第五章物料衡算
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三、确定计算任务： 在生产任务已定的前提下，根据消耗定额和工艺指 标可以求得羰化工序各项进料量，然后按流程顺序从 前往后计算。
四、收集数据：
1、全装置工艺数据；
(1)、生产规模：年产500吨100%丙酮；
(2)、生产时间：年工作时数7200h；
(3)、反应塔空时产率：350~500g/l*h;
(4)、选择性：95%以上； (5)、氧转化率：50~60%； (6)、氯化钯生产能力：30~40 g/g*h (7)、丙烯单程转化率：95~99%。
CH3—CH=CH2+1/2O2
Pdcl2, Cucl2
║ CH3—C—CH3
+69kcal/mol
1、羰化塔 2、羰化分离器 3、闪蒸塔 4、酸水缸 5、氧化塔 6、气液分离器 7、缓冲罐 8、氧化吸收塔 9、尾气冷凝器 10、羰化吸收塔 11、初馏塔 12、塔顶冷凝器 13、气液分离器 14、排醛塔 15、塔顶冷凝器 16、气液分离器 17、丙醛冷凝器 18、精馏塔 19、塔顶冷凝器 20、气液分离器 21、丙醛计量槽 22、成品贮槽 23、丙醛贮槽 24、粗丙酮贮槽 25、进料泵 26、进料泵 27、吸收液槽 28、进料泵 29、吸收液贮槽 30、水泵 31、催化剂循环压缩机
2、工艺操作条件及控制指标：
(1)氧化塔：
塔底压力：11.5 atm (表压) 塔顶压力：9.5 atm (表压) 塔底温度：105℃
塔顶温度：100 ℃ (2)羰化塔：
塔底压力：9 atm (表压) 塔顶压力：8 atm (表压) 塔底温度：107 ℃ 塔顶温度：103 ℃ 丙烯量(100%，kg/h)/催化剂循环量(M3/h)=4.4~3.44
• 7.结论与验算
第五章 物料衡算
因为要求羰化吸收液中丙酮浓度为10%，所以吸收 液量为：L3=10.12/0.1=101.2kg/h
其中：丙醛：0.017kmol/h=0.986kg/h 丙酮：10.12kg/h=0.174kmol/h 水： 101.2-10.12-0.986=90.1kg/h
(6) 氧化吸收塔用清水量： L1=90.1kg/h (7) 氧化吸收液(羰化吸收剂)L2： L2=90.1+3.52=93.62kg/h 其中丙酮：3.52/93.62=3.76%(wt%) 7、排醛塔：先画物料流程图：
塔顶未凝气G 0.119 0.017 0.141 43.1 6.2 50.7
塔釜液W 共计 1.372 0.034 0.141
Kmol/h mol% Kmol/h mol%
氯丙酮 水
共计
0.05 0.52
1.79
0.5 99.5
100
0.05 10.55
12.146
29
100 0.277 100
10.03
压力：0.3~0.5 atm (表压) 塔顶温度：90 ℃ 塔底温度：105 ℃ (4)氧化吸收塔： 出口压力：40mmHg 吸收液温度：27 ℃ 丙酮吸收率：80% (5)羰化吸收塔： 出口压力：40mmHg 吸收液温度：27 ℃ 吸收液浓度：10% (Wt %) 要求吸收率：95% (6)初馏塔： 塔顶温度：60 ℃
• 4. 选择合适的计算基准 • 5.列出物料衡算式，用数学方法求解 • 对组成较复杂的物料，列出输入输出物料表。将未知量用代数 符号表示。 • 6.将计算结果列成输入输出物料表。 • 7.结论与验算
二 连续过程的物料衡算
为了更好地说明连续生产过程的物料衡算，我们以一实例来说明： 丙烯直接氧化法制丙酮年产500吨丙酮装置的物料衡算。（此例仅以说 明方法，所用数据并不反映实际生产情况）
物料衡算.pdf
6)每吨原料乳标准化后应提取稀奶油量
=1000× [（3.5-8.1×0.38）/（30-5.87×0.38）]＝15.2kg 或0.38=R=（1000 ×3.5-c ×30）/(1000 ×8.1-c ×5.87)
7)分离出30%的稀奶油15.2公斤，应需原料乳量
=1000×15.2/115=132kg
=（7.62×1000）/250=30.5≈30（瓶/分）
10) 工艺总损失5%（下厂调查） 11) 实际每分钟生产瓶数
=31/（100-5）%=32.6≈33瓶/min —设备生产能力 —瓶子数（周转7
12) 实际班产瓶数
=33×60×7小时=13860瓶/班 天）
13) 每班生产箱数 算基准
=13860/24=577.5≈578箱/班
面 粉 875kg 水 315kg 面 粉 350kg
酵 母 25kgkg 接种面团 1372.5kg
水 472.5kg 盐 25kg 油 50kg 切块损 失 52.2kg
可通过工厂实际数 据或实验得来。 注：部分原料工艺 损耗率及原料折用 率见书
糖 62.5kg
二次调粉后面团 2175kg 拌干粉 量 25kg 搓圆后面团 2127.8kg 湿面包坯 2147.8g 成品 1933.02k
=12228×（21.7%/74%）=3584kg
21)浓缩设备蒸发水量
=12228—3584=8644kg
22)乳糖品种添加量为0.025%取值 23)乳糖品种添加量
=3584×0.025%×1.1=1kg
24)浓缩过程中损失量1% 25)最终成品量
=（3584+1）×99%=3549kg
26)成品率=3549/10000=35.5%=成品/原料 27)采用962#罐397g 28)成品罐数=3549/0.397=8940罐 29)每箱48罐可装 =8940/48=186.3/48=186.3箱=187箱
第五章物料衡算,能量衡算及设备工艺计算与选择
补充说明1: 生化反应器工艺设计的要点 （a）反应器选型
确定反应器的结构类型、操作方式、 传递和流动方式等。
一般可根据酶或细胞中生化反应的动力学 特性来选择合适的反应器形式； 结合动力学和反应器两方面特性来确定操 作方式和优化的操作设计等。
反应器工艺设计的要点
（b）设计反应器的结构、确定各种结构参数。
由于分子在不停地做着无规则热运动而具有的内动能．它 与物体的温度有关（温度是分子平均动能的标志）． 分子间存在相互作用力，分子间具有由它们的相对位置决 定的势能，这就是分子内势能．它和物体的体积有关．
补充说明：能量的形式和概念
4.热量（Q） 温度不同的两物体相接触或靠近，热量从热（温 度高）的物体向冷（温度低）的物体流动，这种 由于温度差而引起交换的能量，称为热量。
2.任务
参见P104 主要是确定车间内所有工艺设备的台数、型式和主 要尺寸。
（二）设备设计与选型的原则
物料衡算是设备选型的根据，而设备选型则要符 合工艺的要求。 设备选型是保证产品质量的关键和体现生产水平 的标准，又是工艺布置的基础，并且为动力配电， 水、汽用量计算提供依据。
选型原则 如下（P104书上为8点）：
注意： 第一，热量是一种能量的形式，是传递过程中的 能量形式； 第二，一定要有温度差或温度梯度，才会有热量 的传递。
补充说明：能量的形式和概念
5.功（W） 功是力与位移的乘积。 在化工中常见的有体积功（体系体积变化 时，由于反抗外力作用而与环境交换的 功）、流动功（物系在流动过程中为推动 流体流动所需的功）以及旋转轴的机械功 等。
如：混合物分离过程(超滤)
说明
对于连续不稳定过程，由于该过程内物料 量及组成等随时间而变化，因此，物料衡 算式须写成以时间为自变量的微分方程， 表示体系内在某一瞬时的平衡。
化工原理吸收解析
X2 0
Lmin
G(Y1 Y2 )
Y1 m
X
2
3.125 0.096 0
869kmol / h
26.7
2020/10/31
L 1.65Lmin 1.65869 1434kmol / h
2）出塔吸收液浓度：
G(Y1 Y2 ) L(X1 X2 )
X1
X2
G(Y1 Y2 L
)
0
3.125 1434
X2 0
m 0.757
Lmin
G(Y1 Y2 )
Y1 m
X
2
34.5(0.0133 0.000133) 0.0133 0 0.757
25.8kmol/ h
L 2Lmin 2 25.8 51.6kmol/ h
2020/10/31
三、填料层高度的计算
1、填料层高度的基本计算式
对组分A作物料衡算 单位时间内由气相转入液相的 A的物质量为：
dY Y
*
Z
dZ
0
G Y1 dY Y2 KY a Y Y *
LdX KX (X * X )adZ
dZ L dX KX a X * X
Z
dZ
X1
L
dX
0
X2 K X a X * X
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低浓度气体吸收时填料层的基本关系式为
Z G
KY a
Y1 dY Y2 Y Y *
GdY LdX
NAdA NA(adZ )
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微元填料层内的吸收速率方程式为：
N A KY (Y Y * )及N A K X ( X * X )
dG KY (Y Y *)adZ dG KX (X * X )adZ
第五章物料衡算
第三节 物料衡算的基本方法
例：丙烷充分燃烧（即转化率100%）时，实际供入的空 气量为理论所需量的125%，反应式为：
C3H8 5O2 3CO2 4H2O
求：每生成100mol的燃烧产物实际需要供入多少摩尔空 气？
解：由题意物料流程简图如下：
解：由题意物料流程简图如下： 燃烧产物（CO2、 N2、H2O、O2 ）
该体系有三股物流：丙烷、空气、燃烧产物。 3CO 4H O C3H8 5O2 方法一 基准：1mol C3H8 2 2
1mol C3原则上基准的选择有三种方法： H8完全燃烧需要的理论空气量计算：
1、 选一定量的空气为计算基准 由反应式，完全燃烧理论上需氧量：5mol 2、 选一定量的丙烷为计算基准 由空气过量125%即氧气过量125%，有： 实际供氧量
第
这种操作方式特别适合于反应过程对加料和出料需要作 特殊处理的产品。
2 按物系稳定性分 （1） 稳定状态操作
是整个化工过程的操作条件（如温度、压力、物料量及组成等） 都不随时间而变化，只是设备内不同点有差别。 （2） 不稳定状态操作
是指操作条件随时间变化，在系统内各点的参数也随时间变化。 本章主要是以稳定状态操作过程为主介绍物料衡算的有关方 法，对不稳定状态操作过程只作简要的介绍。
混合过程的物料流程图 所示。
1 100mol 天然气 CH4 0.85 C2H6 0.15 3 Mmol 混合气 CH4 0.10 C2H6 x 空气 1-0.10-x
混合过程
2 A mol 空气
图 4-5 混合过程物料流程简图
在图中，应表示出所有物料线，并注明所有已知 和未知变量。如果过程中有很多股物流，则可将 每股物流进行编号，以避免出错。
化工设计--物料衡算
➢ 有关的定额，收率，转化率的数据收集 要注意可靠性准确性，并了解其单位与基准
➢ 原料，辅助材料，产品，中间产品的规格
➢ 与计算有关的物理化学常数 如密度，蒸汽压，相平衡常数
•5. 选择计算基准
➢时间基准 ➢质量基准 ➢体积基准 ➢干湿基准
•6. 建立物料平衡方程，列出的数学关联式的数目应与
•进行物料衡算
组成%
单重
混酸
435 HNO3 H2SO4
47 204.5 49 213.1 废酸
H2O
4 17.4
氯 苯 394 C6H5Cl 92 362.5 硝基
混合料
NO2C6H4Cl 8 31.5 物层
共计 829
100
829 共计
100
291 HNO3
1
2.9
H2SO4 73.2 213.1
H2O 25.8
•空气 •O2 21％ •N279％
•氧 化
•HCHO •H2O
•空气
•O2 •N2
•CH3OH
•解： 计算基准： 1mol的CH3OH
•
由反应式知反应生成HCHO为0.75mol，H2O为0.75mol
•
未反应CH3OH=1-0.75=0.25mol
•
由反应式算出消耗O2量为 0.5×0.75=0.375mol
•2. 蒸发：把溶质不挥发的溶液加热至沸腾，使溶剂气化
• 从而获得浓缩液或析出固体的单元操作。
• 例：在蒸发器中把含NaOH 10%、NaCl 10%的水溶液浓
缩为含NaOH 50%、NaCl 2%的溶液。若每批处理
1000kg原料液。试求
•水蒸
（1）每一批操作中可得的母液量？
➢ 原料，辅助材料，产品，中间产品的规格
➢ 与计算有关的物理化学常数 如密度，蒸汽压，相平衡常数
•5. 选择计算基准
➢时间基准 ➢质量基准 ➢体积基准 ➢干湿基准
•6. 建立物料平衡方程，列出的数学关联式的数目应与
•进行物料衡算
组成%
单重
混酸
435 HNO3 H2SO4
47 204.5 49 213.1 废酸
H2O
4 17.4
氯 苯 394 C6H5Cl 92 362.5 硝基
混合料
NO2C6H4Cl 8 31.5 物层
共计 829
100
829 共计
100
291 HNO3
1
2.9
H2SO4 73.2 213.1
H2O 25.8
•空气 •O2 21％ •N279％
•氧 化
•HCHO •H2O
•空气
•O2 •N2
•CH3OH
•解： 计算基准： 1mol的CH3OH
•
由反应式知反应生成HCHO为0.75mol，H2O为0.75mol
•
未反应CH3OH=1-0.75=0.25mol
•
由反应式算出消耗O2量为 0.5×0.75=0.375mol
•2. 蒸发：把溶质不挥发的溶液加热至沸腾，使溶剂气化
• 从而获得浓缩液或析出固体的单元操作。
• 例：在蒸发器中把含NaOH 10%、NaCl 10%的水溶液浓
缩为含NaOH 50%、NaCl 2%的溶液。若每批处理
1000kg原料液。试求
•水蒸
（1）每一批操作中可得的母液量？
物料衡算与能量衡算
最后，由CO2和H2O平衡得： F5,CO2＝129mol/h；F5,H2O＝628-127＝501mol/h
➢ 2计算反应器1的反应速率;然后计算物流4的组成
由反应速率的定义式得：
r＝
＝
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
式中 为F I物i,输 质 的出 F 转i,输 化率/入 ; i Fi,输入i / i
已知反应 i器1中CO的转化率为0 80，由此得反应器1的反
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。不然会使计算繁琐，甚至无法
求解。
4 3.1 混合过程
例1 一种废酸;组成为23％质量％HNO3，57％ H2SO4和20％H2O，加入93％的浓H2SO4及90％的 浓HNO3，要求混合成27％HNO3及60％H2SO4的混 合酸，计算所需废酸及加入浓酸的质量;
边界线Boundary Line围起来的区域构成衡算范围;
2写出化学反应方程式;包括主反应和副反应; （计算分子量）
（3）确定计算任务，确定过程所涉及的组分， 明确哪些是已知项，哪些是待求项，如年产量 生产能力、年工作日、产率、产品纯度要求等。
（4）选择计算基准
5收集计算需要数据资料 （6）列出物料衡算方程式,进行物料衡算 列出过程的全部独立物料平衡方程式及其他相
应速率：
r＝
＝0.80.2×100 + 0.5×214 ＝
101.6Fm,输o入 l/h/
物流4中每一物流的流率
已知r后;物流4中每一物流的流率可以用物料衡算求得， 即：
N2平衡： F4,N2＝0 78×100＝78mol/h CO平衡： F4,co＝127 – r＝25.4mol/h H2O平衡： F4,H2O＝628 – r＝526.4mol/h CO2平衡： F4,CO2＝2 + r＝103.6mol/h H2平衡： F4,H2＝107 + r＝208.6mol/h
➢ 2计算反应器1的反应速率;然后计算物流4的组成
由反应速率的定义式得：
r＝
＝
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
式中 为F I物i,输 质 的出 F 转i,输 化率/入 ; i Fi,输入i / i
已知反应 i器1中CO的转化率为0 80，由此得反应器1的反
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。不然会使计算繁琐，甚至无法
求解。
4 3.1 混合过程
例1 一种废酸;组成为23％质量％HNO3，57％ H2SO4和20％H2O，加入93％的浓H2SO4及90％的 浓HNO3，要求混合成27％HNO3及60％H2SO4的混 合酸，计算所需废酸及加入浓酸的质量;
边界线Boundary Line围起来的区域构成衡算范围;
2写出化学反应方程式;包括主反应和副反应; （计算分子量）
（3）确定计算任务，确定过程所涉及的组分， 明确哪些是已知项，哪些是待求项，如年产量 生产能力、年工作日、产率、产品纯度要求等。
（4）选择计算基准
5收集计算需要数据资料 （6）列出物料衡算方程式,进行物料衡算 列出过程的全部独立物料平衡方程式及其他相
应速率：
r＝
＝0.80.2×100 + 0.5×214 ＝
101.6Fm,输o入 l/h/
物流4中每一物流的流率
已知r后;物流4中每一物流的流率可以用物料衡算求得， 即：
N2平衡： F4,N2＝0 78×100＝78mol/h CO平衡： F4,co＝127 – r＝25.4mol/h H2O平衡： F4,H2O＝628 – r＝526.4mol/h CO2平衡： F4,CO2＝2 + r＝103.6mol/h H2平衡： F4,H2＝107 + r＝208.6mol/h
第五章物料衡算和能量衡算
（3） 冷麦汁量为： 584.92×（1－0.075）=541.05L
（4） 发酵成品液量： 541.05×（1－0.016）=532.39L
（5） 清酒量（过滤）为：532.39×（1－0.015）=524.41L
（6） 成品啤酒量为： 524.41×（1－0.02）=计算方法
（三） 用气量的衡算 （一）“单位产品耗气量定额”估算法
（二）用气量的计算法
谢谢观赏！
2020/11/5
59
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。
（四）计算步骤
③ 选定计算基准，一般以吨/日或kg/h为单位。 ④ 列出物料衡算式，然后用数学方法求解。
在食品生产过程中，一些只有物理变化、未发生化学反应的单元操作，如混合、 蒸馏、干燥、吸收、结晶、萃取等，这些过程可以根据物料衡算式，列出总物料 和各组分的衡算式，再用代数法求解。 对于有化学反应的单元操作，可以采用化学反应式进行衡算。
第二节 能量衡算
在食品工厂生产中，能量的消耗是一项重要的技术经济指标，它是衡量工艺过 程、设备设计、操作制度是否先进合理的主要指标之一。
能量衡算的基础是物料衡算，只有在进行完物料衡算后才能做能量衡算。
（一）热量衡算 （1）热量衡算的依据
（2）热量衡算的依据
（3）热量衡算的方法和步骤
热量衡算实例— 棉籽油热量计算实例
由上述可得100kg混合原料可制得的热麦汁量为：
（73.16÷12）×100=609.66（kg）
又知汁在20℃时的相对密度为1.084，而100℃热麦汁比20℃时的麦汁 体积增加
第五章 物料衡算与能量衡算
传递参数—如粘度、扩散系数、导热系数等。
2020/4/23
8
化工基础数据获取方法
查手册或文献资料 估算 用实验直接测定
2020/4/23
9
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。
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 ：
①
C O2 CO2
C
1 2
O2
CO
CO
1 2
O2
CO2
② ③ ④
CO2 C 2CO
这4个反应是否是独立的呢？如何判断呢？
2020/4/23
24
❖ 反应过程中，若有m种元素和n个组分参与反应时
，独立反应数为： N反应=n-m 上例中，m=2, n=4 ∴ 独立反应数： N反应= 4-2=2
n
yi 1
i 1
返回ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
31
例 从气体中回收丙酮的装置
变量和设计变量
2020/4/23
32
进入系统的物流为两个，离开系统的物流为三个， 其中一个已知物流量，四个物流是未知的。 可列出总物料平衡式：
1200 F2 F3 F4 F5
各组分平衡式：
丙酮： 0.0295F2 0.99F4 0.05F5 水： 1200 0.01F4 0.95F5 空气 ： 0.9705F2 F3
3、按衡算范围 分为单元操作过程(或单个设备)和全流程的两 类物料衡算；
2020/4/23
18
物料衡算程序
1.确定衡算的对象、体系与环境，并画出 计算对象的草图。
2020/4/23
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化工基础数据获取方法
查手册或文献资料 估算 用实验直接测定
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9
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。
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 ：
①
C O2 CO2
C
1 2
O2
CO
CO
1 2
O2
CO2
② ③ ④
CO2 C 2CO
这4个反应是否是独立的呢？如何判断呢？
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24
❖ 反应过程中，若有m种元素和n个组分参与反应时
，独立反应数为： N反应=n-m 上例中，m=2, n=4 ∴ 独立反应数： N反应= 4-2=2
n
yi 1
i 1
返回ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
31
例 从气体中回收丙酮的装置
变量和设计变量
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32
进入系统的物流为两个，离开系统的物流为三个， 其中一个已知物流量，四个物流是未知的。 可列出总物料平衡式：
1200 F2 F3 F4 F5
各组分平衡式：
丙酮： 0.0295F2 0.99F4 0.05F5 水： 1200 0.01F4 0.95F5 空气 ： 0.9705F2 F3
3、按衡算范围 分为单元操作过程(或单个设备)和全流程的两 类物料衡算；
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物料衡算程序
1.确定衡算的对象、体系与环境，并画出 计算对象的草图。
化工过程设计与开发第5章 物料衡算
2915.7
杂质
59.0
总计
2915.7
5.2.2 反应过程的物料衡算
例[5.7] 在乙二醇生产中，所用的反应物是由乙烯部分 氧化法制得的环氧乙烷。制取环氧乙烷的方法是将乙烯 在过量空气存在下通过银催化剂。 解：
图5.6 乙烯部分氧化
5.2.2 反应过程的物料衡算
例[5.8] 将苯氯化生成一种由一氯、二氯、三氯和四氯 化苯组成的混合物，其反应为： C6H6+Cl2→C6H5Cl+HCl，其反应速率为r1； C6H5Cl+Cl2→C6H4Cl2+HCl，其反应速率为r2； C6H4Cl2+Cl2→C6H3Cl3+HCl，其反应速率为r3； C6H4Cl3+Cl2→C6H2Cl4+HCl，其反应速率为r4。
%(wt )
kmol /h
%(mo l)
kg/h
%(wt )
kmol /h
%(mo l)
kg/h
%(wt )
kmo %(m l/h ol)
苯
7600 0
38
97.4 3
41.9 7372 85.6 6 .6 0
94.5 2
87.5 2
227. 8
2.0
2.9 2.3 25
甲 1240 苯0
62
合 计
图5.5 常规精馏流程简图
5.2.1 物理过程的物料衡算
解：
0.5F2 0.01F3 0.2 100
F2=38.8kmol/h， F3=61.2kmol/h
表5-4 例5.4的物料平衡表
流股
组分
丙烷 异丁烷 异戊烷 正戊烷 合计
1
进料
化工原理吸收
——逆流吸收塔操作线方程
表明 ： 塔内任一截面的气相组成Y与液相组成X之间成直线 关系，直线的斜率为L/G。
2013-8-15
T（X2、Y2）代表塔顶状态， B（X1、Y1）代表塔底状态。
TB是操作线，其上任一点代表塔内某一截面的气、液组成。
2013-8-15
并流吸收塔的操作线：
L L Y X ( X 1 Y1 ) G G
Lmin
Y1 Y2 G X1 X 2
2013-8-15
计算法 适用条件：平衡线符合亨利定律，可用 Y * mX 表示
L Y1 Y2 ( ) min Y1 G X2 m
Lmin
Y1 Y2 G Y1 X2 m
2013-8-15
例：在填料吸收塔内，用清水逆流吸收磺化反应产生的SO2
2013-8-15
最小液气比的求法
图解法
•正常的平衡线
L Y1 Y2 ( ) min * G X1 X 2
与最小液气比对应的吸收剂 用量为最小吸收剂用量Lmin
Lmin
Y1 Y2 G * X1 X 2
2013-8-15
•平衡线为上凸形时
L Y1 Y2 ( ) min G X1 X 2
*
mG m ——解吸因数。平衡线斜率和操作线斜率的比值 S L L 无因次。S愈大，解吸愈易进行。 G L 1 L G A ——吸收因数 S mG m 2013-8-15
2013-8-15
分析 ：
N OG
1 Y1 Y2 ln[( 1 S ) S] * 1 S Y2 Y2
2013-8-15
Y2 Y2
*
N OG
Y1 Y2
表明 ： 塔内任一截面的气相组成Y与液相组成X之间成直线 关系，直线的斜率为L/G。
2013-8-15
T（X2、Y2）代表塔顶状态， B（X1、Y1）代表塔底状态。
TB是操作线，其上任一点代表塔内某一截面的气、液组成。
2013-8-15
并流吸收塔的操作线：
L L Y X ( X 1 Y1 ) G G
Lmin
Y1 Y2 G X1 X 2
2013-8-15
计算法 适用条件：平衡线符合亨利定律，可用 Y * mX 表示
L Y1 Y2 ( ) min Y1 G X2 m
Lmin
Y1 Y2 G Y1 X2 m
2013-8-15
例：在填料吸收塔内，用清水逆流吸收磺化反应产生的SO2
2013-8-15
最小液气比的求法
图解法
•正常的平衡线
L Y1 Y2 ( ) min * G X1 X 2
与最小液气比对应的吸收剂 用量为最小吸收剂用量Lmin
Lmin
Y1 Y2 G * X1 X 2
2013-8-15
•平衡线为上凸形时
L Y1 Y2 ( ) min G X1 X 2
*
mG m ——解吸因数。平衡线斜率和操作线斜率的比值 S L L 无因次。S愈大，解吸愈易进行。 G L 1 L G A ——吸收因数 S mG m 2013-8-15
2013-8-15
分析 ：
N OG
1 Y1 Y2 ln[( 1 S ) S] * 1 S Y2 Y2
2013-8-15
Y2 Y2
*
N OG
Y1 Y2
第五章-中试放大与生产工艺(2024版)
1. 生产工艺路线的确认和复审 例：抗癌药物氮芥（chlormethine，5-6）曾用乙醇做溶剂
精制，所得产品熔程长，杂物较多，质量难以保证。 中试放大时，改变氯化反应条件和提纯方法，先用无 水乙醇溶解，再加入非极性溶剂二氯乙烷，使其结晶
析出，从而解决了产品质量问题。
例：硝基苯电解还原生成对氨基酚，进一步反 应制备对乙酰氨基酚（paracetamol ，扑热息痛， 5-7）
物料 流量 摩尔组 名称 /kmolh-1 成/%
物料 流量 摩尔组 名称 /kmolh-1 成/%
输 苯和
甲苯
入
混合 液
输 馏出液
80
200 苯：0.4
甲苯：0.6 出 釜液
120
苯： 0.985 甲苯： 0.015
苯：0.01 甲苯： 0.99
总计 200
总计 200
Hale Waihona Puke 化学过程的物料衡算例3 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。
X
A
反应消耗 A组分的量 投入反应 A组分的量
100 %
3.收率（产率） 某重要产物实际收的量与投入原料计算
的理论产量之比值，也以百分率表示。
产物实际得量 Y 按某一主要原料计算的 理论产量 100 %
产物收得量折算成原料 量
Y
原料投入量
100 %
4.选择性 各种主、副产物中，主产物所占分率。
主产物生成量折算成原料量
二、确定物料衡算的计算基准及每年设备操作时间
1.物料衡算的基准
通常采用的基准有：
(完整版)物料衡算
F1=F2+F3 液体平衡式：料浆的液体=滤液的液体+滤饼的液体
F1X11=F2X21+F3X31 代入数据 得 ： 2000=F2+F3
0.75*2000=0.99F2+0.10F3 解得： F2=1460.7kg/h 、F3=539.3kg/h 可以利用固态平衡式来进行校核
0.25*2000=0.10*1460.7+0.9*539.3
例如利用压缩空气进行有氧发酵，在红霉素的生产
中，空气组成通常取含氧21%，含氮79%，是干基计 算，如把水分计算在内，氧气、氮气的体积变了。年 产福尔马林5000t，系指湿基。
➢ 设备操作时间
车间设备每年正常开工生产的天数， 一般以 330d计算，余下的36d作为车间 的检修时间。对于工艺技术尚未成熟或 腐蚀性大的车间一般以300d或更少一 些时间计算。
主副产品的产量
物
原材料消耗定额
料
物料的浪费
生产过程中的损耗
衡
生产过程的反常现象
三废产生量
算
物料衡算的理论基础
质量守恒定律
在化工过程中，物料平衡是指：进入一个装置（或设 备）的全部物料的量，必定等于离开这个装置（或设 备）的全部物料的量（包括损失量）和系统内累积起 来的物料的量。
物料平衡用公式表示如下： ∑G进料+∑G生成=∑G出料+∑G累积+∑G消耗
吸收过程 蒸馏过程 干燥过程 萃取过程
无化学变化的物料衡算
1.吸收是用适当的液体吸收剂处理气体混合物， 以除去其中的一种或多种组分的操作。
2.蒸馏是利用液体混合物中各组分挥发度的差异 而进行分离的一种单元操作。
3.干燥是一个物料对湿分的吸附或解析过程。
F1X11=F2X21+F3X31 代入数据 得 ： 2000=F2+F3
0.75*2000=0.99F2+0.10F3 解得： F2=1460.7kg/h 、F3=539.3kg/h 可以利用固态平衡式来进行校核
0.25*2000=0.10*1460.7+0.9*539.3
例如利用压缩空气进行有氧发酵，在红霉素的生产
中，空气组成通常取含氧21%，含氮79%，是干基计 算，如把水分计算在内，氧气、氮气的体积变了。年 产福尔马林5000t，系指湿基。
➢ 设备操作时间
车间设备每年正常开工生产的天数， 一般以 330d计算，余下的36d作为车间 的检修时间。对于工艺技术尚未成熟或 腐蚀性大的车间一般以300d或更少一 些时间计算。
主副产品的产量
物
原材料消耗定额
料
物料的浪费
生产过程中的损耗
衡
生产过程的反常现象
三废产生量
算
物料衡算的理论基础
质量守恒定律
在化工过程中，物料平衡是指：进入一个装置（或设 备）的全部物料的量，必定等于离开这个装置（或设 备）的全部物料的量（包括损失量）和系统内累积起 来的物料的量。
物料平衡用公式表示如下： ∑G进料+∑G生成=∑G出料+∑G累积+∑G消耗
吸收过程 蒸馏过程 干燥过程 萃取过程
无化学变化的物料衡算
1.吸收是用适当的液体吸收剂处理气体混合物， 以除去其中的一种或多种组分的操作。
2.蒸馏是利用液体混合物中各组分挥发度的差异 而进行分离的一种单元操作。
3.干燥是一个物料对湿分的吸附或解析过程。
化工原理第五章(吸收塔的计算)
2020/4/3
【解】已知 y1＝0.09 η＝95％＝0.95
∴
Y1
y1 1 y1
0.09 1 0.09
0.099
Y2＝(1－η)Y1＝(1－0.95)×0.099＝0.00495
据 Y*＝31.13X 知： m＝31.13
据
L (G )min
Y1 Y2 Y1 / m X 2
∴
L
0.099 0.00495
2020/4/3
2、填料层高度的基本计算式 【计算依据】 （1）物料衡算式； （2）传质速率方程式。 【操作特点】在填料塔内任一截面上的吸收的推动 力（Y－Y*）均沿塔高连续变化，所以不同截面上 的传质速率各不相同。 【处理方法】不能对全塔进行计算，只可首先对一 微分段计算，得到微分式，然后得到积分式运用于 全塔。
质的摩尔比。
物料衡算示意图
逆流吸收操作线推导示意图
2020/4/3
【假设】溶剂不挥发，惰性气体不溶于溶剂（即操作
过程中L、G为常数）。以单位时间为基准，在全塔
范围内，对溶质A作物料衡算得： G, Y2
L, X2
GY1 LX2 GY2 LX1
（进入量＝引出量）
或 G(Y1 Y2 ) L(X1 X2 )
2020/4/3
Y Y1 Y Y2 Y*
0
2020/4/3
NA KY (Y Y *) NA KX ( X * X )
Y=f(X)
吸收推动力 X*－X
吸收推动力 Y－Y*
X2
X
X1
X*
X
吸收推动力
二、吸收剂用量与最小液气比
1、最小液气比 【定义】对于一定的分离任务、操作条件和吸收物 系，当塔内某截面吸收推动力为零时（气液两相平 衡Y－Y*＝0），达到分离要求所需塔高为无穷大时 的液气比称为最小液气比，以（L/G）min表示。
【解】已知 y1＝0.09 η＝95％＝0.95
∴
Y1
y1 1 y1
0.09 1 0.09
0.099
Y2＝(1－η)Y1＝(1－0.95)×0.099＝0.00495
据 Y*＝31.13X 知： m＝31.13
据
L (G )min
Y1 Y2 Y1 / m X 2
∴
L
0.099 0.00495
2020/4/3
2、填料层高度的基本计算式 【计算依据】 （1）物料衡算式； （2）传质速率方程式。 【操作特点】在填料塔内任一截面上的吸收的推动 力（Y－Y*）均沿塔高连续变化，所以不同截面上 的传质速率各不相同。 【处理方法】不能对全塔进行计算，只可首先对一 微分段计算，得到微分式，然后得到积分式运用于 全塔。
质的摩尔比。
物料衡算示意图
逆流吸收操作线推导示意图
2020/4/3
【假设】溶剂不挥发，惰性气体不溶于溶剂（即操作
过程中L、G为常数）。以单位时间为基准，在全塔
范围内，对溶质A作物料衡算得： G, Y2
L, X2
GY1 LX2 GY2 LX1
（进入量＝引出量）
或 G(Y1 Y2 ) L(X1 X2 )
2020/4/3
Y Y1 Y Y2 Y*
0
2020/4/3
NA KY (Y Y *) NA KX ( X * X )
Y=f(X)
吸收推动力 X*－X
吸收推动力 Y－Y*
X2
X
X1
X*
X
吸收推动力
二、吸收剂用量与最小液气比
1、最小液气比 【定义】对于一定的分离任务、操作条件和吸收物 系，当塔内某截面吸收推动力为零时（气液两相平 衡Y－Y*＝0），达到分离要求所需塔高为无穷大时 的液气比称为最小液气比，以（L/G）min表示。
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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
1.370 100% 71.4% 210 6.664 106
写化学反应方程式
O
+3O2
O
+3H2O
O
O
2
+9O2
4
O
+ 6H2O
O
选基准
邻二甲苯 210kg/h
邻二甲苯
苯酐 148
顺酐 98
分子量
106
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
210 苯酐 3 5.943kmol /h 106 210 9 顺酐 8.915kmol /h 106 2
三、基本计算过程
1. 2. 3. 4. 5. 6. 画简图 标参数 定基准和范围（体系） 写化学反应方程式 列衡算式 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
流程图
H2O W mol CH4 1mol CH4 M mol CO x mol
反应过程
H2O 2.5mol
CO2
H2
y mol
z mol
物料平衡W+2M+z C: 1=M+x+y O: 2.5=W+x+2y
反应平衡方程
K p1 K p2 pCO p
基本依据
质量守恒定律（不包括核反应）
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
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 蒸 馏 塔
P kg/h A x B y C 1-x-y
F=100kg/h
A 0.2
B 0.3 C 0.5
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
流程图
R C3H8 R1 kmol/h C3H6 R2 kmol/h C3H8 100kmol/h P 分离器 C3H8 P1 kmol/h C3H6 P2 kmol/h H2 P3 kmol/h
MF
反应器
RP
C3H8 N1 kmol/h C3H6 N2 kmol/h
C3H8 Q1 kmol/h C3H6 Q2 kmol/h H2 Q3 kmol/h
3 H2
pCH 4 pH 2O pCO 2 pH 2 pCO pH 2O
63.29 1.202
各组分的分压
M pCH 4 yCH 4 P P W M x yz W pH 2O y H2O P P W M x yz x pCO y CO P P W M x yz y pCO2 y CO P P 2 W M x yz z pH 2 y H P P 2 W M x yz
第五章 物料衡算
郭宁
guoning@
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
有反应平衡过程的物料衡算
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。
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
C3H6: Q2=P2+R2 R2=(1-95%)×P2=4.75 kmol/h
Q2=99.75 kmol/h 单程转化率
N1 Q1 (100 895)- 900 9.55% N1 100 895
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
P
反应过程
空气4620 Hm3/h 氧气 0.21(mol/mol) 氮气 0.79(mol/mol）
苯酐 0.654%（mol） 顺酐 0.066% 氧气 16.53% 氮气 77.5%
输入氮气的量
4620 0.79 162 .94kmol / h 22.4
反应产物的总量
162 .94 P 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
物料衡算
过程物料衡算
100 P 1 95% 100
P1=5 kmol/h P2=95 kmol/h P3=95 kmol/h
产品组成
分离器物料衡算
C3H8：
Q1=P1+R1 0.555%Q1=P1=5 kmol/h ∴ Q1=900 kmol/h R1=895 kmol/h
整理得到
(W 2M 0.5)(4.5 2M W ) P 63.29 2 MW (5.5 2M )
3 2
(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 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。
W kg/h A 0.005 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%)