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1、化工生產(chǎn)技術(shù)第十六章物料衡算和熱量衡算第一節(jié)物料衡算一、物料衡算及其分類物料衡算是根據(jù)質(zhì)量守恒定律，對化工過程中的各股物料進行分析和定量計算，以確定它們的數(shù)量、組成和相互比例關(guān)系，并確定它們在物理變化或化學(xué)變化過程中相互轉(zhuǎn)移或轉(zhuǎn)化的定量關(guān)系的過程。按其衡算范圍單元操作、全流程操作方式間歇操作、連續(xù)操作有無反應(yīng)過程有化學(xué)反應(yīng)過程、無化學(xué)反應(yīng)過程二、物料衡算的依據(jù)和衡算范圍物料衡算的理論依據(jù)是質(zhì)量守恒定律，即在一個孤立的系統(tǒng)中，不論物質(zhì)發(fā)生任何變化，其質(zhì)量始終不變。在化學(xué)反應(yīng)過程中，體系中組分的質(zhì)量和摩爾數(shù)發(fā)生變化，而且在很多情況下總摩爾數(shù)也發(fā)生變
2、化，只有總質(zhì)量是不變的。對于化工過程中的物理過程，總質(zhì)量、總摩爾數(shù)、組分質(zhì)量和組分摩爾數(shù)都是守恒的。三、物料衡算式輸入的物料量－輸出的物料量－反應(yīng)消耗的物料量＋反應(yīng)生成的物料量＝積累的物料量“積累的物料量”是表示體系內(nèi)物料隨時間而變化時所增加或減少的量，物料量增加時積累項為正值；物料量減少時，積累項為負(fù)值；如果體系是一個沒有化學(xué)反應(yīng)的物理過程，則反應(yīng)消耗和生成的物料量均為零。當(dāng)積累項等于零時，表示進出體系的物料量維持平衡，即達到穩(wěn)定狀態(tài)。四、物料衡算基本步驟確定衡算范圍收集、整理計算數(shù)據(jù)列出化學(xué)反應(yīng)方程式選擇合適的計算基準(zhǔn)列出物料衡算式、求解校
3、核、整理計算結(jié)果五、物料衡算方法（一）無反應(yīng)過程的物料衡算（二）反應(yīng)過程的物料衡算直接求算法利用聯(lián)系物做衡算若F和P分別表示輸入系統(tǒng)物料量和從系統(tǒng)輸出的物料量，衡算聯(lián)系物T在F和P中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為和，則F和P的關(guān)系為【例16.1.1】甲烷和氫的混合氣用空氣完全燃燒來加熱鍋爐，生成的水蒸氣全部進入煙道氣。生成煙道氣100mol。煙道氣摩爾組成為：氮72.18％、二氧化碳8.11％，氧2.44％、水蒸氣17.27％，做物料衡算。燃料氣中甲烷與氧的比例如何？空氣與燃料氣的比例如何？解：基準(zhǔn)100mol煙道氣煙道氣中氮量=72.18mol氧量=2.4
4、4mol以氮為衡算聯(lián)系物，根據(jù)F·χt，f=P·χt，p可以求出空氣加入量=72.18÷79％=91.37mol空氣中氧量=91.37×21％=19.187mol氧總反應(yīng)量=19.187—2.44=16.747mol煙道氣中二氧化碳量=8.11molCH4+2O2===CO2+2H2O計量系數(shù)l2l2生成量／mol8.1116.22反應(yīng)量／mol8.1116.22氫燃燒消耗氧量：16.747—16.22=0.527molH2+?O2===2H2O計量系數(shù)10.51反應(yīng)量／mol1.0540.527生成量／mol1.054生成水蒸氣總量=16.2
5、2+1.054=17.274mol表16-1物料衡算表3．以結(jié)點做衡算在生產(chǎn)中有些中間產(chǎn)品的組成不符合生產(chǎn)要求，需要采用旁路調(diào)節(jié)才能達到合格。在這種情況下，以旁路聯(lián)結(jié)點作物料衡算較方便。兩股物料匯合（混合）稱為并流，一股物料成為兩股物料（旁路）稱為分流。分流的聯(lián)結(jié)點與并流的聯(lián)結(jié)點均稱為結(jié)點。旁路分流和混合并流都是物理過程。由于沒有化學(xué)變化，因此可以對總物料及其中某組分進行衡算。如圖16-1所示。結(jié)點AV0=V1+V2結(jié)點BVl+V3=V4【例16.1.2】某工廠用烴類氣體制合成氣生產(chǎn)甲醇。合成氣體量為2321m3／h，摩爾比為CO:H2=1:2
6、.4。轉(zhuǎn)化后的氣體摩爾組成為：CO43.12％，H254.2％，不符合要求。將部分轉(zhuǎn)化氣送去CO變換反應(yīng)器和CO2脫除裝置，置換脫CO2后，氣體摩爾組成為：CO8.76％，H289.75％，氣體體積減小2％。用此變換氣調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)化氣，以便達到工藝要求。求轉(zhuǎn)化氣、變換氣各為多少？（三）循環(huán)過程的物料衡算方法1．循環(huán)過程為了提高原料的利用率，必須循環(huán)利用以提高總轉(zhuǎn)化率。因此，包括反應(yīng)器在內(nèi)的循環(huán)過程典型流程如圖16-2所示圖16-2中，從反應(yīng)器出來的產(chǎn)物RP經(jīng)分離器分成產(chǎn)品P和循環(huán)物料R，進入反應(yīng)器的物料MF由新鮮原料FF和循環(huán)物料R混合而成。帶有排放
7、過程的循環(huán)過程，其典型流程如圖16-3所示。由圖16-3看出，與循環(huán)過程相比，排放過程中增加了一個分流器，其作用是將分離器回收的待循環(huán)物料S分出一部分作為排放物W，其余部分為循環(huán)物料R。經(jīng)過分流器的物料組成不發(fā)生變化，因此S、W、R的組成是相同的。假設(shè)惰性物質(zhì)和副產(chǎn)物全部進入循環(huán)物流，則整個過程可劃分為1個總系統(tǒng)和包括三個物理過程（混合、分離、放空分流）以及一個反應(yīng)過程的4個子系統(tǒng)。總系統(tǒng)的物料衡算提供新鮮原料和產(chǎn)品之間的關(guān)系。子系統(tǒng)的物料衡算提供包括循環(huán)物料在內(nèi)的進出各設(shè)備的流量和組成三個物理過程中，各物料流的質(zhì)量m守恒，物料流中各組分的質(zhì)量
8、mi守恒,物料流的物質(zhì)的量n守恒，物料流中各組分的物質(zhì)的量ni也守恒?；瘜W(xué)反應(yīng)過程中，物質(zhì)的量和組分的質(zhì)量都發(fā)生變化，只有各物料流的質(zhì)量m守恒（衡算聯(lián)
