第五章物料衡算

第五章物料衡算郭宁guoning@一、化工计算的分类设计型计算(事前设计化工厂)校核型计算(对工厂现有的生产装置进行计算，进而对生产情况进行分析、整改)1.化工过程的分类（一）间歇操作一次性投料、出料，浓度随时间的变化而变化半连续操作一次性投料，连续出料连续性进料，一次性出料一组分一次性投料，其他连续进料，一次性出料连续操作连续性进料，连续性出料，浓度不随时间的变化而变化，只随空间位置的变化而变化2.化工过程的分类（二）稳态操作操作条件不随时间的变化而变化，只随位置的变化而变化（正常的连续操作过程）不稳态操作操作条件随时间的变化而不断变化开车、停车、间歇操作，半连续操作二、物料衡算的基本方程基本依据质量守恒定律（不包括核反应）基本方程进入的Fi+生成的Dp=流出的Fo+反应的Dr+积累的W适用范围所有流程都适用总物料适用某一组分适用具体过程的物料衡算稳态过程W=0无反应过程Dp=Dr=0稳态无反应过程Fi=Fo稳态有反应过程Fi+Dp=Fo+Dr三、基本计算过程画简图标参数定基准和范围（体系）写化学反应方程式列衡算式列图表四、无反应过程的物料衡算单个单元的物料衡算n个组分，可以列n+1个方程但最多只能求解n个未知数M个单元的物料衡算n个组分，最多只有m*n个独立方程选择恰当的衡算体系可以简化计算过程五、化学反应过程的计算限制反应物过量反应物过量百分数转化率x选择性S收率YY=Sx1.分类完全反应(x=100%)Y=S(直接求解)非完全反应(x≠100%)反应不彻底(直接求解)有反应平衡(迭代求解)2.循循环环过程程的物物料衡衡算单程转转化率率总转化化率惰性组组分的的积累累及驰驰放器器输入惰惰性组组分的的量=输出出惰性性组分分的量量无反应应过程程的基基本公公式稳态无无反应应过程程Fi=Fo例题有一个个蒸馏馏塔，，输入入输出出物料料组成成见下下图，，塔顶顶A组组分的的回收收率为为98.7%，，请对对此塔塔作物物料衡衡算。。蒸馏塔塔冷凝器器F=100kg/hA0.2B0.3C0.5Pkg/hAxByC1-x-yWkg/hA0.005B0.055C0.94物料衡衡算方方程AF*0.2=P*x+W*0.05BF*0.3=P*y+W*0.055CF*0.5=P*(1-x-y)+W*0.94另外的的已知知条件件P*x=F*0.2*98.7%完全反反应过过程的的物料料衡算算稳态有有反应应过程程Fi+Dp=Fo+Dr非完全全反应应(x≠100%)反应不不彻底底(直直接求求解)例题用邻二二甲苯苯氧化化法生生产邻邻苯二二甲酸酸酐(苯酐酐)，，输入入输出出物料料组成成见下下图，，计算算邻二二甲苯苯的转转化率率、产产品的的收率率及选选择性性。反应过过程邻二甲甲苯210kg/h空气4620Hm3/h氧气0.21(mol/mol)氮气0.79(mol/mol）P苯酐0.654%（mol）顺酐0.066%氧气16.53%氮气77.5%写化学学反应应方程程式选基准准邻二甲甲苯210kg/h邻二甲苯苯酐顺酐分子量10614898物料衡衡算输入氧氧气量量210kg/h邻二二甲苯苯完全全氧化化所需需的氧氧气输入氮氮气的的量反应产产物的的总量量产物中中邻二甲甲苯209.57××0.0003=0.06287kmol/h=6.664kg/h苯酐209.57××0.0654=1.370kmol/h=202.76kg/h顺酐209.57××0.00066=0.1383kmol/h=13.55kg/h收率(mol)苯酐顺酐苯酐的的选择择性有反应应平衡衡过程程的物物料衡衡算物料衡衡算方方程为为非线线性方方程（（迭代代求解解）例题甲烷与与水蒸蒸气用用镍催催化剂剂进行行转化化反应应生产产氢气气。转转化过过程的的主要要反应应为甲甲烷转转化反反应和和一氧氧化碳碳变换换反应应，即即：CH4+H2OCO+3H2CO+H2OCO2+H2已知水水蒸汽汽与甲甲烷之之比为为2.5，，温度度为760℃，，压力力为5大气气压。。假定定上述述反应应达到到平衡衡．求求产物物的平平衡组组成。。流程图图反应应过过程程CH41molH2O2.5molH2OWmolCH4MmolCOxmolCO2ymolH2zmol物料平平衡方方程元素衡衡算H:2+2.5=W+2M+zC:1=M+x+yO:2.5=W+x+2y反应平平衡方方程各组分分的分分压整理得得到循环过过程的的物料料衡算算单程转转化率率总转化化率惰性组组分的的积累累及驰驰放器器输入惰惰性组组分的的量=输出出惰性性组分分的量量例题丙烷在在催化化反应应器中中脱氢氢生成成丙烯烯，其其反应应式为为：C3H8C3H6+H2丙烷的的总转转化率率为95％％。反反应生生成物物经分分离器器分成成产物物P和和循环环物料料R。。产物物中含含有C3H8、C3H6及H2，其中中C3H8的量为为未反反应C3H8的0.555％％。循循环物物料中中含有有C3H8和C3H6，其中C3H6量是产物物中C3H6量的5％％。试计计算产品品组成、、循环物物料组成成和单程程转化率率。流程图C3H8100kmol/hMFC3H8N1kmol/hC3H6N2kmol/h反应器分离器RPC3H8Q1kmol/hC3H6Q2kmol/hH2Q3kmol/hC3H8P1kmol/hC3H6P2kmol/hH2P3kmol/hPRC3H8R1kmol/hC3H6R2kmol/h物料衡算算过程物料料衡算P1=5kmol/hP2=95kmol/hP3=95kmol/h产品组成成分离器物