【正文】 2= 3: iC5 Z2,3= 4: nC5 Z2,4= V1A+V2B+V3C V4D+V5E 式中 Vj——反應(yīng)中第 j 組分的化學(xué)計(jì)量系數(shù)； (反應(yīng)物為消失 負(fù) ，生成物為 正 ) Mj——第 j 組分的分子量。各溶液的第二組分為水，試完成其物料衡算。 NI —進(jìn)入流股數(shù)； NT — 物質(zhì)流股總數(shù)； NC — 總組分?jǐn)?shù)目 。以穩(wěn)態(tài)為例： 物質(zhì)總流量守恒 原子總數(shù)量守恒 摩爾流率守恒 (無化學(xué)反應(yīng) ) 簡單的物料衡算 ① 分析問題； ② 畫流程圖； ③ 確定系統(tǒng)，分析自由度； ④ 選定計(jì)算基準(zhǔn)； ⑤ 列出衡算模型，并求解。 物料衡算常用基本概念和方法 質(zhì)量守恒定律 質(zhì)量守恒定律是指“進(jìn)入一個(gè)系統(tǒng)的全部物料量必等于離開這個(gè)系統(tǒng)的全部物料量，再加上過程中損失量和在系統(tǒng)中積累量”。所以物料衡算是復(fù)合材料工藝計(jì)算的重要部分。 物料衡算的作用與意義 ? 物料衡算還可以檢驗(yàn)生產(chǎn)過程的完善程度，對(duì)生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)工作也有著重要指導(dǎo)作用。4 物料衡算與熱量衡算 依據(jù)質(zhì)量守衡定律，以設(shè)備或生產(chǎn)過程作為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)、出口處進(jìn)行定量計(jì)算，稱之為物料衡算。物料衡算是計(jì)算原料與產(chǎn)品之間的定量關(guān)系，由此定出原料和輔助材料的用量、制訂原料和輔助材料的單耗指標(biāo)以及生產(chǎn)過程中各個(gè)階段的原料和輔助材料的損耗量及其組成。 物料衡算可分 操作型計(jì)算 和 設(shè)計(jì)型計(jì)算 。依據(jù)質(zhì)量守恒定律，對(duì)一研究系統(tǒng)作物料衡算，可用下式表示： ∑F進(jìn) =∑F出 +∑F損 +∑F積 式中 ∑F進(jìn) 輸入物料總和； ∑F出 離開物料量總和； ∑F損 總的損失量； ∑F積 系統(tǒng)中積累量。 美國黃石公園 簡單的衡算模型 (1) 總體物料衡算： (2) 組分的物料衡算： (3) 組成的約束條件： ?????? NTNIiiNIii FF11 ? ???? NTNIijiiNIijii ZFZF1,1,圖 簡單衡算系統(tǒng)示意圖 式中： Fi—第 i個(gè)股的總流率， kg/h (kmol/h)。 Vj — 反應(yīng)物中第 j 組分的化學(xué)計(jì)量系數(shù)，反應(yīng)物為負(fù)，生成物為正。 圖 硫酸簡單混合系統(tǒng)示意圖 1 2 3 混合器 F1=? H2SO4 Z1,1= H2O Z1,2= F2=? H2SO4 Z2,1= H2O Z2,2= F3=1000 kg/h H2SO4 Z3,1= H2O Z3,2= 總： F1+F2=F3=1000 流股組分 40%硫酸 (1) 98%硫酸 (2) 90%硫酸 (3) kg/h 質(zhì)量分率 kg/h 質(zhì)量分率 kg/h 質(zhì)量分率 H2SO4 H2O 合計(jì) 862. 1000 解 : 水： +==100 聯(lián)立： F1= 138 kg/h F2= 862 kg/h 計(jì)算結(jié)果 圖 硫酸簡單混合系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果 幾個(gè)組分就有幾個(gè)獨(dú)立方程； 幾個(gè)組分就有幾個(gè)獨(dú)立變量； 幾個(gè)組分流股方程中就有幾項(xiàng)。 物料衡算： 質(zhì)量守恒： 轉(zhuǎn)化物質(zhì)總質(zhì)量＝產(chǎn)生物質(zhì)總質(zhì)量 ),2,1(001NCjVMVMjjNCjjj???????? ? 生成物質(zhì)量轉(zhuǎn)化物質(zhì)量?????NCjkjjNCjkjj ZFZF1,111,22 ??式中： NE 表示化學(xué)元素的數(shù)目； αj,k 是在第 j 組分中第 k 個(gè)元素的原子數(shù)。 解：基準(zhǔn)： F1=100 kmol/h甲醇進(jìn)料 CH3OH+ HCHO+H2O 甲醇 V1=1； 氧 V2=； 甲醛 V3=1；水 V4=1 數(shù)學(xué)模型： F2Z2, j=F1Z1, j F1Z1, k (YkVj /Vk) j=1,2… NC (Yk為關(guān)鍵組分的轉(zhuǎn)化率， Vk為 關(guān)鍵組分 化學(xué)計(jì)量系數(shù)， 這里是指甲醇 ) 01???NCjjjVM甲醇 1 CH3OH 圖 甲醇氧化制甲醛簡化流程圖 產(chǎn)品 空氣 O2 2 惰性組分 5 1 反應(yīng) 2 HCHO 3 CH3OH 1 O2 2 惰性組分 5 H2O 4 例 引出氣體的組成 (摩爾分?jǐn)?shù) )% 引出氣體 進(jìn)入氣體 未轉(zhuǎn)化物質(zhì) /(kmol/h) 產(chǎn)生物質(zhì) /(kmol/h) /(kmol/h) 轉(zhuǎn)化物質(zhì) /(kmol/h) 75%時(shí) 50%空氣 ,試劑量 /(kmol/h) /(kmol/h) CH3OH+ HCHO+H2O 項(xiàng) 目 H2O HCHO 惰性組分 O2 CH3OH 數(shù)學(xué)模型： F2Z2, j=F1Z1, j F1Z1, k (YkVj /Vk) 例 計(jì)算過程 項(xiàng) 目 CH3OH O2 惰性組分 HCHO H2O CH3OH+ HCHO+H2O /(kmol/h) 50%空氣 ,試劑量 /(kmol/h) 75%時(shí) 轉(zhuǎn)化物質(zhì) /(kmol/h) 產(chǎn)生物質(zhì) /(kmol/h) 未轉(zhuǎn)化物質(zhì) /(kmol/h) /(kmol/h) 進(jìn)入氣體 引出氣體 引出氣體的組成 (摩爾分?jǐn)?shù) )% 表 計(jì)算結(jié)果 例 計(jì)算結(jié)果 簡單的過程計(jì)算 例 某油分，含 84%的 C和 16%的 H，現(xiàn) 100 kg/h的油分與含水 kg/h的空氣燃燒，分析尾氣，其中有 %的CO2(體積分率 )。試求出口的組成與流率。 F1=1000mol/h C1 C2 C3 C4 C3 C1 C2 C3 C4 C4 C3 C4 C4 1 6 2 3 4 7 9 10 11 5 塔 1 分流器 8 塔 3 塔 3 塔 2 C1 C2 C3 F1= 1kmol/h C1 C2 C3 C4 F2, C1, C2 C3 F4= ？ C1 C2 F7= C1 C2 C3 F10= C3 C4 F11= C4 F9= C3 C4 F C C3 C4 1 6 2 3 4 7 9 10 11 5 分流器 8 F5= C1 C2 C3 F6= C1 C2 C3 F C C C4 塔 1 塔 2 塔 3 塔 4 F2=1k mol/h,通過自由度分析指出計(jì)算順序，進(jìn)行物料衡算，并將計(jì)算結(jié)果轉(zhuǎn)換成以 F2=1kmol/h，為基準(zhǔn)的形式。 Z3,C4= F5= mol/h。 Z2,C3=0. 03 分流器的物料衡算 F5=F6+F7 F6= 解得： F6=F7=150 mol/h 塔 1 的物料衡算 總： F1+F6=F2+F3 對(duì) C1： F1Z1,C1+F6 Z6,C1= F2Z2,C1 *F1+*150 = *1000 F1=3490 mol/h F3=2640 mol/h F2=1000 mol/h F1=3490 mol/h。 F11=497 mol/h F1=3490 mol/h F2=1000 mol/h F3=2640 mol/h F5=300 mol/h F6=150 mol/h F7=150 mol/h F4=700 mol/h F8=901 mol/h F9=1739 mol/h F10=1242 mol/h F11=497 mol/h F1=1000 mol/h F2= mol/h F3= mol/h F5=86 mol/h F6=43 mol/h F7=43 mol/h F4= mol/h F8=258 mol/h F9=498 mol/h F10=356 mol/h F11=142 mol/h F1 F2 F3 F4 F5 F6 F7 F8 F9 F10 F11 1000 86 43 43 258 498 356 142 計(jì)算結(jié)果 帶有循環(huán)物流的物料衡算 (1) 順序模塊法 圖 順序模塊法 用迭代法求解再循環(huán)問題 進(jìn)料 1 產(chǎn)品 5 反應(yīng)器 循環(huán)流 混合器 2 3 4 分離器 6 例 用簡單迭代法求解一個(gè)具有循環(huán)過程的物料衡算?！猚 次迭代循環(huán)新的估值； xi——組分 i 的一個(gè)變數(shù)； Ei——容差函數(shù)。 煙道氣溫度T1=250℃ ， 流率 F=1800 kg/h， 蛇管內(nèi)通入 TL=15℃ 的水 ， 要求換熱后產(chǎn)生 Ts=120℃ 的飽和蒸汽 。 (1) 最大速率 FCp(T1Ts)=M(HvHL) 1800 (250120)=M(2700500) M= kg/h FCp(TsTa)=M(HLH1) 1800 (120Ta)=(50065) Ta=94 ℃ (2) Δt=20℃ 時(shí)的 M和 Ta FCp(T1Ts20)=M(HvHL) 1800 (25012020)=M(2700500) M=81 kg/h FCp(Ts+20Ta)=M(HLH1) 1800 (120+20Ta)=81 (50065) Ta=118 ℃ 尾氣 T1=250℃ 水 T2=15 ℃ Ta 換熱 汽化 T ℃ Q kJ/h Ts=120℃ Δt=20 ℃ 煙道尾氣 Ta=？ T2=15℃ 水 Ts=120℃ 蒸汽 T1=250℃ 煙道氣 熱量與物料衡算 例 ：某精餾系統(tǒng) ， 進(jìn)料為12023kg/h ， 料 液 由 A(50%) 、B(36%)、 C(14%)三種組分組成 ，進(jìn)料為汽液比 1:1汽液混合物 ， 塔頂餾分流率為 6050kg/h， 組成 98%的 A， 2%的 B， 料液及餾分的溫度分別為 140℃ 和 95℃ ， 過熱蒸汽(V)100℃ ， 塔 底 引 出 流 溫 度 為160℃ 。 Δ HR=ΣniΔHf (生成物 ) ΣmiΔHf (反應(yīng)物 ) 式中 ni， mi —— 生成物和反應(yīng)物的化學(xué)計(jì)量系數(shù)； Δ HR —— 生成焓 。 化學(xué)反應(yīng)的焓變值只與始態(tài)和終態(tài)有關(guān)，而與路徑無關(guān)。K Cp,H2O= kJ/kmol 甲烷和 100%過?？諝馔耆紵?。K Cp,N2= kJ/km