现代化工计算单元3化工过程物料衡算教材.ppt

单元3化工过程物料衡算1单元三单元三  化工过程物料衡算化工过程物料衡算任务任务1 理解物料衡算基础知识理解物料衡算基础知识一、一、 物料衡算的两大类型物料衡算的两大类型二、二、 化工生产过程的类型化工生产过程的类型三、三、 物料衡算的理论依据及物料衡算式物料衡算的理论依据及物料衡算式四、四、 物料衡算计算基准及其选择物料衡算计算基准及其选择五、五、 物料衡算的一般步骤物料衡算的一般步骤任务任务2 物理过程的物料衡算物理过程的物料衡算一、一、 混合过程物料衡算混合过程物料衡算二、二、 蒸发与结晶过程物料衡算蒸发与结晶过程物料衡算三、三、 吸收过程物料衡算吸收过程物料衡算四、四、 精馏过程物料衡算精馏过程物料衡算任务任务3 反应过程物料衡算反应过程物料衡算一、一、 反应物配比反应物配比二、二、 转化率、选择性、收率转化率、选择性、收率、、三、三、 单一反应过程物料衡算单一反应过程物料衡算四、四、 复杂反应过程物料衡算复杂反应过程物料衡算 (一一)  直接求解法直接求解法(二二)  元素衡算法元素衡算法(三三)  利用联系组分衡算利用联系组分衡算(四四)  利用化学平衡衡算利用化学平衡衡算*单元3化工过程物料衡算2任务任务1 理解物料衡算基础知识理解物料衡算基础知识知识目标：掌握物料衡算的类型、化工过程的类型、物料衡算的理论依据，熟悉物料衡算时计算基准的选择方法，熟悉物料衡算的一般步骤。

能力目标：能针对不同类型的化工过程和衡算对象，选择合适的计算基准和比较正确的衡算步骤一、物料衡算一、物料衡算的两大类型的两大类型(1)核算核算型型            对对已已有有的的生生产产设设备备或或装装置置,利利用用实实际际测测定定的的数数据据,计计算算出出另另一一些些不不能能直直接接测测定定的的物物理理量量用用此此计计算算结结果果,对对生生产产情情况况进进行行分析、作出判断、提出改进措施分析、作出判断、提出改进措施2)设计型设计型            根根据据设设计计任任务务,先先作作物物料料衡衡算算,求求出出进进出出各各设设备备的的物物料料量量,然然后后再再作作能能量量衡衡算算,求求出出设设备备或或过过程程的的热热负负荷荷,从从而而确确定定设设备备尺尺寸寸及整个工艺流程及整个工艺流程 返回返回*单元3化工过程物料衡算3任务任务1 理解物料衡算基础知识理解物料衡算基础知识二、化工生产过程的类型二、化工生产过程的类型(1)间歇操作间歇操作(2)连续操作连续操作①①稳态；稳态；②②非稳态非稳态(3)半连续操作半连续操作三、物料衡算的理论依据及物料衡算式三、物料衡算的理论依据及物料衡算式(1)物料衡算的理论依据物料衡算的理论依据     质量守恒定律质量守恒定律(2)物料衡算式物料衡算式总物料（若元素）：总物料（若元素）：m入入= m出出+ m积累积累(3-1)（注意单位：（注意单位：kg，若用，若用kmol则无化学反应时适用）则无化学反应时适用）组分：组分：mi入入±mi生成或消耗生成或消耗= mi出出+ mi积累积累(3-2)返回返回*单元3化工过程物料衡算4任务任务1 理解物料衡算基础知识理解物料衡算基础知识四四、、物料衡算计算基准及其选择物料衡算计算基准及其选择(1)稳定流动过程稳定流动过程①①单位时间，如：单位时间，如：1小时、小时、1分钟、分钟、1秒钟秒钟②②单位数量或某一整量的原料或产品，如：单位数量或某一整量的原料或产品，如：A)气气体体原原料料，，有有100mol或或kmol或或100Nm3等等，，理理由由是是气体物料通常用气体物料通常用mol%组成或体积组成或体积%；；B)液体原料，有液体原料，有100kg，理由是液体物料通常用质量，理由是液体物料通常用质量%。

2)间歇过程间歇过程 不采用单位时间为计算基准不采用单位时间为计算基准 *单元3化工过程物料衡算5计算基准选择举例计算基准选择举例,例例3-1戊烷充分燃烧戊烷充分燃烧,空气用量为理论量的空气用量为理论量的120%,反应式为反应式为:C5H12+8O2→5CO2+6 H2O,问每问每100mol燃烧产物需要多少燃烧产物需要多少mol空气？空气？解：由题意画出示意流程图解：由题意画出示意流程图 方法一：基准方法一：基准——1mol C5H12则：理论则：理论O2量：量：n理论氧理论氧=8n戊烷戊烷=8mol实际实际O2量量:n实际氧实际氧=1.20 n理论氧理论氧=9.60mol实际实际air用量用量:n实际空气实际空气=9.60/0.21=45.71molN2量：量：n实际氮实际氮=45.71 0.79=36.11mol计算结果列表如下：计算结果列表如下： 输入项输入项输出项输出项组分组分摩尔数摩尔数克数克数组分组分摩尔数摩尔数mol%克数克数C5H12172CO2510.26220O29.60307.2H2O612.32108N236.111101.20O21.603.2851.2   N236.1174.131011.20 46.711390.40 48.71100.001390.40每每 100mol燃燃 烧烧 产产 物物 （（ 烟烟 气气 ）） 所所 需需 空空 气气 量量 为为 ：：45.71 48.71 100=93.84mol或由或由N2平衡方程得：平衡方程得：100 73.13% 79%=93.84mol (实际计算过程建议用实际计算过程建议用Excel处理处理)*单元3化工过程物料衡算6计算基准选择举例计算基准选择举例,戊烷充分燃烧，空气用量为理论量的戊烷充分燃烧，空气用量为理论量的120%，反应式为：，反应式为：C5H12+8O2→5CO2+6H2O,问每问每100mol燃烧产物需要多少燃烧产物需要多少mol空气？空气？解：由题意画出示意流程图解：由题意画出示意流程图 方法二：基准方法二：基准——1mol空气空气则其中则其中O2量：量： n实际氧实际氧=0.21mol反应的反应的O2量：量：n反应氧反应氧=0.21/1.20=0.175mol燃烧的燃烧的C3H8量：量：n丙烷丙烷=0.175/8=0.0219mol计算结果列表如下：计算结果列表如下： 每每100mol燃烧产物（烟气）所需空气量为：燃烧产物（烟气）所需空气量为：100/1.0656=93.84mol或由或由N2平衡方程得：平衡方程得：100 74.13% 79%=93.84mol 输入项输入项输出项输出项组分组分摩尔数摩尔数克数克数组分组分摩尔数摩尔数mol%克数克数C5H120.02191.575CO20.109410.264.8125O20.216.72H2O0.131312.322.3625N20.7922.12O20.0353.281.12   N20.7974.1322.12 1.021930.415 1.0656100.0030.415(实际计算过程建议用实际计算过程建议用Excel处理处理)*单元3化工过程物料衡算7C平衡：平衡：5B=P（（1））H2平衡：平衡：6B=Q（（2））O2平衡：平衡：0.21A=M+P+Q/2 （（3））N2平衡：平衡：0.79A=N（（4））总物料：总物料：M+N+P+Q=100（（5））过剩过剩O2：：(0.21A M) 1.20=0.21A 0.035A=M （（6））以上以上6个线性方程个线性方程采用采用Excel的的MDETERM、、MINVERSE、、MMULT三个函数或规划求解法求解上述线性方程三个函数或规划求解法求解上述线性方程方法三：基准方法三：基准——100mol 烟气烟气,设设:N——烟气中烟气中N2量，量，mol；；M——烟气中烟气中O2量，量，mol；；P——烟气中烟气中CO2量，量，mol；；Q——烟气中烟气中H2O量，量，mol；；A——入口空气量，入口空气量，mol；；B——入口入口C5H12量，量，mol。

以上以上6个未知数，需要个未知数，需要6个独立方程个独立方程*单元3化工过程物料衡算8方法三：基准方法三：基准——100mol 烟气烟气组分组分NMPQABmol数数74.1353.28410.26412.31793.8422.053结论：结论：(1)手算以限制反应为基准能简化计算；手算以限制反应为基准能简化计算；(2)计算机计算则以已知条件最多的物料为计算基准较为适宜计算机计算则以已知条件最多的物料为计算基准较为适宜返回返回*单元3化工过程物料衡算9任务任务1 理解物料衡算基础知识理解物料衡算基础知识五、物料衡算的一般步骤五、物料衡算的一般步骤(1)搜集原始数据；搜集原始数据；(2)由由题题意意画画出出过过程程物物料料流流程程简简图图，，明明确确已已知知量量、、待待求求量；量；(3)明确衡算体系明确衡算体系;(4)选择计算基准；选择计算基准；(5)写出有关化学反应方程式；写出有关化学反应方程式；(6)列出物料衡算式，选择合适的数学方法列出物料衡算式，选择合适的数学方法;(7)校校核核计计算算结结果果，，整整理理数数据据，，如如列列成成表表格格或或画画出出物物料料流程图 返回返回*单元3化工过程物料衡算10任务任务1 理解物料衡算基础知识理解物料衡算基础知识返回返回五五、、物物料料衡衡算算的的一一般般步步骤骤  物物料料流流程程图图*单元3化工过程物料衡算11任务任务2 物理过程物理过程的物料衡算的物料衡算知识目标：掌握典型物理过程的物料衡算方法。

能力目标：能针对化工生产过程中的常见物理过程，列出物料平衡式并解出正确答案☆☆主要方法主要方法, ,通常有三类衡算式通常有三类衡算式,即即:(1)总物料平衡式总物料平衡式;(2)组分平衡式组分平衡式;(3)归一方程归一方程一、一、混合混合过程物料衡算过程物料衡算 例例3-2 一一种种废废酸酸，，组组成成为为33%（（质质量量%））HNO3、、47%H2SO4和和20%H2O，，加加入入98.5%的的浓浓H2SO4和和90%的的浓浓HNO3，，要要求求混混合合成成含含27%HNO3及及60%H2SO4的的混混合合酸酸，，计计算算所所需需废废酸酸及及加加入浓酸的数量入浓酸的数量分析：此题已知相对量，绝对量可任意假定分析：此题已知相对量，绝对量可任意假定解：设解：设x为废酸量为废酸量,kg;y为浓为浓H2SO4量量,kg;z为浓为浓HNO3量量,kg计算基准计算基准:100kg混合酸混合酸,由题意画出过程示意图由题意画出过程示意图( (见见例例3-2附图附图) )*单元3化工过程物料衡算12任务任务2 物理过程的物料衡算物理过程的物料衡算一、混合过程物料衡算一、混合过程物料衡算 例例3-2总物料平衡：总物料平衡：x+y+z=100(1)H2SO4平衡：平衡：0.57x+0.93y=100 0.60(2)HNO3平衡：平衡：0.23x+0.90z=100 0.27            (3)解上式方程组得：解上式方程组得：x=41.69kg、、y=38.96kg、、z=19.35kg返回返回*单元3化工过程物料衡算13任务任务2 物理过程的物料衡算物理过程的物料衡算二、二、蒸发与结晶过程物料衡算蒸发与结晶过程物料衡算 补补例例1 用用空空气气、、纯纯氧氧和和水水通通入入蒸蒸发发室室制制备备富富氧氧湿湿空空气气。

水水在在蒸蒸发发室室 内内 全全 部部 汽汽 化化 ,其其 流流 量量 为为 0.0012m3/h,使使 湿湿 空空 气气 中中 含含 水水 为为1.5%(mol%),纯纯氧氧摩摩尔尔流流量量为为空空气气流流量量的的1/5,计计算算所所有有的的未未知知量及组成量及组成 解解:设设Q——空气流量空气流量,kmol/h;0.2Q——纯氧流量纯氧流量,kmol/h;           F——富氧湿空气流量富氧湿空气流量,kmol/h; x——富氧湿空气中含氧量富氧湿空气中含氧量,mol分率分率计算基准计算基准:1小时小时,画出物料流程简图如下画出物料流程简图如下:*单元3化工过程物料衡算14任务任务2 物理过程的物料衡算物理过程的物料衡算二、二、蒸发与结晶过程物料衡算蒸发与结晶过程物料衡算补例补例1将水的体积流量换算为将水的体积流量换算为mol流量流量:W=0.0012 1000/18    =0.06666kmol/hH2O衡算式衡算式             W=F 0.015=0.06666                         (1)总物料衡算式总物料衡算式        0.2Q+Q+W=F                                     (2)N2衡算式衡算式                0.79 Q=F(1－－0.015－－x)                    (3)解上述方程组得解上述方程组得:                               F =4.444 kmol/h                              Q =3.648 kmol/h                               x =0.377*单元3化工过程物料衡算15任务任务2 物理过程的物料衡算物理过程的物料衡算二、二、蒸发与结晶过程物料衡算蒸发与结晶过程物料衡算(1)溶溶解解度度的的定定义义(C)在在一一定定温温度度下下,某某物物质质(此此处处仅仅指指固固体体物物质质)在在100g溶溶剂剂中中达达到到饱饱和和时时所所溶溶解解的的克克数数。

对对于于固固体体物物质质的的溶溶解解度度,通常仅是温度的函数通常仅是温度的函数,即即:C=f(T)(2)溶解度的计算公式溶解度的计算公式(3)计计算算举举例例,补补例例2 配配制制100吨吨90℃饱饱和和食食盐盐水水，，需需水水、、NaCl各为多少？已知各为多少？已知90℃时时NaCl的溶解度为的溶解度为38.5g解：解：38.5/(38.5+100)=x/100x=27.8吨吨NaCl、水、水:100 27.8=72.2吨吨 *单元3化工过程物料衡算16二、二、蒸发与结晶过程物料衡算蒸发与结晶过程物料衡算补例补例3溶解度数据溶解度数据(g/100gH2O(l))：： 温度温度℃℃溶解度溶解度C温度温度℃℃溶解度溶解度C温度温度℃℃溶解度溶解度C6016.44012.7209.65014.453011.1108.15解：基准解：基准1000kg60℃℃饱和饱和NaHCO3(aq)由由t1=60℃℃查得：查得：C1=16.4 g/100gH2O(l)∴∴x1=C1/(100+C1)=16.4/116.4=0.1409总物料平衡：总物料平衡： m1=m2+m3（（1））NaHCO3(s)平衡：平衡： m1 x1=m2+m3 x3（（2））代入数据得：代入数据得：1000=50+m3（（3））1000 0.1409=50+m3 x3（（4））解之得：解之得：m3=950kg、、x3=0.09568∴∴C3=100x3/(1 x3)=100 0.09568/(1 0.09568)        =10.58 g/100gH2O(l)由溶解度数据线性由溶解度数据线性内插内插得：得：t3=20+10/(11.1 9.60) (10.58 9.60)=26.53℃℃内插法讲解内插法讲解:返回返回*单元3化工过程物料衡算17任务任务2 物理过程的物料衡算物理过程的物料衡算三、三、吸收过程物料衡算吸收过程物料衡算例例3-4  含含20%(质质量量%)丙丙酮酮与与80%空空气气的的混混合合气气进进吸吸收收塔塔，，塔塔顶顶喷喷水水吸吸收收丙丙酮酮。

吸吸收收塔塔出出口口气气体体含含丙丙酮酮3%，，塔塔底底得得到到50千千克克含含10%丙酮的水溶液，计算进吸收塔气体的量丙酮的水溶液，计算进吸收塔气体的量解解:由题意画物料流程示意图由题意画物料流程示意图,以以50kg10%丙酮水溶液为计算基准丙酮水溶液为计算基准列衡算式：列衡算式：丙酮衡算式丙酮衡算式  0.20x=0.03y+5      (1) 空气衡算式空气衡算式  0.80x=0.97y          (2) 解解(1)、、(2)得得  x=28.52kg，，  y=23.52kg 进料气中丙酮进料气中丙酮:0.20x=0.20 28.52=5.70 kg出料气中丙酮出料气中丙酮:  5.7-5=0.7kg或或0.03y=0.03 23.52=0.70kg   返回返回*单元3化工过程物料衡算18任务任务2 物理过程的物料衡算物理过程的物料衡算四、四、精馏过程物料衡算精馏过程物料衡算例例3-5 有有一一个个蒸蒸馏馏塔塔，，输输入入和和输输出出物物料料量量及及组组成成如如下下图图输输入入物物料料1中中A组组分分的的98.7%自自塔塔顶顶蒸蒸出出求求每每千千克克输输入入物物料料可可得得到到塔顶馏出物塔顶馏出物2的量及其组成。

的量及其组成解解:基准为基准为1小时小时令令:x＝馏出物中＝馏出物中A的百分含量的百分含量      y＝馏出物中＝馏出物中B的百分含量的百分含量 将各物料的流量及组成列于下表将各物料的流量及组成列于下表 流股流股号号流量流量(kg/h)组分组分(mol%)ABC11002030502Pxy1-x-y3W0.55.594.0*单元3化工过程物料衡算19任务任务2 物理过程的物料衡算物理过程的物料衡算四、精馏过程物料衡算四、精馏过程物料衡算   例例3-6 由由表表可可看看出出,共共有有5个个未未知知量量,即即P、、W及及流流股股2的的组组成成A、、B、、C,由由于于组组成成A+B+C＝＝1,所所以以只只需需求求得得任任意意两两个个组组成成,如如A、、B(或或B、、C或或C、、A),第第三三个个组组成成就就可可求求出出因因此此实实际际上上是是4个个未未知知量量,需需要要4个个方方程程但但是是输输入入和和输输出出物物料料个个共共有有3个个组组分分,因因而而只只能能写写出出3个个独独立立物物料料衡衡算算式式第第四四个个方方程程必必须须从另外给定的条件列出从另外给定的条件列出根据题意根据题意,已知输入物料中已知输入物料中A组分的组分的98.7%自塔顶蒸出自塔顶蒸出,即流股即流股2中中A组分量为组分量为:P x＝＝100×20%×98.7%＝＝19.74 kg    (1)总总物物料料衡衡算算式式有有P和和W两两个个未未知知量量。

A、、B、、C三三组组分分的的衡衡算算式式中中，，A组组分分的的衡衡算式只含有一个未知量算式只含有一个未知量W,所以先列所以先列A组分的衡算式组分的衡算式A组分衡算式组分衡算式          100 20%＝＝W 0.5%+19.74                    (2)总物料衡算式总物料衡算式         100＝＝P+W                                                (3)B组分衡算式组分衡算式          100 30%＝＝5.5% W+P y                       (4)由由(2)式得式得                W=52kg代入代入(3)式得式得            P=100 52＝＝48 kg代入代入(4)式得式得            y=56.54%由由(1)式得式得                x＝＝19.74/P＝＝19.74/48=41.13%C组成为组成为                 1 x y＝＝1 41.13% 56.54%＝＝2.33%由由C组分衡算式得组分衡算式得    100 50%=52 94%+48(1 x y)    1 x y＝＝2.33%  结果符合。

结果符合返回返回*单元3化工过程物料衡算20任务任务2 物理过程的物料衡算物理过程的物料衡算课堂小练习课堂小练习 一一蒸蒸发发器器连连续续操操作作，，处处理理量量为为25吨吨/时时溶溶液液，，原原液液含含10%NaCl、、10%NaOH及及80%（（质质量量%））H2O经经蒸蒸发发后后，，溶溶液液中中水水分分蒸蒸出出，，并并有有NaCl结结晶晶析析出出，，离离 蒸蒸 发发 器器 溶溶 液液 浓浓 度度 为为 12%NaCl、、 40%NaOH及及48%H2O计计算算：：（（1））每每小小时时蒸蒸出出的的水水量量（（kg/h））；；（（2））每每小小时时析析出出的的NaCl量量；；（（3））每每小小时时离离蒸蒸发发器器的浓溶液的量的浓溶液的量 返回返回*单元3化工过程物料衡算21任务任务3 化学反化学反应过应过程的物料衡算程的物料衡算 知识目标：掌握反应物配比、转化率、选择性、收率的概念，掌握单一化学反应过程物料衡算的方法，了解复杂化工过程物料衡算的一般步骤、方法能力目标：能对单一化学反应过程进行物料衡算，能对典型循环过程进行物料衡算一、反应一、反应物的配比物的配比(1)限限制制反反应应物物:化化学学反反应应原原料料不不按按化化学学计计量量比比配配料料时时，，其其中中以以最最小化学计量数存在的反应物称为限制反应物。

小化学计量数存在的反应物称为限制反应物2)过过量量反反应应物物:不不按按化化学学计计量量比比配配料料的的原原料料中中，，某某种种反反应应物物的的量量超超过过限限制制反反应应物物完完全全反反应应的的理理论论量量，，该该反反应应物物称称为为过过量量反反应应物，即用量超过理论量的反应物物，即用量超过理论量的反应物注注意意：：限限制制反反应应物物只只有有一一种种，，而而过过量量反反应应物物则则可可能能有有若若干干种种如如:2CH3-CH=CH2+2NH3+3O2 ====2CH2=CH-CN+6H2O(3)过过量量百百分分数数:过过量量反反应应物物超超过过限限制制反反应应物物所所需需理理论论量量的的部部分分占占其所需理论量的百分数称为过量百分数其所需理论量的百分数称为过量百分数 (3-5)返回返回*单元3化工过程物料衡算22任务任务3 化学反化学反应过应过程的物料衡算程的物料衡算二、二、转化率、化率、选择性、收率性、收率（（一）一） 转化率（转化率（x））      某一反应物反应掉的量占其输入量的百分数某一反应物反应掉的量占其输入量的百分数      根根据据选选择择的的对对象象的的不不同同以以及及计计算算内内容容的的不不同同，，转转化化率率又又可可分分为三种：为三种：①①单程转化率；单程转化率；②②总转化率；总转化率；③③平衡转化率。

平衡转化率1)单程转化率（单程转化率（x单单））        以以反反应应器器为为对对象象（（体体系系）），，某某一一物物料料一一次次性性通通过过反反应应器器反反应掉的量与其反应器输入量之比值应掉的量与其反应器输入量之比值注注意意：：一一个个化化学学反反应应往往往往有有若若干干个个反反应应物物参参与与反反应应，，由由于于实实际际反反应应系系统统中中通通常常不不按按化化学学计计量量比比配配料料，，因因此此不不同同的的反反应应物物为为计计算算对对象象可可得得到到不不同同的的转转化化率率，，故故需需指指明明具具体体的的反反应应物物的的转转化率若没有指明时，则往往是指限制反应物的转化率若没有指明时，则往往是指限制反应物的转化率*单元3化工过程物料衡算23任务任务3 化学反化学反应过应过程的物料衡算程的物料衡算二、二、转化率、化率、选择性、收率性、收率（一）（一）转化率（转化率（x））(1) 单程转化率（单程转化率（x单单））假定反应物假定反应物A为限制反应物，则：为限制反应物，则： *单元3化工过程物料衡算24（一）（一）转化率转化率(2)总转化率（总转化率（x总总））以以整整个个反反应应系系统统为为对对象象计计算算的的某某一一反反应应物物的的转转化化率率称称为为总总转转化化率率,即即:某某一一物物料料一一次次性性通通过过反反应应器器反反应应掉掉的的量量与与其其反反应应系系统统输输入入的的该物质的新鲜量之比值。

该物质的新鲜量之比值3)平平衡衡转转化化率率（（x*））:以以反反应应器器为为对对象象（（体体系系）），，当当反反应应达达平平衡衡时某一物料在反应器中反应掉的量与其反应前的量之比值时某一物料在反应器中反应掉的量与其反应前的量之比值4)三种转化率之间的关系三种转化率之间的关系 x单单≤≤x*、、x单单≤≤x总总、、x*与与x总总无法相比无法相比 返回返回*单元3化工过程物料衡算25任务任务3 化学反化学反应过应过程的物料衡算程的物料衡算一、一、转化率、化率、选择性、收率性、收率（二）选择性（（二）选择性（S）） 生生成成目目的的产产物物所所耗耗某某反反应应物物的的量量与与该该反反应应物物反反应应掉掉的的量量的的比比值值，，或或生生成成目目的的产产物物的的量量与与反反应应掉掉的的原原料料所所能能生生成成的的目目的的产产物物的理论量的比值，即的理论量的比值，即: : 当当反反应应系系统统属属催催化化反反应应系系统统时时，，用用选选择择性性的的概概念念较较好好，，此此值值的的大大小小反反映映了了催催化化剂剂的的性性能能的的好好坏坏。

选选择择性性也也有有的的教教材材称称之之为产率 返回返回*单元3化工过程物料衡算26任务任务3 化学反化学反应过应过程的物料衡算程的物料衡算一、一、转化率、化率、选择性、收率性、收率（三）（三）收率（收率（Y））(1)摩尔收率（简称收率）摩尔收率（简称收率）①①单程收率（单程收率（Y单单））       以以反反应应器器为为体体系系，，生生成成目目的的产产物物所所耗耗的的某某原原料料量量与与进进入入反反应应器器的的该该原原料料量量之之比比值值或或生生成成目目的的产产物物的的量量与与进进入入反反应应器器的的原原料料全全部部转转化化为为目目的的产产物的量之比物的量之比值值 *单元3化工过程物料衡算27任务任务3 化学反化学反应过应过程的物料衡算程的物料衡算一、一、转化率、化率、选择性、收率性、收率（三）（三）收率（收率（Y））(1)摩尔收率（简称收率）摩尔收率（简称收率）②②总收率（总收率（Y总总））  以以整整个个反反应应系系统统为为体体系系,生生成成目目的的产产物物所所耗耗的的某某原原料料量量与与进进入入反反应应系系统统的的该该原原料料量量(新新鲜鲜原原料料)之之比比值值或或生生成成目目的的产产物物的的量量与与进进入入反反应应系系统统的的原原料料全全部部转转化化为为目目的的产产物的量之比物的量之比值值。

 *单元3化工过程物料衡算28任务任务3 化学反化学反应过应过程的物料衡算程的物料衡算一、一、转化率、化率、选择性、收率性、收率（（三）三） 收率（收率（Y））(2)质量收率质量收率     当当反反应应器器内内发发生生的的反反应应比比较较复复杂杂,难难于于写写出出具具体体的的化化学学反反应应方方程程时时,比比如如重重油油加加氢氢生生产产轻轻油油时时此此时时采采用用获获得得的的产产品品的的质质量量与与进进入入反反应应器器或或反反应应系系统统的的某某一一物料的质量之比来表示收率物料的质量之比来表示收率①①单程质量收率（单程质量收率（Y单质单质））       以反应器为体系以反应器为体系,生成的目的产物的质量与输入反应器的某生成的目的产物的质量与输入反应器的某一物料的质量之比称为单程质量收率一物料的质量之比称为单程质量收率,即即:*单元3化工过程物料衡算29任务任务3 化学反化学反应过应过程的物料衡算程的物料衡算一、一、转化率、化率、选择性、收率性、收率（三）（三）收率（收率（Y））(2)质量收率质量收率②②总质量收率（总质量收率（Y总质总质）） 以反应系统为体系以反应系统为体系, ,生成的生成的目的产物的质量与输入反应目的产物的质量与输入反应系统的某一物料的质量之比系统的某一物料的质量之比称为单程质量收率称为单程质量收率, ,即即: :注注意意:当当此此类类反反应应是是分分子子量量增增大大的的反反应应时时,单单程程质质量量收收率率和和总总质质量量收率有可能大于收率有可能大于1。

 如如:原料分子量原料分子量134产品分子量产品分子量218.12 返回返回*单元3化工过程物料衡算30任务任务3 化学反化学反应过应过程的物料衡算程的物料衡算一、转化率、选择性、收率一、转化率、选择性、收率（（四四））转转化化率率、、选选择择性性、、收收率率三者之间的关系三者之间的关系 Y单单=xA单单 S *单元3化工过程物料衡算31任务任务3 化学反化学反应过应过程的物料衡算程的物料衡算一、转化率、选择性、收率一、转化率、选择性、收率（（四四））转转化化率率、、选选择择性性、、收收率三者之间的关系率三者之间的关系 Y总总=xA总总 S *单元3化工过程物料衡算32任务任务3 化学反化学反应过应过程的物料衡算程的物料衡算三三率率计计算算:补补例例 用用邻邻二二甲甲苯苯气气相相催催化化氧氧化化制制苯苯酐酐邻邻二二甲甲苯苯投投料料量量210kg/h,air量量4620Nm3/h反反应应器器出出口口物物料料组组成成(mol%)为为:苯苯酐酐0.654%,顺顺酐酐0.066%,邻邻二二甲甲苯苯0.030%,O216.53%,N277.75%,其其它它还还有有H2O、、CO2、、CO等等。

试试计计算邻二甲苯转化率及苯酐和顺酐的收率及选择性算邻二甲苯转化率及苯酐和顺酐的收率及选择性解：由题意画出过程示意图解：由题意画出过程示意图计算基准：计算基准：1小时小时;反应式：反应式：C6H4(CH3)2+3O2→→C8H4O3+3H2O（（1））2C6H4(CH3)2+9O2→4→4C4H2O3+6H2O（（2）） n氧气氧气=4620/22.4 0.21=43.31kmol/h210kg/h邻二甲苯所需理论氧气量：邻二甲苯所需理论氧气量：4.5 210/106=8.915kmol/h 43.31kmol/h所以空气为过量反应物，邻二甲苯为限制反应物所以空气为过量反应物，邻二甲苯为限制反应物输入反应器的输入反应器的N2量：量：n氮气氮气=4620/22.4 0.79=162.94kmol/h由氮平衡得产物总量由氮平衡得产物总量PT：：PT=162.94/0.7775=209.57 kmol/h产物中各物质量为：产物中各物质量为：邻二甲苯：邻二甲苯：209.57 0.0003=0.6287kmol/h=6.664kg/h苯酐：苯酐：209.57 0.00654=1.3706kmol/h=202.84kg/h顺酐：顺酐：209.57 0.00066=0.1383kmol/h=13.55kg/h邻二甲苯单程转化率：邻二甲苯单程转化率：(210 6.664)/210=96.83% *单元3化工过程物料衡算33任务任务3 化学反化学反应过应过程的物料衡算程的物料衡算三率计算三率计算:补例补例苯酐选择性苯酐选择性: :(邻二甲苯与苯酐的摩尔比为邻二甲苯与苯酐的摩尔比为1 1)顺酐选择性：顺酐选择性：(邻二甲苯与顺酐的摩尔比为邻二甲苯与顺酐的摩尔比为1 2)  苯酐单程收率：苯酐单程收率：Y苯酐单苯酐单=x单单 S苯酐苯酐=96.83% 0.7145=69.19% 顺酐单程收率：顺酐单程收率：Y顺酐单顺酐单=x单单 S顺酐顺酐=96.83% 0.03605=3.49% *单元3化工过程物料衡算34任务任务3 化学反化学反应过应过程的物料衡算程的物料衡算三率计算三率计算:例例3-6如如 :乙乙 烯烯 氧氧 化化 制制 环环 氧氧 乙乙 烷烷 的的 反反 应应CH2=CH2+1/2O2 ====CH2-CH2O (主主反反应应)CH2=CH2+3O2→2CO2+2H2O    (副副反反应应)已已知知:nA2=100kg, nA3=20kg, nA1=81.63kg mD=100kg,xA单单=(nA2－－nA3)/nA2=(100-20)/100=80%xA总总=(nA2－－nA3)/nA1=(100-20)/81.63=98.0%mD=100kg→nD=100/44=2.273kmol →nDA反反= 2.273×28=63.64kgS=63.64/80=79.55%Y单单=nDA反反/nA2=63.64/100= 63.64%或或mid=(nA2/28)×44=157.14kg → Y单单=mD/mid=100/157.14= 63.64%或或Y单单=xA单单S=80%×79.55% = 63.64%Y总总=nDA反反/nA1=63.64/81.63=77.96%或或m id=(nA1/28) 44=(81.63/28) 44=128.28kg→Y总总=mD/m id=100/128.28= 77.96%或或Y总总=xA总总S=98%×79.55% = 77.96%Y单质单质= mD/nA2=100/100= 100%Y总质总质= mD/nA1=100/81.63=122.5%返回返回*单元3化工过程物料衡算35任务任务3 化学反化学反应过应过程的物料衡算程的物料衡算三、简三、简单反应系统的物料衡算单反应系统的物料衡算 （一）（一）直接求解法直接求解法    (1)条件条件  ①①写出明确的化学反应方程式写出明确的化学反应方程式; ②②已知三率等。

已知三率等    (2)衡算式衡算式     ①①根据化学反应方程式的化学计量系数之间的关系根据化学反应方程式的化学计量系数之间的关系;     ②②三率、过量百分数等表达式三率、过量百分数等表达式    (3)计算基准计算基准     通常采用某种原料（往往是限制反应物）为基准通常采用某种原料（往往是限制反应物）为基准    (4)计计算算举举例例,例例3-3-2 1000kg对对硝硝基基氯氯苯苯ClC6H4NO2用用含含20%游游离离SO3的的发发烟烟硫硫酸酸磺磺化化，，规规定定反反应应终终点点时时，，废废酸酸中中含含游游离离SO37%（（假假定定反反应应转转化化率率为为100%）反应式如下：）反应式如下：ClC6H4NO2+SO3→→ClC6H3(SO3H)NO2试试计计算算：：（（1））20%SO3的的发发烟烟硫硫酸酸用用量量；；（（2））废废酸酸生生成成量量；；（（3））对对硝硝基基氯氯苯磺酸生成量苯磺酸生成量解：以解：以1kmol对硝基氯苯为计算基准，所需对硝基氯苯为计算基准，所需20%游离游离SO3量为量为xkg*单元3化工过程物料衡算36任务任务3 化学反化学反应过应过程的物料衡算程的物料衡算一、简一、简单反应系统的物料衡算单反应系统的物料衡算 5（（一）一）直接求解法直接求解法 (4)计算举例计算举例,例例3-7组分组分ClC6H4NO2SO3H2SO4ClC6H3(SO3H)NO2分子量分子量157.58098237.5输入量输入量:对硝基氯苯对硝基氯苯1kmol=157.5kg;发烟硫酸发烟硫酸 其中其中SO3  0.2xkg、、H2SO40.8xkg输出量输出量:对硝基氯苯磺酸对硝基氯苯磺酸 1kmol=237.5kg废酸废酸  其中其中SO3  0.2x 80 kg、、H2SO40.8xkg已知废酸中含已知废酸中含SO37%解得：解得：x=572.3kg将以上计算结果折合成以将以上计算结果折合成以1000kg对硝基氯苯为计算基准对硝基氯苯为计算基准,乘上比例系数乘上比例系数1000/157.5=6.3492,则：则：（（1））20%SO3的发烟硫酸用量：的发烟硫酸用量：572.3 6.3492=3633.7kg（（2）废酸生成量：）废酸生成量：(572.3 80) 6.3492=3125.7kg（（3）对硝基氯苯磺酸生成量：）对硝基氯苯磺酸生成量：237.5 6.3492=1507.9kg验算验算:输入量输入量  1000+3633.7=4633.7kg、输出量、输出量  3125.7+1507.9=4633.6kg  符合符合返回返回*单元3化工过程物料衡算37任务任务3 化学反化学反应过应过程的物料衡算程的物料衡算三、简三、简单反应系统的物料衡算单反应系统的物料衡算（二）（二）元素衡算法元素衡算法(1)适用场合适用场合      反反应应体体系系复复杂杂，，难难于于正正确确写写出出或或根根本本无无法法写写出出体体系系中中具具体体的的化学反应方程式及各反应所占的比例等。

化学反应方程式及各反应所占的比例等2)衡算式衡算式     各元素平衡各元素平衡(3)计算举例计算举例      例例3-3-3甲甲烷烷、、乙乙烷烷与与水水蒸蒸汽汽用用镍镍催催化化剂剂进进行行转转化化反反应应生生成成合合成气，反应器出口气体组成（干基）为：成气，反应器出口气体组成（干基）为： 组分组分CH4C2H6COCO2H2mol%4.62.518.64.669.7假定原料中只含假定原料中只含CH4和和C2H6两种成份，则求这两种气体的摩尔两种成份，则求这两种气体的摩尔比为多少？每比为多少？每1000Nm3原料气需要多少原料气需要多少kg水蒸汽参加反应？水蒸汽参加反应？ *单元3化工过程物料衡算38三、简三、简单反应系统的物料衡算单反应系统的物料衡算（二）（二）元素衡算法元素衡算法   (3)例例3-8解解:计算基准计算基准100kmol干燥产物气体干燥产物气体,由题意画出过程示意图由题意画出过程示意图 列元素衡算式列元素衡算式O原子原子  S=18.6+2 4.6=27.8kmol（（1））C原子原子  M+2E=4.6+2 2.5+18.6+4.6=32.8kmol（（2））H原子原子  4M+6E+2S=4 4.6+6 2.5+2 69.7=172.8kmol（（3））解上述方程组得：解上述方程组得：S=27.8kmol/100kmol干燥产物气体干燥产物气体M=18.8kmol/100kmol干燥产物气体干燥产物气体E=7.0kmol/100kmol干燥产物气体干燥产物气体因此原料中因此原料中CH4/ /C2H6 mol比为：比为：M/ /E= =18.8/7.0=2.691000Nm3原料气所需参与反应的水蒸汽量为：原料气所需参与反应的水蒸汽量为： 返回返回*单元3化工过程物料衡算39任务任务3 化学反化学反应过应过程的物料衡算程的物料衡算三、简三、简单反应系统的物料衡算单反应系统的物料衡算（三）利用联系组分作衡算（三）利用联系组分作衡算            联联系系组组分分即即不不参参与与反反应应的的惰惰性性组组分分。

当当系系统统中中同同时时存存在在几几个个联联系系组组分分时时，，应应选选择择数数量量级级较较大大的的联联系系组组分分作作衡衡算算式式，，以免造成较大的误差以免造成较大的误差例例3-9已知一段转化炉出口气量为已知一段转化炉出口气量为90000Nm3/h，组成为，组成为：： 组组    分分H2N2COCO2CH4Ar一段出口气一段出口气71.000.505.5014.009.00/二段出口气二段出口气58.4321.308.4411.360.200.27求求:(1)二段出口气量二段出口气量?(2)二段炉中加入的空气量二段炉中加入的空气量?(空气组成空气组成:O2=21%,N2=78%,Ar=1%);(3)在二段炉中是水蒸汽分解为氢，在二段炉中是水蒸汽分解为氢，还是氢被氧化为水还是氢被氧化为水?求分解的水或氧化的氢量为多少求分解的水或氧化的氢量为多少? *单元3化工过程物料衡算40任务任务3 化学反化学反应过应过程的物料衡算程的物料衡算三、简三、简单反应系统的物料衡算单反应系统的物料衡算（三）利用联系组分作衡算（三）利用联系组分作衡算  例例3-9解解:取取1小时为计算基准小时为计算基准（（1）由）由C平衡可得平衡可得:90000(0.0550+0.1400+0.900)=V2(0.0850+0.1130+0.0020) V2=128250Nm3/h（（2）由）由N平衡得平衡得:90000 0.0005+Vair 0.78=128250 0.2130 Vair=34445.2Nm3/h（（若若采采用用Ar平平衡衡,则则:0.01Vair=0.0027V2 Vair=34627.5Nm3/h,相相差差182.3Nm3/h））（（3）干气中的）干气中的H平衡平衡:一段转化气中含一段转化气中含H:(VH2)1=90000(0.7100+2 0.0900)=80100 Nm3/h二二 段段 转转 化化 气气 中中 含含 H:(VH2)2=128250(0.5843+2 0.0020)=75449.5 Nm3/h则则:(VH2)2＜＜(VH2)1，说明有，说明有H2被氧化为被氧化为H2O被氧化的被氧化的H2为为:(VH2)1 (VH2)2=80100 75449.5=4650.5 Nm3/h 返回返回*单元3化工过程物料衡算41任务任务3 化学反化学反应过应过程的物料衡算程的物料衡算三、简三、简单反应系统的物料衡算单反应系统的物料衡算（（四）利用化学平衡进行衡算四）利用化学平衡进行衡算    (1)适用条件适用条件      ①①正确写出化学反应方程式正确写出化学反应方程式; ②②已知化学反应的平衡常数。

已知化学反应的平衡常数此类计算此类计算,往往出现非线性方程或方程组往往出现非线性方程或方程组,需借助计算机编程计算需借助计算机编程计算    (2)计算举例计算举例,例例3-10在在接接触触法法硫硫酸酸生生产产中中,SO2被被氧氧化化为为SO3反反应应式式为为:SO2+1/2O2⇌ ⇌SO3,氧氧化化过过程程的的温温度度为为570℃,压压力力为为1.1atm输输入入气气体体的的组组成成(mol%)为为:SO28%、、O29%、、N283%计计算算达达到到平平衡时的转化率及平衡组成衡时的转化率及平衡组成(已知已知570℃的平衡常数的平衡常数Kp为为14.9)解解:基基准准为为1mol输输入入气气体体,设设SO2平平衡衡转转化化率率为为x,则则反反应应前前后后各各组组分的量如下表分的量如下表: *单元3化工过程物料衡算42任务任务3 化学反化学反应过应过程的物料衡算程的物料衡算三、简三、简单反应系统的物料衡算单反应系统的物料衡算（四）（四）利用化学平衡进行衡算利用化学平衡进行衡算组分组分输入项输入项输出项输出项mol数数mol%mol数数mol%SO20.0880.08(1 x)0.08(1 x)/(1 0.04x)O20.0990.09 0.5 0.08x(0.09 0.04x)/(1 0.04x)SO3//0.08x0.08x/(1 0.04x)N20.83830.830.83/(1 0.04x)总计总计11001 0.04x100因反应系统处于常压下，故系统内的各气体可视为理想气体。

因反应系统处于常压下，故系统内的各气体可视为理想气体由平衡常数表达式得：由平衡常数表达式得： 将各分压代入将各分压代入(1)式得式得: *单元3化工过程物料衡算43任务任务3 化学反化学反应过应过程的物料衡算程的物料衡算三、简单反应系统的物料衡算三、简单反应系统的物料衡算（四）利用化学平衡进行衡算（四）利用化学平衡进行衡算例例3-10将将Kp=14.9、、p=1.1atm代入代入(2)式整理得：式整理得：10.705284x3 44.6675 x2+59.0991 x 24.1769=0采用采用Newton迭代法解得：迭代法解得：x=0.793;故计算结果为：故计算结果为：组分组分输入项输入项输出项输出项mol数数mol%mol数数mol%SO20.0880.08(1 0.793)=0.016561.71O20.0990.09 0.04 0.793=0.058286.02SO3//0.08 0.793=0.063446.55N20.83830.8385.72总计总计11001 0.04 0.793=0.96828100.00返回返回*单元3化工过程物料衡算44任务任务3 化学反化学反应过应过程的物料衡算程的物料衡算四、四、复杂反应系统的物料衡算复杂反应系统的物料衡算 图图3-3-3中中R/W（（或或R/F、、R/MF））称称为为循循环环比比。

其其包包括括了了5个个衡衡算算体系，每个衡算体系各物料之间的关系为：体系，每个衡算体系各物料之间的关系为：总物料衡算总物料衡算F=P+W反应器物料衡算反应器物料衡算MF=RP(只能适用于只能适用于kg为单位为单位)分离器物料衡算分离器物料衡算RP=S+P结点结点A（混合器）物料衡算（混合器）物料衡算 F+R=MF结点结点B（分流器）物料衡算（分流器）物料衡算 S=W+R 通常对有循环过程的物料衡算，若已知总转化率，可先做通常对有循环过程的物料衡算，若已知总转化率，可先做总物料衡算；若已知单程转化率，则可先从反应器衡算做起总物料衡算；若已知单程转化率，则可先从反应器衡算做起 *单元3化工过程物料衡算45任务任务3 化学反化学反应过应过程的物料衡算程的物料衡算四、四、 复杂反应过程的物料衡算复杂反应过程的物料衡算 例例3-11 乙乙烯烯氧氧化化制制环环氧氧乙乙烷烷，，其其生生产产流流程程如如图图3-10所所示示已已知知新新鲜鲜原原料料中中乙乙烯烯∶ ∶空空气气=1∶ ∶10，，乙乙烯烯单单程程转转化化率率为为55%，，吸吸收收塔塔出出口气体总量的口气体总量的65%循环返回反应器。

计算：循环返回反应器计算： ①①总转化率、各流股物料量及排放物料总转化率、各流股物料量及排放物料W组成 ②②如如果果W的的分分析析数数据据为为:N281.5%、、O216.5%、、C2H42.0%,循循环环比比(R/W)为为3.0,计算新鲜原料中乙烯与空气的比例和单程转化率计算新鲜原料中乙烯与空气的比例和单程转化率假设此反应系统中只发生乙烯氧化生成环氧乙烷的单一主反应假设此反应系统中只发生乙烯氧化生成环氧乙烷的单一主反应  *单元3化工过程物料衡算46任务任务3 化学反化学反应过应过程的物料衡算程的物料衡算四、四、复杂反应过程的物料衡算复杂反应过程的物料衡算 例例3-11 新新鲜鲜原原料料C2H4:air=1:10,x单单55%,吸吸收收塔塔出出口口气气65%循循环环返返回回计计算算:①①总总转转化化率、各流股物料量及排放物料率、各流股物料量及排放物料W组成解：反应式解：反应式  C2H4+1/2O2→→C2H4O ①①以以10mol新鲜原料中的新鲜原料中的C2H4为计算基准，则加入空气量为为计算基准，则加入空气量为100mol，其中，其中O2为为21mol、、N2为为79mol。

 设设MF中中C2H4为为xmol，，O2为为ymol 以结点以结点A为衡算对象，由单程转化率和循环比得：为衡算对象，由单程转化率和循环比得： 10+x(1 0.55) 65%=x x=14.134mol 反应生成的环氧乙烷的量反应生成的环氧乙烷的量: 55% x=0.55 14.134=7.774mol 应器出口物料应器出口物料RP中中C2H4剩余量：剩余量： 14.134 7.774=6.360mol 总转化率为：总转化率为： 7.774/10=77.74% 反应掉的反应掉的O2为：为： 0.5 7.774=3.887mol *单元3化工过程物料衡算47四、复杂反应过程的物料衡算四、复杂反应过程的物料衡算 例例3-11以结点以结点A为衡算对象对为衡算对象对O2衡算得：衡算得：21+0.65(y 3.887)=y y=52.781mol对对N2作平衡，以整个系统为衡算对象，则：作平衡，以整个系统为衡算对象，则：W中的中的N2为为79mol对对N2作平衡，以结点作平衡，以结点B为衡算对象，则：为衡算对象，则：S中的中的N2为为79/0.35=225.71mol各流股中组分含量列表如下：各流股中组分含量列表如下：  FMFRPSRWPN27979/0.35=225.71225.71225.71225.71 65%=146.7179/O221y=52.78152.781 3.88748.89448.894 65%=31.78117.113/C2H410x=14.1346.3606.3606.360 65%=4.1342.226/C2H4O//7.774///7.774*单元3化工过程物料衡算48四、四、 复杂反应过程的物料衡算复杂反应过程的物料衡算 例例3-11 ②②W成成份份为为:N281.5%、、O216.5%、、C2H42.0%,循循环环比比(R/W)为为3.0,计计算算新新鲜鲜原原料中料中C2H4与与air的比例和单程转化率。

的比例和单程转化率②②以以100mol排放气（排放气（W）为计算基准）为计算基准 以整个系统为体系，由以整个系统为体系，由N2平衡得：平衡得：nair=81.5/0.79=103.16mol F中中O2为：为：0.21nair=0.21 103.16=21.66mol∵∵R、、W、、S、、RP（不包括环氧乙烷）的组成相同，且（不包括环氧乙烷）的组成相同，且R/W=3∴∴nR=3W=300mol、、nS=4W=400mol、、nRP=4W=400mol（不包括环氧乙烷）（不包括环氧乙烷）∴∴RP中的中的O2为：为：400 0.1650=66mol对对 A点点 进进 行行 O2衡衡 算算 ，， 则则 MF中中 O2为为 F中中 O2与与 R中中 的的 O2之之 和和 ，， 即即 ：：21.66+300 0.1650=71.16mol对反应器进行对反应器进行O2衡算，则反应掉的衡算，则反应掉的O2为：为：71.16 66=5.16mol反应消耗的反应消耗的C2H4量：量：2 5.16=10.32 mol*单元3化工过程物料衡算49四、四、 复杂反应过程的物料衡算复杂反应过程的物料衡算 例例3-11 对对反反应应器器进进行行C2H4衡衡算算：：MF中中C2H4量量=RP中中的的C2H4量量+反反应应器器中中消消耗耗的的C2H4量量  ∴∴MF中中C2H4量：量：400 0.02+10.32=18.32mol对对A点进行点进行C2H4衡算衡算(新鲜新鲜C2H4)：：18.32 300 0.02=12.32 mol物料衡算结果如下：物料衡算结果如下： FMFRPSRWPN281.581.5 4=3263263263 81.5=244.581.5/O221.6671.164 16.5=66663 16.5=49.516.5/C2H412.3218.328.08.06.02.0/C2H4O//10.32///10.32合计合计  410.32400300100 返回返回。