《基本有機化工工藝學(xué)》課件第八章

第八章反應(yīng)過程的物料及熱量衡算（4學(xué)時）基本要求：物料衡算（直接法、元素平衡法、聯(lián)系物料法、循環(huán)物流），熱量衡算（主要方法和步驟、物理變化過程焓變的計算舉例、氣相連續(xù)反應(yīng)過程的熱衡）重點：聯(lián)系物料法、循環(huán)物流難點：熱量衡算第八章反應(yīng)過程的物料及熱量衡算（4學(xué)時）1第八章反應(yīng)過程的物料及熱量衡算物料衡算和熱量衡算是化學(xué)工藝的基礎(chǔ)之一，通過物料、熱量衡算，計算生產(chǎn)過程的原料消耗指標(biāo)、熱負荷和產(chǎn)品產(chǎn)率等，為設(shè)計和選擇反應(yīng)器和其他設(shè)備的尺寸、類型及臺數(shù)提供定量依據(jù)；可以核查生產(chǎn)過程中各物料量及有關(guān)數(shù)據(jù)是否正常，有否泄漏，熱量回收、利用水平和熱損失的大小，從而查出生產(chǎn)上的薄弱環(huán)節(jié)和限制部位，為改善操作和進行系統(tǒng)的最優(yōu)化提供依據(jù)。第八章反應(yīng)過程的物料及熱量衡算2第八章反應(yīng)過程的物料及熱量衡算

在化工原理課程中已學(xué)過除反應(yīng)過程以外的化工單元操作過程的物料、熱量衡算，所以本章只涉及反應(yīng)過程的物料、熱量衡算。

第八章反應(yīng)過程的物料及熱量衡算在3第八章反應(yīng)過程的物料及熱量衡算第一節(jié)物料衡算第二節(jié)熱量衡算

第八章反應(yīng)過程的物料及熱量衡算第一節(jié)物料衡算4第一節(jié)物料衡算物料衡算基本方程式

物料衡算總是圍繞一個特定范圍來進行的，可稱此范圍為衡算系統(tǒng)。衡算系統(tǒng)可以是一個總廠，一個分廠或車間，一套袋置，一個設(shè)備，甚至一個節(jié)點等等。物料衡算的理論依據(jù)是質(zhì)量守恒定律，按此定律寫出衡算系統(tǒng)的物料衡算通式為：

第一節(jié)物料衡算物料衡算基本方程式5復(fù)雜過程的物料衡算，可采用如下計算步驟

畫出簡單的工藝流程圖；畫出物料平衡線路圖，進入設(shè)備的物料以直線來描繪，所有的物料相聚于一點，從設(shè)備出來的產(chǎn)品及損失集中于另一點，然后由此點以直線散開；寫出化學(xué)反應(yīng)方程式，包括主、副反應(yīng)；說明計算任務(wù)，如年產(chǎn)多少噸、年工作日、產(chǎn)品純度、產(chǎn)率等選定計算基準(zhǔn)；選擇操作工藝參數(shù)和計算所必需的數(shù)據(jù)；由已知數(shù)據(jù)進行物料衡算；將計算結(jié)果列表。

復(fù)雜過程的物料衡算，可采用如下計算步驟畫出簡單的工藝流程圖6第一節(jié)物料衡算一、一般反應(yīng)過程的物料衡算二、具有循環(huán)過程的物料衡算第一節(jié)物料衡算一、一般反應(yīng)過程的物料衡算7例1：鄰二甲苯氧化制苯酐，反應(yīng)式為已知鄰二甲苯的轉(zhuǎn)化率為70％，氧的用量為理論用量的150％，以空氣為氧源，每小時投料量為250kg鄰二甲苯，試進行物料衡算。解：以每小時為計算基準(zhǔn)進料鄰二甲苯流量＝250／106＝2.358(kmol/h)氧流量＝2.385×70％×3×150％＝7.43(kmol/h)＝237(kg/h)氮流量＝7.43×0.79/0.21＝27.95(kmol/h)＝782.63(kg/h)例1：鄰二甲苯氧化制苯酐，反應(yīng)式為8出料苯酐流量＝2.358×70％×148＝244.29(kg／h)水流量＝2.358×70％×18×3＝89.13(kg/h)氧流量＝(7.43—2.358×70％×3)×32＝79.36(kg/h)氮流量＝782.63(kg/h)未反應(yīng)的鄰二甲苯流量＝250(1—70％)＝75(kg/h)出料9例2試作生產(chǎn)任務(wù)為年產(chǎn)1200噸苯乙烯裝置的物料衡算。已知全年時數(shù)為8760h，實際生產(chǎn)時間為7200h，原料乙苯純度為98％，其中甲苯含量2%(質(zhì)量)，苯乙烯選擇性為90％，苯選擇性為3％，甲苯選擇性為5％，焦炭選擇性為2％，苯乙烯收率為40％，乙苯：水蒸氣＝1：1．3(質(zhì)量，以乙苯計)。解：(1)寫出反應(yīng)方程式。

例2試作生產(chǎn)任務(wù)為年產(chǎn)1200噸苯乙烯裝置的物料衡算。已10(2)畫出物料平衡線路圖，如圖

(3)確定計算基準(zhǔn)。因是連續(xù)生產(chǎn)、以每小時生產(chǎn)的苯乙烯為基準(zhǔn)(kmol/h)。每小時生產(chǎn)的苯乙烯為:(1200×1000)/(7200×104)=1.60(kmol/h)參加反應(yīng)的乙苯1.60／0.9＝1.78(kmol/h)＝188.68(kg/h)需加入乙苯1.6/0.4=4.00(kmol/h)=424.0(kg/h)(2)畫出物料平衡線路圖，如圖(3)確定計算基準(zhǔn)。因是11未參加反應(yīng)的乙苯4.00一1.78＝2.22(kmol/h)＝235.32(kg/h)需加入的水蒸氣424.00×1.3＝551.2(kg/h)＝30.62(kmol/h)需加入98％的乙苯4.00／0.98＝4.08(kmol/h)＝432.65(kg／h)原料乙苯中含甲苯432.65—424.00＝8.65(kg／h)＝0.094(kmol/h)在參加反應(yīng)的1.78(kmol/h)乙苯中，轉(zhuǎn)化為苯乙烯:1.78×0.9＝1.60(kmol/h)轉(zhuǎn)化為甲苯1.78×0.05＝0.089(kmol/h)轉(zhuǎn)化為苯1.78×0.03＝0.053(kmol/h)轉(zhuǎn)化為焦炭1.78×0.02＝0.036(kmol/h)即反應(yīng)生成的苯乙烯1.60×104＝166．4(kg/h)反應(yīng)生成的甲苯0.089×92＝8.19(kg/h)反應(yīng)生成的苯0.053×78＝4.13(kg/h)反應(yīng)生成的焦炭0.036×(7×12)＝3.02(kg/h)反應(yīng)生成的乙烯0.053×28＝1.48(kg/h)反應(yīng)生成的甲烷(0.036十0.089)×16＝2.0(kg/h)反應(yīng)生成的氫氣(1.6十3×0.036—0.089)×2＝4.86(kg/h)未參加反應(yīng)的乙苯4.00一1.78＝2.22(kmol/12原料中甲苯和反應(yīng)生成的甲苯總量0.094十0.089＝0.183(kmol/h)＝16.84(kg/h)原料中甲苯和反應(yīng)生成的甲苯總量13例3某氧化過程排出的尾氣體積組成為O210％、N285％，CO25％，計算空氣用量、氧耗量和過剩空氣系數(shù)β解：以N2為聯(lián)系物，計算基準(zhǔn)選100mol。尾氣中N2量100×0.85＝85(mol)空氣耗量85/0.79＝l07.6(mol)進料空氣中含氧量107.6×0.21＝22.6(mol)氧耗量22.6—10＝12.6(mol)

空氣過剩系數(shù)β＝22.6/12.6＝179％

例3某氧化過程排出的尾氣體積組成為O210％、N2814例4某工廠用烴類氣體制合成氣生產(chǎn)甲醇，合成氣為2321m3(標(biāo)準(zhǔn))/h，CO／H2＝1／2.4(摩爾)。但轉(zhuǎn)化后的氣體體積分數(shù)為CO43.12％，H254.2％，不符合要求。為此需將部分轉(zhuǎn)化氣送往CO變換反應(yīng)器，變換后氣體體積分數(shù)為CO8.76％，H289.75%，氣體體積減小2％。用此變換氣去調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)化氣，以便達到CO／H2＝1／2.4的要求，求轉(zhuǎn)化氣、變換氣各為多少?例4某工廠用烴類氣體制合成氣生產(chǎn)甲醇，合成氣為2321m315解：按題意繪出流程簡圖。V2從A點分流，V3在B點合并，合并時無化學(xué)反應(yīng)和體積變化。令yi為i組分的摩爾分數(shù)，則

解：按題意繪出流程簡圖。V2從A點分流，V3在B點合并，合并16具有循環(huán)過程的物料衡算

在有機化工生產(chǎn)中，有些反應(yīng)過程由于受熱力學(xué)因素限制，轉(zhuǎn)化率很低。為了提高原料的利用率，必須將未反應(yīng)的原料分離后循環(huán)使用，以提高總轉(zhuǎn)化率，從而提高技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)。

具有循環(huán)過程的物料衡算在有機化工生產(chǎn)中，有些反17在穩(wěn)定狀態(tài)下，循環(huán)物料RC始終以不變的組成和數(shù)量在反應(yīng)系統(tǒng)中循環(huán)。根據(jù)質(zhì)量守恒定律，各物料流的關(guān)系為，其中SP、RC和W的組成相同。

一般循環(huán)比是指循環(huán)物料與新鮮原料的用量比，即RC／FF，但也有其它的表示方法，例如RC／MF、RC／W、RC／P等。

在穩(wěn)定狀態(tài)下，循環(huán)物料RC始終以不變的組成和數(shù)量18例5乙烯直接水合制乙醇，己知原料乙烯的組成為乙烯96％(體積)，惰性物4％(體積)。進入反應(yīng)器的混合氣(循環(huán)氣、原料乙烯和水蒸氣的混合物)組成(體積，干基)為C2H485％，H21.02％，惰性物13.98％。乙烯與水蒸氣的摩爾比為1：0.6，乙烯的單程轉(zhuǎn)化率為5％(摩爾)，其中例5乙烯直接水合制乙醇，己知原料乙烯的組成為乙烯96％(19自反應(yīng)器出來的反應(yīng)氣經(jīng)冷凝和洗滌，得到產(chǎn)物粗乙醇溶液，洗滌塔出口氣休部分排出系統(tǒng)，其余循環(huán)。在冷凝洗滌過程中，反應(yīng)氣中的乙烯溶解5％，然后在常壓分離器中釋出，釋出乙烯的95％作它用，5％循環(huán)進入循環(huán)氣中。試作過程的物料衡算，求出循環(huán)物流組成、循環(huán)量、放空量、乙烯的總轉(zhuǎn)化率和乙醇的總收率，生產(chǎn)一噸乙醇原料乙烯的消耗量？[乙醇水溶液蒸餾時乙醇損失2％(摩爾)]。

自反應(yīng)器出來的反應(yīng)氣經(jīng)冷凝和洗滌，得到產(chǎn)物粗乙醇20解：按題意作出流程簡圖由于混合氣組成和乙烯單程轉(zhuǎn)化率已知，可由此計算原料氣用量?，F(xiàn)以進入反應(yīng)器的混合氣100mol為計算基準(zhǔn)(干基)?；旌蠚庵幸蚁┺D(zhuǎn)化的摩爾量為：85×5％＝4.25(mo1)其中轉(zhuǎn)化為乙醇4.25×95％＝4.04(mo1)轉(zhuǎn)化為乙醚4.25×2％＝0.085(mo1)轉(zhuǎn)化為聚合物4.25×2％＝0.085(mo1)轉(zhuǎn)化為乙醛4.25×1％＝0.043(mo1)反應(yīng)氣經(jīng)冷凝洗滌后，余下乙烯量為85×(1—5％)×(1—5％)＝76.71(mo1)惰性物：13.98(mo1)氫：0.043十1.02＝1.063(mo1)解：按題意作出流程簡圖21洗滌塔出口氣體量：76.7l十13.98十1.063＝91.75(mo1)其摩爾分數(shù)為C2H483.6％，H21.16％，惰性物15.24％設(shè)W為冷凝洗滌塔出口氣體排出系統(tǒng)的量。自常壓分離器釋出的溶解乙烯量已知為4.04mol，其中的5％回收入循環(huán)氣中。循環(huán)氣中各組分的量分別為乙烯：76.71＋4.04×5％－W×83.6％氫：1.063－W×1.16％惰性物：13.68－W×15.24％設(shè)新鮮原料氣加入量為FF，如進入反應(yīng)器的混合氣仍為100mol，則76.71＋4.01×5％－W×83.6％＋FF×96％＝85(1)13.68－W×15.24％＋FF×4％＝13.98(2)聯(lián)解方程(1)和(2)得W＝2.87molFF＝10.93mol循環(huán)量：RC＝76.71十13.98十1.063—2.87＝89.08(mol)循環(huán)比：89.08/10.93=8.15

洗滌塔出口氣體量：76.7l十13.98十1.063＝91.22原料氣中乙烯：10.93×96％＝10.49(mol)乙烯總轉(zhuǎn)化率：4.25/10.49＝40.1％乙醇總收率：40.1％×95％＝38.5％每生產(chǎn)一噸乙醇原料乙烯的消耗量：1000/0.98/46/38.5%/96%=60kmol=1344m3(標(biāo)準(zhǔn))原料氣中乙烯：10.93×96％＝10.49(mol)23《基本有機化工工藝學(xué)》ppt課件第八章24第二節(jié)熱量衡算熱量衡算的理論依據(jù)是能量守恒定律，按此定律寫出衡算系統(tǒng)的物料衡算通式為：第二節(jié)熱量衡算熱量衡算的理論依據(jù)25第二節(jié)熱量衡算一、主要方法和步驟二、物理變化過程焓變的計算舉例三、氣相連續(xù)反應(yīng)過程的熱量衡算四、氣液相連續(xù)反應(yīng)過程的熱量衡算第二節(jié)熱量衡算一、主要方法和步驟26氣相連續(xù)反應(yīng)過程的熱量衡算

例：在金屬銀催化劑存在下，甲醇氧化或脫氫制備甲醛。其主副反應(yīng)為氣相連續(xù)反應(yīng)過程的熱量衡算例：在金屬銀催化劑存在下，甲醇氧27主、副反應(yīng)有吸熱和放熱，如果選擇恰當(dāng)?shù)募状寂c空氣用量比，使吸熱反應(yīng)和放熱反應(yīng)的比例適當(dāng)，就可控制反應(yīng)溫度?，F(xiàn)假設(shè)甲醇與空氣的摩爾比為1：1.3，進料溫度為600K。當(dāng)反應(yīng)產(chǎn)物中除去殘余甲醇，并分離出甲醛后尾氣組成為(干基)

計算產(chǎn)物出口溫度。

主、副反應(yīng)有吸熱和放熱，如果選擇恰當(dāng)?shù)募状寂c空氣用28解：以N2為聯(lián)系物，按上述三個化學(xué)計量反應(yīng)式進行物料衡算,進料以甲醇100kmol為計算基準(zhǔn)，物料衡算結(jié)果