【正文】 的途徑和流向 ， 并標出每個流股的已知變量（ 如流量 、 組成 ） 及單位 。 ?但是 ， 衡算基準選擇得恰當 ， 可以使計算簡化 ，避免錯誤 。 3. 對連續(xù)流動體系，用 單位時間 作計算基準有時較方便。 （ 2） 熱力學物性數(shù)據(jù) 如內(nèi)能 、 焓 、 熵 、 熱容 、 相變熱 、 自由能 、 自由焓等 。 （ 收集了許多物質(zhì)的物性數(shù)據(jù)及圖表 ） ?化學工程手冊 ， 《 化學工程手冊 》 編輯委員會 ， 化學工業(yè)出版社 ， 1980 ?化工工藝設(shè)計手冊 ， 國家醫(yī)藥管理局上海醫(yī)藥設(shè)計院編 ， 化學工業(yè)出版社 ， 1986 ?化工工藝算圖 ， 吉林化學工業(yè)公司設(shè)計院等編 ， 化學工業(yè)出版社 ， 1982 物料衡算 20 2. 估算 ?可以應(yīng)用物理和化學的一些基本定律計算各種物質(zhì)的性質(zhì)參數(shù) 。 ?基團貢獻法 物料衡算 21 3. 用實驗直接測定 ?實驗直接測定 。 直接用實驗測定得到的數(shù)據(jù)最可靠 ， 只是實驗比較費時間又花錢 。 ?化工物性數(shù)據(jù)庫 美國 ， CINDAS(14000) 北京化工大學 ， 大型化工物性數(shù)據(jù)庫 CEPPDS(3417) 物料衡算 23 物料衡算 例 ： 丙烷充分燃燒時 ， 要供入的空氣量為理論量的 125%， 反應(yīng)式為： C3H8+5O2→ 3CO2+4H2O 問每 100摩爾燃燒產(chǎn)物需要多少摩爾空氣 ？ 解 ：物料流程簡圖如下： 由圖可知 ， 該體系共有三個流股：丙烷 、 空氣 、 燃燒產(chǎn)物 。 按照反應(yīng)式的化學計量關(guān)系 ， 還可以列出另外幾個線性方程 ， 但是都與以上六個式子有關(guān) ， 獨立方程只有以上六個公式 。 1. 畫出物料流程簡圖。 5. 將計算結(jié)果列成輸入 — 輸出物料表（物料平衡表）。 3. 列物料衡算式： 該體系有 3種組分 ， 可列出 3個獨立方程 ， 所以能求出3個未知量 。 例： 有兩個設(shè)備的過程，如下圖所示，可以劃分成三個衡算體系： 每個衡算體系均可列出相應(yīng)的衡算方程 。 但是 ， 只有 2組方程是獨立的 。 為了使所需的反應(yīng)順利進行 ， 或使其中較昂貴的 反應(yīng) 物全部轉(zhuǎn)化 ， 常常使價格較低廉的一些反應(yīng)物用量過量 。 物料衡算 36 4. 轉(zhuǎn)化率 （ x） 某一反應(yīng)物反應(yīng)掉的量占其輸入量的百分數(shù) 。 它可以用物質(zhì)的量 （ 摩爾數(shù) ） 或質(zhì)量進行計算 。 38 收率 （ Y） 反應(yīng)物反應(yīng)成目的產(chǎn)物所消耗的量除以反應(yīng)物 （ 通常指限制反應(yīng)物 ） 輸入量 ， 以百分數(shù)表示 。 目的產(chǎn)物 生成量 （ 質(zhì)量或物質(zhì)的量 ） 占反應(yīng)物反應(yīng)掉的量理論全部生成 目的產(chǎn)物 的量 （ 質(zhì)量或物質(zhì)的量 ） 的百分數(shù) 。 試計算鄰二甲苯轉(zhuǎn)化率及苯酐和順酐的收率及選擇性 物料衡算 解： 物料流程示意圖 42 物料衡算 43 物料衡算 摩爾量之比 % % % 44 ?例 ： 已知丙烯氧化法生產(chǎn)丙烯醛的一段反應(yīng)器，原料丙烯投料量為 600 kg/h，出料中有丙烯醛 640 kg/h，另有未反應(yīng)的丙烯 25 kg/h，試計算原料丙烯的轉(zhuǎn)化率、選擇性及丙烯醛的收率 。 ?直接求解法也稱化學計量法 。 解 ： 49 物料衡算 50 組分 輸 入 輸 出 組成 摩爾(kmol) kg 組成 摩爾(kmol) kg C3H6 NH3 O2 N2 C3H3N H2O 10 12 78 10 12 420 204 524 1725 7 9 3 9 294 153 380 1725 159 162 總計 2873 2873 物料衡算 51 ?例 ：苯乙烯的反應(yīng)器 ， 年生產(chǎn)能力為 10000 t， 年工作時間為 8000 h， 苯乙烯收率為 40%， 以反應(yīng)物乙苯計的苯乙烯選擇性為 90%， 苯選擇性為 3%，甲苯選擇性為 5%， 焦油選擇性為 2%。在作這類衡算時， 并不需要考慮具體的化學反應(yīng)，而是按照元素種類被轉(zhuǎn)化及重新組合的概念， 表示為： 輸入（某種元素） =輸出（同種元素） ?對反應(yīng)過程中化學反應(yīng)很復(fù)雜，無法用一、兩個反應(yīng)式表示的物料衡算時，可以列出元素衡算式，用 代數(shù)法求解。 物料衡算 解 :設(shè)碳酸鈉溶液的質(zhì)量為 F（ kg） 石灰的質(zhì)量為 W（ kg） 石灰中 CaCO3 、 CaO及 Ca(OH)2的質(zhì)量分別設(shè)為 x、 y和 z，則石灰中各物質(zhì)的組成可表示為： x/W， y/W， z/W 基準： 100 kg苛化液 61 苛化反應(yīng)器 F NaOH % Na2CO3 % H2O % CaCO3 % Ca(OH)2 % Na2CO3 % NaOH % H2O % CaCO3 x/W CaO y/W Ca(OH)2 z/W 畫出物料流程示意圖 物料衡算 62 各種物料質(zhì)量和物質(zhì)的量 Na2CO3溶液 苛化鈉溶液 物料 摩爾質(zhì)量（ g/mol） 質(zhì)量（ kg） 物質(zhì)的量（ kmol） 物料 摩爾質(zhì)量（ g/mol） 質(zhì)量（ kg） 物質(zhì)的量（ kmol） NaOH 40 %F NaOH 40 Na2CO3 106 %F Na2CO3 106 H2O 18 %F H2O 18 Ca(OH)2 74 CaCO3 100 物料衡算 以質(zhì)量計轉(zhuǎn)化為以物質(zhì)的量計，來進行元素守恒計算 63 列元素平衡式 Na平衡： + 2=（ 2+） kmol C平衡： Ca平衡： 總物料平衡： F+W=100 kg/mol 石灰總量等于各物質(zhì)質(zhì)量之和 ： W=x+y+z 10 0 g/ m 01 40 4 + = ( 34 8 + 05 75 ) km olxF100 g/ m ol 56 g/ m ol 74 g/ m ol+ + = ( 48 + 378 ) km olyx 物料衡算 64 計算結(jié)果匯總 組分 輸 入 輸 出 物質(zhì)的量 /kmol 質(zhì)量 /kg 物質(zhì)的量 /kmol 質(zhì)量 /kg NaOH Na2CO3 H2O CaCO3 CaO Ca(OH)2 合計 100 100 物料衡算 65 3.“聯(lián)系組分”法 ?“ 聯(lián)系組分 ” 是指隨物料輸入體系 ， 但 完全不參加反應(yīng) ， 又隨物料從體系輸出的組分 ， 在整個反應(yīng)過程中 ， 它的數(shù)量不變 。 但是 ， 應(yīng)該注意 ， 當某個聯(lián)系組分數(shù)量很小 ， 而且此組分的分析相對誤差又較大時 ， 則不宜采用 。 ?對反應(yīng) aA+bB=cC+dD 平衡時 ， 其平衡常數(shù)為 ： badcBADCK][][][][? 物料衡算 77 物料衡算 例 ： 在接觸法硫酸生產(chǎn)中， SO2被氧化成 SO3，反應(yīng)式為： 2 2 31 =2SO O SO?氧化過程的溫度為 570℃ ， 壓力為 。 設(shè)進料為 1 mol，其組成為： I= mol。 ?在化工過程中具有循環(huán) 、 排放及旁路的過程的物料衡算與以上介紹的方法相類似 ， 只是需要先根據(jù)已知的條件及所求的未知量選擇合適的衡算體系 ， 列出一般過程物料衡算式再加上結(jié)點關(guān)系求解 。 一般方程式中以循環(huán)量作為未知數(shù) ， 應(yīng)用聯(lián)立方程的方法進行求解 。 此過程即為循環(huán)過程 。 但是 ， 如果原料中含有不反應(yīng)的雜質(zhì)或惰性物質(zhì) ， 經(jīng)長時間的循環(huán)會使其濃度逐漸增加 ， 因此就必須把一部分循環(huán)物料不斷地排放掉 ，以維持進料中雜質(zhì)的含量不再增大 。 89 物料衡算 上圖包括以下幾個衡算體系 ， 用虛線表示 。 這類過程的物料衡算與循環(huán)過程的物料衡算相類似 ， 計算時應(yīng)注意結(jié)點平衡 。 循環(huán)物料中含有 C3H8和 C3H6， 其中 C3H6量是產(chǎn)物中 C3H6量的 5%。乙烯的轉(zhuǎn)化率為 100%。 反應(yīng)后未反應(yīng)的乙苯分離后循環(huán)返回乙苯脫氫裝置 。 能量衡算 102 能量衡算 在化工生產(chǎn)中 ， 需要通過能量衡算解決的問題： ① 確定物料輸送機械和其它操作機械所需 功率 ； ② 確定各單元過程所需 熱量或者冷量 及其 傳遞速率 ； ③ 化學反應(yīng)所需的 放熱速率 和 供熱速率 ； ④ 做好 余熱綜合利用 ； ⑤ 最終確定 總需求能量和能量的費用 。 1. 對有些化工過程如 流體流動過程 ， 此時傳熱量的變化較其他小 ， 次要 。 此時（ 無外功 W=0） 能量衡算簡化為熱量衡算 。 能量衡算 112 ③ 選定計算基準 （ 溫度和相態(tài) ） 。 ⑤ 當生產(chǎn)過程及物料組成較復(fù)雜時 ， 可以 列出熱量衡算表 。 解： 114 能量衡算 1. 作水的物料衡算 ， 可知產(chǎn)生的蒸汽流量應(yīng)為 295 kg/min。 能量衡算 116 III. 無化學反應(yīng)過程的熱量衡算 ?無化學反應(yīng)過程的能量衡算 ， 一般指進出過程物料的 焓差 熱量衡算 。 為了使反應(yīng)溫度得到控制 ， 必須自反應(yīng)體系排走或向反應(yīng)供給熱量 ， 即反應(yīng)器也須有供給或冷卻用的換熱設(shè)備 ， 這些都需進行反應(yīng)過程的熱量衡算 。 規(guī)定在標準態(tài)下 （ 1atm、 25℃ ） 處于 穩(wěn)定狀態(tài)的單質(zhì) 的 △ Hf =0 2） 由標準生成熱計算標準反應(yīng)熱 △ Hr 根據(jù)蓋斯定律 化學反應(yīng)熱 只決定于物質(zhì)的初態(tài)和終態(tài) ，與過程的途徑無關(guān) ， 則： △ Hr= ∑生成物 ui（ △ Hf ） － ∑反應(yīng)物 ui（ △ Hf） 能量衡算 123 能量衡算 △ Hr= (△ Hf ) CH4－ (2 (△ Hf ) H2+ (△ Hf ) C(石墨 ))= (△ Hf ) CH4 △ Hr= (△ Hf ) CH4－ (2 (△ Hf ) H2+ (△ Hf ) C(金剛石 )) = (△ Hf ) CH4 － (△ Hf ) C(金剛石 )) 124 2. 由標準燃燒熱△ Hc計算標準反應(yīng)熱△ Hr 1）標準燃燒熱△ Hc 在 1atm、 25℃ 各種處于 穩(wěn)定狀態(tài)的物質(zhì) 進行燃燒反應(yīng)生成燃燒產(chǎn)物時的焓變。對非反應(yīng)物質(zhì)另選適當?shù)臏囟然鶞省? 127 能量衡算 反應(yīng)前反應(yīng)物 溫度： T1 恒壓反應(yīng)： 反應(yīng)后產(chǎn)物 溫度： T2 反應(yīng)前反應(yīng)物 溫度： 298K 反應(yīng)后產(chǎn)物 溫度： 298K 3 , 29 8iKHH ?? ? ? ?2 39。2 29811=mmTi pi i iiiH n C dT n H??? ? ????12981 =nni pi i iTH n C dT n H? ? ?? 1 3 2H H H H? ? ? ? ? ? ?128 ?例： 氨氧化反應(yīng)器的能量衡算氨氧化反應(yīng)式為： 4NH3(氣 )+5O2(氣 ) =4NO(氣 )+6H2O (氣 ) 此反應(yīng)在 25℃ 、 kPa的反應(yīng)熱為 = kJ/mol。 計算焓時的基準態(tài)： 25℃ ， kPa NH3(氣 )， O2(氣 )，NO(氣 )， H2O (氣 )。 39。4 , 2981mi f KiH n H ?????3 , 2981ni f KiH n H ?????11 , 298 , , 2982981 1 1n n nTi f K i P i i KKi i iH n H n C dT H?? ? ?? ? ? ? ?? ? ?? 239。 CH4(氣 )+O2 HCHO(氣 )+ H2O(氣 ) CH4(氣 )+2O2 CO2+2 H2O(氣 ) 以 100 mol進反應(yīng)器的甲烷為基準，物料流程圖如示。 3