(完整)物料衡算
物料衡算
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。
若体系内有化学反应，则衡算式中各项用摩尔／时为单位时，，必须考虑反应式中的化学计量系数。
出为反应前后物料中的分子数不守恒。
第二节物料衡算的基本方法进行物料衡算时，为了能顺利地解题，避免错误，必须掌握解题技巧，按正确的解题方法和步骤进行。
尤其是对复杂的物料衡算题，更应如此，这样才能获得准确的计算结果。
4－3 画物料流程简图方法求解物料衡算问题，首先应该根据给定的条件画出流程简图。
图中用简单的方框表示过程中的设备，用线条和箭头表示每个流股的途径和流向。
并标出每个流股的已知变量（如流量、组成)及单位。
对一些未知的变量，可用符号表示。
4—4 计算基准及其选择进行物料、能虽衡算时，必须选择一个计算基准。
从原则上说选择任何一种计算基准，都能得到正确的解答。
但是，计算基准选择得恰当，可以使计算简化，避免错误。
对于不同化工过程，采用什么基准适宜，需视具体情况而定，不能什硬性规定。
根据不同过程的特点，选样计算基准时，应该注意以下几点：1. 应选择已知变量数最多的流股作为计算基准。
2.对液体或固体的体系，常选取单位质量作基准。
第三章-物料衡算
第三章物料衡算3.1 概述1.概念：根据质量守恒定律,以生产过程或生产单元设备为研究对象,对其进出口处进行定量计算,称为物料衡算。
2.意义：通过物料衡算可以计算原料与产品间的定量转变关系，并计算各种原料的消耗量，各种中间产品、副产品的产量、损耗量及组成。
物料衡算是所有工艺计算的基础，通过物料衡算可确定设备容积、台数、主要尺寸，同时可进行热量衡算、管路尺寸计算等。
3.2 物料衡算的基础物料衡算的基础是物质的守恒定律，即进入一个系统的全部物料量必等于离开系统的全部物料量，再加上过程中的损失量和在系统中的积累量。
亦即：∑m1＝∑m2＋∑m3＋∑m4式中∑m1—输入物料量总和，kg；∑m2—输出物料总量和，kg；∑m3—物料损失量总和，kg；∑m4—物料积累量总和，kg；当系统内物料积累量为零时，上式可写成：∑m1＝∑m2＋∑m33.3 物料衡算的基准1. 间歇式操作过程：常采用一批原料为基准进行计算2. 连续式操作过程：可采用单位时间产品数量或原料量为基准进行计算。
3. 本设计的生产方式为间歇式生产。
4. 包装形式：纸板桶，25kg/桶。
3.4 物料衡算的过程3.4.1 生产规程本次设计内容为化学原料药多功能生产车间工程项目，该车间拟生产阿齐沙坦〔产品年产量为25t/a〕。
该工厂每年根据节假日、设备维护与工艺验证时间，全年生产时间为250天。
生产组织根据车间工艺要求可采用以下倒班方式：倒班方式一：3 班制／天，每天生产时间24 h〔0:00-24:00〕，每周工作5 天；倒班方式二：2 班制／天，每天工作16 h〔7:00-23:00〕，每周工作7 天;注：倒班方式任选其中1 种或2 种组合；结晶釜日常连续运行不纳入倒班时间。
3.4.2 原辅料衡算过程1. 阿齐沙坦原辅料衡算过程每批产生硫辛酸4 桶，包装规格25kg ／桶，一批的产量为：4×25=100kg生产一批阿齐沙坦需要AZ-5量为：100÷÷÷÷÷÷÷×0.99=270.29kg杂质含量：273.02－270.29=2.73kg (1) 环合工序物料衡算投料量：×0.5=136.51kg×0.80=218.42kg×0.2=54.60kg×0.20=54.60kgAZ-6(2) 加成工序物料衡算投料量：×0.91=248.4 5kg÷0.8=310.56kg×0.2=62.11kg环合工序物料衡算结果(2) 加成工序物料衡算投料量：×0.91=248.4 5kg×1.02=253.42kg盐酸羟胺×1.20=298.14kg×4.80=1192.56kg×3.66=909.33kg乙醇：248.4 5×加成工序物料衡算结果(3) 缩合工序物料衡算投料量：××0.2=37.28kg×0.28= 52.17kg×4.12=767.71kg×缩合工序物料衡算结果(4) 环合工序物料衡算投料量：××3.20=488.95kg×÷×环合工序物料衡算结果(5) 水解工序物料衡算投料量：××6.6=816.87kg×0.25=30.94kg×0.15=18.57kg水解工序物料衡算结果(6) 精制工序物料衡算①投料量：××4.00=435.66kg×0.10=10.89kg(7) 粉碎包装按要求粉碎、总混、内包、外包、入库。
物料衡算
4．选择物料计算基准
•计算基准即作物料衡算时先确定的某一股物料的量。
•在物料、能量衡算中，计算基准的选取至关重要，从 原则上说选择任何一种计算基准，都能得到正确的解 答。
•在一般化工计算中，根据过程的特点选择计算基准大 致可以从以下几个方面考虑：
（1）时间基准：以一段时间的投料量或产量作基准
（2）质量基准：当系统为液、固相时，选择一年的质 量原料或产品作为计算准则
第一节 概述 第二节 物理过程的物料衡算 第三节 化学过程的物料衡算 第四节 连续过程的物料衡算 第五节 物料流程图
学习目标和重点
重点：
✓ 物料衡算的作用、任务 ✓ 物料衡算一般工程式及基本概念，物料衡算方法及步骤 ✓ 物理过程的物料衡算（吸收过程的物料衡算，整流过程的物料
衡算，干燥过程的物料衡算，萃取过程的物料衡算） ✓ 化学反应过程的物料衡算（简单的反应器，复杂的反应器） ✓ 连续的物料衡算（串联，并联和旁路，循环）
根据不同过程的特点，选择计算基准时，应 该算基准。
对液体或固体的体系，常选取单位质量作基准。
对连续流动体系，用单位时间作计算基准有时较 方便。
对于气体物料，如果环境条件（如温度、压力） 已定，则可选取体积作基准。
对于间歇体系，可选择加入设备的批量作基准。
系统）
2、非稳定操作状态 非稳定操作时，积累的物料量不为零 （1）有化学反应 输入的物料量－输出的物料量－反应消耗的物料量
+反应生成的物料量=积累的物料量 即为通式。 （2）无化学反应
输入的物料量－输出的物料量=积累的物料量
四、物料衡算的基本方法和步骤
进行物料衡算时，必须首先确定衡算的体系。 所谓体系就是物料衡算的范围，它可以是一个设备或 几个设备，也可以是一个单元操作或整个化工过程， 可以根据实际需要人为地选定，体系的确定以能简化 解题为原则。
物料衡算
制药工业包括原料药工业和 制剂工业,其中 制药工业包括 原料药工业和制剂工业 其中 原料药工业 制剂工业的生产过程通常为物理过程,其物料 制剂工业的生产过程通常为物理过程 其 衡算比较简单。原料药的生产途径很多 如化 衡算比较简单。原料药的生产途径很多,如化 学合成、生物发酵、中草药提取等。 学合成、生物发酵、中草药提取等。 本章主要讨论化学过程的物料衡算。 本章主要讨论化学过程的物料衡算。
物料衡算方程
物料衡算的理论基础是质量守恒定律 ， 物料衡算的理论基础是 质量守恒定律， 运用该定 质量守恒定律 物料平衡方程式。 律可以得出各种过程的物料平衡方程式 律可以得出各种过程的物料平衡方程式。 1.物理过程 物理过程 根据质量守恒定律， 根据质量守恒定律，
∑ GI = ∑ GO + GA
在实际应用中， 根据需要， 在实际应用中 ， 根据需要 ， 也可对已经投 产的一台设备、一套装置、 产的一台设备、一套装置、一个车间或整个工 厂进行物料衡算，以寻找生产中的薄弱环节， 厂进行物料衡算，以寻找生产中的薄弱环节， 为改进生产、完善管理提供可靠的依据， 为改进生产、完善管理提供可靠的依据，并可 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。 原料利用率和三废处理完善程度的一种手段。
(3) Criterion——Unit Volume
若所处理的物料为气相 ， 则可以单位体积的 若所处理的物料为 气相， 则可以 单位体积的 气相 为基准进行物料衡算。 原料或产品为基准进行物料衡算 原料或产品 为基准进行物料衡算 。 由于气体的 体积随温度和压力而变化， 因此， 体积随温度和压力而变化 ， 因此 ， 应将操作状 态下的气体体积全部换算成标准状态下的体积, 态下的气体体积全部换算成标准状态下的体积 标况下)的原料或产品 即以1m3(标况下 的原料或产品 为基准进行物料 标况下 的原料或产品为基准进行物料 衡算。 衡算 。 这样既能消除温度和压力变化所带来的 影响，又能方便地将气体体积换算成摩尔数。 影响，又能方便地将气体体积换算成摩尔数。
化工原理课件(十一五)课件第六章第四节物料衡算和操作线方程
（5）过热蒸气进料
q Cm' p (Ts tF ) < 0 rm
总物料衡算
液相分率 q L' L
F
V ’ ＝L’－W
L’=V’+W ①
L' L
q
②
F
L，=L+qF
V'=V+(q－1)F
提馏段物料衡算
q的引入，使提馏段上升蒸汽及下降液体流量的计算容易了。
联想恒摩尔流假设中V与V’，L与L’不 一定相等，那么什么情况下相等？
IL≈IL'
代入②式并 与①联立
V,IV
L,IL
V’, IV’ L’, IL’
（V－V'） IV =F IF－(L'－L) IL
IV I F L' L
IV IL
F
=q
q L' L F
液相分率
热状况
q
IV IV
IF IL
将1kmol原料变成饱和蒸汽所需热量 1kmol原料的汽化潜热
参数
三、q 线方程（进料方程）
Vy=Lx+DxD ① V'y=L'x－WxW ②
进料板连接着精馏段与提 馏段，因此组成相同，下 标省略！
① － ②：
1.0
（V'－V）y=(L'－L)x－(DxD+WxW)
q=1 q>1
a
0<q<1
（q－1)F y=q F x－F xF
y q x xF q 1 q 1 ——q线方程
W V'
xW
y
1.0
因为 L’=V’+W
而L’、 V’受进料温度状 况的影响，所以在学习 下面内容之前，无法分
物料衡算例
3.2 物料衡算3.2.1 全年生产安排本设计年产1000t红芸豆饮料厂，生产芸豆浓浆和芸豆乳饮料两种新型营养复合蛋白饮料，两种蛋白饮料年产均为500t，年生产日为300天，每天一班，日工作8h，理论设计每种产品每班产量500÷300≈1.667t。
考虑到在生产过程中可能会出现的罐装、密封、包装不好等现象导致产品的不必要损失。
成品率为99.7%所以每种产品每班产量设计为1.67t，每班生产3.34t。
由于两种产品只是调配时配方不同，其他工艺相同，所以每种产品每天生产4h，两种产品用一条生产线。
平均每小时生产计算在本设计中每班生产8h，则有：每小时产量＝班产量（t）÷有效生产时间（h）＝3.34（t/班）÷8（h）＝0.4175（t/h）本设计预计成品年产量为：3.34×300＝1002t。
红芸豆饮料每盒250g，每天生产3340000÷250＝13360盒则每小时生产13360÷8＝1670盒3.2.2 原辅料物料衡算3.2.2.1 物料衡算全年生产300班，每种产品成品班产量为1.67t，成品总班产量3.34t。
红芸豆浸泡时豆水比例1：3，浸泡后增重2倍。
（1）芸豆浓浆生产的物料衡算成品班产量按1.67t设计计算。
250g/盒，20盒/箱。
每班生产6680盒，334箱。
原料精选清洗浸泡脱皮291.47kg 276.90kg 清洗损失0.5% 275.52kg551.04kg精选损失5% 损失1.38kg 含水275.52kg损失14.57kg蒸煮糊化磨浆过滤调配损失4% 加红芸豆529.00kg 1587.00kg 损失3%添加辅料损失22.04kg 含水264.50kg 损失47.6kg（见表）再加水1058.00kg1539.40kg红芸豆浆占总量91.8% 杀菌脱臭均质灌装1676.9kg 灌装损失0.2%损失3.4kg 检验装箱 1.67t成品入库6694盒250g/盒检验损失0.2% 20盒/箱损失14盒6680盒，334箱图3-1 芸豆浓浆物料衡算（2）芸豆乳饮料生产的物料衡算成品班产量按1.67t设计计算。
4 物料衡算
七、计算数据说明
1、转化率 2、收率 3、选择性 4、回流比 5、单耗
6、流量或者流速 7、分配系数 8、摩尔分数或者质量分数 9、含水量 10、湿度
例 甲苯用浓硫酸磺化制备对甲苯磺酸。已知甲苯的投料
量为1000kg，反应产物中含对甲苯磺酸1460kg，未反应的
甲苯20kg。试分别计算甲苯的转化率、对甲苯磺酸的收率 和选择性。
G
HNO 3
= 0.461000
对H2SO4进行物料衡算得
0.925
0.02
G
G H 2 SO 4
+ 0.69 G 废 = 0.461000
G H 2 SO 4 +0.31 G 废 =
对H2O进行物料衡算得
HNO 3
+0.075
0.081000
混酸配制过程的物料平衡表
物料 名称 输 硝酸 硫酸 入 废酸 总计 131.1 工业品 量/kg 469.4 399.5 质量组 成/% HNO3：98 H2O：2 输
∑G1 ∑GA ∑G0
稳态过程： ∑G1= ∑G0
2、化学过程 元素的物料衡算：∑Gi= ∑Go+∑GA。 组分的物料衡算：平衡方程式可表示为 ∑GIi+ ∑GPi = ∑GOi+ ∑GRi + ∑GAi ∑GIi—输入体系的i组分的量； ∑Goi—输出体系的i组分的量； ∑GPi—体系中因化学反应而产生的i组分的量； ∑GRi—因化学反应而消耗的i组分的量； ∑GAi—组分的累积量
四、衡算基准：
在进行物料衡算或热量衡算时，都必须选择相应的衡算
基准作为计算的基础。根据过程特点合理地选择衡算基
准，不仅可以简化计算过程，而且可以缩小计算误差。 1. 单位时间 2. 单位质量 3. 单位体积
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。
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3 物料衡算3．1 废水流量衡算3.1.1处理流程及物料平衡如下图所示：5 69污水线泥线回流水线3.1.2设计参数及说明：进水流量为100％；旋流沉砂池带走的水量百分比为0。
4％;A/O 池带走的水量百分比为0.4％；沉淀池带走的水量百分比为0。
4%;浓缩池回流水率为80％；脱水机房回流水率为90%;其余格栅等配水设备设计为无水流量损失，进出水量相等;以假设最初回流量=0进行叠加反复试算；3。
1.3废水流量物料平衡计算如表3—1所列。
表3—1 污水流量物料平衡计算水流量计算式：30000m 3/d×指数/100(m 3/d)5 69污水线泥线回流水线3。
2.2设计参数及说明：进水SS 视为100％ ；以假设最初回流量=0进行叠加反复试算；其余设备如预处理设施等SS 去除率此计算中忽略不计； 参数如下：3.3.3 SS 物料平衡计算如表3-2所列.表3—2固体SS 衡算结果记号 计算式 计算值 最终值（kg/d ）1 2 3 4 5 6 7C 1 100 100。
00 100.00 100。
00 100.00 100.00 100。
00 100.00 6600C 2 0。
95C 1 95。
00 95.00 95。
00 95。
00 95。
00 95.00 95。
00 6270 C 3C 2+C 1595.00 116。
88 121.92 123.13 123.36 123.41 123。
42 8145.72C 4 C 3-C 9 38。
00 46。
75 48。
7649。
25 49.34 49.36 49。
36 3258.28C 5 C 4-C 8 19。
00 23.37 24。
38 24.62 24.67 24.68 24。
68 1629。
14 C 6 C 5—C 7 1。
90 2。
33 2。
43 2。
45 2.46 2。
46 2。
46 162.91 C 7 0.9C 17。
10 21.07 21。
94 22。
16 22。
20 22.21 22.21 1466.22C 8 0。
5C 19.00 23。
37 24.38 24.62 24。
67 24.68 24.68 1629。
14 C 9 0。
6C 3 57.00 70。
12 73。
15 73.87 74.01 74.04 74。
05 4887.43C 10 C 6+C 7+C 8 93.10 114。
52 119.47 120。
65 120。
88 120。
93 120。
94 7982。
79C 11 0.85C 10 79。
13 97。
34 101.54 102.55 102。
74 102。
79 102.80 6785。
37C 12 0.90C 11 71。
22 87.6091。
34 92.29 92.47 92。
51 92.52 6106。
83C 13 C 10—C 11 13。
97 17.1817.93 18。
10 18。
14 18。
14 18。
14 1197。
41C 14 C 11—C 12 7.91 9。
74 10.20 10.26 10.27 10。
28 10。
28 678。
53 C 15 C 13+C 31 21.8826。
92 28.1328.36 28.42 28.42 28。
421875。
94注：固体物计算式)/(10100220300003d kg -⨯⨯⨯指数根据以上计算出水量d m Q /689.299235= 则出水SS 达标.3。
3 BOD 5 衡算3。
3。
1各构筑物对BOD5 去除率分析如下图所示设计说明:（1)设计只对水线上各构筑物进出口出BOD 5 进行衡算（用符号B 标记）; （2）各构筑物对BOD 5 的去除率通过查阅相关资料了解,见表3—3。
表3—3 各构筑物对BOD 5 的去除率构筑物 A 池 O 池 沉淀池 去除率40％ 70% 50%3.3.2 BOD5 衡算根据查得的各构筑物对BOD 5 的去除率，可以计算各构筑物进出水中BOD 5 浓度： 已知原生活污水的浓度为B 1 =180 mg/LL mg L mg Q C SS /60/77.54736.297401014.1629355<=⨯==Lmg L mg B B Lmg B B L mg B B /20/2.16%)501(/4.32%)701(/108%)401(342312<=-⨯==-⨯==-⨯=故通过该工艺处理后，出水BOD 5达标.3.4 COD 衡算3.4.1各构筑物对COD 去除率分析设计说明：（1）设计只对水线上各构筑物进出口出COD 进行衡算（用符号C 标记）； (2)各构筑物对COD 的去除率通过查阅相关资料了解,见表3-4。
表3-4 各构筑物对COD 的去除率构筑物A 池 O 池 沉淀池 去除率％40%50％50％3.4。
2 COD 衡算根据查得的各构筑物对COD 的去除率，可以计算各构筑物进出水中COD 浓度: 已知原生活污水的浓度为：Lmg L mg C C Lmg C C L mg C C Lmg C /60/51%)501(/102%)501(/204%)401(/3403423121<=-⨯==-⨯==-⨯==故通过该工艺处理后，出水COD 能达标3.5氨氮衡算设计说明：（1)设计只对水线上各构筑物进出口出氨氮进行衡算（用符号C 标记）； （2）各构筑物对氨氮的去除率通过查阅相关资料了解,见表3—5。
表3—5 构筑物对氨氮的去除率构筑物 预处理 A 池 O 池 沉淀池 去除率%—60%40％20％3。
5.2 氨氮衡算根据查得的各构筑物对氨氮的去除率，可以计算各构筑物进出水中氨氮浓度； 已知原生活污水的浓度为:Lmg L mg C C L mg C C L mg C C Lmg C /8/8.5%)201(/2.7%)401(/12%)601(/303423121<=-⨯==-⨯==-⨯==故通过该工艺处理后，出水氨氮能达标3.6 TN 衡算设计说明：（1）设计只对水线上各构筑物进出口出TN 进行衡算（用符号C 标记）； （2）各构筑物对TN 的去除率通过查阅相关资料了解,见表3-6.表3-6 构筑物对氨氮的去除率构筑物 预处理 A/O 池 沉淀池 去除率％-75%-3.6。
2 氨氮衡算根据查得的各构筑物对TN 的去除率，可以计算各构筑物进出水中TN 浓度； 已知原生活污水的浓度为：Lmg L mg C C Lmg C /20/10%)751(/40121<=-⨯==故通过该工艺处理后，出水TN 能达标3。
7 TP 衡算3设计说明：（1)设计只对水线上各构筑物进出口出TP 进行衡算（用符号C 标记); （2）各构筑物对TP 的去除率通过查阅相关资料了解，见表3-7。
表3—7 构筑物对TP 的去除率构筑物 预处理 A/O 池 沉淀池 去除率％—90％—3。
7.2 TP 衡算根据查得的各构筑物对TP 的去除率,可以计算各构筑物进出水中TP 浓度； 已知原生活污水的浓度为：Lmg L mg C C Lmg C /1/5.0%)901(/5121<=-⨯==故通过该工艺处理后,出水TP 能达标3。
8小结物料衡算是项目设计的必须工程，以确保工程能稳定运行。
由于来自污泥浓缩池和污泥脱水部分的回流水的水量、水质未知，在计算物料衡算时，先假设上清夜回流水为0t/d ，进行第一次试算，最终达到平衡。
从表3-5得知,经A/O 工艺处理后的出水水质能够达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）标准中的一级B 类标准。
表3—5《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002)标准中的一级B 类标准表[4］（单位mg/L)序号 控制污染物 排放浓度限值污染物排放监控位置 1 色度（稀释倍数) 30 常规污水处理设施排放口 2化学需氧量(COD Cr ）（mg/L)60常规污水处理设施排放口3生化需氧量（BOD5）（mg/L）20常规污水处理设施排放口4悬浮物（mg/L）20常规污水处理设施排放口5总氮（mg/L）40常规污水处理设施排放口6氨氮（mg/L）8常规污水处理设施排放口7总磷(mg/L）1常规污水处理设施排放口8粪大肠菌群数（个/L）10000常规污水处理设施排放口9总汞(mg/L)0。
001常规污水处理设施排放口10总镉(mg/L）0。
01常规污水处理设施排放口11总铬（mg/L）0。
1常规污水处理设施排放口12六价铬(mg/L）0.05常规污水处理设施排放口13总砷（mg/L）0。
1常规污水处理设施排放口14总铅（mg/L)0。
1常规污水处理设施排放口。