化学基础课件第一章-化工基本计算

1、2 24 4 明确一组概念 1、反应物的摩尔比： 反应物的摩尔比指的是加入反应器中的几种 反应物之间的摩尔数之比。理论上这个摩尔 比可以和化学反应式的摩尔数相同，相当于 化学计量比。实际上对于大多数有机反应来 说，各种反应物的摩尔比并不等于化学计量 比。（主要考虑反应物的转化率和原料成本 等因素） 2. 2. 限制反应物和过量反应物 化学反应物不按化学计量比投料时，其中以 最小化学计量数存在的反应物叫做“限制反应物”。 而某种反应物的量超过限制物反应完全反应的理论 量，则该反应物称为“过量反应物”。 过量反应物超过限制反应物所需理论量部分占所 需理论量的百分数叫做“过量百分数”。 Ne： 过量

2、反应物的摩尔数； Nt： 限制反应物完全反应所消耗的摩尔数； 过量 100 t te N NN 3. 转化率 某一种反应物A反应掉的量NAR占向反应器中输 入量NA，百分数称为反应物A的转化率XA: 100 , , N NN N N X inA outAinA A AR A 4. 4. 选择性 一种反应物A反应掉的量N某占向反应器中输入量NA，in百分 数称为反应物A的转化率XA: 选择性指的是某一反应物转变成目的产物时，理论消耗的摩 尔数占该反应物在反应中实际消耗的总摩尔数的百分数。 100 , NN N outAinA p p a S NP: : 表示生成目的产物的摩尔数； A,pA,p分

3、别表示为反应物A A和目的产物P P的化学计量系数 S S： 为选择性； 5. 5. 理论收率 理论收率指的是生成目的产物的摩尔数占输入 的反应物摩尔数的百分数，用y y表示： 转化率XA,选择性S和理论收化率y三者之间的 关系为： 100 , N N inA p p a y XSy 例如，100mol100mol苯胺在用浓硫酸进行焙烘磺化时，反应产 物中含87mol87mol对胺基苯磺酸；2mol2mol未反应的苯胺，另外 还有一定数量的焦油物， %00.98100 100 2100 苯胺的转化率X %78.88100 2100 1 1 87 苯胺的选择性 S %00.87%78.88%98

4、y XS苯胺的理论收率 6. 6. 质量收率 y y质 反应过程生成目的产物的质量占某一输入反应 物质量的百分数 某输入反应物的质量 所得目的产物的质量 质 100 y 7. 原料消耗定额：（单耗） 原料消耗定额是指生产1吨（或公斤）产品需 要消耗多少吨（或公斤）各种原料，对于主要 反应物来说，它实际上是质量收率的倒数。 8. 单程转化率和总转化率 有些生产过程，主要反应物每次经过反应器后的转化 率并不太高，但是未反应的主要反应物大部分可经过 分离回收循环套用。这时要将转化率分为单程转化率 和总转化率两项。 总转化率100 S in, out,in, N NN A S A S A X 表示反应

5、物A输入和输出反应器的摩尔数 NA k in,NA k out, N S A in,N S A out, 表示反应物A输入和输出全过程的摩尔数 单程转化率100 k in, out,in, N NN A K A K A X 衡算基准的选择示例 计算基准的选择是计算的关键。基准选择恰当 可使计算工作大为简化、计算过程清晰、计算 结果误差减少。相反，基准选择不当，不仅使 计算过程复杂、麻烦，有时还会造成计算结果 错误。 例1 丙烷充分燃烧时要供入空气量125%，反应 式为 C3H8 + 5O2 3CO2 + 4H2O 问：每100摩尔燃烧产物需空气量多少摩尔？ 解题思路：有三种不同的基准选取方法：

6、 （1） 选取1mol C3H8 气体作为基准。 （2） 选取1mol 空气作为基准。 (3) 选取100 mol 烟道气作为基准。 （1） 选取1mol C3H8 气体作为基准，所需 空气量为： 燃烧需理论氧5mol 总需加入氧量1.2556.25mol 折 算 为 空 气 空 气 中 氧 占 2 1 % （ 体 积)29.76mol 氮=23.51摩 化合 物 摩克化合 物 摩克 C3H8144CO23132 空气29.76859.5H2O472 O21.2540 N223.51658.3 总计30.76903.5 31.76902.3 物料衡算结果（以1mol C3H8 气体为基准） 每

7、100摩尔烟道气所需空气量为: 100摩烟道气 (6.25+23.51) mol空气/ 31.76 摩烟道气 = 93.7mol空气 (2) 选取1mol 空气作为基准。考虑到空气过剩 量，C3H8的摩尔为0.0036 15 0.211.250.0036 由此计算得各物质量见下表所示： 物料衡算结果如表所示： 入出 化 合 物 摩克化 合 物 摩克 C3 H8 0.0 336 1.4 8 CO 2 0.1 01 4.4 4 空 气 1.028. 84 H2 O 0.1 35 2.4 3 O20.0 42 1.3 4 N20.7 9 22. 12 总 计 1.0 336 30. 32 1.0 6

8、8 30. 33 每100摩尔烟道气所需空气量为: (100摩烟道气1.0摩空气) / 1.068摩烟道气 = 93.7mol空气 (3) 选取100 mol 烟道气作为基准。令 N = 烟道气中N2摩尔数 M = 烟道气中O2摩尔数 P = 烟道气中CO2摩尔数 Q = 烟道气中H2O摩尔数 A = 入口空气摩尔数 B = 入口丙烷摩尔数 共有6个未知数，求解时必需有6个独立方程式 以上共列出9个线性方程式，含6个未知数（A, B, N, M, P, Q）, 解此6个未知数时，可先检查 上列9个线性方程式是否都是独立的？如果不 是，那些是多余的？我们发现：方程式（7，8， 9）都与式（1-6

9、）相关，因此，线性独立方程 式只有（16）相关。6个方程，6个未知数， 有确定解。 我们用矩阵解之。矩阵解法如下： ： 改写为矩阵式： 0 100 0 0 0 0 00100042. 0 111100 0001079. 0 5 . 0110021. 0 100040 010030 Q P M N B A 即 AX=C 当方程组有唯一解时，应有： X=A-1C 利用MATLAB软件进行计算，过程为： A=0 3 0 0 -1 0;0 4 0 0 0 -1;0.21 0 0 -1 -1 - 0.5;0.79 0 -1 0 0 0;0 0 1 1 1 1;0.042 0 0 -1 0 0 C=0;0

10、;0;0;100;0 X=inv(A)*C 计算结果如下： X = 93.7031 3.1484 74.0255 3.9355 9.4453 12.5937 从上述三种解法中可看出，第三种解法虽然避 免了将物料流转换为规定的基准，但却比第一、 第二种解法工作量大得多。从题意要求看，第 一、第二种解法所选定的基准较恰当。 25有化学反应物料衡算 1一般反应过程物料衡算 （1）直接求解法 只含一个未知量或组成可根据化学反应 式直接求解 主要是通过化学计量系数来计算，但计算时 要注意一些特殊情况。现在以邻二甲苯氧化制 苯酐为例来说明。 例1 1 邻二甲苯氧化制苯酐，反应式是 C8H10 + 3O2

11、C8H4O3 + 3H2O 设邻二甲苯的转化率为6060，氧用量为理论量 的150150，每小时投料量为100100千克，作物料衡 算。 解题思路： 1 1生产中，氧气的引入以空气的方式引入的， 组成为氧气和氮气，计算时注意。 2.2. 氧用量为理论量的150150，应将邻二甲苯的 转化率考虑在内，即为发生反应的邻二甲苯的 量为基础来考虑这一问题。 3. 3. 选择基准灵活。可选（1 1）邻二甲苯进料 100100千克。（2 2）氧气进料100100千克。（3 3）空气 进料100100千克。（4 4）每小时进料量为100100千 克 取邻二甲笨进料100千克。 进料：邻二甲笨1001060.

12、944kmol 氧0.944 60% 3 150%=2.55kmol 出料：笨酐 0.944 60% 148=83.83千克 水 0.944 60% 3 18=30.6千克 乘余邻二甲笨 100 40%=40千克 氧 （2.550.944 60% 3) 32=27.22 千克 氮 2.55 0.79/0.21 28=268.6千克 (2)(2)以结点作衡算 在生产中常常发现这样的情况，某些产品的组 成须采用旁路调节才送往下一工序。下面举一 旁路调节的例子。 例3 某工厂用烃类气体转化制合成气生产甲 醇 ， 合 成 气 体 为 2 3 2 1 标 米 3 / 时 ， CO/H2=1/2.4(摩)

13、。但是转化后的气体体积组 成为CO 43.12%, 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， 变换后气体体积组成为CO 8.76%, H 2 89.75%, 气体体积减小2%。用此变换气去调 节转化气。求转化气、变换气各应多少？ 解题思路： 1. 关于旁路调节的例子，我们可选结点作衡 算。此时，关键在于根据题意和生产情况，画 出流程简图来。 2气体的体积组成与标准状态下的摩尔百分 组成一致。 3凡存在分流操作、旁路调节的反应单元或 物理操作单元时，衡算时应注意利用结点。 (3)利用联系物作衡算 生产过程中常有不参加反应的物料，这种物 料习惯上称为惰性物料。由于

14、它的数量（质量、 摩尔数等）在反应器的进、出料中不变化，我们 可以用它和另一些物料在组成中的比例关系去计 算另一些物料的数量，因此，我们称这种惰性物 料为衡算联系物。 选择衡算联系物注意：（1）采用联系物作衡算， 可以简化计算。（2）有时在同一系统中可能有 数个惰性物质，可联合采用以减小误差。（3） 但是要注意当某惰性物数量很少，且此组分分析 相对误差很大时，则不宜选用此惰性物质作联系 物。 例4 某氧化过程排出的尾气，体积组成已知 为O2：10、N2：85、CO2：5，计算空 气用量及氧耗量。 解：以氮为联系物，计算基准为尾气100摩尔。 尾气中氮=10085=85摩 空气耗量=85/0.7

15、9=107.6摩 进料空气中含氧量=107.621%=22.6摩 氧耗量=22.6-10=12.6摩 (4)元素衡算 元素衡算是物料衡算的一种重要形式，不需具 体反应式，是按照元素种类被转化及重新组合 的概念表示为： 输入（某种元素）输出（同种元素） 对反应过程中化学反应很复杂，无法用一或 两反应式表示的物料衡算问题，可以列出元素 衡式，用代数法求解。 例：甲烷，乙烷与水蒸气用镍催化剂进行转化 反应，生成氢气，反应器出口气体组成（干基） 为： 组分 CH4 C2H6 CO CO2 H2 Mol% 4.6 2.5 18.6 4.6 89.7 假定原料只含甲烷乙烷两种，求两种气体摩尔 比？1000标米原料气，需多少克蒸气？ 例5 萘用空气氧化制苯酐，尾气组成（干基） 为O2：12.6、