化工生產(chǎn)過程的衡算

項(xiàng)目三：化工生產(chǎn)過程的分析任務(wù)3-2:化工生產(chǎn)過程的衡算上一次任務(wù)回顧1、化工生產(chǎn)中常用的工藝指標(biāo)有哪些？2、全程轉(zhuǎn)化率和單程轉(zhuǎn)化率有何區(qū)別？3、轉(zhuǎn)化率和收率有何區(qū)別？4、消耗定額一般分為哪兩種？任務(wù)描述

通過白炭黑的生產(chǎn)技術(shù)設(shè)計(jì)過程，我們已經(jīng)知道，一種化工產(chǎn)品的生產(chǎn)過程要經(jīng)過多個(gè)生產(chǎn)工序才能完成，在化工生產(chǎn)過程中，需要對(duì)一系列的參數(shù)進(jìn)行控制，以確保生產(chǎn)順利進(jìn)行。

上一次任務(wù)中我們已經(jīng)了解了化工生產(chǎn)過程中需要的主要工藝指標(biāo)。

本次任務(wù)是我們能根據(jù)生產(chǎn)過程的工藝要求，進(jìn)行相應(yīng)的物料及熱量衡算。進(jìn)行生產(chǎn)衡算能力做什么？能進(jìn)行物料衡算能進(jìn)行熱量衡算知識(shí)如何做？物料衡算的依據(jù)物料衡算基本步驟物料衡算的方法熱量衡算的依據(jù)團(tuán)結(jié)協(xié)作密切配合素質(zhì)任務(wù)實(shí)施1、基本理論2、基本依據(jù)3、基本步驟4、…………5、…………知識(shí)點(diǎn)分析1、煙道氣衡算2、甲醇生產(chǎn)衡算3、………………4、………………案例分析每一位同學(xué)說出一個(gè)與本次任務(wù)有關(guān)的關(guān)鍵詞，最后總結(jié)出六個(gè)核心關(guān)鍵詞，譯成英文，寫于項(xiàng)目任務(wù)書中?？偨Y(jié)歸納師生一起學(xué)生知識(shí)點(diǎn)分析一、物料衡算1、定義：根據(jù)質(zhì)量守恒定律，對(duì)化工生產(chǎn)過程的各股物料進(jìn)行分析和定量計(jì)算，以確定彼此的數(shù)量及組成等關(guān)系，并確定在生產(chǎn)過程中相互轉(zhuǎn)化的關(guān)系。知識(shí)點(diǎn)分析一、物料衡算2、分類：（1）衡算范圍：?jiǎn)卧僮髋c全流程操作物料衡算。（2）操作方式：連續(xù)操作物料衡算與間歇過程衡算（3）計(jì)算方法：一段工序的衡算及新工段的衡算。3、物料衡算的依據(jù)和范圍（1）依據(jù)：質(zhì)量守恒定律（2）范圍：以物料體系作為主體劃分邊界。環(huán)境：在物料體系邊界之外的空間和物質(zhì)封閉體系：與環(huán)境沒有質(zhì)量交換的體系敞開體系：與環(huán)境有質(zhì)量交換的體系知識(shí)點(diǎn)分析4、物料衡算平衡關(guān)系式輸入的物料量-輸出的物料量-反應(yīng)消耗的物料量+反應(yīng)生成的物料量=積累的物料量“積累的物料量”是表示體系內(nèi)物料隨時(shí)間而變化時(shí)所增加或減少的量，物料量增加時(shí)積累項(xiàng)為正值；物料量減少時(shí)，積累項(xiàng)為負(fù)值；如果體系是一個(gè)沒有化學(xué)反應(yīng)的物理過程，則反應(yīng)消耗和生成的物料量均為零。當(dāng)積累項(xiàng)等于零時(shí)，表示進(jìn)出體系的物料量維持平衡，即達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。知識(shí)點(diǎn)分析5、物料衡算的基本步驟（1）確定衡算范圍：畫流程框圖，確定體系邊界（虛線）（2）收集整理計(jì)算數(shù)據(jù)：設(shè)計(jì)任務(wù)數(shù)據(jù)：生產(chǎn)規(guī)模、生產(chǎn)時(shí)間、轉(zhuǎn)化率、收率等物理性質(zhì)數(shù)據(jù)：質(zhì)量、密度、反應(yīng)平衡常數(shù)等工藝參數(shù)：溫度、壓力、流量等。知識(shí)點(diǎn)分析4、選擇合適的計(jì)算基準(zhǔn)：時(shí)間基準(zhǔn)：一段時(shí)間為基準(zhǔn)，如一天、一小時(shí)等質(zhì)量基準(zhǔn)：體系為液固相時(shí)，以原料或產(chǎn)品的質(zhì)量為基準(zhǔn)，如1kg、100kg等體積基準(zhǔn)：氣體物料，應(yīng)以物料在標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積為基準(zhǔn)。5、列出物料衡算式、求解6、整理、校核計(jì)算結(jié)果：物料流程圖3、列出化學(xué)反應(yīng)方程式知識(shí)點(diǎn)分析6、物料衡算的基本方法（1）無反應(yīng)過程的物料衡算：只有物理變化而沒有化學(xué)反應(yīng)的單元操作，例如混合、蒸餾等。化工單元操作（2）反應(yīng)過程的物料衡算：必須考慮化學(xué)反應(yīng)中生成和消耗的物質(zhì)量。

①直接求算法：通過化學(xué)反應(yīng)利用轉(zhuǎn)化率、收率等直接計(jì)算。例如課本47頁例2.1.3。②利用聯(lián)系物料做衡算惰性物料：生產(chǎn)過程中不參加反應(yīng)的物料。例如乙苯脫氫生產(chǎn)苯乙烯過程中，水蒸氣就是一種惰性物料。生產(chǎn)中氮?dú)馐浅Ｒ姷亩栊晕锪?，可作為衡算?lián)系物。③以結(jié)點(diǎn)做衡算：中間產(chǎn)品組成不符合要求時(shí)，需要采用旁路調(diào)節(jié)才能達(dá)到合格，通常以旁路連接點(diǎn)作衡算。知識(shí)點(diǎn)分析6、物料衡算的基本方法（3）循環(huán)過程的物料衡算：

①循環(huán)過程：化工生產(chǎn)中，為了保證原料的充分利用，將未反應(yīng)的原料分離出來，重新投入反應(yīng)器循環(huán)利用的過程。圖1循環(huán)過程的物料流程圖（無排放）知識(shí)點(diǎn)分析圖2循環(huán)過程的物料流程圖（有排放）注意：經(jīng)過分流器的物料組成不發(fā)生變化，即S、W、R的組成相同。知識(shí)點(diǎn)分析二、熱量衡算1、定義：利用能量守恒原理，通過計(jì)算傳入或傳出的熱量以確定加熱劑（或冷卻劑）用量，設(shè)備需要傳遞的熱量多少等，為工程設(shè)計(jì)、設(shè)備設(shè)計(jì)提供依據(jù)。是化工生產(chǎn)中主要的能量衡算方式之一。2、分類：（1）單元設(shè)備熱量衡算：?jiǎn)卧僮鬟^程熱量衡算及反應(yīng)器的熱量衡算。（2）生產(chǎn)系統(tǒng)熱量衡算：一個(gè)換熱系統(tǒng)、一個(gè)車間或全廠的熱量進(jìn)行衡算。知識(shí)點(diǎn)分析二、熱量衡算3、熱量衡算的依據(jù)：能量守恒定律

輸入系統(tǒng)熱量=輸出系統(tǒng)熱量+系統(tǒng)內(nèi)積累（或損失）熱量4、熱量流程圖：利用工藝流程簡(jiǎn)圖與表格相結(jié)合的方式來表示熱量衡算結(jié)果的一種圖樣（96頁）。要求：（1）按流程順序由左向右繪出有熱量變化的有關(guān)設(shè)備示意圖，設(shè)備間繪出各股物料線。（2）從各股物料線上用指引線引出一個(gè)表格，表內(nèi)注明各熱量的名稱、數(shù)值。案例分析一、利用聯(lián)系物做衡算若F和P分別表示輸入系統(tǒng)物料量和從系統(tǒng)輸出的物料量，則存在下列關(guān)系：

F?XT,F=P?xT·PXT,·F__衡算聯(lián)系物在輸入F中的質(zhì)量xT·P—衡算聯(lián)系物在輸出P中的質(zhì)量例1：甲烷和氫氣的混合氣用空氣完全燃燒來加熱鍋爐，生成的水蒸氣全部進(jìn)入煙道氣。生成煙道氣100mol。煙道氣摩爾組成為：氮72.18%，二氧化碳8.11%，氧2.44%，水蒸氣17.27%，做物料衡算。燃料氣中甲烷與氧的比例如何？空氣與燃料氣的比例如何？案例分析物料名稱分子量輸入輸出物質(zhì)的量/mol質(zhì)量/g物質(zhì)的量/mol質(zhì)量/g甲烷氫氧氮二氧化碳水162322844188.111.0619.1972.18129.762.12614.082021.042.4472.188.1117.2878.082021.04356.84311.04總計(jì)100.542767100.012767物料衡算表案例分析二、利用結(jié)點(diǎn)做衡算在生產(chǎn)中有些中間產(chǎn)品的組成不符合生產(chǎn)要求，需要采用旁路調(diào)節(jié)才能達(dá)到合格。在這種情況下，以旁路聯(lián)結(jié)點(diǎn)作物料衡算較方便。兩股物料匯合（混合）稱為并流，一股物料成為兩股物料（旁路）稱為分流。分流的聯(lián)結(jié)點(diǎn)與并流的聯(lián)結(jié)點(diǎn)均稱為結(jié)點(diǎn)。旁路分流和混合并流都是物理過程。由于沒有化學(xué)變化，因此可以對(duì)總物料及其中某組分進(jìn)行衡算。如圖所示。結(jié)點(diǎn)AV0=V1+V2

結(jié)點(diǎn)BVl+V3=V4

案例分析【例2】某工廠用烴類氣體制合成氣生產(chǎn)甲醇。合成氣體量為2321m3／h，摩爾比為CO:H2=1:2.4。轉(zhuǎn)化后的氣體摩爾組成為：CO43.12％，H254.2％，不符合要求。將部分轉(zhuǎn)化氣送去CO變換反應(yīng)器和CO2脫除裝置，置換脫CO2后，氣體摩爾組成為：CO8.76％，H289.75％，氣體體積減小2％。用此變換氣調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)化氣，以便達(dá)到工藝要求。求轉(zhuǎn)化氣、變換氣各為多少？結(jié)點(diǎn)A(m3)結(jié)點(diǎn)B(m3)V11351.64V11351.64V2989.13V3969.36V02340.78V42321案例分析三、循環(huán)過程物料衡算假設(shè)惰性物質(zhì)和副產(chǎn)物全部進(jìn)入循環(huán)物流，則··案例分析整個(gè)過程可劃分為1個(gè)總系統(tǒng)和包括三個(gè)物理過程（混合、分離、放空分流）以及一個(gè)反應(yīng)過程的4個(gè)子系統(tǒng)?？傁到y(tǒng)的物料衡算提供新鮮原料和產(chǎn)品之間的關(guān)系。三個(gè)物理過程中，各物料流的質(zhì)量m守恒，物料流中各組分的質(zhì)量mi守恒,物料流的物質(zhì)的量n守恒，物料流中各組分的物質(zhì)的量ni也守恒。案例分析反應(yīng)過程的物料衡算式整個(gè)循環(huán)過程的物料衡算式m新—新鮮反應(yīng)物的質(zhì)量m粗—粗成品的質(zhì)量m放—放空物料的質(zhì)量放空物料量占分離剩余物料量的百分率稱為放空率α。循環(huán)物料量占分離剩余物料量的百分率稱為循環(huán)率β。放空率與循環(huán)率之和為100％

案例分析循環(huán)過程有三個(gè)過程限制參數(shù)，它們是循環(huán)比、混合比和排放比案例分析乙炔法年產(chǎn)3000t氯乙烯反應(yīng)器的物料衡算案例分析（1）計(jì)算范圍：以反應(yīng)器為計(jì)算范圍（2）主副反應(yīng)C2H2+HCl→CH2=CHClC2H2+2HCl→CH3CHCl2C2H2+H2O→CH3CHO按反應(yīng)乙炔計(jì)氯乙烯產(chǎn)率99.4％，二氯乙烷產(chǎn)率0.54％，乙醛產(chǎn)率0.06％。案例分析案例分析案例分析案例分析【例2】年產(chǎn)8000t工業(yè)甲醛的物料衡算（1）計(jì)算范圍全裝置。見圖16-5。（2）主副反應(yīng)反應(yīng)式見計(jì)算過程。甲醇發(fā)生五個(gè)反應(yīng)的分配率為主氧化51.2%，脫氫39.2%，加氫0.6%，深度氧化0.8%，完全氧化8.2%。（3）計(jì)算任務(wù)甲醇消耗量，干尾氣摩爾組成。（4）基準(zhǔn)年工作時(shí)為7200h。以1h為基準(zhǔn)。8000×1000kg÷7200h=1111.11kg/h（5）選擇數(shù)據(jù)工業(yè)甲醛中甲醛質(zhì)量含量為37.0%。甲醇轉(zhuǎn)化率為93.0%。原料甲醇質(zhì)量組成：甲醇98%，水2%。氧與甲醇的配比為0.365（mol）。配料水蒸氣與甲醇—空氣混合氣的質(zhì)量比為0.3，忽略損失。案例分析案例分析案例分析案例分析案例分析案例分析案例分析案例分析【應(yīng)用實(shí)例】設(shè)計(jì)年產(chǎn)1000噸苯乙烯車間的物料衡算一、流程簡(jiǎn)介

1．乙苯脫氫工段2．精餾工段案例分析％（質(zhì)量）其它乙苯轉(zhuǎn)化率38％苯乙烯產(chǎn)率90％水蒸氣反應(yīng)量0.7％二甲苯一氧化碳（0.49％）二氧化碳（28.9％）氫（14.0％）甲烷（0.21％）乙烯（0.40％）苯（16.7％）甲苯（34.2％）焦油（5.10％）∑脫氫反應(yīng)物尾氣％（質(zhì)量）其它乙苯99.0二甲苯0.1∑100新鮮乙苯％（質(zhì)量）其它乙苯苯乙烯焦油（40）二甲苯苯甲苯∑爐油％（質(zhì)量）其它乙苯（99.8）苯乙烯（99.7）水（99.97）二甲苯（99.5）苯（95.5）甲苯（98.8）焦油（100）∑冷凝液脫氫反應(yīng)器冷凝器油水分離器水％（質(zhì)量）其它水乙苯（0.0217）苯乙烯（0.04）焦油（60）∑％（質(zhì)量）其它乙苯（0.2）苯乙烯（0.3）水蒸氣（0.03）二甲苯（0.5）苯（4.5）甲苯（1.2）一氧化碳（100）二氧化碳（100）氧（100）甲烷（100）乙烯（100）∑水:乙苯=1.8水蒸汽循環(huán)乙苯％（質(zhì)量）其它乙苯99.9苯乙烯0.5甲苯0.5∑100圖16—7脫氫反應(yīng)器物料衡算示意圖案例分析案例分析案例分析案例分析案例分析案例分析案例分析案例分析案例分析案例分析歸納1、每名同學(xué)說一個(gè)與本節(jié)內(nèi)容有關(guān)的關(guān)鍵詞，且不能重復(fù)2、歸納出