物料衡算和能量衡算-1(物料)

1、化工設(shè)計(jì)第三章 物料衡算與能量衡算Chart3 Materiel Balance and Energy Balance一、 化工過(guò)程所謂化工過(guò)程，是指由原料經(jīng)化學(xué)處置和物理處置加工成化學(xué)產(chǎn)品或中間產(chǎn)品的消費(fèi)過(guò)程。它包括許多工序，每個(gè)工序又由假設(shè)干個(gè)或假設(shè)干組設(shè)備如反響器、蒸餾塔、吸收塔、枯燥塔，分別器、換熱器及保送設(shè)備等等組合而成。物料經(jīng)過(guò)各設(shè)備時(shí)，完成某種化學(xué)或物理處置，最終成為合格的產(chǎn)品。運(yùn)用守恒定律來(lái)研討化工過(guò)程的物料衡算和能量衡算問(wèn)題。在不同的消費(fèi)過(guò)程中，有一些具有共性的物理操作，它們不改動(dòng)物料的化學(xué)性質(zhì)，只改動(dòng)物料的物理性質(zhì)，這類(lèi)操作被稱為單元操作，如流體保送、傳熱、蒸餾、枯燥、蒸發(fā)

2、、結(jié)晶、萃取、吸收、吸附、過(guò)濾及破碎等操作。化工過(guò)程中還包括一些改動(dòng)物料的化學(xué)性質(zhì)的反響過(guò)程，如氫與氮合成氨反響、乙烯氧化成環(huán)氧乙烷反響等等?；み^(guò)程就是由反響過(guò)程和假設(shè)干個(gè)單元操作組合而成的一個(gè)系統(tǒng)。 化工過(guò)程的類(lèi)型 根據(jù)其操作方式分間歇操作 原料一次參與過(guò)程產(chǎn)品一次排出延續(xù)操作 原料延續(xù)參與過(guò)程產(chǎn)品延續(xù)排出半延續(xù)操作 原料一次參與過(guò)程產(chǎn)品延續(xù)排出 或原料延續(xù)參與過(guò)程產(chǎn)品一次排出根據(jù)操作形狀分穩(wěn)定形狀操作定態(tài)操作過(guò)程參數(shù)=f(x、y、z)不穩(wěn)定形狀操作非定態(tài)操作過(guò)程參數(shù)=f(x、y、z、t)化工過(guò)程根本參數(shù)過(guò)程參數(shù)：消費(fèi)過(guò)程中影響過(guò)程運(yùn)轉(zhuǎn)和形狀的物理量。一溫度 表示物體冷熱程度的物理量。溫標(biāo)

3、。 1、攝氏溫標(biāo)， 水的正常冰點(diǎn)：0 水的正常沸點(diǎn)：100 其間均分100等份 其單位為 2、開(kāi)爾文溫標(biāo)，K又叫熱力學(xué)溫度，熱力學(xué)溫標(biāo) 單位是“開(kāi)爾文，英文是“Kelvin簡(jiǎn)稱“開(kāi)，國(guó)際代號(hào)“K。開(kāi)爾文是為了留念英國(guó)物理學(xué)家Lord Kelvin而命名的。 以絕對(duì)零度0K為最低溫度，規(guī)定水的三相點(diǎn)的溫度為 273.16K，開(kāi)定義為水三相點(diǎn)熱力學(xué)溫度的1/273.15。3 華氏溫標(biāo), 水鹽混合物的溫度：0 ；安康人的血液溫度：96 水的正常冰點(diǎn)：32；水的正常沸點(diǎn)：212 其間均分180等份 其單位為4、蘭金溫標(biāo)，R 與開(kāi)氏溫標(biāo)類(lèi)似，也是以最低實(shí)際溫度為0度的一種絕對(duì)溫標(biāo)。 其0度為-459.6

4、7-460。四種溫度的關(guān)系：二壓力(壓強(qiáng)三流量四組成3.1 物料衡算3.2 能量衡算3.3 化工模擬軟件在化工設(shè)計(jì)中的運(yùn)用本 章要求掌握非反響過(guò)程的物料衡算及反響過(guò)程的物料衡算；掌握安裝的物料衡算；掌握以反響熱效應(yīng)為根底的計(jì)算方法，以及以生成熱為根底的計(jì)算方法。本章重、難點(diǎn)：物料衡算及熱量衡算。 物料、能量衡算在化工技術(shù)中的作用物料、能量衡算是一切設(shè)計(jì)計(jì)算的根底，是反響器和設(shè)備設(shè)計(jì)的根據(jù)，也是過(guò)程、設(shè)備各系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)核算和最優(yōu)化的根據(jù)。普通來(lái)說(shuō)，在設(shè)計(jì)一個(gè)消費(fèi)系統(tǒng)，或者計(jì)算某個(gè)單元操作及設(shè)備時(shí)，首先必需作物料、能量衡算。物料、能量衡算的目的和內(nèi)容在于定量研討消費(fèi)過(guò)程，為過(guò)程設(shè)計(jì)和操作最正確化提供根

5、據(jù)。對(duì)過(guò)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，定量地表示所研討的對(duì)象。物料、能量衡算的意義計(jì)算消費(fèi)過(guò)程的原資料耗費(fèi)目的、能耗定額和產(chǎn)品產(chǎn)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)南M(fèi)強(qiáng)度，可以設(shè)計(jì)或選擇設(shè)備的類(lèi)型、臺(tái)數(shù)及尺寸。物料衡算和能量衡算是設(shè)備計(jì)算的根據(jù)。作物料衡算可以檢查各物料的計(jì)量、分析測(cè)定數(shù)據(jù)能否正確；檢查消費(fèi)運(yùn)轉(zhuǎn)能否正常。作系統(tǒng)各設(shè)備及管路的物料衡算時(shí)，可以檢查出消費(fèi)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)核算的根底。物料衡算和能量衡算的方程往往用于求取消費(fèi)過(guò)程中的某些未知量或操作條件。3.1 物料衡算

6、物料衡算運(yùn)用質(zhì)量守恒定律，對(duì)化工過(guò)程或設(shè)備進(jìn)展定量計(jì)算。經(jīng)過(guò)物料衡算處理以下問(wèn)題： 計(jì)算原料耗費(fèi)量、副產(chǎn)品量； 輸出過(guò)程物料的損耗量及三廢的生成量； 在物料衡算根底做能量衡算，計(jì)算蒸汽、水、電、煤或其他燃料的耗費(fèi)定額。 計(jì)算產(chǎn)品的技術(shù)經(jīng)濟(jì)目的。為消費(fèi)設(shè)備和輔助設(shè)備的選型及設(shè)計(jì)、管路設(shè)備與公用工程的設(shè)計(jì)等方面提供根據(jù)。.一、物料衡算根據(jù)1. 實(shí)際根據(jù)質(zhì)量守恒定律物料衡算范圍單元操作的物料衡算化工設(shè)備設(shè)計(jì)的前提化工過(guò)程的物料衡算化工過(guò)程設(shè)計(jì)的前提物料衡算的普通表達(dá)式為：輸入量輸出量生成量耗費(fèi)量積累量對(duì)穩(wěn)定操作過(guò)程，積累量=0輸入量-輸出量+生成量-耗費(fèi)量=0對(duì)無(wú)化學(xué)反響的過(guò)程： 輸入量輸出量積累量

7、對(duì)無(wú)化學(xué)反響的穩(wěn)定操作過(guò)程：輸入量輸出量.對(duì)有化學(xué)反響的過(guò)程：總物料衡算+元素衡算式2. 數(shù)據(jù)根底(1) 技術(shù)方案、操作方法、消費(fèi)才干、年任務(wù)時(shí)。(2) 建立單位或研討單位的要求、設(shè)計(jì)參數(shù)、小試及中試數(shù)據(jù)： 化工單元過(guò)程的化學(xué)反響式、原料配比、轉(zhuǎn)化率、選擇率、總收率，催化劑形狀、用量、回收方法、平安性能等； 原料及產(chǎn)品的分別方式，分別劑的用量，各步的回收率； 特殊化學(xué)品的物性：沸點(diǎn)、熔點(diǎn)、飽和蒸汽壓、閃點(diǎn)等。(3) 工藝流程表示圖。二、物料衡算基準(zhǔn) 物料衡算時(shí)須選擇計(jì)算基準(zhǔn)，并在計(jì)算過(guò)程中堅(jiān)持一致。 普通計(jì)算過(guò)程的基準(zhǔn)有以下幾種：.(1) 時(shí)間基準(zhǔn)對(duì)延續(xù)消費(fèi)過(guò)程，常以單位時(shí)間(如d、h、s的投

8、料量或產(chǎn)品量為計(jì)算基準(zhǔn)。(2) 批量基準(zhǔn)以每批操作或一釜料的消費(fèi)周期為基準(zhǔn)。(3) 質(zhì)量基準(zhǔn)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)品作為計(jì)算基準(zhǔn)較適宜。(4) 物質(zhì)的量基準(zhǔn)：對(duì)于有化學(xué)反響的過(guò)程因化學(xué)反響的按摩爾進(jìn)展的，用物質(zhì)的量基準(zhǔn)更方便。(5) 規(guī)范體積基準(zhǔn)：對(duì)氣體物料進(jìn)展衡算，可采用規(guī)范體積基準(zhǔn)，Nm3(STP)，既排除T、p的影響，又可直接換算為摩爾。(6) 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)就有算不算水分的問(wèn)題。濕基計(jì)算水分，干基不計(jì)算水分。實(shí)踐計(jì)算時(shí)，必需根據(jù)詳細(xì)情況選擇適宜的基準(zhǔn)，過(guò)程的物料衡算及能量衡算應(yīng)在同一基準(zhǔn)上進(jìn)展。.三、物料衡算的根本程序(1)

9、確定衡算對(duì)象和范圍，畫(huà)出計(jì)算對(duì)象的草圖。留意物料種類(lèi)和走向，明確輸入和輸出。(2) 確定計(jì)算義務(wù)，明確知項(xiàng)、待求項(xiàng)，選擇數(shù)學(xué)公式，力求使計(jì)算方法簡(jiǎn)化。(3) 確定過(guò)程所涉及的組分，并對(duì)一切組分依次編號(hào)。(4) 對(duì)物流的流股進(jìn)展編號(hào)，并標(biāo)注物流變量。(5) 搜集數(shù)據(jù)資料設(shè)計(jì)義務(wù)所規(guī)定知條件，與過(guò)程有關(guān)物理化學(xué)參數(shù)： 消費(fèi)規(guī)模設(shè)計(jì)義務(wù)所規(guī)定，t/年和消費(fèi)時(shí)間指全年有效生產(chǎn)天數(shù)300330天/年，計(jì)約8000h。 有關(guān)定額的技術(shù)目的，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。.原輔資料、產(chǎn)品、中間產(chǎn)品的規(guī)格；與過(guò)程有關(guān)有物理化學(xué)參數(shù)，如臨界參數(shù)、密度或比體

10、積、形狀方程參數(shù)、蒸汽壓、氣液平衡常數(shù)或平衡關(guān)系等。(6) 列出過(guò)程全部獨(dú)立物料平衡方程式及其相關(guān)約束式，對(duì)有化學(xué)反響的還要寫(xiě)出化學(xué)反響方程式，指出其轉(zhuǎn)化率和選擇性。(7) 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。(9) 整理并校核計(jì)算結(jié)果，并根據(jù)需求換算基準(zhǔn)，最后列成表格即物流表。(10) 繪制物料流程圖，編寫(xiě)物流表作為設(shè)計(jì)文件成果編入正式設(shè)計(jì)文件。.識(shí)別問(wèn)題的類(lèi)型繪制工藝過(guò)程表示圖選擇計(jì)算基準(zhǔn)建立物料衡算方程式并進(jìn)展未知量的求解列出物料衡算表?；み^(guò)程的主要效率目的消費(fèi)才干和消費(fèi)強(qiáng)度消費(fèi)才干指一個(gè)設(shè)備、一套安裝或一個(gè)工廠在 單位時(shí)間內(nèi)消費(fèi)的產(chǎn)品量，或在

11、單位時(shí)間內(nèi)處置 的原料量。 設(shè)計(jì)才干設(shè)備或安裝在最正確條件下可以到達(dá)的最大消費(fèi)才干。.即設(shè)備的單位體積的消費(fèi)才干，或單位面積的消費(fèi)才干。 消費(fèi)強(qiáng)度為設(shè)備的單位特征幾何量的消費(fèi)才干。此目的主要用于比較那些一樣反響過(guò)程或物理加工過(guò)程的設(shè)備或安裝的優(yōu)劣。.有效消費(fèi)周期： 開(kāi)工因子通常在0.9左右，開(kāi)工因子大意味著停工檢修帶來(lái)的損失小，即設(shè)備先進(jìn)可靠，催化劑壽命長(zhǎng)。 .1轉(zhuǎn)化率 2-13 關(guān)鍵反響物反響物中價(jià)值最高的組分，為使其盡能夠轉(zhuǎn)化，常使其他反響組分過(guò)量。不可逆反響，關(guān)鍵組分的轉(zhuǎn)化率最大為100%?？赡娣错懀P(guān)鍵組分的轉(zhuǎn)化率其平衡轉(zhuǎn)化率。 轉(zhuǎn)化率、選擇性和收率.對(duì)循環(huán)過(guò)程而言，有單程轉(zhuǎn)化率和全程

12、轉(zhuǎn)化率。新穎原料反響系統(tǒng)分別系統(tǒng)產(chǎn)品循環(huán)物流循環(huán)機(jī)械圖 帶有物料循環(huán)的流程表示圖排放. 2選擇性 是指體系中轉(zhuǎn)化成目的產(chǎn)物的某反響物的量與參與一切反響而轉(zhuǎn)化的該反響物總量之比。 在復(fù)雜反響體系中，選擇性表達(dá)了主、副反響進(jìn)展程度的相對(duì)大小，能確切反映原料的利用能否合理。 選擇性 . 或 留意： 式中的分母是按主反響式的化學(xué)計(jì)量關(guān)系來(lái)計(jì)算的，并假設(shè)轉(zhuǎn)化了的一切反響物全部轉(zhuǎn)變成目的產(chǎn)物。 .3收率產(chǎn)率 對(duì)同一反響物，Y=SX。無(wú)副反響的體系，S=1，Y=X，收率=轉(zhuǎn)化率；有副反響的體系，S100%，那么過(guò)量空氣的含義是包括實(shí)際需求空氣量和超越部分的量的總和。 . 例 丙烷充分熄滅時(shí)，要供入空氣量12

13、5%，反響式為：C3H8+5O2 3CO2+4H2O，問(wèn)每產(chǎn)生100摩爾煙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。 解法基準(zhǔn) ：100 mol丙烷關(guān)鍵組分。反響式： C3H8+5O2 3CO2 + 4H2O 轉(zhuǎn)化量： 100 X Y Z X = 500mol Y = 300mol Z = 400mol由于空氣中氧氣和氮?dú)獾哪柋葹椋篛2N2 = 2179實(shí)際空氣量=500/0.21=2380.9mol .那么實(shí)踐空氣量=過(guò)量空氣%實(shí)際空氣量=125%2380=2976 mol反響前： 反響后： 氮?dú)獠粎⑴c反響，仍為2351 mol。.物料衡算結(jié)果一覽表1從上表中可看出，反響前后，各

14、組分的摩爾數(shù)和質(zhì)量數(shù)都不相等?？偰枖?shù)也不相等，物質(zhì)的總質(zhì)量數(shù)未變。物料分子量輸入輸出molmol%Kgwt%molmol%Kgwt%C3H8441003.254.44.88O23262520.3220.022.171253.944.04.43N226235176.4365.8372.96235174.0265.8372.96CO2443009.4513.214.63H2O1840012.597.27.98總計(jì)307610090.23100.01317610090.23100.從計(jì)算結(jié)果可以看出，當(dāng)空氣參與量為2976mol時(shí)，可產(chǎn)生煙道氣3176mol，所以，每產(chǎn)生100mol煙道氣需參與的

15、空氣量為： 1002976317693.7mol. 解法 基準(zhǔn)：100 mol空氣反響前：所含 =過(guò)量氧氣量 由 過(guò)量氧氣量=過(guò)量空氣%需求氧氣量也稱為實(shí)際需氧量實(shí)際氧氣量=過(guò)量氧氣量/過(guò)量空氣% =21/125%=16.8 mol 那么根據(jù)化學(xué)反響式C3H8+5O23CO2 +4H2O可以求得參與反響的丙烷用量： 15 = M16.8 M=3.36 mol.反響后： 氮?dú)獠粎⑴c反響，仍為79mol。 .物料衡算結(jié)果一覽表2從上表中可看出，依然可以得出與表1一樣的結(jié)論；比較表1和表2，可以看出，雖然計(jì)算基準(zhǔn)不同，但進(jìn)出物料的組成是一致的。物料分子量輸入輸出molmol%Kgwt%molmol%

16、Kgwt%C3H8443.263.250.1484.88O2322120.320.67222.174.23.940.1344.43N2267976.432.21272.967.974.022.21272.96CO24410.089.450.44414.63H2O1813.4412.590.2427.98總計(jì)103.361003.032100.01106.721003.032100.從計(jì)算結(jié)果知，每產(chǎn)生106.72mol的煙道氣需參與100mol空氣，所以產(chǎn)生100mol煙道氣需求參與的空氣量是： 100100106.7293.7mol.例： 在鼓泡反響器中進(jìn)展苯的氯化反響消費(fèi)氯苯，主反響為：

17、C6H6Cl2C6H5ClHCl 同時(shí)有副反響發(fā)生，生成二氯苯和三氯苯，反響如下： C6H62Cl2C6H4Cl22HCl C6H63Cl2C6H3Cl33HCl 知鼓泡反響器的產(chǎn)品中，主、副反響產(chǎn)物和未反響的苯的分量比為: 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)反響的選擇性；(4)反響生成的氯化氫總量；(5)反響耗費(fèi)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1.6k

18、g，需求參與反響器的苯(100)的量計(jì)算如下：生成氯苯耗費(fèi)苯： 生成二氯苯耗費(fèi)苯：生成三氯苯耗費(fèi)苯：未反響的苯200kg，因此需求參與的苯的總量為：69.334.2450.688200274.3kg1苯的轉(zhuǎn)化率苯的轉(zhuǎn)化量69.33十4.245十0.68874.3kg,苯的參與量274.3kg所以 苯的轉(zhuǎn)化率X74.3274.30.27092氯苯的收率Y 3反響的選擇性S 4反響生成的氯化氫總量 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： 因此，生成的氯化氫總量為： 32.43.970.96637.35kg(5)反響耗費(fèi)的氯氣總量生成氯苯耗費(fèi)氯氣

19、：生成二氯苯耗費(fèi)氯氣：生成三氯苯耗費(fèi)氯氣：因此，反響耗費(fèi)的氯氣總量為： 63.117.7281.87872.72kg2元素平衡法原子衡算法方法：由于反響前后的物質(zhì)雖然分子構(gòu)造不同，但都是由一樣元素組成的。所以反響前后各元素原子的量是守衡的，然后依每個(gè)分子構(gòu)造經(jīng)過(guò)相應(yīng)元素的量原子數(shù)的比值計(jì)算出各個(gè)未知的詳細(xì)量。適用范圍： 反響過(guò)于復(fù)雜，即反響式明確但較多，包含有平行、連串等反響時(shí)； 反響式不太明確，無(wú)法寫(xiě)出時(shí)。.例 合成氣組成為0.4%CH4、52.8%H2、38.3%CO、5.5%CO2、0.1%O2和2.9%N2體積百分?jǐn)?shù)。假設(shè)用10%過(guò)量空氣熄滅，設(shè)熄滅氣中不含CO，試計(jì)算熄滅氣組成。解法

20、 用原子衡算法求解。畫(huà)出表示圖。 . H：0.4%10004+52.8%10002 = 1072 mol2CC：0.4%1000+38.3%1000+5.5%1000 = 442 molBO：38.3%1000+5.5%10002+0.1% 100020.21A2= 2BC2D N：2.9%100020.79A2= 2E 對(duì)O2作物料衡算，輸入量+產(chǎn)生量=輸出量+耗費(fèi)量0.21A+0.1%1000D+0.1%1000+0.21A/1.1解之得：A2422.4mol， B442 mol， C=536 mol， D46.3 mol， E1943 mol 基準(zhǔn)：1000 mol合成氣。其中各原子的量

21、為：0.4%CH4、52.8%H2、38.3%CO、5.5%CO2、0.1%O2、2.9%N2.物料分子量輸入輸出molmol%Kgwt%molmol%Kgwt%H2252815.421.0561.24CH41640.120.0640.08CO2838311.1910.72412.62CO244551.612.4202.8544214.919.44822.88O232508.8+114.8916.31419.2046.21.561.4821.74N22829+191456.7754.40464.02194365.4854.40464.02H2O1853618.069.64811.35總計(jì)342

22、2.810084.982100.012967.310084.98299.99.例： 丙烷充分熄滅時(shí)要使空氣過(guò)量25,熄滅反響方程式為： C3H85O2CO24H2O求每100mol熄滅產(chǎn)物(煙道氣)需求參與多少丙烷和空氣。解：以l00mol煙道氣作基準(zhǔn)進(jìn)展物料衡算作C原子平衡得：3BP作H原子平衡得：8B2Q作O原子平衡得：0.21 A22PQ2M作N平衡得：0.79A2N2由以l00mol煙道氣作基準(zhǔn)得： P+Q+M+N100作O2平衡得：0.21 A0.251.25M 解上述方程組得： A93.76mol，B3.148 mol， 因此，100mol煙道氣需求參與空氣93.76mol，參與丙

23、烷3.148mol。3以化學(xué)平衡進(jìn)展衡算 化學(xué)反響中，當(dāng)正反響與逆反響的反響速率相等時(shí)，即到達(dá)化學(xué)平衡，在定T、定P，且反響物的濃度不變時(shí)，平衡將堅(jiān)持穩(wěn)定，此時(shí)需借助化學(xué)反響平衡常數(shù)與濃度之間的關(guān)系式計(jì)算。.例 試計(jì)算合成甲醇過(guò)程中反響混合物的平衡組成。設(shè)原料氣中H2與CO摩爾比為4.5，惰性組分含量為13.8%，壓力為30MPa，溫度為365，平衡常數(shù)Kp=2.50510-3 MPa-2。解：分析：由Kp可看出，此題是當(dāng)作理想氣體混合物進(jìn)展簡(jiǎn)化計(jì)算的。依題意求yi，需求出反響后的ni和n，因發(fā)生化學(xué)反響，應(yīng)對(duì)每個(gè)組分進(jìn)展物料衡算，方可確定。.化學(xué)反響式：CO+2H2 CH3OH 首先計(jì)算出原

24、料氣的摩爾組成：含惰性組分13.8%，(H2+CO)為113.8%=86.2%，需分別求出H2和CO的組成含量。 原料氣中H2與CO摩爾比為4.5H2 4.5/(1+4.5)86.2%=70.53% ；CO (1/5.5)86.2%=15.67% 惰性氣體 13.8% ； 基準(zhǔn)：1 mol原料氣，平衡轉(zhuǎn)化率為XCO。.CO + 2H2 CH3OH平衡時(shí)n/mol ： 0.1567 (1-xCO) 0.7053-20.1567xCO 0.1567xCO開(kāi)場(chǎng)n/mol ： 0.1567 0.7053轉(zhuǎn)化量n/mol ： 0.1567xCO 20.1567xCO惰性氣體：0. 試差得 XCO =0.

25、4876 .平衡時(shí)組成：CO： 0.1567(1-0.4876)=0.0803 molH2： 0.705320.15670.4876=0.5525 molCH3OH： 0.15670.4876 =0.0764 mol惰性氣體0. mol =10.31340.4876=0.8472 mol摩爾組成： . 假設(shè)某產(chǎn)物P的收率知，根據(jù)收率的定義式，便可求出一定產(chǎn)量下的加料量。 例如有一連串反響，其計(jì)量關(guān)系為APQ，知P的摩爾收率Yp0.8，P的產(chǎn)量為100kmolh，根據(jù)收率的定義式有：因此，A的加料量100/0.8125(kmol/h)(4) 根據(jù)收率數(shù)據(jù)作物料衡算.例：乙烯氧化制環(huán)氧乙烷的反響器

26、中進(jìn)展如下反響： 反響器進(jìn)口混合氣體的流量為45000m3(STP)/h，組成如下： 乙烯的轉(zhuǎn)化率為32，反響選擇性為69，求反響器出口氣體的組成和流量。.轉(zhuǎn)化率 收率 選擇性 YSX.解：環(huán)氧乙烷的收率0.320.690.2208 CO2的收率0.32(10.69)0.0992 因此，反響器出口氣體各組分的流量為：乙烯 環(huán)氧乙烷 CO2 .H2ON2 O2反響器的物料平衡表如下： .5具有循環(huán)和旁路過(guò)程的物料衡算 在化工消費(fèi)中，由于遭到化學(xué)平衡、相平衡以及反響速度等多種要素的限制，原料往往不能完全轉(zhuǎn)比為產(chǎn)品，為了提高原料利用率，添加產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)效益，可采取循環(huán)操作。 循環(huán)操作就是把反響后得到的

27、產(chǎn)品，經(jīng)全部分離或部分分別后，將其剩余的物料重新前往系統(tǒng)，與新穎原料混合繼續(xù)進(jìn)展加工。.循環(huán)流程的優(yōu)點(diǎn)：可以顯著地提高原料利用率，減少系統(tǒng)排放量，降低了原料耗費(fèi)，也減少了對(duì)環(huán)境的污染。循環(huán)流程的缺陷：循環(huán)體系中惰性物質(zhì)和其他雜質(zhì)會(huì)逐漸積累，對(duì)反響速率和產(chǎn)品產(chǎn)率有影響，必需定期排出這些物質(zhì)以防止積累。另外，大量循環(huán)物料的保送會(huì)耗費(fèi)較多動(dòng)力，所以對(duì)于那些反響后絕大部分原料均轉(zhuǎn)化為目的產(chǎn)物的過(guò)程，不用采用循環(huán)流程。.通?？刹捎靡韵聝煞N算法：試差法需多次計(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)值與計(jì)算值比較，重新假定估計(jì)值，不斷計(jì)算到估計(jì)值與計(jì)算值之差在一定的誤差范圍內(nèi)。代數(shù)解法 列出物料平

28、衡方程式，并求解。普通方程式中以循環(huán)量為未知數(shù)，用聯(lián)立方程式的方法求解。 詳細(xì)做法：普通在衡算時(shí)，先進(jìn)展總的過(guò)程衡算，再對(duì)循環(huán)系統(tǒng)列出方程式求解。 在沒(méi)有循環(huán)時(shí)，一系列單元步驟的物料平衡可按順序依次進(jìn)展。 但是假設(shè)有循環(huán)物料時(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。 .例題：在銀催化劑作用下，乙烯可被空氣氧化成環(huán)氧乙烷C2H4O，副反響是乙烯完全氧化生成CO2和H2O。知分開(kāi)氧化反響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)。 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

29、，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，其他循環(huán)回氧化反響器。計(jì)算1乙烯的單程轉(zhuǎn)化率；2生成環(huán)氧乙烷的選擇性；3循環(huán)比；4新穎原料中乙烯和空氣量之比。 . 解：對(duì)標(biāo)題進(jìn)展初步分析，分析與計(jì)算同步進(jìn)展： 此題因有循環(huán)，采用代數(shù)解法。 由轉(zhuǎn)化率和選擇性的概念可知，需計(jì)算反響過(guò)程中的變化量，即需求進(jìn)展物料衡算才干得知。 由題給條件分開(kāi)反響器的氣體干基組成，可選定計(jì)算基準(zhǔn)為反響器出口氣中100 mol干氣。 由題意畫(huà)出流程方框圖，選定各物料未知量符號(hào)，并根據(jù)題意標(biāo)明各組分量。 由于有兩個(gè)反響式，組分也較多，所以采用原子衡算法計(jì)算。.該過(guò)程的流程方框圖如下：計(jì)算基準(zhǔn)：反響器出口氣中100

30、 mol干氣。令新穎原料氣FF中C2H4量為Xmol，空氣為Ymol含79% N2和21%O2；排放氣為Wmol；乙烯完全氧化生成的水量為Zmol。Fresh fluidMix fluidproductRecycle feedReaction product Separate productwaste.C2H4 XmolO2N2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 CO2

31、C2H4+0.5O2C2H4OC2H4+3O22CO2+2H2O基準(zhǔn)：100 mol干氣. 1確定反響產(chǎn)物經(jīng)分別后的各部分的量。分析：由流程方框圖可知，物流RP分別成P和SP，SP分流為RC和W，該兩過(guò)程均無(wú)化學(xué)反響，且SP、RC和W三者的組成一樣。 那么各部分的量：SP=RPP；RC=SPW又環(huán)氧乙烷和水蒸氣全部溶解于水中， 那么 P=1000.83%+Z 。 2確定進(jìn)入反響器的混合物料量。分析：進(jìn)反響器的氣體MF由新穎原料氣FF和循環(huán)氣RC組成，混合過(guò)程無(wú)化學(xué)反響，那么MF=FF+RC。.RP、P、SP、W中各組分物質(zhì)的量和組成表 物料RP（出反應(yīng)器氣）P（產(chǎn)物）SP（出吸收塔氣）W（排放

32、氣）mol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 W80.30C2H4O0.830.830.83CO25.55.55.55.550.0555 W5.55H2OZZ總計(jì)100+Z1000.83+Z99.17100W100.RC、FF和MF中各組分物質(zhì)的量和組成表 物料RC（循環(huán)氣=SP-W）FF（新鮮原料氣）MF（混合原料氣）molmol%molmol%mol%C2H43.22-0.0325W3.25X3.22-0.0325W+XO210.81-0.109W10.900.21Y2110.81-0.109W+0.21YN279.64-0.803W80.300.79Y7979.64-0.803W+0.79YC2H4OCO25.5-0.0555W5.555.5-0.0555WH2O總計(jì)99.17-W100X+Y100X+Y +99.17-W.3作總系統(tǒng)物料衡算，求出詳細(xì)的量。 重新穎原料氣開(kāi)場(chǎng)，到以產(chǎn)物和排放氣的方式分開(kāi)系統(tǒng)為止，因吸收劑水的輸入和輸出的量不變，可不思索，那么總系統(tǒng)衡算圖為：.用原子衡算法計(jì)算： FF中某元素的原