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化工生产技术 第十六章 物料衡算和热量衡算 第一节 物料衡算 一、物料衡算及其分类 二、物料衡算的依据和衡算范围 三、物料衡算式 四、物料衡算基本步骤 确定衡算范围 收集、整理计算数据 列出化学反应方程式 选择合适的计算基准 列出物料衡算式、求解 校核、整理计算结果 五、物料衡算方法 （一）无反应过程的物料衡算 （二）反应过程的物料衡算 直接求算法 利用联系物做衡算 【例16.1.1】 甲烷和氢的混合气用空气完全燃烧来加热锅炉，生成的水蒸气全部进入烟道气。生成烟道气100 mol。烟道气摩尔组成为：氮72.18％、二氧化碳8.11％，氧2.44％、水蒸气17.27％，做物料衡算。燃料气中甲烷与氧的比例如何？空气与燃料气的比例如何？ 3．以结点做衡算 【例16.1.2】 某工厂用烃类气体制合成气生产甲醇。合成气体量为2321 m3／h，摩尔比为CO:H2=1:2.4。转化后的气体摩尔组成为：CO 43.12％，H2 54.2％，不符合要求。将部分转化气送去CO变换反应器和CO2脱除装置，置换脱CO2后，气体摩尔组成为： CO 8.76％，H2 89.75％，气体体积减小2％。用此变换气调节转化气，以便达到工艺要求。求转化气、变换气各为多少？ （三）循环过程的物料衡算方法 1．循环过程 为了提高原料的利用率，必须循环利用以提高总转化率。因此，包括反应器在内的循环过程典型流程如图16-2所示 带有排放过程的循环过程，其典型流程如图16-3所示。 整个过程可划分为1个总系统和包括三个物理过程（混合、分离、放空分流）以及一个反应过程的4个子系统。总系统的物料衡算提供新鲜原料和产品之间的关系。子系统的物料衡算提供包括循环物料在内的进出各设备的流量和组成 化学反应过程中，物质的量和组分的质量都发生变化，只有各物料流的质量m守恒（衡算联系物的质量和摩尔数仍守恒）。 反应过程的物料衡算式 放空物料量占分离剩余物料量的百分率称为放空率α。循环物料量占分离剩余物料量的百分率称为循环率β。显然，放空率与循环率之和为100％ 乙炔法年产3000 t氯乙烯反应器的物料衡算。 （1）计算范围 以反应器为计算范围，如图16.1.4所示。 （2）主副反应 C2H2+HCl→CH2=CHCl C2H2+2HCl→CH3CHCl2 C2H2+H2O→CH3CHO 按反应乙炔计 氯乙烯产率99.4％，二氯乙烷产率0.54％，乙醛产率0.06 ％。 【例16.1.4】 年产8000 t工业甲醛的物料衡算 （1） 计算范围 全装置。见图16-5。 （2） 主副反应 反应式见计算过程。甲醇发生五个反应的分配率为主氧化51.2%，脱氢39.2%，加氢0.6%，深度氧化0.8%，完全氧化8.2%。 （3） 计算任务 甲醇消耗量，干尾气摩尔组成。 （4） 基准 年工作时为7200 h。以1 h为基准。8000×1000 kg÷7200 h = 1111.11 kg/h （5） 选择数据 工业甲醛中甲醛质量含量为37.0%。甲醇转化率为93.0%。原料甲醇质量组成：甲醇98%，水2%。氧与甲醇的配比为0.365（mol）。配料水蒸气与甲醇—空气混合气的质量比为0.3，忽略损失。 【应用实例Ⅰ】 设计年产1000吨苯乙烯车间的物料衡算 一、流程简介 1．乙苯脱氢工段 2．精馏工段 第二节 热量衡算 热量衡算是利用能量守恒的原理，通过计算传入和传出的热量以确定：加热(或冷却)剂用量、设备需要传递的热量多少等，为工程设计、设备设计提供设计依据，以保证热量利用方案的合理性，提高热量的综合利用效果。热量衡算是能量计算的一种，全面的能量计算应包括热能、动能和电能等。 热量衡算的基本过程是在物料衡算的基础上进行单元设备的热量计算(实际设计中常与设备计算结合进行)，然后再进行整个系统的热量平衡计算 热量衡算方式分为两种情况。一种是在已有的装置上，对某个设备利用实际测定（有时也要作一些相应计算）的数据，算出另外一些不能或很难直接测定的热量；由此，利用各股物料进出口量及温度，对装置或设备在能量利用和损失方面做出分析。另一种是在设计中利用各进出口已知的物料量和温度，求一股物料的未知量或温度或过程的换热量， 二、热量衡算的依据 热量衡算的依据是能量守恒定律，即输入体系的热量等于输出体系的热量，加上体系内积累或损失的热量。 根据能量守恒定律，输入某系统能量的总和等于输出该系统的能量总和加系统内积累的能量。对于稳定连续反应过程，系统内没有能量积累，在不考虑能量转换，而只计算热量的变化时，热量衡算是根据能量守恒定律对输入某系统能量和输出该系统能量进行平衡计算的过程。对于稳定的连续过程，热量衡算的基本关系式为 三、单元操作