第四章 物料衡算

第四章物料衡算第四章物料衡算1.教学⽬的与要求掌握化⼯过程物料衡算的基本⽅法，包括⽆化学反应的物料衡算、有化学反应的物料衡算。

2.主要教学内容物料衡算式、物料衡算的基本⽅法、⽆化学反应的物料衡算、有化学反应的物料衡算以及物料衡算的计算机解题。

3.重点与难点：重点：⽆化学反应及有化学反应的物料衡算⽅法难点：具有循环、排放及旁路过程的物料衡算4.学时分配： 8+6S 学时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。

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—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—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，团为核反应能量变⽐⾮常⼤，此定律不适⽤)。

第⼀节物料衡算式4－1 化⼯过程的类型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。

或⾏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型。

间歇操作过程：4－2 物料衡算式物料衡算是研究某⼀个体系内进、出物料量及组成的变化。

根据质量守恒定律，对某⼀个体系，输⼊体系的物料量应该等于输出物料量与体系内积累量之和。

所以，物料衡算的基本关系式应该表⽰为；如果体系内发⽣化学反应，则对任⼀个组分或任⼀种元素作衡算时，必须把由反应消耗或⽣成的量亦考虑在内。

所以(4—1)式成为：上式对反应物作衡算时．由反应⽽消耗的量，应取减号，对⽣成物作衡算时，由反应⽽⽣成的量，应取加号。

但是，列物料衡算式时应该注意，物料平衡是指质量平衡，不是体积或物质的量(摩尔数)平衡。

计算题（P106）4－1、物料衡算数据如下图所示。

主反应式如下。

已知加入甲苯和浓硫酸的温度均为30℃，脱水器的排水温度为65 ℃，磺化液的出料温度为140 ℃，甲苯和硫酸的标准化学反应热为117.2kJ·mol -1 (放热) ，设备（包括磺化釜、回流冷凝器和脱水器，下同）升温所需的热量为1.3×105kJ ，设备表面向周围环境的散热量为6.2 ×104kJ, 回流冷凝器中冷却水移走的热量共9.8 ×105kJ 。

试对甲苯磺化过程进行热量衡算。

有关热力学数据：原料甲苯的定压比热为1.71kJ ·kg -1 ·℃-1 ; 98%硫酸的定压比热为1.47kJ ·kg -1 ·℃-1 ;磺化液的平均定压比热为1.59kJ ·kg -1 ·℃-1 ;水定压比热为4.18kJ ·kg -1 ·℃-1解法一：对甲苯磺化过程进行热量衡算的目的是为了确定磺化过程中的补充加热量。

依题意可将甲苯磺化装置(包括磺化釜、回流冷凝器和脱水器等)作为衡算对象。

此时，输入及输出磺化装置的物料还应包括进、出回流冷凝器的冷却水，其带出和带入热量之差即为回流冷凝器移走的热量。

若将过程的热效应作为输入热量来考虑，则可绘出如下图所示的热量衡算示意图。

CH 3+H 2SO 4CH 33H+H 2O则热量平衡方程式可表示为 取热量衡算的基准温度为25o C （若取0 ℃作为基准，结果又如何？），则（1）（2）磺化过程热效应反应中共加入98%浓硫酸的质量为1100kg ，其中含水22kg 。

若以SO 3计，98%硫酸的质量分率为80%。

由式(4-44)得反应结束后,磺化液含硫酸35.2kg,水21.4kg 。

以SO 3计,硫酸的质量分率为50.8%。

则1234567Q Q Q Q Q Q Q ++=+++141000 1.71(3025)1100 1.47(3025) 1.6610Q kJ=⨯⨯-+⨯⨯-=⨯3p cQ Q Q =+1-122111 2.989(2515)110.20130.062 4773.4 kJ (kg H )s H m mm mO -∆=+--++=⋅2-122111 2.989(2515)10.50810.5080.20130.0620.5080.5081833.6 kJ (kg H )s H O ⨯-∆=+--++=⋅所以有反应消耗的甲苯量为979 kg ，则（3）反应产物（磺化液、脱水器排出的水）带走的热量Q 4 Q 4=1906.9 x 1.59 x （140-25）+193.1 x 4.18 x （65-25）=3.77 x 105 KJ （4）由题意知 Q 5=1.3 x 105 KJ Q 6=6.2 x 104 KJ Q 7=9.8 x 105 KJ 所以Q 2=Q 4+Q 5+Q 6+Q 7-Q 1-Q 3=2.12 x 105 KJ4224773.421.41833.6 6.610p Q kJ=⨯-⨯=⨯kJ1025.1 2.1179210979Q 63c ⨯=⨯⨯=kJ1032.1 1025.1106.6 Q Q Q 664cp 3⨯=⨯+⨯=+=解法二：对甲苯磺化过程进行热量衡算的目的是为了确定磺化过程中的补充加热量。

第四章物料衡算❖第一节概述❖第二节物料衡算基本理论❖第三节物料衡算举例4.1 概述❖4.1.1.物料衡算的重要性❖求出各种物料的数量和组成，设计由定性转入定量。

❖设计中，物料衡算是最先进行的计算项目，其结果是后续各单项设计的依据，物料衡算结果的直接关系到整个工艺设计可靠程度。

❖4.1.2.物料衡算的依据❖工艺流程示意图以及为物料衡算收集的有关资料。

4.1.3.物料衡算的作用❖将工艺流程示意图进一步深化，可绘制出物料流程图。

❖在物料衡算的基础上，可进行能量衡算、设备的选型或工艺设计，以确定设备的容积、台数和主要工艺尺寸、确定消耗定额、进行车间布置设计和管道设计。

❖对已投产的设备、装置、车间或工厂进行物料衡算，以寻找薄弱环节，为改进生产、完善管理提供可靠的依据❖可作为判断工程项目是否达到设计要求以及检查原料利用率和三废处理完善程度的一种手段。

4.1.4.物料衡算的类型❖按物质变化分为：❖物理过程的物料衡算❖化学过程的物料衡算❖按操作方式分为：❖连续过程的物料衡算❖间歇过程的物料衡算❖按衡算目的分为：4.2 物料衡算的基本理论4.2.1物料平衡方程式❖理论基础是质量守恒定律。

❖1.物理过程❖稳态过程，物料在体系内没有累积2.化学过程❖对于稳态过程使用上述各式时要注意以下几点：4.2.2 衡算基准❖1、时间基准❖对连续稳定流动体系，以单位时间作基准。

该基准可与生产规模直接联系❖对间歇过程，以处理一批物料的生产周期作基准。

❖2、质量基准❖对于液、固系统，因其多为复杂混合物选择一定质量的原料或产品作为计算基准。

❖若原料产品为单一化合物或组成已知，取物质量（mol）作基准更方便。

3、体积基准❖对气体选用体积作基准。

通常取标况下体积Nm3(Hm3)❖在进行物料衡算或热量衡算时，均须选择相应的衡算基准。

合理地选择衡算基准，不仅可以简化计算过程，而且可以缩小计算误差基准选取中几点说明：❖（1）上面几种基准具体选哪种（有时几种共用）视具体条件而定，难以硬性规定。

物料衡算计算公式物料衡算是指根据产品的设计要求和生产工艺流程，计算出生产所需的物料数量和成本的过程。

其目的是为了保证生产的顺利进行，避免物料的浪费和成本的过度支出。

物料衡算的计算公式主要包括以下几个方面：1.总物料需求量计算公式总物料需求量=产品数量×单位产品所需物料数量这个公式用于计算生产特定数量产品所需的物料数量。

其中，产品数量是指计划生产的产品数量，单位产品所需物料数量是指生产一个产品所需的各种物料的用量。

2.物料补给计算公式物料补给=总物料需求量-物料库存量物料补给是指为满足生产需求而需要从供应商处采购的物料数量。

物料库存量是指当前仓库中已有的物料数量。

3.物料成本计算公式物料成本=物料单价×物料补给量物料成本是指为满足生产需求而采购物料所需支付的费用。

物料单价是指单个物料单位的价格，物料补给量是指需要从供应商处采购的物料数量。

4.物料利用率计算公式物料利用率=(总物料需求量-物料浪费量)/总物料需求量物料利用率是指生产过程中物料的有效利用程度。

物料浪费量是指因为工艺操作不当、设备故障等原因导致物料的损失量。

5.物料损耗计算公式物料损耗=总物料需求量-实际使用量物料损耗是指在生产过程中由于各种原因而导致的物料的损失量。

实际使用量是指实际上被用于生产的物料数量。

6.物料价格调整计算公式调整后物料价格=原物料价格×调整系数物料价格调整是指根据市场行情或其他因素调整物料价格的过程。

调整系数是一个根据实际情况确定的数值，用于对原物料价格进行调整。

总之，物料衡算的计算公式主要包括总物料需求量计算、物料补给计算、物料成本计算、物料利用率计算、物料损耗计算和物料价格调整计算等。

通过合理地运用这些公式，可以对物料需求和成本进行科学的计算和控制，从而提高生产效率和降低成本。