《基本有机化工工艺学》ppt课件第八章.ppt

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1、第八章 反应过程的物料及热量衡算（4学时）,基本要求：物料衡算（直接法、元素平衡法、联系物料法、循环物流），热量衡算（主要方法和步骤、物理变化过程焓变的计算举例、气相连续反应过程的热衡）重点：联系物料法、循环物流难点：热量衡算,第八章 反应过程的物料及热量衡算,物料衡算和热量衡算是化学工艺的基础之一，通过物料、热量衡算，计算生产过程的原料消耗指标、热负荷和产品产率等，为设计和选择反应器和其他设备的尺寸、类型及台数提供定量依据；可以核查生产过程中各物料量及有关数据是否正常，有否泄漏，热量回收、利用水平和热损失的大小，从而查出生产上的薄弱环节和限制部位，为改善操作和进行系统的最优化提供依据。,第八

2、章 反应过程的物料及热量衡算,在化工原理课程中已学过除反应过程以外的化工单元操作过程的物料、热量衡算，所以本章只涉及反应过程的物料、热量衡算。,第八章 反应过程的物料及热量衡算,第一节 物料衡算第二节 热量衡算,第一节 物料衡算,物料衡算基本方程式 物料衡算总是围绕一个特定范围来进行的，可称此范围为衡算系统。衡算系统可以是一个总厂，一个分厂或车间，一套袋置，一个设备，甚至一个节点等等。物料衡算的理论依据是质量守恒定律，按此定律写出衡算系统的物料衡算通式为：,复杂过程的物料衡算，可采用如下计算步骤,画出简单的工艺流程图；画出物料平衡线路图，进入设备的物料以直线来描绘，所有的物料相聚于一点，从设备

3、出来的产品及损失集中于另一点，然后由此点以直线散开；写出化学反应方程式，包括主、副反应；说明计算任务，如年产多少吨、年工作日、产品纯度、产率等选定计算基准；选择操作工艺参数和计算所必需的数据；由已知数据进行物料衡算；将计算结果列表。,第一节 物料衡算,一、一般反应过程的物料衡算二、具有循环过程的物料衡算,例1：邻二甲苯氧化制苯酐，反应式为已知邻二甲苯的转化率为70，氧的用量为理论用量的150，以空气为氧源，每小时投料量为250kg邻二甲苯，试进行物料衡算。解：以每小时为计算基准进料 邻二甲苯流量2501062.358(kmol/h)氧流量2.3857031507.43(kmol/h)237(k

4、g/h)氮流量7.430.79/0.2127.95(kmol/h)782.63(kg/h),出料 苯酐流量2.35870148244.29(kgh)水流量2.3587018389.13(kg/h)氧流量(7.432.358703)3279.36(kg/h)氮流量782.63(kg/h)未反应的邻二甲苯流量250(170)75(kg/h),例2 试作生产任务为年产1200吨苯乙烯装置的物料衡算。已知全年时数为8760h，实际生产时间为7200h，原料乙苯纯度为98，其中甲苯含量2%(质量)，苯乙烯选择性为90，苯选择性为3，甲苯选择性为5，焦炭选择性为2，苯乙烯收率为40，乙苯：水蒸气1：13(

5、质量，以乙苯计)。解：(1)写出反应方程式。,(2)画出物料平衡线路图，如图,(3)确定计算基准。因是连续生产、以每小时生产的苯乙烯为基准(kmol/h)。每小时生产的苯乙烯为:(12001000)/(7200104)=1.60(kmol/h)参加反应的乙苯 1.600.91.78(kmol/h)188.68(kg/h)需加入乙苯 1.6/0.4=4.00(kmol/h)=424.0(kg/h),未参加反应的乙苯 4.00一1.782.22(kmol/h)235.32(kg/h)需加入的水蒸气 424.001.3551.2(kg/h)30.62(kmol/h)需加入98的乙苯 4.000.98

6、4.08(kmol/h)432.65(kgh)原料乙苯中含甲苯 432.65424.008.65(kgh)0.094(kmol/h)在参加反应的1.78(kmol/h)乙苯中，转化为苯乙烯:1.780.91.60(kmol/h)转化为甲苯 1.780.050.089(kmol/h)转化为苯 1.780.030.053(kmol/h)转化为焦炭 1.780.020.036(kmol/h)即反应生成的苯乙烯 1.601041664(kg/h)反应生成的甲苯 0.089928.19(kg/h)反应生成的苯 0.053784.13(kg/h)反应生成的焦炭 0.036(712)3.02(kg/h)反应

7、生成的乙烯 0.053281.48(kg/h)反应生成的甲烷(0.036十0.089)162.0(kg/h)反应生成的氢气(1.6十3 0.0360.089)24.86(kg/h),原料中甲苯和反应生成的甲苯总量 0.094十0.0890.183(kmol/h)16.84(kg/h),例3 某氧化过程排出的尾气体积组成为O2 10、N2 85，CO25，计算空气用量、氧耗量和过剩空气系数解：以N 2为联系物，计算基准选100mol。尾气中N2量 1000.8585(mol)空气耗量 85/0.79l07.6(mol)进料空气中含氧量 107.60.2122.6(mol)氧耗量 22.61012

8、.6(mol)空气过剩系数 22.6/12.6179,例4 某工厂用烃类气体制合成气生产甲醇，合成气为2321m3(标准)/h，COH212.4(摩尔)。但转化后的气体体积分数为CO43.12，H2 54.2，不符合要求。为此需将部分转化气送往CO变换反应器，变换后气体体积分数为CO 8.76，H2 89.75%，气体体积减小2。用此变换气去调节转化气，以便达到COH212.4的要求，求转化气、变换气各为多少?,解：按题意绘出流程简图。V2从A点分流，V3在B点合并，合并时无化学反应和体积变化。令yi为i组分的摩尔分数，则,具有循环过程的物料衡算,在有机化工生产中，有些反应过程由于受热力学因素

9、限制，转化率很低。为了提高原料的利用率，必须将未反应的原料分离后循环使用，以提高总转化率，从而提高技术经济指标。,在稳定状态下，循环物料RC始终以不变的组成和数量在反应系统中循环。根据质量守恒定律，各物料流的关系为，其中SP、RC和W的组成相同。,一般循环比是指循环物料与新鲜原料的用量比，即RCFF，但也有其它的表示方法，例如RCMF、RCW、RCP等。,例5 乙烯直接水合制乙醇，己知原料乙烯的组成为乙烯96(体积)，惰性物4(体积)。进入反应器的混合气(循环气、原料乙烯和水蒸气的混合物)组成(体积，干基)为C2H4 85，H2 1.02，惰性物13.98。乙烯与水蒸气的摩尔比为1：0.6，乙

10、烯的单程转化率为5(摩尔)，其中,自反应器出来的反应气经冷凝和洗涤，得到产物粗乙醇溶液，洗涤塔出口气休部分排出系统，其余循环。在冷凝洗涤过程中，反应气中的乙烯溶解5，然后在常压分离器中释出，释出乙烯的95作它用，5循环进入循环气中。试作过程的物料衡算，求出循环物流组成、循环量、放空量、乙烯的总转化率和乙醇的总收率，生产一吨乙醇原料乙烯的消耗量？乙醇水溶液蒸馏时乙醇损失2(摩尔)。,解：按题意作出流程简图 由于混合气组成和乙烯单程转化率已知，可由此计算原料气用量。现以进入反应器的混合气100mol为计算基准(干基)。混合气中乙烯转化的摩尔量为：8554.25(mo1)其中转化为乙醇 4.2595

11、4.04(mo1)转化为乙醚 4.2520.085(mo1)转化为聚合物 4.2520.085(mo1)转化为乙醛 4.2510.043(mo1)反应气经冷凝洗涤后，余下乙烯量为 85(15)(15)76.71(mo1)惰性物：13.98(mo1)氢：0.043十1.021.063(mo1),洗涤塔出口气体量：76.7l十13.98十1.06391.75(mo1)其摩尔分数为C2H4 83.6，H2 1.16，惰性物15.24设W为冷凝洗涤塔出口气体排出系统的量。自常压分离器释出的溶解乙烯量已知为4.04mol，其中的5回收入循环气中。循环气中各组分的量分别为乙烯：76.714.045W83.

12、6氢：1.063W1.16惰性物：13.68W15.24设新鲜原料气加入量为FF，如进入反应器的混合气仍为100mol，则76.714.015W83.6FF9685(1)13.68W15.24FF413.98(2)联解方程(1)和(2)得W2.87molFF10.93mol循环量：RC76.71十13.98十1.0632.8789.08(mol)循环比：89.08/10.93=8.15,原料气中乙烯：10.939610.49(mol)乙烯总转化率：4.25/10.4940.1乙醇总收率：40.19538.5每生产一吨乙醇原料乙烯的消耗量：1000/0.98/46/38.5%/96%=60kmo

13、l=1344m3(标准),第二节 热量衡算,热量衡算的理论依据是能量守恒定律，按此定律写出衡算系统的物料衡算通式为：,第二节 热量衡算,一、主要方法和步骤二、物理变化过程焓变的计算举例三、气相连续反应过程的热量衡算四、气液相连续反应过程的热量衡算,气相连续反应过程的热量衡算,例：在金属银催化剂存在下，甲醇氧化或脱氢制备甲醛。其主副反应为,主、副反应有吸热和放热，如果选择恰当的甲醇与空气用量比，使吸热反应和放热反应的比例适当，就可控制反应温度。现假设甲醇与空气的摩尔比为1：1.3，进料温度为600K。当反应产物中除去残余甲醇，并分离出甲醛后尾气组成为(干基),计算产物出口温度。,解：以N2为联系物，按上述三个化学计量反应式进行物料衡算,进料以甲醇100kmol为计算基准，物料衡算结果如下。,查表计算：,以298K为计算基准，用试差法求出料温度。先假设出料温度为806K，求各Cp（806k）。从衡算式计算从出料温度TO1。,此数值与假设值相差较大，重新假设出料温度为770K，计算770K时的Cp，,所得温度与假设值相符合。故所求产物出口温度为770K。,