第三章物料衡算和能量衡算

2、确定原材料消耗定额; 3、确定各物流的流量、组成和状态; 4、确定每一个设备内物质转换与能量传递速度。

目的：
为确定操作方式，设备选型以及设备尺寸、管路
设施与公用工程提供依据。
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化工设计
Design of Chemical Engineering
§3-1 设计计算前的准备工作
◆
1. 工艺性资料的收集 (1)物料衡算提纲
物理吸收、结晶、提纯、脱水等
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3.3.1 无化学反应过程的物料衡算 例3-2： 三个未知数需三个方程： 总物料平衡式 F 1+ F 2= F 3+ F 4
F3 F1 料液 乙醇 40% 水 60% F2 苯
馏出液 乙醇 水 24% 苯 75%
生产步骤和化学反应（包括主、付反应）; 各步骤所需的原料，中间体规格和物理化学性质; 成品的规格和物化性质; 每批加料量或单位时间进料量; 各生产步骤的产率；
(2)工艺流程图及说明； (3)热量计算参数和设备计算数据(ΔH、Cp、K、λ、α等)； (4)流体输送过程参数(μ、ρ、摩擦系数等)。
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第三章 物料衡算和能量衡算
了解: 物料衡算和能量衡算的重要意义 理解: 平衡方程；衡算基准；
掌握: 物料衡算和能量衡算步骤、非反应过程和反 应过程的物料衡算和能量衡算
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本章任务与目的：

任务：
1、找出主副产品的生成量、废物的排出量;
§3-2 物料衡算
⑶ 收率 收率 = 转化率×选择性
生成目的产物所消耗的 反应物量 = 反应物的进料量
第 三 章 物 料 衡 算 与 能 量 衡 算
ψ=βxA =
⑷ 限制反应物 ⑸ 过量反应物
(nC nC 0 ) / c n A0 / a
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§３.3
车间物料衡算
稳态过程以各物流的总流量Fi及组成xij表示,则有：
Fx v r
i ij
Ns
Nr
jm m
0
i 1
m 1
（j=1,2,…,Nc） (3—5)
式中
Fi——第i股物流物质的量流量； xij——第j组分在第i股物流中的摩尔分数； vjm——第j组分在第m个化学反应中的化学计量系数； rm——第m个化学反应的反应速率； Nr——过程中所包含的化学反应个数。

(1)时间基准
(2)批量基准
连续（小时，天… ）间歇（釜，批……）
(3)或已知进料/出料组成 (4)物质的量基准 (5)标准体积基准
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例3-1：
C3H8 + 5O2 = 3CO2 + 4H2O 每100kmol燃烧产物需要多少摩尔空气？氧气过量25%
组分物料平衡式
苯平衡 F2=0.75 F3
水平衡
醇平衡
0.6F1= 0.24F3
（1－0.6）F1=F4
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乙醇产品 F4=1000kg/h
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3.3.1 无化学反应过程的物料衡算
◆
２.有多个设备过程的物料衡算
对有多个设备的过程，进行物料衡算时，可以
反应物的反应量 转化率 = 反应物的进料量
n A0 n A xA = n A0
⑵ 选择性
生成目的产物所消耗的 反应物量 100% 选择性 = 原料的反应量
β=
(nC nC 0 ) / c ( n A0 n A ) / a
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（5）可行性研究报告、各国文摘和专利、各类工艺书籍、 各类调查报告、各种化工过程与设备计算等书籍。
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§3-1 设计计算前的准备工作
◆
4. 几本常用的化工设计资料和手册 （1）Industrial Chemicals （2）Encyclopedia of Chemical Technology
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§3-2 物料衡算
◆
4、约束式
可分为两类：
（Ⅰ）分数约束式 当一般物流的组成用摩尔分数或质量分数表示时， 有下式成立：
x
j1
Nc
ij
1
(i=1,2,…，Ns)
(3-2)
式中xij—第j组分在第i股物流中的摩尔分数(或质量分数)； Ns—物流的股数； Nc—物流组分数。
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§3-2 物料衡算 (Ⅱ) 设备约束式 常见的设备约束式有：
① 进料比 (wk.baidu.com任何两股物流的量之比) 为一常数；
② 两股物流具有相同的组成 (如分流器)；
③ 相平衡常数；
④ 化学平衡常数；
⑤ 化学反应过程中的转化率、选择性或其他限度。
划分多个衡算体系。此时，必须选择恰当的衡
算体系，这是很重要的步骤。不然会使计算繁
甚至无法求解。
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例3-3：
有两个蒸馏塔的分离装臵，将含50%苯、30%甲苯20% (mol%) 二甲苯的混合物分成较纯的三个馏分，其流程图及各流股 组成如图。计算蒸馏1000 mol/h原料所得各流股的量及进塔 Ⅱ物料的组成。
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100 x= = 93.7kmol 1.068
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（3）基准：100kmol烟道气 以元素平衡法：C3H8 + 5O2 = 3CO2 + 4H2O C平衡 H2平衡 O2平衡 N2平衡 烟道气总量 过剩氧气 解出：空气量 C3H8 N2 O2 CO2 H2O
§3-2 物料衡算
◆
1 物料衡算的目的、依据 （3）物料衡算式： 进入过 程单元 的物料 衡算 （Fi） 流出过 － 程单元 的物料 量 （Fo） 在过程 ＋ 单元内 生成的 物料量 （Dp） 在过程 － 单元内 消耗的 物料量 （ Dr ）
过程单 ＝ 元内累 积的物 料量
（W）
①稳定操作过程: (Fi－Fo)＋（Dp－Dr）＝0
§3-2 物料衡算
◆
1 物料衡算的目的、依据 （1）物料衡算能为化工设计提供的基础数据(目的)
1）物料消耗定额。
2）工艺设备的大小尺寸。
3）管道的大小尺寸。 4）为能量衡算提供基础数据。
（2）物料衡算的依据
设计任务书、生产量、工艺技术条件、反应转化率、 相平衡数据等。
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生产能力、产率、产品的纯度要求等；
6）选定计算标准，并在图上注明所选的基准值； 7）收集计算需要的数据； 8）列出物料衡算式，及其他相关约束式，进行物料衡算； 9）将物料衡算结果列成物料平衡表，画出物料平衡图。
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§3-2 物料衡算
（1）.基准：1kmol原料气C3H8 燃烧用氧 实际供氧 5×1.25 = 供给空气量 其中氮气量 产生：CO2 H2 O O2 N2 合计 100 29.76 x= = 93.7kmol 5kmol； 6.25kmol； 29.76kmol； 23.51kmol 3kmol； 4kmol； 1.25kmol； 23.51kmol； 31.76kmol；
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§3-2 物料衡算 （Ⅲ）变量 有Ns股物流， Nc个组分数，Np个设备参数
总变量数：
Nv= Ns（Nc +1）+ Np
设计变量：
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§3-2 物料衡算 ⑴ 转化率
（3）Science and Technology
（4）Chemical Abstracts （C.A） （5）Handbook of Technology （6）I.C.T （物性手册） （7）化工工艺设计手册
（8）材料与零部件手册
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3.3.2 有化学反应过程的物料衡算 例3-4
乙烯部分氧化制取环氧乙烷，乙烯在过量空气存在条 件下通过银催化剂进行。
r 主反应: 2C2H4+O2 2C2H4O
②系统内无化学反应: Fi－Fo＝W
③系统内无化学反应的稳态操作过程: Fi－Fo＝0
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§3-2 物料衡算
◆
2、物料衡算的步骤
1）化工过程分析； 2）画出方框图（方框流程图）； 3）分析化学反应过程，写出主、副反应化学反应方程式； 4）确定衡算体系； 5）根据设计要求确定（写明年产量、年工作日或每昼夜的）
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§3-1 设计计算前的准备工作 （5）传质过程系数，相平衡数据;
（6）冷冻过程的热力学参数;
（7）具体的工艺操作条件（温度T、压力P、流量G）; （8）介质物性和材质性能，材质数据，腐蚀数据;
（9）车间平立面布臵的参考资料;
（10）管道设计资料（管道配臵、管道材质、架设方
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B = 3P； B = 4Q； 0.21A = M + Q/2 + P； 0.79A = N； N + M + P + Q = 100； 0.21A（0.25/1.25）= M A = 93.7kmol； B = 3.148kmol； N = 74.02kmol； M = 3.935 kmol； P = 9.445 kmol ； Q = 12.59 kmol。
◆
3. 资料的来源
（1）科研单位（研究报告） （2）设计单位（设计图纸、设计说明书） （3）基建单位（厂址方案、基建工程资料和安装工程 资料）
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§3-1 设计计算前的准备工作
(4)生产单位(现场操作数据和实际的经济技术指标)
车间原始资料、各种生产报表 工艺操作规程 设备岗位操作法 设备维护检修规程及设备维修纪录卡 劳动保护及安全技术规程 车间化验室的分析研究资料 车间实测数据 工厂科室掌握的技改资料 供销科的产品目录和样本 财务科的产品原料单耗及成本分析资料 全厂职工劳动福利的生活资料
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3.3.1 无化学反应过程的物料衡算 对于非反应的连续稳态过程，式(3-5)可简化为：
Fx
i
Ns
ij
0
i 1
(j=1,2,…,Nc）
◆
1.简单过程的物料衡算(无化学反应、单设备) 常见操作有:混合、蒸馏、精馏、增湿、气体混合 物的部分冷凝、液体混合物的部分气化、闪蒸、
◆
2、物料衡算的步骤 例：乙苯反应器内的反应如下：
乙烯+苯→乙苯
乙苯+乙烯→二乙苯 二乙苯+苯→乙苯 二乙苯+乙烯→三乙苯 三乙苯+苯→乙苯，二乙苯
乙苯、二乙苯→甲苯、二甲苯、正丁苯、异丙苯、 杂环化合物
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§3-2 物料衡算
◆
3、物料衡算的基准 进行物料衡算时，必须选择一计算基准，并在整个 运算中保持一致。若基准选得好，计算变得简单。
式、管件、阀件等）;
（11）环境保护、安全保护等规范和资料。
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◆
§3-1 设计计算前的准备工作 2. 工程性资料的收集
（1）气象、地质资料; （2）公用工程的消耗量，辅助设施能力; （3）总图运输、原料输送方式、储存方式; （4）上、下水资料; （5）配电工程资料; （6）仪表自控资料等。
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31.76
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（2）.基准：1kmol空气 实际供氧 0.21/1.25=0.168kmol； 燃烧C3H8 0.21/（5×1.25） =0.0336kmol；
供给空气量 其中氮气量 产生：CO2 H2O O2 N2 合计 1kmol； 0.79kmol； 0.101kmol； 0.135kmol； 0.042kmol； 0.79kmol； 1.068kmol；