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作业2
年产聚氯乙烯3000吨，年生产时间为8400 小时，单体合成树脂的总收率为92%，原 料纯度如下。 HCl(w%)：HCl 95％；H2 3%；N2 2% C2H2(w%)：C2H2 99%；N2 1% 乙炔转化率为70%，乙炔与氯化氢的摩尔 比为1:1.05（纯），副反应和过程损失不 计，试作物料衡算。
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则产物中： 未反应的乙烯=75（mol/h）； 生成环氧乙烷=20（mol/h）； 生成二氧化碳=5×2=10（mol/h）； 生成水=5×2=10（mol/h）； 消耗氧气=20×0.5+5×3=25（mol/h）； 剩余氧气=189－25=164（mol/h）； 氮气=711（mol/h）。 则反应器出口物料量及质量组成如下表 时间基准
连续（小时，天……）
间歇（釜，批……） ⑵ 质量基准 kg，吨…… ⑶ 摩尔基准 mol， kmol …… ⑷ 体积基准 m3 …… （5）干湿基准 干基（不含水），湿基（含水）
第 三 章 物 料 衡 算 与 能 量 衡 算
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物料平衡计算的条件
１.方程式 ⑴ 物料平衡方程式
⑵ 选择性
第 三 章 物 料 衡 算 与 能 量 衡 算
生成目的产物所消耗的 反应物量 100% 选择性 = 原料的反应量
β=
(nC nC 0 ) / c ( n A0 n A ) / a
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⑶ 收率 收率 = 转化率×选择性
生成目的产物所消耗的 反应物量 = 反应物的进料量
第 三 章 物 料 衡 算 与 能 量 衡 算
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二、联系物解法
例4 某氧化过程排出的尾气体积组成为：O2 10%；N2 85%；CO2 5%，计算空气用量、耗氧 量、和过剩空气系数。 解：以氮气为联系物，取100mol尾气为计算基 准。 则尾气中的N2为85mol； 空气用量为85÷0.79=107.6mol； 进料中O2为107.6×0.21=22.6mol； 耗氧量为22.6－10=12.6mol； 过剩空气系数为22.6÷12.6×100%=179%。
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解：以1h为计算基准 消耗总CH3CHO量：2600×0.995×0.993=2568.9(kg/h)。 按①计算：消耗CH3CHO量 =2568.9×0.96=2466.1(kg/h)； 需O2=(2466.1×16)÷44=896.8(kg/h)； 生成CH3COOH=(2466.1×60)÷44=3362.9(kg/h)。 按②计算：消耗CH3CHO量=2568.9×0.014=36.0(kg/h)； 需O2=(36.0×32×3) ÷(44×3)=26.2(kg/h)； 生成HCOOH=(36.0×46) ÷(44×3)=12.5(kg/h)； 生成CH3COOH=(36.0×120) ÷(44×3)=32.7(kg/h)； 生成H2O =(36.0×18) ÷(44×3)=4.9(kg/h)； 生成CO2=(36.0×44) ÷(44×3)=12.0(kg/h)。 按③计算：消耗CH3CHO量=2568.9×0.0025=6.4(kg/h)； 需O2=(6.4×32)÷(44×3)=1.6(kg/h)； 生成CH3CH(OCOCH3)2=(6.4×146) ÷(44×3)=7.1(kg/h)； 生成H2O =(6.4×18) ÷(44×3)=0.9(kg/h)。
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按④计算：消耗CH3CHO量=2568.9×0.0095=24.4(kg/h)； 需O2=(24.4×48) ÷(44×2)=13.3(kg/h)； 生成CO2=(24.4×44) ÷(44×2)=12.2(kg/h)； 生成H2O =(24.4×18) ÷(44×2)=5.0(kg/h)； 生成CH3COOCH3=(24.4×74) ÷(44×2)=20.5(kg/h)。 按⑤计算：消耗CH3CHO量 =2568.9×0.014=36.0(kg/h)； 需O2=(36.0×160×3) ÷(44×2)=65.5(kg/h)； 生成H2O =(36.0×72) ÷(44×2)=29.5(kg/h)； 生成CO2=(36.0×176) ÷(44×2)=72.0(kg/h)。
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第一节 一般过程的物料衡算
教学内容： 结合具体实例，理解一般过程中各种物料衡算 的方法。 重点和难点： 重点 掌握各种方法的应用。 难点是衡算基准的选择，包括基准物流的名称 和单位选择，以及物料平衡方程、摩尔分数约 束式及设备约束式的内容和形式。
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一、连续过程的物料衡算
一般表示式为： (输入 – 输出 )+ (生成 – 消耗)=系统中积累 稳态过程时
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三、以结点作衡算
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一、直接求算法
例3 试作乙醛氧化生产醋酸的物料衡算。 已知：1、原料乙醛量为2600 kg/h ，其组成（质量%）为： CH3CHO CH3COOH (CH3CHO)3 H2O 99.5 0.1 0.1 0.3 2、氧化过程中乙醛总转化率为99.3%； 3、氧化过程中主副反应转化率分配为： CH3CHO + 0.5O2 → CH3COOH 96% 3CH3CHO + 3 O2 → HCOOH + 2 CH3COOH + H2O + CO2 1.4% 3CH3CHO + O2 → CH3CH(OCOCH3)2 + H2O 0.25% 2CH3CHO + 1.5O2 → CH3COOCH3 + H2O + CO2 0.95% 2CH3CHO + 5O2 → 4 CO2 + 4 H2O 1.4% 4、转化过程中氧的利用率为98.4%； 5、工业氧的含氧量为95%（质量%），N2 5%（质量%）。
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作业3
甲烷和氢气混合用空气完全燃烧来加热锅 炉，烟道气分析体积组成为N2 72.28%； CO2 8.12%；O2 2.44%；H2O 17.15%。 问：（1）燃料中甲烷和氢气的比例是多 少？ （2）空气/（甲烷和氢气）是多少？ （3）空气过剩系数？
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三、以结点作衡算
在生产实际中常有的情况是某些产品的组 成需要采用旁路调节送往下一工序，此时 以结点作物料衡算更方便。
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二、联系物解法
生产过程中常有些不参加反应的物料（惰 性物料），由于其数量在反应器进出口处 不发生变化，可以用它和另一些物料在组 成中的比例关系去计算另一些未知物料的 数量，可使计算简化，这些惰性物料称为 衡算联系物。在过程中若有多个惰性物可 联合采用以减少误差。当某些惰性物量很 少、组分分析误差较大时不宜采用。
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物料衡算的基本步骤
⑴ 画出流程示意图 ⑵ 列出已知数据
第 三 章 物 料 衡 算 与 能 量 衡 算
⑶ 列出由物料平衡所需求解的问题。 ⑷ 决定系统的边界
⑸ 写出主、副产品的化学反应方程式。
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⑹ 约束条件 ⑺ 选择计算基准
第 三 章 物 料 衡 算 与 能 量 衡 算
⑻ 进行物料平衡计算 ⑼ 列出物料和能量平衡表，并进行校核
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例1 计算结果
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一、直接求算法
例2 利用乙烯部分氧化法制取环氧乙烷，将乙烯在过量 空气条件下通过银催化剂进行如下反应，进料物质流量 为1000mol/h，进料中含乙烯10%（mol），乙烯转化率 为25%，生成产物环氧乙烷的选择性为80%，计算反应 器出口物料量及质量组成。 主反应：2C2H4 + O2 → 2C2H4O 副反应：C2H4 + 3O2 → 2CO2 + 2H2O 解：以每小时为计算基准。 进料：乙烯=1000×10%=100（mol/h）； 空气=1000×90%=900（mol/h）； 其中：氮气=900×0.79=711（mol/h）； 氧气=900×0.21=189（mol/h）； 转化掉乙烯=100×25%=25（mol/h）； 生成环氧乙烷所消耗乙烯=25×80%=20（mol/h）； 生成二氧化碳所消耗乙烯=25×20%=5（mol/h）。
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根据①～⑤：未转化CH3CHO量=2568.9×0.007=18.1(kg/h)； 进入的CH3CHO量=2600×0.995=2587(kg/h)； 反应需O2=896.8+26.2+1.6+13.3+65.5=1003.4(kg/h)； 实际需O2=1003.4÷0.984=1019.7(kg/h)； 剩余O2= 1019.7－1003.4=16.3(kg/h)； 工业O2= 1019.7÷0.95=1073.4(kg/h)； 其中N2=1073.4－1019.7=53.7(kg/h)； 原料带入CH3CHO量=2.6(kg/h)； 原料带入H2O=7.8(kg/h)； 原料带入(CH3CHO)3量=2.6(kg/h)； 反应生成CH3COOH= 3362.9+32.7=3395.6(kg/h)。 出料中：CH3COOH= 3395.6+2.6=3398.2(kg/h)； CO2= 12.0+12.2+72=96.2(kg/h)； H2O=4.9+0.9+5.0+29.5+7.8=48.1 (kg/h)； HCOOH= 12.5(kg/h)； CH3CH(OCOCH3)2= 7.1(kg/h； CH3COOCH3= 20.5(kg/h)。 将物料衡算结果列于下表中
ψ=βxA = ⑷ 限制反应物 ⑸ 过量反应物
(nC nC 0 ) / c n A0 / a
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一、直接求算法
例1 邻二甲苯空气氧化制苯酐，乙知邻二甲苯的转化率为70%，氧 的用量为理论用量的150%，每小时投入反应器的邻二甲苯为250kg， 试进行物料衡算。 解：取每小时为计算基准。 反应式 C8H10 + 3O2 → C8H4O3 + 3H2O 进料： 邻二甲苯=250kg/h=2.358kmol/h(邻二甲苯的分子量M=106)； 氧气=2.358×70%×3×150%=7.43 kmol/h=237.76kg/h； 氮气=7.43×0.79/0.21=27.95kmol/h=782.63kg/h； 出料： 苯酐 =2.358×70%×148=244.29kg/h； 水=2.358×70%×18×3=89.13kg/h； 氧气=(7.43－2.358×70%×3) ×32=79.36kg/h； 氮气=782.63kg/h； 未反应的邻二甲苯=250×（1－70%）=75kg/h。