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文檔簡介
物料和能量(néngliàng)平衡Prof.Dr.YangXuefengSchoolofChem.Eng.anUniversity精品資料1.1概述(ɡàishù)物料(wùliào)衡算和能量衡算是化工工藝設(shè)計的基礎(chǔ),也是進行化工工藝設(shè)計及經(jīng)濟評價的基本依據(jù)。通過對全過程或單元過程的物料(wùliào)和能量衡算,可以確定工廠生產(chǎn)裝置設(shè)備的設(shè)計規(guī)模和能力;同時,可以計算出主、副產(chǎn)品的產(chǎn)量,原料的消耗定額,生產(chǎn)過程的物料(wùliào)損耗以及三廢的排放量、蒸汽、水、電、燃料等公用工程消耗。通過物料(wùliào)平衡和能量衡算可以確定各物料(wùliào)的流量、組成、狀態(tài)和物化性質(zhì),從而為確定設(shè)備尺寸、管道設(shè)計、儀表設(shè)計、公用工程設(shè)計以及建筑、結(jié)構(gòu)設(shè)計提供依據(jù)。精品資料1.1概述(ɡàishù)物料和能量衡算是化工技術(shù)人員必須掌握的基本技能,也是學(xué)習(xí)和對化工過程進行深入研究時,推導(dǎo)數(shù)學(xué)模型基本方程的重要基礎(chǔ)。化工過程根據(jù)其操作方式可以分成間歇操作、連續(xù)操作以及半連續(xù)操作三類?;蛘邔⑵浞譃榉€(wěn)定狀態(tài)操作和不穩(wěn)定狀態(tài)操作兩類。在對某個化工過程作物料或能量衡算時,必須了解(liǎojiě)生產(chǎn)過程的類別。精品資料1.1概述(ɡàishù)間歇操作過程:原料在生產(chǎn)操作開始時一次加入,然后進行反應(yīng)或其它操作,一直到操作完成后,物料一次排出。在整個操作時間內(nèi),沒有物料進出設(shè)備,設(shè)備中各部分的組成、條件(tiáojiàn)隨時間不斷變化。連續(xù)操作過程:在整個操作期間,設(shè)備的進料和出料是連續(xù)流動的,原料不斷穩(wěn)定地輸人生產(chǎn)設(shè)備,同時不斷從設(shè)備排出總量相等的物料。在整個操作期間,設(shè)備內(nèi)各部分組成與條件(tiáojiàn)不隨時間而變化。半連續(xù)操作過程:操作時物料一次輸入或分批輸入,而出料是連續(xù)的;或連續(xù)輸入物料,而出料是一次或分批的。精品資料1.1概述(ɡàishù)穩(wěn)定狀態(tài)操作過程(穩(wěn)定過程):整個化工過程的操作條件(如溫度、壓力、物料(wùliào)量及組成等)不隨時間而變化,只是設(shè)備內(nèi)不同點有差別。不穩(wěn)定狀態(tài)操作過程(不穩(wěn)定過程):操作條件隨時間而不斷變化的過程。化工過程操作狀態(tài)不同,其物料(wùliào)或能量衡算的方程亦有差別。精品資料1.2物料(wùliào)平衡精品資料1.2.1基本概念
進行物料衡算的理論依據(jù)是質(zhì)量守恒定律,即在一個獨立的體系中,無論物質(zhì)發(fā)生怎樣的變化,其質(zhì)量保持(bǎochí)不變。物料衡算基本式精品資料1.2.1基本概念
若體系內(nèi)有化學(xué)反應(yīng)發(fā)生,在作衡算時,要把由反應(yīng)消耗(xiāohào)或生成的量考慮在內(nèi)在對反應(yīng)物作衡算時,由反應(yīng)而消耗的量應(yīng)取(yīnɡqǔ)減號;對生成物作衡算時,由反應(yīng)而生成的量應(yīng)取(yīnɡqǔ)加號。精品資料1.2.2基本(jīběn)方法畫出物料流程簡圖,選擇計算基準(jīzhǔn)及物料衡算式。(1)物料流程簡圖求解物料衡算問題,應(yīng)先根據(jù)給定的條件畫出流程簡圖。圖中用簡單的方框表示過程中的設(shè)備,用線條和箭頭表示每個流股的途徑和流向,并標出每個流股的已知變量及單位。對一些未知的變量,可用符號表示。
精品資料1.2.2基本(jīběn)方法例:含CH490%和C2H610%(mol%)的天然氣與空氣在混合器中混合,得到的混合氣含CH48%。試計算100mol天然氣應(yīng)加入(jiārù)的空氣量及得到的混合氣量。精品資料1.2.2基本(jīběn)方法(2)選擇計算基準(jīzhǔn)進行物料、能量衡算時,必須選擇一個計算基準(jīzhǔn)。從原則上講,任何一種計算基準(jīzhǔn)都能得到正確的解答,但計算基準(jīzhǔn)選擇得恰當,可以使計算簡化,避免錯誤。精品資料1.2.2基本(jīběn)方法根據(jù)過程特點,選擇計算基準時應(yīng)注意以下幾點:1)應(yīng)選擇已知變量數(shù)最多的流股作為計算基準。例如:某一個體系,反應(yīng)物組成(zǔchénɡ)只知其主要成份,而產(chǎn)物的組成(zǔchénɡ)已知,就可以選用產(chǎn)物的單位質(zhì)量或單位體積作基準,反之亦然。2)對液體或固體的體系,常選取單位質(zhì)量作基準。3)對連續(xù)流動體系,用單位時間作計算基準有時較方便。例如:以1小時、1天等的投料量或產(chǎn)品量作基準。4)對于氣體物料,如果環(huán)境條件(如溫度、壓力)已定,則可選取體積作基準。精品資料1.2.2基本(jīběn)方法(3)根據(jù)過程的不同情況選擇物料衡算式進行計算。具體進行物料計算時,可采用下列步驟(bùzhòu)1)收集已知數(shù)據(jù),如進入或輸出體系的物料的流量、溫度、壓力、濃度、密度等。2)作流程簡圖,在圖中應(yīng)作出所有物料線,標上所有已知和未知量。若過程中有多股物流,則可將各股物流編號。3)確定衡算體系,根據(jù)已知條件及計算要求進行確定,可在流程圖中用虛線表示體系邊界。精品資料1.2.2基本(jīběn)方法4)寫出化學(xué)反應(yīng)方程式,包括主副反應(yīng),注明分子量。若無化學(xué)反應(yīng)發(fā)生,可免去此步。5)選擇恰當?shù)挠嬎慊鶞?,在流程圖上注明所選的基準值,過程的物料衡算和能量(néngliàng)衡算應(yīng)在同一基準上進行。6)列出物料衡算式,用數(shù)學(xué)方法求解。對組成較復(fù)雜的物料,可先列出輸入-輸出物料表,便于整理已知條件和計算結(jié)果。7)完成輸入-輸出物料表。精品資料1.2.3無化學(xué)反應(yīng)過程(guòchéng)的物料平衡在化工過程中,一些沒有發(fā)生化學(xué)反應(yīng),只發(fā)生物理變化的單元操作,比如混合、蒸餾、蒸發(fā)、干燥、吸收、結(jié)晶、萃取等。如果體系沒有積累,這些穩(wěn)定過程的物料衡算都可以(kěyǐ)根據(jù)物料衡算式進入體系的物料量=輸出體系的物料量列出總物料和各組分的衡算式,再用代數(shù)法求解。精品資料1.2.3無化學(xué)反應(yīng)(huàxuéfǎnyìng)過程的物料平衡若每個股流有n個組分,則可列出下列(xiàliè)衡算式:總物流衡算式各組分的衡算式F——進入體系的物料;P、W——輸出體系的物料;xFi、xPi、xWi——分別為F、P、W中組分i的質(zhì)量分數(shù)(對于沒有化學(xué)反應(yīng)的過程,也可用摩爾數(shù))。精品資料1.2.3無化學(xué)反應(yīng)(huàxuéfǎnyìng)過程的物料平衡若物料中有n個組分,可列出n個組分的衡算式(suànshì)和一個總物料衡算式(suànshì),共n+1個衡算方程歸一定律n+1個方程中,只有任意n個方程是獨立的。對有n個組分的體系,只需求解n個未知量。精品資料(1)簡單(jiǎndān)過程的物料衡算簡單過程是指僅有一個設(shè)備、或一個單元操作、或整個(zhěnggè)過程簡化成一個設(shè)備的過程。在物料流程簡圖中,設(shè)備的邊界就是體系的邊界。以連續(xù)蒸餾塔為例,連續(xù)蒸餾塔物料衡算的目的是找出塔頂產(chǎn)品、塔底產(chǎn)品的流量和組成與原料液的流量和組成之間的關(guān)系,若塔的分離任務(wù)已定,則已知進料組成和流量可求出塔頂和塔底產(chǎn)品的流量和組成。精品資料(1)簡單(jiǎndān)過程的物料衡算全塔總質(zhì)量(zhìliàng)衡算全塔各組分的質(zhì)量衡算F——進塔原料流量,kmol/h;D——塔頂產(chǎn)品流量,kmol/h;W——塔底產(chǎn)品流量,kmol/h;xFi——進料中各組分的摩爾分數(shù);xDi——塔頂產(chǎn)品中各組分的摩爾分數(shù);xWi——塔底產(chǎn)品中各組分的摩爾分數(shù)。精品資料例1.2.3-1連續(xù)常壓蒸餾塔分離(fēnlí)苯、甲苯混合溶液,要求餾出液中苯回收率為97%。解:MB=78,MT=92F=
20000kg/hwFB=0.38W=
?wWB0.02D=?xDB=?精品資料例1.2.3-1餾出液苯回收率為97%代入已知數(shù)據(jù)(shùjù)得得
W=124.2kmol/h
D=108kmol/hF=
232.2kmol/hxFB=0.4196W=
?xWB0.02351D=?xDB=?精品資料例1.2.3-1蒸餾塔物料(wùliào)平衡塔進料塔頂餾出物塔低餾出物kg/h%(wt)kmol/h%(mol)kg/h%(wt)kmol/h%(mol)kg/h%(wt)kmol/h%(mol)苯76003897.4341.967372.685.6094.5287.52227.82.02.922.35甲苯1240062134.858.041240.214.4013.4812.4811159.498.0121.397.65合計20000100232.21008612.810010810011387.2100124.2100精品資料(2)有多個設(shè)備過程(guòchéng)的物料衡算可先劃分(huàfēn)出多個衡算體系每個衡算體系均可列出相應(yīng)的衡算方程。若每個設(shè)備的輸入和輸出物料中均含有n個組分,則每個體系可寫出n+1個衡算方程,其中有n個是獨立方程。ABC精品資料例1.2.3-2將含有50%苯、30%甲苯和20%二甲苯(mol%)的混合物分成較純的三個餾份。計算(jìsuàn)蒸餾1000mol/h原料所得各流股的量及進塔II的物料組成。解:設(shè)S2、S3……表示各流股物料量,mol/h;x3B、x3T表示流股3中苯、甲苯的組成(zǔchénɡ)。共可列出三組衡算方程,每組選三個獨立方程。精品資料例1.2.3-2體系A(chǔ)(塔I):總物料(wùliào)1000=S2+S3 (1)苯10000.5=0.95S2+x3BS3 (2)甲苯10000.3=0.03S2+x3TS3 (3)體系B(塔II):總物料(wùliào)S3=S4+S5(4)苯x3BS3=0.03S4+0.0045S5 (5)甲苯x3TS3=0.95S4+0.43S5 (6)體系C(整個過程):總物料 1000=S2+S4+S5 (7)苯 10000.5=0.95S2+0.03S4+0.0045S5 (8)甲苯 10000.3=0.03S2+0.95S4+0.43S5 (9)精品資料例1.2.3-29個方程,只有6個獨立,可任選兩組方程求解。本題應(yīng)選(yīnɡxuǎn)先體系C,因2、4、5的組成均為已知,只有S2、S4、S5三個未知量,可從(7)、(8)、(9)三式直接求解。得:S2=520mol/hS4=150mol/hS5=330mol/h再任選一組(體系A(chǔ)或B)衡算方程,即再由(1)、(2)、(3)或(4)、(5)、(6)可解得S3=480mol/hx3B=0.0125x3T=0.5925x3X=0.395精品資料例1.2.3-2由此例可以看出,多設(shè)備過程又有大量多組分流股時,可列出許多線性方程。在許多線性方程中,不管衡算體系如何選擇(xuǎnzé)、組合,其獨立方程的最多數(shù)目應(yīng)等于設(shè)備數(shù)(M)與物料組分數(shù)(C)的乘積,即MC個獨立方程。上例中,M=2,C=3,共6個方程。最多能求解MC個未知量。精品資料1.2.4有化學(xué)反應(yīng)過程(guòchéng)的物料平衡化學(xué)反應(yīng)使體系產(chǎn)生新物質(zhì),各化學(xué)物質(zhì)進入與輸出體系的量或質(zhì)量流率就會不平衡。反應(yīng)速率、轉(zhuǎn)化率、產(chǎn)物(chǎnwù)收率等因素對物料平衡都有影響。工業(yè)化學(xué)反應(yīng)過程中,當反應(yīng)原料比不按化學(xué)計量比時,根據(jù)反應(yīng)物的化學(xué)計量數(shù)大小可分為:(1)限制反應(yīng)物:以最小化學(xué)計量數(shù)存在的反應(yīng)物。(2)過量反應(yīng)物:用量超過限制反應(yīng)所需理論量的反應(yīng)物。精品資料1.2.4有化學(xué)反應(yīng)(huàxuéfǎnyìng)過程的物料平衡(3)轉(zhuǎn)化率(以x表示):某一反應(yīng)物反應(yīng)掉的量占其輸入量的百分數(shù)。若以NA1、NA2分別(fēnbié)表示反應(yīng)物A輸入及輸出體系的摩爾數(shù),則反應(yīng)物A的轉(zhuǎn)化率為同一個化學(xué)反應(yīng),由不同的反應(yīng)物可計算得到不同的轉(zhuǎn)化率。因此,應(yīng)用時必須指明某個反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率。若沒有指明,則通常指限制反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率。
精品資料1.2.4有化學(xué)反應(yīng)過程的物料(wùliào)平衡(4)選擇性(以S表示):反應(yīng)物生成目的產(chǎn)物的量與反應(yīng)物消耗(xiāohào)總量的百分數(shù)。若反應(yīng)物為A,目的產(chǎn)物為D,ND為生成D的摩爾數(shù),a、d為A與D的化學(xué)計量系數(shù),則選擇性為式中:NA1-NA2——反應(yīng)物A反應(yīng)掉的摩爾數(shù)。轉(zhuǎn)化率與選擇性是反應(yīng)過程的兩個主要技術(shù)指標。精品資料1.2.4有化學(xué)反應(yīng)過程(guòchéng)的物料平衡(5)收率(以Y表示):目的產(chǎn)物(chǎnwù)量與反應(yīng)物(通常指限制反應(yīng)物)輸入量之比??捎梦镔|(zhì)的量(摩爾數(shù))或質(zhì)量計算。若以摩爾數(shù)計算,考慮化學(xué)計量系數(shù),則目的產(chǎn)物(chǎnwù)D的收率為轉(zhuǎn)化率、選擇性與收率三者之間的關(guān)系為精品資料例1.2.4-1用鄰二甲苯氣相催化(cuīhuà)鄰二甲苯酸酐(苯酐)。計算鄰二甲苯轉(zhuǎn)化率及苯酐和順(héshùn)酐的收率及選擇性。出口組成mol%苯酐0.654順丁烯二酸酐(順酐)0.066鄰二甲苯0.030氧16.53氮77.75其它H2O,CO2,CO等反應(yīng)式:
C8H10+3O2C8H4O3+3H2O2C8H10+9O24C4H2O3+6H2O精品資料例1.2.4-1基準(jīzhǔn):鄰二甲苯投料量210kg/h1mol空氣中O2量為0.21mol,N2量為0.79mol輸入O2量kmol/h210kg/h鄰二甲苯理論需O2量生成苯酐
kmol/h生成順酐kmol/h所以空氣為過量反應(yīng)物,鄰二甲苯為限制反應(yīng)物。輸入N2量kmol/hN2不反應(yīng),數(shù)量不變。產(chǎn)物總量kmol/hC8H10+3O2C8H4O3+3H2O2C8H10+9O24C4H2O3+6H2O精品資料例1.2.4-1產(chǎn)物(chǎnwù)中:鄰二甲苯209.570.0003=0.06287kmol/h=6.664kg/h苯酐209.570.00654=1.370kmol/h=202.76kg/h順酐209.570.00066=0.1383kmol/h=13.55kg/h鄰二甲苯轉(zhuǎn)化率苯酐收率質(zhì)量收率順酐收率質(zhì)量收率苯酐的選擇性或精品資料(1)直接(zhíjiē)計算法根據(jù)反應(yīng)方程式,運用(yùnyòng)化學(xué)計量系數(shù)進行計算。精品資料例1.2.4-2丙烯、氨及氧反應(yīng)(fǎnyìng)制取丙烯腈,其反應(yīng)(fǎnyìng)過程為原料氣組成(mol%)為10%C3H6,12%NH3,78%空氣。丙烯(bǐnɡxī)轉(zhuǎn)化率為30%。試求輸出物料組成。解:基準100kmol原料氣。輸入量:C3H6 1000.10=10kmol42=420kgNH3 1000.12=12kmol17=204kgO2 1000.780.21=16.38kmol32=524kgN2 1000.780.79=61.62kmol28=1725kg精品資料例1.2.4-2輸出量:C3H3N 100.30=3kmol=159kgH2O 100.303=9kmol=162kg剩余(shèngyú)C3H6 10(1-0.30)=7kmol=294kg剩余(shèngyú)NH3 12-3=9kmol=153kgO2 16.38-100.303/2=11.88kmol=380kgN2 61.62kmol=1725kg精品資料例1.2.4-2計算結(jié)果如表所示。基準(jīzhǔn):100kmol原料組分輸入輸出組成%kmolkg組成%kmolkgC3H610104206.907294NH312122048.879153O27816.3852411.7011.88380N261.62172560.7161.621725C3H3N
2.953159H2O
8.879162總計100.002873
101.502873精品資料(2)利用反應(yīng)速率進行(jìnxíng)物料衡算以物質(zhì)的量或質(zhì)量進行衡算時,將輸入與輸出速率(sùlǜ)之差ri定義為物質(zhì)i的量生成速率(sùlǜ),即則化學(xué)反應(yīng)過程的物料衡算式為
精品資料例1.2.4-3合成氨原料(yuánliào)氣中的CO在反應(yīng)器1中CO大部分轉(zhuǎn)化,在反應(yīng)器2中完全脫去。反應(yīng)(fǎnyìng):物流5中H2與N2比為3:1。假定水蒸汽流率是原料氣總量(干基)的2倍,同時反應(yīng)器1中CO的轉(zhuǎn)化率為80%,試計算中間物流4的組成。精品資料例1.2.4-3解:基準(jīzhǔn)物流l為100mol/h先用總單元過程(guòchéng)摩爾衡算式,設(shè)CO轉(zhuǎn)化量為r:N2(A)平衡CO(B)平衡H2O(C)平衡CO2(D)平衡H2(E)平衡已知H2與N2的關(guān)系為精品資料例1.2.4-3解:基準(jīzhǔn)物流l為100mol/h原料氣(干基(ɡànjī))與水蒸汽的關(guān)系為將H2和CO平衡式相加,消去r,得將F2值代入CO平衡式中,得由此得最后,由CO2和H2O平衡得到精品資料例1.2.4-3解:基準(jīzhǔn)物流l為100mol/h反應(yīng)器1中,CO轉(zhuǎn)化率為80%精品資料(3)元素(yuánsù)平衡由于化學(xué)反應(yīng)中化學(xué)物質(zhì)產(chǎn)生變化,可采用元素平衡的方法進行(jìnxíng)衡算,衡算式可表示為精品資料例1.2.4-4甲烷、乙烷與水蒸汽用鎳催化劑進行轉(zhuǎn)化反應(yīng),生成氫氣,反應(yīng)器出口(chūkǒu)氣體組成(干基)為假定原料中只含CH4和C2H6兩種碳氫化合物,則這兩種氣體(qìtǐ)的摩爾比為多少?每1000Nm3原料氣需多少kg蒸汽參加反應(yīng)?CH4M=?kmolC2H6E=?kmolH2OS=?kmolCH44.6kmolC2H62.5kmolCO18.6kmolCO24.6kmolH269.7kmol精品資料例1.2.4-4基準:100kmol干燥產(chǎn)物(chǎnwù)氣體O原子(yuánzǐ)S=18.6+4.62=27.8 (1)C原子(yuánzǐ)M+2E=4.6+22.5+18.6+4.6=32.8 (2)H原子(yuánzǐ)4M+6E+2S=44.6+62.5+269.7=172.8 (3)CH4M=?kmolC2H6E=?kmolH2OS=?kmolCH44.6kmolC2H62.5kmolCO18.6kmolCO24.6kmolH269.7kmol精品資料例1.2.4-4基準:100kmol干燥產(chǎn)物(chǎnwù)氣體得S=27.8kmol/100kmol干燥(gānzào)產(chǎn)物氣體E=7.0kmol/100kmol干燥(gānzào)產(chǎn)物氣體M=18.8kmol/100kmol干燥(gānzào)產(chǎn)物氣體CH4、C2H6mol比為1000Nm3原料氣(kmol原料氣)需水蒸汽的量
kg蒸氣
精品資料(4)用聯(lián)系(liánxì)組分作衡算“聯(lián)系組分”是指隨物料輸人體系,但不參加反應(yīng),最終隨物料輸出體系的組分。因此,在整個(zhěnggè)反應(yīng)過程中,聯(lián)系組分的數(shù)量不變。若F、P分別為輸入、輸出物流,L為聯(lián)系組分,L在F中的質(zhì)量分數(shù)為xFL,在P中的質(zhì)量分數(shù)為xPL,則
精品資料例1.2.4-5甲烷與氫混合氣在爐子(lúzi)內(nèi)用空氣完全燃燒,煙道氣分析為N272.22%,CO28.13%,O22.49%,H2O17.16%(mol%)。問:(1)燃料中氫與甲烷的比例多少?(2)燃料(H2+CH4)對空氣的比例多少?解:反應(yīng)式
基準:100mol煙道(yāndào)氣,以N2為聯(lián)系組分精品資料例1.2.4-5煙道氣中N2為72.22mol,即為輸入空氣中N2量所以,輸入空氣中O2為mol煙道氣中CO28.13mol根據(jù)反應(yīng)式,輸入燃料中CH4量為8.13mol.CH4燃燒耗O28.132=16.26molH2燃燒耗O2應(yīng)為19.20-16.26-2.49=0.45mol根據(jù)反應(yīng)式,輸入中H2量0.452=0.90mol精品資料例1.2.4-5計算結(jié)果如下(rúxià)表(基準:100mol煙道氣)燃料(ránliào)中:組分輸入輸出燃料空氣煙道氣組成%mol組成%mol組成%molH211.150.90CH488.858.13O22119.202.492.49N27972.2272.2272.22CO28.138.13H2O17.1617.16精品資料1.2.5具有(jùyǒu)物料循環(huán)、排放及旁路過程的物料平衡(1)物料(wùliào)循環(huán)過程的物料(wùliào)衡算單程轉(zhuǎn)化率和單程收率:物料通過反應(yīng)器一次所達到的轉(zhuǎn)化率和收率??傓D(zhuǎn)化率和總收率:新鮮原料從進入系統(tǒng)(虛線方框)起到離開系統(tǒng)止所達到的轉(zhuǎn)化率和收率。
精品資料1.2.5具有物料循環(huán)、排放(páifànɡ)及旁路過程的物料平衡由于(yóuyú)循環(huán),新鮮物料多次經(jīng)過反應(yīng)器,比經(jīng)過反應(yīng)器一次所達到轉(zhuǎn)化率和收率高:按照單程轉(zhuǎn)化率和總轉(zhuǎn)化率的定義,可寫出有物料循環(huán)的流程的單程轉(zhuǎn)化率和總轉(zhuǎn)化率計算如下:
精品資料總物料(wùliào)平衡: 新鮮物料(wùliào)量=產(chǎn)品物料(wùliào)量+排放物料(wùliào)量組分(zǔfèn)平衡:新鮮物料量-反應(yīng)中物質(zhì)減少量=產(chǎn)品物料量+排放物料量1.2.5具有物料循環(huán)、排放及旁路過程的物料平衡對穩(wěn)態(tài)過程,積累項為零,若以圖中虛線方框為界,列循環(huán)系統(tǒng)的物料平衡方程,則有如下關(guān)系:惰性組分:新鮮物料中惰性組分量=產(chǎn)品物料惰性組分量+排放物料惰性組分量精品資料V0,新鮮原料氣
冷凝
氨
合
成
塔
V4,總產(chǎn)氨氣V2,塔入口氣V1,放空氣V3,塔出口氣例1.2.5-1作氨的合成(héchéng)系統(tǒng)的物料衡算忽略氣體在液氨中的溶解;因水冷后氨的冷凝(lěngníng)量很小,近似地把塔出口氣體中的氨含量與放空氣中的氨含量視為相等。組成mol%H273.729N224.558CH41.42Ar0.293組成mol%NH32.5組成mol%NH311組成mol%NH311CH4+Ar19.296精品資料例1.2.5-1作氨的合成系統(tǒng)(xìtǒng)的物料衡算解:基準1000Nm3新鮮(xīnxiān)原料氣。(a)放空氣量Vl及組成。作系統(tǒng)的惰性氣平衡得新鮮(xīnxiān)氣帶入的惰性氣=放空氣帶出的惰性氣已知
V0=1000Nm3
放空氣組成的計算:NH3、(CH4+Ar)的摩爾分數(shù)為11%和19.296%,N2及H2的摩爾比近似等于化學(xué)反應(yīng)計量系數(shù)1:3精品資料例1.2.5-1作氨的合成系統(tǒng)(xìtǒng)的物料衡算H2的摩爾(móěr)分數(shù)=N2的摩爾分數(shù)=CH4的摩爾分數(shù)=Ar的摩爾分數(shù)=(N2+H2)的摩爾分數(shù)為1-(0.11+0.19296)=0.69704精品資料例1.2.5-1作氨的合成系統(tǒng)(xìtǒng)的物料衡算(b)總產(chǎn)氨量V4
每生成(shēnɡchénɡ)1體積氨,系統(tǒng)總體積減少(1+3-2)/2=1體積。新鮮氣體積-由于反應(yīng)而減少的體積=放空氣體積+冷凝為產(chǎn)品排出的氣氨體積
生成的氨氣=(V4+0.11V1)Nm3,故由于反應(yīng)而減少的體積為(V4+0.11V1)1而
V0=1000Nm3
V1=88.775Nm3
解得V4=450.73Nm3
精品資料例1.2.5-1作氨的合成(héchéng)系統(tǒng)的物料衡算(c)氨合成塔出口(chūkǒu)氣量V3和入口氣量V2反應(yīng)減少的體積=
V2-V3
由系統(tǒng)氨平衡系統(tǒng)排出氨=V4+0.11V1,生成氨=0.11V3-0.025V2代入Vl和V4解得
V2=6013.6Nm3
V3=5553.024Nm3
反應(yīng)生成的氨=系統(tǒng)排出的氨
精品資料例1.2.5-1作氨的合成系統(tǒng)(xìtǒng)的物料衡算(d)氨合成塔入口氣體(qìtǐ)組成作系統(tǒng)H2平衡塔入口含H2=新鮮氣帶入H2-放空氣帶H2+塔出口含H2
合成塔進口含H2-塔出口含H2=新鮮氣帶入H2-放空氣帶出H2
===3358.26Nm3
精品資料例1.2.5-1作氨的合成(héchéng)系統(tǒng)的物料衡算(d)氨合成塔入口(rùkǒu)氣體組成作系統(tǒng)N2平衡得塔入口含N2=新鮮氣帶入N2-放空氣帶N2+塔出口含N2
===1119.24Nm3精品資料例1.2.5-1作氨的合成系統(tǒng)(xìtǒng)的物料衡算(d)氨合成塔入口(rùkǒu)氣體組成作塔進、出口CH4平衡得塔入口含CH4=塔出口含CH4===816.06Nm3
作塔進、出口Ar平衡得塔進口含Ar=塔出口含Ar===168.48Nm3
精品資料例1.2.5-1作氨的合成(héchéng)系統(tǒng)的物料衡算(d)氨合成塔入口(rùkǒu)氣體組成作系統(tǒng)氨平衡得
塔出口含氨-塔進口含氨=系統(tǒng)排出的氨+放空氣帶出的氨塔進口含氨=塔出口含氨-系統(tǒng)排出的氨-放空氣帶出的氨===150.34Nm3
精品資料(2)具有排放(páifànɡ)過程的物料衡算穩(wěn)定循環(huán)過程,物料的質(zhì)量既不積累又不消失,各流股的組分恒定。長時間循環(huán)會使原料中雜質(zhì)或惰性物質(zhì)濃度(nóngdù)逐漸增加。必須部分排放,以維持進料中雜質(zhì)的含量。排放物料中雜質(zhì)或副產(chǎn)物的流量應(yīng)等于新鮮物料中雜質(zhì)進入體系的流量。精品資料例1.2.5-2乙烯氧化制環(huán)氧乙烷新鮮原料中乙烯:空氣=1:10,乙烯單程(dānchéng)轉(zhuǎn)化率55%,吸收塔出口氣體總量的65%循環(huán)。計算:乙烯(yǐxī):空氣1:10單程轉(zhuǎn)化率55%65%循環(huán)總轉(zhuǎn)化率、各流股物料量及排放物料W組成。如果W的分析數(shù)據(jù)為:N281.5%,O216.5%,C2H42.0%循環(huán)比(R/W)為3.0,計算新鮮原料中乙烯與空氣的比例和單程轉(zhuǎn)化率。精品資料例1.2.5-2乙烯氧化制環(huán)氧乙烷解:反應(yīng)式
1)計算總轉(zhuǎn)化率,需求出環(huán)氧乙烷生成量。已知單程(dānchéng)轉(zhuǎn)化率為55%,循環(huán)比R:W=65:35,因此可利用結(jié)點A物料平衡進行計算。精品資料例1.2.5-2乙烯氧化制環(huán)氧乙烷基準:新鮮原料中C2H410mol設(shè)MF中C2H4為xmol根據(jù)A點物料衡算A點C2H4衡算解得x=14.15mol生成環(huán)氧乙烷量55%·x=55%14.15=7.78mol反應(yīng)器出口RP中C2H4剩余量14.15-7.78=6.37mol總轉(zhuǎn)化率為
精品資料例1.2.5-2乙烯氧化制環(huán)氧乙烷計算(jìsuàn)W組成W中C2H4量為已知。N2是聯(lián)系(liánxì)組分,W中N2數(shù)量也已知。可用A點物料衡算求出MF中含O2量,減去生成環(huán)氧乙烷消耗的O2量,得RP中的O2量,從而求得W中的含O2量。設(shè)混合料MF中O2為ymolF中C2H410mol,已知C2H4:空氣=1:10F中空氣100mol,其中N279mol,O221mol生成環(huán)氧乙烷消耗O2量精品資料例1.2.5-2乙烯氧化制環(huán)氧乙烷各流股中組合(zǔhé)含量如表所示。
FMFRPSRWPN27979/0.3579/0.3579/0.350.65/0.357979.0
O221yy-3.89y-3.890.65(y-3.89)0.35(y-3.89)
C2H41014.156.376.370.656.370.356.37
C2H4O--7.78-
-
-7.78精品資料例1.2.5-2乙烯氧化制環(huán)氧乙烷根據(jù)(gēnjù)A點O2衡算解得y=52.78molW組成(zǔchénɡ)為:molmol%N279.079/98.34100%=80.33%O20.35(y-3.89)=0.35(52.78-3.89)=17.1117.11/98.34100%=17.40%C2H40.356.37=2.232.23/98.34100%=2.27%合計98.34將y=52.78代入上表,可得出各流股中組分的量精品資料例1.2.5-2乙烯氧化制環(huán)氧乙烷計算結(jié)果精品資料例1.2.5-2乙烯氧化制環(huán)氧乙烷2)已知W組成(N281.5%,O216.5%,C2H42.0%)及循環(huán)比(R/W=3.0),求新鮮(xīnxiān)原料F中C2H4與空氣的比例及單程轉(zhuǎn)化率。N2是該反應(yīng)過程中的聯(lián)系組分,可以此根據(jù)總衡算求出新鮮原料(yuánliào)F中N2和O2的量,并按A點平衡計算MF中的N2和O2量。F中C2H4:空氣未知,選擇F中C2H4量為基準不合適。W組成已知,以W量100mol作基準。精品資料例1.2.5-2乙烯氧化制環(huán)氧乙烷基準(jīzhǔn):100molW由總物料衡算,W與F中N2不變。已知W中N2為81.5%。F中N281.5mol,F(xiàn)中O281.50.21/0.79=21.66molR、S和RP(不包括(bāokuò)環(huán)氧乙烷)的組成與W組成相同。已知R/W=3/1RP/W=S/W=4/1R中N2381.5=244.5molC2H432.0=6.0molO2316.5=49.5molRP(不包括(bāokuò)C2H4O)=S,其中N2481.5=326molO2416.5=66molC2H442.0=8.0mol精品資料例1.2.5-2乙烯氧化制環(huán)氧乙烷根據(jù)A點平衡F+R=MFA點O2平衡MF中O221.66+49.5=71.16mol反應(yīng)器中消耗(xiāohào)O271.16-66=5.16mol反應(yīng)器中消耗(xiāohào)的C2H425.16=10.32mol按反應(yīng)器物料中C2H4平衡MF中C2H4量=RP中C2H4量+反應(yīng)器中消耗(xiāohào)的C2H4量MF中C2H48.0+10.32=18.32molF中C2H4量=MF中C2H4量-R中C2H4量F中C2H418.32-6.0=12.32mol精品資料例1.2.5-2乙烯氧化制環(huán)氧乙烷基準:100mol排放(páifànɡ)氣體(W)
FMFRPSRWPN281.5326326326244.581.5
O221.6671.16666649.5165
C2H412.3218.328.08.06.02.0
C2H4O
10.32
10.32總計
400300100
單程(dānchéng)轉(zhuǎn)化率精品資料3)具有旁路(pánɡlù)過程的物料衡算具有旁路的過程(guòchéng),就是把一部分物料繞過一個或多個設(shè)備,直接與另一流股物料相混。旁路主要用于控制物流組成或溫度,這類過程(guòchéng)的物料衡算與循環(huán)過程(guòchéng)的物料衡算相類似,計算時應(yīng)注意結(jié)點平衡。精品資料例1.2.5-3烴類氣體轉(zhuǎn)化(zhuǎnhuà)制合成氣生產(chǎn)甲醇合成氣量為2321Nm3/h,CO:H2=1:2.4(mol)。轉(zhuǎn)化氣中CO43.12%(mol),H254.20%,不合要求。將部分轉(zhuǎn)化氣送至CO變換反應(yīng)器,變換氣含CO8.76%,H289.75%(mol),如果變換、脫除過程僅發(fā)生CO到CO2的變化(biànhuà),且CO2以100%濃度排放。用此變換氣去調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)化氣,求轉(zhuǎn)化氣及變換氣各為多少?精品資料例1.2.5-3基準:合成氣2321Nm3/h轉(zhuǎn)化(zhuǎnhuà)氣組成:CO43.12%,H254.20%變換后氣體組成:CO8.76%,H289.75%設(shè)合成氣中CO摩爾分數(shù)為xco則合成氣中H2摩爾分數(shù)為2.4xco精品資料例1.2.5-3b點總物料(wùliào)衡算B+SP=2321(1)b點CO衡算0.4312B+0.0876SP=2321xco (2)b點H2衡算0.542B+0.8975SP=23212.4xco (3)解(1)、(2)、(3)式,得到B=1352Nm3/hSP=969Nm3/hxco=0.2877精品資料例1.2.5-3對變換、脫除過程(guòchéng)作衡算:對CO衡算 0.4312SF=0.08761325+SCl00% (4)對體積衡算 SF=1325+SC (5)得到SF=2125.4Nm3/hSC=800.4Nm3/hF=3121.4Nm3/h精品資料1.3能量(néngliàng)平衡精品資料1.3.1基本概念能量衡算的基礎(chǔ)是物料衡算,只有在進行完備的物料衡算后,才能作出能量衡算。能量有多種存在形式,如勢能、動能、電能、熱能、機械能、化學(xué)能等,各種形式的能量在一定的條件下可以相互轉(zhuǎn)化(zhuǎnhuà)。無論怎樣轉(zhuǎn)化(zhuǎnhuà),總能量是守恒的。精品資料(1)能量(néngliàng)守恒定律基本式輸出能量=輸入能量+生成能量-消耗能量-積累能量能量的形式主要有以下幾種:1)動能Ek—物體(wùtǐ)由于運動而產(chǎn)生的能量。2)勢能Ep—物體(wùtǐ)由于豎直位移差而具有的能量。3)內(nèi)能U—物體(wùtǐ)除了宏觀的動能和勢能之外所具有的能量,與分子的運動有關(guān)。精品資料(1)能量(néngliàng)守恒定律內(nèi)能可用物質(zhì)的溫度(wēndù)來衡量,即4)功W—物體在外力的作用下通過一定距離,其所作的功為
式中:F—外力,N;l—距離,m。外界對系統(tǒng)作功取正值,系統(tǒng)對外界作功取負值。
精品資料(1)能量(néngliàng)守恒定律系統(tǒng)壓力(yālì)和體積發(fā)生變化時p—壓力,PaV—單位體積,m3。上述情況主要發(fā)生在氣體壓縮和膨脹時。
5)熱能—可以轉(zhuǎn)化為熱和功。熱和功的轉(zhuǎn)化,使系統(tǒng)的能量發(fā)生變化。通常,外界對系統(tǒng)加熱為正,系統(tǒng)向外界放熱為負。6)電能—電能是機械能的一種,在能量衡算方程式中一般包含在功的一項中。電能只有在電化學(xué)過程的能量衡算才是重要的。
精品資料(2)能量(néngliàng)衡算方程熱力學(xué)第一(dìyī)定律E—體系總能量的變化,E=E
K+E
p+U;Q—體系從環(huán)境中吸收的能量;W—外界對體系所作的功。1)封閉體系間歇過程體系中沒有物質(zhì)流動,無動能和勢能變化精品資料(2)能量(néngliàng)衡算方程2)流動體系流動體系是指物質(zhì)連續(xù)(liánxù)通過邊界進出的體系。V1,T1,p1,u1,U1V2,T2,p2,u2,U2Z2Z1ZUqW精品資料(2)能量(néngliàng)衡算方程(a)穩(wěn)態(tài)過程(guòchéng)精品資料(2)能量(néngliàng)衡算方程總功W為流動(liúdòng)功及軸功之和Wt—流動功,等于作用于體系入口處流體的功減去作用于體系出口處流體的功;Ws—軸功,體系內(nèi)運動部件對過程流體所作的功。
恒壓體系
精品資料(2)能量(néngliàng)衡算方程引入焓的概念(gàiniàn),H=U+pV(b)封閉體系
對一定質(zhì)量的物質(zhì)體系
精品資料(2)能量(néngliàng)衡算方程(c)孤立(gūlì)體系精品資料(3)能量衡算的一般(yībān)方法能量衡算可按照以下步驟進行:1)作系統(tǒng)示意簡圖,標明已知條件和物料狀態(tài);2)確定(quèdìng)各組分的熱力學(xué)數(shù)據(jù),如焓、熱容、相變熱等;3)選擇計算基準,在與物料衡算一起進行時,可選用物料衡算所取的基準作為能量衡算的基準,同時,還要選取熱力學(xué)函數(shù)的基準態(tài);4)列出能量衡算方程式進行求解。精品資料1.3.2熱物性(wùxìnɡ)數(shù)據(jù)化工工藝研究設(shè)計和生產(chǎn)的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)(shùjù)。工藝計算、物料和能量平衡計算的正確性,很大程度上取決于使用的物性數(shù)據(jù)(shùjù)的正確性?;すこ處煈?yīng)當熟悉檢索各種物性數(shù)據(jù)(shùjù)及相應(yīng)的估算方法,力求做到先進、可靠、準確。常見熱物性數(shù)據(jù)(shùjù)有熱容、比熱、熱容比、焓、熵等。精品資料(1)熱容(rèrónɡ)Qpr和dT分別為體系在過程中增加(或減少(jiǎnshǎo))的熱量及在此過程(pr)中體系的溫度變化。摩爾熱容
比熱容
熱容是與體系物質(zhì)的量(n)或質(zhì)量(m)成比例的一個廣度量。
1)定義精品資料(1)熱容(rèrónɡ)Cpr可以為+,-,0,,取決于體系在傳熱(chuánrè)時所經(jīng)歷的過程。僅對確定的過程Cpr才能確定的數(shù)值。下角標pr表示熱容(或熱量)是與過程性質(zhì)有關(guān)的。對恒體積過程對恒壓過程氣體多用摩爾熱容,凝聚態(tài)物質(zhì)多用比熱容。精品資料Cp與Cv的關(guān)系(guānxì)物性手冊上有Cp數(shù)據(jù)。Cv實驗測定對固、液有困難,可通過熱容差或熱容比方程(fāngchéng)計算等溫壓縮系數(shù)絕熱壓縮系數(shù)精品資料2)Cp與Cv的關(guān)系(guānxì)除(p/V)S外兩式中其它(qítā)偏導(dǎo)數(shù)皆可由PVT數(shù)據(jù)或狀態(tài)方程得到。(p/V)S與Ks或與音速有關(guān)。求出真實氣體的Cp-Cv值或Cp/Cv值,再由已得到的Cp數(shù)值求出Cv。理想氣體凝聚態(tài)物質(zhì)—體積膨脹系數(shù)精品資料(2)焓、熵的計算(jìsuàn)對于純流體或定組成流體混合物體系,工程實用上常是要求T,p變化時體系的H、S。從(T1,p1)(T2,p2),H12=H2-H1,S12=S2-S1,可以通過不同(bùtónɡ)途徑來計算,其結(jié)果都是相同的。O
p2
p1
T1
T2
(p1,
T1)(p2,
T2)12B
D
E
L
精品資料(2)焓、熵的計算(jìsuàn)O
p2
p1
T1
T2
(p1,
T1)(p2,
T2)12B
D
E
L
精品資料(2)焓、熵的計算(jìsuàn)O
p2
p1
T1
T2
(p1,
T1)(p2,
T2)12B
D
E
L
精品資料1.3.3無化學(xué)反應(yīng)過程(guòchéng)的能量衡算(1)無相變體系(tǐxì)的能量衡算間歇過程或封閉過程連續(xù)穩(wěn)定流動過程1)恒容過程2)恒壓過程精品資料例1.3.3-1廢熱鍋爐(guōlú)的能量衡算甲醇蒸氣離開合成設(shè)備時為450oC,經(jīng)廢熱鍋爐冷卻,廢熱鍋爐產(chǎn)生0.45MPa飽和蒸汽。已知進水溫度20℃,壓力0.45MPa。進料水與甲醇的摩爾比為0.20。假設(shè)鍋爐是絕熱操作(cāozuò),求甲醇的出口溫度。廢熱鍋爐0.2molH2O20℃0.45MPa
1molCH3OH(g)450℃0.2molH2O(g)0.45MPa飽1molCH3OH(g)T=?℃精品資料例1.3.3-1廢熱鍋爐(guōlú)的能量衡算CH3OH(g)在450-300℃
20℃時水(H水)20℃=83.74kJ/kg=1507kJ/kmol0.45MPa飽和(bǎohé)水蒸汽(H水汽)0.45MPa=2747.8kJ/kg=49460kJ/kmol能量衡算:Q=H=0(絕熱操作)n水(H出-H進)水=
n醇(H出-H進)醇(H水)進=1507kJ/kmol(H水)出=49460kJ/kmol(H醇)進=0精品資料例1.3.3-1廢熱鍋爐(guōlú)的能量衡算代入能量衡算式0.2(49460-1507)+1(4.5710-2T2+19.05T-37688)=0即4.57510-2T2+19.05T-28097=0解得T1=602K=329℃T2=-1019K,顯然(xiǎnrán)只有329℃才有意義,故CH3OH(g)的出口溫度為329℃。精品資料(2)相變過程(guòchéng)的能量衡算氣化和冷凝、熔化(rónghuà)和凝固、升華和凝華這類相變過程往往伴有顯著的內(nèi)能和焓的變化,這種變化常成為過程熱量的主體。精品資料例1.3.3-2每小時(xiǎoshí)100mol液體正己烷,在25℃、0.7MPa下恒壓氣化并加熱至300℃,忽略壓力對焓的影響,計算每小時(xiǎoshí)的供熱量。解:能量衡算式Q=H由手冊可查得正己烷在0.7MPa時,沸點(fèidiǎn)為146℃,這146℃即為實際發(fā)生氣化的溫度。查得正己烷在正常沸點(fèidiǎn)(69℃)時Hv=28.90kJ/mol,因此設(shè)計一條途徑,使正己烷在69℃由液體成為蒸氣,而不是實際氣化溫度146℃氣化。精品資料例1.3.3-2已知146℃的Hv,可按ABEH途徑(tújìng)(實際過程)計算總H。已知25℃的Hv,可按CF途徑(tújìng)計算。由于已知69℃的Hv,故應(yīng)按ADG途徑(tújìng)計算。正己烷(液)25℃正己烷(氣)25℃正己烷(氣)300℃正己烷(液)69℃正己烷(氣)69℃正己烷(液)146℃正己烷(氣)149℃HBGDEFCA精品資料例1.3.3-2液體(yètǐ)正己烷Cp=215.6kJ/kmolKCp氣=6.94+55.2110-2T-28.6510-5T2+57.6810-9T3kJ/kmolKHA=Cp(T2-T1)=215.6(342.15-298.15)=9.486kJ/molHD=HV(69℃)=28.90kJ/mol正己烷(液)25℃正己烷(氣)300℃正己烷(液)69℃正己烷(氣)69℃GDA精品資料例1.3.3-2過程(guòchéng)的總能量衡算正己烷(液)25℃正己烷(氣)300℃正己烷(液)69℃正己烷(氣)69℃GDA精品資料(3)溶解和混合過程(guòchéng)的能量衡算固體、氣體溶于液體,或兩種液體混合,由于分子間的相互作用與它們在純態(tài)時不同,伴隨這些過程就會有能量(néngliàng)的放出或吸收,因而造成純組分與混合物之間內(nèi)能和焓的差別,這兩種過程的過程熱分別稱為溶解熱和混合熱。精品資料1)溶解熱和混合(hùnhé)熱1mol溶質(zhì)(氣體或固體)于恒壓恒溫下溶于nmol溶劑中,形成溶液時焓的變化,稱該濃度溶液的積分溶解熱HS(Ti,n)。隨著n的增大,HS趨于一極限值,稱為無限稀釋積分溶解熱?;旌蠠岷腿芙鉄峋哂邢嗤暮x,只是指兩種液體(yètǐ)混合過程的焓變。精品資料2)溶解(róngjiě)與混合過程的能量衡算當配制(pèizhì)、濃縮、稀釋一種溶液時,要作熱量衡算,可列進、出口焓表,列表時將溶液看作是一種簡單的物質(zhì),還應(yīng)列出溶質(zhì)的量或流率,焓的單位應(yīng)是J/mol溶質(zhì)。若過程物料中有純物質(zhì),宜選用25℃(或已知HS的其它溫度)溶質(zhì)和溶劑作為計算焓的基準;如果進出口物料是稀溶液,則選無限稀釋的溶液和純?nèi)軇榛鶞省>焚Y料例1.3.3-3水吸收HCl制造鹽酸(yánsuān)過程的溶解熱用水吸收氣態(tài)HCl制鹽酸。如用100℃的HCl(氣)和25℃的H2O(液),生產(chǎn)40℃、25%(質(zhì)量(zhìliàng))HCl水溶液1000kg/h,問吸收設(shè)備應(yīng)加入或排走多少熱量?吸收塔6.849kmolHCl(g)/h100℃1000kg/h25%(w)HCl40℃6.849kmolHCl/h41.66kmolH2O(l)/h41.667kmolH2O(l)/h25℃QkJ/h精品資料例1.3.3-3水吸收HCl制造鹽酸(yánsuān)過程的溶解熱解:先物料衡算,計算HCl(氣)和H2O(液)的流率基準:1000kg/h、25%(質(zhì)量(zhìliàng)分數(shù))的HCl水溶液能量衡算基準:HCl(氣),H2O(液),25℃
對HCl精品資料例1.3.3-3水吸收HCl制造鹽酸(yánsuān)過程的溶解熱計算(jìsuàn)hHCl溶液由溶解表查得
查得25%(w)的鹽酸的比熱容為2.88kJ/(kg·K)精品資料例1.3.3-3水吸收HCl制造鹽酸(yánsuān)過程的溶解熱故吸收(xīshōu)過程需移走4.19105kJ。精品資料1.3.4有化學(xué)反應(yīng)過程(guòchéng)的能量平衡化工生產(chǎn)過程一般有化學(xué)反應(yīng)(huàxuéfǎnyìng),同時產(chǎn)生熱效應(yīng)。熱量衡算時主要應(yīng)考慮計算反應(yīng)熱的因素。熱量衡算以物料衡算為基礎(chǔ),包括:化學(xué)反應(yīng)中的熱效應(yīng)(吸熱或放熱)物理變化(蒸發(fā)或冷凝)中的熱效應(yīng)從外界得到的熱量或從系統(tǒng)中移去的熱量隨反應(yīng)產(chǎn)物帶出的熱量及設(shè)備器壁的熱量散失等精品資料(1)反應(yīng)熱在化學(xué)反應(yīng)中放出的熱量取決于反應(yīng)條件。標準反應(yīng)熱:在標準狀態(tài)下,某純組分在壓力為0.101325MPa、溫度為298.15K、反應(yīng)進行時放出的熱量。標準反應(yīng)熱可以(kěyǐ)查閱文獻或計算獲得。精品資料(1)反應(yīng)熱
方程式給出了反應(yīng)物和產(chǎn)物的物質(zhì)的量(摩爾),指明(zhǐmíng)了是多少數(shù)量物質(zhì)的反應(yīng)熱。對放熱反應(yīng),Hr焓變Hr為負值,即反應(yīng)熱-Hr為正值(Hr中,上標表示是標準狀態(tài)下的值)。精品資料(1)反應(yīng)熱
如果(rúguǒ)反應(yīng)多于一種狀態(tài),反應(yīng)物和生成物的狀態(tài)也應(yīng)該給出。水的汽化(qìhuà)潛熱若不注明物質(zhì)狀態(tài),則有可能得不到所要的結(jié)果。標準反應(yīng)熱可用標準生成熱和標準燃燒熱得到。
精品資料1)標準(biāozhǔn)生成熱定義:在標準(biāozhǔn)狀態(tài)下,由構(gòu)成組分的單質(zhì)生成1mol組分時的焓差。單質(zhì)生成熱為零。任何反應(yīng)的標準(biāozhǔn)反應(yīng)熱Hf可以由反應(yīng)物和生成物的生成熱計算得到?!瘜W(xué)反應(yīng)式中的計算系數(shù),下標pi表示生成物組成,Ri表示反應(yīng)物組成;
Hf,pi—生成物的生成熱,kJ/mol
Hf,Ri—反應(yīng)物的生成熱,kJ/mol。精品資料2)標準(biāozhǔn)燃燒熱定義:組分和氧完全燃燒的標準反應(yīng)熱。標準燃燒熱一般由實驗測定給出,其它反應(yīng)熱可以(kěyǐ)由反應(yīng)物和生成物的燃燒熱計算得到。
H0,pi——生成物的燃燒熱,kJ/mol
H0,Ri——反應(yīng)物的燃燒熱,kJ/mol。由燃燒熱或由生成熱計算反應(yīng)熱時,反應(yīng)物與生成物項的次序恰好相反。精品資料(2)化學(xué)反應(yīng)(huàxuéfǎnyìng)過程的能量衡算對于簡單化學(xué)反應(yīng)過程,假定(jiǎdìng)位能和動能可忽略不計,系統(tǒng)不作功,能量平衡式可以表示為Q2—離開反應(yīng)器物料的熱量,kJ;Q1—進入反應(yīng)器物料的熱量,kJ;Qt—移入或移出的熱量,入為正,出為負,kJ;Qr—化學(xué)反應(yīng)熱,kJ,Qr=n(-Hr);Q損——熱量損失,kJ。精品資料(2)化學(xué)反應(yīng)過程(guòchéng)的能量衡算物料的熱量(rèliàng)計算可以用比熱容,也可以用熱焓。用比熱容的計算式用熱焓的計算式式中:T,p,—溫度、壓力和相態(tài)。精品資料例1.3.4-1甲醇(jiǎchún)合成反應(yīng)器V%CH41.9CO17.9CO210.8H268.5N20.9原料氣523K分離器CH4N2COCH3OHCO2H2OH2CH4COCO2H2N2馳放氣粗甲醇493K轉(zhuǎn)化率88%轉(zhuǎn)化率85%原料進料量為100mol/h時,離開反應(yīng)(fǎnyìng)器的流量。反應(yīng)(fǎnyìng)(1)和(2)的標準反應(yīng)(fǎnyìng)熱是多少?由反應(yīng)(fǎnyìng)器移出的熱量是多少?精品資料例1.3.4-1甲醇(jiǎchún)合成解:基準(jīzhǔn)-原料氣100mol離開反應(yīng)器的氣體組成:CH41.90molCO17.9(1-0.88)=2.15molCO210.8(1-0.85)=1.62molH268.5-17.90.882-10.80.853=9.46molN20.9molCH3OH17.90.88+10.80.85=24.96molH2O10.80.85=9.18mol精品資料例1.3.4-1甲醇(jiǎchún)合成由物料(wùliào)衡算及熱力學(xué)數(shù)據(jù)得表物質(zhì)進口流量(mol)出口流量(mol)Hfj
(kJmol-1)HLV
(kJmol-1)H2j
(kJmol-1)H1j
(kJmol-1)CH41.901.90-74.50
8.009.42CO17.92.15-110.57
5.756.65CO210.81.62-393.54
7.959.29H268.59.46
5.646.54N20.900.90
50726.62CH3OH
24.93-239.1037.5010.2812.12H2O
9.18-285.8344.016.717.7810050.14
精品資料例1.3.4-1甲醇(jiǎchún)合成從上表(shànɡbiǎo)可得反應(yīng)(1)的反應(yīng)熱和反應(yīng)(2)的反應(yīng)熱
精品資料例1.3.4-1甲醇(jiǎchún)合成Q1=-3230.78+1338.89+416.96-689.22=-2164.15kJ故需移去的熱量(rèliàng)為2164.15kJ。物質(zhì)nHfjnHLVn2jH2jn1jH1jCH4
15.20-17.90CO1741.48
12.37-119.18CO23612.42
12.88-100.34H2
53.33-445.85N2
5.15-5.96CH3OH-5960.75934.88256.39
H2O-2623.92404.0161.63
-3230.781338.89416.96-689.22精品資料1.4不穩(wěn)定過程(guòchéng)的物料及能量平衡穩(wěn)定過程的物料與能量衡算中,積累(jīlěi)項等于零。在不穩(wěn)定過程中,物料的數(shù)量和狀態(tài)是隨時間而變的,因而物料或能量衡算中的積累(jīlěi)項不等于零,處理上比穩(wěn)定過程復(fù)雜?;どa(chǎn)中有許多重要的不穩(wěn)定過程,如設(shè)備開停車、間歇過程、操作條件變動及操作過程波動等。精品資料1.4.1基本(jīběn)方法物料(wùliào)衡算或能量衡算的一般衡算式輸入量+生成量-輸出量-消耗量=積累量此方程有兩種形式:(1)用于瞬時的微分衡算;(2)用于一定時間間隔的積分衡算。精品資料(1)微分(wēifēn)衡算設(shè)過程中有物質(zhì)(wùzhì)A,且m入、m出—A進、出邊界的質(zhì)量流率,kg/s;r生、r耗—體系內(nèi)A的生成、消耗速率,kg/s;m—t至t+t內(nèi),A的積累量,kg;m入、m出、r生、r耗耗均隨時間而變。t至t+t內(nèi),t很小,可認為m入、m出、r生、r耗不變,則有精品資料(1)微分(wēifēn)衡算當t0,m/t
dm/dt等號右邊四個速率項均隨時間(shíjiān)而變。對于連續(xù)穩(wěn)定的體系,m=常數(shù),dm/dt=0。只要式中各項不全為零,且隨時間而變,dm/dt0。不穩(wěn)定狀態(tài)體系在任一瞬時的衡算方程是微分方程。精品資料(2)積分(jīfēn)衡算對于封閉(間歇)體系(tǐxì),對質(zhì)量有m入=m出=0原始輸入量+生成量=最終輸出量+消耗量
精品資料1.4.2物料(wùliào)衡算(1)建立不穩(wěn)定過程的衡算方程,通常是微分方程。應(yīng)先選定自變量(一般為時間t)和隨變量,當時間t有dt變化(biànhuà),隨變量x有dx變化(biànhuà),由此建立起具有如下形式的方程隨變量有多少個,方程數(shù)就需要多少個。(2)解方程。要使微分方程可解,須有x與t之間的函數(shù)關(guān)系,還需要知道一個或多個邊界條件。精品資料例1.4.2-1儲罐的物料(wùliào)衡算50m3甲烷儲罐換儲丙烷氣。丙烷通往儲罐的流率為7m3/min。罐內(nèi)氣體以同樣流率排出。設(shè)罐內(nèi)各處氣體組成相同。氣體溫度(wēndù)27℃,壓力0.1013MPa。計算要將罐內(nèi)原有甲烷的99%置換掉,要多長時間?50m3nkmolxmolCH4/mol7m3/min27℃0.1013MPam入
kmol/min7m3/min27℃0.1013MPam出
kmol/min精品資料例1.4.2-1儲罐的物料(wùliào)衡算設(shè)氣體遵守理想氣體(lǐxiǎnɡqìtǐ)定律2)選時間t為主變量,任意時間儲罐內(nèi)氣體總摩爾量n,CH
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