化学反应过程的物料衡算
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。
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。
化工计算第四章物料衡算及课后习题及答案
第一节 物料衡算式 4—1 化工过程得类型
间歇操作 操作方式 半连续操作
连续操作
间歇操作: 原料一次加入,然后操作,最后一次出 料。
半连续操作: 进料分批,出料连续;或进料连 续,出料分批或一次。
特点: 间歇操作中,无物料进出设备,且设备内各 部分得组成和条件随时间而变。 半连续操作中,设备内各点得参 数(组成、条 件)随时间而变。
N元素平衡
2×0、79A＝2N
烟道气总量
M+N+P+Q＝100
过剩氧量
0、21A×0、25／1、25
＝M 解上述6个方程得要求得结果。(过程略)
由上例可知计算基准选取恰当与否,对计算难 易影响。所以要重视计算基准选取。
基准选取中几点说明:
(1)上面几种基准具体选哪种(有时几种共 用)视具体条件而定,难以硬性规定。
4、 写出化学反应方程式
包括所有主副反应,且为配平后得,将各反应 得选择性、收率注明。
5、选择合适得计算基准,并在流程图上注明基准值 计算中要将基准交代清楚,过程中基准变换时,
要加以说明。 6、列出物料衡算式,然后求解
1)列物料衡算式
无化学反应体系,按:(4—1)、(4—3)(连续稳定过程) 式。
(二)取1mol 空气为计算基准 1mol 空气为计算基准中氧量为0、21mol
燃烧丙烷耗氧量 0、21／1、25＝0、168 mol 燃烧丙烷得量 0、168／5＝0、 0336mol
衡算结果列于下表:
输
入
输
出
组分 摩尔 克 组分 摩尔 克
C3H8 0、
44 CO2 0、101 132
0336
O2 0、21 200 H2O 0、135 72
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，
化学反应过程的物料衡算ppt课件
5
第四节 化学反应过程的物料衡算
生成的C6H6： RP4 MF2 80% 98% 11.76mol h1 CH4的量：
RP3 MF2 80% 98% MF2 80% (1 98%) 7 MF3 (11.76 1.68 10)mol h1 23.44mol h1
4
基准：进反应器混合原料：100 mol h1 衡算体系：反应器
进料：由已知，MF3 100mol h1 10% 10mol h1
总物料：MF1 MF2 10mol h1 100 mol h（1 1）
MF1 5 MF2
（2）
解（1）、（2）式得： MF1 75mol h1
MF2 15mol h1
物质的量（mol·h-1） 75
MF 摩尔分数%
75
物质的量（mol·h-1） 60.84
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
H2的量：
RP1 MF1 MF2 80% 98% MF2 80% (1 98%) 10 (75 11.76 2.4)mol h1 60.84mol h1
出料的总量：
RP (60.84 3 23.44 11.76)mol h1 99.04mol h1
6
第四节 化学反应过程的物料衡
10
第5节 物料衡算的计算机解题
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。
化工计算-物料衡算
y •P H2
W
M
z x
P y z
整理得到
(W 2M 0.5)(4.52M W)3 P2 MW(5.52M)2
63.29
(1.5MW)(4.52MW) 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
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
46200.2143.31km /hol 22.4
210kg/h邻二甲苯完全氧化所需的氧气
苯酐 21035.943kmo/lh 106
R2=(1-95%)×P2=4.75 kmol/h
Q2=99.75 kmol/h
单程转化率
N 1Q 1(1 0809-9 50 )9 0.5% 5
N 1
10 8 095
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%)
顺酐 2109 8.915km/ohl 106 2
化工计算-物料衡算
无反应过程的基本公式
稳态无反应过程
Fi=Fo
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。
蒸馏塔
冷凝器
F=100kg/h A 0.2 B 0.3 C 0.5
P kg/h A x B y C 1-x-y
W kg/h A 0.005 B 0.055 C 0.94
流程图
反 应 过 程
CH4 1mol
H2O 2.5mol
CH4 M mol CO x mol CO2 y mol
H2O W mol
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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
反应产物的总量
邻二甲苯 209.57×0.0003=0.06287kmol/h=6.664kg/h
顺酐 209.57×0.00066=0.1383kmol/h=13.55kg/h
产物中
苯酐 209.57×0.0654=1.370kmol/h=202.76kg/h
收率(mol) 苯酐 顺酐
P
R C3H8 R1 kmol/h C3H6 R2 kmol/h
流程图
物料衡算
P1=5 kmol/h
22%
P3=95 kmol/h
40%
P2=95 kmol/h
38%
过程物料衡算
产品组成
01
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分离器物料衡算
化工设计物料衡算与能量衡算
• 1.求燃料气组成以C作联系组分，燃烧前后碳原子数不 变，所以CO2mol数等于CH4的mol数，即CH4＝ 8.12mol，
• 需要氧气量为2×8.12＝16.24mol。
• 计算进料的空气量，以N2作联系组分，由烟道气中的N2 可得进料中的总氧气量：72.28×20.92/79=19.14mol,
Φ=
×100%
限制组分的消耗量
（5） 收率
生成目的产物所消耗限制组分的量
η=
×100%
限制组分的输入量
η =xA· Φ
“独立”的含义
对有化学反应的过程，应写独立的反应方
程式或独立反应数。例如碳与氧的燃烧过
程 ：C O2 CO2 ①
C
1 2
O2
CO
② ③
CO
1 2
O2
CO2
CO2 C 2CO
湿纸浆 浆： 0.29 水： 0.71
干燥器
干燥纸浆 浆：？ 水：？
水分
• 例：每小时将20kmol含乙醇40％的酒精水溶液进 行精馏，要求馏出液中含乙醇89％，残液中含乙醇 不大于3％(以上均为摩尔分数)，试求每小时馏出 液量和残液量。
• 解：由全塔物料衡算式可得
•
20 = D + W
(1)
• 20×0.4 = 0.89D + 0.03W
化工设计物料衡算与能 量衡算
2021年7月13日星期二
化工基础数据
化工计算以及化工工艺和设备设计中，要 用到有关化合物的物性数据。例如，进行化 工过程物料与能量衡算时，需要用到密度或 比容、沸点、蒸汽压、焓、热容及生成热等 等的物性数据；设计一个反应器时，则需要 知道化学反应热的数据；计算传热过程时， 需要导热系数的数据等等。
电解工序物料衡算
电解工序物料衡算计算依据：1、精盐水规格NaCl ≥310g/l(平均值)NaOH 0.1-0.2g/lCa2+、Mg2+≤6mg/l2-≤5g/lSO40.3-0.4g/lNaCO3重度 1200公斤/米32、电解碱液规格：总管单槽NaOH 110-120g/l 90-140g/l NaCl 180-200g/l 180-210g/l NaClO0.3g/l3重度 1185公斤/米33、氯气质量规格：（体积百分比）总管单槽≥95% 97%Cl2H≤0.5% 1%2≤1.5% 2%CO2O2≤1%N≤1%24、氢气质量规格：（体积百分比）≥98%H2O2≤0.3%≤1.7%N2一、物料衡算1、化学反应方程式2NaCl + 2H2O →2NaOH + Cl2↑+ H2↑2×58.5 2×18 2×40 1×71 1×2以生产一吨100%烧碱计算可得氯气：（1×71）×1000/（2×40）=887.5公斤氢气：（1×2）×1000/（2×40）=25公斤耗盐：（2×58.5）×1000/（2×40）=1462.5公斤耗水：（2×18）×1000/（2×40）=450公斤2、送入电解槽的盐水量以生产1吨100%烧碱成品计，盐损耗考虑为3公斤送入电解槽的盐量=已转化为NaOH的盐+未转化的盐+盐损失=1462.5公斤+(180/115)×1000公斤+3公斤=1462.5+1565+3=3030.5公斤（取电解碱液含NaOH为115g/l,含NaCl为180g/l）送入电解槽的精盐水量：3030.5公斤/310公斤/米3=9.78米3（精盐水含盐取310g/l）损失盐水量：(3/310)×1200=11.61公斤精盐水带入杂质量：2-： 5公斤/米3×9.78米3=48.90公斤SO4NaOH： 0.15公斤/米3×9.78米3=1.467公斤（按0.1-0.2g/l取平均值为0.15g/l）Na2CO3：0.35公斤/米3×9.78米3=3.423公斤（按0.3-0.4g/l取平均值为0.35g/l）Ca2+、Mg2+： 0.006公斤/米3×9.78米3=0.05868公斤精盐水总量：1200公斤/米3×9.78米3=11736公斤精盐水带入水总量：11736-3030.5-48.9-1.47-3.42-0.059=8651.453公斤=8651公斤3、电解碱液体积1000/115=8.7m34、电解碱液带出杂质：NaCl：180公斤/米3×8.7米3=1566公斤NaOH：115公斤/米3×8.7米3=1000公斤：0.3公斤/米3×8.7米3=2.61公斤NaClO3电解碱液总量：1185公斤/米3×8.7米3=10309.5公斤H2O：10309.5-1566-1000-2.61=7740.9公斤5、付反应及其计算NaClO+2H2O→NaClO3+2H2↑ 13NaCO3+3Cl2→NaClO3+5NaCl+3CO2↑ 23 Cl2+6NaOH→NaClO3+5NaCl+3H2O 3 NaClO3+3H2→NaCl+3H2O 42H2O→2H2↑+O2↑ 5反应方程式的说明反应①表示电解过程中产生的NaClO自身氧化成NaClO3的反应反应2和3表示电解产生的氯气与盐水带来的NaCO3、NaOH的反应反应4表示阴极液中的氢与NaClO3的还原反应反应5表示分解生成氧的反应上述反应并非实际进行的反应，而是为了方便计算，综合电解过程所进行的各种反应的计算方程式。
化工中物料衡算和热量衡算公式
物料衡算和热量衡算物料衡算根据质量守恒定律，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。
通过物料衡算可以计算原料与产品间的定量转变关系，以及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。
物料衡算的基础物料衡算的基础是物质的质量守恒定律，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。
∑G1=∑G2+∑G3+∑G4∑G2：——输人物料量总和；∑G3：——输出物料量总和；∑G4：——物料损失量总和；∑G5：——物料积累量总和。
当系统内物料积累量为零时，上式可以写成：∑G1=∑G2+∑G3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。
物料衡算的基准(1)对于间歇式操作的过程，常采用一批原料为基准进行计算。
(2)对于连续式操作的过程，可以采用单位时间产品数量或原料量为基准进行计算。
物料衡算的结果应列成原材料消耗定额及消耗量表。
消耗定额是指每吨产品或以一定量的产品(如每千克针剂、每万片药片等)所消耗的原材料量；而消耗量是指以每年或每日等时间所消耗的原材料量。
制剂车间的消耗定额及消耗量计算时应把原料、辅料及主要包装材料一起算入。
热量衡算制药生产过程中包含有化学过程和物理过程，往往伴随着能量变化，因此必须进行能量衡算。
又因生产中一般无轴功存在或轴功相对来讲影响较小，因此能量衡算实质上是热量衡算。
生产过程中产生的热量或冷量会使物料温度上升或下降，为了保证生产过程在一定温度下进行，则外界须对生产系统有热量的加入或排除。
通过热量衡算，对需加热或冷却设备进行热量计算，可以确定加热或冷却介质的用量，以及设备所需传递的热量。
热量衡算的基础热量衡算按能量守恒定律“在无轴功条件下，进入系统的热量与离开热量应该平衡”，在实际中对传热设备的衡算可由下式表示Q 1+Q 2+Q 3=Q 4+Q 5+Q 6 （1—1）式中： Q 1—所处理的物料带入设备总的热量，KJ;Q 2—加热剂或冷却剂与设备和物料传递的热量（符号规定加热剂加入热量为“+”，冷却剂吸收热量为“-”），KJ;Q 3—过程的热效率，（符号规定过程放热为“+”；过程吸热为“-”）Q 4—反应终了时物料的焓（输出反应器的物料的焓）Q 5—设备部件所消耗的热量，KJ;Q 6—设备向四周散失的热量，又称热损失,KJ;热量衡算的基准可与物料衡算相同，即对间歇生产可以以每日或每批处理物料基准。
化工设计物料衡算和热量衡算
化工设计物料衡算和热量衡算化工设计物料衡算和热量衡算是化工工程设计中非常重要的内容。
物料衡算是指在化工工程中对物料的流动进行计算和衡量的过程，而热量衡算则是指对化工工程中的热量流动进行计算和衡量的过程。
下面将详细介绍这两个内容。
首先，物料衡算是化工工程设计中的一个必不可少的环节。
物料衡算要基于反应的化学反应原理或工艺流程，计算出物料的各项数据，如流量、摩尔质量、摩尔仓数等。
具体的衡算步骤包括：确定物料的基本特性，如摩尔质量、密度等；确定物料的流动量和流速；根据反应方程式和反应器的驱动力，计算出反应速率；进一步计算出反应器的物料应用时间（HRT），以衡量物料在反应器中的停留时间。
物料衡算的目的是为了选择合适的设备和工艺流程，以确保化工工程的安全运行。
通过物料衡算，可以计算出物料在不同设备中的流速和停留时间，从而判断是否需要增加搅拌装置或延长反应器的体积等改进措施。
此外，物料衡算还能帮助设计人员确定各种物料转移设备的大小和形式，以满足工艺流程的需求。
其次，热量衡算是物料衡算的重要组成部分，也是化工工程中的关键环节。
热量衡算要根据物料的热力学特性及其运动过程，计算出热量的流动和传递。
具体的衡算步骤包括：测定物料的初始和终止温度；计算物料的比热容和比焓；计算物料在设备中的热量传递和损失；计算过程中发生的温度变化和热量变化；计算设备的热损失和热水平；最终评估设备的热效率。
热量衡算的目的是为了保证化工工程的热平衡和能量效率。
通过热量衡算，可以计算出各个设备和工艺过程的热量损失和热交换，从而判断是否需要增加散热装置或回收热量等改进措施。
此外，热量衡算还能帮助设计人员确定各种热交换设备的大小和形式，以满足工艺流程的需求。
总结来说，物料衡算和热量衡算是化工工程设计中非常重要的内容。
物料衡算可以帮助设计人员选择合适的设备和工艺流程，确保化工工程的安全运行；热量衡算则可以保证化工工程的热平衡和能量效率。
通过物料衡算和热量衡算，设计人员可以更好地优化工艺流程，提高化工工程的效率和经济性。
3.2 物料衡算
立物料或元素衡算式以外，常常还需要利用反 应的平衡关系来计算产物的平衡组成。
• 化学平衡常数表示了可逆反应过程在反应达 到平衡时各物料之间组成上的定量关系，平衡 常数在可逆反应的物料衡算中提供了一种过程 限制关系。
3.2.3 化学反应过程的物料衡算
2.平衡反应过程的物料衡算 例8 计算合成甲醇过程中反应混合物的平衡组成。设
空气与（CH4+H2）的摩尔比为
91.42/（8.13+0.9）=10.124
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
（4）组分平衡法
• 根据质量守恒列出各组分的物料衡算式。
• 用于单一反应或多个反应，多组分，多未知
变量的情况。
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 （4）组分平衡法
输入（元素)= 输出（同元素） • 当反应过程比较复杂，同时发生多个反应但详细 分配情况不清楚或化学反应式无法写出时，用元素 衡算法比较合适，如石油裂解过程。
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
例5 已知合成气的组成为CH4 0.4%(体积分数)，CO 38.3%，CO2 5.5%，H2 52.8%，O2 0.1%和N2 2.9%，现 用10%过量空气燃烧，燃烧后生成的燃烧气中不含CO， 计算燃烧气组成。
反应方程式
CH4+2O2=CO2+2H2O H2+1/2O2=H2O
计算：（1）燃料中甲烷与氢气的摩尔比；
（2）空气与(CH4+H2)的摩尔比。
例6
燃料
CH4 H2
烟道气
燃 烧 炉
空气 O2 N2
化工设计之物料衡算及热量衡算
化工设计之物料衡算及热量衡算化工设计中的物料衡算和热量衡算是非常重要的步骤，可以帮助工程师确定所需的原料数量和能源消耗。
本文将讨论物料衡算和热量衡算的原理、方法和应用。
一、物料衡算物料衡算是指根据化工过程的原理和条件，计算出所需原料的数量。
1.原料衡算的原理在化工过程中，根据反应式、反应的平衡常数、物料的摩尔平衡和原料的纯度等信息，可以得出原料的物质平衡方程。
2.原料衡算的方法（1）平衡更新法：根据反应式及其他物质平衡方程，利用线性方程组求解方法，逐步逼近平衡条件，得出原料数量的近似解。
（2）摩尔关系法：利用反应的摩尔比例来计算原料的摩尔数量。
根据反应的平衡常数和其他物质平衡方程，可以得到原料的摩尔数量。
3.原料衡算的应用物料衡算在化工过程中有广泛的应用。
例如，在合成反应中，根据反应需求，确定所需原料的摩尔数量；在萃取过程中，根据溶剂和溶质的摩尔比例，计算溶液中的溶质浓度。
二、热量衡算热量衡算是指根据化工过程的热力学原理和条件，计算出所需的能量消耗。
1.热量衡算的原理根据热力学定律，可以计算化学反应的焓变，并以此来确定反应所需的热量。
热量衡算也需要考虑其他因素，如物料的温度、压力变化等。
2.热量衡算的方法（1）焓变法：根据反应的焓变和反应的摩尔比例，计算出反应所需的热量。
焓变可以通过实验测量或热力学数据库来获取。
（2）能量平衡法：考虑物料流动和热交换等因素，通过能量平衡方程求解，计算出能量的输入和输出。
3.热量衡算的应用热量衡算在化工过程中的应用非常广泛。
例如，在高温燃烧反应中，需要计算反应所需的燃料气体的热量；在蒸汽发生器中，需要计算蒸汽的产生量和燃料的热量供应。
物料衡算和热量衡算是化工设计中不可或缺的两个步骤，可以帮助工程师确定原料的用量和能量消耗，从而优化过程设计、提高生产效率和节约能源。
在进行衡算时，需要准确地获取物料的性质数据，合理地选择计算方法，并考虑到实际操作条件的变化，以保证设计结果的可靠性和实用性。
化学反应过程的物料衡算方法--联系组分法.
燃料
CH4 H2
燃烧炉
空气 91.42 O2 N2
烟道气 CO2 H2 O O2 N2 8.13% 17.16% 2.49% 72.22%
解：以100mol烟道气为计算基准。
N2为联系组分 根据烟道气中N2含量，100×0.7222=72.22mol 得到输入的空气量为 72.22/0.79=91.42mol
课程：化工工艺初级设计
知识点：物料衡算方法—联系组分法
江苏高校品牌专业——石油化工技术
方法简介
联系组分又称惰性组分，是指在整个生产中随反应物进出系统，但完全不 参与反应的组分，因此其数量总是不变。
CH3OH CH3OH HCHO H2 O O2 N2
反应器
空气（过量 40%）
O2 21% N2 79%
于是输入混合气体中甲烷与氢气的摩尔比为： 8.13/0.9=9.03 空气与混合燃料（CH4+H2）的摩尔比为： 91.42/（8.13+0.9）=10.12
小结
1
2 3
联系组分法简介
适用场合
举例说明元联系组分法的使用
谢谢观看
课程：化工工艺初级设计 知识点：物料衡算方法--联系组分法
江苏高校品牌专业——石油化工技术
例：甲烷与氢的混合气体在炉子内用空气完全燃烧，烟道气组分及其组成为 组分 mol% 反应方程式 N2 CO2 O2 H2O 合计 100
72.22
8.13
2.49
17.16
CH4+2O2=CO2+2H2O
H2+1/2O2=H2O
计算：（1）燃料中甲烷与氢气的摩尔比； （2）空气与混合气体(CH4+H2)的摩尔比。
甲醇和硫化氢反应生成甲硫醇的物料衡算公式
甲醇和硫化氢反应生成甲硫醇的物料衡算公式甲醇和硫化氢反应生成甲硫醇的物料衡算公式甲硫醇是一种有机硫化合物，化学式为CH3SH。
它是一种无色、有刺激性气味的液体，常用于制造化学品和药品。
甲硫醇的制备方法之一是通过甲醇和硫化氢反应生成。
下面我们来看一下这个反应的物料衡算公式。
我们需要知道甲醇和硫化氢的化学式。
甲醇的化学式为CH3OH，硫化氢的化学式为H2S。
它们的反应式如下：CH3OH + H2S → CH3SH + H2O这个反应式告诉我们，甲醇和硫化氢在一定条件下反应，生成甲硫醇和水。
这个反应是一个化学平衡反应，反应物和生成物的浓度会随着反应的进行而变化。
接下来，我们来看一下这个反应的物料衡算公式。
物料衡算是化学工程中非常重要的一部分，它可以帮助我们计算反应过程中各种物质的质量和浓度。
假设我们要制备1000升甲硫醇，我们需要知道反应物的摩尔比例和反应的摩尔数。
根据反应式，甲醇和硫化氢的摩尔比例为1:1，即每1摩尔甲醇需要1摩尔硫化氢才能完全反应。
因此，我们需要1000摩尔甲醇和1000摩尔硫化氢。
接下来，我们需要计算反应过程中甲醇和硫化氢的摩尔数和浓度。
假设反应温度为25℃，反应压力为1 atm，甲醇和硫化氢的初始浓度均为 1 mol/L。
根据理想气体状态方程，我们可以计算出反应物的摩尔数和体积：n(CH3OH) = V(CH3OH) × C(CH3OH) = 1000 L × 1 mol/L = 1000 mol n(H2S) = V(H2S) × C(H2S) = 1000 L × 1 mol/L = 1000 mol根据反应式，每1摩尔甲醇需要1摩尔硫化氢才能完全反应，因此反应后甲醇和硫化氢的摩尔数均为0。
反应后甲硫醇的摩尔数为1000 mol，体积为1000 L，浓度为1 mol/L。
我们需要计算反应的产率和反应热。
产率是指实际得到的产物与理论产物的比值，反应热是指反应过程中放出或吸收的热量。
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S1 RP1 60.84mol.h1
S3 RP3 23.44mol.h1
S (60.84 23.44)mol h 1 84.28mol h 1
则：
x s1
60 .84 0.7219 84 .28 23.44 xs 3 0.2781 84.28
1 1
x RP4
衡算体系：分离器
P2 =RP2 =3mol.h-1 P4 =RP4 =11.76 mol.h-1
P (3 11.76)mol h1 14.76mol h1
第四节 化学反应过程的物料衡 算
则：
x P2 3 0.2033 14 .76
x P4
11 .76 0.7967 14 .76
例4-22
CO2 CO 变换 转化气 F FF 分流 B CO 43.12% H2 54.20% 图 4-33 例 4-23 流程图 CO2 脱除 RP CO 8.76% H2 89.75% 混合
合成气 CO:H2=1:2.4 MP 3 -1 2321m .h
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 C6 H5CH3 H 2 C6 H6 CH 4 主反应： C6 H5CH 3 10H2 7CH4 副反应： 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 算排放比及各物流的组成。
2013-7-14
单元1 数据处理
二、采用Excel求解线性方程组
（三）方法三——采用Excel规划求解法求解线性方程组 第四步:求解计算,添加完约束条件后,在约束窗口就多了两个表 达式,即$B$34=4、$B$35=7,如图所示。按“求解”按钮,得结果 对话框，此时在A33∶A35位置出现方程组的解。
2013-7-14
单元1 数据处理
返回
出料的总量：
RP (60.84 3 23.44 11.76)mol h 1 99.04mol h 1
第四节 化学反应过程的物料衡 算
反应器出口物料的组成：
x RP1 60.84 0.6134 99.04
x RP2 x RP3
3 0.0303 99.04 23.44 0.2369 99.04 11.76 0.1187 99.04
第一步:依次在单元格B33,B34,B35中输入3个方程的表达式,即: =2*A33-A34+3*A35;=4*A33+2*A34+5*A35;=A33+2*A34+0*A35 其中A33、A34、A35分别代表x1、x2、x3。
第二步:选中B33,点击“工具”,选择“规划求解”,调出“规划 求解参数对话框”,如图所示。选择值为（V）,输入第一个方程 的常数项值“1”。可变单元格输入框中；输入：$A$33:$A$35。
回代:将上三角形方程组自下而上逐步进行求解,从而得出
x3=－6、x2=－1、x1=9
2013-7-14 单元1 数据处理
返回
二、采用Excel求解线性方程组 （一） 方法一——Gauss消去法与Excel单元格驱动相结合求解
回代: x3=D16/C16 =－6
2013-7-14
单元1 数据处理
返回
FF2 15mol h 1
FF1 49.04mol h 1
FF (49.04 15)mol h 1 64.04mol h 1
计算结果汇总列表如下表
组分 FF MF RP P S R W 物质的量（mol·-1） h 摩尔分数% 物质的量（mol·-1） h 摩尔分数% 物质的量（mol·-1） h 摩尔分数% 物质的量（mol·-1） h 摩尔分数% 物质的量（mol·-1） h 摩尔分数% 物质的量（mol·-1） h 摩尔分数% 物质的量（mol·-1） h 摩尔分数% 60.84 72.19 25.96 72.19 34.88 72.19 H2 49.04 76.58 75 75 60.84 61.43 C6H5CH3 15 23.42 15 15 3 3.06 3 20.33 23.44 27.81 10.0 27.81 13.44 27.81 10 10 23.44 24.68 11.76 11.87 11.76 79.67 CH4 C6H6 合计 64.04 100 100 100 99.04 100 14.76 100 84.28 100 35.96 100 48.32 100
解：由题意画出物料流程图
R R1 H2 R3 CH4 分流器 W W1 ：H2 W3：CH4
S S1：H2 S3：CH4 RP 分离器 RP1 H2 RP2 C6H5CH3 RP3 CH4 RP4 C6H6
FF1 FF2
FF H2 C6H5CH3
混合器
MF MF1 H2 MF2 C6H5CH3 MF3 CH4 10%
MF2 15mol h 1
出料：
RP MF2 (1 80%) 15mol h 1 0.2 3mol h 1 C6H5CH3的剩余： 2
第四节 化学反应过程的物料衡算
生成的C6H6： RP4 MF2 80% 98% 11.76mol h 1
CH4的量：
第5节 物料衡算的计算机解题
2 x1 x2 3x3 1 4 x1 2 x2 5 x3 4 x1 2 x2 7
一、手工求解线性方程组 例 采用高斯消元法求解三阶方程组
3 x1 1 2 1 3 x1 1 2 1 4 2 5 x 4 0 4 第一次消元 1 x2 2 2 第2,3行各元素依次 减去第1行各元素2, 1 2 0 x3 7 0.5后得 0 2.5 1.5 x3 6.5 3 x1 1 2 1 第二次消元 0 4 1 x2 2 第3行各元素依次 减去第2 行各元素 0 0 0.875 x3 5.25 0.625后得
反应器
P P2 C6H5CH3 P4 C6H6
图 4-31 例 4-22 流程图
第四 化学反应过程的物料衡算
说明： （1）流程中物料流股各物质流量的下标编号尽 可能保持一致，下标相同表示同一种物质，这 样可以避免列衡算式时出差错。本题中只有混 合原料的组成有已知数据，设其为基准后可先 对反应器系统进行物料衡算。 （2）由题意要求混合原料中甲烷含量不大于 10%，取10%进行计算，这样计算得到的排放 量数据为最小值，实际排放时应稍稍大于此值。
单元1 数据处理
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二、采用Excel求解线性方程组
（三）方法三——采用Excel规划求解法求解线性方程组
第二步:选中B33,点击“工具”,选择“规划求解”,调出“规划求 解参数对话框”,如图所示。选择值为（V）,输入第一个方程的 常数项值“1”。可变单元格输入框中；输入：$A$33:$A$35。
RP MF2 80% 98% MF2 80% (1 98%) 7 MF3 3 (11.76 1.68 10)mol h 1 23.44mol h 1
H2的量：
RP MF1 MF2 80% 98% MF2 80% (1 98%) 10 1 (75 11.76 2.4)mol h 1 60.84mol h 1
由分流器的特征，有： xR xS
， xR xS
3
3
第四节 化学反应过程的物料衡算
衡算体系：混合器
CH4平衡：
H2平衡：
MF3 R3 RxR3
（3）
（4） （5）
C6H5CH3平衡：
MF2 FF2
MF1 FF1 RxR1
联立（4）、（5）、（6应器混合原料：100 mol h 1
衡算体系：反应器
进料：由已知，MF3 100mol h1 10% 10mol h1
MF 总物料： MF 10mol h
1 2 1
100mol h 1 （1）
MF1 5 MF2
（2）
解（1）、（2）式得： MF1 75mol h 1
采用Excel求解线性方程组 （二） 方法二——采用Excel自带函数求解线性方程组 函数:①Mdeterm②Minverse③Mmult 第一步:求系数行列式的 值,判断方程组有无解
二、、
返回
第二步:求矩阵的逆
第三步:求方程的解
2013-7-14
单元1 数据处理
二、
采用Excel求解线性方程组 （三）方法三——采用Excel规划求解法求解线性方程组