2.5.1 反应过程的物料衡算
1.物料衡算基本方程式
物料衡算总是围绕一个特定范围来进行,可称此范围为衡算系统。衡算系统可以是一个总厂、一个分厂或车间、一套装置、一个设备,甚至一个节点等。物料衡算的理论依据是质量守恒定律,按此定律写出衡算系统的物料衡算通式为
式中,m in为输入物料的总质量;m out为输出物料的总质量;m accumulate为系统内积累的物料质量。
2.间歇操作过程的物料衡算
间歇操作属于批量生产,即一次投料到反应器内进行反应,反应完成后一次出料,然后再进行第二批生产。其特点是在反应过程中浓度等参数随时间而变化。分批投料和分批出料也属于间歇操作。
间歇操作过程的物料衡算是以每批生产时间为基准,输入物料量为每批投入的所有物料质量的总和(包括反应物、溶剂、充入的气体、催化剂等),输出物料量为该批卸出的所有物料质量的总和(包括目的产物、副产物、剩余反应物、抽出的气体、溶剂、催化剂等),投入料总量与卸出料总量之差为残存在反应器内的物料量及其他机械损失。
3.稳态流动过程的物料衡算
生产中绝大多数化工过程为连续操作,设备或装置可连续运行很长时间,除了开工和停工阶段外,绝大多数时间内是处于稳定状态的流动过程,物料不断地流进和流出系统。其特点是系统中各点的参数(如温度、压力、浓度和流量等)不随时间而变化,系统中没有积累。当然系统中不同点或截面的参数可相同,也可不同。
对于无化学反应过程,诸如混合、蒸馏、干燥等也可用物质的量来进行衡算。对于化学反应过程,输入物料的总物质的量则不一定等于输出物料的总物质的量。对其中某个组分i的衡算式可写为
式中,（∑m i）in为输入各物料中组分i的质量之和;（∑m i）out为输出各物料中组分i的质量之和;Δm i为参加反应消耗的组分i的质量(当组分i为反应物时,Δm i＞0;当组分i为生成物时,Δm i＜0;当组分i为惰性物质时,Δm i=0)。(https://www.daowen.com)
因为式(2-27)中均为组分i的量,相对分子质量相同,故也可以用物质的量来进行组分变i的物料衡算;惰性物质不参加反应,若在进、出物料中数量不变,常用来作中间物料进行物料衡算,使计算简化。
另外,在一般的化学反应中,原子本身不发生变化,故可用原子的物质的量来做物料衡算。原子衡算法可以不涉及化学反应式中的化学计量关系,故对于复杂反应体系的计算是很方便的。对于稳态流动过程,有输入物料中所有原子的物质的量之和等于输出物料中所有原子的物质的量之和或输入各组分中某原子的物质的量之和等于输出各组分中该原子的物质的量之和。
4.物料衡算步骤
化工生产的许多过程是比较复杂的,在对其做物料衡算时,应该按一定步骤来进行,这样才能给出清晰的计算过程和正确的结果。物料衡算通常遵循以下步骤。
(1)绘出流程的方框图,以便选定衡算系统。图形表达方式宜简单,但代表的内容要准确,进、出物料不能有任何遗漏,否则衡算会造成错误。
(2)写出化学反应方程式并配平。如果反应过于复杂或反应不太明确,写不出反应式,此时应用上述的原子衡算法来进行计算,不必写出反应式。
(3)选定衡算基准。衡算基准是为进行物料衡算所选择的起始物理量,包括物料名称、数量和单位,衡算结果得到的其他物料量均是相对于该基准而言的。衡算基准的选择以计算方便为原则,可以选取与衡算系统相关的任何一种物料或其中某个组分的一定量作为基准。例如,可以选取一定量的原料或产品(1 kg、100 kg、1 mol、1 m3等)为基准,也可选取单位时间(1 h、1 min、1s等)为基准。用单位量原料为基准,便于计算产率;用单位时间为基准,便于计算消耗指标和设备生产能力。如何选择衡算基准是一个技巧问题,在计算中要重视训练,基准选择恰当可以使计算大为简化。
(4)收集或计算必要的各种数据,要注意数据的适用范围和条件。
(5)设未知数,列方程式组,联立求解。有几个未知数则应列出几个独立的方程式,这些方程式除物料衡算式外,有时尚需其他关系式,诸如组成关系约束式、化学平衡约束式、相平衡约束式、物料量比例等。
(6)计算和核对。
(7)报告计算结果。通常将已知及计算结果列成物料收支平衡表,表格可以有不同形式,但要全面反映输入及输出的各种物料、包含组分的绝对量和相对含量。