1、1,第五章 物料衡算,5.1 物料衡算的基本原理 5.2 無化學(xué)反應(yīng)過程的物料衡算 5.3 反應(yīng)過程的物料衡算,2,化工工藝設(shè)計的”三算”:物料衡算、能量衡算和設(shè)備(工藝)計算 物料衡算和熱量衡算: 工藝設(shè)計的基礎(chǔ) 物料衡算: 熱量衡算和設(shè)備工藝計算的基礎(chǔ) 通過物料衡算，計算: (1)生產(chǎn)過程的主、副產(chǎn)品的產(chǎn)量 (2)原材料的消耗定額 (3)生產(chǎn)過程的物料損耗 (4)三廢的生成量 (5)各單元設(shè)備的流體流量及其組成,3,通過能量衡算計算:(1)水、電、蒸汽或其它燃料的消耗定額(2)各單元設(shè)備的能量負(fù)荷及其等級,在物料及能量衡算的基礎(chǔ)上，通過設(shè)備工藝計算確定: (1)設(shè)計和選擇反應(yīng)器和其他設(shè)備的

2、類型、尺寸及臺數(shù) (2)所需設(shè)備的投資 對原有裝置作物料衡算和能量衡算可以核查: (1)生產(chǎn)過程中各物料量及有關(guān)數(shù)據(jù)是否正常，有否泄漏 (2)熱量回收、利用水平和熱損失的大小 從而查找出生產(chǎn)上的薄弱環(huán)節(jié)和瓶頸部位，為改善操作和進(jìn)行系統(tǒng)的最優(yōu)化提供依據(jù),4,5.1 物料衡算的基本原理物料衡算:圍繞一個特定范圍進(jìn)行稱此范圍為衡算系統(tǒng),衡算系統(tǒng):一個總廠，一個分廠或車間，一套裝置 一個設(shè)備，甚至一個節(jié)點等 5.1.1 物料衡算的質(zhì)量守恒 理論依據(jù):質(zhì)量守恒定律 按此定律寫出衡算系統(tǒng)的物料衡算通式為 輸入物料的總質(zhì)量= 輸出物料的總質(zhì)量 十 系統(tǒng)內(nèi)積累的物料質(zhì)量,5,5.1.2 間歇操作過程的物料衡算

3、 間歇操作:批量生產(chǎn)，一次投料到設(shè)備內(nèi)進(jìn)行處理， 處理后一次出料，后再進(jìn)行第二批生產(chǎn) 特點: 在過程中濃度等參數(shù)隨時間而變化 分批投料和分批出料也屬于間歇操作 間歇操作過程的物料衡算:以每批生產(chǎn)時間為基準(zhǔn)，輸入物料量為每批投入的所有物料質(zhì)量的總和（包括反應(yīng)物、溶劑、充入的氣體、催化劑等）,6,投入料總量卸出料總量= 殘存在設(shè)備內(nèi)的物料量及 其他機(jī)械損失 設(shè)備的生產(chǎn)能力=每批生產(chǎn)所獲得的目的產(chǎn)物量/ 每批操作循環(huán)耗費的總時間 間歇操作過程:包括投料、設(shè)備加蓋密封、試漏、 氣體置換、加壓、升溫、反應(yīng)、吹凈、 開蓋、卸料和清洗設(shè)備等操作 完成一個循環(huán)的非反應(yīng)時間較多，生產(chǎn)能力低,7,5.1.3 穩(wěn)定

4、流動過程的物料衡算 連續(xù)式操作，設(shè)備或裝置可連續(xù)運(yùn)行很長時間，除了開工和停工階段外，在絕大多數(shù)時間內(nèi)是處于穩(wěn)定狀態(tài)的流動過程，物料不斷地流進(jìn)和流出系統(tǒng)。 特點:系統(tǒng)中各點的參數(shù)(例如T、P、濃度和流量等) 不隨時間而變化，系統(tǒng)中沒有積累 當(dāng)然，設(shè)備內(nèi)不同點或截面的參數(shù)可相同，也可不同 穩(wěn)定流動過程的物料衡算式: 輸入系統(tǒng)的物料總質(zhì)量= 輸出系統(tǒng)的物料總質(zhì)量,8,5.1.4 物料衡算形式(1)總質(zhì)量平衡式:輸入系統(tǒng)的物料總質(zhì)量= 輸出系統(tǒng)的物料總質(zhì)量,(2)組分質(zhì)量平衡式: 輸入系統(tǒng)的i組分質(zhì)量之和 = 輸出系統(tǒng)的i組分質(zhì)量之和 有化學(xué)反應(yīng)的過程不成立 (3)元素原子平衡式: 在反應(yīng)中，原子本身

5、不發(fā)生變化可用元素原子的物質(zhì)的量來做衡算 不涉及化學(xué)反應(yīng)式中的化學(xué)計量關(guān)系 對復(fù)雜反應(yīng)體系的計算很方便 對穩(wěn)定流動過程: 輸入物料中所有原子的物質(zhì)的量（mol）之和 = 輸出物料中所有原子的物質(zhì)的量（ mol ）之和,9,5.1.5 物料衡算基本步驟 做物料衡算時，應(yīng)該按一定步驟來進(jìn)行， 才能給出清晰的計算過程和正確的結(jié)果 通常遵循以下步驟: 第一步 繪出流程的方框圖，以便選定衡算系統(tǒng) 圖形表達(dá)方式宜簡單，但代表的內(nèi)容要準(zhǔn)確，進(jìn)、出物料不能有任何遺漏，否則衡算會造成錯誤 第二步 列出已知數(shù)據(jù) 衡算時須有足夠的原始數(shù)據(jù) 如物性數(shù)據(jù)、工藝數(shù)據(jù)等。要注意數(shù)據(jù)的適用范圍和條件。所有的數(shù)據(jù)單位必須要統(tǒng)一

6、 第三步 列出由物料平衡所求解的問題,10,第四步 確定計算范圍 第五步 寫出主副化學(xué)反應(yīng)方程式。第六步 選定衡算基準(zhǔn),第七步 設(shè)未知數(shù)，列方程式組，聯(lián)立求解 有幾個未知數(shù)則應(yīng)列出幾個獨立的方程式，這些方程式除物料衡算式外，有時尚需其他關(guān)系式，諸如組成關(guān)系約束式、化學(xué)平衡約束式、相平衡約束式、物料量比例等。 第八步 計算和核對 第九步 整理計算結(jié)果 已知數(shù)據(jù)及計算結(jié)果列成物料平衡表，表格可以有不同形式，但要全面反映輸入及輸出的各種物料和包含的組分的絕對量和相對含量,11,5.1.6 衡算基準(zhǔn)及選擇 衡算基準(zhǔn):進(jìn)行物料衡算所選擇的起始物理量包括物料名稱、數(shù)量和單位，衡算結(jié)果得到的其他物料量均是相

7、對該基準(zhǔn)而言 衡算基準(zhǔn)的選擇以計算方便為原則，恰當(dāng)?shù)剡x擇基準(zhǔn)可使計算簡化，同時也可縮小計算誤差 選擇基準(zhǔn)大致有一下幾種: 以時間為基準(zhǔn) 連續(xù)穩(wěn)定過程:可選取以單位時間（1a，1h，1min，1s等）的投料量或產(chǎn)品量為計算基準(zhǔn) 這種基準(zhǔn)可直接聯(lián)系到生產(chǎn)規(guī)模和設(shè)備的生產(chǎn)能力 如年產(chǎn)300kt 乙烯的裝置，年操作時間為8000 h ， 則每一小時的平均產(chǎn)量為37.5 t 一般年生產(chǎn)時間取為330天=7920 h 或取8000 h,12,以質(zhì)量為基準(zhǔn),對液體或固體物料，可選取一定量原料或產(chǎn)品（混合物用1kg或 100kg；單一化合物或已知組成和相對分子質(zhì)量的混合物用1mol或 1kmol等）為基準(zhǔn) 間

8、歇操作，一般可選取一批或一釜原料或產(chǎn)品作為基準(zhǔn) 以體積為基準(zhǔn) 對氣體物料選取體積為基準(zhǔn)， 用標(biāo)準(zhǔn)體積， m3(STP)表示，實際狀況下的體積換算為標(biāo)準(zhǔn)體積 選擇衡算基準(zhǔn)是個技巧問題，基準(zhǔn)選擇恰當(dāng)， 可以使計算大為簡化,13,5.1.7 變量分析,物料衡算過程需要根據(jù)已知變量，建立方程式，求解方程式，解出未知的物流量和組成。 首先，建立物料平衡式和約束式。 （1）方程式和約束式 物料衡算式：i個組分(元素)寫出（i+1）方程式 物流約束式:如歸一化方程， xi=1 相平衡方程式， yi=ki xi 等 設(shè)備約束式:如物料分配器中分配比(精餾回流比)等,14,（2）設(shè)計變量設(shè)計一個裝置要求確定各個

9、物理量數(shù)值，如F, x, y等 這些物理量之間是相互關(guān)聯(lián)，相互制約的 其中一部分是設(shè)計者所能規(guī)定的 設(shè)計變量：指在設(shè)計時，設(shè)計者所指定的獨立變量 設(shè)計中，設(shè)計變量過少，設(shè)計缺條件，設(shè)計無法進(jìn)行 設(shè)計變量過多，變量之間相互矛盾，設(shè)計也無法進(jìn)行 設(shè)計變量數(shù)取決于獨立變量數(shù)N(v)和約束條件數(shù)（獨立方程式的數(shù)目），有時也稱約束關(guān)系式數(shù) Nd = Nv Nc 式中：Nv 描述系統(tǒng)的獨立變量數(shù)； Nc 獨立變量之間約束關(guān)系式數(shù)； Nd 設(shè)計變量數(shù),15,f = c - + 2 單相系： Nv = f = c 1 + 2 = c + 1 兩相系： Nv = f = c 2 + 2 = c 流動物系需要再加

10、流率變量（物流變量） 對于每一單相物流： Nv = f + 1 = c + 1 + 1 = c + 2 如果所討論的物系除物流外尚有與外界的熱與功的交換時則相應(yīng)的增加Q、W 變量,（3）獨立變量數(shù)封閉平衡物系的獨立變量數(shù)。由相律,16,518 主要工藝指標(biāo) 生產(chǎn)能力 指一個設(shè)備、一套裝置或一個工廠在單位時間內(nèi)生產(chǎn)的產(chǎn)品量，或在單位時間內(nèi)處理的原料量 單位:kgh，t/d或kt/a，萬噸a等 （2）生產(chǎn)強(qiáng)度 為設(shè)備單位特征幾何量的生產(chǎn)能力 設(shè)備的單位體積的生產(chǎn)能力，或單位面積的生產(chǎn)能力 單位: kg（hm3），t（dm3）， 或kg（hm2），或t（dm2）等 主要用于比較那些相同反應(yīng)過程或物理

11、加工過程的 設(shè)備或裝置的優(yōu)劣 設(shè)備中進(jìn)行的過程速率高，其生產(chǎn)強(qiáng)度就高,17,(3）有效生產(chǎn)周期開工因子通常在0.9左右，開工因子大意味著停工檢 修帶來的損失小，即設(shè)備先進(jìn)可靠，催化劑壽命長 （4）原子經(jīng)濟(jì)性 是美國 Stanbrd大學(xué)的 BMTrost教授首次提出 因此獲得1998年美國“總統(tǒng)綠色化學(xué)挑戰(zhàn)獎”的學(xué)術(shù)獎 原子經(jīng)濟(jì)性AE定義：,式中: Pj目的產(chǎn)物分子中各類原子數(shù) Fj一 反應(yīng)原料中各類原子數(shù) Mj 一相應(yīng)各類原子的相對質(zhì)量,18,指標(biāo)從本質(zhì)上反映其合成工藝是否最大限度地利用了 資源，避免廢物的產(chǎn)生和由此而帶來的環(huán)境污染 （6）轉(zhuǎn)化率（conversion） 指某一反應(yīng)物參加反應(yīng)而

12、轉(zhuǎn)化的數(shù)量占該反應(yīng)物起始量 的分率或百分率 定義式： 轉(zhuǎn)化率表征原料的轉(zhuǎn)化程度,(5)環(huán)境因子由荷蘭化學(xué)家Sheldon提出環(huán)境因子E的定義為：,100%,19,對同一反應(yīng)，若反應(yīng)物不只一個，則不同反應(yīng)組分 的轉(zhuǎn)化率在數(shù)值上可能不同對反應(yīng),反應(yīng)物A和B的轉(zhuǎn)化率分別: XA ，XB 分別為組分A和組分B的轉(zhuǎn)化率 nA,0，nB,0 分別為組分 A和組分 B的起始量，mol nA，nB 分別為反應(yīng)后組分A和B的剩余量，mol A ，B ， R ，S化學(xué)計量系數(shù) 人們對關(guān)鍵(限制)反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率感興趣， 關(guān)鍵反應(yīng)物:反應(yīng)物中價值最高的組分，使其盡可能轉(zhuǎn)化，常使其他反應(yīng)組分（過量反應(yīng)物）過量,20,不

13、可逆反應(yīng):關(guān)鍵組分轉(zhuǎn)化率最大為100可逆反應(yīng):關(guān)鍵組分轉(zhuǎn)化率最大為其平衡轉(zhuǎn)化率 xWA0.02; 提出產(chǎn)品的回收率: 塔頂A產(chǎn)品回收率為98%等 (塔頂A產(chǎn)品回收率= DXDA / FXFA 100%) 塔頂 ：LNK, LK, HK ; 塔釜：LK, HK, HNK 非清晰分割：塔頂流出物中還含有重組分（HNK）,釜液 中還含有輕組分（LNK）,36,（2）多組分精餾的物料衡算的變量分析已知條件： F , xFi , xwL , xDL c+2總獨立變量數(shù)目：xFi（c-1）,xwi (c-1), xDi (c-1), F ,D, W 3c 未知變量數(shù)： 3c-(c+2)=2c-2 物平式：

14、 c 未知變量數(shù)-物平式= 2c-2c = c-2 說明方程式數(shù)目比未知變量數(shù)少c-2個，不可解 （3）清晰分割的物料衡算 塔頂：xD1, xD2, , xDL, xDH, 0, 0, ,0 c個 塔釜：0， 0，, xwL, XwH, , xwN-1,xwN c個 c-2為零。也就消去了c-2個未知數(shù) 方程組可解,37,(4)非清晰分割的物料衡算 Henstebook(亨斯特伯克)法，1964年提出 假設(shè)：在任意回流比下的塔頂、塔釜組分分配與 全回流時相同 非關(guān)鍵組分與分配與關(guān)鍵組分相同 計算步驟： 按清晰分割求xDi , xwi 求T頂, T釜, T進(jìn)（泡、露點） 求（LH）頂，（LH ）

15、釜，（LH ）進(jìn) ,（ LH ）均 用輕、重關(guān)鍵組分的數(shù)據(jù)(Fenske公式)求Nm Nm=lg(xLK/xHK)D/( xLK/xHK)W/lg(LH)均,38,由假設(shè)上式適用于任意組分i與HK之間，即,39,40,5.3 反應(yīng)過程的物料衡算 制藥工業(yè)包括原料藥工業(yè)和制劑工業(yè),其中制劑工業(yè)的生產(chǎn)過程通常為物理過程,其物料衡算比較簡單。 原料藥的生產(chǎn)途徑很多, 如化學(xué)合成、生物發(fā)酵、中草藥提取等。 本節(jié)主要討論化學(xué)過程的物料衡算。 5.3.1 利用反應(yīng)計量方程式作物料衡算 例5-1 甲苯用濃硫酸磺化制備對甲苯磺酸。已知甲苯的投料量為1000kg，反應(yīng)產(chǎn)物中含對甲苯磺酸1460kg，未反應(yīng)的甲苯

16、20kg。試分別計算甲苯的轉(zhuǎn)化率、對甲苯磺酸的收率和選擇性。,41,解：化學(xué)反應(yīng)方程式為 相對分子質(zhì)量 92 98 172 18 則甲苯的轉(zhuǎn)化率為 對甲苯磺酸的收率為 對甲苯磺酸的選擇性為,(1755),(1720),42,例5-2 在催化劑作用下，乙醇脫氫可制備乙醛，其反應(yīng)方程式為 已知原料為無水乙醇(純度以100%計)，流量為1000 kgh-1，其轉(zhuǎn)化率為95%，乙醛選擇性為80%， 試對該過程進(jìn)行物料衡算。,同時存在副反應(yīng),解：以反應(yīng)器為衡算范圍，繪出物料衡算示意圖。,乙醇：1000kg 純度100%,乙醇催化 脫氫制 乙醛反應(yīng)器,產(chǎn)物,43,有1股進(jìn)料和1股出料，且已知進(jìn)料乙醇的數(shù)量

17、和組成 物算的目的 確定出料組成。 連續(xù)操作以單位時間，即1h的進(jìn)料量為基準(zhǔn)方便。 主反應(yīng)方程式為:,相對分子質(zhì)量 46 44 2,副反應(yīng)方程式為:,246=92 88 22=4,相對分子質(zhì)量,44,出料：乙醇流量為 乙醛流量為 乙酸乙酯流量為 氫氣流量為 或,kgh-1,kgh-1,kgh-1,kgh-1,kgh-1,45,乙醇催化脫氫過程物料平衡表,46,5.3.2 利用聯(lián)系物作物料衡算,生產(chǎn)過程中常有不參加反應(yīng)的物質(zhì),習(xí)慣上叫惰性物質(zhì) 惰性物質(zhì)的數(shù)量在反應(yīng)器的進(jìn)口和出口物料中不發(fā)生變化,可利用它在進(jìn)口和出口的數(shù)量(質(zhì)量或摩爾數(shù))不變的關(guān)系列物料衡算方程 惰性物質(zhì)=聯(lián)系物 采用惰性物質(zhì)為聯(lián)

18、系物作物料衡算是常使用的一種方法 注意:當(dāng)惰性物質(zhì)數(shù)量很小時,且此組分分析的相對誤差又很大時,則不宜選用惰性物質(zhì)為聯(lián)系物,47,例5-3 用甲烷和氫氣的混合氣完全燃燒來加熱鍋爐。反應(yīng)方程式如下: CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O H2 + O2 H2O 煙道氣的組成如下: 組分 N2 CO2 O2 H2O 合計 %(mol) 72.19 8.12 2.44 17.25 100 計算: 燃料中甲烷和氫氣的摩爾比; 空氣與(CH4+ H2)的摩爾比。,48,解: 100 mol煙道氣為計算基準(zhǔn);已知其組成 進(jìn)入燃燒室的空氣含O2量可用N2作聯(lián)系物求出: 72.19(21/79)=19.19

19、 mol 煙道氣中所含8.12 mol CO2是由CH4燃燒產(chǎn)生, 從式(1)可知，甲烷消耗8.12 mol 和甲烷燃燒O2量為8.122=16.24 mol H2燃燒所消耗的O2量為 19.19 - 16.24 - 2.44 = 0.51 mol 燃料中H2量計算: 20.51=1.02 mol 把計算結(jié)果列表如下(100 mol煙道氣為計算基準(zhǔn)): 燃料中CH4/H2(mol)= 8.12/1.02=7.96 空氣/(CH4+ H2)=91.38/9.14=9.94,49,50,5.3.3 利用元素的原子平衡法作物料衡算 在反應(yīng)中，原子本身不發(fā)生變化 可用元素的原子物質(zhì)的量來做衡算 不涉及

20、化學(xué)反應(yīng)式中的化學(xué)計量關(guān)系 對復(fù)雜反應(yīng)體系的計算很方便 例5-4 丙烷充分燃燒時要使空氣過量25%,燃燒反應(yīng)式: C3o + 5O2 CO2 + H2O 求每100mol燃燒產(chǎn)物(煙道氣)需要加入多少C3o和空氣? 解: 以100mol煙道氣為計算基準(zhǔn) 用N-煙道氣中N2的物質(zhì)的量,mol;P-煙道氣中CO2的物質(zhì)的量,mol; Q-煙道氣中H2O的物質(zhì)的量,mol;M-煙道氣中O2的物質(zhì)的量,mol; A入口空氣中的物質(zhì)的量,mol;B-入口C3o的物質(zhì)的量,mol.,51,作碳原子平衡得: B(C3o)=P(CO2)/3 作氫原子平衡得: B(C3o)=Q(H2O)/4 作氧原子平衡得: 0.21A(空氣中物質(zhì)的量)=