現(xiàn)代化工計算單元3化工過程物料衡算教材課件

*3化工過程物料衡算1單元三化工過程物料衡算1理解物料衡算基礎(chǔ)知識一、

物料衡算的兩大類型二、

化工生產(chǎn)過程的類型三、

物料衡算的理論依據(jù)及物料衡算式四、

物料衡算計算基準(zhǔn)及其選擇五、

物料衡算的一般步驟2物理過程的物料衡算一、

混合過程物料衡算二、

蒸發(fā)與結(jié)晶過程物料衡算三、

吸收過程物料衡算四、

精餾過程物料衡算3反應(yīng)過程物料衡算一、

反應(yīng)物配比二、

轉(zhuǎn)化率、選擇性、收率、三、

單一反應(yīng)過程物料衡算四、

復(fù)雜反應(yīng)過程物料衡算(一)直接求解法(二)元素衡算法(三)利用聯(lián)系組分衡算(四)利用化學(xué)平衡衡算*單元3化工過程物料衡算2任務(wù)1理解物料衡算基礎(chǔ)知識知識目標(biāo)：掌握物料衡算的類型、化工過程的類型、物料衡算的理論依據(jù)，熟悉物料衡算時計算基準(zhǔn)的選擇方法，熟悉物料衡算的一般步驟。能力目標(biāo)：能針對不同類型的化工過程和衡算對象，選擇合適的計算基準(zhǔn)和比較正確的衡算步驟。一、物料衡算的兩大類型(1)核算型對已有的生產(chǎn)設(shè)備或裝置,利用實際測定的數(shù)據(jù),計算出另一些不能直接測定的物理量。用此計算結(jié)果,對生產(chǎn)情況進(jìn)行分析、作出判斷、提出改進(jìn)措施。(2)設(shè)計型

根據(jù)設(shè)計任務(wù),先作物料衡算,求出進(jìn)出各設(shè)備的物料量,然后再作能量衡算,求出設(shè)備或過程的熱負(fù)荷,從而確定設(shè)備尺寸及整個工藝流程。

返回*單元3化工過程物料衡算3任務(wù)1理解物料衡算基礎(chǔ)知識二、化工生產(chǎn)過程的類型(1)間歇操作(2)連續(xù)操作①穩(wěn)態(tài)；②非穩(wěn)態(tài)(3)半連續(xù)操作三、物料衡算的理論依據(jù)及物料衡算式(1)物料衡算的理論依據(jù)

質(zhì)量守恒定律(2)物料衡算式總物料（若元素）：m入=m出+m積累 (3-1)（注意單位：kg，若用kmol則無化學(xué)反應(yīng)時適用）組分：mi入±m(xù)i生成或消耗=mi出+mi積累

(3-2)返回*單元3化工過程物料衡算5計算基準(zhǔn)選擇舉例,例3-1戊烷充分燃燒,空氣用量為理論量的120%,反應(yīng)式為:C5H12+8O2→5CO2+6H2O,問每100mol燃燒產(chǎn)物需要多少mol空氣？

解：由題意畫出示意流程圖方法一：基準(zhǔn)——1molC5H12則：理論O2量：n理論氧=8n戊烷=8mol實際O2量:n實際氧=1.20n理論氧=9.60mol實際air用量:n實際空氣=9.60/0.21=45.71molN2量：n實際氮=45.710.79=36.11mol計算結(jié)果列表如下：

輸入項輸出項組分摩爾數(shù)克數(shù)組分摩爾數(shù)mol%克數(shù)C5H12172CO2510.26220O29.60307.2H2O612.32108N236.111101.20O21.603.2851.2

N236.1174.131011.2046.711390.4048.71100.001390.40每100mol燃燒產(chǎn)物（煙氣）所需空氣量為：45.7148.71100=93.84mol或由N2平衡方程得：10073.13%79%=93.84mol(實際計算過程建議用Excel處理)*單元3化工過程物料衡算6計算基準(zhǔn)選擇舉例,戊烷充分燃燒，空氣用量為理論量的120%，反應(yīng)式為：C5H12+8O2→5CO2+6H2O,問每100mol燃燒產(chǎn)物需要多少mol空氣？

解：由題意畫出示意流程圖方法二：基準(zhǔn)——1mol空氣則其中O2量：n實際氧=0.21mol反應(yīng)的O2量：n反應(yīng)氧=0.21/1.20=0.175mol燃燒的C3H8量：n丙烷=0.175/8=0.0219mol計算結(jié)果列表如下：

每100mol燃燒產(chǎn)物（煙氣）所需空氣量為：100/1.0656=93.84mol或由N2平衡方程得：10074.13%79%=93.84mol輸入項輸出項組分摩爾數(shù)克數(shù)組分摩爾數(shù)mol%克數(shù)C5H120.02191.575CO20.109410.264.8125O20.216.72H2O0.131312.322.3625N20.7922.12O20.0353.281.12

N20.7974.1322.121.021930.4151.0656100.0030.415(實際計算過程建議用Excel處理)*單元3化工過程物料衡算7C平衡：5B=P

（1）

H2平衡：6B=Q

（2）

O2平衡：0.21A=M+P+Q/2 （3）

N2平衡：0.79A=N （4）

總物料：M+N+P+Q=100 （5）

過剩O2：(0.21AM)1.20=0.21A

0.035A=M （6）

以上6個線性方程采用Excel的MDETERM、MINVERSE、MMULT三個函數(shù)或規(guī)劃求解法求解上述線性方程方法三：基準(zhǔn)——100mol煙氣,設(shè):

N——煙氣中N2量，mol；

M——煙氣中O2量，mol；

P——煙氣中CO2量，mol；

Q——煙氣中H2O量，mol；

A——入口空氣量，mol；

B——入口C5H12量，mol。

以上6個未知數(shù)，需要6個獨(dú)立方程。*單元3化工過程物料衡算9任務(wù)1理解物料衡算基礎(chǔ)知識五、物料衡算的一般步驟(1)搜集原始數(shù)據(jù)；(2)由題意畫出過程物料流程簡圖，明確已知量、待求量；(3)明確衡算體系;(4)選擇計算基準(zhǔn)；(5)寫出有關(guān)化學(xué)反應(yīng)方程式；(6)列出物料衡算式，選擇合適的數(shù)學(xué)方法;(7)校核計算結(jié)果，整理數(shù)據(jù)，如列成表格或畫出物料流程圖。

返回*單元3化工過程物料衡算10任務(wù)1理解物料衡算基礎(chǔ)知識返回五、物料衡算的一般步驟物料流程圖*單元3化工過程物料衡算11任務(wù)2

物理過程的物料衡算知識目標(biāo)：掌握典型物理過程的物料衡算方法。能力目標(biāo)：能針對化工生產(chǎn)過程中的常見物理過程，列出物料平衡式并解出正確答案?！钪饕椒?通常有三類衡算式,即:(1)總物料平衡式;(2)組分平衡式;(3)歸一方程。一、混合過程物料衡算

例3-2一種廢酸，組成為33%（質(zhì)量%）HNO3、47%H2SO4和20%H2O，加入98.5%的濃H2SO4和90%的濃HNO3，要求混合成含27%HNO3及60%H2SO4的混合酸，計算所需廢酸及加入濃酸的數(shù)量。分析：此題已知相對量，絕對量可任意假定。解：設(shè)x為廢酸量,kg;y為濃H2SO4量,kg;z為濃HNO3量,kg。計算基準(zhǔn):100kg混合酸,由題意畫出過程示意圖(見例3-2附圖)*單元3化工過程物料衡算13任務(wù)2

物理過程的物料衡算二、蒸發(fā)與結(jié)晶過程物料衡算

補(bǔ)例1用空氣、純氧和水通入蒸發(fā)室制備富氧濕空氣。水在蒸發(fā)室內(nèi)全部汽化,其流量為0.0012m3/h,使?jié)窨諝庵泻疄?.5%(mol%),純氧摩爾流量為空氣流量的1/5,計算所有的未知量及組成。

解:設(shè)Q——空氣流量,kmol/h;0.2Q——純氧流量,kmol/h;

F——富氧濕空氣流量,kmol/h;x——富氧濕空氣中含氧量,mol分率計算基準(zhǔn):1小時,畫出物料流程簡圖如下:*單元3化工過程物料衡算14任務(wù)2

物理過程的物料衡算二、蒸發(fā)與結(jié)晶過程物料衡算補(bǔ)例1將水的體積流量換算為mol流量:W=0.00121000/18=0.06666kmol/hH2O衡算式W=F0.015=0.06666(1)總物料衡算式0.2Q+Q+W=F(2)N2衡算式0.79Q=F(1－0.015－x)(3)解上述方程組得:

F=4.444kmol/h

Q=3.648kmol/h

x=0.377*單元3化工過程物料衡算15任務(wù)2

物理過程的物料衡算二、蒸發(fā)與結(jié)晶過程物料衡算(1)溶解度的定義(C)在一定溫度下,某物質(zhì)(此處僅指固體物質(zhì))在100g溶劑中達(dá)到飽和時所溶解的克數(shù)。對于固體物質(zhì)的溶解度,通常僅是溫度的函數(shù),即:C=f(T)(2)溶解度的計算公式(3)計算舉例,補(bǔ)例2配制100噸90℃飽和食鹽水，需水、NaCl各為多少？已知90℃時NaCl的溶解度為38.5g。解：38.5/(38.5+100)=x/100x=27.8噸NaCl、水:10027.8=72.2噸*單元3化工過程物料衡算17任務(wù)2

物理過程的物料衡算三、吸收過程物料衡算例3-4含20%(質(zhì)量%)丙酮與80%空氣的混合氣進(jìn)吸收塔，塔頂噴水吸收丙酮。吸收塔出口氣體含丙酮3%，塔底得到50千克含10%丙酮的水溶液，計算進(jìn)吸收塔氣體的量。解:由題意畫物料流程示意圖,以50kg10%丙酮水溶液為計算基準(zhǔn)列衡算式：丙酮衡算式0.20x=0.03y+5(1)空氣衡算式0.80x=0.97y(2)解(1)、(2)得x=28.52kg，y=23.52kg進(jìn)料氣中丙酮:0.20x=0.2028.52=5.70kg出料氣中丙酮:5.7-5=0.7kg或0.03y=0.0323.52=0.70kg返回*單元3化工過程物料衡算18任務(wù)2

物理過程的物料衡算四、精餾過程物料衡算例3-5有一個蒸餾塔，輸入和輸出物料量及組成如下圖。輸入物料1中A組分的98.7%自塔頂蒸出。求每千克輸入物料可得到塔頂餾出物2的量及其組成。解:基準(zhǔn)為1小時令:x＝餾出物中A的百分含量

y＝餾出物中B的百分含量。

將各物料的流量及組成列于下表

流股號流量(kg/h)組分(mol%)ABC11002030502Pxy1-x-y3W0.55.594.0*單元3化工過程物料衡算19任務(wù)2

物理過程的物料衡算四、精餾過程物料衡算

例3-6

由表可看出,共有5個未知量,即P、W及流股2的組成A、B、C,由于組成A+B+C＝1,所以只需求得任意兩個組成,如A、B(或B、C或C、A),第三個組成就可求出。因此實際上是4個未知量,需要4個方程。但是輸入和輸出物料個共有3個組分,因而只能寫出3個獨(dú)立物料衡算式。第四個方程必須從另外給定的條件列出。根據(jù)題意,已知輸入物料中A組分的98.7%自塔頂蒸出,即流股2中A組分量為:Px＝100×20%×98.7%＝19.74kg(1)總物料衡算式有P和W兩個未知量。A、B、C三組分的衡算式中，A組分的衡算式只含有一個未知量W,所以先列A組分的衡算式。A組分衡算式10020%＝W0.5%+19.74(2)總物料衡算式100＝P+W(3)B組分衡算式10030%＝5.5%W+Py(4)由(2)式得W=52kg代入(3)式得P=10052＝48kg代入(4)式得y=56.54%由(1)式得x＝19.74/P＝19.74/48=41.13%C組成為1xy＝141.13%56.54%＝2.33%由C組分衡算式得10050%=5294%+48(1xy)1xy＝2.33%結(jié)果符合。返回*單元3化工過程物料衡算21任務(wù)3

化學(xué)反應(yīng)過程的物料衡算

知識目標(biāo)：掌握反應(yīng)物配比、轉(zhuǎn)化率、選擇性、收率的概念，掌握單一化學(xué)反應(yīng)過程物料衡算的方法，了解復(fù)雜化工過程物料衡算的一般步驟、方法。能力目標(biāo)：能對單一化學(xué)反應(yīng)過程進(jìn)行物料衡算，能對典型循環(huán)過程進(jìn)行物料衡算。一、反應(yīng)物的配比(1)限制反應(yīng)物:化學(xué)反應(yīng)原料不按化學(xué)計量比配料時，其中以最小化學(xué)計量數(shù)存在的反應(yīng)物稱為限制反應(yīng)物。(2)過量反應(yīng)物:不按化學(xué)計量比配料的原料中，某種反應(yīng)物的量超過限制反應(yīng)物完全反應(yīng)的理論量，該反應(yīng)物稱為過量反應(yīng)物，即用量超過理論量的反應(yīng)物。注意：限制反應(yīng)物只有一種，而過量反應(yīng)物則可能有若干種。如:2CH3-CH=CH2+2NH3+3O2==2CH2=CH-CN+6H2O(3)過量百分?jǐn)?shù):過量反應(yīng)物超過限制反應(yīng)物所需理論量的部分占其所需理論量的百分?jǐn)?shù)稱為過量百分?jǐn)?shù)。

(3-5)返回*單元3化工過程物料衡算22任務(wù)3

化學(xué)反應(yīng)過程的物料衡算二、轉(zhuǎn)化率、選擇性、收率（一）

轉(zhuǎn)化率（x）某一反應(yīng)物反應(yīng)掉的量占其輸入量的百分?jǐn)?shù)。根據(jù)選擇的對象的不同以及計算內(nèi)容的不同，轉(zhuǎn)化率又可分為三種：①單程轉(zhuǎn)化率；②總轉(zhuǎn)化率；③平衡轉(zhuǎn)化率。(1)單程轉(zhuǎn)化率（x單）以反應(yīng)器為對象（體系），某一物料一次性通過反應(yīng)器反應(yīng)掉的量與其反應(yīng)器輸入量之比值。注意：一個化學(xué)反應(yīng)往往有若干個反應(yīng)物參與反應(yīng)，由于實際反應(yīng)系統(tǒng)中通常不按化學(xué)計量比配料，因此不同的反應(yīng)物為計算對象可得到不同的轉(zhuǎn)化率，故需指明具體的反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率。若沒有指明時，則往往是指限制反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率。*單元3化工過程物料衡算23任務(wù)3

化學(xué)反應(yīng)過程的物料衡算二、轉(zhuǎn)化率、選擇性、收率（一）轉(zhuǎn)化率（x）(1)單程轉(zhuǎn)化率（x單）假定反應(yīng)物A為限制反應(yīng)物，則：

*單元3化工過程物料衡算25任務(wù)3

化學(xué)反應(yīng)過程的物料衡算一、轉(zhuǎn)化率、選擇性、收率（二）選擇性（S）生成目的產(chǎn)物所耗某反應(yīng)物的量與該反應(yīng)物反應(yīng)掉的量的比值，或生成目的產(chǎn)物的量與反應(yīng)掉的原料所能生成的目的產(chǎn)物的理論量的比值，即:

當(dāng)反應(yīng)系統(tǒng)屬催化反應(yīng)系統(tǒng)時，用選擇性的概念較好，此值的大小反映了催化劑的性能的好壞。選擇性也有的教材稱之為產(chǎn)率。返回*單元3化工過程物料衡算26任務(wù)3

化學(xué)反應(yīng)過程的物料衡算一、轉(zhuǎn)化率、選擇性、收率（三）收率（Y）(1)摩爾收率（簡稱收率）①單程收率（Y單）以反應(yīng)器為體系，生成目的產(chǎn)物所耗的某原料量與進(jìn)入反應(yīng)器的該原料量之比值?；蛏赡康漠a(chǎn)物的量與進(jìn)入反應(yīng)器的原料全部轉(zhuǎn)化為目的產(chǎn)物的量之比值。

*單元3化工過程物料衡算29任務(wù)3

化學(xué)反應(yīng)過程的物料衡算一、轉(zhuǎn)化率、選擇性、收率（三）收率（Y）(2)質(zhì)量收率②總質(zhì)量收率（Y總質(zhì)）以反應(yīng)系統(tǒng)為體系,生成的目的產(chǎn)物的質(zhì)量與輸入反應(yīng)系統(tǒng)的某一物料的質(zhì)量之比稱為單程質(zhì)量收率,即:注意:當(dāng)此類反應(yīng)是分子量增大的反應(yīng)時,單程質(zhì)量收率和總質(zhì)量收率有可能大于1。如:原料分子量134產(chǎn)品分子量218.12返回*單元3化工過程物料衡算30任務(wù)3

化學(xué)反應(yīng)過程的物料衡算一、轉(zhuǎn)化率、選擇性、收率（四）轉(zhuǎn)化率、選擇性、收率三者之間的關(guān)系Y單=xA單S

*單元3化工過程物料衡算31任務(wù)3

化學(xué)反應(yīng)過程的物料衡算一、轉(zhuǎn)化率、選擇性、收率（四）轉(zhuǎn)化率、選擇性、收率三者之間的關(guān)系Y總=xA總S

*單元3化工過程物料衡算32任務(wù)3

化學(xué)反應(yīng)過程的物料衡算三率計算:補(bǔ)例用鄰二甲苯氣相催化氧化制苯酐。鄰二甲苯投料量210kg/h,air量4620Nm3/h。反應(yīng)器出口物料組成(mol%)為:苯酐0.654%,順酐0.066%,鄰二甲苯0.030%,O216.53%,N277.75%,其它還有H2O、CO2、CO等。試計算鄰二甲苯轉(zhuǎn)化率及苯酐和順酐的收率及選擇性。解：由題意畫出過程示意圖計算基準(zhǔn)：1小時;反應(yīng)式：C6H4(CH3)2+3O2→C8H4O3+3H2O（1）2C6H4(CH3)2+9O2→4C4H2O3+6H2O（2）

n氧氣=4620/22.40.21=43.31kmol/h210kg/h鄰二甲苯所需理論氧氣量：4.5210/106=8.915kmol/h43.31kmol/h所以空氣為過量反應(yīng)物，鄰二甲苯為限制反應(yīng)物。輸入反應(yīng)器的N2量：n氮?dú)?4620/22.40.79=162.94kmol/h由氮平衡得產(chǎn)物總量PT：PT=162.94/0.7775=209.57kmol/h產(chǎn)物中各物質(zhì)量為：鄰二甲苯：209.570.0003=0.6287kmol/h=6.664kg/h苯酐：209.570.00654=1.3706kmol/h=202.84kg/h順酐：209.570.00066=0.1383kmol/h=13.55kg/h鄰二甲苯單程轉(zhuǎn)化率：(2106.664)/210=96.83%*單元3化工過程物料衡算33任務(wù)3

化學(xué)反應(yīng)過程的物料衡算三率計算:補(bǔ)例苯酐選擇性:(鄰二甲苯與苯酐的摩爾比為11)順酐選擇性：(鄰二甲苯與順酐的摩爾比為12)苯酐單程收率：Y苯酐單=x單S苯酐=96.83%0.7145=69.19%順酐單程收率：Y順酐單=x單S順酐=96.83%0.03605=3.49%*單元3化工過程物料衡算34任務(wù)3

化學(xué)反應(yīng)過程的物料衡算三率計算:例3-6如:乙烯氧化制環(huán)氧乙烷的反應(yīng)

CH2=CH2+1/2O2==CH2-CH2O(主反應(yīng))

CH2=CH2+3O2→2CO2+2H2O(副反應(yīng))

已知:nA2=100kg,nA3=20kg,nA1=81.63kg

mD=100kg,xA單=(nA2－nA3)/nA2=(100-20)/100=80%xA總=(nA2－nA3)/nA1=(100-20)/81.63=98.0%mD=100kg→nD=100/44=2.273kmol→nDA反=2.273×28=63.64kgS=63.64/80=79.55%Y單=nDA反/nA2=63.64/100=63.64%或mid=(nA2/28)×44=157.14kg→Y單=mD/mid=100/157.14=63.64%或Y單=xA單S=80%×79.55%=63.64%Y總=nDA反/nA1=63.64/81.63=77.96%或mid=(nA1/28)44=(81.63/28)44=128.28kg→Y總=mD/mid=100/128.28=77.96%或Y總=xA總S=98%×79.55%=77.96%Y單質(zhì)=mD/nA2=100/100=100%Y總質(zhì)=mD/nA1=100/81.63=122.5%返回*單元3化工過程物料衡算35任務(wù)3

化學(xué)反應(yīng)過程的物料衡算三、簡單反應(yīng)系統(tǒng)的物料衡算

（一）直接求解法

(1)條件①寫出明確的化學(xué)反應(yīng)方程式;②已知三率等。

(2)衡算式①根據(jù)化學(xué)反應(yīng)方程式的化學(xué)計量系數(shù)之間的關(guān)系;②三率、過量百分?jǐn)?shù)等表達(dá)式。

(3)計算基準(zhǔn)通常采用某種原料（往往是限制反應(yīng)物）為基準(zhǔn)。

(4)計算舉例,例3-3-2

1000kg對硝基氯苯ClC6H4NO2用含20%游離SO3的發(fā)煙硫酸磺化，規(guī)定反應(yīng)終點時，廢酸中含游離SO37%（假定反應(yīng)轉(zhuǎn)化率為100%）。反應(yīng)式如下：ClC6H4NO2+SO3→ClC6H3(SO3H)NO2試計算：（1）20%SO3的發(fā)煙硫酸用量；（2）廢酸生成量；（3）對硝基氯苯磺酸生成量。解：以1kmol對硝基氯苯為計算基準(zhǔn)，所需20%游離SO3量為xkg*單元3化工過程物料衡算36任務(wù)3

化學(xué)反應(yīng)過程的物料衡算一、簡單反應(yīng)系統(tǒng)的物料衡算

5（一）直接求解法

(4)計算舉例,例3-7組分ClC6H4NO2SO3H2SO4ClC6H3(SO3H)NO2分子量157.58098237.5輸入量:對硝基氯苯1kmol=157.5kg;發(fā)煙硫酸

其中SO30.2xkg、H2SO40.8xkg輸出量:對硝基氯苯磺酸1kmol=237.5kg

廢酸其中SO30.2x80kg、H2SO40.8xkg已知廢酸中含SO37%解得：x=572.3kg將以上計算結(jié)果折合成以1000kg對硝基氯苯為計算基準(zhǔn),乘上比例系數(shù)1000/157.5=6.3492,則：（1）20%SO3的發(fā)煙硫酸用量：572.36.3492=3633.7kg（2）廢酸生成量：(572.380)6.3492=3125.7kg（3）對硝基氯苯磺酸生成量：237.56.3492=1507.9kg驗算:輸入量1000+3633.7=4633.7kg、輸出量3125.7+1507.9=4633.6kg符合返回*單元3化工過程物料衡算37任務(wù)3

化學(xué)反應(yīng)過程的物料衡算三、簡單反應(yīng)系統(tǒng)的物料衡算（二）元素衡算法(1)適用場合反應(yīng)體系復(fù)雜，難于正確寫出或根本無法寫出體系中具體的化學(xué)反應(yīng)方程式及各反應(yīng)所占的比例等。(2)衡算式各元素平衡(3)計算舉例例3-3-3甲烷、乙烷與水蒸汽用鎳催化劑進(jìn)行轉(zhuǎn)化反應(yīng)生成合成氣，反應(yīng)器出口氣體組成（干基）為：

組分CH4C2H6COCO2H2mol%4.62.518.64.669.7假定原料中只含CH4和C2H6兩種成份，則求這兩種氣體的摩爾比為多少？每1000Nm3原料氣需要多少kg水蒸汽參加反應(yīng)？

*單元3化工過程物料衡算38三、簡單反應(yīng)系統(tǒng)的物料衡算（二）元素衡算法(3)例3-8解:計算基準(zhǔn)100kmol干燥產(chǎn)物氣體,由題意畫出過程示意圖

列元素衡算式O原子S=18.6+24.6=27.8kmol （1）C原子M+2E=4.6+22.5+18.6+4.6=32.8kmol （2）H原子4M+6E+2S=44.6+62.5+269.7=172.8kmol （3）解上述方程組得：S=27.8kmol/100kmol干燥產(chǎn)物氣體M=18.8kmol/100kmol干燥產(chǎn)物氣體E=7.0kmol/100kmol干燥產(chǎn)物氣體因此原料中CH4/C2H6mol比為：M/E=18.8/7.0=2.691000Nm3原料氣所需參與反應(yīng)的水蒸汽量為：

返回*單元3化工過程物料衡算39任務(wù)3

化學(xué)反應(yīng)過程的物料衡算三、簡單反應(yīng)系統(tǒng)的物料衡算（三）利用聯(lián)系組分作衡算

聯(lián)系組分即不參與反應(yīng)的惰性組分。當(dāng)系統(tǒng)中同時存在幾個聯(lián)系組分時，應(yīng)選擇數(shù)量級較大的聯(lián)系組分作衡算式，以免造成較大的誤差。例3-9已知一段轉(zhuǎn)化爐出口氣量為90000Nm3/h，組成為：

組分H2N2COCO2CH4Ar一段出口氣71.000.505.5014.009.00/二段出口氣58.4321.308.4411.360.200.27求:(1)二段出口氣量?(2)二段爐中加入的空氣量?(空氣組成:O2=21%,N2=78%,Ar=1%);(3)在二段爐中是水蒸汽分解為氫，還是氫被氧化為水?求分解的水或氧化的氫量為多少?*單元3化工過程物料衡算40任務(wù)3

化學(xué)反應(yīng)過程的物料衡算三、簡單反應(yīng)系統(tǒng)的物料衡算（三）利用聯(lián)系組分作衡算例3-9解:取1小時為計算基準(zhǔn)（1）由C平衡可得:90000(0.0550+0.1400+0.900)=V2(0.0850+0.1130+0.0020)V2=128250Nm3/h（2）由N平衡得:900000.0005+Vair0.78=1282500.2130Vair=34445.2Nm3/h（若采用Ar平衡,則:0.01Vair=0.0027V2Vair=34627.5Nm3/h,相差182.3Nm3/h）（3）干氣中的H平衡:一段轉(zhuǎn)化氣中含H:(VH2)1=90000(0.7100+20.0900)=80100Nm3/h二段轉(zhuǎn)化氣中含H:(VH2)2=128250(0.5843+20.0020)=75449.5Nm3/h則:(VH2)2＜(VH2)1，說明有H2被氧化為H2O被氧化的H2為:(VH2)1(VH2)2=8010075449.5=4650.5Nm3/h返回*單元3化工過程物料衡算41任務(wù)3

化學(xué)反應(yīng)過程的物料衡算三、簡單反應(yīng)系統(tǒng)的物料衡算（四）利用化學(xué)平衡進(jìn)行衡算

(1)適用條件①正確寫出化學(xué)反應(yīng)方程式;②已知化學(xué)反應(yīng)的平衡常數(shù)。此類計算,往往出現(xiàn)非線性方程或方程組,需借助計算機(jī)編程計算。

(2)計算舉例,例3-10在接觸法硫酸生產(chǎn)中,SO2被氧化為SO3。反應(yīng)式為:SO2+1/2O2?SO3,氧化過程的溫度為570℃,壓力為1.1atm。輸入氣體的組成(mol%)為:SO28%、O29%、N283%。計算達(dá)到平衡時的轉(zhuǎn)化率及平衡組成(已知570℃的平衡常數(shù)Kp為14.9)解:基準(zhǔn)為1mol輸入氣體,設(shè)SO2平衡轉(zhuǎn)化率為x,則反應(yīng)前后各組分的量如下表:

*單元3化工過程物料衡算42任務(wù)3

化學(xué)反應(yīng)過程的物料衡算三、簡單反應(yīng)系統(tǒng)的物料衡算（四）利用化學(xué)平衡進(jìn)行衡算組分輸入項輸出項mol數(shù)mol%mol數(shù)mol%SO20.0880.08(1x)0.08(1x)/(10.04x)O20.0990.090.50.08x(0.090.04x)/(10.04x)SO3//0.08x0.08x/(10.04x)N20.83830.830.83/(10.04x)總計110010.04x100因反應(yīng)系統(tǒng)處于常壓下，故系統(tǒng)內(nèi)的各氣體可視為理想氣體。由平衡常數(shù)表達(dá)式得：

將各分壓代入(1)式得:*單元3化工過程物料衡算43任務(wù)3

化學(xué)反應(yīng)過程的物料衡算三、簡單反應(yīng)系統(tǒng)的物料衡算（四）利用化學(xué)平衡進(jìn)行衡算例3-10將Kp=14.9、p=1.1atm代入(2)式整理得：10.705284x344.6675x2+59.0991x24.1769=0采用Newton迭代法解得：x=0.793;故計算結(jié)果為：組分輸入項輸出項mol數(shù)mol%mol數(shù)mol%SO20.0880.08(10.793)=0.016561.71O20.0990.090.040.793=0.058286.02SO3//0.080.793=0.063446.55N20.83830.8385.72總計110010.040.793=0.96828100.00返回*單元3化工過程物料衡算44任務(wù)3

化學(xué)反應(yīng)過程的物料衡算四、復(fù)雜反應(yīng)系統(tǒng)的物料衡算

圖3-3-3中R/W（或R/F、R/MF）稱為循環(huán)比。其包括了5個衡算體系，每個衡算體系各物料之間的關(guān)系為：總物料衡算 F=P+W反應(yīng)器物料衡算 MF=RP(只能適用于kg為單位)分離器物料衡算 RP=S+P結(jié)點A（混合器）物料衡算 F+R=MF結(jié)點B（分流器）物料衡算 S=W+R

通常對有循環(huán)過程的物料衡算，若已知總轉(zhuǎn)化率，可先做總物料衡算；若已知單程轉(zhuǎn)化率，則可先從反應(yīng)器衡算做起。

*單元3化工過程物料衡算45任務(wù)3

化學(xué)反應(yīng)過程的物料衡算四、

復(fù)雜反應(yīng)過程的物料衡算

例3-11乙烯氧化制環(huán)氧乙烷，其生產(chǎn)流程如圖3-10所示。已知新鮮原料中乙烯∶空氣=1∶10，乙烯單程轉(zhuǎn)化率為55%，吸收塔出口氣體總量的65%循環(huán)返回反應(yīng)器。計算：①總轉(zhuǎn)化率、各流股物料量及排放物料W組成。②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。假設(shè)此反應(yīng)系統(tǒng)中只發(fā)生乙烯氧化生成環(huán)氧乙烷的單一主反應(yīng)。

*單元3化工過程物料衡算46任務(wù)3

化學(xué)反應(yīng)過程的物料衡算

四、復(fù)雜反應(yīng)過程的物料衡算例3-11新鮮原料C2H4:air=1:10,x單55%,吸收塔出口氣65%循環(huán)返回。計算:①總轉(zhuǎn)化率、各流股物料量及排放物料W組成。解：反應(yīng)式

C2H4+1/2O2→C2H4O①以10mol新鮮原料中的C2H4為計算基準(zhǔn)，則加入空氣量為100mol，其中O2為21mol、N2為79mol。

設(shè)MF中C2H4為xmol，O2為ymol。

以結(jié)點A為衡算對象，由單程轉(zhuǎn)化率和循環(huán)比得：

10+x(10.55)65%=xx=14.134mol反應(yīng)生成的環(huán)氧乙烷的量:55%x=0.55