物料管理_物料衡算和能量衡算概述

二 直接推算法 1 无化学反应的物料衡算 例2 过滤过程物料衡算 解 总平衡 F1 2000 F2 F3固体平衡 2000 0 25 0 01F2 0 9F3联解上两式可得 F2 1460 7kg hF3 539 3kg h 例3 某蒸发过程及已知条件如下图所示求 母液量 蒸发水分量 结晶出的NaCl量 解 本题为间歇过程总平衡 F1 F2 F3 F4NaOH平衡 0 1F1 0 5F4NaCl平衡 0 1F1 0 02F4 F3联解上三式可得 F4 200kgF2 704kgF3 96kg 物料衡算计算框图1 粗品 2 注射用水 3 溶解液 4 活性炭 5 滤渣 6 滤液 7 洗涤水 8 两级滤渣 9 两级滤液 10 溶析剂 11 结晶料液 12 丙酮 13 母液 14 湿品 15 水 16 产品 系统衡算组分编码表 产品干燥 洗涤过滤 2 有化学反应的物料衡算 CH3OH 输入 1mol 基准 O2 需要 0 5mol O2 输入 1 5 0 5 0 75mol N2 输入 N2 输出 0 75 79 21 2 82mol HCHO 输出 0 75mol CH3OH 输出 1 反应的CH3OH 1 0 75 0 25mol O2 输出 0 75 0 75 0 5 0 375mol H2O 输出 0 75molN2 输出 2 82mol列出物料衡算表 见附表 输入量 输出量 例5 苯乙烯的反应器 年生产能力为10000t 年工作时间为8000h 苯乙烯收率为40 以反应物乙苯计的苯乙烯选择性为90 苯选择性为3 甲苯选择性为5 焦油选择性为2 原料乙苯中含甲苯2 质量分数 反应时通入水蒸气提供部分热量并降低乙苯分压 乙苯原料和水蒸气比为1 1 5 质量比 要求对该反应器进行物料衡算 即计算进出反应器各物料的流量 解 反应器中发生了以下化学反应 C6H5C2H5C6H5C2H3 H2 1 C6H5C2H5 H2C6H5CH3 CH4 2 C6H5C2H5C2H4 C6H6 3 C6H5C2H57C 3H2 CH4 4 各物料的摩尔质量汇总列于表3 1 表3 1各物料的摩尔质量 基准 选1000kg h乙苯原料为计算基准 进反应器纯乙苯量1000kg h 98 980kg h 即为9 245kmol h原料中甲苯量1000kg h 2 20kg h 即为0 217kmol h水蒸气量980kg h 1 5 1470kg h 即为81 667kmol h乙苯的转化率为0 4 0 9 0 4444参加反应的总乙苯量980kg h 0 4444 435 11kg h 即为4 109kmol h 未反应的乙苯量 980 435 11 kg h 544 89kg h 即为5 140kmol h由苯乙烯选择性 生成苯乙烯量4 109kmol h 90 3 698kmol h 即为384 60kg h由各物质的选择性 有输出的甲苯量4 109kmol h 5 0 217kmol h 0 423kmol h 即为38 92kg h生成的苯量4 109kmol h 3 0 123kmol h 即为9 60kg h生成的乙烯量4 109kmol h 3 0 123kmol h 即为3 44kg h生成的碳量4 109kmol h 2 7 0 575kmol h 即为6 9kg h生成的甲烷量4 109kmol h 5 2 0 288kmol h 即为4 61kg h输出的氢量4 109kmol h 90 5 2 3 3 739kmol h 即为7 48kg h输出水量 输入水量 不参与反应 1470kg h 即为81 667kmol h实际每小时要求苯乙烯的产量10000 1000kg 8000h 1250kg h比例系数1250 384 60 3 25 表3 2乙苯脱氢反应器物料衡算表 三 原子平衡法 例6 将碳酸钠溶液加入石灰进行苛化 已知碳酸钠溶液组成为NaOH0 59 质量分数 Na2CO314 88 H2O84 53 反应后的苛化液含CaCO313 48 Ca OH 20 28 Na2CO30 61 NaOH10 36 H2O75 27 计算 1 每100kg苛化液需加石灰的质量及石灰的组成 2 每100kg苛化液需用碳酸钠溶液的质量 图3 2物料流程示意图 解 设碳酸钠溶液的质量为F kg 石灰的质量为W kg 石灰中CaCO3 CaCO3及Ca OH 2的质量分别设为x y和z 则石灰中各物质的组成可表示为 x W y W z W基准 100kg苛化液画出物料流程示意图 图3 2 Ca OH 2 Na2CO3 CaCO3 2NaOH 表3 3各种物料质量和物质的量计算结果 列元素平衡式Na平衡 0 000148F 0 001404F 2 0 00575 2 0 2590 kmolC平衡 Ca平衡 总物料平衡 F W 100kg mol石灰总量等于各物质质量之和W x y z计算结果汇总列入表3 4 表3 4计算结果汇总 四 平衡常数法对反应aA bB cC dD平衡时 其平衡常数为 式中 为化学反应的平衡常数 其可以表示为 浓度以mol L 1表示 浓度以分压p表示 N浓度以摩尔分率表示 例7 试计算合成甲醇过程中反应混合物的平衡组成 设原料气中H2与CO摩尔比为4 5 惰性组分 I 含量为13 8 压力为30MPa 温度为365 平衡常数 2 505 10 3MPa 2 写出化学反应平衡方程式 CO 2H2CH3OH设进料为1mol 其组成为 I 0 138mol H2 1 0 138 4 5 5 5 0 7053 CO 1 0 138 5 5 0 1567基准 1mol原料气 设转化率为 则出口气体组成为 CO 0 1567 1 x H2 0 7053 2 0 1567x CH3OH 0 1567x I 0 138 1 0 3134 将上式代入平衡平常表达式 平衡时出口气体中各组成的摩尔分率为 CO0 0948 H20 6521 CH3OH0 0902 I0 1629 计算出口气体各组分的分压 五 带有循环 放空及旁路的物料平衡 1 试差法估计循环流量 并继续计算至循环回流的那一点 将估计值与计算值进行比较 并重新假定一个估计值 一直计算到估计值与计算值之差在一定的误差范围内 2 代数法列出物料平衡方程式 并求解 一般方程式中以循环量作为未知数 应用联立方程的方法进行求解 例8 苯乙烯制取过程如图3 3所示 先由乙烯与苯反应生成乙苯C2H4 C6H6C6H5C2H5C6H5C2H5C6H5C2H3 H2乙苯是在560K 600kPa 在催化剂作用下 乙烯与苯的摩尔比为1 5进行气相合成的 副反应生成的多乙基苯在乙苯精馏塔中分离出来 乙烯的转化率为100 乙苯脱氢反应在850K 乙苯的单程转化率为60 苯乙烯的选择性为90 反应中由于副反应生成的物质与苯乙烯质量之比 苯与甲苯为7 胶状物质为2 废气为7 乙苯脱氢反应为吸热反应 为提供反应过程中的反应热 同时抑制副反应 在反应中直接加入过热蒸汽 反应后未反应的乙苯分离后循环返回乙苯脱氢装置 假定进料的乙烯量为100kmol 试计算 从苯塔中回收循环至烷基化反应器的苯量 kmol 从乙苯塔中回收循环至乙苯脱氢装置的乙苯 kmol 乙苯塔塔顶和塔底的馏出量 kg 年产50000t苯乙烯 乙苯脱氢装置的物料衡算 图3 3苯乙烯制取过程 解基准 100kmol乙烯 烷基化反应设苯的循环量为R1R1 400kmol 设乙苯的循环量为R2 100 R2 0 6 100R2 66 67kmol 生成苯乙烯 S S 100 66 67 0 6 0 9 90kmol 9378kg苯 甲苯为9378 0 07 656 5kg废气为9378 0 07 656 5kg胶状物质为9378 0 02 187 6kg未反应的乙苯为 100 66 67 1 0 6 66 67kmol 7080 4kg馏出液 乙苯 为7080 4kg釜底液 苯乙烯 胶状物质 为9378 0 187 6 9565 6kg 进料乙苯为50000 100 106 2 9378 0 56621t未反应的乙苯 循环乙苯为50000 7080 4 9378 0 37750t苯 甲苯为50000 656 5 9378 0 3500t废气为3500t胶状物质为50000 187 6 9378 0 1000t反应器应供给的过热水蒸气 50000 37750 3500 3500 1000 56621 37750 1379t计算结果列于表3 5中 表3 5乙苯脱氢装置的物料衡算 苯乙烯50000t 例9 试计算年产15000吨福尔马林 甲醛溶液 所需的工业甲醇原料消耗量 并求甲醇转化率和甲醛收率 已知条件 氧化剂为空气 用银催化剂固定床气相氧化 过程损失为甲醛总量的2 质量 年开工8000小时 有关数据 工业甲醇组成 质量 CH3OH98 H2O2 反应尾气组成 V CH40 8 O20 5 N273 7 CO24 0 H221 福尔马林组成 质量 HCHO36 22 CH3OH7 9 H2O55 82 解 反应消耗氧量取尾气100Nm3为计算基准 氮作为联系物 其中氧量 换算为摩尔数 反应耗氧量 空气进料量计算 甲醇消耗量计算反应 3 消耗甲醇量为反应 4 消耗甲醇量为反应 2 生成的氢 部分消耗于反应 4 现尾气中H2 21 氢摩尔数为则反应 2 消耗甲醇量为973 5 35 7 1009 2mol每生成100Nm3尾气时消耗甲醇量为178 6 35 7 1009 2 1169 6 2393 1mol2393 1mol 32 76 6kg 甲醇总消耗量计算每消耗2393 1摩尔甲醇生成甲醛的量为1169 6 1009 2 2178 8mol2178 8 30 65 36kg机械损失为2 实得65 36 0 98 64 1kg得工业福尔马林 其中含未反应的甲醇177 7 9 13 98kg每生成177kg福尔马林共消耗工业甲醇 由此得甲醇转化率为 甲醛收率 工业甲醇年消耗量每小时福尔马林产量 考虑到设计裕量 设福尔马林产量为2t h消耗工业甲醇量 所需空气量 用水量计算工业福尔马林含水177 0 558 98 8kg工业甲醇含水92 0 02 1 84kg由反应生成的水为按反应 1 生成1169 6mol按反应 3 生成178 6 2 357mol按反应 4 生成35 7mol共计生成水1169 6 357 35 7 1562 1mol 为制取177kg福尔马林须补充水98 8 1 84 28 1 68 86kg按产量为2t h须补充水量为2000 177 68 86 778kg h通过下列计算得出物料衡算结果并示于物料平衡流程图3 6中 例10 乙炔预冷器热量衡算 图4 1乙炔预冷器热量衡算示意图 1 搜集物料衡算等数据 2 画出热量衡算示意图 3 确定衡算体系 4 选择温度基准 25 相态基准 气相则 H1 0 无化学反应的热量衡算 查得各组分在15 时的热容值 代入上式计算即可 一 以标准反应热为基础进行衡算一 反应热在化学反应中放出的热量取决于反应条件 在标准条件下 纯组分 压力为0 1MPa 温度为25 并非一定需要 反应进行时放出的热量称为标准反应热 对于简单反应过程 假定位能与动能忽略不计则 式中 为进反应器物料在等压变温过程中的焓变和有相变时的焓变之和 为出反应器物料在等压变温过程中的焓变和有相变时的焓变之和 反应过程的能量衡算 例3 7氨氧化反应器的能量衡算氨氧化反应式为 4NH3 气 5O2 气 4NO 气 6H2O 气 此反应在25 101 3kPa的反应热为 904 6kJ mol 现有25 100molNH3 h和200molO2 h连续进入反应器 氨在