物料管理_化工设计--物料衡算

第四章物料衡算MaterialBalance 沈海670002 shm190726 浙江工业大学精细化工研究所 化工设计 ChemicalDesign 概述 计算中用的基本量 物理过程的物料衡算 化学反应的物料衡算 目录 概述 物料衡算是化工工艺设计中最基本的设计内容 是工艺设计的基础 主副产品的产量原材料消耗定额生产过程中的损耗三废产生量 物料的浪费生产过程的反常现象 物料衡算 物料衡算的理论依据 质量守衡定律 在化工过程中 物料平衡是指 进入一个装置 或设备 的全部物料的量 必定等于离开这个装置 或设备 的全部物料的量 包括损失量 和系统内累积起来的物料的量 输入 输出 累积 F D W 1 基本式 输入 生成 输出 消耗 累积 生成 消耗 是指由于化学反应而生成 消耗的质量 2 对稳态过程 累积项 0输入 生成 输出 消耗 稳态 定态 过程 系统内任一部分的参数 不随时间而变 只随空间位置而改变 是存在于连续操作的一个过程 其特征为 累积项 0 有化学反应时的物料衡算 无化学反应的稳态过程 输入 输出 稳态过程物料衡算式 物料衡算的基本步骤 1 画出工艺流程示意图 2 列出化学方程式 3 确定计划任务 4 收集数据 物料的名称 数量 组成及流向与计算有关的工艺条件如 P T 配比等未知的 待求的未知项 用字母 符号标定清楚 画出与物料衡算有关的设备及管线 写明反应过程的热效应省略次要的副反应 分析未知选择公式 收集数据生产规模和生产时间 年生产时数 生产规模在设计任务书中已有 若是中间车间应根据消耗定额来确定生产规模 要考虑物料在车间回流的情况 大型化工厂一般8000小时 年对要经常维修或试验性车间一般7200小时 年很少的厂可达8400小时 年有关的定额 收率 转化率的数据收集要注意可靠性准确性 并了解其单位与基准原料 辅助材料 产品 中间产品的规格与计算有关的物理化学常数如密度 蒸汽压 相平衡常数 5 选择计算基准 6 建立物料平衡方程 进行物料衡算 7 整理并校核计算结果 8 绘制物料流程图 填写物料平衡表 列出的数学关联式的数目应与所求未知项的数目相同 若数学式不够 用试差法求解 时间基准质量基准体积基准干湿基准 对连续生产过程可用单位时间的物料量或单位时间的产品量作计算基准 如三十万吨NH3厂 可以每小时产NH3量作物料衡算基准 年生产时间8000h 7200h 30 104 8000 37 5T h对间歇生产过程可以一套或一批料的生产周期作基准 如一个反应釜 每次投料800kg 完成一个操作周期为4h 则每小时处理物料200kg h作计算基准 时间基准 质量基准 当进行衡算的系统其物料缘于固相或液相时 可选择一定质量的原料或产品作为计算基准 如以煤 矿石 石油为原料的化工过程可选用1kg原料为计算基准 特别是原料或产品是单一化合物 或其组成是已知的 选此作计算基准更为方便 体积基准 当物料是气体时 可选用体积为基准 通常都换算成STP 标准状态 下的体积 这样可排除T P变化带来的影响 而且容易把体积换算成mol数 除以22 4 不论是固态 液态或气态物质往往都含有一定的水分 因此就出现干基 湿基的问题 若进行衡算时 把水分去掉则称干基 把水分一起算入称为湿基 二者可互算 干湿基准 选作基准的物料 必须是已知条件最多 并与其它物料关系明确之物 物料平衡表 基准 每小时单位 kg 萃取 硝化 单位 kg h 物料流程图 2 6 2 6 概述 计算中用的基本量 物理过程的物料衡算 化学反应的物料衡算 目录 1 摩尔分数 质量分数 平均分子量 摩尔分数 对于流动物系 质量分数 对于流动物系 平均分子量 摩尔流量 质量流量 质量流速 2 流体的流量和流速 体积流量 m3 h m3 min m3 s 流体的线速度 流体单位时间内在流动的方向上所流经的距离 m s 质量流量 单位时间内流经管道或设备的流体的质量kg h kg min kg s 质量流速 单位时间内流经管道或设备的单位横截面积的流体的质量kg h kg min kg s 摩尔流量 kmol h kmol min kmol s 体积流量 质量流量 线速度 W Q uA 3 气体的体积和密度 1 一般压力 温度 1MPa按理想气体对待PV nRT 或 2 高压下 1MPa按真实气体对待PV ZnRT Z为压缩因子 为对比压力pr 对比温度Tr的函数 临界值 H2 He和Ne 根据pr和Tr查表得Z 如为混合气体 3 真实气体混合物 假临界值 仍用压缩因子法计算 4 标准状况 用标准状况下的体积表示气体的量 下标 0 表示标准状况 下标 1 表示工作状态 4 液体的密度 对比密度 临界密度 由pr和Tr查表 液体混合物 密度与温度 压力和组成有关 体积加合法 5 物质的饱和蒸汽压 饱和蒸汽压 液体在一定温度下相应的蒸发 凝结的平衡状态的蒸汽压力 6 溶液上方蒸汽中各组分的分压 1 理想溶液 由化学结构非常相似 相对分子质量又相近的组分所形成的溶液 拉乌尔定律 2 非理想溶液 活度系数 ri ai xi由范拉尔方程或威尔逊方程求得 7 气液平衡常数 1 完全理想系 低压下组分结构十分相似的溶液 2 理想系 中压 1 5 2 0Mpa 的理想溶液 7 转化率x 收率Y和选择性S 起始量的选择 连续反应器反应器进口处原料的状态为起始状态间歇反应器反应开始时的状态为起始状态串联反应器进入第一个反应器的原料组成为计算基准 限制反应物过量反应物 Y Sx 概述 计算中用的基本量 物理过程的物料衡算 化学反应的物料衡算 目录 物理过程的物料衡算 无化学反应发生属于化工单元操作过程的衡算如过滤 混合 吸收 干燥 结晶 精馏等 例 在过滤机中把含有25 质量 固体的浆料进行过滤 现在料浆的进料量为2000kg h滤饼含有90 固体 滤液含1 固体 试计算滤液 滤饼的量 设过滤有一个稳态连续过程 1 过滤 用过滤设备把液固分开的操作 过滤机 料浆 滤饼 滤液 F3kg h90 固10 液 F1 2000kg h75 液25 固 F2kg h1 固99 液 解 画出过程示意图 标上已知及要求的量 以小时 时间 为计算基准 二个未知数 列出二个方程即可 总物平衡F1 F2 F3液体量平衡0 75F1 0 1F3 0 99F2F1 2000kg代入联解二方程可得F2 1460 7kg hF3 539 3kg h用固体量平衡式来校核计算结果0 25F1 0 9F3 0 01F2得500 500 过滤机 料浆 滤饼 滤液 F3kg h90 固10 液 F1 2000kg h75 液25 固 F2kg h1 固99 液 例 在蒸发器中把含NaOH10 NaCl10 的水溶液浓缩为含NaOH50 NaCl2 的溶液 若每批处理1000kg原料液 试求 1 每一批操作中可得的母液量 2 蒸发水量 3 析出NaCl固体量 2 蒸发 把溶质不挥发的溶液加热至沸腾 使溶剂气化从而获得浓缩液或析出固体的单元操作 解 计算基准 以每一批的原料液量三个未知数 列三个方程总量平衡F1 F2 F3 F4F1 1000kgNaOH平衡0 1F1 0 5F4F4 200kgNaCl平衡0 1F1 0 02F4 F3F3 96kgF2 704kg可用H2O平衡式校核 概述 计算中用的基本量 物理过程的物料衡算 化学反应的物料衡算 目录 常用计算方法利用联系物做物料衡算复杂反应体系使用产物 副产物各自的收率数据作物料衡算带有物料循环的流程的物料衡算多步串联过程的物料衡算 化学反应的物料衡算 1 常用计算方法 由于化学反应的存在 总摩尔平衡式 组分的质量 摩尔平衡式是不成立的 在化学反应中常涉及转化率 反应速率 收率 过量系数等 要注意其定义式 特别是过量系数它是基于限制反应物100 转化下的值 而不论真实反应时限制反应物是否完全反应 直接计算法反应速度法平衡常数法结点法 1 直接计算法 根据化学反应方程式进行计算 例1 用甲醇催化氧化制甲醛 反应式为 CH3OH 0 5O2 HCHO H2O氧由空气中来 已知空气过剩系数为1 5 甲醇转化率为75 计算反应后气体混合物的mol组成 反应物与产物均为气态 氧化 CH3OH 空气O221 N279 HCHO 空气O2N2 H2O CH3OH 解 计算基准 1mol的CH3OH由反应式知反应生成HCHO为0 75mol H2O为0 75mol未反应CH3OH 1 0 75 0 25mol由反应式算出消耗O2量为0 5 0 75 0 375mol由空气过量系数可算出输入系统的氧量为1 0 5 1 5 0 75mol折合空气量为0 75 0 21 3 57mol其中N2 3 57 0 79 2 82mol出反应器的氧量为0 75 0 375 0 375mol反应后气体混合物组成 例2 试求生产1000m3 STP 煤气 所需空气 水蒸气 褐煤各为多少公斤 已知 褐煤中含C为70 煤气组成为 CO 4 H2 18 N2 42 V 反应式为C H2O CO H2 2C O2 2CO 合成气生产 褐煤 C70 空气O221 N279 煤气CO4 H218 N242 H2O 解 计算基准1000m3煤气 1 空气量计算 煤气中的氮量V N2 1000 0 42 420m3折算成空气量为420 0 79 532m3532 22 4 29 688 75kg 空气平均分子量取29 其中O2 532 0 21 112m3112 22 4 5kmol 2 水蒸气量计算 从反应式可知煤气中H2由H2O来煤气中氢V H2 1000 0 18 180m3即水蒸气量为180m3180 22 4 18 145kg180 22 4 8 04kmol 3 褐煤量计算 由反应式 与8 04kmolH2O反应需C 8 04kmol由反应式 与5kmolO2反应耗C 2 5 10kmol故消耗碳量为 8 04 10 12 216 5kg褐煤中含C 70 需褐煤量为216 5 0 7 309 3kg 例3 接触法制H2SO4 反应式S O2 SO22SO2 O2 2SO3SO3 H2O H2SO4S 1 5O2 H2O H2SO4一个年产2000吨93 2 的H2SO4车间 年操作日为三百天试计算 1 每天生产100 H2SO4多少吨 2 每天需氧多少吨 折合空气量多少Nm3 3 吸收SO3每天需水多少吨 4 将100 H2SO4稀释为93 2 H2SO4需水多少吨 解 1 2000 0 932 300 6 2133t d6 2133 1000 98 63 4kmol d 2 由反应式知H2SO4中的氧来自空气的为1 5O2 则63 4kmolH2SO4由空气供O2量为1 5 63 4 95 1kmol d折合95 1 32 1000 3 04t d折空气量为95 1 22 4 0 21 10144m3 3 H2SO4 H2O 1 1吸收SO3用水量为63 4kmol d63 4 18 1000 1014t d 4 6 2133 1 0 932 0 4225t d稀释用水 例4 工业上由乙烯水合生产乙醇 其反应式如下 主反应C2H4 H2O C2H5OHAB副反应2C2H5OH C2H5 2O H2O二乙醚反应器进料组成为C2H4 53 7 H2O 36 7 余为惰性气 V 乙烯转化率为80 以乙烯为基准的乙醇产率为90 试计算反应器输出物料的组成 乙烯水合 C2H453 7 H2O36 7 惰性气体 C2H5OHEt2OH2O惰性气体C2H4 解 计算基准 100mol进料进料中各组分量为 C2H4 100 0 537 53 7molH2O 100 0 367 36 7mol惰气 100 0 096 9 6mol出料中各组分计算 1 惰气 9 6mol 2 C2H4 由转化率知出系统中未反应的C2H4 53 7 0 20 10 74mol参与化学反应的C2H4 53 7 0 80 42 96mol其中转化为乙醇的C2H4量即进行主反应的乙烯量 即乙醇生成量 由产率计算为 0 9 53 7 MA MB 0 9 53 7 28 46 29 42mol进行副反应的C2H4 42 96 29 42 13 54mol 3 C2H5 2O与H2O计算由副反应生成 C2H5 2O 13 54 2 6 77molH2O 13 54 2 6 77mol出系统H2O 36 7 6 77 29 42 14 05mol出系统物质组成 V C2H410 74mol15 22C2H5OH29 42mol41 68 C2H5 2O6 77mol9 6H2O14 05mol19 9惰气9 6mol13 6共计70 58mol100 2 反应速度法 反应速率的定义 某一组分进单位体积反应器与出反应器的mol流量之差称为该组分的反应速率 mol m 3 s RS FS FSS 组分 RS S组分的反应速率 以单位时间表示 则FS FS RSFS S组分的输入流kmol sFS S组分输出流量kmol s 当有化学反应时 以组分建立的质量平衡式和mol平衡式已不成立 这时利用反应速率来建立衡算式 aA bB cC dD表示反应的速率有RA RB RC RD 这四者之间的关系式为 通式 i i组分的化学计算系数 对反应物取负值 生成物取正值由此得Ri r i代入上面式子得Fi Fi r i 例 合成氨反应 N2 3H2 2NH3若已知N2 H2 NH3的输入反应器流量分别为 FN2 12mol s FH2 40mol s FNH3 0mol s设N2的输出流量为8mol s计算其余组分的输出流量解 按式Fi Fi r iFN2 12 1 r 8 得r 4mol sFH2 40 3 4 28mol sFNH3 0 2 4 8mol s 3 平衡常数法 aA bB cC dD 浓度单位采用mol l平衡常数用符号Kc浓度单位采用mol分数平衡常数用符号Kn浓度单位采用分压平衡常数用符号Kp低压下 平衡常数Kp仅是温度之函数吸热反应 H 0则T 导致Kp 放热反应 H 0则T 导致Kp 高压下 Kp不仅是温度也是压力的函数 此时要用逸度代替分压 利用化学平衡常数的计算式建立方程式以补充不足之方程数 例 某厂在转化炉中用天然气与蒸汽反应制氢 该厂每小时耗天然气量为4700m3 工艺条件 汽 气 2 5 水蒸汽 天然气 反应式 CH4 H2O CO CH4 CO2 2CO 2H2 CO H2O CO2 H2已知天然气组成为 CH498 6 N21 4 把其它烃组分都折算为CH4 V CH4的转化率为67 在已转化气体中CO对CO2之比率可取气体离开转化器的温度700 下反应 呈平衡时的比率 转化气离开反应器时温度为700 在此温度下各反应式的平衡常数值为 反应 Kp 25 Kp 20 Kp 1 54试计算转化气组成 干 湿基 计算基准 取100m3天然气为计算基准转化气的成分可由反应式及工艺条件分析得出为 CH4 H2 CO CO2 N2 水蒸气 六个未知数要列出六个方程 由于N2为惰性气反应前后量不变 CH4可通过转化率算出 即有两个约束条件 故只要列出四个衡算式 转化炉 天然气CH498 6 100m3N21 4 水蒸气 转化气 H2COCO2CH4N2H2O 过程示意图 H平衡4 98 6 2 250 2VH2 4 32 54 2V H2O整理后得32 12 VH2 VH2O 3 进转化炉水蒸气量为2 5 100 250m3V H2O 250 VH2O C平衡98 6 VCO VCO2 32 54得VCO2 66 06 VCO 1 O平衡250 2VCO2 VCO 250 VH2O 得2VCO2 VCO VH2O 0 2 100m3天然气中有CH4 98 6m3N2 1 4m3未反应CH4量为98 6 1 0 67 32 54m3 利用反应 的平衡常数式建立一个方程由 1 2 二式得VCO 132 12 VH2 4 由 1 4 二式得VCO2 VH2O 66 06 5 把 3 4 5 代入Kp式后得VH2O 54 1VH2O 3436 0解得VH2O 91 61m3则出口转化气中各组分量为 VN2 1 4m3VCH4 32 54m3V H2O 250 91 61 158 39m3 由 3 式VH2 132 01 91 61 223 73m3由 4 式VCO 132 12 91 61 40 51m3由 5 式VCO2 91 61 66 06 25 55m3 4 结点法 以流程中的汇集或分支处的交点 即结点 进行衡算 可以使计算简化 例 某炼油厂 其原料制备流程及已知数据示于下图 试计算流经脱异戊烷塔不含丁烷的汽油量为多少 脱丁烷塔 脱异戊烷塔 含丁烷汽油 100mol正80 异20 xmol smol100 异 ymol100 正 原料Pmol90 正10 异 对结点 建立衡算式 异C5H12平衡 100 x 0 2 0 1P正C5H12平衡 100 x 0 8 y 0 9Py 0 8x100 0 8 0 9P解得 P 88 89molx 55 56moly 44 44molS 0 2x 11 11mol 常用计算方法利用联系物做物料衡算复杂反应体系使用产物 副产物各自的收率数据作物料衡算带有物料循环的流程的物料衡算多步串联过程的物料衡算 化学反应的物料衡算 利用联系物做物料衡算 惰性物料的数量在反应器的进口 出口物料中没有变化 计算时可以利用它在设备进 出口的数量 质量或摩尔数 不变的关系列物料衡算方程 称这种惰性物料为联系物 例 天然气蒸汽转化法制造合成氨原料气 计算天然气的用量和空气的用量 一段转化炉 二段转化炉 CO变换 CO2脱除 甲烷化 天然气xkmol 蒸汽 空气ykmol CO2 天然气组成表 合成氨原料气组成表 一段转化炉 二段转化炉 CO变换 CO2脱除 甲烷化 天然气xkmol 蒸汽 空气ykmol CO2 解 以100kmol合成氨原料气为计算基准 1 以N2为联系物作衡算 作系统N2平衡得 0 0033x 0 79y 24 64 kmol A 2 作系统氢平衡 100kmol天然气可提供的理论H2为 n个C 3n 1个H2 因此 xkmol天然气进料可提供的理论H2为 联立解 A B 得 制造100kmol合成氨原料气需天然气18 92kmol和31 11kmol空气 燃烧消耗的H2为 作系统H2平衡得 常用计算方法利用联系物做物料衡算复杂反应体系使用产物 副产物各自的收率数据作物料衡算带有物料循环的流程的物料衡算多步串联过程的物料衡算 化学反应的物料衡算 对于 复杂反应体系使用产物 副产物各自的收率数据作物料衡算 例 丙烯氨氧化合成丙烯腈的反应是 除上述主反应外 还有下列主要副反应 试作年产5000t丙烯腈反应器的物料衡算 丙烯氨氧化 C3H61NH31 05O22 3H2O3 C3H8 C3H6 0 15 0 85 C2H3CN60 HCN6 5 CH3CN7 C3H4O0 7 CO212 a 年产丙烯腈5300tb 年操作300天c 操作过程丙烯腈损耗3 解 先画出流程图 收率 O2H2OC3H6C3H8 1 丙烯腈的产量 5300 1 03 5459t a 2 反应器进料量 丙烯 氨 23 83 1 05 25kmol h 425kg h 丙烷 23 83 0 85 0 15 4 205kmol h 185kg h 水 23 83 3 71 49kmol h 1287kg h 氧 23 83 2 3 54 81kmol h 1754kg h 3 反应器出口混合气的量 氢氰酸 23 83 3 0 065 4 647kmol h 125 5kg h乙腈 23 83 1 5 0 07 2 5kmol h 102 5kg h丙烯醛 23 83 0 007 0 1668kmol h 9 34kg h二氧化碳 23 83 3 0 12 8 58kmol h 377 5kg h 丙烯 氧 氨 25 14 3 4 647 2 5 3 553kmol h 60 4kg h 水 71 49 3 14 3 2 4 647 2 2 5 0 1668 8 58 137 4kmol h 2473kg h 常用计算方法利用联系物做物料衡算复杂反应体系使用产物 副产物各自的收率数据作物料衡算带有物料循环的流程的物料衡算多步串联过程的物料衡算 化学反应的物料衡算 新鲜原料FF 反应系统 分离系统 循环机械 循环物流 RC 产品 PF 排放 EF 1 代数法 当原料 产品及再循环流的组成是已知的 采用此法 根据已知条件确定已知项和未知项后 列出方程组 求解 2 试差法 当未知数的数目多于方程式数目时 隐式 需要用试差法求解 即先给某个未知项假设一个初始值 代入方程组计算结果 检验假设初值是否合理 不合理要重新假设 计算 可借助计算机迭代 3 循环系数法 是根据求取循环系数来确定循环的物料量循环系数与循环物料间的关系为 循环系数 G总 G新鲜 FF RC FFFF 加入设备的新鲜物料量RC 返回设备的循环物料量新鲜物料量FF可由生产量求得 当循环系数已知或选定时 即可算出循环物料量 循环系数由下式求得 1 1 通过反应设备时未反应的物料的百分比 使用上式的条件是生产必须达稳定 循环量及其组成都趋于稳定 其次是循环物料的组成和新鲜物料组成应当相当接近 例氨合成系统物料衡算 已知 1 新鲜原料气的组成如下 2 氨合成塔人口气体中含氨2 5 摩尔分数 下同 3 氨合成塔出口气体中含氨11 4 放空气体中 CH4十Ar 的含量为19 926 5 忽略气体在液氨中的溶解 6 因水冷后氨的冷凝量很小 近似把塔出口气体中的氨含量与放空气中的氨含视为相等 氨合成工艺流程图 氨合成塔 水冷器 冷交换器 水冷氨分 循环机 油分 二级氨冷 一级氨分 一级氨冷 新鲜气 V0 NH32 5 V2 放空 V1 CH4 Ar 19 296 NH311 V3 0 5 15 20 V4 2液氨 V4 1液氨 解 取1000m3 STP 新鲜原料气为衡算基准 1 放空气量V1及组成 作系统的惰性气平衡得新鲜气带入的惰性气 放空气带出的惰性气 放空气组成的计算 已知NH3 CH4 Ar 的摩尔分数分别为11 和19 296 以及 H2 N2 为73 729 24 558 3 N2 H2 的摩尔分数为1 0 11 0 19296 0 69704H2 0 069704 3 1 3 0 5227N2 0 069704 1 1 3 0 17426CH4 0 19296 1 42 1 42 0 293 0 1599Ar 0 19296 0 293 1 42 0 293 0 0332 2 总产氨量V4从反应式N2 3H2 2NH3可看出每生成1体积氨 系统体积减小1 因反应生成的气氨等于 V4 0 11Vl m3 STP 3 氨合成塔出口气量V3和入口气量 反应减少的体积 V2 V3 V2 V3 V4 0 11V1 由系统的氨平衡有 合成反应生成的氨 系统排出的氨 4 氨合成塔人口气体组成对氨合成塔作系统H2平衡得 合成塔进口含H2 塔出口含H2 新鲜气带入H2 放空气带出H2 作系统N2平衡得 合成塔进口含N2 塔出口含N2 新鲜气带入N2 放空气带出N2 合成塔进口含H2 0 73729V0 0 5227V1 0 5227V3 3593 89m3 STP 合成塔进口含N2 0 24558V0 0 17426V1 0 17426V3 3593 89m3 STP 作塔进 出口CH4平衡 塔进口含CH4 塔出口含CH4 0 15994V3 888 2m3 STP 作塔进 出口Ar平衡 塔进口含Ar 塔出口含Ar 0 03303V3 183 36m3 STP 作系统NH3平衡得 塔出口含氨 塔进口含氨 系统排出的氨 放空气带出的氨 塔进口含氨 0 11V3