化工过程开发与设计 第5章 物料衡算ppt课件

1、化工过程开发与设计化工过程开发与设计 第第5 5章章 物料衡算物料衡算化工过程开发与设计化工过程开发与设计:化工过程开发与设计化工过程开发与设计 不同过程的物料衡算5.2化工过程的物料衡算5.3物料衡算的根本概念5.1第5章 物料衡算计算机辅助计算方法在物料衡算中的运用5.4:化工过程开发与设计化工过程开发与设计 5.1 物料衡算的根本概念12物料衡算式物料衡算式物料衡算的根本步骤物料衡算的根本步骤:化工过程开发与设计化工过程开发与设计 5.1.1 物料衡算式物料衡算是根据质量守恒定律，利用某进出化工过程中某些知物流的流量和组成，经过建立有关物料的平衡式和约束式，求出其它未知物流的流量和组成的

2、过程。系统中物料衡算的普通表达式为系统中的积累=输入-输出+生成-耗费 5-1输入=输出-生成+耗费 5-2输入=输出 5-3:化工过程开发与设计化工过程开发与设计 5.1.1 物料衡算式表表5-1 5-1 稳态过程中物料衡算式的适用情况稳态过程中物料衡算式的适用情况类别物料衡算形式无化学反应有化学反应总衡算式总质量衡算式适用适用总物质的量衡算式适用不适用组分衡算式组分质量衡算式适用不适用组分物质的量衡算式适用不适用元素原子衡算式元素原子质量衡算式适用适用元素原子物质的量衡算式适用适用:化工过程开发与设计化工过程开发与设计 5.1.2 物料衡算的根本步骤1搜集数据2画出流程表示图3确定衡算系统

3、和计算方法4选择适宜的计算基准5列出物料衡算式，用数学方法求解6将计算结果列成输入输出物料表7结论:化工过程开发与设计化工过程开发与设计 5.2 不同过程的物料衡算12物理过程的物料衡算物理过程的物料衡算反响过程的物料衡算反响过程的物料衡算:化工过程开发与设计化工过程开发与设计 5.2.1 物理过程的物料衡算1 1混合混合混合过程即为假设干股物料在同一容器混合器内混混合过程即为假设干股物料在同一容器混合器内混合为一股物料而流出的过程。合为一股物料而流出的过程。例例5.1 5.1 一种废酸，组成一种废酸，组成wt%wt%为为HNO323%HNO323%、H2SO457%H2SO457%、H2O2

4、0%H2O20%，参与浓度为，参与浓度为93%93%的浓的浓H2SO4H2SO4和浓度为和浓度为90%90%的浓的浓HNO3HNO3，要求混合成含要求混合成含27%HNO327%HNO3和和60%H2SO460%H2SO4的混合酸，计算所需废的混合酸，计算所需废酸及参与浓酸的数量。酸及参与浓酸的数量。:化工过程开发与设计化工过程开发与设计 5.2.1 物理过程的物料衡算解1画物料流程简图5.1。混 合 器1 废酸W1HNO3 23%H2SO4 57%H2O 20%4混合酸 HNO3 27%H2SO4 60%H2O 13%H2O 13%2 HNO3 90%H2O 10%3H2SO4 93%H2O

5、 7%W4=100kg图图5.1 5.1 混合过程物料流程简图混合过程物料流程简图:化工过程开发与设计化工过程开发与设计 5.2.1 物理过程的物料衡算2选择基准3列物料衡算式W1=41.8kg 废酸W2=19.2kg 浓HNO3W3=39kg 浓H2SO44列出物料平衡表5-2。:化工过程开发与设计化工过程开发与设计 5.2.1 物理过程的物料衡算表表5-2 5-2 物料平衡表物料平衡表流股1234组分废酸浓HNO3浓H2SO4混合酸kg%(wt)kg%(wt)kg%(wt)kg%(wt)H2SO423.835736.28936060HNO39.612317.28902727H2O8.362

6、01.92102.7271313合计41.810019.210039100100100:化工过程开发与设计化工过程开发与设计 5.2.1 物理过程的物料衡算2 2物理吸收物理吸收吸收是指用适当的液体吸收剂处置气体混合物，以除去吸收是指用适当的液体吸收剂处置气体混合物，以除去其中一种或多种组分的操作。其中一种或多种组分的操作。图图5.2 5.2 吸收塔表示图吸收塔表示图:化工过程开发与设计化工过程开发与设计 5.2.1 物理过程的物料衡算全塔的物料衡算为： 5-4 5-5)()(2121XXLYYV2*21minXXYYVLmin)0 . 22 . 1 (LL :化工过程开发与设计化工过程开发与

7、设计 5.2.1 物理过程的物料衡算3 3精馏精馏1 1延续蒸馏延续蒸馏WDFWiDiFiWxDxFxD,DF, FW, xW W,W蒸馏塔图图5.4 5.4 延续蒸馏流程简图延续蒸馏流程简图:化工过程开发与设计化工过程开发与设计 5.2.1 物理过程的物料衡算例例5.3 5.3 延续常压蒸馏塔进料为含苯质量分数下同延续常压蒸馏塔进料为含苯质量分数下同38%38%和甲苯和甲苯62%62%的混合溶液，要求馏出液中能回收原料中的混合溶液，要求馏出液中能回收原料中97%97%的苯，釜残液中含苯不高于的苯，釜残液中含苯不高于2%2%，进料流量为，进料流量为20000kg/h20000kg/h，求馏出液

8、和釜残液的流量和组成。，求馏出液和釜残液的流量和组成。解：解：F,B38780.419638627892xD,B94.5194.510.8752108xD:化工过程开发与设计化工过程开发与设计 5.2.1 物理过程的物料衡算表表5-3 5-3 蒸馏塔物料平衡表蒸馏塔物料平衡表流股组分塔进料塔顶馏出物釜残液kg/h %(wt)kmol/h%(mol)kg/h %(wt)kmol/h%(mol)kg/h %(wt)kmol/h%(mol)苯760003897.4341.967372.685.6094.5287.52227.82.02.922.35甲苯1240062134.858.041240.21

9、4.4013.4812.4811159.498.0121.397.65合计20000100232.21008612.810010810011387.2100124.2100:化工过程开发与设计化工过程开发与设计 5.2.1 物理过程的物料衡算2 2常规精馏常规精馏例例5.4 5.4 有一精馏塔，其进料组成和塔顶馏出物组成如有一精馏塔，其进料组成和塔顶馏出物组成如图图5.55.5所示。所示。图图5.5 5.5 常规精馏流程简图常规精馏流程简图:化工过程开发与设计化工过程开发与设计 5.2.1 物理过程的物料衡算解：F2=38.8kmol/h， F3=61.2kmol/h1002 . 001. 0

10、5 . 032FF表表5-4 5-4 例例5.45.4的物料平衡表的物料平衡表流股123组分进料塔顶馏出物塔釜排出液kmol/h%(mol)kmol/h%(mol)kmol/h%(mol)丙烷202019.40500.61异丁烷202016.68433.3165.4异戊烷20202.33617.6728.87正戊烷40400.388139.6164.72合计10010038.8010061.2100:化工过程开发与设计化工过程开发与设计 5.2.2 反响过程的物料衡算1 1根本概念根本概念1 1限制反响物限制反响物2 2过量反响物过量反响物 5-65-63 3转化率转化率 5-75-7%100

11、molmol%）需要的物质的量（与限制反应物完全作用）过量的物质的量（过量()()100%()sqSqSqS入，出，入，:化工过程开发与设计化工过程开发与设计 5.2.2 反响过程的物料衡算4反响速率 RS=Sr (5-8)q出，S= q入，S+Sr s=1，2，s (5-9)5收率 YP，Q= (5-10)(P)(max,P)RR:化工过程开发与设计化工过程开发与设计 5.2.2 反响过程的物料衡算例例5.5 5.5 邻二甲苯氧化制取苯酐，反响式为邻二甲苯氧化制取苯酐，反响式为C3H10+3O2C8H4O3+3H2OC3H10+3O2C8H4O3+3H2O设邻二甲苯的转化率为设邻二甲苯的转化

12、率为60%60%，氧用量为实践反响用量的，氧用量为实践反响用量的150%150%，假设邻二甲苯的投料量为，假设邻二甲苯的投料量为100kg/h100kg/h，作物料衡算。，作物料衡算。解解进料：邻二甲苯进料：邻二甲苯C8H10 100/106=0.944kmol/hC8H10 100/106=0.944kmol/h 氧氧O2 0.944O2 0.9440.60.63 3150%=2.55kmol/h150%=2.55kmol/h:化工过程开发与设计化工过程开发与设计 5.2.2 反响过程的物料衡算出料：苯酐C8H4O3 0.9440.6148=83.83kg/h 水H2O 0.9440.631

13、8=30.6kg/h 剩余邻二甲苯 1000.4=40kg/h 剩余氧 (2.55-0.9440.63)32=27.22kg/h 氮N2 /hkg6 .26828217955. 2:化工过程开发与设计化工过程开发与设计 5.2.2 反响过程的物料衡算表表5-5 5-5 例例5.55.5计算结果计算结果进 料出 料物料kmol/hkg/hkmol/hkg/h邻二甲苯0.9441000.37740氧2.5581.60.85127.22氮9.59268.69.59268.6苯酐0.56683.83水1.7030.60合计13.084450.213.084450.25:化工过程开发与设计化工过程开发与

14、设计 5.2.2 反响过程的物料衡算例例5.6 5.6 在间歇釜中，往苯中通入氯气消费氯苯，所用在间歇釜中，往苯中通入氯气消费氯苯，所用工业苯纯度为工业苯纯度为97.5%97.5%，氯气纯度为，氯气纯度为99.5%99.5%。为控制副产物。为控制副产物的生成量，当氯化液中氯苯质量分数达的生成量，当氯化液中氯苯质量分数达0.400.40时，停顿通时，停顿通氯，此时氯化液中二氯苯质量分数为氯，此时氯化液中二氯苯质量分数为0.020.02，三氯苯质量，三氯苯质量分数为分数为0.0050.005。试作每釜消费。试作每釜消费1 1吨氯苯的物料衡算。吨氯苯的物料衡算。:化工过程开发与设计化工过程开发与设计

15、 5.2.2 反响过程的物料衡算表表5-6 5-6 物料衡算表物料衡算表输入/kg输出/kg工业苯2218.2未反应苯1437.5 其中纯苯2162.7氯苯1000 杂质55.5二氯苯50 工业氯气697.6三氯苯12.5其中纯氯气694.1氯化氢356.7杂质3.5杂质59.0总计2915.8总计2915.7杂质3.5杂质59.0总计2915.8总计2915.7:化工过程开发与设计化工过程开发与设计 5.2.2 反响过程的物料衡算例例5.7 5.7 在乙二醇消费中，所用的反响物是由乙烯部分在乙二醇消费中，所用的反响物是由乙烯部分氧化法制得的环氧乙烷。制取环氧乙烷的方法是将乙烯氧化法制得的环氧

16、乙烷。制取环氧乙烷的方法是将乙烯在过量空气存在下经过银催化剂。在过量空气存在下经过银催化剂。解：解：图图5.6 5.6 乙烯部分氧化乙烯部分氧化:化工过程开发与设计化工过程开发与设计 5.2.2 反响过程的物料衡算例例5.8 5.8 将苯氯化生成一种由一氯、二氯、三氯和四氯将苯氯化生成一种由一氯、二氯、三氯和四氯化苯组成的混合物，其反响为：化苯组成的混合物，其反响为：C6H6+Cl2C6H5Cl+HClC6H6+Cl2C6H5Cl+HCl，其反响速率为，其反响速率为r1r1；C6H5Cl+Cl2C6H4Cl2+HClC6H5Cl+Cl2C6H4Cl2+HCl，其反响速率为，其反响速率为r2r2

17、；C6H4Cl2+Cl2C6H3Cl3+HClC6H4Cl2+Cl2C6H3Cl3+HCl，其反响速率为，其反响速率为r3r3；C6H4Cl3+Cl2C6H2Cl4+HClC6H4Cl3+Cl2C6H2Cl4+HCl，其反响速率为，其反响速率为r4r4。:化工过程开发与设计化工过程开发与设计 5.2.2 反响过程的物料衡算氯化过程的主要产物是三氯化苯C6H3Cl3，它是固体，用做枯燥清洁剂。假设氯和苯的进料速率比为Cl2C6H6=3.61，其产物的组成mol%：C6H6 1，C6H5Cl 7，C6H4Cl2 12，C6H3Cl3 75，C6H2Cl4 5。假设反响器负荷为1000mol/h苯，

18、计算副产物HCl和主产品C6H3Cl3的产率mol/h。:化工过程开发与设计化工过程开发与设计 5.2.2 反响过程的物料衡算解：图图5.7 5.7 苯氯化流程图苯氯化流程图:化工过程开发与设计化工过程开发与设计 5.2.2 反响过程的物料衡算4 4以结点作衡算以结点作衡算在消费中有些情况下，特别是对大型标题，可以分解为在消费中有些情况下，特别是对大型标题，可以分解为小分流，以便使计算简化。小分流，以便使计算简化。图图5.8 5.8 结点表示图结点表示图:化工过程开发与设计化工过程开发与设计 5.2.2 反响过程的物料衡算例例5.9 5.9 某工厂用烃类气体转化制取合成甲醇的原料气。某工厂用烃

19、类气体转化制取合成甲醇的原料气。在规范形状下，要求原料气量为在规范形状下，要求原料气量为2321m3/h2321m3/h，其中一氧化碳，其中一氧化碳与氢气的量与氢气的量molmol的比为的比为124124。转化制成的气体组成。转化制成的气体组成x xCOCO为为0.43120.4312摩尔百分数，下同，摩尔百分数，下同，x xH2H2为为0.5420.542，此组成不符合合成甲醇的要求。为此，需将部分转化气送至此组成不符合合成甲醇的要求。为此，需将部分转化气送至COCO变换反响器变换，变换后气体组成变换反响器变换，变换后气体组成x xCOCO为为0.08760.0876，x xH2H2为为0.

20、89750.8975，气体脱，气体脱CO2CO2后体积减少后体积减少2%2%，用此气体去调，用此气体去调理转化气，使之符合原料气质量要求，计算转化气、变换气理转化气，使之符合原料气质量要求，计算转化气、变换气各需多少？要求原料气中各需多少？要求原料气中x xCO+H2CO+H2占占0.980.98。:化工过程开发与设计化工过程开发与设计 5.2.2 反响过程的物料衡算解：图图5.9 5.9 甲醇原料气配制图甲醇原料气配制图:化工过程开发与设计化工过程开发与设计 5.2.2 反响过程的物料衡算5 5利用联络组分作物料衡算利用联络组分作物料衡算所谓所谓“联络组分，系指衡算过程中联络衡算系统进、联络

21、组分，系指衡算过程中联络衡算系统进、出物流的特定组分。当组分从一个物流进到另一物流时，出物流的特定组分。当组分从一个物流进到另一物流时，假设它的形状和总量未发生变化，而在不同物流中所占假设它的形状和总量未发生变化，而在不同物流中所占的相对百分数不同，我们利用它的这种特点计算其它组的相对百分数不同，我们利用它的这种特点计算其它组分的量和物流总量。用这种方法可使计算变得简单易行。分的量和物流总量。用这种方法可使计算变得简单易行。:化工过程开发与设计化工过程开发与设计 5.2.2 反响过程的物料衡算例例5.10 5.10 甲烷和氢的混合气与空气完全熄灭以加热锅甲烷和氢的混合气与空气完全熄灭以加热锅炉

22、。反响方程式如下：炉。反响方程式如下：CH4+2O22H2O+CO2 CH4+2O22H2O+CO2 1 1H2+ O2H2O H2+ O2H2O 2 2产生的烟道气经分析其组成摩尔分数：产生的烟道气经分析其组成摩尔分数：x xN2N2为为0.72190.7219，x xCO2CO2为为0.08120.0812，x xO2O2为为0.02440.0244，x xH2OH2O为为0.17250.1725。试求：。试求：1 1燃料中燃料中CH4CH4与与H2H2的摩尔比；的摩尔比；2 2空气与空气与CH4+H2CH4+H2的摩尔比。的摩尔比。:化工过程开发与设计化工过程开发与设计 5.2.2 反响

23、过程的物料衡算解：图图5.10 5.10 加热锅炉表示图加热锅炉表示图表表5-7 5-7 例例5.105.10计算结果计算结果组分入出组分入出燃料/mol空气/mol烟道气/mol燃料/mol空气/mol烟道气/molH21.0200CO2008.12CH48.1200H2O0017.25O2019.192.44总计9.1491.38100N2072.1972.19:化工过程开发与设计化工过程开发与设计 5.2.2 反响过程的物料衡算解： mol20.21O100 0 721919.190.79n（）.94. 919. 938.9196. 702. 112. 8:化工过程开发与设计化工过程开发

24、与设计 5.2.2 反响过程的物料衡算6 6利用化学平衡作物料衡算利用化学平衡作物料衡算平衡转化率是化学反响到达平衡后反响物转化为产物的平衡转化率是化学反响到达平衡后反响物转化为产物的百分数。百分数。100%反应平衡后原料转化产物的摩尔数平衡转化率投入原料的摩尔数100%平衡时主要产品的摩尔数平衡产率原料按反应式全部变成主要产品得到的产品摩尔数:化工过程开发与设计化工过程开发与设计 5.2.2 反响过程的物料衡算例例5.11 5.11 知知C2H4C2H4g g+H2O+H2Og g C2H5OH C2H5OHg g在在400K400K时，平衡常数时，平衡常数Kp=9.87Kp=9.8710-

25、4kPa10-4kPa。假设原料是由。假设原料是由1mol1mol的的C2H4C2H4和和1mol1mol的的H2OH2O组成，试求在该温度和组成，试求在该温度和101.325 kPa101.325 kPa下下C2H4C2H4的转化率，并计算平衡体系中各物质的浓度气体的转化率，并计算平衡体系中各物质的浓度气体可当作理想气体。可当作理想气体。解：设解：设C2H4C2H4的转化率为的转化率为，那么反响平衡时系统内物料，那么反响平衡时系统内物料的组成为的组成为C2H4C2H4g g+H2O+H2Og g C2H5OH C2H5OHg g 11:化工过程开发与设计化工过程开发与设计 5.2.2 反响过

26、程的物料衡算平衡后各物质的摩尔分数为2422511 0.2930.707(C H )0.414220.2931.7070.707(H O)0.4141.7070.293(C H OH)0.1721.707xxx:化工过程开发与设计化工过程开发与设计 5.2.2 反响过程的物料衡算7 7利用元素原子平衡作物料衡算利用元素原子平衡作物料衡算化学反响前后各元素的原子数是相等的。化学反响前后各元素的原子数是相等的。例例5.12 5.12 作天燃气一段转化炉的物料衡算，天然气的作天燃气一段转化炉的物料衡算，天然气的组成如下：组成如下：组分CH4C2H6C3H8C4H10N2合计%（mol）97.80.5

27、0.20.11.4100:化工过程开发与设计化工过程开发与设计 5.2.2 反响过程的物料衡算e=(97.8+0.52+0.23+0.14) (10.67)=32.9mola=33.1，b=33.8，c=232.6，d=100图图5.11 5.11 转化炉表示图转化炉表示图:化工过程开发与设计化工过程开发与设计 5.2.2 反响过程的物料衡算表表5-8 5-8 例例5.125.12计算结果计算结果进 料出 料组分molg组分molgCH497.81564.8CH432.9526.4C2H60.515H2232.6465.2C3H80.28.8CO33.8946.4C4H100.15.8CO23

28、3.11456.4N21.439.2N21.439.2H2O2504500H2O1502700合计3506133.6合计483.86133.6:化工过程开发与设计化工过程开发与设计 5.3 化工过程的物料衡算12串联设备串联设备弛放过程弛放过程3循环过程循环过程:化工过程开发与设计化工过程开发与设计 5.3.1 串联设备例例5.13 5.13 用双塔流程分别三组分混合物，知数据如图用双塔流程分别三组分混合物，知数据如图5.125.12，进料中的组分为，进料中的组分为A A，B B，C C，进料物流，进料物流N1N1为为100mol/h100mol/h。计算计算N3N3、N4N4、N5N5的值及

29、其组分的值及其组分A A，B B，C C的摩尔分数的摩尔分数x3,1x3,1，x3,2x3,2，x3,3x3,3。:化工过程开发与设计化工过程开发与设计 5.3.1 串联设备解：图图5.12 5.12 双塔流程分别混合物表示图双塔流程分别混合物表示图:化工过程开发与设计化工过程开发与设计 5.3.1 串联设备基准：选第一塔进料流量100mol/h为基准选塔为体系，那么 100=N3+50故 N3=50mol/hN412.20mol/h，N5=34.80mol/h:化工过程开发与设计化工过程开发与设计 5.3.2 弛放过程例例5.14 5.14 合成氨反响式合成氨反响式 3H2+N2 2NH3

30、3H2+N2 2NH3的流程如图的流程如图5.135.13。合成氨经分别器分别后，未反响的合成气循环运用，并合成氨经分别器分别后，未反响的合成气循环运用，并部分弛放以防惰性气体积累呵斥不良影响。新颖合成气部分弛放以防惰性气体积累呵斥不良影响。新颖合成气中氢气和氮气体积比为中氢气和氮气体积比为3 3：1 1。即惰性气体：。即惰性气体：1%1%，H2H2：74.25%74.25%，N2N2：24.75%24.75%。知单程转化率。知单程转化率22%22%，总转化率，总转化率94%94%，弛放气含氨弛放气含氨3.75%3.75%，含惰性气体，含惰性气体12.5%12.5%。:化工过程开发与设计化工过

31、程开发与设计 5.3.2 弛放过程试经过物料衡算求出：1放空比F5/F1，循环比F2/F1；2在规范形状下，按100m3/h进新颖合成气时，生成合成氨的量；31000t/d合成氨安装每小时所需原料量。图图5.13 5.13 合成氨反响流程表示图合成氨反响流程表示图:化工过程开发与设计化工过程开发与设计 5.3.2 弛放过程解：弛放气和循环气中，氢气氮气总体积百分比112.5%3.75%83.75%得生成合成氮气的量：F42F124.75%94%46.53 m3/h(46.53/22.417)=35.31kg/h每小时需进新颖合成气量为100/35.311/24106=1.18105 m3/h:

32、化工过程开发与设计化工过程开发与设计 5.3.3 循环过程例例5.15 5.15 苯直接加苯直接加H2H2转化为环己烷，产量为转化为环己烷，产量为100kmol/h100kmol/h。输入系统中的苯输入系统中的苯99%99%反响生成环己烷，进入反响器物流的反响生成环己烷，进入反响器物流的组成为组成为80% H280% H2和和20% C6 H620% C6 H6摩尔分数，下同。产物物摩尔分数，下同。产物物流中含有流中含有3%3%的的H2H2。流程如图。流程如图5.145.14。试计算：。试计算：1 1产物物流的组成；产物物流的组成；2 2H2H2和和C6 H6C6 H6的进料速率；的进料速率；

33、3 3H2H2的循环速率。的循环速率。:化工过程开发与设计化工过程开发与设计 5.3.3 循环过程解：H2的进料速率为 kmol/h苯的进料速率为 kmol/h设循环H2的量为R，那么有 kmol/h100 33.12303.12 101.012 . 012.30301.10101.101R100.92R :化工过程开发与设计化工过程开发与设计 5.3.3 循环过程图图5.14 5.14 环己烷消费流程表示图环己烷消费流程表示图:化工过程开发与设计化工过程开发与设计 5.4 计算机辅助计算方法在物料衡算中的运用12MatlabMatlab在物料衡算中的运用在物料衡算中的运用采用单元过程计算软件

34、进展物料衡算采用单元过程计算软件进展物料衡算3化工流程中的物料衡算化工流程中的物料衡算:化工过程开发与设计化工过程开发与设计 5.4.1 Matlab在物料衡算中的运用Matlab是一种功能强大的工程计算言语，具有简单、快捷、准确及结果可视化等优点，在处理曲线拟合、线性/非线性方程、常/偏微分方程等方面有着独特的优势，下面经过烟道气组成的求解，讨论其在物料衡算中的运用。:化工过程开发与设计化工过程开发与设计 5.4.2 采用单元过程计算软件进展物料衡算计算的根本步骤如下：1确定过程计算所涉及的物质，由物质输入窗口从数据库中选取所需物质或自定义库中缺损物质。2如有自定义物质，由物质构造窗口选择构造自定义物质。:化工过程开发与设计化工过程开发与设计 5.4.2 采用单元过程计算软件进展物料衡算例例5.16 5.16 平衡闪蒸计算。合成氨过程中，反响器出来的平衡闪蒸计算。合成氨过程中