第三章物料衡算和能量衡算-1(物料).ppt

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、 化工過程 所謂化工過程，是指由原料經(jīng)化學(xué)處理和物理處理加工成化學(xué)產(chǎn)品或中間產(chǎn)品的生產(chǎn)過程。 它包括許多工序，每個工序又由若干個或若干組設(shè)備（如反應(yīng)器、蒸餾塔、吸收塔、干燥塔，分離器、換熱器及輸送設(shè)備等等）組合而成。 物料通過各設(shè)備時，完成某種化學(xué)或物理處理，最終成為合格的產(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，有一些具有共性的物理操作，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)，這類操作被稱為單元操作，如流體輸送、傳熱、

2、蒸餾、干燥、蒸發(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。 化工過程就是由反應(yīng)過程和若干個單元操作組合而成的一個系統(tǒng)。,化工過程的類型,根據(jù)其操作方式分 間歇操作 原料一次加入過程產(chǎn)品一次排出 連續(xù)操作 原料連續(xù)加入過程產(chǎn)品連續(xù)排出 半連續(xù)操作 原料一次加入過程產(chǎn)品連續(xù)排出 或原料連續(xù)加入過程產(chǎn)品一次排出 根據(jù)操作狀態(tài)分 穩(wěn)定狀態(tài)操作（定態(tài)操作）過程參數(shù)=f(x、y、z) 不穩(wěn)定狀態(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),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

3、量。 一）溫度 表示物體冷熱程度的物理量。溫標(biāo)。 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“開爾文”，英文是“Kelvin”簡稱“開”，國際代號“K”。開爾文是為了紀(jì)念英國物理學(xué)家Lord Kelvin而命名的。 以絕對零度（0K）為最低溫度，規(guī)定水的三相點(diǎn)的溫度為 273.16K， 開定義為水三相點(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 ；健康人的血液溫度：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 與開氏溫標(biāo)

4、相似，也是以最低理論溫度為0度的一種絕對溫標(biāo)。 其0度為-459.67（-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)中的應(yīng)用,本 章要求,掌握非反應(yīng)過程的物料衡算及反應(yīng)過程的物料衡算； 掌握裝置的物料衡算； 掌握以反應(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。 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、能量衡算是所有設(shè)計(jì)計(jì)算的基礎(chǔ)，是反應(yīng)器和設(shè)備設(shè)計(jì)的根據(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)一個生產(chǎn)系統(tǒng)，或者計(jì)算某個單元操作及設(shè)備時

5、，首先必須作物料、能量衡算。,物料、能量衡算的目的和內(nèi)容,在于定量研究生產(chǎn)過程，為過程設(shè)計(jì)和操作最佳化提供依據(jù)。 對過程中的各個設(shè)備和工序，逐個計(jì)算各物料的流量、組成及熱流量和溫度，定量地表示所研究的對象。,物料、能量衡算的意義,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)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。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各物料的計(jì)量、分析測定數(shù)據(jù)是否正確；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，可以檢查出生產(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

6、算是傳統(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)過程中的某些未知量或操作條件。,3.1 物料衡算,物料衡算運(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。,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；, 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,消耗定額。, 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),計(jì)等方面提供依據(jù)。,一、物料衡算依據(jù),1. 理論依據(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 化工過程的物料衡算化工過程設(shè)計(jì)的前提,物

7、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 對穩(wěn)定操作過程，積累量=0 輸入量-輸出量+生成量-消耗量=0 對無化學(xué)反應(yīng)的過程： 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：輸入量輸出量,對有化學(xué)反應(yīng)的過程：總物料衡算+元素衡算式,2. 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。,(2) 建設(shè)單位或研究單位的要求、設(shè)計(jì)參數(shù)、小試及中試數(shù)據(jù)：, 化工單元過程的化學(xué)反應(yīng)式、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；, 原料及產(chǎn)品的分離方式，分離劑的用量，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

8、藝流程示意圖。,二、物料衡算基準(zhǔn), 物料衡算時須選擇計(jì)算基準(zhǔn)，并在計(jì)算過程中保持一致。, 一般計(jì)算過程的基準(zhǔn)有以下幾種：,(1) 時間基準(zhǔn)對連續(xù)生產(chǎn)過程，常以單位時間(如d、h、s）的投料,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生產(chǎn)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，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。,(4) 物質(zhì)的量基準(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,的，用物質(zhì)的量基準(zhǔn)更方便。,(5) 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T、p的影響，又可直接換算為摩爾。,(6) 干濕基準(zhǔn)：由于物料

9、中均含有一定量的水分，選用基準(zhǔn)時就有算不,算水分的問題。濕基計(jì)算水分，干基不計(jì)算水分。 實(shí)際計(jì)算時，必須根據(jù)具體情況選擇合適的基準(zhǔn)，過程的物料衡,算及能量衡算應(yīng)在同一基準(zhǔn)上進(jìn)行。,三、物料衡算的基本程序,(1) 確定衡算對象和范圍，畫出計(jì)算對象的草圖。注意物料種類和走,向，明確輸入和輸出。,(2) 確定計(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,方法簡化。,(3) 確定過程所涉及的組分，并對所有組分依次編號。,(4) 對物流的流股進(jìn)行編號，并標(biāo)注物流變量。,(5) 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,數(shù)）： 生產(chǎn)規(guī)模（設(shè)計(jì)任務(wù)所規(guī)定，t/年）和生產(chǎn)時間（指全

10、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)指標(biāo)，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。,原輔材料、產(chǎn)品、中間產(chǎn)品的規(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 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，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。,(7) 選擇計(jì)算基準(zhǔn)；,(8) 統(tǒng)計(jì)變量個數(shù)與方程個數(shù)，確定設(shè)計(jì)變量個數(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,物流表。,(10) 繪制物

11、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。,識別問題的類型,繪制工藝過程示意圖,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,列出物料衡算表,。,化工過程的主要效率指標(biāo),生產(chǎn)能力和生產(chǎn)強(qiáng)度 生產(chǎn)能力指一個設(shè)備、一套裝置或一個工廠在 單位時間內(nèi)生產(chǎn)的產(chǎn)品量，或在單位時間內(nèi)處理 的原料量。 設(shè)計(jì)能力設(shè)備或裝置在最佳條件下可以達(dá)到的最大生產(chǎn)能力。,即設(shè)備的單位體積的生產(chǎn)能力，或單位面積的生產(chǎn)能力。,生產(chǎn)強(qiáng)度為設(shè)備的單位特征幾何量的生產(chǎn)能力。,此指標(biāo)主要用于比較那些相同反應(yīng)過程或物理加工過程的設(shè)備或裝置的優(yōu)劣。,有效生產(chǎn)周期： 開工因子通常在0.9左右，開工因子大意味著停工檢修帶來

12、的損失小，即設(shè)備先進(jìn)可靠，催化劑壽命長。,（1）轉(zhuǎn)化率 （2-13） 關(guān)鍵反應(yīng)物反應(yīng)物中價值最高的組分，為使其盡可能轉(zhuǎn)化，常使其他反應(yīng)組分過量。 不可逆反應(yīng)，關(guān)鍵組分的轉(zhuǎn)化率最大為100%。 可逆反應(yīng)，關(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,對循環(huán)過程而言，有單程轉(zhuǎn)化率和全程轉(zhuǎn)化率。,新鮮原料,反應(yīng)系統(tǒng),分離系統(tǒng),產(chǎn)品,循環(huán)物流,循環(huán)機(jī)械,圖 帶有物料循環(huán)的流程示意圖,排放,（2）選擇性 是指體系中轉(zhuǎn)化成目的產(chǎn)物的某反應(yīng)物的量與參加所有反應(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，選擇性表達(dá)了主、副反應(yīng)進(jìn)行程度的相對大小，能確切反映原料的利用是否合理。 選擇性,或 注意： 式

13、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)物全部轉(zhuǎn)變成目的產(chǎn)物。,（3）收率（產(chǎn)率） 對同一反應(yīng)物，Y=SX。 無副反應(yīng)的體系，S=1，Y=X，收率=轉(zhuǎn)化率； 有副反應(yīng)的體系，S1， 目標(biāo)是使目的產(chǎn)物的收率最高，不單純追求高轉(zhuǎn)化率或高選擇性。,單程收率 總收率,對循環(huán)過程而言，有單程收率和總收率之分。,（4）質(zhì)量收率 指投入單位質(zhì)量的某原料所能生產(chǎn)的目的產(chǎn)物的質(zhì)量。,3.2 反應(yīng)過程物料衡算,（1）直接計(jì)算法 主要是根據(jù)化學(xué)反應(yīng)方程式，運(yùn)用化學(xué)計(jì)量系數(shù)進(jìn)行計(jì)算的方法，可使計(jì)算較為方便。 適用范圍：反應(yīng)較簡單，反應(yīng)式可明確寫出時。 為使反應(yīng)易于進(jìn)行，常采用使某一物質(zhì)過量，

14、但應(yīng)特別注意，過量百分比是基于限制反應(yīng)物100%的轉(zhuǎn)化，而不論真實(shí)反應(yīng)是否完全或不完全。,在燃燒過程中，通常采用過量空氣，即實(shí)際供給的空氣量超過使燃料中可燃物完全燃燒所需的理論空氣量，多余的空氣，即為“過量空氣”。一般燃燒器，空氣過量為5-20%。 燃?xì)饣驘煹罋?經(jīng)過燃燒過程所產(chǎn)生的氣體，包括其所含的水蒸氣的稱為濕氣，不包括水蒸氣在內(nèi)的稱為干氣。 理論空氣量或理論氧氣量 使過程內(nèi)的物質(zhì)完全燃燒所需的空氣（或氧氣）量，有時也稱為空氣需要量或氧氣需要量。,過量空氣或過量氧氣 使過程內(nèi)的物質(zhì)完全燃燒，超過所需的空氣（或氧氣）量。 注意：在部分燃燒反應(yīng)中，例如C燃燒成CO與CO2，在計(jì)算過量空氣（氧氣

15、）時，均以C完全燃燒成CO2的空氣量（氧氣量）為基準(zhǔn)來計(jì)算的。 過量空氣百分?jǐn)?shù)與過量氧氣百分?jǐn)?shù)相同，其定義為：,氧氣進(jìn)料量=完全燃燒所需的氧氣量+過量氧氣量 注意 若過量空氣百分?jǐn)?shù)100%，則過量空氣的含義是包括理論需要空氣量和超過部分的量的總和。,例 丙烷充分燃燒時，要供入空氣量125%，反應(yīng)式為：C3H8+5O2 3CO2+4H2O，問每產(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）。 反應(yīng)式： C3H8+5O2 3CO2 + 4H2O 轉(zhuǎn)化量： 100 X Y Z X = 500mol Y = 300mol Z = 400

16、mol 由于空氣中氧氣和氮?dú)獾哪柋葹椋?O2N2 = 2179 理論空氣量=500/0.21=2380.9mol,則實(shí)際空氣量=過量空氣%理論空氣量=125%2380=2976 mol 反應(yīng)前： 反應(yīng)后： 氮?dú)獠粎⒓臃磻?yīng)，仍為2351 mol。,物料衡算結(jié)果一覽表1 從上表中可看出，反應(yīng)前后，各組分的摩爾數(shù)和質(zhì)量數(shù)都不相等。 總摩爾數(shù)也不相等，物質(zhì)的總質(zhì)量數(shù)未變。,從計(jì)算結(jié)果可以看出，當(dāng)空氣加入量為2976mol時，可產(chǎn)生煙道氣3176mol，所以，每產(chǎn)生100mol煙道氣需加入的空氣量為： 1002976317693.7（mol）,解法 基準(zhǔn)：100 mol空氣 反應(yīng)前： 所含 =過量氧氣

17、量 由 過量氧氣量=過量空氣%需要氧氣量（也稱為理論需氧量） 理論氧氣量=過量氧氣量/過量空氣% =21/125%=16.8 mol 則根據(jù)化學(xué)反應(yīng)式C3H8+5O23CO2 +4H2O可以求得參加反應(yīng)的丙烷用量： 15 = M16.8 M=3.36 mol,反應(yīng)后： 氮?dú)獠粎⒓臃磻?yīng)，仍為79mol。,物料衡算結(jié)果一覽表2 從上表中可看出，仍然可以得出與表1相同的結(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。,從計(jì)算結(jié)果知，每產(chǎn)生106.72mol的煙道氣需加入100mol空氣，所以產(chǎn)生100mol煙道氣需要加入的空氣量是： 100100106.7293.7（mo

18、l）,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 同時有副反應(yīng)發(fā)生，生成二氯苯和三氯苯，反應(yīng)如下： C6H62Cl2C6H4Cl22HCl C6H63Cl2C6H3Cl33HCl 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

19、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，因此需要加入的苯的總量為：69.334.2450.688200274.3kg,（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,（4）反應(yīng)生成的氯化氫總量 生成氯苯時同時生成的氯化氫： 生成二氯苯時同時生成的氯化氫： 生成三氯苯時同時生成的氯化氫： 因此，

20、生成的氯化氫總量為： 32.43.970.96637.35kg,(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： 63.117.7281.87872.72kg,（2）元素平衡法（原子衡算法） 方法：因?yàn)榉磻?yīng)前后的物質(zhì)雖然分子結(jié)構(gòu)不同，但都是由相同元素組成的。所以反應(yīng)前后各元素原子的量是守衡的，然后依每個分子結(jié)構(gòu)通過相應(yīng)元素的量（原子數(shù)的比值）計(jì)算出各個未知的具體量。 適用范圍： 反應(yīng)過于復(fù)雜，即反應(yīng)式明確但較多，包含有平行、連串等反應(yīng)時； 反應(yīng)式不太明確，無法寫出時。,例 合成氣組成為0.4%CH4、52.8%H2、38.3

21、%CO、5.5%CO2、0.1%O2和2.9%N2（體積百分?jǐn)?shù)）。若用10%過量空氣燃燒，設(shè)燃燒氣中不含CO，試計(jì)算燃燒氣組成。 解法 用原子衡算法求解。畫出示意圖。,H：0.4%10004+52.8%10002 = 1072 mol2C C：0.4%1000+38.3%1000+5.5%1000 = 442 molB O：38.3%1000+5.5%10002+0.1% 100020.21A2= 2BC2D N：2.9%100020.79A2= 2E 對O2作物料衡算，輸入量+產(chǎn)生量=輸出量+消耗量 0.21A+0.1%1000D+0.1%1000+0.21A/1.1 解之得：A2422.4

22、mol， B442 mol， C=536 mol， D46.3 mol， E1943 mol,基準(zhǔn)：1000 mol合成氣。其中各原子的量為：,0.4%CH4、52.8%H2、38.3%CO、5.5%CO2、0.1%O2、2.9%N2,例： 丙烷充分燃燒時要使空氣過量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+N10

23、0 作O2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煙道氣需要加入 空氣93.76mol，加入丙烷3.148mol。,（3）以化學(xué)平衡進(jìn)行衡算 化學(xué)反應(yīng)中，當(dāng)正反應(yīng)與逆反應(yīng)的反應(yīng)速率相等時，即達(dá)到化學(xué)平衡，在定T、定P，且反應(yīng)物的濃度不變時，平衡將保持穩(wěn)定，此時需借助化學(xué)反應(yīng)平衡常數(shù)與濃度之間的關(guān)系式計(jì)算。,例 試計(jì)算合成甲醇過程中反應(yīng)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

24、出，此題是當(dāng)作理想氣體混合物進(jìn)行簡化計(jì)算的。依題意求yi，需求出反應(yīng)后的ni和n，因發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，應(yīng)對每個組分進(jìn)行物料衡算，方可確定。,化學(xué)反應(yīng)式：CO+2H2 CH3OH 首先計(jì)算出原料氣的摩爾組成： 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4.5 H2 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n/mol ： 0.1567 (1-xCO) 0.

25、7053-20.1567xCO 0.1567xCO,開始n/mol ： 0.1567 0.7053,轉(zhuǎn)化量n/mol ： 0.1567xCO 20.1567xCO,惰性氣體：0.138,試差得 XCO =0.4876,平衡時組成： CO： 0.1567(1-0.4876)=0.0803 mol H2： 0.705320.15670.4876=0.5525 mol CH3OH： 0.15670.4876 =0.0764 mol 惰性氣體0.138 mol =10.31340.4876=0.8472 mol 摩爾組成：,若某產(chǎn)物P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。 例如有一

26、連串反應(yīng)，其計(jì)量關(guān)系為APQ，已知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：,因而，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45000m3(STP)/h，組成如下： 乙烯的轉(zhuǎn)化率為32，反應(yīng)選擇性為69，求反應(yīng)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，反應(yīng)器出口氣體各組分的流量為： 乙烯 環(huán)氧乙烷 CO2,H2O N2 O2 反應(yīng)器的物料

27、平衡表如下：,（5）具有循環(huán)和旁路過程的物料衡算,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，可采取循環(huán)操作。 循環(huán)操作就是把反應(yīng)后得到的產(chǎn)品，經(jīng)全部分離或部分分離后，將其剩余的物料重新返回系統(tǒng)，與新鮮原料混合繼續(xù)進(jìn)行加工。,循環(huán)流程的優(yōu)點(diǎn)： 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。 循環(huán)流程的缺點(diǎn)： 循環(huán)體系中惰性物質(zhì)和其他雜質(zhì)會逐漸積累，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。 另外，大量循環(huán)物料的輸送會消耗較多動力，所以對于那些反應(yīng)后絕大

28、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。,通常可采用下列兩種算法： 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，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)。 代數(shù)解法 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。 具體做法：一般在衡算時，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。,在沒有循環(huán)時，一系列單元步驟的物料平衡可按順序依次進(jìn)行。 但是若有循環(huán)物料時，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），副反應(yīng)

29、是乙烯完全氧化生成CO2和H2O。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)）。 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，由吸收塔頂逸出后排放少量至系統(tǒng)外，其余循環(huán)回氧化反應(yīng)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）新鮮原料中乙烯和空氣量之比。,解：對題目進(jìn)行初步分析，分析與計(jì)算同步進(jìn)行： 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)算反應(yīng)過程中的變化量，即需要進(jìn)行物料衡算才能得知。 由

30、題給條件離開反應(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100 mol干氣。 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。 因?yàn)橛袃蓚€反應(yīng)式，組分也較多，所以采用原子衡算法計(jì)算。,該過程的流程方框圖如下： 計(jì)算基準(zhǔn)：反應(yīng)器出口氣中100 mol干氣。 令新鮮原料氣（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 fluid,Mix fluid,product,Recycle feed,Reaction product,Separate product,waste,C2H

31、4 Xmol,O2,N2,空氣 Ymol,Wmol,C2H4 3.22% N2 79.64% O2 10.81% C2H4O 0.83% CO2 5.5%,H2O Zmol,H2O Zmol C2H4O 0.83mol,C2H4 N2 O2 CO2,C2H4 N2 O2 CO2,C2H4 N2 O2 CO2,C2H4 N2 O2 CO2,C2H4+0.5O2C2H4O,C2H4+3O22CO2+2H2O,基準(zhǔn)：100 mol干氣,（1）確定反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)分離后的各部分的量。 分析：由流程方框圖可知，物流RP分離成P和SP，SP分流為RC和W，該兩過程均無化學(xué)反應(yīng)，且SP、RC和W三者的組成相同。

32、則各部分的量：SP=RPP；RC=SPW 又環(huán)氧乙烷和水蒸氣全部溶解于水中， 則 P=1000.83%+Z 。 （2）確定進(jìn)入反應(yīng)器的混合物料量。 分析：進(jìn)反應(yīng)器的氣體MF由新鮮原料氣FF和循環(huán)氣RC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,RC、FF和MF中各組分物質(zhì)的量和組成表,（3）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：,用原子衡算法計(jì)算： FF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（mol） +W中該元素的原子總的物質(zhì)的量（mol） C：2X=（0.832）+