第七章化工工藝計算-PPT

第七章化工工藝計算§7、1概述化工工藝計算物料衡算、熱量衡算進行化工設(shè)計、過程經(jīng)濟評價、節(jié)能分析與過程優(yōu)化得基礎(chǔ)化工生產(chǎn)過程:主副產(chǎn)品量、原材料消耗、能量消耗、三廢指標(biāo)1、物料衡算與熱量衡算得主要步驟(1)收集計算數(shù)據(jù):化工裝置得生產(chǎn)操作數(shù)據(jù),如輸入與輸出物料得流量、溫度、壓力、濃度等,涉及物質(zhì)物化常數(shù),如密度、熱容等。(2)寫出相關(guān)反應(yīng)方程式(包括主副反應(yīng))并配平,標(biāo)明相對分子量。(3)繪出流程得方框圖,標(biāo)明相關(guān)參數(shù)。(5)設(shè)未知數(shù),列方程式,求解。

(物料平衡、約束式－歸一方程、氣液平衡方程等。(6)計算與核對。(7)報告計算結(jié)果。(4)選定衡算基準(zhǔn)

通常計算產(chǎn)率:選一定量得原料或產(chǎn)品為基準(zhǔn)(1Kg或100Kg、1mol、1m3等);

計算原料得消耗指標(biāo)與設(shè)備生產(chǎn)能力:選單位時間為基準(zhǔn)(1h、1mim、1s等)。轉(zhuǎn)化率、選擇性與收率

反應(yīng)轉(zhuǎn)化率-----反映原料產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)得程度(1)定義:指某一反應(yīng)物參加反應(yīng),轉(zhuǎn)化得數(shù)量占該反應(yīng)物起始量得分率或百分?jǐn)?shù)。(針對反應(yīng)物而言)2、化工工藝學(xué)中基本概念(2)單程轉(zhuǎn)化率與全程轉(zhuǎn)化率為了提高原料得利用率,采用循環(huán)反應(yīng)系統(tǒng)。單程轉(zhuǎn)化率——反應(yīng)器全程轉(zhuǎn)化率——反應(yīng)系統(tǒng)

例:以乙炔與醋酸合成醋酸乙烯酯為例。如圖所示,再連續(xù)生產(chǎn)中,假設(shè)每小時流經(jīng)各物料線得物料中含乙炔得量為mA=600Kg,mB=5000Kg,mc=4450Kg,計算過程得單程轉(zhuǎn)化率與全程轉(zhuǎn)化率。解:

總結(jié):一般要根據(jù)各自反應(yīng)得特點,由實際經(jīng)驗來控制單程轉(zhuǎn)化率。反應(yīng)選擇性(1)定義:轉(zhuǎn)化成目得產(chǎn)物得某反應(yīng)物量與參加所有反應(yīng)而轉(zhuǎn)化得該反應(yīng)物總量之比。收率(產(chǎn)率)(1)定義:生成得目得產(chǎn)物占某反應(yīng)物初始量得百分率。單程收率:分母為(新鮮＋循環(huán)該原料之與)

總收率:分母為(新鮮該物料)

轉(zhuǎn)化率(X),收率(Y)與選擇性(S)三者關(guān)系:Y=SX2023/9/1810

轉(zhuǎn)化率(X),收率(Y)與選擇性(S)三者關(guān)系:

Y=SX1、一般反應(yīng)過程得物料衡算輸入物料得總質(zhì)量＝輸出物料得總質(zhì)量＋系統(tǒng)內(nèi)積累得物料質(zhì)量

注:間歇操作(非穩(wěn)態(tài))積累≠0

連續(xù)操作(穩(wěn)態(tài))積累＝0§7、2物料衡算理論依據(jù):質(zhì)量守恒定律

蒸餾F(Kg)XF1XF2P(Kg)XP1XP2W(Kg)XW1XW2無化學(xué)反應(yīng)過程物料流程示意圖總質(zhì)量衡算:F=P+W組分衡算:FXF1=PXP1+WXW1FXF2=PXP2+WXW2反應(yīng)F(mol)P(mol)催化裂化過程物料流程示意圖組成

原料油(摩爾分?jǐn)?shù))

產(chǎn)品油(摩爾分?jǐn)?shù))C6H1400、05C7H1600、15C8H180、30、30C11H240、70、50C原子衡算:F×0、3×8＋F×0、7×11=P×0、05×6+P×0、15×7+P×0、3×8+P×0、5×11物料衡算得步驟(1)繪出流程得方框圖(2)寫出反應(yīng)方程式,并配平之。(3)選定衡算基準(zhǔn)(4)設(shè)未知數(shù),列方程式,求解。

(物料平衡、約束式－歸一方程、氣液平衡方程等。(5)計算與核對。(6)報告計算結(jié)果。例1:擬將原料油中得有機硫通過催化加氫轉(zhuǎn)變成H2S,進而脫出之,油中不飽與烴也加氫飽與。若原料油得進料速率為160m3/h,密度為0、9g/ml,氫氣(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))得進料速率為10800m3/h。原料油與產(chǎn)品油得摩爾分?jǐn)?shù)組成如下。組分C11H23SHC11H24C10H20=CH2原料油5%70%25%產(chǎn)品油0、1%96、8%3、1%求(1)消耗得氫氣總量;(2)分離后氣體得摩爾分?jǐn)?shù)。畫出衡算系統(tǒng)方框圖如下。氣體催化加氫H2原料油C11H23SH 5% C11H24 70% C10H20=CH225%分離C11H23SH 0.1% C11H24 96.8% C10H20=CH23.1%產(chǎn)品油寫出反應(yīng)方程式。C11H23SH+H2

C11H24+H2SC10H20=CH2+H2

C11H24選擇衡算基準(zhǔn)為1h。H22kg/kmolC11H24156kg/kmolH2S34kg/kmolC10H20=CH2152kg/kmolC11H23SH188kg/kmol原料油平均摩爾質(zhì)量=188×0、05+156×0、7+154×0、25=157、1kg/kmolH2進氣量=10800×103/22、4×10-3=482、1kmol;m=964Kg對進料原料油衡算/1h1h原料油進料物質(zhì)得量=160×900/157、1=916、6kmolC11H23SH:n=916、6×0、05=45、83Kmol;m=8616KgC11H24 :n=916、6×70%=641、62Kmol;m=100093KgC10H20=CH2:n=916、6×25%=229、15Kmol;m=35289Kg設(shè)脫硫后產(chǎn)品油得質(zhì)量為R,對C物料衡算,則有:

916、6×(0、05×11+0、7×11+0、25×11)=R(0、001×11+0、968×11+0、031×11)R=916、6kmol反應(yīng)(1)消耗得H2氣量=916、6×0、05–0、001R=44、91kmol生成得H2S氣量=44、91kmol反應(yīng)(2)消耗得H2氣量=916、6×0、25–0、031R=200、74kmol總耗H2量=44、91+200、74=245、654kmol剩余H2量=482、1-245、65=236、49kmol反應(yīng)后氣體得總量=44、91+236、49=281、4kmol設(shè)未知數(shù),列方程式,求解。故,H2S得摩爾分?jǐn)?shù)為44、91/281、4=0、16H2得摩爾分?jǐn)?shù)為236、49/281、4=0、84核對。列物料衡算表,如下。例7-5P257裂解爐乙烷乙烷99%甲烷1%炭裂解氣H2CH4C2H2C2H4C2H637.24.530.1833.0825.01選擇衡算基準(zhǔn)---原料氣=100mol進料:n(C2H6)=99mol;n(CH4)=1mol設(shè):裂解后裂解氣得物質(zhì)量為Nmol–碳守恒物料名稱摩爾質(zhì)量/g/mol進料出料molgmolgH2259、23118、46CH4161167、21115、36C2H2260、297、54C2H42852、671474、78C2H63099297039、821194、60C126、2474、898總計1002986165、462986氣體膨脹率=N/100=159、21/100=1、592X(乙烷轉(zhuǎn)化率)=(99-39、82)/99=59、78%S(乙烯得選擇性)=52、67/(99-39、82)=89%Y(乙烯得收率)=XS=59、78%×89%=53、20%2、具有循環(huán)過程得物料衡算(2)繪出流程的方框圖,并標(biāo)明各物料(1)寫出反應(yīng)方程式并配平。(3)以方程的方式列出各節(jié)點的物料衡算關(guān)系；(4)解出方程組；反應(yīng)器分離器ABFFMFRPPSPWRC反應(yīng)器分離器ABFFMFRPPSPWRC對物料輸入口節(jié)點A:FF+RC=MF對物料輸出口節(jié)點B:RC+W=SP對分離器:RP=P+SP=P+RC+W對整個反應(yīng):FF=P+W對反應(yīng)器:MF=RP例1:在銀催化劑作用下,乙烯被空氣氧化成環(huán)氧乙烷(C2H4O),副反應(yīng)就是乙烯完全氧化生成CO2與H2O。已知離開氧化反應(yīng)器得氣體干基組成就是:C2H43、22%,N279、64%

,O210、81%

,C2H4O0、83%

,CO25、5%(均為體積分?jǐn)?shù))。該氣體進入水吸收塔,其中得環(huán)氧乙烷與水蒸氣全部溶解于水中,而其她氣體不溶于水,由吸收塔頂逸出后排放少量至系統(tǒng)外,其余全部循環(huán)回氧化反應(yīng)器。計算(1)乙烯得單程轉(zhuǎn)化率;(2)生成環(huán)氧乙烷得選擇性;(3)循環(huán)比;(4)新鮮原料中乙烯與空氣量之比。寫出反應(yīng)方程式:選取反應(yīng)器出口氣中100mol干氣為衡算基準(zhǔn)設(shè)新鮮原料氣(FF)中C2H4得量為Xmol;空氣為Ymol(含79%N2與21%O2);弛放氣Wmol;乙烯完全氧化生成得H2O量為Zmol。反應(yīng)器水吸收塔ABFFMFRPPSPWRC反應(yīng)器水吸收塔ABFFMFRPPSPWRC

圍繞總系統(tǒng)做物料衡算。

采用元素得原子守恒計算,即C平衡2X=(0、83×2)+(0、0325W×2+0、0555W)H平衡4X=(0、83×4+2Z)+0、0325W×4O平衡0、21Y×2=(0、83+Z)+(0、109W×2+0、0555W×2)N平衡0、79Y×2=0、803W×2

解四個方程得:X=2、008mol;Y=19、87mol;Z=1、085mol;W=19、55mol、反應(yīng)器水吸收塔ABFFMFRPPSPWRC

副反應(yīng)消耗得乙烯量=1、085/2=0、5425mol

主反應(yīng)消耗得乙烯量=生成得EO量=0、83mol乙烯得單程轉(zhuǎn)化率=反應(yīng)消耗得乙烯總量/進入反應(yīng)器混合氣中得乙烯量×100%=(0、83+0、5425)/(X+3、22-0、0325W)×100%=29、9%

乙烯得全程轉(zhuǎn)化率

=反應(yīng)消耗得乙烯總量/新鮮原料中得乙烯量×100%=(0、83+0、5425)/2、008×100%=68、35%生成環(huán)氧乙烷得選擇性

=轉(zhuǎn)化為環(huán)氧乙烷得乙烯量/消耗得乙烯總量×100%=0、83/(0、83+0、5425)×100%=60、47%循環(huán)比=循環(huán)氣量/排放氣量

=(99、19-W)/W=4、073(摩爾比或體積比)

新鮮原料中空氣量與乙烯之比=新鮮原料氣中空氣/乙烯

=19、87/2、008=9、895(摩爾比或體積比)對于穩(wěn)定得連續(xù)流動過程,無熱量得積累,熱量衡算以熱力學(xué)第一定律為基礎(chǔ)。

輸入得總熱量=輸出得總熱量+積累得熱量+損失得熱量系統(tǒng)從外界吸收能量:Q為正;系統(tǒng)對外界放出能量:Q為負(fù);§7、3熱量衡算對于一個化學(xué)反應(yīng)進行熱量衡算熱量衡算得基本步驟(1)建立以單位時間為基準(zhǔn)得物料衡算表(2)選定計算基準(zhǔn)溫度與相態(tài)(3)查找熱量衡算中相關(guān)得熱量學(xué)數(shù)據(jù)(4)設(shè)未知數(shù)