【正文】 的過程 ， 共有 2+1組衡算方程 （ 即設(shè)備 I，II的 2組方程和整個過程的 1組方程 ） 。 若每個設(shè)備的輸入和輸出物料中均含有 3個組分 ， 則每個體系可寫出 3+1個衡算方程 ， 其中有 3個是獨(dú)立方程 。 以上物料衡算式，亦可以選總物料衡算式及 H2SO4與 H2O兩個衡算式或者 H2SO4， HNO3， H2O三個組分衡算式進(jìn)行計算，均可以求得上述結(jié)果 31 II. 有多個設(shè)備過程的物料衡算 物料衡算 對有多個設(shè)備的過程，進(jìn)行物料衡算時，可以劃分多個衡算體系，此時，必須選擇恰當(dāng)?shù)暮馑泱w系。 總物料衡算式 ： x+y+z=100 (1) H2SO4衡算式 ： +=100 =60 (2) HNO3衡算式 ： +=100 =27 (3) 解 (1)(3)方程，得 x= kg廢酸， y=39 kg濃 H2SO4， z= kg濃 HNO3 即由 kg廢酸， 39 kg濃 H2SO4， kg濃 HNO3可以混合成 100 kg混合酸。 1. 畫出物料流程簡圖 30 物料衡算 2. 選擇基準(zhǔn)： 可以選擇廢酸或者濃酸的量為基準(zhǔn) ， 也可以用混合酸的量為基準(zhǔn) ， 因?yàn)樗姆N酸的組成均已知 ， 選任何一種作基準(zhǔn) ， 計算都很方便 。 物料衡算 29 物料衡算 例： 一種廢酸 ， 組成為 23%（ 質(zhì)量分?jǐn)?shù) ） HNO3， 57%H2SO4和 20%H2O， 加入 93%的濃 H2SO4及 90%的濃 HNO3， 要求混合成含 27%HNO3及 60%H2SO4的混合酸 ， 計算所需廢酸及加入濃酸的數(shù)量 。 4. 校核計算結(jié)果。 2. 選擇基準(zhǔn)。設(shè)備邊界就是體系邊界。 列元素平衡： C平衡： 3B=P H2平衡： 4B=Q O2平衡： =M+P+Q/2 N2平衡： =N 煙道氣總量： M+N+P+Q=100 過剩氧量： *煙道氣： 氮?dú)猓趸?，水蒸氣，氧? 27 無化學(xué)反應(yīng)過程的物料衡算 ?在化工過程中 ， 只有物理變化不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的單元操作如混合 、 蒸餾 、 蒸發(fā) 、 干燥 、 吸收 、結(jié)晶 、 萃取等 ， 這些過程都可以根據(jù)物料衡算式 ，直接列出總物料和各組分的衡算式 ， 再用代數(shù)法求解 。 共有 6個未知量，因此必須列 6個獨(dú)立方程。從原則上來說 ， 其中任一個物料量均可作為基準(zhǔn) 。 一些大型化工企業(yè) 、 研究部門和高等院校都相應(yīng)建立了物性數(shù)據(jù)庫 ， 以便于通過計算機(jī)自動檢索或估算所要求的數(shù)據(jù) ， 而不必自行查找或計算 ， 大大節(jié)省了時間和精力 。 但是 ， 如果查不到有關(guān)數(shù)據(jù) ， 而用公式估算得到的結(jié)果精度又不夠時 ， 則必須用實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測定 。 當(dāng)手冊或文獻(xiàn)中無法查得時 ， 可以進(jìn)行估算 。 ?以上三種數(shù)據(jù)來源 ， 從手冊或文獻(xiàn)中查得數(shù)據(jù)最方便 ，但往往有時數(shù)據(jù)不夠完整 ， 也會出現(xiàn)一些錯誤 。 這些方法僅從一個化合物二 、三種數(shù)據(jù)就能估算出該化合物的其他物性數(shù)據(jù)來 。 ?但是 ， 往往由于缺乏計算所需的一些分子性質(zhì) （ 偶極矩 、 極化率 、 原子間距離等 ） 的數(shù)據(jù)而無法計算 ， 或者即使知道這些數(shù)據(jù) ， 計算也很復(fù)雜 。 物料衡算 19 數(shù)據(jù)的獲取： 1. 查手冊或文獻(xiàn)資料 ?常用物質(zhì)的物性數(shù)據(jù)可從化學(xué)化工類手冊或?qū)I(yè)性的化工手冊中查到 。 （ 3） 化學(xué)反應(yīng)和熱化學(xué)數(shù)據(jù) 如反應(yīng)熱 、 生成熱 、 燃燒熱 、 反應(yīng)速度常數(shù) 、 活化能 ，化學(xué)平衡常數(shù)等 。 ?化工基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括很多 ， 現(xiàn)將常用的一些化工基礎(chǔ)數(shù)據(jù)大致歸納成以下幾類 : 物料衡算 18 （ 1） 基本物性數(shù)據(jù) 如臨界常數(shù) （ 臨界壓力 、 臨界溫度 、 臨界體積 ） 、 密度或比容 、 狀態(tài)方程參數(shù) 、 壓縮系數(shù) 、 蒸氣壓 、 氣 — 液平衡關(guān)系等 。 4. 對于氣體物料，如果環(huán)境條件（如溫度、壓力）已定，則可選取體積 作基準(zhǔn)。 2. 液體或固體的體系，常選取 單位質(zhì)量 作基準(zhǔn)。 對于不同化工過程 ， 采用什么基準(zhǔn)適宜 ， 需視具體情況而定 ， 不能作硬性規(guī)定 。 對無化學(xué)反應(yīng)的對象：可選任一物料 對有化學(xué)反應(yīng)的對象：選未發(fā)生變化的物質(zhì) 物料衡算 12 ?原則上衡算基準(zhǔn)是任意選擇 。 對一些未知的變量 ， 可用符號表示 。 根據(jù)給定的條件畫出流程簡圖 （ 過程示意圖或衡算范圍 ） 。 物料衡算 10 指定的任何空間范圍 。 ?連續(xù)過程的物料衡算式 一般表示式為： 系統(tǒng)中積累 = 輸入 – 輸出 +生成 – 消耗 穩(wěn)態(tài)過程時： 輸入 = 輸出 – 生成 + 消耗 無化學(xué)反應(yīng)的穩(wěn)態(tài)過程： 輸入 = 輸出 物料衡算 8 物料衡算方程的不同形式 ? 總平衡式 總質(zhì)量平衡式 總摩爾平衡式 ? 組分平衡式 組分質(zhì)量平衡式 組分摩爾平衡式 ? 元素原子平衡式 元素原子質(zhì)量平衡式 元素原子摩爾平衡式 物料衡算 9 物料衡算的基本方法 ?進(jìn)行物料衡算時 ， 為了能順利地解題 ， 避免錯誤 ， 必須掌握解題技巧 ， 按正確的解題方法和步驟進(jìn)行 。進(jìn)行物料衡算時，必須首先確定衡算的體系。 ?所謂體系就是 物料衡算的范圍 ，它可以根據(jù)需要選定。 （ 設(shè)計 ） 物料衡算 5 物料衡算的依據(jù) ?質(zhì)量守恒定律 ?在一個孤立物系中 ， 不論物質(zhì)發(fā)生任何變化 ， 它的質(zhì)量始終不變 （ 不包括核反應(yīng) ， 因?yàn)楹朔磻?yīng)能量變化非常大 ， 此定律不適用 ） 。用此計算結(jié)果 ， 對生產(chǎn)情況進(jìn)行分析 、 作出判斷 、提出改進(jìn)措施 。 ?物料衡算和能量衡算是 進(jìn)行化工工藝設(shè)計 、 過程經(jīng)濟(jì)評價 、 節(jié)能分析以及過程最優(yōu)化的基礎(chǔ) 。1 第三章 物料衡算與能量衡算 物料衡算 能量衡算 2 物料衡算 物料衡算的作用 物料衡算的依據(jù) 物料衡算式 物料衡算的基本方法 無化學(xué)反應(yīng)過程的物料衡算 有化學(xué)反應(yīng)過程的物料衡算 3 物料衡算 ?物料衡算是化工計算中 最基本 、 最重要 的內(nèi)容之一 ， 是能量衡算的基礎(chǔ) 。 ?設(shè)計或研究一個化工過程 ， 或?qū)δ成a(chǎn)過程進(jìn)行分析 ， 需要了解能量的分布情況 ， 都必須在物料衡算的基礎(chǔ)上 ， 才能進(jìn)一步算出物質(zhì)之間交換的能量以及整個過程的能量分布情況 。 4 物料衡算的作用（兩種情況） : ?一種是 對已有的生產(chǎn)設(shè)備或裝置 ， 利用實(shí)際測定的數(shù)據(jù) ， 算出另一些不能直接測定的物料量 。 （ 一般的作業(yè) ） ?另一種是 設(shè)計一種新的設(shè)備或裝置 ， 根據(jù)設(shè)計任務(wù) ， 先作物料衡算 ， 求出進(jìn)出各設(shè)備的物料量 ，然后再作能量衡算 ， 求出設(shè)備或過程的熱負(fù)荷 ，從而確定設(shè)備尺寸及整個工藝流程 。 ?質(zhì)量守恒 （ 不是摩爾守恒 、 體積守恒 ） 物料衡算 6 物料衡算式 ?物料衡算是研究某一個體系內(nèi)進(jìn)、出物料量及組成的變化。體系可以是一個設(shè)備或幾個設(shè)備，也可以是一個單元操作或整個化工過程。 物料衡算 7 ?對某一個體系 ， 輸入體系的物料量應(yīng)該等于輸出物料量與體系內(nèi)積累量之和 。 這樣才能獲得準(zhǔn)確的計算結(jié)果 。 它可是一個設(shè)備 、 一個單元或整個過程 。 圖中用簡單的方框表示過程中的設(shè)備 ， 用線條和箭頭表示每個流股的途徑和流向 ， 并標(biāo)出每個流股的已知變量（ 如流量 、 組成 ） 及單位 。 物料衡算 11 II. 衡算對象 參加過程的全部物料。 ?但是 ， 衡算基準(zhǔn)選擇得恰當(dāng) ， 可以使計算簡化 ，避免錯誤 。 物料衡算 13 1. 應(yīng)選擇 已知變量數(shù)最多的流股 作為衡算基準(zhǔn)。 3. 對連續(xù)流動體系，用 單位時間 作計算基準(zhǔn)有時較方便。 物料衡算 根據(jù)過程的特點(diǎn) ， 選擇衡算基準(zhǔn)時注意以下幾點(diǎn)： 14 ⑴ 時間基準(zhǔn) 連續(xù)（小時，天 …… ） 間歇（釜，批 …… ） ⑵ 質(zhì)量基準(zhǔn) kg， mol， kmol …… ⑶ 體積基準(zhǔn) m3（ STP）， Nm3 ⑷ 干濕基準(zhǔn) 干基（不含水），濕基（含水） ?各種衡算基準(zhǔn) 物料衡算 15 IV. 物料衡算的程序（步驟） 1. 搜集計算數(shù)據(jù) （ 物性參數(shù)與操作參數(shù)等 ） 2. 畫出物料流程簡圖 3. 確定衡算體系 4. 寫出化學(xué)反應(yīng)方程式 ， 包括主 反應(yīng) 和副反應(yīng) ，標(biāo)出有用的分子量 物料衡算 16 ， 并在流程圖上注明所選的基準(zhǔn)值 ， 然后用數(shù)學(xué)方法求解 （ 數(shù)據(jù)歸一 ） 輸出物料表 （ 物料平衡表 ）（ 三線表 、 表頭名稱 、 基準(zhǔn) ） 物料衡算 17 關(guān)于物性參數(shù)（數(shù)據(jù)） ?“ 物性參數(shù) ” ， 又被稱作 “ 物化數(shù)據(jù) ” 或 “ 物性數(shù)據(jù) ” ， 是由物料本身的物理化學(xué)性質(zhì)所決定的 。 （ 2） 熱力學(xué)物性數(shù)據(jù) 如內(nèi)能 、 焓 、 熵 、 熱容 、 相變熱 、 自由能 、 自由焓等 。 （ 4） 傳遞參數(shù) 如粘度 、 擴(kuò)散系數(shù) 、 導(dǎo)熱系數(shù)等 。 （ 收集了許多物質(zhì)的物性數(shù)據(jù)及圖表 ） ?化學(xué)工程手冊 ， 《 化學(xué)工程手冊 》 編輯委員會 ， 化學(xué)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(xué)工業(yè)出版社 ， 1986 ?化工工藝算圖 ， 吉林化學(xué)工業(yè)公司設(shè)計院等編 ， 化學(xué)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(xué)的一些基本定律計算各種物質(zhì)的性質(zhì)參數(shù) 。 因此 ， 許多研究人員做了不少工作 ， 建立了 理論與經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合 的方法 ， 來計算各種物質(zhì)的物性數(shù)據(jù) 。 ?基團(tuán)貢獻(xiàn)法 物料衡算 21 3. 用實(shí)驗(yàn)直接測定 ?實(shí)驗(yàn)直接測定 。 用一些理論的 、 半經(jīng)驗(yàn)的和經(jīng)驗(yàn)的公式估算 ， 也是一種簡便的方法 。 直接用實(shí)驗(yàn)測定得到的數(shù)據(jù)最可靠 ， 只是實(shí)驗(yàn)比較費(fèi)時間又花錢 。 物料衡算 22 4. 計算機(jī)檢索 ?近年來 ， 隨著電子計算機(jī)的迅速發(fā)展 ， 應(yīng)用計算機(jī)儲存 、 檢索和推算物性數(shù)據(jù) 。 ?化工物性數(shù)據(jù)庫 美國 ， CINDAS(14000) 北京化工大學(xué) ， 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 。 燃燒過程 C3H8 空氣 O2 N2 1 2 3 CO2 H2O O2 N2 24 物料衡算 （一）基準(zhǔn)： 1 mol C3H8 按照反應(yīng)式，完全燃燒需氧量： 5 mol 實(shí)際供氧量： *5= mol 供空氣量（空氣中含氧 21%（ mol））： 其中氮?dú)饬浚? *= mol 物料衡算結(jié)果如下表： 輸 入 輸 出 組分 摩爾 克 組分 摩爾 克 C3H8 空氣中 O2 N2 1 44 200 CO2 H2O O2 N2 3 4 132 72 40 總計 所以，每 100 mol燃燒產(chǎn)物（煙道氣）所需空氣量為： 100 mol煙道氣 *（ +） mol空氣 / mol煙道氣 = 1mol C3H8需要的空氣量： 25 物料衡算 （二）基準(zhǔn)： 1 mol 空氣 按題意供入的空氣量為理論量的 125%， 1mol空氣中氧量： mol 所以，供燃燒 C3H8的氧量： 燃燒的 C3H8的量： *(1/5)= mol 物料衡算結(jié)果如下表： 輸 入 輸 出 組分 摩爾 克 組分 摩爾 克 C3H8 空氣 其中 O2 N2 （ ） （ ） CO2 H2O O2 N2 總計 所以，每 100 mol燃燒產(chǎn)物（煙道氣