3.2.3 化学反应过程的物料衡算
1.一般反应过程的物料衡算
（1）直接计算法
例4 在鼓泡反应器（间歇）中进行苯的氯化反应生产氯苯，
主反应为 C6H6+Cl2=C6H5Cl+HCl 同时有副反应生成二氯苯和三氯苯，反应式分别为： C6H6+2Cl2=C6H4Cl2+2HCl C6H6+3Cl2=C6H3Cl3+3HCl 已知鼓泡反应器的产品中，主副反应产物和未反应的苯的 重量比为：氯苯:二氯苯:三氯苯:苯=1:0.08:0.016:2。 求：（1）苯的转化率；（2）氯苯的收率；（3）反应的选 择性；（4）反应生成氯化氢的总量；（5）反应消耗的氯 气的总量。
CO2 H2O O2 N2
解： 以100mol/h合成气为计算基准，则合成气中各组 分的量为：
CH4：0.4mol/h；CO：38.3mol/h； CO2：5.5mol/h； H2：52.8mol/h；O2：0.1mol/h； N2：2.9mol/h；
设加入的空气量为Amol/h，燃烧气中各组分的量分别为： CO2 a mol/h，H2O b mol/h，O2 c mol/h，N2 d mol/h 列元素平衡式有： C：0.4 38.3 5.5 a a 44.2mol/h H：4 0.4 2 52.8 2b b 53.6mol/h
2.564 0 0.889 0.0544 0.0088 1.023 4.5392
可见，质量平衡，摩尔数也平衡，是摩尔数不变的化学反应。
3.2.3 化学反应过程的物料衡算
1.一般反应过程的物料衡算 （2）元素衡算法
• 元素衡算法是物料衡算的一种重要形式，是以反 应过程中参与反应的各种元素为对象列出平衡方程 式而进行的物料衡算。无需考虑具体的化学反应， 按照元素种类被转化及重新组合的概念表示为：
合成气 CH4 CO CO2 H2 O2 N2 0.4% 38.3% 5.5% 52.8% 0.1% 22 N2
CO2 H2O O2 N2
3.2.3 化学反应过程的物料衡算
1.一般反应过程的物料衡算 （1）直接计算法 方法：利用反应物在反应过程中的消耗量和产 物的生成量之间符合化学计量系数之比，来进行 反应物消耗和生成物生成量之间的换算，以达到 进行反应器的物料衡算的目的，这种方法就叫直 接计算法。 适用：反应过程有明确的化学反应方程式，且 反应过程比较简单，没有很多的副反应发生，并 且已知条件比较充分的情况。这样的计算比较简 便，不必按前面所介绍的方法列出物料衡算式。
输入（元素)= 输出（同元素） • 当反应过程比较复杂，同时发生多个反应但详细 分配情况不清楚或化学反应式无法写出时，用元素 衡算法比较合适，如石油裂解过程。
3.2.3 化学反应过程的物料衡算
1.一般反应过程的物料衡算 （2）元素衡算法
例5 已知合成气的组成为CH4 0.4%(体积分数)，CO 38.3%，CO2 5.5%，H2 52.8%，O2 0.1%和N2 2.9%，现 用10%过量空气燃烧，燃烧后生成的燃烧气中不含CO， 计算燃烧气组成。
例4
进出口物流表： 组分 输入 kg kmol kg 输出 kmol
C6H6 Cl2 C6H5Cl C6H4Cl2 C6H3Cl3 HCl
合计
274.263 72.72 0 0 0 0 346.983
3.516 1.024 0 0 0 0 4.54
200 0 100 8 1.6 37.34 346.94
例4
解： 以100kg产物氯苯为计算基准，则反应器出口混
合物中各组分的量为: 苯：200kg；二氯苯：8kg；三氯苯：1.6kg 按照化学计量关系有：
100 78 69 .33kg 生成氯苯消耗苯的量为 112 .5 100 消耗氯气的量为 71 63 .11kg 112 .5 100 产生的氯化氢的量为 36.5 32.4kg 112 .5
合成气 CH4 CO CO2 H2 O2 N2 0.4% 38.3% 5.5% 52.8% 0.1% 2.9% 燃烧气
燃 烧 器
空气 O2 N2
CO2 H2O O2 N2
合成气 CH4 CO CO2 H2 O2 N2 0.4% 38.3% 5.5% 52.8% 0.1% 2.9%
燃烧气
燃 烧 器
空气 O2 N2
例4
8 78 4.245 kg 生成二氯苯消耗苯的量为 147 8 71 2 7.728 kg 消耗氯气的量为 147 8 产生的氯化氢的量为 36.5 2 3.97 kg 147 1 .6 78 0.688 kg 生成三氯苯消耗苯的量为 181 .5 1 .6 71 3 1.878 kg 消耗氯气的量为 181 .5 1 .6 36 .5 3 0.966 kg 产生的氯化氢的量为 181 .5
例4
故苯的加入量为 200 69.33 4.245 0.688 274.263kg 生成氯化氢总量为 32.4 3.97 0.966 37.34kg 消耗氯气总量为63.11 7.728 1.878 72.72kg
274 .263 200 27.08% （1）苯的转化率 X 274 .263 69.33 25.28% （2）氯苯的收率 Y 274 .263 Y 0.2528 S 0.9335 （3）氯苯反应的选择性 X 0.2708
3.2.3 化学反应过程的物料衡算
• 化学反应过程的物料衡算比无化学反应过程的计 算要复杂得多，所考虑的因素也多得多。 • 在进行化学反应过程的物料衡算时必然会涉及到 原料的配比、反应的转化率、产物的收率、选择 性等许多因素。 • 以进行化学反应为主要任务的设备是反应器，对 化学反应过程进行物料衡算就是以反应器为衡算 体系。 • 反应过程有不同的特点，需根据反应过程的不同 特点而灵活选用不同的计算方法，本部分主要介 绍四种对反应器的物料衡算适用的方法。