化學(xué)工藝學(xué)-1概論

1、第一章第一章 概論概論化學(xué)工業(yè)出版社2主要內(nèi)容主要內(nèi)容1.1 化學(xué)工業(yè)的分類及特征化學(xué)工業(yè)的分類及特征1.2 化工原料、產(chǎn)品及其工藝化工原料、產(chǎn)品及其工藝1.3 化工工藝計(jì)算化工工藝計(jì)算31.1 化學(xué)工業(yè)的分類及特征化學(xué)工業(yè)的分類及特征1.1.1 化學(xué)工業(yè)的分類化學(xué)工業(yè)的分類（1 1）無(wú)機(jī)化學(xué)工業(yè)）無(wú)機(jī)化學(xué)工業(yè)合成氨、無(wú)機(jī)酸、堿、鹽和無(wú)機(jī)化學(xué)肥料（2 2）基本有機(jī)化學(xué)工業(yè)）基本有機(jī)化學(xué)工業(yè)合成醇、有機(jī)酸、醛、酯、酮以及烷烴、烯烴、芳烴系列產(chǎn)品（3 3）高分子化學(xué)工業(yè)）高分子化學(xué)工業(yè)合成塑料及樹(shù)脂、合成纖維、合成橡膠（4 4）精細(xì)化學(xué)工業(yè)）精細(xì)化學(xué)工業(yè)試劑、催化劑、助劑、添加劑、活性劑、染料、顏

2、料、香料、涂料、農(nóng)藥、醫(yī)藥等（5 5）生物化學(xué)工業(yè)）生物化學(xué)工業(yè)有機(jī)酸、生物農(nóng)藥、飼料蛋白、抗生素、維生素、疫苗等v 按按產(chǎn)品產(chǎn)品分類：分類：41.1 化學(xué)工業(yè)的分類及特征化學(xué)工業(yè)的分類及特征1.1.1 化學(xué)工業(yè)的分類化學(xué)工業(yè)的分類（1 1）石油化工）石油化工 以石油和天然氣為原料的化學(xué)工業(yè)（2 2）煤化工）煤化工 通過(guò)煤的氣化、干餾和生產(chǎn)的電石為原料的化學(xué)工業(yè)（3 3）生物化工）生物化工 采用農(nóng)、林等生物資源以及非生物資源，通過(guò)發(fā)酵、水解、酶催化而生產(chǎn)的化工產(chǎn)品（4 4）礦產(chǎn)化工）礦產(chǎn)化工 以化學(xué)礦為原料的化工產(chǎn)品（5 5）海洋化工）海洋化工 從海水中提煉的化工產(chǎn)品v 按按原料原料分類：分類

3、：51.1 化學(xué)工業(yè)的分類及特征化學(xué)工業(yè)的分類及特征1.1.2 化學(xué)工業(yè)的特征化學(xué)工業(yè)的特征（1）化學(xué)工藝方法和設(shè)備更新快，產(chǎn)品日新月異，是一個(gè)技術(shù)密集型的工業(yè)。（2）多數(shù)化學(xué)工業(yè)，特別是工業(yè)化學(xué)工業(yè)，無(wú)論原料和動(dòng)力，都要消耗能量，是一個(gè)能源密集型的工業(yè)。（3）化工過(guò)程往往是易燃、易爆、有毒、有腐蝕的過(guò)程，生產(chǎn)條件控制嚴(yán)格，是一個(gè)連續(xù)性和自動(dòng)化程度較高的工業(yè)。61.1 化學(xué)工業(yè)的分類及特征化學(xué)工業(yè)的分類及特征（4）為提高經(jīng)濟(jì)效益，綜合利用資源和能源，基本化學(xué)工業(yè)均向大型化方向發(fā)展。（5）化工生產(chǎn)是易產(chǎn)生廢氣、廢水、廢渣的過(guò)程，為防止污染環(huán)境，治理三廢是化工生產(chǎn)中的不可忽視的問(wèn)題，而治理三廢的同

4、時(shí)，有時(shí)又可得到有價(jià)值的副產(chǎn)品。（6）化工生產(chǎn)是有利于能量綜合利用的過(guò)程，以節(jié)能為主要內(nèi)容的技術(shù)改造，是降低生產(chǎn)能耗，提高經(jīng)濟(jì)效益的重要途徑。7主要內(nèi)容主要內(nèi)容1.1 化學(xué)工業(yè)的分類及特征化學(xué)工業(yè)的分類及特征1.2 化工原料、產(chǎn)品及其工藝化工原料、產(chǎn)品及其工藝1.3 化工工藝計(jì)算化工工藝計(jì)算81.2 化工原料、產(chǎn)品及其工藝化工原料、產(chǎn)品及其工藝 化學(xué)工業(yè)最基本的原料是煤、石油、天然氣、化學(xué)礦以及農(nóng)林副產(chǎn)物和海洋資源，其中絕大部分基本有機(jī)化學(xué)工業(yè)和部分的基本無(wú)機(jī)化學(xué)工業(yè)的原料主要是煤和天然氣。目前，世界化學(xué)工業(yè)主要以石油和天然氣為原料，約占90%以上；而我國(guó)的化學(xué)工業(yè)原料則以煤為主。91.2 化

5、工原料、產(chǎn)品及其工藝化工原料、產(chǎn)品及其工藝1.2.1 石油及其加工工藝石油及其加工工藝 從油田開(kāi)采出來(lái)的石油稱為原油，原油是一種褐黃色或黑色的粘稠液體，具有特殊氣味，原有的化學(xué)組成非常復(fù)雜，主要有碳和氫兩種元素所組成的各種烴類，并含有少量的氮、氧、硫化合物。烴類化合物分為烷烴、環(huán)烷烴和芳香烴。石蠟基石蠟基原油含較多的石蠟，烷烴含量超過(guò)50%，密度小，凝固點(diǎn)高，含硫及膠質(zhì)較少，大慶原油屬于此類。環(huán)烷基環(huán)烷基原油含有較多的環(huán)烷烴和芳香烴，密度較大，凝固點(diǎn)低，含硫及膠質(zhì)較多，瀝青亦較多。中間基中間基原油的性質(zhì)介于前兩類之間。 v 原油按原油按組成組成可分為：可分為：101.2 化工原料、產(chǎn)品及其工藝

6、化工原料、產(chǎn)品及其工藝 以石油為原料加工出來(lái)的產(chǎn)品甚多，按其主要性質(zhì)和用途可分為燃料油（汽油、煤油、柴油）、潤(rùn)滑油、瀝青、石油焦以及基本化工產(chǎn)品六大類。 基本化工產(chǎn)品為烯烴（乙烯和丙烯）、芳烴（苯、甲苯、二甲苯）、液化石油氣和合成氣等。以這些物質(zhì)為原料進(jìn)一步加工，可以制得各種各樣的化工產(chǎn)品和日用產(chǎn)品。 石油經(jīng)熱裂解生成重要的有機(jī)化工原料包括“三烯”（乙烯、丙烯、丁二烯）、“三苯”（苯、甲苯、二甲苯）等。111.2 化工原料、產(chǎn)品及其工藝化工原料、產(chǎn)品及其工藝121.2 化工原料、產(chǎn)品及其工藝化工原料、產(chǎn)品及其工藝 為了充分利用寶貴的石油資源，要對(duì)石油進(jìn)行一次加工和二次加工，在生產(chǎn)出汽油、航空煤

7、油、柴油、鍋爐燃油和液化氣的同時(shí)，制取各類化工原料。一次加工：一次加工：原油的常壓蒸餾和減壓蒸餾過(guò)程。蒸餾是一種利用液體混合物中各組分揮發(fā)度的差別（沸點(diǎn)不同）進(jìn)行分離的方法，是一種沒(méi)有化學(xué)反應(yīng)的傳質(zhì)、傳熱物理過(guò)程。二次加工：二次加工：常減壓蒸餾餾份油的進(jìn)一步化學(xué)加工過(guò)程。主要包括重整、催化裂化、催化加氫裂化和烴類熱裂解。 131.2 化工原料、產(chǎn)品及其工藝化工原料、產(chǎn)品及其工藝141.2 化工原料、產(chǎn)品及其工藝化工原料、產(chǎn)品及其工藝1.2.2 天然氣及其加工工藝天然氣及其加工工藝主要成分：主要成分：氣態(tài)烴類，還含有少量的二氧化碳、氮?dú)夂土蚧锏入s質(zhì)。來(lái)源：來(lái)源：伴生氣和非伴生氣。伴生氣是伴隨石

8、油共生，通稱為油田氣；非伴生氣為單獨(dú)的氣田資源，純氣田的天然氣主要成分是甲烷。干氣：干氣：每m3氣體中C5以上重質(zhì)烴含量低于13.5 cm3（液體）濕氣：濕氣：每m3氣體中C5以上重質(zhì)烴含量高于13.5 cm3（液體）貧氣：貧氣：含C3以上烴類高于94 cm3（液體）富氣：富氣：含C3以上烴類低于94 cm3（液體）151.2 化工原料、產(chǎn)品及其工藝化工原料、產(chǎn)品及其工藝產(chǎn)地組成（體積分?jǐn)?shù)%）CH4C2H6C3H8C4H10C5H12H2S(mg/kg)COCO2H2N2四川 93.010.80.20.0520400.020.40.025.5勝利 92.073.12.320.860.10.68

9、0.84遼河 90.783.271.460.930.782005 0.281.5幾種氣田的天然氣組成幾種氣田的天然氣組成161.2 化工原料、產(chǎn)品及其工藝化工原料、產(chǎn)品及其工藝 天然氣作為化工原料時(shí)，主要是制取合成氣，而進(jìn)一步加工成各種化工廠品；用天然氣為原料加工的基本化工產(chǎn)品，其成本一般較低。 天然氣是化學(xué)工業(yè)的重要原料，也是一種高熱值、低污染的清潔能源。由天然氣井、油田、煤層中產(chǎn)生的天然氣，不宜直接用作化工原料，還需脫除有害組分，并將各組分分離，然后才能將所得各種組分合理利用。 171.2 化工原料、產(chǎn)品及其工藝化工原料、產(chǎn)品及其工藝天然氣的初步加工處理工藝流程181.2 化工原料、產(chǎn)品及

10、其工藝化工原料、產(chǎn)品及其工藝天然氣的化學(xué)加工途徑191.2 化工原料、產(chǎn)品及其工藝化工原料、產(chǎn)品及其工藝1.2.3 煤及其加工工藝煤及其加工工藝v主要成分：主要成分：碳、氫和氧，并含有少量的氮、硫、磷等雜原子。 煤的種類C，wt%H，wt%O，wt%泥煤6070562535褐煤7080561525煙煤809045515無(wú)煙煤90981313不同煤的主要元素組成不同煤的主要元素組成201.2 化工原料、產(chǎn)品及其工藝化工原料、產(chǎn)品及其工藝211.2 化工原料、產(chǎn)品及其工藝化工原料、產(chǎn)品及其工藝 由于煤中含有大量的芳核結(jié)構(gòu)，以它為原料來(lái)制取芳烴、稠環(huán)和雜環(huán)等類化合物(如苯類、酚類、喹啉、吡啶、咔唑等

11、)，要比石油方便。目前世界上由煤得到的苯約占苯總產(chǎn)量的25%，萘約占萘總產(chǎn)量的85%，蒽、苊、芘占其總產(chǎn)量的90%以上，咔唑、喹啉均占100%，炭黑占其總產(chǎn)量的25%。 221.2 化工原料、產(chǎn)品及其工藝化工原料、產(chǎn)品及其工藝v在煤化工范疇內(nèi)的煤加工過(guò)程主要有煤的干餾、氣化、液化等。煤的干餾煤的干餾是在隔絕空氣的條件下加熱煤，使其分解生成焦炭、煤焦油、粗苯和焦?fàn)t氣的過(guò)程，也稱為煤的熱解或熱分解。高溫干餾：高溫干餾：煤在煉焦?fàn)t中隔絕空氣加熱到1000左右，經(jīng)過(guò)干餾的一系列階段，最終得到焦炭，該過(guò)程也稱為高溫?zé)捊够蚝?jiǎn)稱煉焦。低溫干餾：低溫干餾：煤在終溫500700下進(jìn)行的干餾過(guò)程，產(chǎn)生半焦、低溫焦

12、油和煤氣等產(chǎn)物。231.2 化工原料、產(chǎn)品及其工藝化工原料、產(chǎn)品及其工藝煤的氣化：煤的氣化：以煤或煤焦（半焦）為原料，以氧氣（空氣、富氧或純氧）、水蒸氣或氫氣等作為氣化劑（或稱氣化介質(zhì)），在高溫（9001300）通過(guò)化學(xué)反應(yīng)把煤或煤焦中的可燃部分轉(zhuǎn)化為氣體的過(guò)程。氣化時(shí)所得到的氣體稱為煤氣，其有效部分包括一氧化碳、氫氣和甲烷等。煤的液化：煤的液化：通過(guò)化學(xué)加工將煤轉(zhuǎn)化為液體燃料的過(guò)程。直接加氫液化：直接加氫液化：在高壓（1020MPa）、高溫（420480）和催化劑作用下轉(zhuǎn)化成液態(tài)烴的過(guò)程。間接液化：間接液化：將煤預(yù)先制成合成氣，然后在催化劑的作用下是合成氣轉(zhuǎn)化成烴類燃料、含氧化合物燃料的過(guò)程

13、。241.2 化工原料、產(chǎn)品及其工藝化工原料、產(chǎn)品及其工藝251.2 化工原料、產(chǎn)品及其工藝化工原料、產(chǎn)品及其工藝1.2.4 化學(xué)礦及其加工工藝化學(xué)礦及其加工工藝 固體化學(xué)礦的種類甚多，大多數(shù)化學(xué)礦是以化合物的形態(tài)存在，且含有多種元素。通常按某種元素在礦石中含量的高低分為高品位礦和低品位礦，低品位礦必須通過(guò)選礦富集才能作為原料。 化學(xué)礦主要用于制取金屬和無(wú)機(jī)鹽類產(chǎn)品。化學(xué)礦種類繁多，主要礦物舉例如下。261.2 化工原料、產(chǎn)品及其工藝化工原料、產(chǎn)品及其工藝鹽礦：鹽礦：巖鹽、海鹽或湖鹽等，用于制造純堿、燒堿、鹽酸和氯乙烯等硫礦：硫礦：硫磺(S)、硫鐵礦(FeS2)等，用于生產(chǎn)硫酸和硫磺磷礦：磷礦

14、：氟磷灰石Ca5F(PO4)3、氯磷灰石Ca5Cl(PO4)3，用于生產(chǎn)磷肥，磷酸及磷酸鹽等鉀鹽礦：鉀鹽礦：鉀石鹽(KCl和NaCl混合物)、光鹵石(KClMgCl26H2O)、鉀鹽鎂礬(KClMgSO43H2O)鋁土礦：鋁土礦：水硬鋁石(-Al2O3H2O)和三水鋁石(Al2O33H2O)的混合物硼礦：硼礦：硼砂礦(Na2O2B2O310H2O)、硼鎂石(2MgOB2O3H2O)等271.2 化工原料、產(chǎn)品及其工藝化工原料、產(chǎn)品及其工藝錳礦：錳礦：錳礦(和-MnO2)、菱錳礦(MnCO3)等鈦礦：鈦礦：金紅石(TiO2)、鈦鐵礦(FeTiO3)等鋅礦：鋅礦：閃鋅礦(ZnS)、菱鋅礦(ZnCO

15、3)鋇礦：鋇礦：重晶石(BaSO4)、毒晶石(BaCO3)等天然沸石：天然沸石：斜發(fā)沸石、絲光沸石、毛沸石(化學(xué)組成均為NaOAl2O3nSiO2xH2O)等硅藻土硅藻土(含83%89% SiO2nH2O) 膨潤(rùn)土膨潤(rùn)土(Mg, Ca)OAl2O35SiO2nH2O，可作吸附劑和催化劑載體281.2 化工原料、產(chǎn)品及其工藝化工原料、產(chǎn)品及其工藝 化學(xué)礦的加工方法主要有熱化學(xué)加工（煅燒、焙燒等）、浸取分離、萃取分離、提取分離和電化學(xué)等。除熱化學(xué)加工外，其他各種加工方法是用水或溶劑把所需的金屬化合物提取出來(lái)，這些方法通稱為濕法冶金。 291.2 化工原料、產(chǎn)品及其工藝化工原料、產(chǎn)品及其工藝主要礦物

16、質(zhì)的加工利用 301.2 化工原料、產(chǎn)品及其工藝化工原料、產(chǎn)品及其工藝1.2.5 生物質(zhì)及其加工工藝生物質(zhì)及其加工工藝來(lái)源：來(lái)源：農(nóng)、林、牧、副、漁業(yè)的產(chǎn)品及其廢棄物（殼、芯、稈、糠、渣）等農(nóng)副產(chǎn)品。利用方法：利用方法：一是直接提取其中固有的化學(xué)成分；二是利用化學(xué)或生物化學(xué)的方法將其分解為基礎(chǔ)化工產(chǎn)品或中間品。加工過(guò)程：加工過(guò)程：涉及萃取、微生物水解、酶水解、化學(xué)水解、裂解、催化加氫、皂化、氣化等一系列生產(chǎn)工藝和操作。 311.2 化工原料、產(chǎn)品及其工藝化工原料、產(chǎn)品及其工藝v 糠醛和糠醇的生產(chǎn) (C5H8O4)n水解nC5H10O5脫水+3nH2OOCHOn加氫OCH2OHnH+多縮戊糖戊糖

17、糠醛糠醇321.2 化工原料、產(chǎn)品及其工藝化工原料、產(chǎn)品及其工藝v乙醇的生產(chǎn) (C6H10O5)nnC12H22O112nH2O淀粉酶nH2O淀粉酶2nC6H12O6淀粉麥芽糖葡萄糖C6H12O6酵母2CH3CH3OH2CO2+33主要內(nèi)容主要內(nèi)容1.1 化學(xué)工業(yè)的分類及特征化學(xué)工業(yè)的分類及特征1.2 化工原料、產(chǎn)品及其工藝化工原料、產(chǎn)品及其工藝1.3 化工工藝計(jì)算化工工藝計(jì)算34 對(duì)于穩(wěn)定的連續(xù)流動(dòng)系統(tǒng)過(guò)程，無(wú)物料的積累，再若過(guò)程中無(wú)物料的損失，則輸入的總物料量 等于輸出的總物料量 ，即1.3 化工工藝計(jì)算化工工藝計(jì)算1.3.1 物料衡算物料衡算v物料衡算的依據(jù)是質(zhì)量守恒定律：進(jìn)入系統(tǒng)的物料

18、量進(jìn)入系統(tǒng)的物料量 = 離開(kāi)系統(tǒng)的物料量離開(kāi)系統(tǒng)的物料量 + 系統(tǒng)內(nèi)物料積累量系統(tǒng)內(nèi)物料積累量FGEG FEG =G351.3 化工工藝計(jì)算化工工藝計(jì)算（1）必須選擇某一物料的數(shù)量作為計(jì)算的依據(jù)，稱為物料衡算的基準(zhǔn)。（2）所選組分往往是不發(fā)生變化的惰性物料。對(duì)于發(fā)生復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程，最好選用元素的物質(zhì)的量（如kmol）。（3）在一個(gè)系統(tǒng)中進(jìn)行各設(shè)備的物料衡算時(shí)，應(yīng)采用同一個(gè)基準(zhǔn)，以避免發(fā)生計(jì)算錯(cuò)誤。v 在進(jìn)行物料衡算時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題：361.3 化工工藝計(jì)算化工工藝計(jì)算冷卻塔濕氣體（VF）水（W）干氣體（VE）1.3.1 物料衡算（物理變化過(guò)程）物料衡算（物理變化過(guò)程）FEV = V +WgF

19、gEV= VWFWEV= V+W總物料衡算式干氣體的物料衡算式水的物料衡算式37連續(xù)過(guò)程的物料衡算連續(xù)過(guò)程的物料衡算 一般表示式為：一般表示式為： 系統(tǒng)中積累系統(tǒng)中積累 = 輸入輸入 輸出輸出 + 生成生成 消耗消耗穩(wěn)態(tài)過(guò)程時(shí)穩(wěn)態(tài)過(guò)程時(shí) 輸入輸入 = 輸出輸出 生成生成 + 消耗消耗無(wú)化學(xué)反應(yīng)的穩(wěn)態(tài)過(guò)程無(wú)化學(xué)反應(yīng)的穩(wěn)態(tài)過(guò)程 輸入輸入 = 輸出輸出 38物料平衡形式 總平衡式總平衡式 *總質(zhì)量平衡式總質(zhì)量平衡式 總摩爾平衡式總摩爾平衡式 組分平衡式組分平衡式 組分質(zhì)量平衡式組分質(zhì)量平衡式 組分摩爾平衡式組分摩爾平衡式 元素原子平衡式元素原子平衡式 *元素原子質(zhì)量平衡式元素原子質(zhì)量平衡式 *元素原

20、子摩爾平衡式元素原子摩爾平衡式39物料衡算的基本步驟 畫(huà)出流程示意圖畫(huà)出流程示意圖 列出已知數(shù)據(jù)列出已知數(shù)據(jù) 列出由物料平衡所需求解的問(wèn)題列出由物料平衡所需求解的問(wèn)題 決定系統(tǒng)的邊界決定系統(tǒng)的邊界 寫(xiě)出主、副產(chǎn)品的化學(xué)反應(yīng)方程式寫(xiě)出主、副產(chǎn)品的化學(xué)反應(yīng)方程式40 約束條件約束條件 選擇計(jì)算基準(zhǔn)選擇計(jì)算基準(zhǔn) 進(jìn)行物料平衡計(jì)算進(jìn)行物料平衡計(jì)算 列出物料和能量平衡表，并進(jìn)行校核列出物料和能量平衡表，并進(jìn)行校核 結(jié)論結(jié)論41關(guān)于基準(zhǔn) 時(shí)間基準(zhǔn)時(shí)間基準(zhǔn) 連續(xù)（小時(shí)，天連續(xù)（小時(shí)，天） 間歇（釜，批間歇（釜，批） 質(zhì)量基準(zhǔn)質(zhì)量基準(zhǔn) kg，mol， kmol 體積基準(zhǔn)體積基準(zhǔn) m3（STP） 干濕基準(zhǔn)干濕基

21、準(zhǔn) 干基（不含水），濕基（含水）干基（不含水），濕基（含水）例：例：100kg濕物料，其中含水濕物料，其中含水10kg， 按按 濕基：含水率為濕基：含水率為10%； 若按若按 干基：含水率為干基：含水率為 10/（100-10）100%=11.11%421.3 化工工藝計(jì)算化工工藝計(jì)算例例1-1 苯、甲苯、二甲苯混合物采用由兩個(gè)精餾塔組成的單元設(shè)備中進(jìn)行分離，得到三種物流，各為一種物質(zhì)的富集液，系統(tǒng)流程如圖1-10所示。已知料液流率為1000molh1，其組成為苯20%，甲苯30%，其余為二甲苯（均為摩爾分?jǐn)?shù)）。在第一個(gè)精餾塔的釜底液中含苯2.5%和甲苯35%，然后進(jìn)入第二個(gè)精餾塔分離，塔頂?shù)?/p>

22、到含苯8%和甲72%的溜出液，試計(jì)算各個(gè)精餾塔得到的餾出液、釜底液及其組成。12345F1=1000mol/hx1B=0.2x1T=0.3x1x=0.5F2x2Bx2TF4x4B=0.08x4T=0.72x4xF3x3B=0.025x3T=0.35F5x5Tx5x43解解 在系統(tǒng)流程圖上，標(biāo)明各流股物料量，其中 、 和1.3 化工工藝計(jì)算化工工藝計(jì)算12345F1=1000mol/hx1B=0.2x1T=0.3x1x=0.5F2x2Bx2TF4x4B=0.08x4T=0.72x4xF3x3B=0.025x3T=0.35F5x5Tx5x3Bx3Tx3xx分別表示流股3中苯、甲苯和二甲苯的組成。

23、441.3 化工工藝計(jì)算化工工藝計(jì)算231000FF22B31000 0.2F0.025Fx22B31000 0.3F (1)0.35Fx345FF +F340.025F0.08F3455T0.35F0.72FF x該精餾過(guò)程可列出三組衡算方程，每組選出三個(gè)獨(dú)立方程，即：塔塔I：總物料苯甲苯塔塔II：總物料苯甲苯12345F1=1000mol/hx1B=0.2x1T=0.3x1x=0.5F2x2Bx2TF4x4B=0.08x4T=0.72x4xF3x3B=0.025x3T=0.35F5x5Tx5x451.3 化工工藝計(jì)算化工工藝計(jì)算2451000FFF22B41000 0.2F0.08Fx22

24、B455T1000 0.3F (1)0.72FFxx整個(gè)過(guò)程：整個(gè)過(guò)程：總物料苯甲苯流股12345組分molh-1組成molh-1組成molh-1組成molh-1組成 molh-1組成苯2000.201800.90200.025200.08甲苯3000.30200.102800.351800.72100.10.182二甲苯5000.505000.625500.20449.90.818合計(jì)10001.002001.008001.002501.005501.00求解結(jié)果列表461.3 化工工藝計(jì)算化工工藝計(jì)算1.3.1 物料衡算（化學(xué)變化過(guò)程）物料衡算（化學(xué)變化過(guò)程）燃燒塔爐氣（VCOVCO2、V

25、O2）氧（VO2F）碳（GCF）GCEv 對(duì)于化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，同一種元素的摩爾數(shù)是不變的，故可以按元素的摩爾數(shù)列出物料衡算式。 v 各種元素的物料衡算式：CFCOCOCE2GVVGO FCOCOO E222G0.5VVG碳氧v總物料衡算式：CFO FCOCOOCE222G2V2V3V2VG471.3 化工工藝計(jì)算化工工藝計(jì)算C + O2 = CO2 C + 0.5O2 = CO v 獨(dú)立反應(yīng)： v 組分?jǐn)?shù)N等于元素總數(shù)M與獨(dú)立反應(yīng)數(shù)R之和：N = M + R481.3 化工工藝計(jì)算化工工藝計(jì)算v 轉(zhuǎn)化率：轉(zhuǎn)化率：反應(yīng)所消耗的物料量與投入反應(yīng)的物料量之比值稱為該組分的轉(zhuǎn)化率，一般以分率來(lái)表示，若用

26、符號(hào)XA表示A組分的轉(zhuǎn)化率，則得： AAX =A反應(yīng)消耗 組分的量投入反應(yīng) 組分的量v 產(chǎn)率（或收率）：產(chǎn)率（或收率）：主產(chǎn)物的實(shí)際收得量與按投入原料計(jì)算的理論產(chǎn)量之比值。用分率或百分率來(lái)表示，若用符號(hào)Y來(lái)表示產(chǎn)率，則得：Y=主產(chǎn)物實(shí)際收得量按投入原料計(jì)算的理論產(chǎn)量Y=主產(chǎn)物收得量折算成原料量原料投料量491.3 化工工藝計(jì)算化工工藝計(jì)算v 選擇性：選擇性：表示各種主、副產(chǎn)物中，主產(chǎn)物所占的分率或百分率。用符號(hào)表S示，則得：S=主產(chǎn)物收得量折算成原料量反應(yīng)掉的原料量v 相對(duì)于同一反應(yīng)而言，轉(zhuǎn)化率、產(chǎn)率與選擇性之間存在如下關(guān)系：YX S501.3 化工工藝計(jì)算化工工藝計(jì)算例例1-2 用鄰二甲苯氣

27、相催化氧化生產(chǎn)鄰苯二甲酸酐（苯酐）。鄰二甲苯投料量205kg/h，空氣4500m3/h。反應(yīng)器出口物料組成（摩爾分?jǐn)?shù)）如表所示。計(jì)算鄰二甲苯轉(zhuǎn)化率、苯酐收率及反應(yīng)選擇性。 組分苯酐順酐鄰二甲苯氧氣氮?dú)馄渌嫌?jì)mol%0.650.040.0316.58784.70100+O2CH3CH3CCOOO+3H2O2511.3 化工工藝計(jì)算化工工藝計(jì)算解解 畫(huà)出物料流程圖：因尾氣中含有大量的惰性組分N2，故選擇N2作為物料衡算的聯(lián)系物。計(jì)算反應(yīng)器出口物料的總流量：450079.2%22.4204(kmol/h)78%521.3 化工工藝計(jì)算化工工藝計(jì)算反應(yīng)器出口物料中苯酐和鄰二甲苯的流量：204 0.6

28、5%1.326(kmol/h)204 0.03% 106.176.50(kg/h)苯酐鄰二甲苯+O2CH3CH3CCOOO+3H2O2主反應(yīng)式：M148.11M106.17苯酐鄰二甲苯鄰二甲苯的轉(zhuǎn)化率苯酐收率反應(yīng)選擇性2056.5X100%96.83%2051.326Y100%68.67%205106.17Y68.67%S100%70.92%X96.83%531.3 化工工藝計(jì)算化工工藝計(jì)算例例1-3 苯甲酰苯甲酸（BB酸）脫水縮合制蒽醌，要求控制反應(yīng)終點(diǎn)時(shí)硫酸組成為93.5%。每批投料工業(yè)BB酸400kg，含水10%，干品含純BB酸97%，縮合劑硫酸的濃度為97.8%，求算濃硫酸的需用量?？s

29、合反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率為99%（以上均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)） 。C6H5(CO)C6H4COOH+H2OC6H4(CO)2C6H4H2SO4400 0.9 0.97349(kg)400 0.140(kg)400 0.9 0.0311(kg)349 0.99 208/226318(kg)349 0.99 18/22627.5(kg)349 0.13.5(kg)400kg工業(yè)BB酸中含純BB酸含水含雜質(zhì)反應(yīng)生成蒽醌反應(yīng)生成水未反應(yīng)的BB酸0.01解解541.3 化工工藝計(jì)算化工工藝計(jì)算X 4027.5X 67.50.978X0.935X 67.5X1470(kg)147067.51537.5(kg)反應(yīng)后廢酸總量反

30、應(yīng)后廢酸濃度解得廢酸質(zhì)量 設(shè)97.8%的H2SO4用量為X kg551.3 化工工藝計(jì)算化工工藝計(jì)算輸入輸出名稱質(zhì)量/kg組成/%純重/kg名稱質(zhì)量/kg組成/%純重/kg工業(yè)BB酸400BB酸 87.2H2O 10.0雜質(zhì) 2.83494011粗蒽醌332.5蒽醌 95.6BB酸 1.1雜質(zhì) 3.33183.511.0濃硫酸1470H2SO4 97.8H2O 2.21437.632.4廢酸1537.5H2SO4 93.5H2O 6.51437.5100合計(jì)1870187018701870每批物料平衡表每批物料平衡表 561.3 化工工藝計(jì)算化工工藝計(jì)算v弛放過(guò)程：弛放過(guò)程：在帶有循環(huán)物流的過(guò)

31、程中，由于有些惰性組分或某些雜質(zhì)沒(méi)有分離掉，再循環(huán)中逐漸積累，會(huì)影響正常生產(chǎn)和正常操作。為了使循環(huán)系統(tǒng)中惰性組分保持在一定濃度范圍內(nèi)，需要將一部分循環(huán)氣排放出去，這種排放稱為弛放過(guò)程。v在連續(xù)弛放過(guò)程中，穩(wěn)態(tài)的條件為：v弛放物流中任一組分的濃度與進(jìn)行馳放那一點(diǎn)的循環(huán)物流濃度相同。因此，馳放物流的流率由下式?jīng)Q定：弛放時(shí)惰性氣體排出量 = 系統(tǒng)惰性氣體進(jìn)入量料液流率料液中惰性氣體濃度 = 弛放物流流率制定循環(huán)流中惰性氣體濃度571.3 化工工藝計(jì)算化工工藝計(jì)算例例1-4 由氫氣和氮?dú)馍a(chǎn)合成氨時(shí)，原料氣中總含有一定數(shù)量的惰性氣體，如氬和甲烷。為了防止循環(huán)氫、氮?dú)庵卸栊詺怏w的積累，因此應(yīng)設(shè)置馳放裝置

32、，如圖所示。假定原料氣的組成（摩爾分?jǐn)?shù)）N2為24.75，H2為72.25，惰性氣體為1.00。N2的單程轉(zhuǎn)化率為25%，循環(huán)物料中惰性氣體為12.5%，NH3為3.75%（摩爾分?jǐn)?shù)），試計(jì)算各股物流的流率和組成。581.3 化工工藝計(jì)算化工工藝計(jì)算解解 基準(zhǔn)：原料氣100mol/h循環(huán)物流組成（以代表惰性組分）：因循環(huán)氣和馳放氣從同一節(jié)點(diǎn)分流，故循環(huán)物流組成與馳放氣組成相同。組成如下：3I = 0.125NH = 0.0375， 2N = (1 0.1250.0375)/40.20942H = 0.2094 3= 0.6281馳放氣流率F4由惰性氣體平衡求出：44100 0.010.125F

33、F8(mol)循環(huán)物流流率R由N2組分衡算求?。?4(0.2475F0.2094R) (1 0.25)(F +R) 0.2094R322.58(mol)14(0.2475F0.2094R) (1 0.25)(F +R) 0.2094R322.58(mol)591.3 化工工藝計(jì)算化工工藝計(jì)算進(jìn)反應(yīng)器混合氣的流率F2：21F = R+F = 322.58+100 = 422.58(mol)產(chǎn)品液氨的流率F3（由質(zhì)量衡算得）：為簡(jiǎn)化計(jì)算，將惰性氣體全部看作是Ar，取惰性氣體的相對(duì)分子質(zhì)量為40，則有：原料氣質(zhì)量流率： 311 409929928881.5(g)44弛放氣質(zhì)量流率：8 0.125 4

34、08 0.0375 178 0.2094288 0.6281 2102(g) 液氨質(zhì)量流率： 881.5 102779.5(g)液氨摩爾流率F3： 3F779.5/1745.85(mol)8 0.125 408 0.0375 178 0.2094288 0.6281 2102(g) 601.3 化工工藝計(jì)算化工工藝計(jì)算項(xiàng)目原料氣F1循環(huán)氣R混合氣F2馳放氣F4液氨F3摩爾流率，mol/h100322.58422.58845.85物流組成（摩爾分?jǐn)?shù)）N20.24750.20940.21840.20940H20.74250.62810.65520.628100.010.1250.09780.125

35、0NH300.03750.02860.03751.00合計(jì)1.001.001.001.001.00物料衡算結(jié)果物料衡算結(jié)果 61v對(duì)于穩(wěn)定的連續(xù)流動(dòng)過(guò)程，無(wú)熱量的積累，且不計(jì)入熱量的損失時(shí)，輸入的總熱量1.3 化工工藝計(jì)算化工工藝計(jì)算1.3.2 熱量衡算熱量衡算v熱量衡算以熱力學(xué)第一定律為基礎(chǔ)。 輸入的總熱量 = 輸出的總熱量 + 積累的熱量 + 損失的熱量FQEQ就等于輸出的總熱量FEQ =Qv因?yàn)闊崃渴窍鄬?duì)值，故在進(jìn)行熱量衡算時(shí)，應(yīng)選定基準(zhǔn)的溫度和相態(tài)?；鶞?zhǔn)溫度可以任意選擇，但一般選取0或25，因?yàn)樵谶@兩個(gè)溫度下的熱力學(xué)數(shù)據(jù)較多，易于查用。621.3 化工工藝計(jì)算化工工藝計(jì)算（1）以反應(yīng)熱

36、為基礎(chǔ)計(jì)算（2）以生成熱為基礎(chǔ)計(jì)算0ARrAHH(H )(H )iiiinnn輸出輸入A：任意一種反應(yīng)物或產(chǎn)物 nAR：過(guò)程中生成或消耗A的物質(zhì)的量 A ：的化學(xué)計(jì)量系數(shù) H(H )(H )iiiinn輸出輸入v熱量衡算的兩種方法：熱量衡算的兩種方法：631.3 化工工藝計(jì)算化工工藝計(jì)算例例1-5 甲烷在連續(xù)式反應(yīng)器中空氣氧化生產(chǎn)甲醛，副反應(yīng)是甲烷完全氧化生成CO2和H2O。CH4(氣)+O2+HCHO(氣)H2O(氣)CH4(氣)+2O2+CO2(氣)2H2O(氣)以100mol進(jìn)反應(yīng)器的甲烷為基準(zhǔn)，物料流程如圖1-15所示。假定反應(yīng)在足夠低的壓力下進(jìn)行，氣體便可看作理想氣體。甲烷于25進(jìn)反

37、應(yīng)器，空氣于100進(jìn)反應(yīng)器，如要保持出口產(chǎn)物為150，需從反應(yīng)器取走多少熱量？25，CH4 100molO2 100molN2 376mol100QCH4 60molHCHO(氣) 30molCO2 10molH2O(氣) 50molO2 50molN2 376mol150641.3 化工工藝計(jì)算化工工藝計(jì)算解解 物料衡算基準(zhǔn)：物料衡算基準(zhǔn)：100mol進(jìn)料中的CH4。衡算結(jié)果如圖所示。各組分單位進(jìn)料（各組分單位進(jìn)料（25）的焓值）的焓值 （1）25下進(jìn)料甲烷的焓0f,CH4H74.85kJ/mol 查手冊(cè)得生成熱 04f,CH4(CH )HH74.85kJ/mol 進(jìn)則 能量衡算：能量衡算：

38、取25時(shí)生成各個(gè)反應(yīng)物和產(chǎn)物的各種原子（即C、O、H）為基準(zhǔn)，非反應(yīng)物質(zhì)N2也取25為基準(zhǔn)（因25是氣體平均摩爾熱容的參考溫度）。各焓值計(jì)算如下。651.3 化工工藝計(jì)算化工工藝計(jì)算O ,1002H（2） pC (100)29.8J/(K mol)查手冊(cè)得 p2(O )HC (100)(10025)2235(J/mol)2.235(kJ/mol)進(jìn)N ,1002H（3） 查手冊(cè)得 pC (100)29.16J/(K mol)p2(N )HC (100)(10025)2.187(kJ/mol)進(jìn)各組分單位出料的焓值各組分單位出料的焓值 O ,1502H（1）pC (150)30.06J/(K mol)查手冊(cè)得 p2(O )HC (150)(15025)3.758(kJ/mol)