单元化工过程物料衡算

09:43 单元3化工过程物料衡算 1 单元三单元三 化工过程物料衡算化工过程物料衡算 任务任务1 理解物料衡算基础知识理解物料衡算基础知识 一一、 物料衡算的两大类型物料衡算的两大类型 二二、 化工生产过程的类型化工生产过程的类型 三三、 物料衡算的理论依据及物料衡算式物料衡算的理论依据及物料衡算式 四四、 物料衡算计算基准及其选择物料衡算计算基准及其选择 五五、 物料衡算的一般步骤物料衡算的一般步骤 任务任务2 物理过程的物料衡算物理过程的物料衡算 一一、 混合过程物料衡算混合过程物料衡算 二二、 蒸发与结晶过程物料衡算蒸发与结晶过程物料衡算 三三、 吸收过程物料衡算吸收过程物料衡算 四四、 精馏过程物料衡算精馏过程物料衡算 任务任务3 反应过程物料衡算反应过程物料衡算 一一、 反应物配比反应物配比 二二、 转化率转化率、选择性选择性、收率收率、 三三、 单一反应过程物料衡算单一反应过程物料衡算 四四、 复杂反应过程物料衡算复杂反应过程物料衡算 (一一) 直接求解法直接求解法 (二二) 元素衡算法元素衡算法 (三三) 利用联系组分衡算利用联系组分衡算 (四四) 利用化学平衡衡算利用化学平衡衡算 09:44 单元3化工过程物料衡算 2 任务任务1 理解物料衡算基础知识理解物料衡算基础知识 知识目标：掌握物料衡算的类型、化工过程的类型、 物料衡算的理论依据，熟悉物料衡算时计算基准的选 择方法，熟悉物料衡算的一般步骤。 能力目标：能针对不同类型的化工过程和衡算对象， 选择合适的计算基准和比较正确的衡算步骤。 一一、物料衡算物料衡算的两大类型的两大类型 (1)核算核算型型 对对已有的生产设备或装置已有的生产设备或装置,利用实际测定的数据利用实际测定的数据,计算出另计算出另 一些不能直接测定的物理量一些不能直接测定的物理量。用此计算结果用此计算结果,对生产情况进行对生产情况进行 分析分析、作出判断作出判断、提出改进措施提出改进措施。 (2)设计型设计型 根据根据设计任务设计任务,先作物料衡算先作物料衡算,求出进出各设备的物料量求出进出各设备的物料量,然然 后再作能量衡算后再作能量衡算,求出设备或过程的热负荷求出设备或过程的热负荷,从而确定设备尺寸从而确定设备尺寸 及整个工艺流程及整个工艺流程。 返回返回 09:44 单元3化工过程物料衡算 3 任务任务1 理解物料衡算基础知识理解物料衡算基础知识 二二、化工生产过程的类型化工生产过程的类型 (1)间歇操作间歇操作 如如:釜式反应器釜式反应器,小批量生产小批量生产,不适合大规模不适合大规模 (2)连续操作连续操作 稳态稳态(正常操作均可作为稳态正常操作均可作为稳态) 非稳态非稳态(开停车开停车,事故时事故时) 稳态适合大规模操作稳态适合大规模操作,具有规模经济性具有规模经济性 规模经济性规模经济性:是指在一定的市场需求范围内是指在一定的市场需求范围内,随着生产随着生产 规模的扩大规模的扩大,企业的产品与服务的每一单位的平均成本企业的产品与服务的每一单位的平均成本 出现持续下降的现象出现持续下降的现象。 09:44 单元3化工过程物料衡算 4 任务任务1 理解物料衡算基础知识理解物料衡算基础知识 二二、化工生产过程的类型化工生产过程的类型 (2)连续操作连续操作 化工生产装置的特点之一化工生产装置的特点之一: 生产能力生产能力(C)与容积与容积(V)成正成正 比即与设备的线性尺寸比即与设备的线性尺寸(L)成成 3次方关系次方关系,而设备投资而设备投资(I)通通 常与其面积成正比常与其面积成正比,即与其线即与其线 性尺寸成性尺寸成2次方关系次方关系,综合的综合的 结果结果,装置的投资费与生产能装置的投资费与生产能 力的力的0.6次方成正比次方成正比,即所谓的即所谓的 0.6次方法则次方法则,可表示为可表示为: 6 . 0 1 2 1 2 C C I I C2 3C1 6C1 10C1 15C1 30C1 50C1 100C1 I2 1.93 2.93 3.98 5.08 7.70 10.46 15.85 0 5 10 15 20 25 1 11 21 31 41 51 61 71 81 91 101 111 121 131 141 C2 09:45 单元3化工过程物料衡算 5 任务任务1 理解物料衡算基础知识理解物料衡算基础知识 二二、化工生产过程的类型化工生产过程的类型 (1)间歇操作间歇操作 (2)连续操作连续操作 (3)半连续操作半连续操作(如部分物料一次性加入如部分物料一次性加入,部分连续加入部分连续加入) 三三、物料衡算的理论依据及物料衡算式物料衡算的理论依据及物料衡算式 (1)物料衡算的理论依据物料衡算的理论依据质量守恒定律质量守恒定律 (2)物料衡算式物料衡算式 总物料总物料（若元素若元素）：m入 入= m出出+ m积累积累 (3-1) 注意：注意： 单位单位kg; 若用若用kmol则无化学反应时适用则无化学反应时适用 组分：组分：mi入 入 mi生成或消耗 生成或消耗= mi出出+ mi积累积累 (3-2) 返回返回 09:45 单元3化工过程物料衡算 6 任务任务1 理解物料衡算基础知识理解物料衡算基础知识 四四、物料衡算计算基准及其选择物料衡算计算基准及其选择 (1)稳定流动过程稳定流动过程 单位时间单位时间，如：如：1小时小时、1分钟分钟、1秒钟秒钟 单位数量或某一整量的原料或产品单位数量或某一整量的原料或产品，如：如： A)气体原料气体原料，有有100mol或或kmol或或100Nm3等等，理由是理由是 气体物料通常用气体物料通常用mol%组成或体积组成或体积%； B)液体原料液体原料，有有100kg，理由是液体物料通常用质量理由是液体物料通常用质量%。 (2)间歇过程间歇过程 不采用单位时间为计算基准不采用单位时间为计算基准。 09:46 单元3化工过程物料衡算 7 计算基准选择举例计算基准选择举例,例例3-1戊烷充分燃烧戊烷充分燃烧,空气用量为理论量的空气用量为理论量的120%,反应式反应式 为为:C5H12+8O25CO2+6 H2O,问每问每100mol燃烧产物需要多少燃烧产物需要多少mol空气？空气？ 解：由题意画出示意流程图解：由题意画出示意流程图 方法一：基准方法一：基准1mol C5H12 则：理论则：理论O2量：量：n理论氧 理论氧=8n戊烷戊烷=8mol 实际实际O2量量:n实际氧 实际氧=1.20 n理论氧理论氧=9.60mol 实际实际air用量用量:n实际空气 实际空气=9.60/0.21=45.71mol N2量：量：n实际氮 实际氮=45.71 0.79=36.11mol 计算结果列表如下：计算结果列表如下： 输入项输入项 输出项输出项 组分组分 摩尔数摩尔数 克数克数 组分组分 摩尔数摩尔数 mol% 克数克数 C5H12 1 72 CO2 5 10.26 220 O2 9.60 307.2 H2O 6 12.32 108 N2 36.11 1101.20 O2 1.60 3.28 51.2 N2 36.11 74.13 1011.20 46.71 1390.40 48.71 100.00 1390.40 每每100mol燃烧产物燃烧产物（烟气烟气）所需空气量为：所需空气量为：45.71 48.71 100=93.84mol 或由或由N2平衡方程得：平衡方程得：100 74.13% 79%=93.84mol (实际计算过程建议用实际计算过程建议用Excel处理处理) 09:46 单元3化工过程物料衡算 8 计算基准选择举例计算基准选择举例,戊烷充分燃烧，空气用量为理论量的戊烷充分燃烧，空气用量为理论量的120%，反应式为：，反应式为： C5H12+8O25CO2+6H2O,问每问每100mol燃烧产物需要多少燃烧产物需要多少mol空气？空气？ 解：由题意画出示意流程图解：由题意画出示意流程图 方法二：基准方法二：基准1mol空气空气 则其中则其中O2量：量： n实际氧 实际氧=0.21mol 反应的反应的O2量：量：n反应氧 反应氧=0.21/1.20=0.175mol 燃烧的燃烧的C3H8量：量：n丙烷 丙烷=0.175/8=0.0219mol 计算结果列表如下：计算结果列表如下： 每每100mol燃烧产物燃烧产物（烟气烟气）所需空气量为：所需空气量为：100/1.0656=93.84mol 或由或由N2平衡方程得：平衡方程得：100 74.13% 79%=93.84mol 输入项输入项 输出项输出项 组分组分 摩尔数摩尔数 克数克数 组分组分 摩尔数摩尔数 mol% 克数克数 C5H12 0.0219 1.575 CO2 0.1094 10.26 4.8125 O2 0.21 6.72 H2O 0.1313 12.32 2.3625 N2 0.79 22.12 O2 0.035 3.28 1.12 N2 0.79 74.13 22.12 1.0219 30.415 1.0656 100.00 30.415 (实际计算过程建议用实际计算过程建议用Excel处理处理) 09:46 单元3化工过程物料衡算 9 C平衡：平衡：5B=P （1） H2平衡：平衡：6B=Q （2） O2平衡：平衡：0.21A=M+P+Q/2 （3） N2平衡：平衡：0.79A=N （4） 总物料：总物料：M+N+P+Q=100 （5） 过剩过剩O2：(0.21A M) 1.20=0.21A 0.035A=M （6） 以上以上6个线性方程个线性方程采用采用Excel的的MDETERM、MINVERSE、 MMULT三个函数或规划求解法求解上述线性方程三个函数或规划求解法求解上述线性方程 方法三：基准方法三：基准100mol 烟气烟气,设设: N烟气中烟气中N2量，量，mol； M烟气中烟气中O2量，量，mol； P烟气中烟气中CO2量，量，mol； Q烟气中烟气中H2O量，量，mol； A入口空气量，入口空气量，mol； B入口入口C5H12量，量，mol。 以上以上6个未知数，需要个未知数，需要6个独立方程。个独立方程。 09:46 单元3化工过程物料衡算 10 方法三：基准方法三：基准100mol 烟气烟气 组分组分 N M P Q A B mol数数 74.135 3.284 10.264 12.317 93.842 2.053 结论：结论： (1)手算以限制反应为基准能简化计算；手算以限制反应为基准能简化计算； (2)计算机计算则以已知条件最多的物料为计算基准较为适宜。计算机计算则以已知条件最多的物料为计算基准较为适宜。 返回返回 09:46 单元3化工过程物料衡算 11 任务任务1 理解物料衡算基础知识理解物料衡算基础知识 五五、物料衡算的一般步骤物料衡算的一般步骤 (1)搜集原始数据；搜集原始数据； (2)由题意画出过程物料流程简图由题意画出过程物料流程简图，明确已知量明确已知量、待求待求 量；量； (3)明确衡算体系明确衡算体系; (4)选择计算基准；选择计算基准； (5)写出有关化学反应方程式；写出有关化学反应方程式； (6)列出物料衡算式列出物料衡算式，选择合适的数学方法选择合适的数学方法; (7)校核计算结果校核计算结果，整理数据整理数据，如列成表格或画出物料如列成表格或画出物料 流程图流程图。 关键关键: :进出进出( (前后前后) )质量守恒质量守恒! ! 返回返回 09:46 单元3化工过程物料衡算 12 任务任务1 理解物料衡算基础知识理解物料衡算基础知识 返回返回 五 、 物 料 衡 算 的 一 般 步 骤 五 、 物 料 衡 算 的 一 般 步 骤 物 料 流 程 图 物 料 流 程 图 09:47 单元3化工过程物料衡算 13 任务任务2 物理过程物理过程的物料衡算的物料衡算 知识目标：掌握典型物理过程的物料衡算方法。 能力目标：能针对化工生产过程中的常见物理过程， 列出物料平衡式并解出正确答案。 主要方法主要方法, ,通常有三类衡算式通常有三类衡算式,即即: (1)总物料平衡式总物料平衡式;(2)组分平衡式组分平衡式;(3)归一方程归一方程。 一一、混合混合过程物料衡算过程物料衡算 例例3-2 一种废酸一种废酸，组成组成为为33%（质量质量%）HNO3、47%H2SO4和和 20%H2O，加入加入98.5%的浓的浓H2SO4和和90%的浓的浓HNO3，要求混要求混 合成含合成含27%HNO3及及60%H2SO4的混合酸的混合酸，计算所需废酸及加计算所需废酸及加 入浓酸的数量入浓酸的数量。 分析：此题已知相对量分析：此题已知相对量，绝对量可任意假定绝对量可任意假定。 解：设解：设x为废酸量为废酸量,kg;y为浓为浓H2SO4量量,kg;z为浓为浓HNO3量量,kg。 计算基准计算基准:100kg混合酸混合酸,由题意画出过程示意图由题意画出过程示意图( (见见例例3-2附图附图) ) 09:47 单元3化工过程物料衡算 14 任务任务2 物理过程的物料衡算物理过程的物料衡算 一、混合过程物料衡算一、混合过程物料衡算 例例3-2 总物料平衡：总物料平衡：x+y+z=100 (1) H2SO4平衡：平衡：0.47x+0.985y=100 0.53 (2) HNO3平衡：平衡：0.33x+0.95z=100 0.37 (3) 解上式方程组得：解上式方程组得：x=41.3kg、y=34.1kg、z=24.6kg 水平衡检验水平衡检验:41.3 0.20+34.1 0.015+24.6 0.05=10.00 返回返回 09:47 单元3化工过程物料衡算 15 任务任务2 物理过程的物料衡算物理过程的物料衡算 一、混合过程物料衡算一、混合过程物料衡算 例例3-2 x+y+z=100 0.47x+0.985y=100 0.53 0.33x+0.95z=100 0.37 返回返回 x y z b 1 1 1 100 0.47 0.985 0 53 0.33 0 0.95 37 09:47 单元3化工过程物料衡算 16 任务任务2 物理过程的物料衡算物理过程的物料衡算 二二、蒸发与结晶过程物料衡算蒸发与结晶过程物料衡算 补例补例1 用空气用空气、纯氧和水通入蒸发室制备富氧湿空气纯氧和水通入蒸发室制备富氧湿空气。水在蒸发水在蒸发 室内全部汽化室内全部汽化 ,其流量为其流量为 0.0012m3/h,使湿空气中含水为使湿空气中含水为 1.5%(mol%),纯氧摩尔流量为空气流量的纯氧摩尔流量为空气流量的1/5,计算所有的未知计算所有的未知 量及组成量及组成。 解解:设设Q空气流量空气流量,kmol/h;0.2Q纯氧流量纯氧流量,kmol/h; F富氧湿空气流量富氧湿空气流量,kmol/h; x富氧湿空气中含氧量富氧湿空气中含氧量,mol分率分率 计算基准计算基准:1小时小时,画出物料流程简图如下画出物料流程简图如下: 09:47 单元3化工过程物料衡算 17 任务任务2 物理过程的物料衡算物理过程的物料衡算 二二、蒸发与结晶过程物料衡算蒸发与结晶过程物料衡算 补例补例1 将水的体积流量换算为将水的体积流量换算为mol流量流量: W=0.0012 1000/18 =0.06666kmol/h H2O衡算式衡算式 W=F 0.015=0.06666 (1) 总物料衡算式总物料衡算式 0.2Q+Q+W=F (2) N2衡算式衡算式 0.79 Q=F(10.015x) (3) 解上述方程组得解上述方程组得: F =4.444 kmol/h Q =3.648 kmol/h x =0.377 09:43 单元3化工过程物料衡算 18 任务任务2 物理过程的物料衡算物理过程的物料衡算 二二、蒸发与结晶过程物料衡算蒸发与结晶过程物料衡算 (1)溶解度的定义溶解度的定义(C)在一定温度下在一定温度下,某物质某物质(此处仅指固体物质此处仅指固体物质)在在 100g溶剂中达到饱和时所溶解的克数溶剂中达到饱和时所溶解的克数。对于固体物质的溶解对于固体物质的溶解 度度,通常仅是温度的函数通常仅是温度的函数,即即:C=f(T) (2)溶解度的计算公式溶解度的计算公式 100 /100Cgg 溶质的质量 溶质溶剂 溶剂的质量 )( )( 100b a 溶剂的质量 溶质的质量 溶剂 溶质的溶解度 dc c ba a d c b a (3)计算举例计算举例,补例补例2 配制配制100吨吨90饱和食盐水饱和食盐水，需水需水、NaCl 各为多少各为多少？已知已知90时时NaCl的溶解度为的溶解度为38.5g。 解：解：38.5/(38.5+100)=x/100 x=27.8吨吨NaCl、水水:100 27.8=72.2吨吨 09:43 单元3化工过程物料衡算 19 二、二、蒸发与结晶过程物料衡算蒸发与结晶过程物料衡算 补例补例3 溶解度数据溶解度数据(g/100gH2O(l)： 温度温度 溶解度溶解度C 温度温度 溶解度溶解度C 温度温度 溶解度溶解度C 60 16.4 40 12.7 20 9.6 50 14.45 30 11.1 10 8.15 解：基准解：基准1000kg60饱和饱和NaHCO3(aq) 由由t1=60查得：查得：C1=16.4 g/100gH2O(l) x1=C1/(100+C1)=16.4/116.4=0.1409 总物料平衡：总物料平衡：m1=m2+m3 （1） NaHCO3(s)平衡：平衡：m1 x1=m2+m3 x3 （2） 代入数据得：代入数据得： 1000=50+m3 （3） 1000 0.1409=50+m3 x3 （4） 解之得：解之得：m3=950kg、x3=0.09568 C3=100 x3/(1 x3)=100 0.09568/(1 0.09568) =10.58 g/100gH2O(l) 由溶解度数据线性由溶解度数据线性内插内插得：得： t3=20+10/(11.1 9.60) (10.58 9.60)=26.53 内插法讲解内插法讲解: 21 11 21 () CC CCtt tt 21 11 21 () tt ttCC CC 返回返回 09:43 单元3化工过程物料衡算 20 任务任务2 物理过程的物料衡算物理过程的物料衡算 三三、吸收过程物料衡算吸收过程物料衡算 例例3-4 含含20%(质量质量%)丙酮与丙酮与80%空气的混合气进吸收塔空气的混合气进吸收塔，塔顶塔顶 喷水吸收丙酮喷水吸收丙酮。吸收塔出口气体含丙酮吸收塔出口气体含丙酮3%，塔底得到塔底得到50千克千克 含含10%丙酮的水溶液丙酮的水溶液，计算进吸收塔气体的量计算进吸收塔气体的量。 解解:由题意画物料流程示意图由题意画物料流程示意图,以以50kg10%丙酮水溶液为计算基准丙酮水溶液为计算基准 列衡算式：列衡算式： 丙酮衡算式丙酮衡算式 0.20 x=0.03y+5 (1) 空气衡算式空气衡算式 0.80 x=0.97y (2) 解解(1)、(2)得得 x=28.52kg， y=23.52kg 进料气中丙酮进料气中丙酮:0.20 x=0.20 28.52=5.70 kg 出料气中丙酮出料气中丙酮: 5.7-5=0.7kg 或或0.03y=0.03 23.52=0.70kg 返回返回 09:43 单元3化工过程物料衡算 21 任务任务2 物理过程的物料衡算物理过程的物料衡算 四四、精馏过程物料衡算精馏过程物料衡算 例例3-5 有一个蒸馏塔有一个蒸馏塔，输入和输出物料量及组成如下图输入和输出物料量及组成如下图。输入输入 物料物料1中中A组分的组分的98.7%自塔顶蒸出自塔顶蒸出。求塔顶馏出物求塔顶馏出物2的量及的量及 其组成其组成。 解解:基准为基准为1小时小时 令令:x馏出物中馏出物中A的百分含量的百分含量 y馏出物中馏出物中B的百分含量的百分含量。 将各物料的流量及组成列于下表将各物料的流量及组成列于下表 流股流股 号号 流量流量 (kg/h) 组分组分(kg%) A B C 1 100 20 30 50 2 P x y 1-x-y 3 W 0.5 5.5 94.0 09:43 单元3化工过程物料衡算 22 任务任务2 物理过程的物料衡算物理过程的物料衡算 四四、精馏过程物料衡算精馏过程物料衡算 例例3-6 由表可看出由表可看出,共有共有5个未知量个未知量,即即P、W及流股及流股2的组成的组成A、B、C,由于组成由于组成 A+B+C1,所以只需求得任意两个组成所以只需求得任意两个组成,如如A、B(或或B、C或或C、A),第三个组第三个组 成就可求出成就可求出。因此实际上是因此实际上是4个未知量个未知量,需要需要4个方程个方程。但是输入和输出物料但是输入和输出物料 个共有个共有3个组分个组分,因而只能写出因而只能写出3个独立物料衡算式个独立物料衡算式。第四个方程必须从另外第四个方程必须从另外 给定的条件列出给定的条件列出。 根据题意根据题意,已知输入物料中已知输入物料中A组分的组分的98.7%自塔顶蒸出自塔顶蒸出,即流股即流股2中中A组分量为组分量为: P x10020%98.7%19.74 kg (1) 总物料衡算式有总物料衡算式有P和和W两个未知量两个未知量。A、B、C三组分的衡算式中三组分的衡算式中，A组分的组分的 衡算式只含有一个未知量衡算式只含有一个未知量W,所以先列所以先列A组分的衡算式组分的衡算式。 A组分衡算式组分衡算式 100 20%W 0.5%+19.74 (2) 总物料衡算式总物料衡算式 100P+W (3) B组分衡算式组分衡算式 100 30%5.5% W+P y (4) 由由(2)式得式得 W=52kg 代入代入(3)式得式得 P=100 5248 kg 代入代入(4)式得式得 y=56.54% 由由(1)式得式得 x19.74/P19.74/48=41.13% C组成为组成为 1 x y1 41.13% 56.54%2.33% 由由C组分衡算式得组分衡算式得 100 50%=52 94%+48(1 x y) 1 x y2.33% 结果符合结果符合。 返回返回 09:43 单元3化工过程物料衡算 23 任务任务3 化学反应过程的物料衡算化学反应过程的物料衡算 知识目标：掌握反应物配比、转化率、选择性、收率的概念，掌 握单一化学反应过程物料衡算的方法，了解复杂化工过程物料衡 算的一般步骤、方法。 能力目标：能对单一化学反应过程进行物料衡算，能对典型循环 过程进行物料衡算。 一一、反应反应物的配比物的配比 (1)限制反应限制反应物物:化学反应化学反应原料不按化学计量比配料时原料不按化学计量比配料时，其中以最其中以最 小化学计量数存在的反应物称为限制反应物小化学计量数存在的反应物称为限制反应物。 (2)过量反应过量反应物物:不不按化学计量比配料的原料中按化学计量比配料的原料中，某种反应物的量某种反应物的量 超过限制反应物完全反应的理论量超过限制反应物完全反应的理论量，该反应物称为过量反应物该反应物称为过量反应物， 即用量超过理论量的反应物即用量超过理论量的反应物。 注意：注意：限制反应物只有一种限制反应物只有一种，而过量反应物则可能有若干种而过量反应物则可能有若干种。 如如:2CH3-CH=CH2+2NH3+3O2 =2CH2=CH-CN+6H2O (3)过量过量百分数百分数:过过量反应物超过限制反应物所需理论量的部分占量反应物超过限制反应物所需理论量的部分占 其所需理论量的百分数称为过量百分数其所需理论量的百分数称为过量百分数。 %100% id ide n nn 过量 (3-5) 返回返回 09:43 单元3化工过程物料衡算 24 任务任务3 化学反应过程的物料衡算化学反应过程的物料衡算 二二、转化率转化率、选择性选择性、收率收率 （一一） 转化率转化率（x） 某一反应物反应掉的量占其输入量的百分数某一反应物反应掉的量占其输入量的百分数。 根据选择的对象的不同以及计算内容的不同根据选择的对象的不同以及计算内容的不同，转化率又可分转化率又可分 为三种：为三种：单程转化率；单程转化率；总转化率；总转化率；平衡转化率平衡转化率。 (1)单程转化率单程转化率（x单 单） ） 以反应器为对象以反应器为对象（体系体系），某一物料一次性通过反应器反某一物料一次性通过反应器反 应掉的量与其反应器输入量之比值应掉的量与其反应器输入量之比值。 注意：一个化学反应往往有若干个反应物参与反应注意：一个化学反应往往有若干个反应物参与反应，由于实际由于实际 反应系统中通常不按化学计量比配料反应系统中通常不按化学计量比配料，因此不同的反应物为因此不同的反应物为 计算对象可得到不同的转化率计算对象可得到不同的转化率，故需指明具体的反应物的转故需指明具体的反应物的转 化率化率。若没有指明时若没有指明时，则往往是则往往是指限制反应物的转化率指限制反应物的转化率。 09:43 单元3化工过程物料衡算 25 任务任务3 化学反应过程的物料衡算化学反应过程的物料衡算 二二、转化率转化率、选择性选择性、收率收率 （一一）转化率转化率（x） (1) 单程转化率单程转化率（x单 单） ） 假定反应物假定反应物A为限制反应物，则：为限制反应物，则： %100%100 22 32 A A A AA A n n n nn x 反 单 09:43 单元3化工过程物料衡算 26 （一一）转化率转化率 (2)总转化率总转化率（x总 总） ） 以整个反应系统为对象计算的某一以整个反应系统为对象计算的某一 反应物的转化率称为总转化率反应物的转化率称为总转化率,即即: 某一物料一次性通过反应器反应掉某一物料一次性通过反应器反应掉 的量与其反应系统输入的该物质的的量与其反应系统输入的该物质的 新鲜量之比值新鲜量之比值。 (3)平衡转化率平衡转化率（x*）:以反应器为对象以反应器为对象（体系体系），当反应达平衡当反应达平衡 时某一物料在反应器中反应掉的量与其反应前的量之比值时某一物料在反应器中反应掉的量与其反应前的量之比值。 %100%100 11 32 A A A AA A n n n nn x 反 总 %100 2 * * A A n n x 反 (4)三种转化率之间的关系三种转化率之间的关系 x单 单 x*、x单 单 x总 总、 、x*与与x总 总无法相比 无法相比。 返回返回 09:43 单元3化工过程物料衡算 27 任务任务3 化学反应过程的物料衡算化学反应过程的物料衡算 二二、转化率转化率、选择性选择性、收率收率 （二二）选择性选择性（S） 生成目的产物所耗某反应物的生成目的产物所耗某反应物的 量与该反应物反应掉的量的比量与该反应物反应掉的量的比 值值，或生成目的产物的量与反或生成目的产物的量与反 应掉的原料所能生成的目的产应掉的原料所能生成的目的产 物的理论量的比值物的理论量的比值，即即: : 当反应系统属催化反应系统时当反应系统属催化反应系统时，用选择性的概念较好用选择性的概念较好，此此 值的大小反映了催化剂的性能的好坏值的大小反映了催化剂的性能的好坏。选择性也有的教材称之选择性也有的教材称之 为产率为产率。 %100 )( %100%100 1 32 32 1 a d nn n nn d a n n n S AA D AA D A D A 反 反 返回返回 09:43 单元3化工过程物料衡算 28 任务任务3 化学反应过程的物料衡算化学反应过程的物料衡算 二二、转化率转化率、选择性选择性、收率收率 （三三）收率收率（Y） (1)摩尔收率摩尔收率（简称收率简称收率） 单程收率单程收率（Y单 单） ） 以反应器为体系以反应器为体系，生成目的生成目的 产物所耗的某原料量与进入产物所耗的某原料量与进入 反应器的该原料量之比值反应器的该原料量之比值。 或生成目的产物的量与进入或生成目的产物的量与进入 反应器的原料全部转化为目反应器的原料全部转化为目 的产物的量之比值的产物的量之比值。 %100%100%100 1 2 2 1 2 a d n n n d a n n n Y A D A D A D A反 单 09:43 单元3化工过程物料衡算 29 任务任务3 化学反应过程的物料衡算化学反应过程的物料衡算 二二、转化率转化率、选择性选择性、收率收率 （三三）收率收率（Y） (1)摩尔收率摩尔收率（简称收率简称收率） 总收率总收率（Y总 总） ） 以整个反应系统为体系以整个反应系统为体系,生生 成目的产物所耗的某原料量成目的产物所耗的某原料量 与进入反应系统的该原料量与进入反应系统的该原料量 (新鲜原料新鲜原料)之比值之比值。或生成或生成 目的产物的量与进入反应系目的产物的量与进入反应系 统的原料全部转化为目的产统的原料全部转化为目的产 物的量之比值物的量之比值。 %100%100%100 1 1 1 1 1 a d n n n d a n n n Y A D A D A D A反 总 09:43 单元3化工过程物料衡算 30 任务任务3 化学反应过程的物料衡算化学反应过程的物料衡算 二二、转化率转化率、选择性选择性、收率收率 （三三） 收率收率（Y） (2)质量收率质量收率 当反应器内发生的反应比较当反应器内发生的反应比较 复杂复杂,难于写出具体的化学反应难于写出具体的化学反应 方程时方程时,比如重油加氢生产轻油比如重油加氢生产轻油 时时。此时采用获得的产品的质量此时采用获得的产品的质量 与进入反应器或反应系统的某一与进入反应器或反应系统的某一 物料的质量之比来表示收率物料的质量之比来表示收率。 %100 2 A D m m Y单质 单程质量收率（单程质量收率（Y单质 单质） ） 以反应器为体系以反应器为体系,生成的目的产物的质量与输入反应器的某生成的目的产物的质量与输入反应器的某 一物料的质量之比称为单程质量收率一物料的质量之比称为单程质量收率,即即: 09:43 单元3化工过程物料衡算 31 任务任务3 化学反应过程的物料衡算化学反应过程的物料衡算 二二、转化率转化率、选择性选择性、收率收率 （三三）收率收率（Y） (2)质量收率质量收率 总质量收率总质量收率（Y总质 总质） ） 以反应系统为体系以反应系统为体系, ,生成的目的生成的目的 产物的质量与输入反应系统的产物的质量与输入反应系统的 某一物料的质量之比称为单程某一物料的质量之比称为单程 质量收率质量收率, ,即即: : 注意注意:当此类反应是分子量增大的反应时当此类反应是分子量增大的反应时,单程质量收率和总质单程质量收率和总质 量收率有可能大于量收率有可能大于1。 如如:原料分子量原料分子量134产品分子量产品分子量218.12 %100 1 A D m m Y总质 返回返回 理论收率理论收率: 218.12/134 =162.8% 09:43 单元3化工过程物料衡算 32 任务任务3 化学反应过程的物料衡算化学反应过程的物料衡算 二二、转化率转化率、选择性选择性、收率收率 （四四）转化率转化率、选择性选择性、收率收率 三者之间的关系三者之间的关系 22 32 A A A AA A n n n nn x 反 单 1 32 32 1 )( a d nn n nn d a n n n S AA D AA D A D A 反 反 %100%100%100 1 2 2 1 2 a d n n n d a n n n Y A D A D A D A反 单 Y单 单=xA单单 S 09:43 单元3化工过程物料衡算 33 任务任务3 化学反应过程的物料衡算化学反应过程的物料衡算 二二、转化率转化率、选择性选择性、收率收率 （四四）转化率转化率、选择性选择性、收收 率三者之间的关系率三者之间的关系 Y总 总=xA总总 S 11 32 A A A AA A n n n nn x 反 总 1 32 32 1 )( a d nn n nn d a n n n S AA D AA D A D A 反 反 %100%100%100 1 1 1 1 1 a d n n n d a n n n Y A D A D A D A反 总 09:43 单元3化工过程物料衡算 34 任务任务3 化学反应过程的物料衡算化学反应过程的物料衡算 三率计算三率计算:补例补例 用邻二甲苯气相催化氧化制苯酐用邻二甲苯气相催化氧化制苯酐。邻二甲苯投料量邻二甲苯投料量 210kg/h,air量量4620Nm3/h。反应器出口物料组成反应器出口物料组成(mol%)为为:苯酐苯酐0.654%,顺顺 酐酐0.066%,邻二甲苯邻二甲苯0.030%,O216.53%,N277.75%,其它还有其它还有H2O、CO2、 CO等等。试计算邻二甲苯转化率及苯酐和顺酐的收率及选择性试计算邻二甲苯转化率及苯酐和顺酐的收率及选择性。 解：由题意画出过程示意图解：由题意画出过程示意图 计算基准：计算基准：1小时小时;反应式：反应式： C6H4(CH3)2+3O2C8H4O3+3H2O（1） 2C6H4(CH3)2+9O244C4H2O3+6H2O（2） n氧气 氧气=4620/22.4 0.21=43.31kmol/h 210kg/h邻二甲苯所需理论氧气量：邻二甲苯所需理论氧气量：4.5 210/106=8.915kmol/h 43.31kmol/h 所以空气为过量反应物所以空气为过量反应物，邻二甲苯为限制反应物邻二甲苯为限制反应物。 输入反应器的输入反应器的N2量：量：n氮气 氮气=4620/22.4 0.79=162.94kmol/h 由氮平衡得产物总量由氮平衡得产物总量PT：PT=162.94/0.7775=209.57 kmol/h 产物中各物质量为：产物中各物质量为： 邻二甲苯：邻二甲苯：209.57 0.0003=0.6287kmol/h=6.664kg/h 苯酐：苯酐：209.57 0.00654=1.3706kmol/h=202.84kg/h 顺酐：顺酐：209.57 0.00066=0.1383kmol/h=13.55kg/h 邻二甲苯单程转化率：邻二甲苯单程转化率：(210 6.664)/210=96.83% 09:43 单元3化工过程物料衡算 35 任务任务3 化学反应过程的物料衡算化学反应过程的物料衡算 三率计算三率计算:补例补例 7145. 0 106 664. 6210 3706. 1 邻二甲苯反 苯酐 苯酐 n n S 苯酐选择性苯酐选择性: : (邻二甲苯与苯酐的摩尔比为邻二甲苯与苯酐的摩尔比为 1 1) 顺酐选择性：顺酐选择性： (邻二甲苯与顺酐的摩尔比为邻二甲苯与顺酐的摩尔比为1 2) 03605. 0 106 664. 6210 5 . 01383. 0 5 . 0 邻二甲苯反 顺酐 顺酐 n n S 苯酐单程收率：苯酐单程收率：Y苯酐单 苯酐单=x单单 S苯酐苯酐=96.83% 0.7145=69.19% 顺酐单程收率：顺酐单程收率：Y顺酐单 顺酐单=x单单 S顺酐顺酐=96.83% 0.03605=3.49% 6918. 0 106 210 3706. 1 邻二甲苯 苯酐 苯酐单 n n Y 0.1383 0.5 0.0349 210 106 n Y n 顺酐 顺酐单 邻二甲苯 09:43 单元3化工过程物料衡算 36 任务任务3 化学反应过程的物料衡算化学反应过程的物料衡算 三率计算三率计算:例例3-6 如如 : 乙 烯 氧 化 制 环 氧 乙 烷 的 反 应乙 烯 氧 化 制 环 氧 乙 烷 的 反 应 CH2=CH2+1/2O2 =CH2-CH2O (主 反 应主 反 应 ) CH2=CH2+3O22CO2+2H2O (副反应副反应) 已知已知:nA2=1000kg, nA3=200kg, nA1=816.3kg mD=1000kg xA单 单=(nA2 nA3)/nA2=(1000-200)/1000=80% xA总 总=(nA2 nA3)/nA1=(1000-200)/816.3=98.0% mD=1000kgnD=1000/44=22.73kmol nDA反 反= 22.73 28=636.4kg S=636.4/800=79.55% Y单 单=nDA反反/nA2=636.4/1000= 63.64% 或或mid=(nA2/28) 44=(1000/28) 44=(1571.4kgY单 单=mD/mid=1000/1571.4= 63.64% 或或Y单 单=xA单单S=80% 79.55% = 63.64% Y总 总=nDA反反/nA1=636.4/816.3=77.96% 或或m id=(nA1/28) 44=(816.3/28) 44=1282.8kgY总 总=mD/m id=1000/1282.8= 77.96% 或或Y总 总=xA总总S=98% 79.55% = 77.96% Y单质 单质= mD/nA2=1000/1000= 100% Y总质 总质= mD/nA1=1000/816.3=122.5% 返回返回 09:43 单元3化工过程物料衡算 37 任务任务3 化学反应过程的物料衡算化学反应过程的物料衡算 三三、简简单反应系统的物料衡算单反应系统的物料衡算 （一一）直接求解法直接求解法 (1)条件条件 写出明确的化学反应方程式写出明确的化学反应方程式; 已知三率等已知三率等。 (2)衡算式衡算式 根据化学反应方程式的化学计量系数之间的关系根据化学反应方程式的化学计量系数之间的关系; 三率三率、过量百分数等表达式过量百分数等表达式。 (3)计算基准计算基准 通常采用某种原料通常采用某种原料（往往是限制反应物往往是限制反应物）为基准为基准。 (4)计算举例计算举例,例例3-7 1000kg对硝基氯苯对硝基氯苯ClC6H4NO2用含用含20%游离游离SO3的的 发烟硫酸磺化发烟硫酸磺化，规定反应终点时规定反应终点时，废酸中含游离废酸中含游离SO37%（假定反应假定反应 转化率为转化率为100%）。反应式如下：反应式如下： ClC6H4NO2+SO3ClC6H3(SO3H)NO2 试计算：试计算：（1）20%SO3的发烟硫酸用量；的发烟硫酸用量；（2）废酸生成量；废酸生成量；（3）对对 硝基氯苯磺酸生成量硝基氯苯磺酸生成量。 解：以解：以1kmol对硝基氯苯为计算基准对硝基氯苯为计算基准，所需所需20%游离游离SO3量为量为xkg 09:43 单元3化工过程物料衡算 38 任务任务3 化学反应过程的物料衡算化学反应过程的物料衡算 三三、简简单反应系统的物料衡算单反应系统的物料衡算 5（一一）直接求解法直接求解法 (4)计算举例计算举例,例例3-7 ClC6H4NO2+SO3ClC6H3(SO3H)NO2 组分组分 ClC6H4NO2 SO3 H2SO4 ClC6H3(SO3H)NO2 分子量分子量 157.5 80 98 237.5 输入量输入量:对硝基氯苯对硝基氯苯1kmol=157.5kg;发烟硫酸发烟硫酸 其中其中SO3 0.2xkg、H2SO40.8xkg 输出量输出量:对硝基氯苯磺酸对硝基氯苯磺酸 1kmol=237.5kg 废酸废酸 其中其中SO3 0.2x 80 kg、H2SO40.8xkg 已知废酸中含已知废酸中含SO37% 解得：解得：x=572.3kg 将以上