第七章化工工艺计算-PPT

第七章化工工艺计算§7、1概述化工工艺计算物料衡算、热量衡算进行化工设计、过程经济评价、节能分析与过程优化得基础化工生产过程:主副产品量、原材料消耗、能量消耗、三废指标1、物料衡算与热量衡算得主要步骤(1)收集计算数据:化工装置得生产操作数据,如输入与输出物料得流量、温度、压力、浓度等,涉及物质物化常数,如密度、热容等。(2)写出相关反应方程式(包括主副反应)并配平,标明相对分子量。(3)绘出流程得方框图,标明相关参数。(5)设未知数,列方程式,求解。

(物料平衡、约束式－归一方程、气液平衡方程等。(6)计算与核对。(7)报告计算结果。(4)选定衡算基准

通常计算产率:选一定量得原料或产品为基准(1Kg或100Kg、1mol、1m3等);

计算原料得消耗指标与设备生产能力:选单位时间为基准(1h、1mim、1s等)。转化率、选择性与收率

反应转化率-----反映原料产生化学反应得程度(1)定义:指某一反应物参加反应,转化得数量占该反应物起始量得分率或百分数。(针对反应物而言)2、化工工艺学中基本概念(2)单程转化率与全程转化率为了提高原料得利用率,采用循环反应系统。单程转化率——反应器全程转化率——反应系统

例:以乙炔与醋酸合成醋酸乙烯酯为例。如图所示,再连续生产中,假设每小时流经各物料线得物料中含乙炔得量为mA=600Kg,mB=5000Kg,mc=4450Kg,计算过程得单程转化率与全程转化率。解:

总结:一般要根据各自反应得特点,由实际经验来控制单程转化率。反应选择性(1)定义:转化成目得产物得某反应物量与参加所有反应而转化得该反应物总量之比。收率(产率)(1)定义:生成得目得产物占某反应物初始量得百分率。单程收率:分母为(新鲜＋循环该原料之与)

总收率:分母为(新鲜该物料)

转化率(X),收率(Y)与选择性(S)三者关系:Y=SX2023/9/1810

转化率(X),收率(Y)与选择性(S)三者关系:

Y=SX1、一般反应过程得物料衡算输入物料得总质量＝输出物料得总质量＋系统内积累得物料质量

注:间歇操作(非稳态)积累≠0

连续操作(稳态)积累＝0§7、2物料衡算理论依据:质量守恒定律

蒸馏F(Kg)XF1XF2P(Kg)XP1XP2W(Kg)XW1XW2无化学反应过程物料流程示意图总质量衡算:F=P+W组分衡算:FXF1=PXP1+WXW1FXF2=PXP2+WXW2反应F(mol)P(mol)催化裂化过程物料流程示意图组成

原料油(摩尔分数)

产品油(摩尔分数)C6H1400、05C7H1600、15C8H180、30、30C11H240、70、50C原子衡算:F×0、3×8＋F×0、7×11=P×0、05×6+P×0、15×7+P×0、3×8+P×0、5×11物料衡算得步骤(1)绘出流程得方框图(2)写出反应方程式,并配平之。(3)选定衡算基准(4)设未知数,列方程式,求解。

(物料平衡、约束式－归一方程、气液平衡方程等。(5)计算与核对。(6)报告计算结果。例1:拟将原料油中得有机硫通过催化加氢转变成H2S,进而脱出之,油中不饱与烃也加氢饱与。若原料油得进料速率为160m3/h,密度为0、9g/ml,氢气(标准状态)得进料速率为10800m3/h。原料油与产品油得摩尔分数组成如下。组分C11H23SHC11H24C10H20=CH2原料油5%70%25%产品油0、1%96、8%3、1%求(1)消耗得氢气总量;(2)分离后气体得摩尔分数。画出衡算系统方框图如下。气体催化加氢H2原料油C11H23SH 5% C11H24 70% C10H20=CH225%分离C11H23SH 0.1% C11H24 96.8% C10H20=CH23.1%产品油写出反应方程式。C11H23SH+H2

C11H24+H2SC10H20=CH2+H2

C11H24选择衡算基准为1h。H22kg/kmolC11H24156kg/kmolH2S34kg/kmolC10H20=CH2152kg/kmolC11H23SH188kg/kmol原料油平均摩尔质量=188×0、05+156×0、7+154×0、25=157、1kg/kmolH2进气量=10800×103/22、4×10-3=482、1kmol;m=964Kg对进料原料油衡算/1h1h原料油进料物质得量=160×900/157、1=916、6kmolC11H23SH:n=916、6×0、05=45、83Kmol;m=8616KgC11H24 :n=916、6×70%=641、62Kmol;m=100093KgC10H20=CH2:n=916、6×25%=229、15Kmol;m=35289Kg设脱硫后产品油得质量为R,对C物料衡算,则有:

916、6×(0、05×11+0、7×11+0、25×11)=R(0、001×11+0、968×11+0、031×11)R=916、6kmol反应(1)消耗得H2气量=916、6×0、05–0、001R=44、91kmol生成得H2S气量=44、91kmol反应(2)消耗得H2气量=916、6×0、25–0、031R=200、74kmol总耗H2量=44、91+200、74=245、654kmol剩余H2量=482、1-245、65=236、49kmol反应后气体得总量=44、91+236、49=281、4kmol设未知数,列方程式,求解。故,H2S得摩尔分数为44、91/281、4=0、16H2得摩尔分数为236、49/281、4=0、84核对。列物料衡算表,如下。例7-5P257裂解炉乙烷乙烷99%甲烷1%炭裂解气H2CH4C2H2C2H4C2H637.24.530.1833.0825.01选择衡算基准---原料气=100mol进料:n(C2H6)=99mol;n(CH4)=1mol设:裂解后裂解气得物质量为Nmol–碳守恒物料名称摩尔质量/g/mol进料出料molgmolgH2259、23118、46CH4161167、21115、36C2H2260、297、54C2H42852、671474、78C2H63099297039、821194、60C126、2474、898总计1002986165、462986气体膨胀率=N/100=159、21/100=1、592X(乙烷转化率)=(99-39、82)/99=59、78%S(乙烯得选择性)=52、67/(99-39、82)=89%Y(乙烯得收率)=XS=59、78%×89%=53、20%2、具有循环过程得物料衡算(2)绘出流程的方框图,并标明各物料(1)写出反应方程式并配平。(3)以方程的方式列出各节点的物料衡算关系；(4)解出方程组；反应器分离器ABFFMFRPPSPWRC反应器分离器ABFFMFRPPSPWRC对物料输入口节点A:FF+RC=MF对物料输出口节点B:RC+W=SP对分离器:RP=P+SP=P+RC+W对整个反应:FF=P+W对反应器:MF=RP例1:在银催化剂作用下,乙烯被空气氧化成环氧乙烷(C2H4O),副反应就是乙烯完全氧化生成CO2与H2O。已知离开氧化反应器得气体干基组成就是:C2H43、22%,N279、64%

,O210、81%

,C2H4O0、83%

,CO25、5%(均为体积分数)。该气体进入水吸收塔,其中得环氧乙烷与水蒸气全部溶解于水中,而其她气体不溶于水,由吸收塔顶逸出后排放少量至系统外,其余全部循环回氧化反应器。计算(1)乙烯得单程转化率;(2)生成环氧乙烷得选择性;(3)循环比;(4)新鲜原料中乙烯与空气量之比。写出反应方程式:选取反应器出口气中100mol干气为衡算基准设新鲜原料气(FF)中C2H4得量为Xmol;空气为Ymol(含79%N2与21%O2);弛放气Wmol;乙烯完全氧化生成得H2O量为Zmol。反应器水吸收塔ABFFMFRPPSPWRC反应器水吸收塔ABFFMFRPPSPWRC

围绕总系统做物料衡算。

采用元素得原子守恒计算,即C平衡2X=(0、83×2)+(0、0325W×2+0、0555W)H平衡4X=(0、83×4+2Z)+0、0325W×4O平衡0、21Y×2=(0、83+Z)+(0、109W×2+0、0555W×2)N平衡0、79Y×2=0、803W×2

解四个方程得:X=2、008mol;Y=19、87mol;Z=1、085mol;W=19、55mol、反应器水吸收塔ABFFMFRPPSPWRC

副反应消耗得乙烯量=1、085/2=0、5425mol

主反应消耗得乙烯量=生成得EO量=0、83mol乙烯得单程转化率=反应消耗得乙烯总量/进入反应器混合气中得乙烯量×100%=(0、83+0、5425)/(X+3、22-0、0325W)×100%=29、9%

乙烯得全程转化率

=反应消耗得乙烯总量/新鲜原料中得乙烯量×100%=(0、83+0、5425)/2、008×100%=68、35%生成环氧乙烷得选择性

=转化为环氧乙烷得乙烯量/消耗得乙烯总量×100%=0、83/(0、83+0、5425)×100%=60、47%循环比=循环气量/排放气量

=(99、19-W)/W=4、073(摩尔比或体积比)

新鲜原料中空气量与乙烯之比=新鲜原料气中空气/乙烯

=19、87/2、008=9、895(摩尔比或体积比)对于稳定得连续流动过程,无热量得积累,热量衡算以热力学第一定律为基础。

输入得总热量=输出得总热量+积累得热量+损失得热量系统从外界吸收能量:Q为正;系统对外界放出能量:Q为负;§7、3热量衡算对于一个化学反应进行热量衡算热量衡算得基本步骤(1)建立以单位时间为基准得物料衡算表(2)选定计算基准温度与相态(3)查找热量衡算中相关得热量学数据(4)设未知数