化工计算物料衡算

化工计算物料衡算第1页，共37页，2023年，2月20日，星期一一、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)第2页，共37页，2023年，2月20日，星期一1.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第3页，共37页，2023年，2月20日，星期一2.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，半连续操作第4页，共37页，2023年，2月20日，星期一二、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第5页，共37页，2023年，2月20日，星期一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第6页，共37页，2023年，2月20日，星期一三、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第7页，共37页，2023年，2月20日，星期一四、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第8页，共37页，2023年，2月20日，星期一五、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=Sx第9页，共37页，2023年，2月20日，星期一1.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)第10页，共37页，2023年，2月20日，星期一2.循环过程的物料衡算单程转化率总转化率惰性组分的积累及驰放器输入惰性组分的量=输出惰性组分的量第11页，共37页，2023年，2月20日，星期一无反应过程的基本公式稳态无反应过程Fi=Fo第12页，共37页，2023年，2月20日，星期一例题有一个蒸馏塔，输入输出物料组成见下图，塔顶A组分的回收率为98.7%，请对此塔作物料衡算。蒸馏塔冷凝器F=100kg/hA0.2B0.3C0.5Pkg/hAxByC1-x-yWkg/hA0.005B0.055C0.94第13页，共37页，2023年，2月20日，星期一物料衡算方程AF*0.2=P*x+W*0.05BF*0.3=P*y+W*0.055CF*0.5=P*(1-x-y)+W*0.94另外的已知条件P*x=F*0.2*98.7%第14页，共37页，2023年，2月20日，星期一完全反应过程的物料衡算稳态有反应过程Fi+Dp=Fo+Dr非完全反应(x≠100%)反应不彻底(直接求解)第15页，共37页，2023年，2月20日，星期一例题用邻二甲苯氧化法生产邻苯二甲酸酐(苯酐)，输入输出物料组成见下图，计算邻二甲苯的转化率、产品的收率及选择性。反应过程邻二甲苯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%第16页，共37页，2023年，2月20日，星期一写化学反应方程式第17页，共37页，2023年，2月20日，星期一选基准邻二甲苯210kg/h邻二甲苯苯酐顺酐分子量10614898第18页，共37页，2023年，2月20日，星期一物料衡算输入氧气量210kg/h邻二甲苯完全氧化所需的氧气第19页，共37页，2023年，2月20日，星期一输入氮气的量反应产物的总量第20页，共37页，2023年，2月20日，星期一产物中邻二甲苯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第21页，共37页，2023年，2月20日，星期一收率(mol)苯酐顺酐第22页，共37页，2023年，2月20日，星期一苯酐的选择性第23页，共37页，2023年，2月20日，星期一有反应平衡过程的物料衡算物料衡算方程为非线性方程（迭代求解）第24页，共37页，2023年，2月20日，星期一例题甲烷与水蒸气用镍催化剂进行转化反应生产氢气。转化过程的主要反应为甲烷转化反应和一氧化碳变换反应，即：CH4+H2OCO+3H2CO+H2OCO2+H2

已知水蒸汽与甲烷之比为2.5，温度为760℃，压力为5大气压。假定上述反应达到平衡．求产物的平衡组成。第25页，共37页，2023年，2月20日，星期一流程图反应过程CH41molH2O2.5molH2OWmolCH4

MmolCOxmolCO2

ymolH2

zmol第26页，共37页，2023年，2月20日，星期一物料平衡方程元素衡算H:2+2.5=W+2M+zC:1=M+x+yO:2.5=W+x+2y第27页，共37页，2023年，2月20日，星期一反应平衡方程第28页，共37页，2023年，2月20日，星期一各组分的分压第29页，共37页，2023年，2月20日，星期一整理得到第30页，共37页，2023年，2月20日，星期一循环过程的物料衡算单程转化率总转化率惰性组分的积累及驰放器输入惰性组分的量=输出惰性组分的量第31页，共37页，2023年，2月20日，星期一例题丙烷在催化反应器中脱氢生成丙烯，其反应式为：C3H8C3H6+H2

丙烷的总转化率为95％。反应生成物经分离器分成产物P和循环物料R。产物中含有C3H8

、C3H6及H2，其中C3H8的量为未反应C3H8的0.555％。循环物料中含有C3H8和C3H6

，其中C3H6量是产物中C3H6量的5％。试计算产品组成、循环物料组成和单程转化率。第32页，共37页，2023年，2月20日，星期一流程图C3H8100kmol/hMFC3H8N1kmol/hC3H6N2kmol/h反应器分离器RPC3H8Q1kmol/hC3H6Q2kmol/hH2Q3kmol/hC3H8P1kmol/hC3H6P2kmol/hH2P3kmol/hPRC3H8R1kmol/hC3H6R2kmol/h第33页，共37页，2023年，2月20日，星期一物料衡算过程物料衡算P1=5kmol/hP2=95kmol/hP3=95kmol/h第34页，共37页，2023年，2月20日，星期一产品组成第35页，共37页，2023年，2月20日，星期一分离器物料衡算C3H8：Q1=P1+R1

0.555%Q1=P1