化工計(jì)算物料衡算

化工計(jì)算物料衡算第1頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一一、化工計(jì)算的分類設(shè)計(jì)型計(jì)算(事前設(shè)計(jì)化工廠)校核型計(jì)算(對(duì)工廠現(xiàn)有的生產(chǎn)裝置進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)而對(duì)生產(chǎn)情況進(jìn)行分析、整改)第2頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一1.化工過程的分類（一）間歇操作一次性投料、出料，濃度隨時(shí)間的變化而變化半連續(xù)操作一次性投料，連續(xù)出料連續(xù)性進(jìn)料，一次性出料一組分一次性投料，其他連續(xù)進(jìn)料，一次性出料連續(xù)操作連續(xù)性進(jìn)料，連續(xù)性出料，濃度不隨時(shí)間的變化而變化，只隨空間位置的變化而變化第3頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一2.化工過程的分類（二）穩(wěn)態(tài)操作操作條件不隨時(shí)間的變化而變化，只隨位置的變化而變化（正常的連續(xù)操作過程）不穩(wěn)態(tài)操作操作條件隨時(shí)間的變化而不斷變化開車、停車、間歇操作，半連續(xù)操作第4頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一二、物料衡算的基本方程基本依據(jù)質(zhì)量守恒定律（不包括核反應(yīng)）基本方程進(jìn)入的Fi+生成的Dp=流出的Fo+反應(yīng)的Dr+積累的W適用范圍所有流程都適用總物料適用某一組分適用第5頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一具體過程的物料衡算穩(wěn)態(tài)過程W=0無反應(yīng)過程Dp=Dr=0穩(wěn)態(tài)無反應(yīng)過程Fi=Fo穩(wěn)態(tài)有反應(yīng)過程Fi+Dp=Fo+Dr第6頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一三、基本計(jì)算過程畫簡(jiǎn)圖標(biāo)參數(shù)定基準(zhǔn)和范圍（體系）寫化學(xué)反應(yīng)方程式列衡算式列圖表第7頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一四、無反應(yīng)過程的物料衡算單個(gè)單元的物料衡算n個(gè)組分，可以列n+1個(gè)方程但最多只能求解n個(gè)未知數(shù)M個(gè)單元的物料衡算n個(gè)組分，最多只有m*n個(gè)獨(dú)立方程選擇恰當(dāng)?shù)暮馑泱w系可以簡(jiǎn)化計(jì)算過程第8頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一五、化學(xué)反應(yīng)過程的計(jì)算限制反應(yīng)物過量反應(yīng)物過量百分?jǐn)?shù)轉(zhuǎn)化率x選擇性S收率YY=Sx第9頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一1.分類完全反應(yīng)(x=100%)Y=S(直接求解)非完全反應(yīng)(x≠100%)反應(yīng)不徹底(直接求解)有反應(yīng)平衡(迭代求解)第10頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一2.循環(huán)過程的物料衡算單程轉(zhuǎn)化率總轉(zhuǎn)化率惰性組分的積累及馳放器輸入惰性組分的量=輸出惰性組分的量第11頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一無反應(yīng)過程的基本公式穩(wěn)態(tài)無反應(yīng)過程Fi=Fo第12頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一例題有一個(gè)蒸餾塔，輸入輸出物料組成見下圖，塔頂A組分的回收率為98.7%，請(qǐng)對(duì)此塔作物料衡算。蒸餾塔冷凝器F=100kg/hA0.2B0.3C0.5Pkg/hAxByC1-x-yWkg/hA0.005B0.055C0.94第13頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一物料衡算方程AF*0.2=P*x+W*0.05BF*0.3=P*y+W*0.055CF*0.5=P*(1-x-y)+W*0.94另外的已知條件P*x=F*0.2*98.7%第14頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一完全反應(yīng)過程的物料衡算穩(wěn)態(tài)有反應(yīng)過程Fi+Dp=Fo+Dr非完全反應(yīng)(x≠100%)反應(yīng)不徹底(直接求解)第15頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一例題用鄰二甲苯氧化法生產(chǎn)鄰苯二甲酸酐(苯酐)，輸入輸出物料組成見下圖，計(jì)算鄰二甲苯的轉(zhuǎn)化率、產(chǎn)品的收率及選擇性。反應(yīng)過程鄰二甲苯210kg/h空氣4620Hm3/h氧氣0.21(mol/mol)氮?dú)?.79(mol/mol）P苯酐0.654%（mol）順酐0.066%氧氣16.53%氮?dú)?7.5%第16頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一寫化學(xué)反應(yīng)方程式第17頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一選基準(zhǔn)鄰二甲苯210kg/h鄰二甲苯苯酐順酐分子量10614898第18頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一物料衡算輸入氧氣量210kg/h鄰二甲苯完全氧化所需的氧氣第19頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一輸入氮?dú)獾牧糠磻?yīng)產(chǎn)物的總量第20頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一產(chǎn)物中鄰二甲苯209.57×0.0003=0.06287kmol/h=6.664kg/h苯酐209.57×0.0654=1.370kmol/h=202.76kg/h順酐209.57×0.00066=0.1383kmol/h=13.55kg/h第21頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一收率(mol)苯酐順酐第22頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一苯酐的選擇性第23頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一有反應(yīng)平衡過程的物料衡算物料衡算方程為非線性方程（迭代求解）第24頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一例題甲烷與水蒸氣用鎳催化劑進(jìn)行轉(zhuǎn)化反應(yīng)生產(chǎn)氫氣。轉(zhuǎn)化過程的主要反應(yīng)為甲烷轉(zhuǎn)化反應(yīng)和一氧化碳變換反應(yīng)，即：CH4+H2OCO+3H2CO+H2OCO2+H2

已知水蒸汽與甲烷之比為2.5，溫度為760℃，壓力為5大氣壓。假定上述反應(yīng)達(dá)到平衡．求產(chǎn)物的平衡組成。第25頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一流程圖反應(yīng)過程CH41molH2O2.5molH2OWmolCH4

MmolCOxmolCO2

ymolH2

zmol第26頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一物料平衡方程元素衡算H:2+2.5=W+2M+zC:1=M+x+yO:2.5=W+x+2y第27頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一反應(yīng)平衡方程第28頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一各組分的分壓第29頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一整理得到第30頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一循環(huán)過程的物料衡算單程轉(zhuǎn)化率總轉(zhuǎn)化率惰性組分的積累及馳放器輸入惰性組分的量=輸出惰性組分的量第31頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一例題丙烷在催化反應(yīng)器中脫氫生成丙烯，其反應(yīng)式為：C3H8C3H6+H2

丙烷的總轉(zhuǎn)化率為95％。反應(yīng)生成物經(jīng)分離器分成產(chǎn)物P和循環(huán)物料R。產(chǎn)物中含有C3H8

、C3H6及H2，其中C3H8的量為未反應(yīng)C3H8的0.555％。循環(huán)物料中含有C3H8和C3H6

，其中C3H6量是產(chǎn)物中C3H6量的5％。試計(jì)算產(chǎn)品組成、循環(huán)物料組成和單程轉(zhuǎn)化率。第32頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一流程圖C3H8100kmol/hMFC3H8N1kmol/hC3H6N2kmol/h反應(yīng)器分離器RPC3H8Q1kmol/hC3H6Q2kmol/hH2Q3kmol/hC3H8P1kmol/hC3H6P2kmol/hH2P3kmol/hPRC3H8R1kmol/hC3H6R2kmol/h第33頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一物料衡算過程物料衡算P1=5kmol/hP2=95kmol/hP3=95kmol/h第34頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一產(chǎn)品組成第35頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一分離器物料衡算C3H8：Q1=P1+R1

0.555%Q1=P1