化工計算物料衡算

化工計算物料衡算第1頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一一、化工計算的分類設計型計算(事前設計化工廠)校核型計算(對工廠現(xiàn)有的生產裝置進行計算，進而對生產情況進行分析、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)性進料，一次性出料一組分一次性投料，其他連續(xù)進料，一次性出料連續(xù)操作連續(xù)性進料，連續(xù)性出料，濃度不隨時間的變化而變化，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)質量守恒定律（不包括核反應）基本方程進入的Fi+生成的Dp=流出的Fo+反應的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無反應過程Dp=Dr=0穩(wěn)態(tài)無反應過程Fi=Fo穩(wěn)態(tài)有反應過程Fi+Dp=Fo+Dr第6頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一三、基本計算過程畫簡圖標參數(shù)定基準和范圍（體系）寫化學反應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、無反應過程的物料衡算單個單元的物料衡算n個組分，可以列n+1個方程但最多只能求解n個未知數(shù)M個單元的物料衡算n個組分，最多只有m*n個獨立方程選擇恰當?shù)暮馑泱w系可以簡化計算過程第8頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一五、化學反應過程的計算限制反應物過量反應物過量百分數(shù)轉化率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(x=100%)Y=S(直接求解)非完全反應(x≠100%)反應不徹底(直接求解)有反應平衡(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化率總轉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，星期一無反應過程的基本公式穩(wěn)態(tài)無反應過程Fi=Fo第12頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一例題有一個蒸餾塔，輸入輸出物料組成見下圖，塔頂A組分的回收率為98.7%，請對此塔作物料衡算。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，星期一完全反應過程的物料衡算穩(wěn)態(tài)有反應過程Fi+Dp=Fo+Dr非完全反應(x≠100%)反應不徹底(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鄰苯二甲酸酐(苯酐)，輸入輸出物料組成見下圖，計算鄰二甲苯的轉化率、產品的收率及選擇性。反應過程鄰二甲苯210kg/h空氣4620Hm3/h氧氣0.21(mol/mol)氮氣0.79(mol/mol）P苯酐0.654%（mol）順酐0.066%氧氣16.53%氮氣77.5%第16頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一寫化學反應方程式第17頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一選基準鄰二甲苯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，星期一輸入氮氣的量反應產物的總量第20頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一產物中鄰二甲苯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行轉化反應生產氫氣。轉化過程的主要反應為甲烷轉化反應和一氧化碳變換反應，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。假定上述反應達到平衡．求產物的平衡組成。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化率總轉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器中脫氫生成丙烯，其反應式為：C3H8C3H6+H2

丙烷的總轉化率為95％。反應生成物經分離器分成產物P和循環(huán)物料R。產物中含有C3H8

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

，其中C3H6量是產物中C3H6量的5％。試計算產品組成、循環(huán)物料組成和單程轉化率。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