第三章物料衡算和能量衡算1

选择性
或
注意：
式中的分母是按主反应式的化学计量关系 来计算的，并假设转化了的所有反应物全 部转变成目的产物。
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（3）收率（产率）
对同一反应物，Y=S•X。
无副反应的体系，S=1，Y=X，收率=转化率；
有副反应的体系，S<1，
目标是使目的产物的收率最高，不单纯追求
第三章物料衡算和能量衡算1
⑶有效生产周期：
开工因子通常在0.9左右，开工因子大意味着停 工检修带来的损失小，即设备先进可靠，催化 剂寿命长。
转化率、选择性和收率
（1）转化率
（2-13） 关键反应物——反应物中价值最高的组分，为使
其尽可能转化，常使其他反应组分过量。 不可逆反应，关键组分的转化率最大为100%。 可逆反应，关键组分的转化率≤其平衡转化率。
第三章物料衡算和能量衡算1
➢原辅材料、产品、中间产品的规格； ➢与过程有关有物理化学参数，如临界参数、密度或比体积、状态方 程参数、蒸汽压、气液平衡常数或平衡关系等。
(6) 列出过程全部独立物料平衡方程式及其相关约束式，对有化 学反应的还要写出化学反应方程式，指出其转化率和选择性。
(7) 选择计算基准； (8) 统计变量个数与方程个数，确定设计变量个数及全部设计变量。
①燃气或烟道气
经过燃烧过程所产生的气体，包括其所含的水蒸 气的称为湿气，不包括水蒸气在内的称为干气。
②理论空气量或理论氧气量
使过程内的物质完全燃烧所需的空气（或氧气）量， 有时也称为空气需要量或氧气需要量。
③过量空气或过量氧气
使过程内的物质完全燃烧，超过所需的空气（或 氧气）量。
注意：在部分燃烧反应中，例如C燃烧成CO与CO2， 在计算过量空气（氧气）时，均以C完全燃烧成CO2 的空气量（氧气量）为基准来计算的。
物料、能量衡算的目的和内容
• 在于定量研究生产过程，为过程设计和操 作最佳化提供依据。
• 对过程中的各个设备和工序，逐个计算各 物料的流量、组成及热流量和温度，定量 地表示所研究的对象。
物料、能量衡算的意义
• ①计算生产过程的原材料消耗指标、能耗定额和产品产 率等 。
• ②根据物料衡算和能量衡算数据和设备恰当的生产强度， 可以设计或选择设备的类型、台数及尺寸。物料衡算和 能量衡算是设备计算的依据。
进行计算的方法，可使计算较为方便。 适用范围：反应较简单，反应式可明确写出时。 为使反应易于进行，常采用使某一物质过量，但
应特别注意，过量百分比是基于限制反应物 100%的转化，而不论真实反应是否完全或不完 全。
第三章物料衡算和能量衡算1
在燃烧过程中，通常采用过量空气，即实际供给的空 气量超过使燃料中可燃物完全燃烧所需的理论空气量， 多余的空气，即为“过量空气”。一般燃烧器，空气 过量为5-20%。
品作为计算基准较适合。
(4) 物质的量基准：对于有化学反应的过程因化学反应的按摩尔进行
的，用物质的量基准更方便。
(5) 标准体积基准：对气体物料进行衡算，可采用标准体积基准，
Nm3(STP)，既排除T、p的影响，又可直接换算为摩尔。
(6) 干湿基准：由于物料中均含有一定量的水分，选用基准时就有算不
算水分的问题。湿基计算水分，干基不计算水分。
• 化工过程就是由反应过程和若干个单元操作组合而成的一 个系统。
第三章物料衡算和能量衡算1
化工过程的类型
• 根据其操作方式分
– 间歇操作 原料一次加入→过程→产品一次排出 – 连续操作 原料连续加入→过程→产品连续排出 – 半连续操作 原料一次加入→过程→产品连续排出
或原料连续加入→过程→产品一次排出
单位是“开尔文”，英文是“Kelvin”简称“开”，国际代号“K”。开 尔பைடு நூலகம்是为了纪念英国物理学家Lord Kelvin而命名的。
以绝对零度（0K）为最低温度，规定水的三相点的温度为 273.16K，
开定义为水三相点热力学温度的1/273.15。
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3 华氏温标,℉ 水盐混合物的温度：0℉ ；健康人的血液温度：96℉ 水的正常冰点：32℉；水的正常沸点：212℉ 其间均分180等份 其单位为℉
二、物料衡算基准
物料衡算时须选择计算基准，并在计算过程中保持一致。 一般计算过程的基准有以下几种：
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(1) 时间基准——对连续生产过程，常以单位时间(如d、h、s）的投料
量或产品量为计算基准。
(2) 批量基准——以每批操作或一釜料的生产周期为基准。 (3) 质量基准——当系统介质为液、固相时，选择一定质量的原料或产
高转化率或高选择性。
第三章物料衡算和能量衡算1
对循环过程而言，有单程收率和总收率之分。
单程收率
总收率
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（4）质量收率
指投入单位质量的某原料所能生产 的目的产物的质量。
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3.2 反应过程物料衡算
（1）直接计算法 主要是根据化学反应方程式，运用化学计量系数
(9) 整理并校核计算结果，并根据需要换算基准，最后列成表格即 物流表。
(10) 绘制物料流程图，编写物流表作为设计文件成果编入正式设计 文件。
第三章物料衡算和能量衡算1
识别问题的类型
绘制工艺过程示意图 选择计算基准
建立物料衡算方程式并进行未知量的求解 列出物料衡算表
•。
化工过程的主要效率指标
生产能力和生产强度
过量空气百分数与过量氧气百分数相同，其定义为：
氧气进料量=完全燃烧所需的氧气量+过量氧气量
注意
若过量空气百分数>100%，则过量空气的含义 是包括理论需要空气量和超过部分的量的总和。
例 丙烷充分燃烧时，要供入空气量125%，反应式为： C3H8+5O2 → 3CO2+4H2O，问每产生100摩尔烟 道气需空气量多少摩尔？
实际计算时，必须根据具体情况选择合适的基准，过程的物料衡 算及能量衡算应在同一基准上进行。
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三、物料衡算的基本程序
(1) 确定衡算对象和范围，画出计算对象的草图。注意物料种类和走 向，明确输入和输出。
(2) 确定计算任务，明确已知项、待求项，选择数学公式，力求使计算 方法简化。
3.1 物料衡算
物料衡算—运用质量守恒定律，对化工过程或设备进行定量计算。
通过物料衡算解决以下问题：
➢ 计算原料消耗量、副产品量； ➢ 输出过程物料的损耗量及三废的生成量； ➢ 在物料衡算基础做能量衡算，计算蒸汽、水、电、煤或其他燃料的
消耗定额。 ➢ 计算产品的技术经济指标。
为生产设备和辅助设备的选型及设计、管路设施与公用工程的设 计等方面提供依据。
(3) 确定过程所涉及的组分，并对所有组分依次编号。 (4) 对物流的流股进行编号，并标注物流变量。 (5) 收集数据资料（设计任务所规定已知条件，与过程有关物理化学参
数）：
➢ 生产规模（设计任务所规定，t/年）和生产时间（指全年有效生 产天数300~330天/年，计约8000h）。
➢ 有关定额的技术指标，通常指产品单耗、配料比、循环比、固液 比、气液比、回流比、利用率、单程收率、回收率等等。
4、兰金温标，°R 与开氏温标相似，也是以最低理论温度为0度的一种绝
对温标。 其0度为-459.67℉（-460℉）。 • 四种温度的关系：
第三章物料衡算和能量衡算1
• 二）压力(压强） • 三）流量 • 四）组成
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3.1 物料衡算 3.2 能量衡算 3.3 化工模拟软件在化工设计中的应用
• 根据操作状态分
– 稳定状态操作（定态操作）过程参数=f(x、y、z) – 不稳定状态操作（非定态操作）过程参数=f(x、y、z、t)
第三章物料衡算和能量衡算1
化工过程基本参数
过程参数：生产过程中影响过程运行和状态的物理量。 一）温度
表示物体冷热程度的物理量。温标。 1、摄氏温标，℃
水的正常冰点：0℃ 水的正常沸点：100℃ 其间均分100等份 其单位为℃ 2、开尔文温标，K（又叫热力学温度，热力学温标）
• ③作物料衡算可以检查各物料的计量、分析测定数据是 否正确；检查生产运行是否正常。
• ④作系统各设备及管路的物料衡算时，可以检查出生产 上的薄弱环节或限制部位。从而找出相应的强化措施。
• ⑤物料衡算和能量衡算是传统最优化和经济核算的基础。 • ⑥物料衡算和能量衡算的方程往往用于求取生产过程中
的某些未知量或操作条件。
第三章物料衡算和能量衡算1
一、物料衡算依据 1. 理论依据——质量守恒定律
物料衡 算范围
单元操作的物料衡算——化工设备设计的前提 化工过程的物料衡算——化工过程设计的前提
物料衡算的一般表达式为：
输入量－输出量＋生成量－消耗量＝积累量
对稳定操作过程，积累量=0 输入量-输出量+生成量-消耗量=0
对无化学反应的过程： 输入量－输出量＝积累量 对无化学反应的稳定操作过程：输入量＝输出量
则实际空气量=过量空气%×理论空气量 =125%×2380=2976 mol
反应前：
反应后：
氮气不参加反应，仍为2351 mol。
第三章物料衡算和能量衡算1
• 在不同的生产过程中，有一些具有共性的物理操作，它们 不改变物料的化学性质，只改变物料的物理性质，这类操 作被称为单元操作，如流体输送、传热、蒸馏、干燥、蒸 发、结晶、萃取、吸收、吸附、过滤及破碎等操作。
• 化工过程中还包括一些改变物料的化学性质的反应过程， 如氢与氮合成氨反应、乙烯氧化成环氧乙烷反应等等。
第三章物料衡算和能量 衡算1
2020/12/7
第三章物料衡算和能量衡算1
应用守恒定律来研究化工过程的物料衡算和 能量衡算问题。
一、 化工过程 • 所谓化工过程，是指由原料经化学处理和物理处理加工成
化学产品或中间产品的生产过程。 • 它包括许多工序，每个工序又由若干个或若干组设备（如
反应器、蒸馏塔、吸收塔、干燥塔，分离器、换热器及输 送设备等等）组合而成。 • 物料通过各设备时，完成某种化学或物理处理，最终成为 合格的产品。
第三章物料衡算和能量衡算1
本 章要求
• 掌握非反应过程的物料衡算及反应过程 的物料衡算；
• 掌握装置的物料衡算； • 掌握以反应热效应为基础的计算方法，
以及以生成热为基础的计算方法。 • 本章重、难点：物料衡算及热量衡算。
第三章物料衡算和能量衡算1
物料、能量衡算 在化工技术中的作用
• 物料、能量衡算是所有设计计算的基础，是反应 器和设备设计的根据，也是过程、设备各系统经 济核算和最优化的依据。一般来说，在设计一个 生产系统，或者计算某个单元操作及设备时，首 先必须作物料、能量衡算。
第三章物料衡算和能量衡算1
排放
新鲜原料
反应系统
分离系统
产品
循环物流
循环机械
图 带有物料循环的流程示意图
对循环过程而言，有单程转化率和全程转化率。
（2）选择性
是指体系中转化成目的产物的某反应物的量 与参加所有反应而转化的该反应物总量之比。
在复杂反应体系中，选择性表达了主、副反 应进行程度的相对大小，能确切反映原料的利用 是否合理。
解：采用不同的计算基准计算。
解法Ⅰ基准 ：100 mol丙烷（关键组分）。
反应式： C3H8+5O2 → 3CO2 + 4H2O
转化量： 100 X
Y
Z
X = 500mol Y = 300mol Z = 400mol
由于空气中氧气和氮气的摩尔比为：
O2∶N2 = 21∶79 理论空气量=500/0.21=2380.9mol
⑴生产能力指一个设备、一套装置或一个工厂在 单位时间内生产的产品量，或在单位时间内处理 的原料量。 设计能力——设备或装置在最佳条件下可以达到的 最大生产能力。
第三章物料衡算和能量衡算1
⑵生产强度为设备的单位特征几何量的生产能力。 即设备的单位体积的生产能力，或单位面积的 生产能力。
n 此指标主要用于比较那些相同反应过程或物理加 工过程的设备或装置的优劣。
第三章物料衡算和能量衡算1
对有化学反应的过程：总物料衡算+元素衡算式 2. 数据基础
(1) 技术方案、操作方法、生产能力、年工作时。 (2) 建设单位或研究单位的要求、设计参数、小试及中试数据： ➢ 化工单元过程的化学反应式、原料配比、转化率、选择率、总收
率，催化剂状态、用量、回收方法、安全性能等； ➢ 原料及产品的分离方式，分离剂的用量，各步的回收率； ➢ 特殊化学品的物性：沸点、熔点、饱和蒸汽压、闪点等。 (3) 工艺流程示意图。