算
一般表示式为： (输入 – 输出 )+ (生成 – 消耗)=系统中积累 稳态过程时
27
三、以结点作衡算
15
16
一、直接求算法
例3 试作乙醛氧化生产醋酸的物料衡算。 已知：1、原料乙醛量为2600 kg/h ，其组成（质量%）为： CH3CHO CH3COOH (CH3CHO)3 H2O 99.5 0.1 0.1 0.3 2、氧化过程中乙醛总转化率为99.3%； 3、氧化过程中主副反应转化率分配为： CH3CHO + 0.5O2 → CH3COOH 96% 3CH3CHO + 3 O2 → HCOOH + 2 CH3COOH + H2O + CO2 1.4% 3CH3CHO + O2 → CH3CH(OCOCH3)2 + H2O 0.25% 2CH3CHO + 1.5O2 → CH3COOCH3 + H2O + CO2 0.95% 2CH3CHO + 5O2 → 4 CO2 + 4 H2O 1.4% 4、转化过程中氧的利用率为98.4%； 5、工业氧的含氧量为95%（质量%），N2 5%（质量%）。
25
作业3
甲烷和氢气混合用空气完全燃烧来加热锅 炉，烟道气分析体积组成为N2 72.28%； CO2 8.12%；O2 2.44%；H2O 17.15%。 问：（1）燃料中甲烷和氢气的比例是多 少？ （2）空气/（甲烷和氢气）是多少？ （3）空气过剩系数？
26
三、以结点作衡算
在生产实际中常有的情况是某些产品的组 成需要采用旁路调节送往下一工序，此时 以结点作物料衡算更方便。
22
二、联系物解法
生产过程中常有些不参加反应的物料（惰 性物料），由于其数量在反应器进出口处 不发生变化，可以用它和另一些物料在组 成中的比例关系去计算另一些未知物料的 数量，可使计算简化，这些惰性物料称为 衡算联系物。在过程中若有多个惰性物可 联合采用以减少误差。当某些惰性物量很 少、组分分析误差较大时不宜采用。
4
物料衡算的基本步骤
⑴ 画出流程示意图 ⑵ 列出已知数据
第 三 章 物 料 衡 算 与 能 量 衡 算
⑶ 列出由物料平衡所需求解的问题。 ⑷ 决定系统的边界
⑸ 写出主、副产品的化学反应方程式。
5
⑹ 约束条件 ⑺ 选择计算基准
第 三 章 物 料 衡 算 与 能 量 衡 算
⑻ 进行物料平衡计算 ⑼ 列出物料和能量平衡表，并进行校核
12
例1 计算结果
13
一、直接求算法
例2 利用乙烯部分氧化法制取环氧乙烷，将乙烯在过量 空气条件下通过银催化剂进行如下反应，进料物质流量 为1000mol/h，进料中含乙烯10%（mol），乙烯转化率 为25%，生成产物环氧乙烷的选择性为80%，计算反应 器出口物料量及质量组成。 主反应：2C2H4 + O2 → 2C2H4O 副反应：C2H4 + 3O2 → 2CO2 + 2H2O 解：以每小时为计算基准。 进料：乙烯=1000×10%=100（mol/h）； 空气=1000×90%=900（mol/h）； 其中：氮气=900×0.79=711（mol/h）； 氧气=900×0.21=189（mol/h）； 转化掉乙烯=100×25%=25（mol/h）； 生成环氧乙烷所消耗乙烯=25×80%=20（mol/h）； 生成二氧化碳所消耗乙烯=25×20%=5（mol/h）。
19

根据①～⑤：未转化CH3CHO量=2568.9×0.007=18.1(kg/h)； 进入的CH3CHO量=2600×0.995=2587(kg/h)； 反应需O2=896.8+26.2+1.6+13.3+65.5=1003.4(kg/h)； 实际需O2=1003.4÷0.984=1019.7(kg/h)； 剩余O2= 1019.7－1003.4=16.3(kg/h)； 工业O2= 1019.7÷0.95=1073.4(kg/h)； 其中N2=1073.4－1019.7=53.7(kg/h)； 原料带入CH3CHO量=2.6(kg/h)； 原料带入H2O=7.8(kg/h)； 原料带入(CH3CHO)3量=2.6(kg/h)； 反应生成CH3COOH= 3362.9+32.7=3395.6(kg/h)。 出料中：CH3COOH= 3395.6+2.6=3398.2(kg/h)； CO2= 12.0+12.2+72=96.2(kg/h)； H2O=4.9+0.9+5.0+29.5+7.8=48.1 (kg/h)； HCOOH= 12.5(kg/h)； CH3CH(OCOCH3)2= 7.1(kg/h； CH3COOCH3= 20.5(kg/h)。 将物料衡算结果列于下表中
ψ=βxA = ⑷ 限制反应物 ⑸ 过量反应物
(nC nC 0 ) / c n A0 / a
11
一、直接求算法
例1 邻二甲苯空气氧化制苯酐，乙知邻二甲苯的转化率为70%，氧 的用量为理论用量的150%，每小时投入反应器的邻二甲苯为250kg， 试进行物料衡算。 解：取每小时为计算基准。 反应式 C8H10 + 3O2 → C8H4O3 + 3H2O 进料： 邻二甲苯=250kg/h=2.358kmol/h(邻二甲苯的分子量M=106)； 氧气=2.358×70%×3×150%=7.43 kmol/h=237.76kg/h； 氮气=7.43×0.79/0.21=27.95kmol/h=782.63kg/h； 出料： 苯酐 =2.358×70%×148=244.29kg/h； 水=2.358×70%×18×3=89.13kg/h； 氧气=(7.43－2.358×70%×3) ×32=79.36kg/h； 氮气=782.63kg/h； 未反应的邻二甲苯=250×（1－70%）=75kg/h。