化工物料衡算.ppt

第四章 物料衡算,本章要求：掌握物料衡算的原理掌握物料衡算的基本步骤掌握物料衡算的基本方法主要内容：物料衡算的理论依据化工过程的类型 物料衡算式 物料衡算的基本方法无化学反应过程的物料衡算 化学反应过程的物料衡算,前 言,一、物料衡算的理论依据物料衡算的理论依据是质量守恒定律，即在一个孤立物系中，不论物质发生任何变化，它的质量始终不变（不包括核反应，因为核反应能量变化非常大，此定律不适用）。二、物料衡算的意义1物料衡算必定是针对特定的衡算体系的，它主要研究在某一个体系内进、出物料量及组成的变化。通过物料衡算可以知道原料、产品、副产品及中间产品之间量的关系，从而计算出原料的转化率、产品的收率、物料损失情况及原料的消耗定额。2通过物料衡算得到的数据是设计或选择设备类型、台数和尺寸的依据，以便对设备作进一步的计算。3对新建车间、工段或装置的生产工艺指标进行预估，对化工过程和设备进行设计。,第一节 物料衡算式,一、化工过程的类型1化工过程根据其操作方式可以分成连续操作、间歇操作以及间歇连续操作（半间歇或半连续操作）三类。2化工过程按物系是否稳定，可分为稳定状态操作和非稳定状态操作。本章主要是以稳定状态操作过程为主介绍物料衡算的有关方法，对不稳定状态操作过程只作简要的介绍。二、物料衡算式对任何一个体系，物料平衡关系式可表示为：输入的物料量输出的物料量反应消耗的物料量反应生成的物料量=积累的物料量,第一节 物料衡算式,1、稳定操作状态稳定操作时，积累的物料量=0（1）有化学反应，此时物料平衡关系式为：输入的物料量输出的物料量反应消耗的物料量反应生成的物料量=0（2）无化学反应，反应消耗和生成的物料量为零，此时物料平衡关系式为：输入的物料量输出的物料量=0 2非稳定操作状态非稳定操作时，积累的物料量不为零（1）有化学反应输入的物料量输出的物料量反应消耗的物料量+反应生成的物料量=积累的物料量即为通式。（2）无化学反应 输入的物料量输出的物料量=积累的物料量,一、物料衡算的范围 进行物料衡算时，必须首先确定衡算的体系。所谓体系就是物料衡算的范围，它可以是一个设备或几个设备，也可以是一个单元操作或整个化工过程，可以根据实际需要人为地选定，体系的确定以能简化解题为原则。二、物料衡算的基本步骤 进行物料衡算时，尤其是那些设备和过程较多的复杂体系的物料衡算，应按照一定的计算步骤来进行。,第二节 物料衡算的基本方法,1收集、整理计算数据（1）设计任务数据 生产规模 根据设计任务、生产能力来确定。生产时间 即年工作时数（操作时间），一般为7200-8000小时左右。有关工艺技术经济指标 即原料的消耗定额、转化率、收率、选择性（或产率）等。（2）物性数据 如摩尔质量、密度、浓度、反应平衡常数、相平衡常数等，可以在有关资料、手册、数据汇编等处查找。查找时应注意资料的可靠性，尽可能找原始资料并注意数据的适用范围。所收集的数据应统一使用国际单位制。（3）工艺参数 如温度、压力、流量、原料配比、停留时间等。,第二节 物料衡算的基本方法,第二节 物料衡算的基本方法,2画出物料流程简图画物料流程图的方法 a.用简单的方框表示过程中的设备，方框中标明过程的特点或设备的名称；b.用带箭头的线条表示每股物流的途径和流向,第二节 物料衡算的基本方法,在图中，应表示出所有物料线，并注明所有已知和未知变量。如果过程中有很多股物流，则可将每股物流进行编号，以避免出错。,举例4-1：含CH485%和C2H615%（摩尔分数）的天然气与空气在混合器中混合。得到的混合气体含CH410%。试计算100mol天然气应加入的空气量及得到的混合气量。所画的物料流程简图如下图所示：混合过程的物料流程图,第二节 物料衡算的基本方法,3确定衡算体系 根据衡算对象的情况，用框图形式画出物料流程简图后，必要时可在流程图中用虚线表示体系的边界，从虚线与物料流股的交点可以很方便地知道进出体系的物料流股有多少。4确定求解步骤 当物料衡算过程较复杂，包含有很多设备时，合理选择衡算体系对解题是很有帮助的，特别是第一个衡算体系的确定，往往是解题的突破口，解决问题之关键，这时原则上应选择已知条件最多、物料组分最多、未知变量最少的体系作为第一个衡算系统，这些条件有时不一定能同时满足，可视具体情况进行取舍。如果再不能确定衡算体系，需列表进行自由度分析，检查给定的数据条件与求解的变量数目是否相符，确定求解的步骤。,第二节 物料衡算的基本方法,5选择合适的计算基准，并在流程图上注明所选的基准值。计算基准即作物料衡算时先确定的某一股物料的量。在物料、能量衡算中，计算基准的选取至关重要，从原则上说选择任何一种计算基准，都能得到正确的解答。在一般化工计算中，根据过程的特点选择计算基准大致可以从以下几个方面考虑：（1）时间基准（2）质量基准（3）物质的量基准（4）体积基准 对于不同化工过程，采用什么基准适宜，需视具体情况而定，不能作硬性规定。例如，当进料的组成未知时（比如以煤原油等作为原料），只能选单位质量作基准；当密度已知时，也可选体积作基准。,根据不同过程的特点，选择计算基准时，应该注意以下几点：应选择已知变量数最多的流股作为计算基准。对液体或固体的体系，常选取单位质量作基准。对连续流动体系，用单位时间作计算基准有时较方便。对于气体物料，如果环境条件（如温度、压力）已定，则可选取体积作基准。下面举例说明选择不同的计算基准对解题难简的影响程度。,第二节 物料衡算的基本方法,第二节 物料衡算的基本方法,例4-2：丙烷充分燃烧（即转化率100%）时，实际供入的空气量为理论所需量的125%，反应式为：求：每生成100mol的燃烧产物实际需要供入多少摩尔空气？,第二节 物料衡算的基本方法,解：由题意物料流程简图如下：,由流程图可知：该体系有三股物流：丙烷、空气、燃烧产物。原则上基准的选择有三种方法：1.选一定量的空气为计算基准2.选一定量的丙烷为计算基准3.选一定量的燃烧产物为计算基准下面分别以这三种物料为基准，比较各种计算方法的难易程度，以说明合理选择基准的重要性。,方法一 基准：1mol 1molC3H8完全燃烧需要的理论空气量计算：由反应式，完全燃烧理论上需氧量（即实际耗氧量）：5mol由空气过量125%即氧气过量125%，有：实际供氧量 折算成实际供空气量（空气中含氧21%）29.76mol空气中含氮量 反应后剩余O2量 1.25mol反应所产生的CO2量 3mol反应所产生的H2O量 4mol总的燃烧产物量：(23.51+1.25+3+4)mol=31.76mol所以，每100mol燃烧产物所需空气量为：,第二节 物料衡算的基本方法,方法二 基准：1mol空气按题意供入的空气量为理论量的125%，则理论上所需空气量为：因为1mol空气中含氧量为0.21mol；所以供燃烧C3H8的氧量（即反应消耗氧）由反应式，燃烧C3H8的量为 反应产生的CO2量为 反应产生的H2O量为 反应后剩余的O2量为 通入1mol空气产生的燃烧产物的总量为：所以，每100mol燃烧产物需空气量为：,第二节 物料衡算的基本方法,第二节 物料衡算的基本方法,方法三 基准：燃烧产物，100mol有六个未知变量，引进六个参数，分别为：N燃烧产物中N2的量，mol；M燃烧产物中O2的量，mol；P燃烧产物中CO2的量，mol；Q燃烧产物中H2O的量，mol；A入口空气的量，mol；B入口C3H8的量，mol。因有6个未知量，所以必须列6个独立方程，列各元素的平衡：体系中有四种元素，可以列四个独立物料衡算方程。,列元素平衡：由C平衡，有：3B=P（1）由H2平衡，有：4B=Q（2）由O2平衡，有：（3）由N2平衡，有：0.79A=N（4）另有两个辅助条件方程：有燃烧产物总量，有：M+N+P+Q=100mol（5）反应后剩余的氧量：（6）,第二节 物料衡算的基本方法,可用消元法解上列方程组,第二节 物料衡算的基本方法,从上述三种不同基准的解法可看出，第三种解法虽然避免了换算，但是比第一、第二种解法工作量大。如果线性方程组较复杂，则解方程组时工作量更大。所以，从题意看，第一、第二种解法所选的基准比较恰当。由上例可见，选择合适的基准，能简化解题、减少计算工作量，将复杂问题简单化还否则会适得其反，所以基准的合理选择是解题步骤中一个很重要的技巧。,第二节 物料衡算的基本方法,6列出物料衡算式，然后用数学方法求解。根据衡算体系的具体情况，列出所有独立的物料衡算式，当未知变量数等于独立方程式个数时，可用代数法求解。如当未知数变量多于独立方程式个数时，只能采用试差法或计算机来解题解。7校核、整理计算结果 将物料衡算的结果加以整理、校核，列成物料衡算表。表中需列出输入、输出的物料名称、数量及单位和占总物料的百分数。,第三节 无化学反应过程的物料衡算,无化学反应过程是指一些只有物理变化而没有化学反应的单元操作，例如混合、精馏、蒸发、干燥、吸收、结晶、萃取、过滤等，或是虽有化学反应，但以物理变化为主，这些过程的物料衡算都可以根据质量守恒定律，列出总物料和各组分的衡算式，再用代数法求解即可。一、简单过程的物料衡算 简单过程，是指仅有一个设备或一个单元操作，或整个过程虽有多个设备，但可简化成一个设备的过程。这种过程的物料衡算叫做简单过程的物料衡算，这种过程的物料衡算比较简单，在物料流程简图中，设备边界就是体系边界。,第三节 无化学反应过程的物料衡算,1、混合 当物料的浓度不符合化工生产要求时，经常需要通过加入其它浓度的物质来进行调整，这就是混合，混合有气体和气体之间的混合，液体和液体之间的混合。,例4-3：现有800kg用过的稀溶液，内含H2SO412.43%（质量分数）。现在需将其配制成含有H2SO418.63%的溶液再重新利用，问需加入77.7%的H2SO4多少千克合适？可制得多少千克可利用的酸？,第三节 无化学反应过程的物料衡算,解：根据题意可画出如下图4-9所示的物料流程图分析：此题中有四个已知数据：一个质量数据，三个组成数据，要求的有两个未知变量，体系中有两种物质，可列出两个独立的物料衡算方程，问题可解。设F2为浓度77.7%H2SO4的质量，F3为浓度18.63%的H2SO4质量。可以写出一个总物料平衡式和两个组成平衡式，其中任意两个方程组合都是独立方程，可以解出两个未知变量。,第三节 无化学反应过程的物料衡算,第三节 无化学反应过程的物料衡算,第三节 无化学反应过程的物料衡算,2.结晶 在化工生产中，为了精制固体物质，使溶解于液体中的固体溶质呈结晶状析出的操作称为结晶。它是获得纯净固体物质的重要方法之一，应用较广泛。在有关结晶的物料衡算中，溶解度和质量百分比浓度之间的换算是必需的，因为对于饱和溶液从手册上能查到的是溶解度数据而非质量百分比浓度数据。,第三节 无化学反应过程的物料衡算,例4-5：1000千克KCl饱和水溶液盛于结晶槽中，温度为800C。将此溶液冷却到200C，若在冷却过程中，进料溶液中的水有7%蒸发掉，求从溶液中结晶出的KCl量。解：由手册查得KCl在水中的溶解度数据为：80：51.1克KCl/100克H2O 20：24.0克KCl/100克H2O。画物料流程示意图：如下页,第三节 无化学反应过程的物料衡算,80KCl饱和溶液,H2O,1000kg 51.1克KCl/100克H2O,KCl结晶 x kg,20KCl饱和溶液24.0克KCl/100克H2O,第三节 无化学反应过程的物料衡算,第三节 无化学反应过程的物料衡算,3吸收 在石油化工生产中，常常需要分离气体混合物以获得纯净的原料气或气体产品，吸收操作就是分离气体混合物的一种有效方法。,例4-6：将含20%（质量百分数）丙酮与80%空气的混合气输入吸收塔，塔顶用喷水吸收丙酮。吸收塔塔顶出口气体含丙酮3%，空气97%，吸收塔底得到50千克/h含10%丙酮的水溶液，计算输入吸收塔气体的量。解：详细过程如下所示,第三节 无化学反应过程的物料衡算,第三节 无化学反应过程的物料衡算,解：由题意画出物料流程示意图：如下所示,第三节 无化学反应过程的物料衡算,第三节 无化学反应过程的物料衡算,4干燥 在化工生产中，有些原料、半成品和成品常含有水分（或其他溶剂）。为了便于加工，运输、贮藏和使用，须将物料中的水分（其他溶剂）除去。这种从物料中去除水分（或其他溶剂）的操作称去湿，去湿的方法很多，可分三类：（1）化学去湿法；（2）机械除湿法；（3）热能去湿法。热能去湿法也称干燥。,第三节 无化学反应过程的物料衡算,例4-7：现有湿纸浆含水71%（质量分数），需通过干燥去掉其初始水分的80%，试计算干燥后纸浆中的含水量和每千克湿纸浆去掉的水分量。解：由题意干燥过程的物料流程如下图所示。,第三节 无化学反应过程的物料衡算,第三节 无化学反应过程的物料衡算,5蒸馏 蒸馏是利用液体混合物中各组分的挥发度不同进行组分分离，多用于分离各种有机物的混合液，也有用于分离无机物混合液的，例如液体空气中氮与氧的分离。例4-8：有一个蒸馏塔，输入和输出物料量及组成如下图4-16。输入物料1中A组分的98.7%自塔顶蒸出。求每千克输入物料可得到塔顶馏出物2的量及其组成。,第三节 无化学反应过程的物料衡算,解：基准：100 kgh-1输入物料 令x=馏出物中A的百分含量，y=馏出物中B的百分含量。,第三节 无化学反应过程的物料衡算,将各物料的流量及组成列于下表,由上表可以看出，共有5个未知量，即P、W及流股2的组成A、B、C，由于组成A、B、C的百分含量之和为1，所以只需求得任意两个组成，如A、B（或B、C或C、A），第三个组成就可求出。因此实际上是4个未知量，需要4个方程。但是输入和输出物料中共有3个组分，因而只能写出3个独立物料衡算式。第四个方程必须从另外给定的条件列出。,根据题意，已知输入物料中A组分的98.7%自塔顶蒸出，即流股2中A组分量为:（1）总物料衡算式有P和W两个未知量。A、B、C三个组分的衡算式中，A组分的衡算式只含一个未知量W，所以先列A组分的衡算式。A组分衡算式：（2）总物料衡算式：（3）B组分衡算式：（4）由（2）式得：代入（3）式得：代入（4）式得：y=56.54%,第三节 无化学反应过程的物料衡算,第三节 无化学反应过程的物料衡算,由（1）式得：馏出物中C组成为：由C组分衡算式得：结果符合 由上例可以看出，因为第二个方程只有一个未知参数，解这样的方程，可以避免解方程组。,第三节 无化学反应过程的物料衡算,总结:以上几例为无化学反应过程的物料衡算，当利用代数法求解时，列衡算式应注意下列几点：无化学反应体系，能列出的独立物料衡算式数目，最多等于输入和输出物料中化学组分的数目。首先列出含未知量数目最少的物料衡算方程，最好是能列出一个方程解一个未知数，然后一步一步地列出其它的方程，避免了解方程组的繁琐。若体系内具有很多多组分的物料，则最好将每股物流编号，并列表表示出已知的量和组成，检查能列出的衡算方程数目是否等于未知量的数目，判断能否通过物料衡算式解决问题。,第三节 无化学反应过程的物料衡算,二、无化学反应过程多单元体系的物料衡算 无化学反应过程多单元体系是指由若干个设备（即单元操作）组合而成的体系，且不能作为一个整体来处理。对有多个设备的过程，进行物料衡算时，可以划分多个衡算体系。此时，必须选择恰当的衡算体系，这是很重要的步骤。不然会使计算繁琐，甚至无法求解。在进行无化学反应过程多单元体系的物料衡算时，关键要解决两个问题：1独立衡算体系确定 2选择计算的着手点,本例题主要目的：,1、化工流程的自由度分析；,2、利用自由度分析结果判断物料衡算计算顺序；,第三节 无化学反应过程的物料衡算,流 程 示 意 图,例题：有如图所示的一个连续流程，用于稀醋酸的浓缩处理，图中E代表某种溶剂组分。过程无任何化学反应。已知：1.产品精馏塔进料中的HAc有67.5%从产品流中产出。2.F1=2.3F11 3.图中所有组成均为质量百分数。要求：1.试作此过程的自由度分析，列出自由度分析表 2.指出完整的物料衡算（MB）计算顺序 3.求解出2号流股的组成及F2/F9,解：这是一个只做物料衡算的情况，从流程特点可以看出，整个流程系统是：因为流程中没有化学反应，而所有输入的流股中只含有4种组份，因而可以判定流程中所有流股所含有的组份应该4种。,第一步、根据流程的特点，确定流程中所有流股含有的组份数。,求解步骤：,3,2,2,3,3,4,2,2,2,4,2,2,各流股组份数一览表,第二步、做流程的自由度分析,流程自由度分析表,（1）混合器1及萃取塔的自由度分析,8,3,2,1,2,12,4,2,0,6,（2）溶剂提馏塔及整体的自由度分析,10,4,3,0,3,11,4,5,0,2,（3）溶剂回收塔及产品精馏塔的自由度分析,7,3,3,0,1,6,2,2,1,1,（4）混合器2及过程的自由度分析,8,2,3,0,3,（5）整体及过程的自由度分析,整体：又称“总体”，意指只考虑进出系统的流股，不考虑流程内部的中间流股。“Overall Balance”，简称“OB”。,过程：与整体的区别在于，过程不仅包括进出系统的流股，还要包括流程的所有中间流股。,注意：整体只是一个虚拟的单元，看一个化工流程设计条件给得正确与否，不能只看整体的自由度分析结果，而应该看过程的自由度分析结果。,11,4,5,0,2,31,10,流程的自由度分析结果一览表,流程自由度分析结果一览表,8,3,2,1,+2,12420+6,7330+1,6221+1,8230+3,10430+3,31,18,10,2,+1,11450+2,从自由度分析结果及流程特点可以看出该流程设计为弹性设计，可挑选F12为物料衡算的计算基准。,1,1,2 6 1 0 3 3 0 1,1,在流程的自由度分析时应该注意：,1、流程是否是弹性设计？,一个流程是弹性设计，必需同时满足以下二个条件：（1）、流程过程自由度必需是1；（2）、流程的已知流股变量全部是强度性质（没有一个流量变量已知）。,2、流程过程自由度分析时，应该特别注意衡算方程的加和性、附加关系式（附加方程）的加和性。,3、针对弹性设计，一般将计算流量基准放在原自由度最小的单元。,第三步、从流程自由度分析结果出发判断衡算计算顺序,从流程自由度分析结果可以看出，由于精馏塔的自由度为零，所以，首先应该求解精馏塔单元，而且是完全求解；求解完精馏塔，将对混合器1、溶剂回收塔的物料衡算产生影响，而且溶剂回收塔和混合器1的自由度将变成零。所以，这时应该求解溶剂回收塔和混合器1，而且是完全求解；,更新自由度分析表,8,3,4（2）,1,0（2）,7,3,4（3）,0,0（1）,求解完混合器1及溶剂回收塔后，将对萃取塔、整体的物料衡算产生影响，但只有整体（OB）的自由度将变成零。所以，这时应该求解整体，而且是完全求解；,更新自由度分析表,4,7（5）,0,0（2）,12,4,0,11,7（2）,1（6）,求解完整体（OB）后，将对混合器2、溶剂提馏塔的物料衡算产生影响，但只有溶剂提馏塔的自由度将变成零。所以，这时应该求解溶剂提馏塔，而且是完全求解；,更新自由度分析表,2,5（3）,0,1（3）,10,4,0,8,6（3）,0（3）,求解完溶剂提馏塔后，将对混合器2、萃取塔的物料衡算产生影响，很明显混合器2的自由度将变成零。所以，这时应该求解混合器2，而且是完全求解；,更新自由度分析表,2,6（3）,0,0（3）,8,从以上分析可以在具体计算之前得出物料衡算的计算顺序：,精馏塔MB,回收塔MB,混合器1MB,整体OB MB,溶剂提馏塔MB,混合器2MB,萃取塔MB,这是一个每步计算都能完全求解的计算顺序。最后一步不必要同时进行混合器2和萃取塔的MB，二者解其一即可。注意：流程中有几个单元设备，就只需要求解几步，整体（OB）也相当于一个虚拟单元。,4、按判断的衡算计算顺序进行具体求解,、精馏塔物料衡算（MB）：按自由度分析的结果出发，可以设F12100Kg/h为计算基准,解得：F10244.44（Kg/h），F11144.44（kg/h）x11,HAC0.33，x11,H2O0.67,总流量衡算方程：F10F11100 HAc组份衡算方程：0.6F10F11x11,HAC99 设计要求（附加关系式）方程：990.6750.6F10,、混合器1物料衡算（MB）：,设计要求（附加关系式）方程：F12.3F11332.212 总流量衡算方程：F2F1F11476.652（Kg/h）HAc组份衡算方程：F2x2,HAC0.3332.2120.33144.44 H2O组份衡算方程：F2x2,H2O0.698332.2120.67144.44,解得：F1332.212（Kg/h），F2476.652（Kg/h）x2,H2SO40.0014 x2,HAC0.3091 x2,H2O0.6895,、整体（OB）的物料衡算（MB）：,该例题的最终求解结果：2号流股组成为：（HAc，H2O，H2SO4）（30.91，68.95，0.14）F2/F9476.652/232.4522.0505,溶剂组份E的衡算方程：0.99F70.001F9总流量衡算方程：332.212F7F9100H2SO4组份衡算方程：0.002F1F9x9,H2SO4HAc组份衡算方程：0.3F10.99F12F9x9,HAc,解得：F70.2348（Kg/h），F9232.452（Kg/h）,小 结1、认识到自由度分析是物料衡算计算的有力工具，掌握物料衡算的求解步骤；2、在自由度分析之前，必须会根据流程特点判断流程中各流股所含的组份数；3、会判断流程设计是否是弹性设计，会挑选合适的计算基准；4、会根据自由度分析结果判断衡算计算顺序，尤其是应该注意更新自由度分析；5、不能忽视具体的求解计算过程。,第四节 化学反应过程的物料衡算,有化学反应的过程，物料中的组分比较复杂，这是由于化学反应使体系内的物质分子发生了变化，使得参加反应的每一种物质输入的质量或摩尔流量和输出体系的质量或摩尔流量不能平衡，所以化学反应过程的物料衡算比无化学反应过程的计算要复杂得多，所考虑的因素也多得多。因此，在进行化学反应过程的物料衡算时必然会涉及到原料的配比、反应的转化率、收率、反应的选择性等许多因素。,第四节 化学反应过程的物料衡算,一、反应器的物料衡算 以进行化学反应为主要任务的设备是反应器，所以对化学反应过程进行物料衡算就是以反应器为衡算对象。反应过程有不同的特点，需根据反应过程的不同特点而灵活选用不同的计算方法，本部分主要介绍四种对反应器的物料衡算适用的方法。,第四节 化学反应过程的物料衡算,1.直接计算法方法：利用反应物在反应过程中的消耗量和产物的生成量之间符合化学计量系数之比，来进行反应物消耗和生成物生成量之间的换算，以达到进行反应器的物料衡算的目的，这种方法就叫直接计算法。适用：反应过程有明确的化学反应方程式，且反应过程比较简单，没有很多的副反应发生，并且已知条件比较充分的情况。这样的计算比较简便，不必按前面所介绍的方法列出物料衡算式。举例:见下页,第四节 化学反应过程的物料衡算,例4-11：甲醛由甲醇催化氧化制得，反应物和生成物均为气态，氧化剂由空气提供，且过量40%，现已知甲醇转化率为70%。试计算反应完成后离开反应器的气体混合物的摩尔组成。已知反应器中所发生的化学反应如下：,解：由题意：物料流程如图所示,基准：由化学反应方程式：理论需O2量：由已知空气过量40%，那么O2也过量40%，有实际输入O2量：实际输入的空气量：带入的N2量：即为7.37kg由已知CH3OH转化率为70%，有反应掉了的CH3OH量：即为2.24kg离开反应器各组分的输出量：剩余的 CH3OH 100-70=30mol,即为0.96kg生成的HCHO 70mol,即为2.1kg生成的H2O 70mol,即为1.26kg剩余的 O2 即为1.21kg 输出的N2 263.33mol,即为7.37kg,第四节 化学反应过程的物料衡算,第四节 化学反应过程的物料衡算,2元素衡算法 元素衡算法是物料衡算的一种重要形式，是以反应过程中参与反应的各种元素为对象列出平衡方程式而进行的物料衡算。在化学反应过程中,无论什么情况下，任何一种元素都是平衡的。当反应过程比较复杂，尤其是化学反应式无法写出时，用直接计算法就无法解题了，这时用元素衡算法是比较合适的，例石油裂解过程，过程中存在多种反应而又无法确切知道各步反应所占的比例，这时可采用元素平衡的方法进行物料衡算。在对这类过程进行物料衡算时，并不需要考虑具体的化学反应，而是按照元素重新组合的概念表示为：输入（某种元素）=输出（同种元素）,第四节 化学反应过程的物料衡算,解题过程如下页,例4-14：已知合成气的组成为CH40.4%(体积分数)、CO38.3%、CO25.5%、H252.8%、O20.1%和N22.9%,现用10%过量空气燃烧，燃烧后生成的燃烧气中不含CO，计算燃烧气组成。解：由题意可画出物料流程示意图,基准：合成气100molh-1合成气中各元素的含量：C：H：O：N：生成CO2和H2O所需的氧元素量：,第四节 化学反应过程的物料衡算,理论上所需氧元素量（由空气提供部分）：需理论空气量：实际输入空气量：实际输入空气中相当于：N2：O2：,第四节 化学反应过程的物料衡算,第四节 化学反应过程的物料衡算,对各物质进行元素（或分子）衡算：N2平衡：（1）C平衡：（2）H2平衡：（3）O2平衡：（4）由上述四个方程联立求解可得,第四节 化学反应过程的物料衡算,燃烧气组成为：CO2：H2O：O2：N2：,第四节 化学反应过程的物料衡算,3联系组分法 联系组分又称惰性组分，是指在整个生产中随反应物料进出系统，但完全不参与反应的组分，因此其数量（质量和摩尔数）总是不变。如在燃烧过程中用空气提供氧气时，随之带入的氮气就是一种惰性物质，称联系组分。利用联系组分的特点以及和其他物料之间的比例关系，可以算出其他物料的数量，这种方法在反应器的物料衡算中就称为联系组分计算法。,第四节 化学反应过程的物料衡算,例如：如下图所示,惰性组分进出系统示意图,F和P分别表示输入系统和从系统输出的物料量，联系组分T在物料F和物料P中的质量分数分别为 和，则由联系组分的特性，有下式总成立：,即：,式（4-13）,第四节 化学反应过程的物料衡算,有时系统中存在不止一种联系组分，这时可选择其总量为联系组分，也可选择其中含量较大的组分单独使用，因为联系组分的量越大，计算误差就会越小。利用联系组分进行物料衡算可使计算简化，尤其在未知变量较多的过程中，通过（4-13）式提供的关系可以解出部分未知变量，找到解决问题的突破口。,第四节 化学反应过程的物料衡算,例4-17：在炉子内用空气完全燃烧甲烷与氢气的混合燃料，生成的燃烧气混合物称为烟道气，分析烟道气含量，组成为N2 72.22%（摩尔分数），CO2 8.13%，O2 2.49%，H2O 17.16%。试求：（1）混合燃料中氢与甲烷的比例为多少？（2）混合燃料与空气的比例（摩尔比）为多少？解：由题意画出物料流程图：如下图所示,第四节 化学反应过程的物料衡算,燃烧过程中发生的化学反应式如下：基准选择，因为烟道气的组成已知，所以基准：烟道气100mol烟道气中物质的量：烟道气中CO2量：烟道气中H2O量：,第四节 化学反应过程的物料衡算,烟道气中O2量：烟道气中N2量：以为联系组分，根据式，即空气中的与烟道气中量相等，有输入的空气量：其中O2量：由C的平衡燃料中CH4量：8.13molCH4完全燃烧消耗O2量：H2完全燃烧耗O2量：,第四节 化学反应过程的物料衡算,混合燃料中H2量：混合燃料中氢与甲烷的比例：混合燃料与空气的比例：,第四节 化学反应过程的物料衡算,4利用化学平衡常数进行衡算 对有平衡反应过程的物料衡算，除了需要建立物料或元素衡算式以外，常常还需要利用反应的平衡关系来计算产物的平衡组成。化学平衡常数表示了可逆反应过程在反应达到平衡时各物料之间组成上的定量关系，平衡常数在可逆反应的物料衡算中提供了一种过程限制关系。,例：可逆反应,有：,第四节 化学反应过程的物料衡算,二、具有循环、排放及旁路过程的物料衡算 1具有循环过程的物料衡算（1）设置循环的目的（2）包含循环过程的典型物料流程图:如下页所示计算时根据已知条件选择合适的计算衡算体系，这样有利于顺利地解题。,第四节 化学反应过程的物料衡算,第四节 化学反应过程的物料衡算,在对分离器和混合器进行物料衡算时这两个参数很重要，有时可以作为解题的线索。（3）举例,另外，具有循环过程的体系还有两个过程限制参数，通常称为循环比和混合比，定义如下：循环比=（4-15）混合比=（4-16）,第四节 化学反应过程的物料衡算,例4-20：丙烯由丙烷在催化反应器中脱氢生成，其反应式为：丙烷的总转化率为95%。离开反应器的产物经分离器分成产品P和循环物料R。产品中含有C3H8、C3H6及H2，其中C3H8的量为反应后混合物中未反应C3H8的0.5%。循环物料中含有C3H8和C3H6，其中C3H6的量是产品物料中C3H6的5%。试计算（1）产品和循环物料组成；（2）单程转化率。,第四节 化学反应过程的物料衡算,解：画出物料流程图,基准：100molh-1新鲜原料（C3H8）即FF1=100molh-1,第四节 化学反应过程的物料衡算,因为已知总转化率，所以衡算体系选择总个过程。衡算体系：总过程由已知C3H6的总转化率为95%，即：解得：由反应式可知：产品的组成：C3H8:C3H6:H2:,第四节 化学反应过程的物料衡算,衡算体系：分离器由已知P1是反应后混合物中未反应C3H8量的0.5%，即：解得：C3H8的平衡：解得：由已知R2是产品中C3H6量的5%，即：代入数据解得：,第四节 化学反应过程的物料衡算,C3H6的平衡：代入数据得：循环物料的组成：C3H8：C3H6：衡算体系：混合器C3H8的平衡：代入数据得：C3H6的平衡：由单程转化率，有：,第四节 化学反应过程的物料衡算,总结循环过程的物料衡算有以下规律:1.当已知循环物流的流量和组成，或者通过一些已知的条件可以间接得到循环物流的流量和组成，这类物料衡算问题比较容易求解。2.当循环物流的流量和组成未知时，有时需用试差法解题。,第四节 化学反应过程的物料衡算,2具有排放过程的物料衡算（1）排放设置的目的 为了防止惰性物质和副产物在系统中的不断增加，就必须排放一部分循环物料，使惰性物质的输出量能与进料中的输入量平衡，或是副产物的输出量能与副反应产生的量平衡，从而维持整个系统的物料流量和组成稳定。（2）排放位置的确定 选取需调整成分的含量最高的位置为排放位置；或是经分析测定后定期排放。,第四节 化学反应过程的物料衡算,（3）具有排放的循环系统其典型流程如图所示,注意：由分流器的特征，进出分流器的物料的组成是相同的，即待循环物料、排出物和循环物料的组成是相同的，所以排放量的多少直接影响反应物料的总转化率。,第四节 化学反应过程的物料衡算,（4）排放量的确定 根据稳态流动过程的物料平衡，为了使惰性物质和副产物不在系统中积累，排放物料流量应调节到能平衡惰性物质的输入量和副产物的产生量。假设惰性物质和副产物全部进入循环物流，则 惰性物质：副产物：,第四节 化学反应过程的物料衡算,在有排放过程的物料衡算中排放比是一个很有用的过程限制参数，定义为：排放比=（5）举例,例4-22：甲苯催化加氢脱甲基制苯，主反应和副反应主反应：副反应：以纯氢和纯甲苯为原料，进入反应器的氢与甲苯之比为5:1（摩尔比）。甲苯的单程转化率为80%，生成苯的选择性为98%，未反应的甲苯和产物苯作为产品物流输出体系，氢和甲烷循环。要求混合原料中甲烷含量不大于10%，计算排放比及各物流的组成。,第四节 化学反应过程的物料衡算,解：由题意画出物料流程图,第四节 化学反应过程的物料衡算,说明：（1）流程中物料流股中各物质流量的下标编号保持一致，下标相同表示同一种物质，这样可以避免列衡算式时出差错。本题中只有混合原料的组成有已知数据，设其为基准后可先对反应器系统进行物料衡算。（2）由题意要求混合原料中甲烷含量不大于10%，取10%进行计算，这样计算得到的排放量数据为最小值，实际排放时应稍稍大于此值。,第四节 化学反应过程的物料衡算,基准：进反应器混合原料：100衡算体系：反应器进料：由已知，总物料：（1）（2）解（1）、（2）式得：出料：C6H5CH3的剩余：,第四节 化学反应过程的物料衡算,生成的C6H6：CH4的量：H2的量：出料的总量：,第四节 化学反应过程的物料衡算,反应器出口物料的组成：衡算体系：分离器,第四节 化学反应过程的物料衡算,则：则：由分流器的特征，有：，,第四节 化学反应过程的物料衡算,衡算体系：混合器CH4平衡：（3）C6H5CH3平衡：（4）H2平衡：（5）联立（4）、（5）、（6）式解得：,第四节 化学反应过程的物料衡算,新鲜原料的组成：混合原料计算：衡算体系：分流器 H2的平衡：,第四节 化学反应过程的物料衡算,有：CH4的平衡：有：总物料：排放物料组成：计算排放比：排放比=,第四节 化学反应过程的物料衡算,计算结果汇总列表如下表,第四节 化学反应过程的物料衡算,3具有旁路过程的物料衡算 旁路就是指某一股物料的一部分绕过一个或几个设备而直接进入后续工序，与另一股物料相混的过程。旁路过程的典型流程如图所示,旁路过程主要用于调节物料的组成或温度。,第四节 化学反应过程的物料衡算,例4-23：用以生产甲醇的合成气由烃类气体转化而得。要求合成气中（摩尔比），气体量为（标准状况）。因转化气中含（摩尔分数），不符合要求，为此需将部分转化气送至变换反应器，变换后气体中含（摩尔分数），气体体积减少2%，用此变换气去调节转化气，求转化气及变换气各为多少（标准状况）？解：画出物料流程图,第四节 化学反应过程的物料衡算,第四节 化学反应过程的物料衡算,基准：合成气（标准状态）设：合成气中的CO摩尔分率为，H2的摩尔分率为2.4。混合器的衡算：总物料平衡：（1）CO平衡：（2）H2平衡：（3）解上述方程组得：（标准状况）（标准状况）,第四节 化学反应过程的物料衡算,因经过变换后气体体积减少2%，所以：,FF=F+B=(989.18+1351.6)m3h-1=2340.78m3h-1,脱除的CO2的量为：,（标准状况）,说明：上述物料流量虽然是用体积作单位，但因为均转换成了标准体积，所以可以列平衡式。,（标准状况）,（标准状况）,