反应过程的物料衡算
过程的物料衡算
（四）过程的物料衡算
1、循环过程
例如在生产 中一般将未反应的原料与产品先分离，后循环返回原料进口处，与新原料一起再进入反应器反应
例如苯直接加氢转化环己烷中的循环过程：
在没有循环时，一系列单元步骤的物料衡算可按顺序依次进行，每次可取一个单元．但是，如果有循环的话，由于循环量并不知道，所以逐次计算并不能计算出循环量．
试差法：假定一个循环量估计值进行计算，将估计值与计算值比较，若不符，重新假定一个估计值，一直计算到估计值与计算值之差在一定的误差范围内．
代数解法：在循环存在时，列出物料平衡方程式，并求解一般方程式中以循环量作为未知数，应用联立方程式的方法进行求解．
苯直接加氢转化环己烷中的循环过程的衡算
解：反应为：C6H6+3H2→C6H12
基准：100kmol/h 环己烷
查苯的转化率为99%
则生产100kmol/h 环己烷需苯
100／0.99=101.01kmol/h
未反应的苯为
101.01-100=1.01kmol/h
产物中含H2,设含量为nH2
总产量＝100+1.01+3.12=104.13kmol/h
其摩尔分数为
H2的进料率为 100×3＋3.12=303.12kmol/h
苯的进料率为 101.01kmol/h
设H2循环量为R
R=100.92kmol/h
纯C 6H 6
20%C 6H 6 96.0126=H C x 01.066=H C x 03
.02=H x 3.001.110022=++H H n n h Kmol n H /12.32=2.012.30301.10101.101=++R。
物料衡算
物料衡算物料衡算的准则就是质量守恒定律，即“进入一个系统的全部物料必等于离开这个系统的全部物料，再加上过程损失量和在系统中积累量”。
依据质量守恒定律，对研究系统作物料衡算，可由下式表示[13]：∑G进=∑G出+∑G损+∑G积其中式中：∑G进——输入物料量总和；∑G出——输出物料量总和；∑G损——总的物料损失量；∑G积——系统中的积累量。
根据设计任务，苯酐生产能力为80000吨/年，产品纯度达到99.9wt%按照8000小时开工计算，每小时的生产能力：80000×1000×99.9%/8000= 9990kg/h3.1 反应器中氧化反应的物料衡算3.1.1 氧化反应过程的衡算基准本次设计以每小时生产9990kg为基准，进料量9400kg/h，转化率99.8%；生成苯酐的选择性约为0.8；空气与邻二甲苯进料比为9.5:1；主要副产品为苯酞、顺酐、苯甲酸、柠槺酐、二氧化碳、一氧化碳等。
3.1.2 氧化反应过程的物料衡算图画出衡算方框图，标出有关计算目标，然后进行计算：图3-1 反应过程物料衡算图3.1.3 氧化反应过程的物料衡算：邻二甲苯与空气催化氧化的主反应式：106 32 148 18x 3y 9990 z所以主反应中：(1)邻二甲苯消耗量：9990148106=x x = 7155 kg/h 氧气消耗量：9990148y 332=⨯ y =6480 kg/h 水的生成量： 9990148z 318=⨯ z = 3645 kg/h （2） 邻二甲苯转化率为99.8%，且邻二甲苯的进气量为9400kg/h ，所以： 邻二甲苯生产苯酐的选择性为：7155/9400/99.8%=77.27%。
（3）设计进料空邻比为9.5:1，所以空气进料量计算：5.91w 9400=w 空 =89300 kg/h 空气中 O 2所占的比例为21%，所以工艺空气中氧气的进料量：w 氧 = 89300×21%= 18753kg/h 。
物料衡算和热量衡算
3 物料衡算依据原理：输入的物料量=输出的物料量+损失的物料量3.1 衡算基准年生产能力：2000吨/年年开工时间：7200小时产品含量：99%3.2 物料衡算反应过程涉及一个氧化反应过程，每批生产的产品相同，虽然有原料对叔丁基甲苯和溶剂甲苯的循环，第一批以后循环的物料再次进入反应，但每批加料相同。
在此基础上，只要计算第一个批次的投料量，以后加料一样。
反应釜内加热时间2h、正常的反应时间18h、冷却时间1h。
加上进料和出料各半个小时，这个生产周期一共2+18+1+1=22h。
所以在正常的生产后，每22小时可以生产出一批产品。
每年按300天生产来计算，共开工7200小时，可以生产327个批次。
要求每年生产2000吨对叔丁基苯甲酸，则每批生产2000÷327＝6.116吨。
产品纯度99 %( wt %)实际过程中为了达到高转化率和高反应速率，需要加入过量对叔丁基甲苯做溶剂，反应剩余的原料经分离后循环使用。
3.2.1 各段物料(1) 原料对叔丁基甲苯的投料量设投料中纯的对叔丁基甲苯为X kg，则由C11H16C11H14O2 M 148.24 178.23m x 6054.8得x=6054.8×148.24÷178.23=5036.0 kg折合成工业原料的对叔丁基甲苯质量为5036.0÷0.99=5086.9kg实际在第一批生产过程加入的对叔丁基甲苯为6950.3kg（2）氧气的通入量生产过程中连续通入氧气,维持釜内压力为表压0.01MPa,进行氧化反应。
实际生产过程中,现场采集数据结果表明,通入的氧气量为1556.8 kg，设反应消耗的氧气量为x kg3/2O2C11H14O2 M 31.99 178.23m x 6054.8 得x= 3/2×6054.8×31.99÷178.23=1630.1kg此时采用的空气分离氧气纯度可达99%，因此折合成通入的氧气为1630.1÷0.99=1646.6 kg即在反应过程中，需再连续通入1646.6kg氧气。
化工中的物料衡算和能量衡算
化工中的物料衡算和能量衡算化72 王琪2007011897 在化工原理的绪论课上，戴老师曾强调过化工原理的核心内容是“三传一反”即传质、传动、传热和反应，而物理三大定律——质量守恒、动量守恒、能量守恒正是三传的核心与实质，因此这三大定律在化工中统一成一种核心的方法：衡算。
正是衡算，使原本复杂的物理定律的应用变得简单，实用性强，更符合工程学科的特点。
为此化工中的物料衡算和能量衡算很重要，本文将分别从物料衡算、能量衡算讨论化工中的衡算问题，然后将讨论二者结合的情况。
物料衡算在台湾的文献中称为“质量平衡”，它反映生产过程中各种物料之间量的关系，是分析生产过程与每个设备的操作情况和进行过程与设备设计的基础。
一般来说物料衡算按下列步骤进行，为表示直观，做成流程图。
绘制流程图时应注意：1.用简洁的长方形来表达一个单元，不必画蛇添足；2.每一条物质流线代表一个真实的流质流动情况；3.区别开放与封闭的物质流4.区别连续操作与分批操作（间歇生产）5.不必将太复杂的资料写在物质流线上确定体系也比较重要，对于不同体系，衡算基准和衡算关系会有不同。
合适的基准对于衡算问题的简化很重要，根据过程特点通常有如下几种：1.时间基准：连续生产，选取一段时间间隔如1s，1min，1h，1d；间歇生产以一釜或一批料的生产周期为基准，对于非稳态操作，通常以时间微元dt为基准。
2.质量基准，对于固相、液相体系，常采用此基准，如1kg，100kg，1t，1000lb等。
3.体积基准（质量基准衍生）：适用于气体，但要换成标准体积；适用于密度无变化的操作。
4.干湿基准：水分算在内和不算在内是有区别的，惯例如下：烟道气：即燃烧过程产生的所有气体，包括水蒸气，往往用湿基；奥氏分析：即利用不同的溶液来相继吸收气体试样中的不同组分从而得到气体组分，往往用干基。
化肥、农药常指湿基，而硝酸、盐酸等则指干基。
选取基准后，就要确定着眼物料了。
通常既可从所有物料出发，也可根据具体情况，从某组分或某元素着眼。
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 。
反应工程物料衡算
摩尔流量：kmol/h、 kmol/min、 kmol/s
流体的线速度：流体单位时间内在流动的方向上所流 经的距离, m/s
线速度
uQ A
体积流量
GW A
质量流量
质量流速：单位时间内流经管道或设备的单位横截面积
的流体的质量 kg/h、 kg/min、 kg/s
反应选择性＝生成目的产物所消耗的关键组分量 已转化的关键组分量
目录
1 概述 2 计算中用的基本量
3 物理过程的物料衡算
4 化学反应的物料衡算
物理过程的物料衡算
无化学反应发生 属于化工单元操作过程的衡算如过滤、混
合、吸收、干燥、结晶、精馏等
输入＝ 输出
1. 过滤： 用过滤设备把液固分开的操作
反应工程物料衡算
目录
1 概述 2 计算中用的基本量
3 物理过程的物料衡算 4 化学反应的物料衡算
概述
物料衡算是化工工艺设计中最基本的设计内容， 是工艺设计的基础。
主副产品的产量 原材料消耗定额
生产过程中的损耗
三废产生量
物
料
物料的浪费
衡
生产过程的反常现象
算
物料衡算的理论依据 “质量守衡定律”
在化工过程中，物料平衡是指：进入一个装置（或设备）的全部 物料的量，必定等于离开这个装置（或设备）的全部物料的量 （包括损失量）和系统内累积起来的物料的量。
常用计算方法 利用联系物做物料衡算 复杂反应体系使用产物、副产物各自的收
率数据作物料衡算 带有物料循环的流程的物料衡算
多步串联过程的物料衡算
1.常用计算方法
由于化学反应的存在，总摩尔平衡式，组分的质量，
催化重整反应系统物料衡算
2.芳烃潜含量、芳烃产率、芳烃转化率的计算（1）芳烃潜含量：所谓芳烃潜含量是指在催化重整生产芳烃时，把原料中全部烷烃转化为芳烃（一般指C6一C9芳烃）时所能生产的芳烃量。
C6芳烃潜含量=C6环烷（重%）×78/84+A6（重%）=（5.24×78/84+0.98）%=5.85% C7芳烃潜含量=C7环烷（重%）×92/98+A7（重%）=（10.8×92/98+2.36）%=12.50% C8芳烃潜含量=C8环烷（重%）1×06/112+A8（重%）=（11.31×106/112+4.28）%=14.98%C9芳烃潜含量=C9环烷（重%）×120/126+A9（重%）=（8.37×120/126+1.16）%=9.13%所以，芳烃潜含量=（5.85+12.50+14.98+9.13）%=42.46% （2）芳烃产率计算芳烃产率=重整稳定油收率*重整稳定油中芳烃含量A6产率=93.26%×5.14%=4.79% A7产率=93.26%×3.49%=12.58%A8产率=93.26%×9.09%=17.80% A9产率=93.26%×6.71%=15.58%所以，总芳烃产率=（4.79+12.58+17.80+15.58）%=50.75%（3）芳烃转化率计算芳烃转化率=芳烃产率/芳烃潜含量A6转化率=4.79%/5.85%=81.88% A7转化率=12.58%/12.50%=100.64%A8转化率=17.80%/14.98%=118.83% A9转化率=15.58%/9.13%=170.65%总芳烃转化率=50.75%/42.46%=119.52%上述数据汇于下表：由表中可以看出芳烃转化率为119.52%，超过了100%，说明除了环烷烃生成芳烃外，还有烷烃的环化脱氢发生。
这是铂铼重整的主要优点。
化工计算 第四章物料衡算 第三节无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》
第三节 无化学反应过程的物料衡算
1、混合 当物料的浓度不符合化工生产要求时，经常需要 通过加入其它浓度的物质来进行调整，这就是混 合，混合有气体和气体之间的混合，液体和液体 之间的混合。
基准：800kg 稀电池溶液 列总物料平衡： F1 F2 F3 列 H2SO4 组分平衡： F1 0.1243 F2 0.777 F3 0.1863 将已知数据代入（1）、（2）式得：800 F2 F3
0.1243 800 0.777 F2 0.1863 F3
联式（3）、（4）式求解得： F2 83.97kg
吸收剂
吸
收
原料气体
塔
精制气体
溶液 图 4-13 气体吸收过程示意图
高职高专“十一五”规划教材《化工计算》
第三节 无化学反应过程的物料衡算
例4-6：将含20%（质量百分数）丙酮与 80%空气的混合气输入吸收塔，塔顶用喷水 吸收丙酮。吸收塔塔顶出口气体含丙酮3%， 空气97%，吸收塔底得到50千克含10%丙酮 的水溶液，计算输入吸收塔气体的量。 解：详细过程如下所示
由上表可以看出，共有5个未知量，即P、W及流股2的组成A、 B、C，由于组成A、B、C的百分含量之和为1，所以只需求 得任意两个组成，如A、B（或B、C或C、A），第三个组成 就可求出。因此实际上是4个未知量，需要4个方程。但是输 入和输出物料中共有3个组分，因而只能写出3个独立物料衡 算式。第四个方程必须从另外给定的条件列出。
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F = P + W F· xf1 = P· xp1 + W· xw1 F· xf2 = P· xp2 + W· xw2
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§3-6 化工过程的物料衡算 （一）物料衡算的基本方法
物料平衡形式（稳态过程）
平衡式类型
总平衡式
物料平衡形式
总质量平衡式 总物质的量平衡式 组分质量平衡式 组分物质的量平衡式
无化学反应 有化学反应
是 是 是 是 是 非 非 非
组分平衡式
元素原子 平衡式
元素原子质量平衡式
元素原子物质的量平衡式
是 是
是 是
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化工工艺设计(Chemical Process Design)
§3-6 化工过程的物料衡算 （一）物料衡算的基本方法
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§3-6 化工过程的物料衡算 （一）物料衡算的基本方法
如图，共有三个流股，进料F及出料P和W。有两个组分。每 个流股的流量及组成如图所示。图中x为质量分数。
F x f1 x f2 1
过 程
2 3
ห้องสมุดไป่ตู้
P x p1 x p2 W x w1 x w2
无化学反应的 连续过程物料衡算
可列出物料衡算式： 总物料衡算式 每种组分衡算式
已知以1t氨为基准的某股气体的组成和量如下表所示。
组成 ％(mol) kmol CO2 28.56 54.30 CO 1.2 2.29 H2 52.61 100.04 N2 17.05 32.43 CH4 0.575 1.093 合计 100 190.99
列出该股气体的组成和流量表. 60000×0.6×1.05
量或kmol/h为基准 对于液固系统常用单位质量作基准，而其相常用单位体积作基准
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§3-6化工过程的物料衡算 （一）物料衡算的基本方法
某尿素厂的生产能力为6万t尿素/a,年操作日300d，尿 素的氨耗为0．6t氨/t尿素，生产过程的氨损失按5％考虑，
CO 1.2
H2 52.61
N2 17.05 170.2
CH4 0.575 5.74
合计 100 998.3
12.02 525.2
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§3-6 化工过程的物料衡算 （一）物料衡算的基本方法
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 所谓体系就是物料衡算的范围，它可以根据实际需要人为 的选定。体系可以是一个设备或几个设备，也可以是一个单
体系中积累=输入－输出+生成－消耗
式中生成或消耗是因反应而生成或消耗的量 ; 积累项
可正可负 .当积累项不为零时，称为非稳定过程 ;积累
项为零时,称为稳定过程.
稳定过程: 输入=输出－生成+消耗 输入=输出
对无反应的稳定过程:
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元操作或整个化工过程。
进行物料衡算时，必须首先确定衡算的体系。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：
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§3-6 化工过程的物料衡算 （一）物料衡算的基本方法
3、物料衡算的基准
基准选得适当可是计算简化。究竟采用什么作基准视具体情况而定，
不宜硬性规定，可建议：
以1t产品为基准 以1mol某反应物为基准 在连续操作中，以单位时间，即㎏/h或kmol/h作基准；在间歇操作中， 以㎏/批为基准
有化学变化的过程，适宜采用重量作基准；无化学变化的过程，以重
解:小时产量为
300×24
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=5.25t/h
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§3-6 化工过程的物料衡算 （一）物料衡算的基本方法
以1t氨为基准的各组分的kmol量乘以5.25所得结果为流量. 气体的流量和组成如下表所示:
组成 ％(mol) kmol/h
CO2 28.56 285.1
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§3-6 化工过程的物料衡算 （一）物料衡算的基本方法
1、物料衡算进行的步骤
⑴画出物料衡算示意图(如方框图)
⑵写出化学反应方程式（包括主反应和副反应）
⑶列出已知数据和由物料平衡所需要求解的问题 ⑷决定系统的边界.即根据由物料平衡所需要求解的问题,确定计算范围. ⑸选定计算基准 ⑹收集计算所需要的数据 ⑺进行物料衡算 ⑻将物料衡算结果列成物料平衡表，画出物料平衡图
§3-6 化工过程的物料衡算
第6节 物料衡算
（一）物料衡算的基本方法 （二）无化学反应的物料衡算
（三）反应过程的物料衡算
（四）过程的物料衡算
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§3-6 化工过程的物料衡算
（一）物料衡算的基本方法
1、物料衡算进行的步骤 2、物料衡算式 3、物料衡算的基准