有限学时下化工设计中物料衡算教学改革探索——以直接推算法为例

吴 彬

(黄山学院 化学化工学院，安徽 黄山 245041)

物料衡算是根据工艺流程设计和生产过程分析，定量地计算出过程中涉及的原料、中间物料、主副产品、工业“三废”的物料量、组成及产品产率等技术指标。其目的是为了评价工艺路线及生产方法在经济上是否合理，技术上是否先进，为下阶段的设计工作提供数据和依据[1，2]。因此物料衡算是化工工艺设计中最基本、最重要的内容之一。

为了将培养重心转移到应用型人才，并遵循工程教育专业认证强调学习产出模式的OBE(Out‐come-Based Education)教育理念[3]，课程组结合国内多部重点教材及教学经验重新编排了物料衡算方面的教学内容，致力于在有限学时下讲授的内容更贴近学生的理解和思维；传递的设计理念更符合实际的工程意识[4，5]。本文选取了直接推算法进行物料衡算的新编教学内容，从基本原理与概念、计算步骤，计算示例3 方面着手，同时引入Excel 辅助计算[6]，以探索解决本课程新工科背景下基于OBE理念“应用型”人才的培养目标。

1 基本原理与概念

基本原理与概念编排为“一核四基”，即一个核心原理：质量守恒定律；四个基本概念：基准、转化率、选择性、收率。

质量守恒定律是指物质在反应前后的总质量保持不变，物料衡算依据此原理建立物料衡算方程。教材常见的表述方式有文字和数学公式两种形式表达，为了让学生更直观和更轻松理解其含义，同时也为其后讲授绘制流程示意图做好铺垫，我们采用图形的教学方式，如图1 所示。当物流输入系统时，可以看成为穿过一个虚拟的边界线，穿过的物流一部分会在系统内累计，另一部分则会输出，即∑输入量=累计量+∑输出量，若为稳流过程，则公式中累积量为零。

图1 物料衡算流程示意图

为了降低计算量与减小误差，一般选用基准作为计算的初始值，其数值和单位自行假定。这部分教材一般着重从单位的选取来将基准分类，从工程角度出发，将基准按生产方式（连续式和间歇式）和物质的状态（气液固三态）进行分类。在实际选用时要选用恰当的物质作为计算基准，即一方面可以通过基准尽可能多地把未知量求出来，另一方面选取的基准尽可能在计算过程中多做乘法，少做除法，这样会减少除不尽而带来四舍五入的误差问题。

转化率、选择性和收率这3 个概念在物料衡算中非常重要，是联系原料与产物的纽带与桥梁，为了便于学生更容易理解其含义及其相互关系，首先重新组织了言简意赅的语句定义其含义，其次是借用韦恩图帮助学生理解概念表述中3种物质量之间的关系。

转化率=某原料的反应量/某原料的进料量

选择性=产物生成量折算成某原料量/某原料的反应量

收率=产物生成量折算成某原料量/某原料的进料量

收率=转化率×选择性

图2 原料转换关系韦恩图

需要补充的两点内容：其一是定义中的“某原料”在实际工程设计中一般选取参与反应的关键组分原料，通常对于关键组分原料的认定是基于原料更为贵重；其二是韦恩图体现在某原料的反应量是某原料的进料量的一部分，产物生成量折算成某原料量是某原料的反应量的一部分，即可以简单理解为原料中只有一部分发生反应，发生反应的原料中只有一部分变为产品。

2 计算步骤

物料衡算为了避免出现计算遗漏，也为了便于检查核对，需要严格按步骤进行计算。课程组对这部分内容也重新进行了编排，将原教材中的6 步计算改为5步计算，并增加了具体说明和图形示例。

2.1 画出流程示意图，确定衡算对象和范围

衡算对象和范围可以是单台设备或装置，也可以是几台设备或装置，甚至可以是整个工厂全套工艺。

图3 平衡对象划分示意图

2.2 确定计算任务

在流程示意图物流线附近标明物质的名称和物质的量（或质量），其中未知量用字母替代，为后面列衡算方程做准备。

图4 衡算对象物质标注示意图

2.3 列化学反应方程式

收集资料或根据题意，将反应器中所有化学反应方程式列出。

2.4 收集物性参数

通过查手册或有关资料收集物性参数，要求不是很精确的情况下也可以通过估算方法获得；有条件可以用计算机检索数据库或调出专业软件自带物质物性参数；如果查不到数据，同时估算精度不够，则只能通过实验方法获取。

2.5 设基准，列物料平衡方程式

平衡方程式分质量平衡方程式和摩尔平衡方程式，一般首先列总的平衡方程式，再列组分平衡方程式，如果平衡方程式数量还不够解出未知量，再列元素原子平衡式。

3 计算示例

按照物料衡算的步骤并结合基本原理概念解教材中一道例题。

试计算年产15000吨福尔马林（甲醛溶液）所需的工业甲醇原料消耗量，并求甲醇转化率和甲醛收率。已知条件：①氧化剂为空气，用银催化剂固定床气相氧化；②过程损失为甲醛总量的2%（质量），年开工8000 小时；③有关数据：工业甲醇组成（质量）：CH3OH 98%，H2O 2%；反应尾气组成（体积分数）：CH40.8%，O20.5%，N273.7%，CO24.0%，H221%；福尔马林组成（质量分数）：HCHO 36.22%，CH3OH 7.9%，H2O 55.88%。

3.1 画出流程示意图，确定衡算对象和范围

根据题意，借助于EXCEL 表格绘制生产福尔马林工艺流程示意图，如图5。

图5 福尔马林工艺流程计算示意图

3.2 确定计算任务

在流程示意图上将有关已知条件标示出来，因本题计算借助于EXCEL 公式计算功能，所以未知量可不用字母替换，直接空着即可，但物质名称要标明清楚，条件标示见图5。

3.3 列化学反应方程式

3.4 收集物性参数

本题在计算过程仅涉及物质的摩尔质量，可查资料获取。

3.5 设基准，列物料平衡方程式

3.5.1 设基准，计算尾气

根据基准的设立要尽可能将未知量方便求出的原则，依据题意，取尾气100m（3STP）为计算基准。则尾气量可全部求出，结果见尾气计算示意图图6。

图6 福尔马林工艺流程尾气计算示意图

3.5.2 利用尾气中N2量求空气

由化学反应方程式知，N2没有参与反应，因此反应前后的量保持不变，由此计算出空气的量，结果见空气计算示意图图7。

图7 福尔马林工艺流程空气计算示意图

3.5.3 计算方程式反应前后各物质的量

1.先根据尾气CH4的量求得（4）反应方程式各物质的量。

2.根据尾气CO2的量求得（3）反应方程式各物质的量。

3.根据尾气H2的量=反应（2）H2的量-反应（4）H2的量，求得（2）反应方程式各物质的量。

4.根据尾气O2的量=进料空气中O2的量-反应（3）O2的量-反应（1）O2的量，求得（1）反应方程式各物质的量。

3.5.4 福尔马林产品量的计算

根据反应器出口甲醛的量和机械损失2%，计算出福尔马林中甲醛的量。

再根据福尔马林组成计算出福尔马林各物质量，计算结果见产品计算示意图图8。

图8 福尔马林工艺流程产品计算示意图

3.5.5 工业甲醇原料量的计算

根据工业甲醇中甲醇的量=福尔马林中甲醇的量+甲醇反应消耗量，计算出工业甲醇中甲醇的量。

再根据工业甲醇组成计算出工业甲醇各物质量，计算结果见原料计算示意图图9。

图9 福尔马林工艺流程原料计算示意图

3.5.6 反应器出口各产物量的计算

根据化学反应计算结果，计算出反应器出口各物质量，计算结果见反应产物计算示意图图10。

图10 福尔马林工艺流程反应产物计算示意图

3.5.7 吸收塔吸收水量计算

根据用水平衡，计算出吸收塔补充水量：

97.2‐30.6=66.6(kg)

3.5.8 甲醇准化率与甲醛收率计算

3.5.9 根据福尔马林产量按比例放大计算

按设定基准算出的福尔马林为63+13.7+97.2=173.9(kg)，根据题设条件，取福尔马林产量2t/h 计算，则原数据需要放大=11.3 倍，计算结果见结果汇总图11。

图11 福尔马林工艺流程计算结果汇总图

4 结论

在国家“新工科”建设背景下，如何在有限学时下高效开展符合应用型人才培养目标的教学将是本课程改革的核心内容。本文以物料衡算中的直接推算法为例，通过重新整合与编排课程教学内容，同时注重引入实际工程设计中相关概念加以补充，采取EXCEL 辅助计算讲授以提高效率，在不断提升学生设计能力的同时，也能不断增强学生的工程观念和意识，实现新工科背景下基于OBE 理念“应用型”人才的培养目标。