化工計算第三章物料衡算-2無化學(xué)反應(yīng)

1、2021/8/21化工計算第三章22021/8/22第三節(jié) 無化學(xué)反應(yīng)過程的物料衡算 無化學(xué)反應(yīng)過程是指一些只有物理變化而沒有化學(xué)反應(yīng)的單元操作，例如混合、精餾、蒸發(fā)、干燥、吸收、結(jié)晶、萃取、過濾等，或是雖有化學(xué)反應(yīng)，但以物理變化為主，這些過程的物料衡算都可以根據(jù)質(zhì)量守恒定律，由物料衡算式（4-4），列出總物料和各組分的衡算式，再用代數(shù)法求解即可。2021/8/23第三節(jié) 無化學(xué)反應(yīng)過程的物料衡算1、混合 當(dāng)物料的濃度不符合化工生產(chǎn)要求時，經(jīng)常需要通過加入其它濃度的物質(zhì)來進(jìn)行調(diào)整，這就是混合，混合有氣體和氣體之間的混合，液體和液體之間的混合。 例例4-2：現(xiàn)有：現(xiàn)有800kg用過的稀電池溶液，

2、內(nèi)含用過的稀電池溶液，內(nèi)含H2SO412.43%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。現(xiàn)在需將其配制成含有（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）?，F(xiàn)在需將其配制成含有H2SO418.63%的溶液再重新利用，問需加入的溶液再重新利用，問需加入77.7%的的H2SO4多少千克合適？可制得多少千克可利用的酸？多少千克合適？可制得多少千克可利用的酸？2021/8/24第三節(jié) 無化學(xué)反應(yīng)過程的物料衡算解：根據(jù)題意可畫出如下圖4-9所示的物料流程圖分析：此題中有四個已知數(shù)據(jù)：一個質(zhì)量數(shù)據(jù)，三個組成數(shù)據(jù)，要求的有兩個未知變量，體系中有兩種物質(zhì)，可列出兩個獨(dú)立的物料衡算方程，問題可解。設(shè)F2為濃度77.7%H2SO4的質(zhì)量，F(xiàn)3為濃度18.63%的H2SO4

3、質(zhì)量?？梢詫懗鲆粋€總物料平衡式和兩個組成平衡式，其中任意兩個方程組合都是獨(dú)立方程，可以解出兩個未知變量。2021/8/25第三節(jié) 無化學(xué)反應(yīng)過程的物料衡算 F3 H2SO4 0.1863 H2O 0.8137 混合 F1：800kg H2SO4 0.1243 H2O 0.8757 F2 H2SO4 0.777 H2O 0.233 圖 4-9 例 4-2 物料流程圖 2021/8/26第三節(jié) 無化學(xué)反應(yīng)過程的物料衡算2021/8/27第三節(jié) 無化學(xué)反應(yīng)過程的物料衡算 2. 結(jié)晶 在化工生產(chǎn)中，為了精制固體物質(zhì)，使溶解于液體中的固體溶質(zhì)呈結(jié)晶狀析出的操作稱為結(jié)晶。它是獲得純凈固體物質(zhì)的重要方法之一

4、，應(yīng)用較廣泛。 在有關(guān)結(jié)晶的物料衡算中，溶解度和質(zhì)量百分比濃度之間的換算是必需的，因為對于飽和溶液從手冊上能查到的是溶解度數(shù)據(jù)而非質(zhì)量百分比濃度數(shù)據(jù)。2021/8/28第三節(jié) 無化學(xué)反應(yīng)過程的物料衡算 例4-5：1000千克KCl飽和水溶液盛于結(jié)晶槽中，溫度為800C。將此溶液冷卻到200C，若在冷卻過程中，進(jìn)料溶液中的水有7%蒸發(fā)掉，求從溶液中結(jié)晶出的KCl量。 解：由手冊查得KCl在水中的溶解度數(shù)據(jù)為： 80：51.1克KCl/100克H2O 20：24.0克KCl/100克H2O。 畫物料流程示意圖：如下頁2021/8/29第三節(jié) 無化學(xué)反應(yīng)過程的物料衡算 結(jié)晶過程 80KCl飽和溶液

5、H2O 1000kg KCl結(jié)晶 x kg 20KCl飽和溶液 2021/8/210第三節(jié) 無化學(xué)反應(yīng)過程的物料衡算2021/8/211第三節(jié) 無化學(xué)反應(yīng)過程的物料衡算 在石油化工生產(chǎn)中，常常需要分離氣體混合物以獲得純凈的原料氣或氣體產(chǎn)品，吸收操作就是分離氣體混合物的一種有效方法。 吸 收 塔 吸收劑 精制氣體 原料氣體 溶液 圖 4-13 氣體吸收過程示意圖 2021/8/212 例4-6：將含20%（質(zhì)量百分?jǐn)?shù)）丙酮與80%空氣的混合氣輸入吸收塔，塔頂用噴水吸收丙酮。吸收塔塔頂出口氣體含丙酮3%，空氣97%，吸收塔底得到50千克含10%丙酮的水溶液，計算輸入吸收塔氣體的量。解：詳細(xì)過程如下

6、所示2021/8/213第三節(jié) 無化學(xué)反應(yīng)過程的物料衡算由 題 意 畫 出 物 料 流 程 示 意 圖 （ 見 圖 4-14） 基 準(zhǔn) ： 50kg 10%丙 酮 水 溶 液 設(shè) 塔 底 輸 入 的 混 合 氣 為 水 ：50kg 10%丙 酮 水 溶 液 吸 收 過 程 H2O y kg 丙 酮 3% 空 氣 97% x kg 丙 酮 20% 空 氣 80% 解：由題意畫出物料流程示意圖解：由題意畫出物料流程示意圖 ：如下所示：如下所示2021/8/214第三節(jié) 無化學(xué)反應(yīng)過程的物料衡算2021/8/215第三節(jié) 無化學(xué)反應(yīng)過程的物料衡算4干燥 在化工生產(chǎn)中，有些原料、半成品和成品常含有水分

7、（或其他溶劑）。為了便于加工，運(yùn)輸、貯藏和使用，須將物料中的水分（其他溶劑）除去。這種從物料中去除水分（或其他溶劑）的操作稱去濕，去濕的方法很多，可分三類：（1）化學(xué)去濕法；（2）機(jī)械除濕法；（3）熱能去濕法。熱能去濕法也稱干燥。2021/8/216第三節(jié) 無化學(xué)反應(yīng)過程的物料衡算 例4-7：現(xiàn)有濕紙漿含水71%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），需通過干燥去掉其初始水分的80%，試計算干燥后紙漿中的含水量和每千克濕紙漿去掉的水分量。 解：由題意干燥過程的物料流程如下圖所示。干燥器 濕紙漿 紙漿 0.29 H2O 0.71 干紙漿 紙漿 1x H2O x 干燥去掉的 H2O=初始量的 80% 2021/8/217第

8、三節(jié) 無化學(xué)反應(yīng)過程的物料衡算2021/8/218第三節(jié) 無化學(xué)反應(yīng)過程的物料衡算5蒸餾 蒸餾是利用液體混合物中各組分的揮發(fā)度不同進(jìn)行組分分離，多用于分離各種有機(jī)物的混合液，也有用于分離無機(jī)物混合液的，例如液體空氣中氮與氧的分離。 例4-8：有一個蒸餾塔，輸入和輸出物料量及組成如下圖4-16。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。 2021/8/219第三節(jié) 無化學(xué)反應(yīng)過程的物料衡算解：基準(zhǔn)：100 kgh -1輸入物料 令x = 餾出物中A的百分含量，y = 餾出物中B的百分含量。1 進(jìn)料 100kgh1 A 0.20 B 0.30 C 0

9、.50 蒸 餾 塔 冷凝器 2 餾出物 P kgh1 A x B y C 1-x-y 3 塔底產(chǎn)物 W kgh1 A 0.005 B 0.055 C 0.94 2021/8/220第三節(jié) 無化學(xué)反應(yīng)過程的物料衡算將各物料的流量及組成列于下表組 分 mol% 流股號 流量kgh -1 A B C 1 2 3 100 P W 20 x 0.5 30 y 5.5 50 1-x-y 94.0 由上表可以看出，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的百分含量之和為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

10、方程。但是輸入和輸出物料中共有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。2021/8/221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: （1）總物料衡算式有P和W兩個未知量。A、B、C三個組分的衡算式中，A組分的衡算式只含一個未知量W，所以先列A組分的衡算式。A組分衡算式： （2）總物料衡算式： （3）B組分衡算式： （4）由（2）式得：代入（3）式得： 代入（4）式得：y = 56.54%第三節(jié) 無化學(xué)反應(yīng)過程的物料衡算1-1hkg4 .19%7 .9820%h100kgP.x52wkg11h19.74kg0.5%w20%

11、hkg100WP100yPW5.5%30%10052kgw 1h52)kg(100p2021/8/222第三節(jié) 無化學(xué)反應(yīng)過程的物料衡算 由（由（1）式得：）式得： 餾出物中餾出物中C組成為：組成為： 由由C組分衡算式得：組分衡算式得： 結(jié)果符合結(jié)果符合 由上例可以看出，因為第二個方程只有一個未由上例可以看出，因為第二個方程只有一個未知參數(shù)，知參數(shù)， 解這樣的方程，可以避免解方程組。解這樣的方程，可以避免解方程組。111h48kgh19.74kgPh19.74kgx2.83%56.54%41.13%1yx1y)x(1h48kg94%h52kg50%h100kg1112.83%yx12021/8/223第三節(jié) 無化學(xué)反應(yīng)過程的物料衡算 以上幾例為無化學(xué)反應(yīng)過程的物料衡算，當(dāng)利用代數(shù)法求解時，列衡算式應(yīng)注意下列幾點(diǎn)： 無化學(xué)反應(yīng)體系，能列出的獨(dú)立物料衡算式數(shù)目，最多等于輸入和輸出物料中化學(xué)組分的數(shù)目。 首先列出含未知量數(shù)目最少的物料衡算方程，最好是能列出一個方程解一個未知數(shù)，然后一步一步地列出其它的方程，避免了解方程組的繁瑣。 若體系內(nèi)具有很多多組分的物料，則最好將每股物流編號，并列表表示出已知的量和組成，檢查能列出的衡算方程數(shù)目是否等于未知量