物料衡算 Material Balance概 述物料衡算是化工工艺设计中最基本的设计内容，是工艺设计的基础。主副产品的产量 原材料消耗定额 生产过程中的损耗 三废产生量物料的浪费 生产过程的反常现象物 料 衡 算物料衡算的理论依据“质量守衡定律”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。输入=输出+累积 F=D+W（1）基本式： 输入+生成=输出+消耗+累积“生成”、“消耗”是指由于化学反应而生成、消耗的质量（2）对稳态过程：累积项=0输入+生成=输出+消耗*稳态（定态）过程：系统内任一部分的参数，不随时间而变，只随空间位置而改变，是存在于连续操作的一个过程，其特征为：累积项=0有化学反应时的物料衡算无化学反应的稳态过程：输入=输出稳态过程物料衡算式物料平衡形式 无化学反应 有化学反应 总平衡式总质量平衡式 是 是 总摩尔平衡式是 否 组分平衡式 组分质量平衡式是 否 组分摩尔平衡式 是 否 元素原子 平衡式 元素原子质量平衡式 是 是 元素原子摩尔平衡式 是 是 物 料 衡 算 的 基 本 步 骤1. 画出工艺流程示意图2. 列出化学方程式3. 确定计划任务4. 收集数据物料的名称，数量，组成及流向 与计算有关的工艺条件如：P，T，配比等未知的，待求的未知项，用字母，符号标定清楚。画出与物料衡算有关的设备及管线写明反应过程的热效应 省略次要的副反应分析未知 选择公式收集数据生产规模和生产时间（年生产时数）生产规模在设计任务书中已有，若是中间车间应根据消耗定额来确定生产规模，要考虑物料在车间回流的情况。 大型企业一般8000小时/年 对要经常维修或试验性车间一般7200小时/年 很少的厂可达8400小时/年有关的定额，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6. 建立物料平衡方程， 进行物料衡算7. 整理并校核计算结果 8. 绘制物料流程图，填写物料平衡表。 列出的数学关联式的数目应与所求未知项的数目相同，若数学式不够，用试差法求解。时间基准 质量基准 体积基准 干湿基准对连续生产过程可用单位时间的物料量或单位时间的产品量作计算基准。对间歇生产过程可以一套或一批料的生产周期作基准。如一个反应釜，每次投料800kg，完成一个操作周期为4h，则每小时处理物料200kg/h作计算基准。时间基准质量基准当进行衡算的系统其物料缘于固相或液相时，可选择一定质量的原料或产品作为计算基准，可选用1kg原料为计算基准。特别是原料或产品是单一化合物，或其组成是已知的，选此作计算基准更为方便。 体积基准当物料是气体时，可选用体积为基准，通常都换算成 STP（标准状态）下的体积，这样可排除T，P变化带来的影响，而且容易把体积换算成mol数（除以22.4）。不论是固态，液态或气态物质往往都含有一定的水分，因此就出现干基，湿基的问题。若进行衡算时，把水分去掉则称干基，把水分一起算入称为湿基，二者可互算。干湿基准*选作基准的物料，必须是已知条件最多，并与其它物料关系明确之物。物料平衡表 输 入输 出 名称重量组成%单重名称重量组成%单重混酸 435HNO3 47 H2SO4 49 H2O 4 204.5 213.1 17.4 废酸291HNO3 1 H2SO4 73.2 H2O 25.8 2.9 213.1 75氯 苯 混合料 394C6H5Cl 92 NO2C6H4Cl 8 362.5 31.5 硝基 物层538C6H5Cl 0.65 NO2C6H4Cl 99.353.5 534.6共计 829100 100829 共计829100 100829基准：每小时 单位：kg废酸层 165.3组分重量% HNO3 H2SO4 H2O NCB2.60 118.6 41.3 2.851.57 71.74 24.98 1.72混合料 210.7 组分重量% NCB CB2.6 201.351.23 98.7萃取废酸 162.7 组分重量%氯苯 208.1 组分重量%CB208.1100萃 取硝 化单 位：kg/h物料流程图 -2.6+2.6概述1计算中用的基本量物理过程的物料衡算化学反应的物料衡算234目 录1. 摩尔分数、质量分数、平均分子量摩尔分数对于流动物系质量分数对于流动物系平均分子量摩尔流量质量流量质量流速2. 流体的流量和流速体积流量： m3/h、 m3/min、 m3/s流体的线速度：流体单位时间内在流动的方向上所流 经的距离, m/s质量流量：单位时间内流经管道或设备的流体的质量kg/h、 kg/min、 kg/s质量流速G：单位时间内流经管道或设备的单位横截面积的流体的质量 kg/h、 kg/min、 kg/s摩尔流量：kmol/h、 kmol/min、 kmol/s体积流量质量流量线速度W=Q=uA3. 气体的体积和密度1） 一般压力、温度1M Pa 按真实气体对待 PV=ZnRTZ为压缩因子，为对比压力pr、对比温度Tr的函数临界值H2、He和Ne根据pr 和Tr查 表得Z如为混合气体3） 真实气体混合物假临界值仍用压缩因子法计算4） 标准状况用标准状况下的体积表示气体的量下标“0”表示标准状况，下标“1”表示工作状态4. 液体的密度对比密度 临界密度由pr和Tr查表液体混合物密度与温度、压力和组成有关体积加合法5. 物质的饱和蒸汽压饱和蒸汽压：液体在一定温度下相应的蒸发-凝结的平衡状态的蒸汽压力6. 溶液上方蒸汽中各组分的分压1）理想溶液由化学结构非常相似，相对分子质量又相近的组分所形成的溶液拉乌尔定律2）非理想溶液活度系数，riai/ xi 由范拉尔方程或威尔逊方程求得7. 气液平衡常数1）完全理想系 低压下组分结构十分相似的溶液2）理想系中压( 1.52.0Mpa)的理想溶液7. 转化率x、收率Y 和选择性S起始量的选择： 连续反应器 反应器进口处原料的状态为起始状态 间歇反应器 反应开始时的状态为起始状态 串联反应器 进入第一个反应器的原料组成为计算基准限制反应物过量反应物Y = Sx概述1计算中用的基本量物理过程的物料衡算化学反应的物料衡算234目 录物理过程的物料衡算n无化学反应发生n属于化工单元操作过程的衡算如过滤、混合、吸收、干燥、结晶、精馏等例：在过滤机中把含有25%（质量%）固体的浆料进行过滤，现在料浆的进料量为2000kg/h 滤饼含有90%固体，滤液含1%固体。试计算滤液，滤饼的量（设过滤有一个稳态连续过程）1. 过滤： 用过滤设备把液固分开的操作例：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（1）每一批操作中可得的母液量？（2）蒸发水量？（3）析出NaCl固体量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。概述1计算中用的基本量物理过程的物料衡算化学反应的物料衡算234目 录u常用计算方法u利用联系物做物料衡算u复杂反应体系使用产物、副产物各自的收率数据作物料衡算u带有物料循环的流程的物料衡算u多步串联过程的物料衡算化学反应的物料衡算1.常用计算方法由于化学反应的存在，总摩尔平衡式，组分的质量，摩尔平衡式是不成立的。 在化学反应中常涉及转化率、反应速率、收率、过量系数等，要注意其定义式。特别是过量系数它是基于限制反应物100%转化下的值，而不论真实反应时限制反应物是否完全反应。u直接计算法u反应速度法u平衡常数法u结点法1）直接计算法根据化学反应方程式进行计算例1：用甲醇催化氧化制甲醛，反应式为：CH3OH + 0.5O2 HCHO+H2O氧由空气中来，已知空气过剩系数为1.5，甲醇转化率为75%。计算反应后气体混合物的mol组成（反应物与产物均为气态）。反应后气体混合物组成：组 分molmol %CH3OH0.255HCHO0.7515.2 H2O0.7515.2O20.3757.6N22.8257共 计4.9451002. 反应速度法反应速率的定义：某一组分进单位体积反应器与出反应器的mol流量之差称为该组分的反应速率。( molm-3/s)RS=FS-FS S组分; RSS组分的反应速率（以单位时间表示）则 FS=FS+RS FSS组分的输入流量kmol/s FS S组分输出流量kmol/s当有化学反应时，以组分建立的质量平衡式和 mol平衡式已不成立，这时利用反应速率来建立衡算式。aA + bB cC + dD表示反应的速率有RA、RB、RC、RD，这四者之间的关系式为：通式ii组分的化学计算系数，对反应物取负值，生成物取正值由此得Ri=ri代入上面式子得 Fi=Fi+ ri利用联系物做物料衡算惰性物料的数量在反应器的进口、出口物料中没有变化,计算时可以利用它在设备进、出口的数量(质量或摩尔 数)不变的关系列物料衡算方程。称这种惰性物料为联系物。 对于复杂反应体系使用产物、副产物各自的收率 数据作物料衡算一个生产车间（或多个乃至全厂）有许多设备与工序，各工序之间又相互牵制，反应组分很多，物料 衡算比较复杂。一般可按下述步骤进行： 按生产工艺流程画出示意图，注上有关条件。 根据本车间的年产量及年工作时间及产品产率确 定单位时间的投料量。 按物料流程的顺序分别对各单元操作（工序）作 物料衡算，列出各工序的衡算表。进行衡算时，计算基准选定后，整个车间各工序的衡 算都要以此为计算基准，不能一个工序选一个基准。