第4章石油化工单元-6-反应过程的物料及热量衡算与共性.ppt

化学工艺学 4 6化工工艺学的物料与热量衡算 4 6 1化工过程的主要效率指标 1 生产能力 一个设备 一套装置或一个工厂在单位时间内生产的产品量或处理的原料量 2 生产强度 设备的单位体积或单位面积的生产能力 用于比较不同设备 3 转化率 X 某一反应物的转化量 该反应物的起始量平衡转化率 对于可逆反应 存在最大转化率 循环反应 单程转化率 XA 组合A在反应器中的转化量 反应器进口物料中组合A的量全程转化率 XA tot 组合A在反应器中的转化量 新鲜原料中组合A的量 4 选择性 S 转化为目的产物的某反应物的量 该反应物的转化总量 产物的生成量 反应物计量应得理论产物量5 收率 Y 转化为目的产物的某反应物的量 该反应物的起始量单程收率和全程收率 平衡收率Y S X例题 P42 合成氨反应0 5N2 1 5H2 NH3 已知原料气中只有N2 H2 H2 N2的摩尔比为3 1 计算700K和30 4MPa时反应体系的平衡组成 平衡转化率和平衡产率 700K时 Kf 0 009048 700K和30 4MPa时各组分的逸度系数为 H2 1 10 N2 1 15 NH3 0 9 解 由Kf K KpK NH3 H2 1 5 N2 0 5 0 9 1 151 5 1 10 5 0 72Kp Kf K 0 009048 0 72 0 01257以1molN2为计算基准 设达平衡时生成amol的NH3 则平衡时有 0 5N2 1 5H2 NH3130起始1 0 5a3 1 5aa平衡总mol数为 4 a molKp y NH3 y H2 1 5 y N2 0 5 p p0 1 0 5 1 5y NH3 a 4 a y H2 1 0 5a 4 a y N2 3 1 5a 4 a 解得 a 1 182moly NH3 41 95 y H2 14 51 y N2 43 54 平衡转化率X H2 0 5a 1 59 1 X N2 1 5a 3 59 1 Y NH3 X H2 59 1 4 6 2反应过程的热量衡算和物料衡算 化工工艺计算包括物料衡算 热量衡算和反应器计算 物料衡算是热量衡算及其它工艺 设备设计的基础 化学反应过程的物料衡算和热量衡算 除了物理变化时的计算外 还包括物料成分的改变和反应热效应的计算 这些计算不仅为设计流程和反应器提供基础数据 并能对改善工艺指标提出方向和要求 4 6 3复杂过程的物料衡算 可采用如下计算步骤 画出简单的工艺流程图 画出物料平衡线路图 进入设备的物料以直线来描绘 所有的物料相聚于一点 从设备出来的产品及损失集中于另一点 然后由此点以直线散开 写出化学反应方程式 包括主 副反应 说明计算任务 如年产多少吨 年工作日 产品纯度 产率等选定计算基准 选择操作工艺参数和计算所必需的数据 由已知数据进行物料衡算 将计算结果列表 例1 邻二甲苯氧化制苯酐 反应式为已知邻二甲苯的转化率为70 氧的用量为理论用量的150 以空气为氧源 每小时投料量为250kg邻二甲苯 试进行物料衡算 解 以每小时为计算基准进料邻二甲苯流量 250 106 2 358 kmol h 氧流量 2 385 70 3 150 7 43 kmol h 237 kg h 氮流量 7 43 0 79 0 21 27 95 kmol h 782 63 kg h 出料苯酐流量 2 358 70 148 244 29 kg h 水流量 2 358 70 18 3 89 13 kg h 氧流量 7 43 2 358 70 3 32 79 36 kg h 氮流量 782 63 kg h 未反应的邻二甲苯流量 250 1 70 75 kg h 例2试作生产任务为年产1200吨苯乙烯装置的物料衡算 已知全年时数为8760h 实际生产时间为7200h 原料乙苯纯度为98 其中甲苯含量2 质量 苯乙烯选择性为90 苯选择性为3 甲苯选择性为5 焦炭选择性为2 苯乙烯收率为40 乙苯 水蒸气 1 1 3 质量 以乙苯计 解 1 写出反应方程式 2 画出物料平衡线路图 如图 3 确定计算基准 因是连续生产 以每小时生产的苯乙烯为基准 kmol h 每小时生产的苯乙烯为 1200 1000 7200 104 1 60 kmol h 参加反应的乙苯1 60 0 9 1 78 kmol h 188 68 kg h 需加入乙苯1 6 0 4 4 00 kmol h 424 0 kg h 未参加反应的乙苯4 00一1 78 2 22 kmol h 235 32 kg h 需加入的水蒸气424 00 1 3 551 2 kg h 30 62 kmol h 需加入98 的乙苯4 00 0 98 4 08 kmol h 432 65 kg h 原料乙苯中含甲苯432 65 424 00 8 65 kg h 0 094 kmol h 在参加反应的1 78 kmol h 乙苯中 转化为苯乙烯 1 78 0 9 1 60 kmol h 转化为甲苯1 78 0 05 0 089 kmol h 转化为苯1 78 0 03 0 053 kmol h 转化为焦炭1 78 0 02 0 036 kmol h 即反应生成的苯乙烯1 60 104 166 4 kg h 反应生成的甲苯0 089 92 8 19 kg h 反应生成的苯0 053 78 4 13 kg h 反应生成的焦炭0 036 7 12 3 02 kg h 反应生成的乙烯0 053 28 1 48 kg h 反应生成的甲烷 0 036十0 089 16 2 0 kg h 反应生成的氢气 1 6十3 0 036 0 089 2 4 86 kg h 原料中甲苯和反应生成的甲苯总量0 094十0 089 0 183 kmol h 16 84 kg h 例3某氧化过程排出的尾气体积组成为O210 N285 CO25 计算空气用量 氧耗量和过剩空气系数 解 以N2为联系物 计算基准选100mol 尾气中N2量100 0 85 85 mol 空气耗量85 0 79 l07 6 mol 进料空气中含氧量107 6 0 21 22 6 mol 氧耗量22 6 10 12 6 mol 空气过剩系数 22 6 12 6 179 例4某工厂用烃类气体制合成气生产甲醉 合成气为2321m3 标准 h CO H2 1 2 4 摩尔 但转化后的气体体积分数为CO43 12 H254 2 不符合要求 为此需将部分转化气送往CO变换反应器 变换后气体体积分数为CO8 76 H289 75 气体体积减小2 用此变换气去调节转化气 以便达到CO H2 1 2 4的要求 求转化气 变换气各为多少 解 按题意绘出流程简图 V2从A点分流 V3在B点合并 合并时无化学反应和体积变化 令yi为i组分的摩尔分数 则 4 6 4具有循环过程的物料衡算 在有机化工生产中 有些反应过程由于受热力学因素限制 转化率很低 为了提高原料的利用率 必须将未反应的原料分离后循环使用 以提高总转化率 从而提高技术经济指标 在稳定状态下 循环物料RC始终以不变的组成和数量在反应系统中循环 根据质量守恒定律 各物料流的关系为 其中SP RC和W的组成相同 一般循环比是指循环物料与新鲜原料的用量比 即RC FF 但也有其它的表示方法 例如RC MF RC W RC P等 例5乙烯直接水合制乙醇 己知原料乙烯的组成为乙烯96 体积 惰性物4 体积 进入反应器的混合气 循环气 原料乙烯和水蒸气的混合物 组成 体积 干基 为C2H485 H21 02 惰性物13 98 乙烯与水蒸气的摩尔比为1 0 6 乙烯的单程转化率为5 摩尔 其中 自反应器出来的反应气经冷凝和洗涤 得到产物粗乙醇溶液 洗涤塔出口气休部分排出系统 其余循环 在冷凝洗涤过程中 反应气中的乙烯溶解5 然后在常压分离器中释出 释出乙烯的95 作它用 5 循环进入循环气中 试作过程的物料衡算 求出循环物流组成 循环量 放空量 乙烯的总转化率和乙醇的总收率 生产一吨乙醇原料乙烯的消耗量 乙醇水溶液蒸馏时乙醇损失2 摩尔 解 按题意作出流程简图由于混合气组成和乙烯单程转化率已知 可由此计算原料气用量 现以进入反应器的混合气100mol为计算基准 干基 混合气中乙烯转化的摩尔量为 85 5 4 25 mo1 其中转化为乙醇4 25 95 4 04 mo1 转化为乙醚4 25 2 0 085 mo1 转化为聚合物4 25 2 0 085 mo1 转化为乙醛4 25 1 0 043 mo1 反应气经冷凝洗涤后 余下乙烯量为85 1 5 1 5 76 71 mo1 惰性物 13 98 mo1 氢 0 043十1 02 1 063 mo1 洗涤塔出口气体量 76 7l十13 98十1 063 91 75 mo1 其摩尔分数为C2H483 6 H21 16 惰性物15 24 设W为冷凝洗涤塔出口气体排出系统的量 自常压分离器释出的溶解乙烯量已知为4 04mol 其中的5 回收入循环气中 循环气中各组分的量分别为乙烯 76 71 4 04 5 W 83 6 氢 1 063 W 1 16 惰性物 13 68 W 15 24 设新鲜原料气加入量为FF 如进入反应器的混合气仍为100mol 则76 71 4 01 5 W 83 6 FF 96 85 1 13 68 W 15 24 FF 4 13 98 2 联解方程 1 和 2 得W 2 87molFF 10 93mol循环量 RC 76 71十13 98十1 063 2 87 89 08 mol 循环比 89 08 10 93 8 15 原料气中乙烯 10 93 96 10 49 mol 乙烯总转化率 4 25 10 49 40 1 乙醇总收率 40 1 95 38 5 每生产一吨乙醇原料乙烯的消耗量 1000 0 98 46 38 5 96 60kmol 1344m3 标准 4 6 5气相连续反应过程的热量衡算 例 在金属银催化剂存在下 甲醇氧化或脱氢制备甲醛 其主副反应为 P67 主 副反应有吸热和放热 如果选择恰当的甲醇与空气用量比 使吸热反应和放热反应的比例适当 就可控制反应温度 现假设甲醇与空气的摩尔比为1 1 3 进料温度为600