化学反应过程的物料衡算
化工计算第四章物料衡算及课后习题及答案
一般化学反应过程，ΔE≤42kJ/g，则 Δm=5×10-12kg。变化量<十亿分之一。
一般物理过程的ΔE更小，故质量守恒定律通 常可用。
无化学反应的体系的物料衡算式：
输入体 输出体 体系内 系的物 = 系的物 + 积累的 料量 料量 物料量 （4—1）
化学反应时，对任一组分或元素的物料衡算式为： 输入体 反应生 反应消 输出体 体系内 系的物 + 成的物 - 耗的物 = 系的物 + 积累的 料的量 料的量 料的量 料的量 物料量 (4-2) （4—2）式可作为 总物料衡算式 组分物料衡算式 元素物料衡算式
2）采用适当方法求解方程
7、将计算结果列成输入—输出物料表
组分 输入 kg/h w% kmol/h y% kg/h 输出 w% kmol/h y%
A
B C 总计
由计算结果查核计算正确性，必要时说明误差范围。
8、必要时画出物料衡算图（过程复杂时）
对于复杂过程的物料衡算，上述各步均不可
少。但对于较简单的物料衡算问题，有的步骤可
3）无论有无化学反应，各式对各元素均可 使用。单位可用千克或摩尔。
对图4—1所示过程列物料衡算式： xP1 D F P xP2 过 程 1 xF1 xF2 3
2
W Xw1 xW2 衡算仅讨论通过体系边界的各物料流股间的关系。 总物料衡算式： F = P + W
对组分1列式： F xF1 = P xp1+ W xw1
不稳定操作——过程中参数随时间而变。 上述两种操作物料衡算以一个操作周期 作基准。 连续操作 ：原料不断地稳定地输入生产设备,同时 不断地从设备排出同样数量的物料。 特点：设备内各部分参数不随时间而变。 （稳定状 态操作） 衡算中以单位时间作基准 。
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。
第三章物料衡算(新)
C2H4 + 3 O2
以100kmol进料为基准，用x和y分别代表环氧乙 烷和二氧化碳的生成量，根据题给组成和该系统 的化学反应方程式，可列出下表3-5。
18
表3-5 物料组成
由于反应器出口气体中乙烯和氧的浓度已知， 所以可列出下面两个方程：
解：设 2A+B→2D+E A+D→2C+E C+2B→2F
速率为r1 速率为r2 速率为r3
22
各物质在反应中的变化如表3-4所示 A 进料
/(mol.h-1)
B 100 － r1
C 0
D 0 2r1
E 0 r1
F 0`
200 r2
－2r3
200-2r1-r2 100-r1-2r3
14
有循环物料的反应系统，有两种不同含义的转化 率。一种是新鲜原料通过反应器一次所达到的转 化率，叫单程转化率。这可以理解为以反应器进 口物料为基准的转化率。另一种是新鲜原料进入 反应系统起到离开反应系统止所达到的转化率， 称为全程转化率。显然，全程转化率大于单程转 化率。 （4）收率：转化率是针对反应物而言的，收率则 是针对产物而言的。收率的定义式为：
2.物料衡算基准 选定一个计算基准，并在整个运算中保持一致。 （1）t基准：1d，1h，1s等。 （2）批量基准：每批物料量，Kg/批 。 （3）质量基准：例如取100Kg，一般取某一己知 变量最多或未知变量最少的物流作为基准最为合 适。 （4）体积基准：对气体物料，采用标准体积为基 准，m3,L等。 （5）物质的量基准：有化学反应的取物质的量基 准，mol。
物料衡算 化学反应过程的物料衡算
3.2.3 化学反应过程的物料衡算
1.一般反应过程的物料衡算
（1）直接计算法
例4 在鼓泡反应器（间歇）中进行苯的氯化反应生产氯苯，
主反应为 C6H6+Cl2=C6H5Cl+HCl 同时有副反应生成二氯苯和三氯苯，反应式分别为： C6H6+2Cl2=C6H4Cl2+2HCl C6H6+3Cl2=C6H3Cl3+3HCl 已知鼓泡反应器的产品中，主副反应产物和未反应的苯的 重量比为：氯苯:二氯苯:三氯苯:苯=1:0.08:0.016:2。 求：（1）苯的转化率；（2）氯苯的收率；（3）反应的选 择性；（4）反应生成氯化氢的总量；（5）反应消耗的氯 气的总量。
CO2 H2O O2 N2
解： 以100mol/h合成气为计算基准，则合成气中各组 分的量为：
CH4：0.4mol/h；CO：38.3mol/h； CO2：5.5mol/h； H2：52.8mol/h；O2：0.1mol/h； N2：2.9mol/h；
设加入的空气量为Amol/h，燃烧气中各组分的量分别为： CO2 a mol/h，H2O b mol/h，O2 c mol/h，N2 d mol/h 列元素平衡式有： C：0.4 38.3 5.5 a a 44.2mol/h H：4 0.4 2 52.8 2b b 53.6mol/h
2.564 0 0.889 0.0544 0.0088 1.023 4.5392
可见，质量平衡，摩尔数也平衡，是摩尔数不变的化学反应。
3.2.3 化学反应过程的物料衡算
1.一般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。无需考虑具体的化学反应， 按照元素种类被转化及重新组合的概念表示为：
化工计算第三章-3化学反应过程物料衡算
= 0 . 9952
( 995 4 . 75 ) kmol h
= 0 . 0048
衡算体系：混合器
MF 1 = FF 1 R 1
-1
-1
代入数据得：MF 1 = (100 995 ) kmol h
= 1095 kmol h
-1
MF 2 = R 2 = 4 . 75 kmol h
第三章物料横算
一般反应过程的物料衡算 对有化学反应过程的物料衡算，由于各组 输入(某种元素)＝ 分在过程中发生了化学反应，因此就不能简单 输出(同种元素) 地列组分的衡算式，必须考虑化学反应中生成 对反应过程中化学反应 或消耗的量，应该根据化学反应式，列衡算方 很复杂，无法用一、两 程。对一般的反应过程，可用下列几种方法求 个反应式表示的物料衡 解。 算题，可以列出元素衡 1、直接求解法 有些化学反应过程的物料衡算， 算式，用代数法求解。 有时只含一个未知量或组成，这类问题比较简 单，通常可根据化学反应式直接求解，不必列 出衡算式。 2、元素衡算法 元素衡算是物料衡算的一种重 要形式。在作这类衡算时，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
R
FF
MF 混合器 反应器
RP
分离器
P
图 4-27
循环过程的物料流程图
另外，具有循环过程的体系还有两个过程限制参数，通 常称为循环比和混合比，定义如下：
循环比=
循环物流流量 产品物流流量
循环物流流量 新鲜原料流量
＝
R P
R
（4-15）
混合比=
＝
FF
（4-16）
在对分离器和混合器进行物料衡算时这两个参数很重要，
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一、物料衡算物料衡算主要是对物料在生产过程中的流动进行定量分析和计算。
它包括物料的进出口流量、过程中的转化和损失等方面。
物料衡算的目的是确定物料的流动情况，以控制和优化生产过程。
物料衡算通常涉及以下几个方面：1.原料的输入和产物的输出：从化工生产过程的角度来看，物料衡算的第一步是确定原料的输入和产物的输出。
这可以通过物料的质量或体积以及流量来衡量。
2.过程中的转化：化工生产过程中，原料经过一系列的化学反应、物理过程和分离步骤，转化成所需的产物。
物料衡算需要确定过程中每个反应、过程或分离步骤涉及的物料流量和转化率，以及产物的纯度和收率。
3.丢失与损耗：化工生产过程中常常存在物料的丢失和损耗，如挥发、固体颗粒的落地损失等。
物料衡算需要考虑这些损耗，并尽量减少它们的发生。
物料衡算的重要性在于通过对物料流动的定量分析，可以帮助工程师了解和控制生产过程中的物料转化、损耗和产物生成情况，从而优化生产过程。
二、能量衡算能量衡算是对化工生产过程中能量转换的定量分析和计算。
它涉及到能源的输入与输出以及能量的转化。
能量衡算可用于改善能源效率，减少能源消耗和废弃物的排放。
能量衡算主要包括以下几个方面：1.能源输入：能源是化工生产过程中的重要驱动力之一，常见的能源包括电能、燃料、蒸汽等。
能量衡算需要确定能源的类型、质量或热值、消耗量和运用效率。
2.能量转化：化工生产过程中会发生能量的转化，如化学反应产生的热能、电能转化为机械能等。
能量衡算需要考虑这些能量转化过程，并计算能量的转化率和损耗。
3.能源的输出：化工生产过程中也会有能源的输出，如废热、废气、废水等。
能量衡算需要确定这些能源输出的类型、质量或热值、排放量以及处理方式。
能量衡算的目的是优化能源的利用，提高能源效率，减少能源消耗和环境污染。
通过定量分析和计算能量流动，能量衡算可以帮助工程师了解和控制能源输入与输出，寻找能源转化和能耗的瓶颈，提出改进方案，提高生产过程的能量利用率。
化工计算第三章物料衡算1
化工计算第三章物料衡算11. 引言在化工领域，物料的衡算是非常重要的一个环节。
物料衡算是指根据化工过程中所使用的原料和产物，计算原料的用量、产物的得率以及各种物料之间的比例关系等。
在化工生产过程中，准确的物料衡算能够提高生产效率、节约原料成本，并且确保产品质量的稳定性。
本文将介绍化工计算中的物料衡算的基本概念和计算方法，并通过实例来说明物料衡算的具体操作步骤。
2. 物料衡算的基本概念在进行物料衡算之前，我们首先需要了解一些基本概念：2.1 原料在化工生产过程中，原料是指用于制造产品的起始物质。
原料可以是固体、液体或气体，具体取决于化工过程的需求。
2.2 产物产物是指化工过程中生成的最终产品或副产品。
产物的种类和质量取决于原料的配比和反应条件。
2.3 用量用量是指在化工过程中，各种原料的加入量或消耗量。
用量可以通过实验或计算得到。
2.4 得率得率是指产物与理论产物之间的比值，用于衡量化工过程的效率。
得率可以通过实验或计算得到。
3. 物料衡算的计算方法在进行物料衡算时，我们可以运用各种数学和化学的计算方法，例如质量守恒定律、化学方程式的平衡等。
3.1 质量守恒定律质量守恒定律是物料衡算中最基本的原则之一。
根据质量守恒定律，化学反应前后的总质量保持不变。
在物料衡算中，可以通过质量守恒定律来计算原料的用量和产物的得率。
3.2 化学方程式的平衡在进行物料衡算时，往往需要考虑化学方程式的平衡问题。
化学方程式的平衡可以通过调整配比来实现。
根据化学方程式的平衡，可以计算各种原料的用量和产物的得率。
3.3 实验方法在进行物料衡算时，实验方法是一种常用的手段。
通过实验，可以确定原料的用量和产物的得率，并且验证计算结果的准确性。
4. 实例分析下面通过一个实例来说明物料衡算的具体操作步骤。
假设某化工过程需要用到A、B两种原料，化学方程式如下：2A + 3B → C已知反应中A的用量为100 g，B的用量为200 g。
我们需要计算产物C的得率。
化工工艺物料衡算和能量衡算
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2024/2/9
化工工艺物料衡算和能量衡算
第一节连续过程的物料衡算
w 教学内容： w 结合具体实例，理解利用化学反应速率进行反
应过程的物料衡算的方法。 w 重点和难点： w 重点掌握利用化学反应速率进行反应过程的物
料衡算的方法。 w 难点是衡算基准的选择，包括基准物流的名称
•
第 三 章
物 料 衡 算 与 能 量 衡 算
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•输入：
•O2（需要）= 0.5mol；
• O2（输入）= 1.5×0.5 = 0.75mol；
• N2（输入）= N2（输出）= 0.75×（79/21）
•
= 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
• •
F2 x2B x2C
单 元 Ⅰ单
元 Ⅱ
F3 x3B=0.025 x3C=0.35 x3D
F4 x4B=0.08 x4C=0.72
F5 x5C x5D
化工工艺物料衡算和能量衡算
•每一个单元列出一组平衡方程式，再列出整个系统 的平衡方程式。
•
第 三 章
物 料 衡 算 与 能 量 衡 算
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•（3）孤立体系 •= 0
化工工艺物料衡算和能量衡算
•三、能量衡算的一般方法 • ⑴ 正确绘制系统示意图，标明已知条件和物料状态； • ⑵ 确定各组分的热力学数据； • ⑶ 选择计算基准（大部分在物料衡算的基础上进行）； • 同时，还要选取热力学函数的基准态。 • ⑷ 列出能量衡算方程式，进行求解。
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R ( 6 P . 8 0 3 4 2 . 4 3 1 4 . 7 ) 1 m 6 h 1 o 9 . 0 l m 9 4 h 1ol
A
6
第四节 化学反应过程的物料衡
算
反应器出口物料的组成：
60.84
xR1P
0.6134 99.04
xRP2
3 0.0303 99.04
RP
摩尔分数%
61.43
物质的量（mol·h-1）
P
摩尔分数%
物质的量（mol·h-1） 60.84
S
摩尔分数%
72.19
物质的量（mol·h-1） 25.96
R
摩尔分数%
72.19
物质的量（mol·h-1） 34.88
W
摩尔分数%
72.19
C6H5CH3 15
23.42 15 15 3 3.06 3
比及各物流的组成。
A
2
解：由题意画出物料流程图
FF FF1 H2 FF2 C6H5CH3
混合器
MF MF1 H2 MF2 C6H5CH3 MF3 CH4 10%
R R1 ห้องสมุดไป่ตู้2
分流器
W W1 ：H2
R3 CH4
S S1：H2 W3：CH4
S3：CH4
反应器
RP RP1 H2 RP2 C6H5CH3 RP3 CH4
由分流器的特征，有：
xR1 xS1
， xR3 xS3
A
8
第四节 化学反应过程的物料衡算
衡算体系：混合器
CH4平衡：
M3F R3RRx3
（3）
C6H5CH3平衡： MF2 FF2
H2平衡：
M1F F1FRRx1
（4） （5）
联立（4）、（5）、（6）式解得：
R3.9 5m 6 oh1 l
F2F1m 5 ohl1
（2）由题意要求混合原料中甲烷含量不大于 10%，取10%进行计算，这样计算得到的排放 量数据为最小值，实际排放时应稍稍大于此值。
A
4
基准：进反应器混合原料：100 molh1
衡算体系：反应器
进料：由已知，M 3 1 F00 h 1 m 1o 0 1 l% 0h m 1 ol
总物料：M 1 M F 2 1 m F 0 h 1 o 1 lm 0h （0 1 o 1）l
例4-22
CO2
CO变换 转化气 F
CO2脱除 RP CO 8.76%
H2 89.75%
FF 分流
B CO 43.12% H2 54.20%
图4-33 例4-23流程图
混合
合成气 CO:H2=1:2.4
MP 2321m3.h-1
A
1
第四节 化学反应过程的物料衡算
例
甲苯催化加氢脱甲基制苯，主反应和副反应
20.33
A
CH4
10 10 23.44 24.68
23.44 27.81 10.0 27.81 13.44 27.81
C6H6
11.76 11.87 11.76 79.67
合计 64.04 100 100 100 99.04 100 14.76 100 84.28 100 35.96 100 48.32 100
MF1 5 MF2
（2）
解（1）、（2）式得： M1F75mho1l
M2 F1m 5 oh1 l
出料： C6H5CH3的剩余： R 2 M P 2 ( 1 8 F % 0 1 m ) 5 h 1 o 0 . 2 3 l m h 1
A
5
第四节 化学反应过程的物料衡算
生成的C6H6： R 4 M P 2 8 F % 0 9 % 8 1 .7 1 m 6 h 1 ol CH4的量：
主反应：
C 6 H 5 C3 H H 2 C 6 H 6 C4H
副反应：
C 6H 5C3H 102H 7C4 H
以纯氢和纯甲苯为原料，进入反应器的氢与甲苯之比为5:1
（摩尔比）。甲苯的单程转化率为80%，生成苯的选择性为
98%，未反应的甲苯和产物苯作为产品物流输出体系，氢和
甲烷循环。要求混合原料中甲烷含量不大于10%，计算排放
分离器
P P2 C6H5CH3 P4 C6H6
RP4 C6H6
图4-31 例4-22流程图
A
3
第四 化学反应过程的物料衡算
说明：
（1）流程中物料流股各物质流量的下标编号尽 可能保持一致，下标相同表示同一种物质，这 样可以避免列衡算式时出差错。本题中只有混 合原料的组成有已知数据，设其为基准后可先 对反应器系统进行物料衡算。
R 3 P M 2 8 F % 0 9% 8 M 2 8 F % 0 (1 9% 8 7 )M 3 F (1.7 1 6 1 .6 8 1)m 0h o 1 2 l.4 3 m 4h o 1 l
H2的量：
R 1 P M 1 M F 2 8 F % 0 9% 8 M 2 8 F % 0 ( 1 9% 8 1)0 (7 1 5 .7 1 6 2 .4 )m h o 1 6 l.8 0 m 4 h o 1 l
xRP3
23.440.2369 99.04
11.76
xRP4
0.1187 99.04
衡算体系：分离器
P2=RP2=3mol.h-1
P 4=R P 4=11.76m ol.h-1
P(3 11.7h6 1 )1m .7 4m 6 oh lo 1l
A
7
第四节 化学反应过程的物料衡
算
则：
xP2
3 0.2033 14.76
10
第5节 物料衡算的计算机解题
一、手工求解线性方程组 例 采用高斯消元法求解三阶方程组
2x1 x2 3x3 1 4x1 2x2 5x3 4 x1 2x2 7
2 1 3x1 1
2 1 3 x1 1
4 2 5x24第 2,3第 行 一 各 次 元 消 素 元 依次 0 4
1x2
2
1
2 0x3 7
11.76
xP4
0.7967 14.76
S1R1P 6.0 8m 4 o1l.h S3R3P2.344 mo1l.h
S ( 6 .8 0 2 4 .4 3 ) m 4 h 1 o 8 l.2 4 m 8 h 1 ol
则：
xs1
60.840.7219 84.28
xs3
23.440.2781 84.28
F1F 4.0 9m 4 o h1 l F F (4.0 9 1 4 )m 5h o 1 6 l.0 4 m 4 h o 1 l
A
9
计算结果汇总列表如下表
组分
H2
物质的量（mol·h-1） 49.04
FF
摩尔分数%
76.58
物质的量（mol·h-1） 75
MF 摩尔分数%
75
物质的量（mol·h-1） 60.84