化工计算物料衡算
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连续操作
连续性进料，连续性出料，浓度不随时间的变化而 变化，只随空间位置的变化而变化
2. 化工过程的分类（二）
稳态操作
操作条件不随时间的变化而变化，只随位置的 变化而变化（正常的连续操作过程）
不稳态操作
操作条件随时间的变化而不断变化 开车、停车、间歇操作，半连续操作
二、物料衡算的基本方程
一、化工计算的分类
设计型计算(事前设计化工厂)
校核型计算(对工厂现有的生产装置进行计 算，进而对生产情况进行分析、整改)
1. 化工过程的分类（一）
间歇操作
一次性投料、出料，浓度随时间的变化而变化
半连续操作
一次性投料，连续出料 连续性进料，一次性出料 一组分一次性投料，其他连续进料，一次性出料
输入惰性组分的量=输出惰性组分的量
无反应过程的基本公式
稳态无反应过程 Fi=Fo
例题
有一个蒸馏塔，输入输出物料组成见下图， 塔顶A组分的回收率为98.7%，请对此塔作 物料衡算。
冷凝器
P kg/h Ax
蒸
F=100kg/h
馏
A 0.2
塔
By C 1-x-y
B 0.3 C 0.5
W kg/h A 0.005
顺酐
209.57×0.00066=0.1383kmol/h=13.55kg/h
收率(mol)
苯酐
1.370 100% 69.15% 210 / 106
顺酐
0.1383 100% 6.981% 210 / 106
苯酐的选择性
1.370 210 6.664
100%
71.4%
106
有反应平衡过程的物料衡算
流程图
CH4 1mol H2O 2.5mol
反应过程
H2O W mol CH4 M mol CO x mol CO2 y mol H2 z mol
物料平衡方程
元素衡算
H: 2+2.5=W+2M+z
C:
1=M+x+y
O: 2.5=W+x+2y
反应平衡方程
Kp1
pCO
p3 H2
p p CH 4 H2O
写化学反应方程式
+3O2
2
+9O2
4
O
O +3H2O
O O
O + 6H2O
O
选基准
邻二甲苯 210kg/h
邻二甲苯 分子量
106
苯酐 148
顺酐 98
物料衡算
输入氧气量
4620 0.21 43.31kmol/ h 22.4
210kg/h邻二甲苯完全氧化所需的氧气
苯酐 顺酐
210 3 5.943kmol/ h 106 210 9 8.915kmol/ h 106 2
63.29
K p2
p p CO2 H2 pCO pH2O
1.202
各组分的分压
M
pCH 4
yCH 4
•P
W
M
x
y
z
P
W
pH 2O
y H 2O
•
P
W
M
x
y
z
P
pCO
y CO
•P
W
M
x x
y
z
P
pCO2
y CO2
•P
W
M
y x
y
z
P
z
pH2
y H2
•P
W
M
x
y
z
P
整理得到
(W 2M 0.5)(4.5 2M W )3 P2
反应不彻底(直接求解)
例题
用邻二甲苯氧化法生产邻苯二甲酸酐(苯酐)， 输入输出物料组成见下图，计算邻二甲苯的 转化率、产品的收率及选择性。
邻二甲苯 210kg/h
反应过程
空气4620 Hm3/h 氧气 0.21(mol/mol) 氮气 0.79(mol/mol）
P 苯酐 0.654%（mol） 顺酐 0.066% 氧气 16.53% 氮气 77.5%
基本依据
质量守恒定律（不Βιβλιοθήκη Baidu括核反应）
基本方程
进入的Fi+生成的Dp=流出的Fo+反应的Dr+积累的W
适用范围
所有流程都适用 总物料适用 某一组分适用
具体过程的物料衡算
稳态过程 W=0 无反应过程 Dp=Dr=0 稳态无反应过程
Fi=Fo 稳态有反应过程
Fi+Dp=Fo+Dr
物料衡算方程为非线性方程（迭代求解）
例题
甲烷与水蒸气用镍催化剂进行转化反应生产 氢气。转化过程的主要反应为甲烷转化反应 和一氧化碳变换反应，即：
1. CH4+H2O CO+3H2 2. CO+H2O CO2+H2
已知水蒸汽与甲烷之比为2.5，温度为 760℃，压力为5大气压。假定上述反应达 到平衡．求产物的平衡组成。
输入氮气的量
4620 0.79 162.94kmol/ h 22.4
反应产物的总量
P 162.94 209.57kmol/ h 0.7775
产物中
邻二甲苯
209.57×0.0003=0.06287kmol/h=6.664kg/h
苯酐
209.57×0.0654=1.370kmol/h=202.76kg/h
三、基本计算过程
1. 画简图 2. 标参数 3. 定基准和范围（体系） 4. 写化学反应方程式 5. 列衡算式 6. 列图表
四、无反应过程的物料衡算
单个单元的物料衡算
n个组分，可以列n+1个方程但最多只能求解n 个未知数
M个单元的物料衡算
n个组分，最多只有m*n个独立方程 选择恰当的衡算体系可以简化计算过程
B 0.055
C 0.94
物料衡算方程
A F*0.2=P*x+W*0.05
B F*0.3=P*y+W*0.055
C F*0.5=P*(1-x-y)+W*0.94
另外的已知条件 P*x=F*0.2*98.7%
完全反应过程的物料衡算
稳态有反应过程 Fi+Dp=Fo+Dr
非完全反应(x≠100%)
MW(5.5 2M )2
63.29
(1.5 M W )(4.5 2M W ) 1.202 W (W 2M 0.5)
循环过程的物料衡算
单程转化率 总转化率 惰性组分的积累及驰放器
输入惰性组分的量=输出惰性组分的量
例题
丙烷在催化反应器中脱氢生成丙烯，其反应式 为：
C3H8
C3H6+H2
五、化学反应过程的计算
限制反应物 过量反应物 过量百分数 转化率x 选择性S 收率Y
Y=Sx
1. 分类
完全反应(x=100%)
Y=S(直接求解)
非完全反应(x≠100%)
反应不彻底(直接求解) 有反应平衡(迭代求解)
2. 循环过程的物料衡算
单程转化率 总转化率 惰性组分的积累及驰放器
丙烷的总转化率为95％。反应生成物经分离器
分成产物P和循环物料R。产物中含有C3H8 、 C3H6及H2，其中C3H8的量为未反应C3H8的 0.555％。循环物料中含有C3H8和C3H6 ，其 中C3H6量是产物中C3H6量的5％。试计算产品 组成、循环物料组成和单程转化率。
连续性进料，连续性出料，浓度不随时间的变化而 变化，只随空间位置的变化而变化
2. 化工过程的分类（二）
稳态操作
操作条件不随时间的变化而变化，只随位置的 变化而变化（正常的连续操作过程）
不稳态操作
操作条件随时间的变化而不断变化 开车、停车、间歇操作，半连续操作
二、物料衡算的基本方程
一、化工计算的分类
设计型计算(事前设计化工厂)
校核型计算(对工厂现有的生产装置进行计 算，进而对生产情况进行分析、整改)
1. 化工过程的分类（一）
间歇操作
一次性投料、出料，浓度随时间的变化而变化
半连续操作
一次性投料，连续出料 连续性进料，一次性出料 一组分一次性投料，其他连续进料，一次性出料
输入惰性组分的量=输出惰性组分的量
无反应过程的基本公式
稳态无反应过程 Fi=Fo
例题
有一个蒸馏塔，输入输出物料组成见下图， 塔顶A组分的回收率为98.7%，请对此塔作 物料衡算。
冷凝器
P kg/h Ax
蒸
F=100kg/h
馏
A 0.2
塔
By C 1-x-y
B 0.3 C 0.5
W kg/h A 0.005
顺酐
209.57×0.00066=0.1383kmol/h=13.55kg/h
收率(mol)
苯酐
1.370 100% 69.15% 210 / 106
顺酐
0.1383 100% 6.981% 210 / 106
苯酐的选择性
1.370 210 6.664
100%
71.4%
106
有反应平衡过程的物料衡算
流程图
CH4 1mol H2O 2.5mol
反应过程
H2O W mol CH4 M mol CO x mol CO2 y mol H2 z mol
物料平衡方程
元素衡算
H: 2+2.5=W+2M+z
C:
1=M+x+y
O: 2.5=W+x+2y
反应平衡方程
Kp1
pCO
p3 H2
p p CH 4 H2O
写化学反应方程式
+3O2
2
+9O2
4
O
O +3H2O
O O
O + 6H2O
O
选基准
邻二甲苯 210kg/h
邻二甲苯 分子量
106
苯酐 148
顺酐 98
物料衡算
输入氧气量
4620 0.21 43.31kmol/ h 22.4
210kg/h邻二甲苯完全氧化所需的氧气
苯酐 顺酐
210 3 5.943kmol/ h 106 210 9 8.915kmol/ h 106 2
63.29
K p2
p p CO2 H2 pCO pH2O
1.202
各组分的分压
M
pCH 4
yCH 4
•P
W
M
x
y
z
P
W
pH 2O
y H 2O
•
P
W
M
x
y
z
P
pCO
y CO
•P
W
M
x x
y
z
P
pCO2
y CO2
•P
W
M
y x
y
z
P
z
pH2
y H2
•P
W
M
x
y
z
P
整理得到
(W 2M 0.5)(4.5 2M W )3 P2
反应不彻底(直接求解)
例题
用邻二甲苯氧化法生产邻苯二甲酸酐(苯酐)， 输入输出物料组成见下图，计算邻二甲苯的 转化率、产品的收率及选择性。
邻二甲苯 210kg/h
反应过程
空气4620 Hm3/h 氧气 0.21(mol/mol) 氮气 0.79(mol/mol）
P 苯酐 0.654%（mol） 顺酐 0.066% 氧气 16.53% 氮气 77.5%
基本依据
质量守恒定律（不Βιβλιοθήκη Baidu括核反应）
基本方程
进入的Fi+生成的Dp=流出的Fo+反应的Dr+积累的W
适用范围
所有流程都适用 总物料适用 某一组分适用
具体过程的物料衡算
稳态过程 W=0 无反应过程 Dp=Dr=0 稳态无反应过程
Fi=Fo 稳态有反应过程
Fi+Dp=Fo+Dr
物料衡算方程为非线性方程（迭代求解）
例题
甲烷与水蒸气用镍催化剂进行转化反应生产 氢气。转化过程的主要反应为甲烷转化反应 和一氧化碳变换反应，即：
1. CH4+H2O CO+3H2 2. CO+H2O CO2+H2
已知水蒸汽与甲烷之比为2.5，温度为 760℃，压力为5大气压。假定上述反应达 到平衡．求产物的平衡组成。
输入氮气的量
4620 0.79 162.94kmol/ h 22.4
反应产物的总量
P 162.94 209.57kmol/ h 0.7775
产物中
邻二甲苯
209.57×0.0003=0.06287kmol/h=6.664kg/h
苯酐
209.57×0.0654=1.370kmol/h=202.76kg/h
三、基本计算过程
1. 画简图 2. 标参数 3. 定基准和范围（体系） 4. 写化学反应方程式 5. 列衡算式 6. 列图表
四、无反应过程的物料衡算
单个单元的物料衡算
n个组分，可以列n+1个方程但最多只能求解n 个未知数
M个单元的物料衡算
n个组分，最多只有m*n个独立方程 选择恰当的衡算体系可以简化计算过程
B 0.055
C 0.94
物料衡算方程
A F*0.2=P*x+W*0.05
B F*0.3=P*y+W*0.055
C F*0.5=P*(1-x-y)+W*0.94
另外的已知条件 P*x=F*0.2*98.7%
完全反应过程的物料衡算
稳态有反应过程 Fi+Dp=Fo+Dr
非完全反应(x≠100%)
MW(5.5 2M )2
63.29
(1.5 M W )(4.5 2M W ) 1.202 W (W 2M 0.5)
循环过程的物料衡算
单程转化率 总转化率 惰性组分的积累及驰放器
输入惰性组分的量=输出惰性组分的量
例题
丙烷在催化反应器中脱氢生成丙烯，其反应式 为：
C3H8
C3H6+H2
五、化学反应过程的计算
限制反应物 过量反应物 过量百分数 转化率x 选择性S 收率Y
Y=Sx
1. 分类
完全反应(x=100%)
Y=S(直接求解)
非完全反应(x≠100%)
反应不彻底(直接求解) 有反应平衡(迭代求解)
2. 循环过程的物料衡算
单程转化率 总转化率 惰性组分的积累及驰放器
丙烷的总转化率为95％。反应生成物经分离器
分成产物P和循环物料R。产物中含有C3H8 、 C3H6及H2，其中C3H8的量为未反应C3H8的 0.555％。循环物料中含有C3H8和C3H6 ，其 中C3H6量是产物中C3H6量的5％。试计算产品 组成、循环物料组成和单程转化率。