4 物料衡算

表 甲苯磺化过程的物料平衡表
物料名称 输 入 原料甲苯 浓硫酸 质量/kg 1000 1100 质量组成/% 甲苯 99.9 水 0.1 硫酸 98.0 水 2.0
2100
纯品量/kg 999 1 1078 22 1500.8 168.4 161.1 20.0 35.2 21.4 193.1
总计
输
化学反应过程的物料衡算
例 在间歇釜式反应器中用浓硫酸磺化甲苯生产对甲苯磺酸，试对该过 程进行物料衡算。已知批投料量为：甲苯1000kg，纯度99.9%(wt%，下 同)；浓硫酸1100kg，纯度98%；甲苯的转化率为98%，生成对甲苯磺酸 的选择性为82%，生成邻甲苯磺酸的选择性为9.2%，生成间甲苯磺酸的 选择性为8.8%；物料中的水约90%经连续脱水器排出。此外，为简化计 算，假设原料中除纯品外都是水，且在磺化过程中无物料损失。
G
HNO 3
= 0.461000
对H2SO4进行物料衡算得
0.925
0.02
G
G H 2 SO 4
+ 0.69 G 废 = 0.461000
G H 2 SO 4 +0.31 G 废 =
对H2O进行物料衡算得
HNO 3
+0.075
0.081000
混酸配制过程的物料平衡表
物料 名称 输 硝酸 硫酸 入 废酸 总计 131.1 工业品 量/kg 469.4 399.5 质量组 成/% HNO3：98 H2O：2 输
yT y1 y 2 y 3 y4
83 . 6 % 90 % 88 . 5 % 48 . 4 %
32 . 2 %
物理过程的物料衡算
1. 2.
3.Байду номын сангаас
4.
吸收过程的物料衡算 蒸馏过程的物料衡算 干燥过程的物料衡算 萃取过程的物料衡算
例 硝化混酸配制过程的物料衡算。已知混酸 组成为H2SO4 46%(质量百分比，下同)、 HNO3 46%、H2O 8%，配制混酸用的原料 为92.5%的工业硫酸、98%的硝酸及含 H2SO4 69%的废酸（仅有硫酸和水）。试通 过物料衡算确定配制1000kg混酸时各原料的 用量。为简化计算，设原料中除水外的其它杂 质可忽略不计。
表 甲苯磺化过程的物料平衡表
物料名称 输 入 原料甲苯 浓硫酸 质量/kg 质量组成/% 甲苯 水 硫酸 水 对甲苯磺酸 邻甲苯磺酸 间甲苯磺酸 甲苯 硫酸 水 水 纯品量/kg
总计
输
磺化液
出 脱水器排水 总计
解：以间歇釜式反应器为衡算范围，对于间歇操作过程，常以单位时间间隔内 的投料量为基准进行物料衡算。绘出物料衡算示意图。
磺化液
1906.9
出 脱水器排水 总计 193.1
对甲苯磺酸 邻甲苯磺酸 间甲苯磺酸 甲苯 硫酸 水 水
2100
78.7 8.83 8.45 1.05 1.85 1.12 100
第三章、物料衡算
一、概述
物料衡算的内容：根据质量守恒定律，进入任何过程的物 料质量，必须等于从该过程离开的物料质量与积存于 该过程中的物料质量之和。 物料衡算的作用：在整个工艺设计中，物料衡算是最先进 行的一个计算项目，其结果是后续的能量衡算、设备 选型或工艺设计、车间布置设计、管道设计等各单项 设计的依据。
kg
反应生成的邻甲苯磺酸量为：
979 172 9 . 2 % 168 . 4 kg
反应生成的间甲苯磺酸量为：
979 172 8 . 8 % 161 . 1 kg
92
反应生成的水量为：
92
979 92 18 191 . 5
kg
经脱水器排出的水量为： (23+191.5)90%=193.1kg 磺化液中剩余的水量为： (23+191.5)-193.1=21.4kg 反应消耗的硫酸量为： 979 98 1042 . 8 kg 92 未反应的硫酸量为：1078-1042.8=35.2kg 磺化液总量为： 1500.8+168.4+161.1+20+35.2+21.4=1906.9kg
四、衡算基准：
在进行物料衡算或热量衡算时，都必须选择相应的衡算
基准作为计算的基础。根据过程特点合理地选择衡算基
准，不仅可以简化计算过程，而且可以缩小计算误差。 1. 单位时间 2. 单位质量 3. 单位体积
五、平衡计算的范围：
一台设备、 一套装置、 一个工段、 一个车间、 一个工厂。 （进入体系的物料均为输入项， 离开体系的物料均为输出相）
七、计算数据说明
1、转化率 2、收率 3、选择性 4、回流比 5、单耗
6、流量或者流速 7、分配系数 8、摩尔分数或者质量分数 9、含水量 10、湿度
例 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。
解：化学反应方程式为
CH3 + H2SO4 110~140 0 C CH3 + H2O SO3H
分子量
92
98
xA 1000
172
1000 20
18
则甲苯的转化率为 对甲苯磺酸的收率为 对甲苯磺酸的选择性为
100 % 98 %
y
1460 / 172 1000 / 92
100 % 78 . 1 %
二、物料衡算的分类
物理过程的物料衡算：混合或分离 化学过程的物料衡算：新化学键的生成
连续操作的物料衡算 间歇操作的物料衡算
三、物料衡算的理论
物料衡算的理论基础是质量守恒定律，
1.物理过程 式中：
∑Gi= ∑Go+∑GA
∑Gi ——输入体系的总物料量； ∑Go ——输出体系的总物料量； ∑GA——物料在体系中的总累积量。
六、计算方法和流程
1、明确衡算目的，如通过物料衡算确定生产能力、 纯度、收率等数据。 2、明确衡算对象，划定衡算范围，绘出物料衡算 示意图，并在图上标注与物料衡算有关的已知 和未知的数据。 3、对于有化学反应的体系，应写出化学反应方程 式(包括主、副反应)，以确定反应前后的物料 组成及各组分之间的摩尔比。 4、收集与物料衡算有关的计算数据， 5、选定衡算基准，进行物料衡算。 6、编制物料平衡表。
浓硫酸中的硫酸量为：11000.98=1078kg 浓硫酸中的水量为：1100-1078=22kg 进料总量为：1000+1100=2100kg，其中含甲苯999kg， 硫酸1078kg，水23kg。
CH3
CH3 + H2SO4 110~140 0 C + H2O SO3H
SO3H + H2O
主反应
CH3
CH3 + H2SO4 110~140 0C
副反应I
CH3
CH3 + H2SO4 110~140 0C SO3H + H2O
副反应II
分子量 92
98
172
18
出料：
反应消耗的甲苯量为：99998%=979kg 未反应的甲苯量为：999-979=20kg
反应生成的对甲苯磺酸量为：
979 92 172 82 % 1500 . 8
原料甲苯：1000kg 纯度99.9% 浓硫酸：1100kg 纯度98%
甲 苯 磺化釜
对甲苯磺酸 邻甲苯磺酸 间甲苯磺酸 磺化液 甲苯 硫酸 脱水器 排 水 水
（水） 甲苯磺化过程物料衡算示意图
进料： 原料甲苯中的甲苯量为：10000.999=999kg
原料甲苯中的水量为：1000-999=1kg
解：混酸配制过程可在搅拌釜中进行。以搅拌釜为衡算范围， 绘出混酸配制过程的物料衡算示意图。
H2SO4 46% HNO3 46% H2O 8%
92.5%
G
G
H 2 SO
HNO
4
98%
3
G
废
69%硫酸
混酸配制 搅拌釜
硝化混酸 （1000kg）
混酸配制过程物料衡算示意图
对HNO3进行物料衡算得
0.98
H2SO4：92.5 H2O：7.5
H2SO4：69 H2O：31
1000
物料 名称
工业品 量/kg
质量组 成/%
出
硝化 混酸
1000
H2SO4：46 HNO3：46 H2O：8
总计
1000
上节回顾
物料衡算的目的 物料衡算的理论 物料衡算的基准 物料衡算的范围 物料衡算的计算方法 物理过程的物料衡算
100 % 79 . 7 %

92 (1460 / 172 ) (1000 20 )
例 邻氯甲苯经-氯代、氰化、水解工序可制得邻氯苯乙酸，邻氯苯乙 酸再与2，6-二氯苯胺缩合即可制得消炎镇痛药—双氯灭痛。已知各工序的 收率分别为：氯代工序y1=83.6%、氰化工序y2=90%、水解工序y3=88.5%、 缩合工序y4=48.4%。试计算以邻氯甲苯为起始原料制备双氯灭痛的总收率。 解：设以邻氯甲苯为起始原料制备双氯灭痛的总收率为yT，则
∑G1 ∑GA ∑G0
稳态过程： ∑G1= ∑G0
2、化学过程 元素的物料衡算：∑Gi= ∑Go+∑GA。 组分的物料衡算：平衡方程式可表示为 ∑GIi+ ∑GPi = ∑GOi+ ∑GRi + ∑GAi ∑GIi—输入体系的i组分的量； ∑Goi—输出体系的i组分的量； ∑GPi—体系中因化学反应而产生的i组分的量； ∑GRi—因化学反应而消耗的i组分的量； ∑GAi—组分的累积量