第三章物料衡算和能量衡算-1(物料)

1、化工設(shè)計(jì)第三章第三章 物料衡算與能量衡算物料衡算與能量衡算Chart3 Materiel Balance and Energy Balance一、一、 化工過程化工過程 所謂所謂化工過程化工過程，是指由，是指由原料原料經(jīng)經(jīng)化學(xué)處理和物理處理化學(xué)處理和物理處理加工加工成成化學(xué)產(chǎn)品或中間產(chǎn)品化學(xué)產(chǎn)品或中間產(chǎn)品的生產(chǎn)過程。的生產(chǎn)過程。 它包括許多工序，每個(gè)工序又由若干個(gè)或若干組設(shè)備它包括許多工序，每個(gè)工序又由若干個(gè)或若干組設(shè)備（如反應(yīng)器、蒸餾塔、吸收塔、干燥塔，分離器、換熱（如反應(yīng)器、蒸餾塔、吸收塔、干燥塔，分離器、換熱器及輸送設(shè)備等等）組合而成。器及輸送設(shè)備等等）組合而成。 物料通過各設(shè)備時(shí)，完成

2、某種化學(xué)或物理處理，最終成物料通過各設(shè)備時(shí)，完成某種化學(xué)或物理處理，最終成為合格的產(chǎn)品。為合格的產(chǎn)品。應(yīng)用守恒定律來研究化工過程的物料衡算和能量衡算問題。 在不同的生產(chǎn)過程中，有一些具有共性的在不同的生產(chǎn)過程中，有一些具有共性的物理操作物理操作，它們，它們不改變物料的化學(xué)性質(zhì)，只改變物料的物理性質(zhì)，這類操不改變物料的化學(xué)性質(zhì)，只改變物料的物理性質(zhì)，這類操作被稱為作被稱為單元操作單元操作，如流體輸送、傳熱、蒸餾、干燥、蒸，如流體輸送、傳熱、蒸餾、干燥、蒸發(fā)、結(jié)晶、萃取、吸收、吸附、過濾及破碎等操作。發(fā)、結(jié)晶、萃取、吸收、吸附、過濾及破碎等操作。 化工過程中還包括一些改變物料的化工過程中還包括一些

3、改變物料的化學(xué)性質(zhì)的反應(yīng)過程化學(xué)性質(zhì)的反應(yīng)過程，如氫與氮合成氨反應(yīng)、乙烯氧化成環(huán)氧乙烷反應(yīng)等等。如氫與氮合成氨反應(yīng)、乙烯氧化成環(huán)氧乙烷反應(yīng)等等。 化工過程就是由化工過程就是由反應(yīng)過程反應(yīng)過程和和若干個(gè)單元操作若干個(gè)單元操作組合而成的一組合而成的一個(gè)系統(tǒng)。個(gè)系統(tǒng)。 化工過程的類型化工過程的類型 根據(jù)其操作方式分根據(jù)其操作方式分 間歇間歇操作操作 原料一次加入原料一次加入過程過程產(chǎn)品一次排出產(chǎn)品一次排出 連續(xù)連續(xù)操作操作 原料連續(xù)加入原料連續(xù)加入過程過程產(chǎn)品連續(xù)排出產(chǎn)品連續(xù)排出 半連續(xù)半連續(xù)操作操作 原料一次加入原料一次加入過程過程產(chǎn)品連續(xù)排出產(chǎn)品連續(xù)排出 或原料連續(xù)加入或原料連續(xù)加入過程過程產(chǎn)品

4、一次排出產(chǎn)品一次排出 根據(jù)操作狀態(tài)分根據(jù)操作狀態(tài)分 穩(wěn)定穩(wěn)定狀態(tài)操作（定態(tài)操作）過程參數(shù)狀態(tài)操作（定態(tài)操作）過程參數(shù)=f(x、y、z) 不穩(wěn)定不穩(wěn)定狀態(tài)操作（非定態(tài)操作）過程參數(shù)狀態(tài)操作（非定態(tài)操作）過程參數(shù)=f(x、y、z、t)化工過程基本參數(shù)化工過程基本參數(shù)過程參數(shù)：生產(chǎn)過程中影響過程參數(shù)：生產(chǎn)過程中影響過程運(yùn)行和狀態(tài)的物理量過程運(yùn)行和狀態(tài)的物理量。一）溫度一）溫度 表示物體冷熱程度的物理量。溫標(biāo)。表示物體冷熱程度的物理量。溫標(biāo)。 1、攝氏溫標(biāo)攝氏溫標(biāo)， 水的正常冰點(diǎn)：水的正常冰點(diǎn)：0 水的正常沸點(diǎn)：水的正常沸點(diǎn)：100 其間均分其間均分100等份等份 其單位為其單位為 2、開爾文溫標(biāo)開爾

5、文溫標(biāo)，K（又叫熱力學(xué)溫度，熱力學(xué)溫標(biāo)）（又叫熱力學(xué)溫度，熱力學(xué)溫標(biāo)） 單位是單位是“開爾文開爾文”，英文是，英文是“Kelvin”Kelvin”簡稱簡稱“開開”，國際代號，國際代號“K”K”。開。開爾文是為了紀(jì)念英國物理學(xué)家爾文是為了紀(jì)念英國物理學(xué)家Lord KelvinLord Kelvin而命名的。而命名的。 以絕對零度（以絕對零度（0K0K）為最低溫度，規(guī)定水的三相點(diǎn)的溫度為）為最低溫度，規(guī)定水的三相點(diǎn)的溫度為 273.16K273.16K，開定義為水三相點(diǎn)熱力學(xué)溫度的開定義為水三相點(diǎn)熱力學(xué)溫度的1/273.151/273.15。3 華氏溫標(biāo)華氏溫標(biāo), 水鹽混合物的溫度：水鹽混合物的溫

6、度：0 ；健康人的血液溫度：；健康人的血液溫度：96 水的正常冰點(diǎn)：水的正常冰點(diǎn)：32 ；水的正常沸點(diǎn)：；水的正常沸點(diǎn)：212 其間均分其間均分180等份等份 其單位為其單位為 4、蘭金溫標(biāo)蘭金溫標(biāo)，R 與開氏溫標(biāo)相似，也是以最低理論溫度為與開氏溫標(biāo)相似，也是以最低理論溫度為0度的一種絕度的一種絕對溫標(biāo)。對溫標(biāo)。 其其0度為度為-459.67 （-460 ）。）。 四種溫度的關(guān)系：四種溫度的關(guān)系： 二）壓力二）壓力(壓強(qiáng)）壓強(qiáng)） 三）流量三）流量 四）組成四）組成3.1 物料衡算物料衡算3.2 能量衡算能量衡算3.3 化工模擬軟件在化工設(shè)計(jì)中的應(yīng)用化工模擬軟件在化工設(shè)計(jì)中的應(yīng)用本 章要求要求

7、掌握掌握非反應(yīng)過程的物料衡算及反應(yīng)過程非反應(yīng)過程的物料衡算及反應(yīng)過程的物料衡算；的物料衡算； 掌握掌握裝置的物料衡算；裝置的物料衡算； 掌握掌握以反應(yīng)熱效應(yīng)為基礎(chǔ)的計(jì)算方法，以反應(yīng)熱效應(yīng)為基礎(chǔ)的計(jì)算方法，以及以生成熱為基礎(chǔ)的計(jì)算方法。以及以生成熱為基礎(chǔ)的計(jì)算方法。 本章重、難點(diǎn)：物料衡算及熱量衡算。本章重、難點(diǎn)：物料衡算及熱量衡算。 物料、能量衡算物料、能量衡算在化工技術(shù)中的作用作用 物料、能量衡算是所有設(shè)計(jì)計(jì)算的基礎(chǔ)，基礎(chǔ)，是反應(yīng)器和設(shè)備設(shè)計(jì)的根據(jù)根據(jù)，也是過程、設(shè)備各系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)核算和最優(yōu)化的依據(jù)。一般來說，在設(shè)計(jì)一個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)，或者計(jì)算某個(gè)單元操作及設(shè)備時(shí)，首首先必須作物料、能量衡算。先必須作

8、物料、能量衡算。物料、能量衡算的物料、能量衡算的目的和內(nèi)容目的和內(nèi)容 在于定量研究生產(chǎn)過程，為過程設(shè)計(jì)和操為過程設(shè)計(jì)和操作最佳化提供依據(jù)。作最佳化提供依據(jù)。 對過程中的各個(gè)設(shè)備和工序，逐個(gè)計(jì)算各物料的流量、組成及熱流量和溫度，定量定量地表示所研究的對象。地表示所研究的對象。物料、能量衡算的物料、能量衡算的意義意義 計(jì)算生產(chǎn)過程的原材料消耗指標(biāo)、能耗定額和產(chǎn)品產(chǎn)原材料消耗指標(biāo)、能耗定額和產(chǎn)品產(chǎn)率等率等 。 根據(jù)物料衡算和能量衡算數(shù)據(jù)和設(shè)備恰當(dāng)?shù)纳a(chǎn)強(qiáng)度，可以設(shè)計(jì)或選擇設(shè)備的類型、臺數(shù)及尺寸。設(shè)計(jì)或選擇設(shè)備的類型、臺數(shù)及尺寸。物料衡算和能量衡算是設(shè)備計(jì)算的依據(jù)。 作物料衡算可以檢查檢查各物料的計(jì)量

9、、分析測定數(shù)據(jù)是否正確；檢查檢查生產(chǎn)運(yùn)行是否正常。 作系統(tǒng)各設(shè)備及管路的物料衡算時(shí)，可以檢查檢查出生產(chǎn)上的薄弱環(huán)節(jié)或限制部位。從而找出相應(yīng)的強(qiáng)化措施。 物料衡算和能量衡算是傳統(tǒng)最優(yōu)化和經(jīng)濟(jì)核算的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)最優(yōu)化和經(jīng)濟(jì)核算的基礎(chǔ)。 物料衡算和能量衡算的方程往往用于求取生產(chǎn)過程中用于求取生產(chǎn)過程中的某些未知量或操作條件。的某些未知量或操作條件。3.1 物料衡算物料衡算物料衡算物料衡算運(yùn)用質(zhì)量運(yùn)用質(zhì)量守恒定律，對化工過程或設(shè)備進(jìn)行定量計(jì)算。守恒定律，對化工過程或設(shè)備進(jìn)行定量計(jì)算。通過物料衡算解決以下問題：通過物料衡算解決以下問題： 計(jì)算原料消耗量、副產(chǎn)品量；計(jì)算原料消耗量、副產(chǎn)品量； 輸出過程物料的

10、損耗量及三廢的生成量；輸出過程物料的損耗量及三廢的生成量； 在物料衡算基礎(chǔ)做能量衡算，計(jì)算蒸汽、水、電、煤或其他燃料的在物料衡算基礎(chǔ)做能量衡算，計(jì)算蒸汽、水、電、煤或其他燃料的消耗定額。消耗定額。 計(jì)算產(chǎn)品的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。計(jì)算產(chǎn)品的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。為生產(chǎn)設(shè)備和輔助設(shè)備的選型及設(shè)計(jì)、管路設(shè)施與公用工程的設(shè)為生產(chǎn)設(shè)備和輔助設(shè)備的選型及設(shè)計(jì)、管路設(shè)施與公用工程的設(shè)計(jì)等方面提供依據(jù)。計(jì)等方面提供依據(jù)。一、物料衡算依據(jù)一、物料衡算依據(jù)1. 理論依據(jù)理論依據(jù)質(zhì)量守恒定律質(zhì)量守恒定律物料衡物料衡算范圍算范圍單元操作的物料衡算單元操作的物料衡算化工設(shè)備設(shè)計(jì)的前提化工設(shè)備設(shè)計(jì)的前提化工過程的物料衡算化工過程的物料

11、衡算化工過程設(shè)計(jì)的前提化工過程設(shè)計(jì)的前提物料衡算的一般表達(dá)式為：物料衡算的一般表達(dá)式為：輸入量輸出量生成量消耗量積累量輸入量輸出量生成量消耗量積累量對穩(wěn)定操作過程，積累量對穩(wěn)定操作過程，積累量=0輸入量輸入量-輸出量輸出量+生成量生成量-消耗量消耗量=0對無化學(xué)反應(yīng)的過程：對無化學(xué)反應(yīng)的過程： 輸入量輸出量積累量輸入量輸出量積累量對無化學(xué)反應(yīng)的穩(wěn)定操作過程：對無化學(xué)反應(yīng)的穩(wěn)定操作過程：輸入量輸出量輸入量輸出量對有化學(xué)反應(yīng)的過程對有化學(xué)反應(yīng)的過程：總物料衡算：總物料衡算+元素衡算式元素衡算式2. 數(shù)據(jù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)(1) 技術(shù)方案、操作方法、生產(chǎn)能力、年工作時(shí)。技術(shù)方案、操作方法、生產(chǎn)能力、年工作

12、時(shí)。(2) 建設(shè)單位或研究單建設(shè)單位或研究單位的要求位的要求、設(shè)計(jì)參數(shù)、小試及中試數(shù)據(jù)：、設(shè)計(jì)參數(shù)、小試及中試數(shù)據(jù)： 化工單元過程的化工單元過程的化學(xué)反應(yīng)式化學(xué)反應(yīng)式、原料配比、轉(zhuǎn)化率、選擇率、總收、原料配比、轉(zhuǎn)化率、選擇率、總收率，催化劑狀態(tài)、用量、回收方法、安全性能等；率，催化劑狀態(tài)、用量、回收方法、安全性能等； 原料及產(chǎn)品的分離方式原料及產(chǎn)品的分離方式，分離劑的用量，各步的回收率；，分離劑的用量，各步的回收率； 特殊化學(xué)品的物性特殊化學(xué)品的物性：沸點(diǎn)、熔點(diǎn)、飽和蒸汽壓、閃點(diǎn)等。：沸點(diǎn)、熔點(diǎn)、飽和蒸汽壓、閃點(diǎn)等。(3) 工藝流程示意圖。工藝流程示意圖。二、物料衡算基準(zhǔn)二、物料衡算基準(zhǔn) 物料

13、衡算時(shí)須物料衡算時(shí)須選擇計(jì)算基準(zhǔn)選擇計(jì)算基準(zhǔn)，并在計(jì)算過程中，并在計(jì)算過程中保持一致保持一致。 一般計(jì)算過程的基準(zhǔn)有以下幾種：一般計(jì)算過程的基準(zhǔn)有以下幾種：(1) 時(shí)間基準(zhǔn)時(shí)間基準(zhǔn)對連續(xù)生產(chǎn)過程，常以單位時(shí)間對連續(xù)生產(chǎn)過程，常以單位時(shí)間(如如d、h、s）的投料）的投料量或產(chǎn)品量為計(jì)算基準(zhǔn)。量或產(chǎn)品量為計(jì)算基準(zhǔn)。(2) 批量基準(zhǔn)批量基準(zhǔn)以每批操作或一釜以每批操作或一釜料的生產(chǎn)周期為基準(zhǔn)。料的生產(chǎn)周期為基準(zhǔn)。(3) 質(zhì)量基準(zhǔn)質(zhì)量基準(zhǔn)當(dāng)系統(tǒng)介質(zhì)為液、當(dāng)系統(tǒng)介質(zhì)為液、固相時(shí)，選擇一定質(zhì)量的原料或產(chǎn)固相時(shí)，選擇一定質(zhì)量的原料或產(chǎn)品作為計(jì)算基準(zhǔn)較適合。品作為計(jì)算基準(zhǔn)較適合。(4) 物質(zhì)的量基準(zhǔn)：物質(zhì)的量基

14、準(zhǔn)：對于有化學(xué)反應(yīng)的過程因化學(xué)反應(yīng)的按摩爾進(jìn)行對于有化學(xué)反應(yīng)的過程因化學(xué)反應(yīng)的按摩爾進(jìn)行的，用物質(zhì)的量基準(zhǔn)更方便。的，用物質(zhì)的量基準(zhǔn)更方便。(5) 標(biāo)準(zhǔn)體積基準(zhǔn)：標(biāo)準(zhǔn)體積基準(zhǔn)：對氣體物料進(jìn)行衡算，可采用標(biāo)準(zhǔn)體積基準(zhǔn)，對氣體物料進(jìn)行衡算，可采用標(biāo)準(zhǔn)體積基準(zhǔn)，Nm3(STP)，既排除，既排除T、p的影響，又可直接換算為摩爾。的影響，又可直接換算為摩爾。(6) 干濕基準(zhǔn)：干濕基準(zhǔn)：由于物料中均含有一定量的水分，選用基準(zhǔn)時(shí)就有算不由于物料中均含有一定量的水分，選用基準(zhǔn)時(shí)就有算不算水分的問題。濕基計(jì)算水分，干基不計(jì)算水分。算水分的問題。濕基計(jì)算水分，干基不計(jì)算水分。實(shí)際計(jì)算時(shí)，必須根據(jù)具體情況選擇合適的

15、基準(zhǔn)，過程的實(shí)際計(jì)算時(shí)，必須根據(jù)具體情況選擇合適的基準(zhǔn)，過程的物料衡物料衡算及能量衡算應(yīng)在同一基準(zhǔn)上算及能量衡算應(yīng)在同一基準(zhǔn)上進(jìn)行。進(jìn)行。三、物料衡算的基本程序三、物料衡算的基本程序(1) 確定確定衡算對象和范圍衡算對象和范圍，畫出計(jì)算對象的草圖。注意物料種類和走，畫出計(jì)算對象的草圖。注意物料種類和走向，明確輸入和輸出。向，明確輸入和輸出。(2) 確定確定計(jì)算任務(wù)計(jì)算任務(wù)，明確已知項(xiàng)、待求項(xiàng)，選擇數(shù)學(xué)公式，力求使計(jì)算，明確已知項(xiàng)、待求項(xiàng)，選擇數(shù)學(xué)公式，力求使計(jì)算方法簡化。方法簡化。(3) 確定過程所確定過程所涉及的組分涉及的組分，并對所有組分依次編號。，并對所有組分依次編號。(4) 對物流的對

16、物流的流股進(jìn)行編號流股進(jìn)行編號，并標(biāo)注物流變量。，并標(biāo)注物流變量。(5) 收集數(shù)據(jù)資料收集數(shù)據(jù)資料（設(shè)計(jì)任務(wù)所規(guī)定已知條件，與過程有關(guān)物理化學(xué)參（設(shè)計(jì)任務(wù)所規(guī)定已知條件，與過程有關(guān)物理化學(xué)參數(shù)）：數(shù)）： 生產(chǎn)規(guī)模生產(chǎn)規(guī)模（設(shè)計(jì)任務(wù)所規(guī)定，（設(shè)計(jì)任務(wù)所規(guī)定，t/年）和年）和生產(chǎn)時(shí)間生產(chǎn)時(shí)間（指全年有效生（指全年有效生產(chǎn)天數(shù)產(chǎn)天數(shù)300330天天/年，計(jì)約年，計(jì)約8000h）。）。 有關(guān)定有關(guān)定額的技術(shù)指標(biāo)額的技術(shù)指標(biāo)，通常指產(chǎn)品單耗、配料比、循環(huán)比、固液，通常指產(chǎn)品單耗、配料比、循環(huán)比、固液比、氣液比、回流比、利用率、單程收率、回收率等等。比、氣液比、回流比、利用率、單程收率、回收率等等。 原輔

17、材料、產(chǎn)品、中間產(chǎn)品原輔材料、產(chǎn)品、中間產(chǎn)品的規(guī)格；的規(guī)格； 與過程有關(guān)有物理化學(xué)參數(shù)，如臨界參數(shù)、密度或比體積、狀態(tài)方與過程有關(guān)有物理化學(xué)參數(shù)，如臨界參數(shù)、密度或比體積、狀態(tài)方程參數(shù)、蒸汽壓、氣液平衡常數(shù)或平衡關(guān)系等。程參數(shù)、蒸汽壓、氣液平衡常數(shù)或平衡關(guān)系等。(6) 列出過程全部獨(dú)立物料平衡方程式及其相關(guān)約束式列出過程全部獨(dú)立物料平衡方程式及其相關(guān)約束式，對有化，對有化學(xué)反應(yīng)的還要寫出化學(xué)反應(yīng)方程式，指出其轉(zhuǎn)化率和選擇性。學(xué)反應(yīng)的還要寫出化學(xué)反應(yīng)方程式，指出其轉(zhuǎn)化率和選擇性。(7) 選擇計(jì)算基準(zhǔn)；選擇計(jì)算基準(zhǔn)；(8) 統(tǒng)計(jì)變量個(gè)數(shù)與方程個(gè)數(shù)，確定設(shè)計(jì)變量個(gè)數(shù)及全部設(shè)計(jì)變量。統(tǒng)計(jì)變量個(gè)數(shù)與方程

18、個(gè)數(shù)，確定設(shè)計(jì)變量個(gè)數(shù)及全部設(shè)計(jì)變量。(9) 整理并校核計(jì)算結(jié)果，并根據(jù)需要換算基準(zhǔn)，最后列成表格即整理并校核計(jì)算結(jié)果，并根據(jù)需要換算基準(zhǔn)，最后列成表格即物流表。物流表。(10) 繪制物料流程圖，編寫物流表作為設(shè)計(jì)文件成果編入正式設(shè)計(jì)繪制物料流程圖，編寫物流表作為設(shè)計(jì)文件成果編入正式設(shè)計(jì)文件。文件。識別問題的類型識別問題的類型繪制工藝過程示意圖繪制工藝過程示意圖選擇計(jì)算基準(zhǔn)選擇計(jì)算基準(zhǔn)建立物料衡算方程式并進(jìn)行未知量的求解建立物料衡算方程式并進(jìn)行未知量的求解列出物料衡算表列出物料衡算表?；み^程的化工過程的主要效率指標(biāo)主要效率指標(biāo)生產(chǎn)能力和生產(chǎn)強(qiáng)度生產(chǎn)能力和生產(chǎn)強(qiáng)度n生產(chǎn)能力生產(chǎn)能力指一個(gè)設(shè)備、

19、一套裝置或一個(gè)工廠在指一個(gè)設(shè)備、一套裝置或一個(gè)工廠在 單位時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)的產(chǎn)品量，或在單位時(shí)間內(nèi)處理單位時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)的產(chǎn)品量，或在單位時(shí)間內(nèi)處理 的原料量。的原料量。 設(shè)計(jì)能力設(shè)計(jì)能力設(shè)備或裝置在最佳條件下可以達(dá)到設(shè)備或裝置在最佳條件下可以達(dá)到的最大生產(chǎn)能力。的最大生產(chǎn)能力。即設(shè)備的即設(shè)備的單位體積的生產(chǎn)能力單位體積的生產(chǎn)能力，或，或單位面積的單位面積的生產(chǎn)能力生產(chǎn)能力。n 生產(chǎn)強(qiáng)度生產(chǎn)強(qiáng)度為設(shè)備的單位特征幾何量的生產(chǎn)能力。為設(shè)備的單位特征幾何量的生產(chǎn)能力。n此指標(biāo)主要用于此指標(biāo)主要用于比較那些相同反應(yīng)過程或物理加比較那些相同反應(yīng)過程或物理加工過程的設(shè)備或裝置的優(yōu)劣工過程的設(shè)備或裝置的優(yōu)劣。n有效生

20、產(chǎn)周期：有效生產(chǎn)周期： n開工因子開工因子通常在通常在0.90.9左右左右，開工因子大意味著停，開工因子大意味著停工檢修帶來的損失小，即設(shè)備先進(jìn)可靠，催化工檢修帶來的損失小，即設(shè)備先進(jìn)可靠，催化劑壽命長。劑壽命長。 全年開工生產(chǎn)天數(shù)開工因子365（1 1）轉(zhuǎn)化率）轉(zhuǎn)化率 （2-132-13） n關(guān)鍵反應(yīng)物關(guān)鍵反應(yīng)物反應(yīng)物中價(jià)值最高的組分，為使反應(yīng)物中價(jià)值最高的組分，為使其盡可能轉(zhuǎn)化，常使其他反應(yīng)組分過量。其盡可能轉(zhuǎn)化，常使其他反應(yīng)組分過量。n不可逆反應(yīng)，關(guān)鍵組分的轉(zhuǎn)化率最大為不可逆反應(yīng)，關(guān)鍵組分的轉(zhuǎn)化率最大為100%100%。n可逆反應(yīng)，關(guān)鍵組分的轉(zhuǎn)化率可逆反應(yīng)，關(guān)鍵組分的轉(zhuǎn)化率其平衡轉(zhuǎn)化率其

21、平衡轉(zhuǎn)化率。 X 某一反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化總量該反應(yīng)物的起始量轉(zhuǎn)化率、選擇性和收率轉(zhuǎn)化率、選擇性和收率對對循環(huán)過程循環(huán)過程而言，有而言，有單程轉(zhuǎn)化率單程轉(zhuǎn)化率和和全程轉(zhuǎn)化率全程轉(zhuǎn)化率。AAXA組分 在反應(yīng)器中的轉(zhuǎn)化總量反應(yīng)器進(jìn)口物料中組分 的量,A totAXA組分 在反應(yīng)器中的轉(zhuǎn)化總量新鮮原料中組分 的量新鮮原料新鮮原料反應(yīng)系統(tǒng)反應(yīng)系統(tǒng)分離系統(tǒng)分離系統(tǒng)產(chǎn)品產(chǎn)品循環(huán)物流循環(huán)物流循環(huán)機(jī)械循環(huán)機(jī)械圖圖 帶有物料循環(huán)的流程示意帶有物料循環(huán)的流程示意圖圖排放排放 （2 2）選擇性）選擇性 是指體系中轉(zhuǎn)化成目的產(chǎn)物的某反應(yīng)物的量是指體系中轉(zhuǎn)化成目的產(chǎn)物的某反應(yīng)物的量與參加所有反應(yīng)而轉(zhuǎn)化的該反應(yīng)物總量之比。與參加

22、所有反應(yīng)而轉(zhuǎn)化的該反應(yīng)物總量之比。 在復(fù)雜反應(yīng)體系中，在復(fù)雜反應(yīng)體系中，選擇性表達(dá)了主、副反選擇性表達(dá)了主、副反應(yīng)進(jìn)行程度的相對大小應(yīng)進(jìn)行程度的相對大小，能確切，能確切反映原料的利用反映原料的利用是否合理是否合理。n 選擇性選擇性 S 轉(zhuǎn)化為目的產(chǎn)物的某反應(yīng)物的量該反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化總量 或或 n注意注意： 式中的分母是按主反應(yīng)式的化學(xué)計(jì)量關(guān)系式中的分母是按主反應(yīng)式的化學(xué)計(jì)量關(guān)系來計(jì)算的，并假設(shè)轉(zhuǎn)化了的所有反應(yīng)物全來計(jì)算的，并假設(shè)轉(zhuǎn)化了的所有反應(yīng)物全部轉(zhuǎn)變成目的產(chǎn)物。部轉(zhuǎn)變成目的產(chǎn)物。 S 實(shí)際所得的目的產(chǎn)物量按某反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化總量計(jì)算應(yīng)得到的目的產(chǎn)物理論量（3 3）收率（產(chǎn)率）收率（產(chǎn)率） n對同一

23、反應(yīng)物對同一反應(yīng)物，Y=SX。n無副反應(yīng)的體系無副反應(yīng)的體系，S=1，Y=X，收率，收率=轉(zhuǎn)化率轉(zhuǎn)化率；n有副反應(yīng)的體系有副反應(yīng)的體系，S100%，則過量空氣的含義，則過量空氣的含義是包括是包括理論需要空氣量和超過部分的量的總和理論需要空氣量和超過部分的量的總和。 %100%100%理論需氧量理論需氧量氧氣進(jìn)料量過量空氣 例例 丙烷充分燃燒時(shí)，要供入空氣量丙烷充分燃燒時(shí)，要供入空氣量125%，反應(yīng)式為：，反應(yīng)式為：C3H8+5O2 3CO2+4H2O，問每產(chǎn)生，問每產(chǎn)生100摩爾煙摩爾煙道氣需空氣量多少摩爾？道氣需空氣量多少摩爾？ 解：采用不同的計(jì)算基準(zhǔn)計(jì)算。解：采用不同的計(jì)算基準(zhǔn)計(jì)算。 解法

24、解法基準(zhǔn)基準(zhǔn) ：100 mol丙烷丙烷（關(guān)鍵組分）。（關(guān)鍵組分）。n反應(yīng)式：反應(yīng)式： C3H8+5O2 3CO2 + 4H2O n轉(zhuǎn)化量：轉(zhuǎn)化量： 100 X Y Zn X = 500mol Y = 300mol Z = 400moln由于空氣中氧氣和氮?dú)獾哪柋葹椋河捎诳諝庵醒鯕夂偷獨(dú)獾哪柋葹椋簄O2 N2 = 21 79n理論空氣量理論空氣量=500/0.21=2380.9mol n則實(shí)際空氣量則實(shí)際空氣量=過量空氣過量空氣%理論空氣量理論空氣量=125%2380=2976 moln反應(yīng)前反應(yīng)前： n 反應(yīng)后反應(yīng)后： 氮?dú)獠粎⒓臃磻?yīng)，仍為氮?dú)獠粎⒓臃磻?yīng)，仍為2351 mol。2976 2

25、1%625nmol氧2976 79%2351nmol氮100nmol丙烷625500125nmol氧進(jìn)料氧氣量反應(yīng)轉(zhuǎn)化掉的氧氣量300nmol二氧化碳400nmol水物料衡算結(jié)果一覽表物料衡算結(jié)果一覽表1n從上表中可看出，從上表中可看出，反應(yīng)前后反應(yīng)前后，各組分的摩爾數(shù)各組分的摩爾數(shù)和質(zhì)量數(shù)都不相等。和質(zhì)量數(shù)都不相等。n總摩爾數(shù)也不相等，物質(zhì)的總摩爾數(shù)也不相等，物質(zhì)的總質(zhì)量數(shù)未變總質(zhì)量數(shù)未變。物料物料分分子子量量輸入輸入輸出輸出molmol%Kgwt%molmol%Kgwt%C3H8441003.254.44.88O23262520.3220.022.171253.944.04.43N2262

26、35176.4365.8372.96235174.0265.8372.96CO2443009.4513.214.63H2O1840012.597.27.98總計(jì)總計(jì)307610090.23100.01317610090.23100n從計(jì)算結(jié)果可以看出，當(dāng)從計(jì)算結(jié)果可以看出，當(dāng)空氣加入量為空氣加入量為2976mol時(shí)時(shí)，可，可產(chǎn)生煙道氣產(chǎn)生煙道氣3176mol，所以，每所以，每產(chǎn)生產(chǎn)生100mol煙道氣需加入的煙道氣需加入的空氣量為：空氣量為： 1002976317693.7（mol） 解法解法 基準(zhǔn)：基準(zhǔn)：100 mol空氣空氣n反應(yīng)前：反應(yīng)前：n所含所含 =過量氧氣量過量氧氣量 n由由 過量

27、氧氣量過量氧氣量=過量空氣過量空氣%需要氧氣量（也需要氧氣量（也稱為理論需氧量）稱為理論需氧量）n理論氧氣量理論氧氣量=過量氧氣量過量氧氣量/過量空氣過量空氣% =21/125%=16.8 moln 則根據(jù)化學(xué)反應(yīng)式則根據(jù)化學(xué)反應(yīng)式C3H8+5O23CO2 +4H2O可可以求得參加反應(yīng)的丙烷用量：以求得參加反應(yīng)的丙烷用量： 1 5 = M 16.8 M=3.36 mol100 21%21nmol氧100 79%79nmol氮n反應(yīng)后：反應(yīng)后：n 氮?dú)獠粎⒓臃磻?yīng)，仍為氮?dú)獠粎⒓臃磻?yīng)，仍為79mol。 21 16.84.2nmol氧進(jìn)料氧氣量反應(yīng)轉(zhuǎn)化掉的氧氣量 4 16.813.445nmol水3

28、 16.810.085nmol二氧化碳=物料衡算結(jié)果一覽表物料衡算結(jié)果一覽表2n從上表中可看出，仍然可以得出與表從上表中可看出，仍然可以得出與表1相同相同的結(jié)的結(jié)論；比較表論；比較表1和表和表2，可以看出，可以看出，雖然計(jì)算基準(zhǔn)不雖然計(jì)算基準(zhǔn)不同，但進(jìn)出物料的組成是一致的。同，但進(jìn)出物料的組成是一致的。物料物料分分子子量量輸入輸入輸出輸出molmol%Kgwt%molmol%Kgwt%C3H8443.263.250.1484.88O2322120.320.67222.174.23.940.1344.43N2267976.432.21272.967.974.022.21272.96CO24410

29、.089.450.44414.63H2O1813.4412.590.2427.98總計(jì)總計(jì)103.361003.032100.01106.721003.032100n從計(jì)算結(jié)果知，每產(chǎn)生從計(jì)算結(jié)果知，每產(chǎn)生106.72mol的煙道的煙道氣需加入氣需加入100mol空氣空氣，所以，所以產(chǎn)生產(chǎn)生100mol煙道氣需要加入的空氣量煙道氣需要加入的空氣量是：是： 100100106.7293.7（mol） 例： 在鼓泡反應(yīng)器中進(jìn)行苯的氯化反應(yīng)生產(chǎn)氯苯，主反應(yīng)為： C6H6Cl2C6H5ClHCl 同時(shí)有副反應(yīng)發(fā)生，生成二氯苯和三氯苯，反應(yīng)如下： C6H62Cl2C6H4Cl22HCl C6H63Cl2

30、C6H3Cl33HCl 已知鼓泡反應(yīng)器的產(chǎn)品中，主、副反應(yīng)產(chǎn)物和未反應(yīng)的苯的重量比為: 氯苯：二氯苯：三氯苯：苯l:0.08:0.016:2，求(1)苯的轉(zhuǎn)化率；(2)氯苯的收率；(3)反應(yīng)的選擇性；(4)反應(yīng)生成的氯化氫總量；(5)反應(yīng)消耗的氯氣總量。解：以100kg產(chǎn)物氯苯為計(jì)算基準(zhǔn)。 苯、氯苯、二氯苯、三氯苯的分子量分別為78，112.5，147和181.5。 按照所取的計(jì)算基準(zhǔn)，出口產(chǎn)品混合物中有苯200kg，氯苯100kg，二氯苯8kg，三氯苯1.6kg，需要加入反應(yīng)器的苯(100)的量計(jì)算如下：生成氯苯消耗苯： 生成二氯苯消耗苯：生成三氯苯消耗苯： 未反應(yīng)的苯200kg，因此需要加

31、入的苯的總量為：69.334.2450.688200274.3kgkg33.69785 .112100kg245. 4781478kg688. 0785 .1816 . 1 （1）苯的轉(zhuǎn)化率苯的轉(zhuǎn)化量69.33十4.245十0.68874.3kg,苯的加入量274.3kg所以 苯的轉(zhuǎn)化率X74.3274.30.2709 （2）氯苯的收率Y （3）反應(yīng)的選擇性S 2528. 03 .27433.69加入的苯量轉(zhuǎn)化為氯苯的苯量Y933. 02709. 02528. 0XYS （4）反應(yīng)生成的氯化氫總量 生成氯苯時(shí)同時(shí)生成的氯化氫： 生成二氯苯時(shí)同時(shí)生成的氯化氫： 生成三氯苯時(shí)同時(shí)生成的氯化氫： 因

32、此，生成的氯化氫總量為： 32.43.970.96637.35kgkg4 .325 .365 .112100kg97. 325 .361478kg966. 035 .365 .1816 . 1 (5)反應(yīng)消耗的氯氣總量生成氯苯消耗氯氣：生成二氯苯消耗氯氣：生成三氯苯消耗氯氣： 因此，反應(yīng)消耗的氯氣總量為： 63.117.7281.87872.72kgkg11.63715 .112100kg728. 72711478kg878. 13715 .1816 . 1（2 2）元素平衡法（原子衡算法）元素平衡法（原子衡算法）n方法方法：因?yàn)榉磻?yīng)前后的物質(zhì)雖然分子結(jié)構(gòu)不同，但：因?yàn)榉磻?yīng)前后的物質(zhì)雖然分子結(jié)

33、構(gòu)不同，但都是由相同元素組成的。所以都是由相同元素組成的。所以反應(yīng)前后各元素原子反應(yīng)前后各元素原子的量是守衡的的量是守衡的，然后依每個(gè)分子結(jié)構(gòu)通過相應(yīng)元素，然后依每個(gè)分子結(jié)構(gòu)通過相應(yīng)元素的量（原子數(shù)的比值）計(jì)算出各個(gè)未知的具體量。的量（原子數(shù)的比值）計(jì)算出各個(gè)未知的具體量。n適用范圍適用范圍： 反應(yīng)過于復(fù)雜，即反應(yīng)式明確但較多，包含有平反應(yīng)過于復(fù)雜，即反應(yīng)式明確但較多，包含有平行、連串等反應(yīng)時(shí)；行、連串等反應(yīng)時(shí)； 反應(yīng)式不太明確，無法寫出時(shí)。反應(yīng)式不太明確，無法寫出時(shí)。n例例 合成氣組成為合成氣組成為0.4%CH4、52.8%H2、38.3%CO、5.5%CO2、0.1%O2和和2.9%N2（

34、體積百分?jǐn)?shù)）。若用（體積百分?jǐn)?shù)）。若用10%過量空氣燃燒，設(shè)燃過量空氣燃燒，設(shè)燃燒氣中不含燒氣中不含CO，試計(jì)算燃燒氣組成。，試計(jì)算燃燒氣組成。n解法解法 用原子衡算法求解用原子衡算法求解。畫出示意圖。畫出示意圖。 nH：0.4%10004+52.8%10002 = 1072 mol2CnC：0.4%1000+38.3%1000+5.5%1000 = 442 molBnO：38.3%1000+5.5%10002+0.1% 100020.21A2= 2BC2D nN：2.9%100020.79A2= 2E n對對O2作物料衡算，輸入量作物料衡算，輸入量+產(chǎn)生量產(chǎn)生量=輸出量輸出量+消耗量消耗量0

35、.21A+0.1%1000D+0.1%1000+0.21A/1.1解之得：解之得：A2422.4mol， B442 mol， C=536 mol， D46.3 mol， E1943 mol 基準(zhǔn)：基準(zhǔn)：1000 mol合成氣。合成氣。其中各原子的量為：其中各原子的量為：0.4%CH4、52.8%H2、38.3%CO、5.5%CO2、0.1%O2、2.9%N2物料物料分分子子量量輸入輸入輸出輸出molmol%Kgwt%molmol%Kgwt%H2252815.421.0561.24CH41640.120.0640.08CO2838311.1910.72412.62CO244551.612.420

36、2.8544214.919.44822.88O232508.8+114.8916.31419.2046.21.561.4821.74N22829+191456.7754.40464.02194365.4854.40464.02H2O1853618.069.64811.35總計(jì)總計(jì)3422.810084.982100.012967.310084.98299.99例： 丙烷充分燃燒時(shí)要使空氣過量25,燃燒反應(yīng)方程式為： C3H85O2CO24H2O求每100mol燃燒產(chǎn)物(煙道氣)需要加入多少丙烷和空氣。 解：以l00mol煙道氣作基準(zhǔn)進(jìn)行物料衡算 作作C原子原子平衡得：平衡得：3BP 作作H原子

37、原子平衡得：平衡得：8B2Q 作作O原子原子平衡得：平衡得：0.21 A22PQ2M 作作N平衡得：平衡得：0.79A2N2 由由以以l00mol煙道氣作基準(zhǔn)煙道氣作基準(zhǔn)得：得： P+Q+M+N100 作作O2平衡得：平衡得：0.21 A（0.251.25）M 解上述方程組得： A93.76mol，B3.148 mol， 因此，100mol煙道氣煙道氣需要加入空氣空氣93.76mol，加入丙烷，加入丙烷3.148mol。（3 3）以化學(xué)平衡進(jìn)行衡算）以化學(xué)平衡進(jìn)行衡算n 化學(xué)反應(yīng)中，當(dāng)化學(xué)反應(yīng)中，當(dāng)正反應(yīng)與逆反應(yīng)的反應(yīng)速率正反應(yīng)與逆反應(yīng)的反應(yīng)速率相等相等時(shí)，即達(dá)到化學(xué)平衡，在定時(shí)，即達(dá)到化學(xué)平

38、衡，在定T T、定、定P P，且反應(yīng)，且反應(yīng)物的濃度不變時(shí)，平衡將保持穩(wěn)定，此時(shí)需借助物的濃度不變時(shí)，平衡將保持穩(wěn)定，此時(shí)需借助化學(xué)反應(yīng)平衡常數(shù)與濃度之間的關(guān)系式化學(xué)反應(yīng)平衡常數(shù)與濃度之間的關(guān)系式計(jì)算。計(jì)算。n例例 試計(jì)算合成甲醇過程中反應(yīng)混合物的平衡組成。試計(jì)算合成甲醇過程中反應(yīng)混合物的平衡組成。設(shè)原料氣中設(shè)原料氣中H2與與CO摩爾比為摩爾比為4.5，惰性組分含量為，惰性組分含量為13.8%，壓力為，壓力為30MPa，溫度為，溫度為365，平衡常數(shù)，平衡常數(shù)Kp=2.50510-3 MPa-2。n解：分析：由解：分析：由Kp可看出，此題是當(dāng)作理想氣體混合物可看出，此題是當(dāng)作理想氣體混合物進(jìn)行

39、簡化計(jì)算的。依題意求進(jìn)行簡化計(jì)算的。依題意求yi，需求出反應(yīng)后的，需求出反應(yīng)后的ni和和n，因發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，應(yīng)對每個(gè)組分進(jìn)行物料衡算，方可因發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，應(yīng)對每個(gè)組分進(jìn)行物料衡算，方可確定。確定。n化學(xué)反應(yīng)式：化學(xué)反應(yīng)式：CO+2H2 CH3OH 首先計(jì)算出原料氣的摩爾組成：首先計(jì)算出原料氣的摩爾組成：n含惰性組分含惰性組分13.8%，(H2+CO)為為113.8%=86.2%，需分別求出，需分別求出H2和和CO的組成含量。的組成含量。 原料氣中原料氣中H2與與CO摩爾比為摩爾比為4.5nH2 4.5/(1+4.5)86.2%=70.53% ；nCO (1/5.5)86.2%=15.67% 惰

40、性氣體惰性氣體 13.8% ； 322CH OHpCOHKppPiinny基準(zhǔn)：基準(zhǔn)：1 mol原料氣，平衡轉(zhuǎn)化率為原料氣，平衡轉(zhuǎn)化率為XCO。CO + 2H2 CH3OH平衡時(shí)平衡時(shí)n/mol ： 0.1567 (1-xCO) 0.7053-20.1567xCO 0.1567xCO開始開始n/mol ： 0.1567 0.7053轉(zhuǎn)化量轉(zhuǎn)化量n/mol ： 0.1567xCO 20.1567xCO惰性氣體：惰性氣體：0.13830.1567301 0.3134COCH OHCOXXpCOiXn3134. 010.1567(1)301 0.3134COCOCOXXp20.70532 0.156

41、7301 0.3134COHCOXXp 320.1567301 0.31342.505 100.1567(1)0.7053 2 0.156730301 0.31341 0.3134COCOCOCOCOCOXXXXXX 01214. 11181. 38449. 131962. 023COCOCOXXX 試差得試差得 XCO =0.4876 n平衡時(shí)組成：平衡時(shí)組成：nCO： 0.1567(1-0.4876)=0.0803 molnH2： 0.705320.15670.4876=0.5525 molnCH3OH： 0.15670.4876 =0.0764 moln惰性氣體惰性氣體0.138 mol

42、 n =10.31340.4876=0.8472 moln摩爾組成：摩爾組成： in39.02%CH OHy9.48%COy265.21%Hy16.29%y惰性氣體n 若某產(chǎn)物若某產(chǎn)物P的收率已知，根據(jù)收率的定義式，的收率已知，根據(jù)收率的定義式，便可求出一定產(chǎn)量下的加料量。便可求出一定產(chǎn)量下的加料量。n 例如有一連串反應(yīng)，其計(jì)量關(guān)系為例如有一連串反應(yīng)，其計(jì)量關(guān)系為APQ，已知已知P的摩爾收率的摩爾收率Yp0.8，P的產(chǎn)量為的產(chǎn)量為100kmolh，根據(jù)收率的定義式有：，根據(jù)收率的定義式有：的物質(zhì)的量加料中的物質(zhì)的量的轉(zhuǎn)化為AAP=Yp因而，A的加料量100/0.8125(kmol/h)(4)

43、(4) 根據(jù)收率數(shù)據(jù)作物料衡算根據(jù)收率數(shù)據(jù)作物料衡算例：乙烯氧化制環(huán)氧乙烷的反應(yīng)器中進(jìn)行如下反應(yīng)：例：乙烯氧化制環(huán)氧乙烷的反應(yīng)器中進(jìn)行如下反應(yīng)： 反應(yīng)器進(jìn)口混合氣體的流量為反應(yīng)器進(jìn)口混合氣體的流量為45000m3(STP)/h，組，組成如下：成如下： 乙烯的轉(zhuǎn)化率為乙烯的轉(zhuǎn)化率為32，反應(yīng)選擇性為，反應(yīng)選擇性為69，求反應(yīng)器，求反應(yīng)器出口氣體的組成和流量。出口氣體的組成和流量。OHCOOHCOHCOHC222424224222321n轉(zhuǎn)化率轉(zhuǎn)化率 n收率收率n 選擇性選擇性 YSXx 關(guān)鍵反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化總量該關(guān)鍵反應(yīng)物的起始量Y 生成目的產(chǎn)物所消耗的關(guān)鍵反應(yīng)物的量關(guān)鍵反應(yīng)物的起始量S生成目的產(chǎn)物

44、所消耗的關(guān)鍵反應(yīng)物的量已轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵反應(yīng)物總量n解：環(huán)氧乙烷的收率解：環(huán)氧乙烷的收率0.320.690.2208 CO2的收率的收率0.32(10.69)0.0992 因此，因此，反應(yīng)器出口氣體反應(yīng)器出口氣體各組分的流量為：各組分的流量為：乙烯乙烯 環(huán)氧乙烷環(huán)氧乙烷 CO2 hkmol /81.47)32. 01 (%5 . 34 .2245000hkmol /53.152208. 0%5 . 34 .2245000hkmol /95.1320992. 0%5 . 34 .2245000H2ON2 O2反應(yīng)器的物料平衡表如下：反應(yīng)器的物料平衡表如下： hkmol /95.1320992. 0%5

45、 . 34 .2245000hkmol /3 .1647%824 .2245000hkmol /6 .26295.132353.1521145. 04 .2245000（5 5）具有循環(huán)和旁路過程的物料衡算）具有循環(huán)和旁路過程的物料衡算n 在化工生產(chǎn)中，由于受到化學(xué)平衡、相平衡以及在化工生產(chǎn)中，由于受到化學(xué)平衡、相平衡以及反應(yīng)速度等多種因素的限制，原料往往不能完全轉(zhuǎn)比反應(yīng)速度等多種因素的限制，原料往往不能完全轉(zhuǎn)比為產(chǎn)品，為了為產(chǎn)品，為了提高原料利用率，增加產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)效益提高原料利用率，增加產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)效益，可采取可采取循環(huán)操作循環(huán)操作。n 循環(huán)操作循環(huán)操作就是把反應(yīng)后得到的產(chǎn)品，經(jīng)就是把反應(yīng)后得

46、到的產(chǎn)品，經(jīng)全部分離全部分離或部分分離后，將其剩余的物料重新返回系統(tǒng)，與新或部分分離后，將其剩余的物料重新返回系統(tǒng)，與新鮮原料混合繼續(xù)進(jìn)行加工鮮原料混合繼續(xù)進(jìn)行加工。n循環(huán)流程的優(yōu)點(diǎn)：循環(huán)流程的優(yōu)點(diǎn)：n能夠顯著地提高原料利用率，減少系統(tǒng)排放量，降低了原能夠顯著地提高原料利用率，減少系統(tǒng)排放量，降低了原料消耗，也減少了對環(huán)境的污染。料消耗，也減少了對環(huán)境的污染。n循環(huán)流程的缺點(diǎn)循環(huán)流程的缺點(diǎn)：n循環(huán)體系中循環(huán)體系中惰性物質(zhì)和其他雜質(zhì)會逐漸積累惰性物質(zhì)和其他雜質(zhì)會逐漸積累，對反應(yīng)速率，對反應(yīng)速率和產(chǎn)品產(chǎn)率有影響，必需定期排出這些物質(zhì)以避免積累。和產(chǎn)品產(chǎn)率有影響，必需定期排出這些物質(zhì)以避免積累。n另

47、外，大量另外，大量循環(huán)物料的輸送會消耗較多動(dòng)力循環(huán)物料的輸送會消耗較多動(dòng)力，所以對于那，所以對于那些反應(yīng)后絕大部分原料均轉(zhuǎn)化為目的產(chǎn)物的過程，不必采些反應(yīng)后絕大部分原料均轉(zhuǎn)化為目的產(chǎn)物的過程，不必采用循環(huán)流程。用循環(huán)流程。通?？刹捎孟铝袃煞N算法：通常可采用下列兩種算法：n試差法試差法（需多次計(jì)算）（需多次計(jì)算） 估計(jì)循環(huán)流量，計(jì)算至循環(huán)回流的那一點(diǎn)。將估計(jì)估計(jì)循環(huán)流量，計(jì)算至循環(huán)回流的那一點(diǎn)。將估計(jì)值與計(jì)算值比較，重新假定估計(jì)值，一直計(jì)算到估計(jì)值值與計(jì)算值比較，重新假定估計(jì)值，一直計(jì)算到估計(jì)值與計(jì)算值之差在一定的誤差范圍內(nèi)。與計(jì)算值之差在一定的誤差范圍內(nèi)。n代數(shù)解法代數(shù)解法 列出物料平衡方程式

48、，并求解。一般方程式中以循列出物料平衡方程式，并求解。一般方程式中以循環(huán)量為未知數(shù)，用聯(lián)立方程式的方法求解。環(huán)量為未知數(shù)，用聯(lián)立方程式的方法求解。 具體做法：具體做法：一般在衡算時(shí)，先進(jìn)行總的過程衡算，一般在衡算時(shí)，先進(jìn)行總的過程衡算，再對循環(huán)系統(tǒng)列出方程式求解再對循環(huán)系統(tǒng)列出方程式求解。 在在沒有循環(huán)時(shí)沒有循環(huán)時(shí)，一系列單元步驟的物料平衡可按，一系列單元步驟的物料平衡可按順序依次進(jìn)行。順序依次進(jìn)行。 但是若但是若有循環(huán)物料有循環(huán)物料時(shí)，由于循環(huán)流量尚未計(jì)算，時(shí)，由于循環(huán)流量尚未計(jì)算，采用逐次計(jì)算并不能計(jì)算出循環(huán)量。采用逐次計(jì)算并不能計(jì)算出循環(huán)量。 n例題：例題：在銀催化劑作用下，乙烯可被空氣

49、氧化成環(huán)氧在銀催化劑作用下，乙烯可被空氣氧化成環(huán)氧乙烷（乙烷（C2H4O），副反應(yīng)是乙烯完全氧化生成），副反應(yīng)是乙烯完全氧化生成CO2和和H2O。已知離開氧化反應(yīng)器的氣體干基組成為：。已知離開氧化反應(yīng)器的氣體干基組成為： C2H4 3.22%，N2 79.64%，O2 10.81%， C2H4O 0.83%，CO2 5.5%（均為體積分?jǐn)?shù)）。（均為體積分?jǐn)?shù)）。 該氣體進(jìn)入水吸收塔，其中的環(huán)氧乙烷和水蒸氣全部該氣體進(jìn)入水吸收塔，其中的環(huán)氧乙烷和水蒸氣全部溶解于水中，而其他氣體不溶于水，由吸收塔頂逸出溶解于水中，而其他氣體不溶于水，由吸收塔頂逸出后排放少量至系統(tǒng)外，其余循環(huán)回氧化反應(yīng)器。后排放少量

50、至系統(tǒng)外，其余循環(huán)回氧化反應(yīng)器。n計(jì)算（計(jì)算（1）乙烯的單程轉(zhuǎn)化率；（）乙烯的單程轉(zhuǎn)化率；（2）生成環(huán)氧乙烷）生成環(huán)氧乙烷的選擇性；（的選擇性；（3）循環(huán)比；（）循環(huán)比；（4）新鮮原料中乙烯和）新鮮原料中乙烯和空氣量之比。空氣量之比。 解：對題目進(jìn)行初步分析，分析與計(jì)算同步進(jìn)行：解：對題目進(jìn)行初步分析，分析與計(jì)算同步進(jìn)行： n 此題因有循環(huán)，采用代數(shù)解法。此題因有循環(huán)，采用代數(shù)解法。n 由轉(zhuǎn)化率和選擇性的概念可知，需計(jì)算反應(yīng)過程中由轉(zhuǎn)化率和選擇性的概念可知，需計(jì)算反應(yīng)過程中的變化量，即需要進(jìn)行物料衡算才能得知。的變化量，即需要進(jìn)行物料衡算才能得知。n 由題給條件由題給條件離開反應(yīng)器的氣體干基組

51、成，可選離開反應(yīng)器的氣體干基組成，可選定計(jì)算基準(zhǔn)為反應(yīng)器出口氣中定計(jì)算基準(zhǔn)為反應(yīng)器出口氣中100 mol干氣。干氣。n 由題意畫出流程方框圖，選定各物料未知量符號，由題意畫出流程方框圖，選定各物料未知量符號，并根據(jù)題意標(biāo)明各組分量。并根據(jù)題意標(biāo)明各組分量。n 因?yàn)橛袃蓚€(gè)反應(yīng)式，組分也較多，所以采用原子衡因?yàn)橛袃蓚€(gè)反應(yīng)式，組分也較多，所以采用原子衡算法計(jì)算。算法計(jì)算。n該過程的流程方框圖如下：該過程的流程方框圖如下：n計(jì)算基準(zhǔn)：反應(yīng)器出口氣中計(jì)算基準(zhǔn)：反應(yīng)器出口氣中100 mol干氣。干氣。n令新鮮原料氣（令新鮮原料氣（FF）中）中C2H4量為量為Xmol，空氣為，空氣為Ymol（含（含79%

52、N2和和21%O2）；排放氣為）；排放氣為Wmol；乙烯完全氧化生成的水量為；乙烯完全氧化生成的水量為Zmol。Fresh fluidMix fluidproductRecycle feedReaction product Separate productwasteC2H4 XmolO2N2空氣空氣 YmolWmolC2H4 3.22%N2 79.64%O2 10.81%C2H4O 0.83%CO2 5.5%H2O ZmolH2O ZmolC2H4O 0.83molC2H4N2O2CO2C2H4 N2O2 CO2C2H4N2O2CO2C2H4 N2O2 CO2C2H4+0.5O2C2H4OC2

53、H4+3O22CO2+2H2O基準(zhǔn)：基準(zhǔn)：100 mol干氣干氣 （1）確定反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)分離后的各部分的量。）確定反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)分離后的各部分的量。n分析：由流程方框圖可知，物流分析：由流程方框圖可知，物流RP分離成分離成P和和SP，SP分流為分流為RC和和W，該兩過程均無化學(xué)反應(yīng)，且，該兩過程均無化學(xué)反應(yīng)，且SP、RC和和W三者的組成相同。三者的組成相同。 則各部分的量：則各部分的量：SP=RPP；RC=SPWn又環(huán)氧乙烷和水蒸氣全部溶解于水中，又環(huán)氧乙烷和水蒸氣全部溶解于水中， 則則 P=1000.83%+Z 。 （2）確定進(jìn)入反應(yīng)器的混合物料量。）確定進(jìn)入反應(yīng)器的混合物料量。n分析：進(jìn)反應(yīng)器的

54、氣體分析：進(jìn)反應(yīng)器的氣體MF由新鮮原料氣由新鮮原料氣FF和循環(huán)氣和循環(huán)氣RC組成，混合過程無化學(xué)反應(yīng)，則組成，混合過程無化學(xué)反應(yīng)，則MF=FF+RC。RP、P、SP、W中各組分物質(zhì)的量和組成表中各組分物質(zhì)的量和組成表 物料物料RP（出反應(yīng)器氣）（出反應(yīng)器氣）P（產(chǎn)物）（產(chǎn)物） SP（出吸收塔氣）（出吸收塔氣）W（排放氣）（排放氣）mol干基干基mol%molmolmol%molmol%C2H43.223.223.223.250.0325 W3.25O210.8110.8110.8110.900.109 W10.90N279.6479.6479.6480.300.803 W80.30C2H4O0

55、.830.830.83CO25.55.55.55.550.0555 W5.55H2OZZ總計(jì)總計(jì)100+Z1000.83+Z99.17100W100RC、FF和和MF中各組分物質(zhì)的量和組成表中各組分物質(zhì)的量和組成表 物料物料RC（循環(huán)氣（循環(huán)氣=SP=SP- -W W）FF（新鮮原料氣）（新鮮原料氣）MF（混合原料氣）（混合原料氣）molmol%molmol%mol%C2H43.22- -0.03250.0325W3.25X3.22- -0.0325W+XO210.81- -0.1090.109W10.900.21Y2110.81- -0.109W+0.21YN279.64- -0.8030.

56、803W80.300.79Y7979.64- -0.803W+0.79YC2H4OCO25.5- -0.05550.0555W5.555.5- -0.0555WH2O總計(jì)總計(jì)99.17- -W100X+Y100X+Y +99.17- -Wn（3）作總系統(tǒng)物料衡算，求出具體的量。）作總系統(tǒng)物料衡算，求出具體的量。 從新鮮原料氣開始，到以產(chǎn)物和排放氣的形式離開系從新鮮原料氣開始，到以產(chǎn)物和排放氣的形式離開系統(tǒng)為止，因吸收劑（水）的輸入和輸出的量不變，可統(tǒng)為止，因吸收劑（水）的輸入和輸出的量不變，可不考慮，則總系統(tǒng)衡算圖為：不考慮，則總系統(tǒng)衡算圖為：n用原子衡算法計(jì)算：用原子衡算法計(jì)算： FF中某元素的原子總的物質(zhì)的量（中某元素的原子總的物質(zhì)的量（mol） = P中該元素的原子總的物質(zhì)的量（中該元素的原子總的物質(zhì)的量（mol） +W中該元素的原子總的物質(zhì)的量（中該元素的原子總的物質(zhì)的量（mol）nC：2X=（0.832）+（0.0325W2+0.0555W） （1）nH：4X=（0.834+2Z）+（0.0325W4） （2）nO：0.21Y2=（0.83+Z）+（0.109W 2 +0.0555W2） （3） nN：0.21Y2=（0.83W2） （4） 聯(lián)立求解得：聯(lián)立求