物料衡算和能量衡算物料PPT学习教案

1、会计学1物料衡算和能量衡算物料物料衡算和能量衡算物料应用守恒定律来研究化工过程的物料衡算和能量衡算问题。第1页/共83页第2页/共83页第3页/共83页 单位是单位是“开尔文开尔文”，英文是，英文是“Kelvin”Kelvin”简称简称“开开”，国际代号，国际代号“K”K”。开。开尔文是为了纪念英国物理学家尔文是为了纪念英国物理学家Lord KelvinLord Kelvin而命名的。而命名的。 以绝对零度（以绝对零度（0K0K）为最低温度，规定水的三相点的温度为）为最低温度，规定水的三相点的温度为 273.16K273.16K，开定义为水三相点热力学温度的开定义为水三相点热力学温度的1/27

2、3.151/273.15。第4页/共83页第5页/共83页第6页/共83页3.1 物料衡算物料衡算3.2 能量衡算能量衡算3.3 化工模拟软件在化工设计中的应用化工模拟软件在化工设计中的应用第7页/共83页第8页/共83页第9页/共83页第10页/共83页作物料衡算可以检查检查各物料的计量、分析测定数据是否正确；检查检查生产运行是否正常。作系统各设备及管路的物料衡算时，可以检查检查出生产上的薄弱环节或限制部位。从而找出相应的强化措施。 物料衡算和能量衡算是传统最优化和经济核算的基传统最优化和经济核算的基础。础。物料衡算和能量衡算的方程往往用于求取生产过程用于求取生产过程中的某些未知量或操作条件

3、。中的某些未知量或操作条件。第11页/共83页3.1 物料衡算物料衡算物料衡算物料衡算运用质量运用质量守恒定律，对化工过程或设备进行定量计算。守恒定律，对化工过程或设备进行定量计算。通过物料衡算解决以下问题：通过物料衡算解决以下问题： 计算原料消耗量、副产品量；计算原料消耗量、副产品量； 输出过程物料的损耗量及三废的生成量；输出过程物料的损耗量及三废的生成量； 在物料衡算基础做能量衡算，计算蒸汽、水、电、煤或其他燃料的在物料衡算基础做能量衡算，计算蒸汽、水、电、煤或其他燃料的消耗定额。消耗定额。 计算产品的技术经济指标。计算产品的技术经济指标。为生产设备和辅助设备的选型及设计、管路设施与公用工

4、程的设为生产设备和辅助设备的选型及设计、管路设施与公用工程的设计等方面提供依据。计等方面提供依据。第12页/共83页一、物料衡算依据一、物料衡算依据1. 理论依据理论依据质量守恒定律质量守恒定律物料衡物料衡算范围算范围单元操作的物料衡算单元操作的物料衡算化工设备设计的前提化工设备设计的前提化工过程的物料衡算化工过程的物料衡算化工过程设计的前提化工过程设计的前提物料衡算的一般表达式为：物料衡算的一般表达式为：输入量输出量生成量消耗量积累量输入量输出量生成量消耗量积累量对稳定操作过程，积累量对稳定操作过程，积累量=0输入量输入量-输出量输出量+生成量生成量-消耗量消耗量=0对无化学反应的过程：对无

5、化学反应的过程： 输入量输出量积累量输入量输出量积累量对无化学反应的稳定操作过程：对无化学反应的稳定操作过程：输入量输出量输入量输出量第13页/共83页对有化学反应的过程对有化学反应的过程：总物料衡算：总物料衡算+元素衡算式元素衡算式2. 数据基础数据基础(1) 技术方案、操作方法、生产能力、年工作时。技术方案、操作方法、生产能力、年工作时。(2) 建设单位或研究单建设单位或研究单位的要求位的要求、设计参数、小试及中试数据：、设计参数、小试及中试数据： 化工单元过程的化工单元过程的化学反应式化学反应式、原料配比、转化率、选择率、总收、原料配比、转化率、选择率、总收率，催化剂状态、用量、回收方法

6、、安全性能等；率，催化剂状态、用量、回收方法、安全性能等； 原料及产品的分离方式原料及产品的分离方式，分离剂的用量，各步的回收率；，分离剂的用量，各步的回收率； 特殊化学品的物性特殊化学品的物性：沸点、熔点、饱和蒸汽压、闪点等。：沸点、熔点、饱和蒸汽压、闪点等。(3) 工艺流程示意图。工艺流程示意图。二、物料衡算基准二、物料衡算基准 物料衡算时须物料衡算时须选择计算基准选择计算基准，并在计算过程中，并在计算过程中保持一致保持一致。 一般计算过程的基准有以下几种：一般计算过程的基准有以下几种：第14页/共83页(1) 时间基准时间基准对连续生产过程，常以单位时间对连续生产过程，常以单位时间(如如

7、d、h、s）的投料）的投料量或产品量为计算基准。量或产品量为计算基准。(2) 批量基准批量基准以每批操作或一釜以每批操作或一釜料的生产周期为基准。料的生产周期为基准。(3) 质量基准质量基准当系统介质为液、当系统介质为液、固相时，选择一定质量的原料或产固相时，选择一定质量的原料或产品作为计算基准较适合。品作为计算基准较适合。(4) 物质的量基准：物质的量基准：对于有化学反应的过程因化学反应的按摩尔进行对于有化学反应的过程因化学反应的按摩尔进行的，用物质的量基准更方便。的，用物质的量基准更方便。(5) 标准体积基准：标准体积基准：对气体物料进行衡算，可采用标准体积基准，对气体物料进行衡算，可采用

8、标准体积基准，Nm3(STP)，既排除，既排除T、p的影响，又可直接换算为摩尔。的影响，又可直接换算为摩尔。(6) 干湿基准：干湿基准：由于物料中均含有一定量的水分，选用基准时就有算不由于物料中均含有一定量的水分，选用基准时就有算不算水分的问题。湿基计算水分，干基不计算水分。算水分的问题。湿基计算水分，干基不计算水分。实际计算时，必须根据具体情况选择合适的基准，过程的实际计算时，必须根据具体情况选择合适的基准，过程的物料衡物料衡算及能量衡算应在同一基准上算及能量衡算应在同一基准上进行。进行。第15页/共83页三、物料衡算的基本程序三、物料衡算的基本程序(1) 确定确定衡算对象和范围衡算对象和范

9、围，画出计算对象的草图。注意物料种类和走，画出计算对象的草图。注意物料种类和走向，明确输入和输出。向，明确输入和输出。(2) 确定确定计算任务计算任务，明确已知项、待求项，选择数学公式，力求使计算，明确已知项、待求项，选择数学公式，力求使计算方法简化。方法简化。(3) 确定过程所确定过程所涉及的组分涉及的组分，并对所有组分依次编号。，并对所有组分依次编号。(4) 对物流的对物流的流股进行编号流股进行编号，并标注物流变量。，并标注物流变量。(5) 收集数据资料收集数据资料（设计任务所规定已知条件，与过程有关物理化学参（设计任务所规定已知条件，与过程有关物理化学参数）：数）： 生产规模生产规模（设

10、计任务所规定，（设计任务所规定，t/年）和年）和生产时间生产时间（指全年有效生（指全年有效生产天数产天数300330天天/年，计约年，计约8000h）。）。 有关定有关定额的技术指标额的技术指标，通常指产品单耗、配料比、循环比、固液，通常指产品单耗、配料比、循环比、固液比、气液比、回流比、利用率、单程收率、回收率等等。比、气液比、回流比、利用率、单程收率、回收率等等。第16页/共83页 原辅材料、产品、中间产品原辅材料、产品、中间产品的规格；的规格； 与过程有关有物理化学参数，如临界参数、密度或比体积、状态方与过程有关有物理化学参数，如临界参数、密度或比体积、状态方程参数、蒸汽压、气液平衡常数

11、或平衡关系等。程参数、蒸汽压、气液平衡常数或平衡关系等。(6) 列出过程全部独立物料平衡方程式及其相关约束式列出过程全部独立物料平衡方程式及其相关约束式，对有化，对有化学反应的还要写出化学反应方程式，指出其转化率和选择学反应的还要写出化学反应方程式，指出其转化率和选择性。性。(7) 选择计算基准；选择计算基准；(8) 统计变量个数与方程个数，确定设计变量个数及全部设计变量。统计变量个数与方程个数，确定设计变量个数及全部设计变量。(9) 整理并校核计算结果，并根据需要换算基准，最后列成表格即整理并校核计算结果，并根据需要换算基准，最后列成表格即物流表。物流表。(10) 绘制物料流程图，编写物流表

12、作为设计文件成果编入正式设计绘制物料流程图，编写物流表作为设计文件成果编入正式设计文件。文件。第17页/共83页识别问题的类型识别问题的类型绘制工艺过程示意图绘制工艺过程示意图选择计算基准选择计算基准建立物料衡算方程式并进行未知量的求解建立物料衡算方程式并进行未知量的求解列出物料衡算表列出物料衡算表。第18页/共83页生产能力和生产强度生产能力和生产强度n生产能力生产能力指一个设备、一套装置或一个工厂在指一个设备、一套装置或一个工厂在 单位时间内生产的产品量，或在单位时间内处理单位时间内生产的产品量，或在单位时间内处理 的原料量。的原料量。 设计能力设计能力设备或装置在最佳条件下可以达到设备或

13、装置在最佳条件下可以达到的最大生产能力。的最大生产能力。第19页/共83页即设备的即设备的单位体积的生产能力单位体积的生产能力，或，或单位面积的单位面积的生产能力生产能力。n 生产强度生产强度为设备的单位特征几何量的生产能力为设备的单位特征几何量的生产能力。第20页/共83页n有效生产周期：有效生产周期： n开工因子开工因子通常在通常在0.90.9左右左右，开工因子大意味着停工检修带来的损失小，即设备先进可靠，催化剂寿命长。，开工因子大意味着停工检修带来的损失小，即设备先进可靠，催化剂寿命长。 全年开工生产天数开工因子365第21页/共83页（1 1）转化率）转化率 （2-132-13） n关

14、键反应物关键反应物反应物中价值最高的组分，为使其尽可能转化，常使其他反应组分过量。反应物中价值最高的组分，为使其尽可能转化，常使其他反应组分过量。n不可逆反应，关键组分的转化率最大为不可逆反应，关键组分的转化率最大为100%100%。n可逆反应，关键组分的转化率可逆反应，关键组分的转化率其平衡转化率其平衡转化率。 X 某一反应物的转化总量该反应物的起始量第22页/共83页对对循环过程循环过程而言，有而言，有单程转化率单程转化率和和全程转化率全程转化率。AAXA组分 在反应器中的转化总量反应器进口物料中组分 的量,A totAXA组分 在反应器中的转化总量新鲜原料中组分 的量新鲜原料新鲜原料反应

15、系统反应系统分离系统分离系统产品产品循环物流循环物流循环机械循环机械图图 带有物料循环的流程示意带有物料循环的流程示意图图排放排放第23页/共83页 （2 2）选择性）选择性 是指体系中转化成目的产物的某反应物的量与参加所有反应而转化的该反应物总量之比。是指体系中转化成目的产物的某反应物的量与参加所有反应而转化的该反应物总量之比。 在复杂反应体系中，在复杂反应体系中，选择性表达了主、副反应进行程度的相对大小选择性表达了主、副反应进行程度的相对大小，能确切，能确切反映原料的利用是否合理反映原料的利用是否合理。n 选择性选择性 S 转化为目的产物的某反应物的量该反应物的转化总量第24页/共83页

16、或或 n注意注意： 式中的分母是按主反应式的化学计量关系来计算的，并假设转化了的所有反应物全部转变成目的产物。式中的分母是按主反应式的化学计量关系来计算的，并假设转化了的所有反应物全部转变成目的产物。 S 实际所得的目的产物量按某反应物的转化总量计算应得到的目的产物理论量第25页/共83页（3 3）收率（产率）收率（产率） n对同一反应物对同一反应物，Y=SX。n无副反应的体系无副反应的体系，S=1，Y=X，收率，收率=转化率转化率；n有副反应的体系有副反应的体系，S100%，则过量空气的含义是包括，则过量空气的含义是包括理论需要空气量和超过部分的量的总和理论需要空气量和超过部分的量的总和。

17、%100%100%理论需氧量理论需氧量氧气进料量过量空气第32页/共83页 例例 丙烷充分燃烧时，要供入空气量丙烷充分燃烧时，要供入空气量125%，反应式，反应式为：为：C3H8+5O2 3CO2+4H2O，问每产生，问每产生100摩摩尔烟道气需空气量多少摩尔？尔烟道气需空气量多少摩尔？ 解：采用不同的计算基准计算。解：采用不同的计算基准计算。 解法解法基准基准 ：100 mol丙烷丙烷（关键组分）。（关键组分）。n反应式：反应式： C3H8+5O2 3CO2 + 4H2O n转化量：转化量： 100 X Y Zn X = 500mol Y = 300mol Z = 400moln由于空气中氧

18、气和氮气的摩尔比为：由于空气中氧气和氮气的摩尔比为：nO2 N2 = 21 79n理论空气量理论空气量=500/0.21=2380.9mol 第33页/共83页n则实际空气量则实际空气量=过量空气过量空气%理论空气量理论空气量=125%2380=2976 moln反应前反应前： n 反应后反应后： 氮气不参加反应，仍为氮气不参加反应，仍为2351 mol。2976 21%625nmol氧2976 79%2351nmol氮100nmol丙烷625500125nmol氧进料氧气量反应转化掉的氧气量300nmol二氧化碳400nmol水第34页/共83页物料衡算结果一览表物料衡算结果一览表1n从上表

19、中可看出，从上表中可看出，反应前后反应前后，各组分的摩尔各组分的摩尔数和质量数都不相等。数和质量数都不相等。n总摩尔数也不相等，物质的总摩尔数也不相等，物质的总质量数未变总质量数未变。物料物料分分子子量量输入输入输出输出molmol%Kgwt%molmol%Kgwt%C3H8441003.254.44.88O23262520.3220.022.171253.944.04.43N226235176.4365.8372.96235174.0265.8372.96CO2443009.4513.214.63H2O1840012.597.27.98总计总计307610090.23100.01317610

20、090.23100第35页/共83页第36页/共83页 解法解法 基准：基准：100 mol空气空气n反应前：反应前：n所含所含 =过量氧气量过量氧气量 n由由 过量氧气量过量氧气量=过量空气过量空气%需要氧气量（需要氧气量（也称为理论需氧量）也称为理论需氧量）n理论氧气量理论氧气量=过量氧气量过量氧气量/过量空气过量空气% =21/125%=16.8 moln 则根据化学反应式则根据化学反应式C3H8+5O23CO2 +4H2O可以求得参加反应的丙烷用量：可以求得参加反应的丙烷用量： 1 5 = M 16.8 M=3.36 mol100 21%21nmol氧100 79%79nmol氮第37

21、页/共83页n反应后：反应后：n 氮气不参加反应，仍为氮气不参加反应，仍为79mol。 21 16.84.2nmol氧进料氧气量反应转化掉的氧气量 4 16.813.445nmol水3 16.810.085nmol二氧化碳=第38页/共83页物料衡算结果一览表物料衡算结果一览表2n从上表中可看出，仍然可以得出与表从上表中可看出，仍然可以得出与表1相同相同的结的结论；比较表论；比较表1和表和表2，可以看出，可以看出，虽然计算基准虽然计算基准不同，但进出物料的组成是一致的。不同，但进出物料的组成是一致的。物料物料分分子子量量输入输入输出输出molmol%Kgwt%molmol%Kgwt%C3H84

22、43.263.250.1484.88O2322120.320.67222.174.23.940.1344.43N2267976.432.21272.967.974.022.21272.96CO24410.089.450.44414.63H2O1813.4412.590.2427.98总计总计103.361003.032100.01106.721003.032100第39页/共83页第40页/共83页总量。第41页/共83页kg33.69785 .112100kg245. 4781478kg688. 0785 .1816 . 1第42页/共83页2528. 03 .27433.69加入的苯量转化

23、为氯苯的苯量Y933. 02709. 02528. 0XYS第43页/共83页kg4 .325 .365 .112100kg97. 325 .361478kg966. 035 .365 .1816 . 1第44页/共83页kg11.63715 .112100kg728. 72711478kg878. 13715 .1816 . 1第45页/共83页（2 2）元素平衡法（原子衡算法）元素平衡法（原子衡算法）n方法方法：因为反应前后的物质虽然分子结构不同，但：因为反应前后的物质虽然分子结构不同，但都是由相同元素组成的。所以都是由相同元素组成的。所以反应前后各元素原子反应前后各元素原子的量是守衡的的

24、量是守衡的，然后依每个分子结构通过相应元素，然后依每个分子结构通过相应元素的量（原子数的比值）计算出各个未知的具体量。的量（原子数的比值）计算出各个未知的具体量。n适用范围适用范围： 反应过于复杂，即反应式明确但较多，包含有平反应过于复杂，即反应式明确但较多，包含有平行、连串等反应时；行、连串等反应时； 反应式不太明确，无法写出时。反应式不太明确，无法写出时。第46页/共83页n例例 合成气组成为合成气组成为0.4%CH4、52.8%H2、38.3%CO、5.5%CO2、0.1%O2和和2.9%N2（体积百分数）。若用（体积百分数）。若用10%过量空气燃烧，设过量空气燃烧，设燃烧气中不含燃烧气

25、中不含CO，试计算燃烧气组成。，试计算燃烧气组成。n解法解法 用原子衡算法求解用原子衡算法求解。画出示意图。画出示意图。 第47页/共83页 nH：0.4%10004+52.8%10002 = 1072 mol2CnC：0.4%1000+38.3%1000+5.5%1000 = 442 molBnO：38.3%1000+5.5%10002+0.1% 100020.21A2= 2BC2D nN：2.9%100020.79A2= 2E n对对O2作物料衡算，输入量作物料衡算，输入量+产生量产生量=输出量输出量+消耗量消耗量0.21A+0.1%1000D+0.1%1000+0.21A/1.1解之得：

26、解之得：A2422.4mol， B442 mol， C=536 mol， D46.3 mol， E1943 mol 基准：基准：1000 mol合成气合成气。其中各原子的量为：。其中各原子的量为：0.4%CH4、52.8%H2、38.3%CO、5.5%CO2、0.1%O2、2.9%N2第48页/共83页物料物料分分子子量量输入输入输出输出molmol%Kgwt%molmol%Kgwt%H2252815.421.0561.24CH41640.120.0640.08CO2838311.1910.72412.62CO244551.612.4202.8544214.919.44822.88O23250

27、8.8+114.8916.31419.2046.21.561.4821.74N22829+191456.7754.40464.02194365.4854.40464.02H2O1853618.069.64811.35总计总计3422.810084.982100.012967.310084.98299.99第49页/共83页第50页/共83页第51页/共83页第52页/共83页（3 3）以化学平衡进行衡算）以化学平衡进行衡算n 化学反应中，当化学反应中，当正反应与逆反应的反应速率相等正反应与逆反应的反应速率相等时，即达到化学平衡，在定时，即达到化学平衡，在定T T、定、定P P，且反应物的浓度不

28、变时，平衡将保持稳定，此时需借助，且反应物的浓度不变时，平衡将保持稳定，此时需借助化学反应平衡常数与浓度之间的关系式化学反应平衡常数与浓度之间的关系式计算。计算。第53页/共83页n例例 试计算合成甲醇过程中反应混合物的平衡组成。试计算合成甲醇过程中反应混合物的平衡组成。设原料气中设原料气中H2与与CO摩尔比为摩尔比为4.5，惰性组分含量为，惰性组分含量为13.8%，压力为，压力为30MPa，温度为，温度为365，平衡常数，平衡常数Kp=2.50510-3 MPa-2。n解：分析：由解：分析：由Kp可看出，此题是当作理想气体混合物可看出，此题是当作理想气体混合物进行简化计算的。依题意求进行简化

29、计算的。依题意求yi，需求出反应后的，需求出反应后的ni和和n，因发生化学反应，应对每个组分进行物料衡算，方，因发生化学反应，应对每个组分进行物料衡算，方可确定。可确定。第54页/共83页n化学反应式：化学反应式：CO+2H2 CH3OH 首先计算出原料气的摩尔组成：首先计算出原料气的摩尔组成：n含惰性组分含惰性组分13.8%，(H2+CO)为为113.8%=86.2%，需分别求出，需分别求出H2和和CO的组成含量。的组成含量。 原料气中原料气中H2与与CO摩尔比为摩尔比为4.5nH2 4.5/(1+4.5)86.2%=70.53% ；nCO (1/5.5)86.2%=15.67% 惰性气体惰

30、性气体 13.8% ； 322CH OHpCOHKppPiinny基准：基准：1 mol原料气，平衡转化率为原料气，平衡转化率为XCO。第55页/共83页平衡时平衡时n/mol ： 0.1567 (1-xCO) 0.7053-20.1567xCO 0.1567xCO开始开始n/mol ： 0.1567 0.7053转化量转化量n/mol ： 0.1567xCO 20.1567xCO惰性气体：惰性气体：0.13830.1567301 0.3134COCH OHCOXXpCOiXn3134. 010.1567(1)301 0.3134COCOCOXXp20.70532 0.1567301 0.31

31、34COHCOXXp 第56页/共83页320.1567301 0.31342.505 100.1567(1)0.7053 2 0.156730301 0.31341 0.3134COCOCOCOCOCOXXXXXX 01214. 11181. 38449. 131962. 023COCOCOXXX 试差得试差得 XCO =0.4876 第57页/共83页n平衡时组成：平衡时组成：nCO： 0.1567(1-0.4876)=0.0803 molnH2： 0.705320.15670.4876=0.5525 molnCH3OH： 0.15670.4876 =0.0764 moln惰性气体惰性气体

32、0.138 mol n =10.31340.4876=0.8472 moln摩尔组成：摩尔组成： in39.02%CH OHy9.48%COy265.21%Hy16.29%y惰性气体第58页/共83页的物质的量加料中的物质的量的转化为AAP=Yp因而，A的加料量100/0.8125(kmol/h)(4) (4) 根据收率数据作物料衡算根据收率数据作物料衡算第59页/共83页OHCOOHCOHCOHC222424224222321第60页/共83页x 关键反应物的转化总量该关键反应物的起始量Y 生成目的产物所消耗的关键反应物的量关键反应物的起始量S生成目的产物所消耗的关键反应物的量已转化的关键反

33、应物总量第61页/共83页CO2hkmol /81.47)32. 01 (%5 . 34 .2245000hkmol /53.152208. 0%5 . 34 .2245000hkmol /95.1320992. 0%5 . 34 .2245000第62页/共83页hkmol /95.1320992. 0%5 . 34 .2245000hkmol /3 .1647%824 .2245000hkmol /6 .26295.132353.1521145. 04 .2245000第63页/共83页第64页/共83页第65页/共83页通常可采用下列两种算法：通常可采用下列两种算法：n试差法试差法（需多

34、次计算）（需多次计算） 估计循环流量，计算至循环回流的那一点。将估计估计循环流量，计算至循环回流的那一点。将估计值与计算值比较，重新假定估计值，一直计算到估计值值与计算值比较，重新假定估计值，一直计算到估计值与计算值之差在一定的误差范围内。与计算值之差在一定的误差范围内。n代数解法代数解法 列出物料平衡方程式，并求解。一般方程式中以循列出物料平衡方程式，并求解。一般方程式中以循环量为未知数，用联立方程式的方法求解。环量为未知数，用联立方程式的方法求解。 具体做法：具体做法：一般在衡算时，先进行总的过程衡算，一般在衡算时，先进行总的过程衡算，再对循环系统列出方程式求解再对循环系统列出方程式求解。

35、 在在没有循环时没有循环时，一系列单元步骤的物料平衡可按，一系列单元步骤的物料平衡可按顺序依次进行。顺序依次进行。 但是若但是若有循环物料有循环物料时，由于循环流量尚未计算，时，由于循环流量尚未计算，采用逐次计算并不能计算出循环量。采用逐次计算并不能计算出循环量。 第66页/共83页n例题：例题：在银催化剂作用下，乙烯可被空气氧化成环在银催化剂作用下，乙烯可被空气氧化成环氧乙烷（氧乙烷（C2H4O），副反应是乙烯完全氧化生成），副反应是乙烯完全氧化生成CO2和和H2O。已知离开氧化反应器的气体干基组成。已知离开氧化反应器的气体干基组成为：为： C2H4 3.22%，N2 79.64%，O2 1

36、0.81%， C2H4O 0.83%，CO2 5.5%（均为体积分数）。（均为体积分数）。 该气体进入水吸收塔，其中的环氧乙烷和水蒸气全该气体进入水吸收塔，其中的环氧乙烷和水蒸气全部溶解于水中，而其他气体不溶于水，由吸收塔顶部溶解于水中，而其他气体不溶于水，由吸收塔顶逸出后排放少量至系统外，其余循环回氧化反应器逸出后排放少量至系统外，其余循环回氧化反应器。n计算（计算（1）乙烯的单程转化率；（）乙烯的单程转化率；（2）生成环氧乙烷）生成环氧乙烷的选择性；（的选择性；（3）循环比；（）循环比；（4）新鲜原料中乙烯和）新鲜原料中乙烯和空气量之比。空气量之比。 第67页/共83页 解：对题目进行初步

37、分析，分析与计算同步进行：解：对题目进行初步分析，分析与计算同步进行： n 此题因有循环，采用代数解法。此题因有循环，采用代数解法。n 由转化率和选择性的概念可知，需计算反应过程由转化率和选择性的概念可知，需计算反应过程中的变化量，即需要进行物料衡算才能得知。中的变化量，即需要进行物料衡算才能得知。n 由题给条件由题给条件离开反应器的气体干基组成，可离开反应器的气体干基组成，可选定计算基准为反应器出口气中选定计算基准为反应器出口气中100 mol干气。干气。n 由题意画出流程方框图，选定各物料未知量符号由题意画出流程方框图，选定各物料未知量符号，并根据题意标明各组分量。，并根据题意标明各组分量

38、。n 因为有两个反应式，组分也较多，所以采用原子因为有两个反应式，组分也较多，所以采用原子衡算法计算。衡算法计算。第68页/共83页n该过程的流程方框图如下：该过程的流程方框图如下：n计算基准：反应器出口气中计算基准：反应器出口气中100 mol干气。干气。n令新鲜原料气（令新鲜原料气（FF）中）中C2H4量为量为Xmol，空气，空气为为Ymol（含（含79% N2和和21%O2）；排放气为）；排放气为Wmol；乙烯完全氧化生成的水量为；乙烯完全氧化生成的水量为Zmol。Fresh fluidMix fluidproductRecycle feedReaction product Separa

39、te productwaste第69页/共83页C2H4 XmolO2N2空气空气 YmolWmolC2H4 3.22%N2 79.64%O2 10.81%C2H4O 0.83%CO2 5.5%H2O ZmolH2O ZmolC2H4O 0.83molC2H4N2O2CO2C2H4 N2O2 CO2C2H4N2O2CO2C2H4 N2O2 CO2C2H4+0.5O2C2H4OC2H4+3O22CO2+2H2O基准：基准：100 mol干气干气第70页/共83页 （1）确定反应产物经分离后的各部分的量。）确定反应产物经分离后的各部分的量。n分析：由流程方框图可知，物流分析：由流程方框图可知，物流

40、RP分离成分离成P和和SP，SP分流为分流为RC和和W，该两过程均无化学反应，且，该两过程均无化学反应，且SP、RC和和W三者的组成相同。三者的组成相同。 则各部分的量：则各部分的量：SP=RPP；RC=SPWn又环氧乙烷和水蒸气全部溶解于水中，又环氧乙烷和水蒸气全部溶解于水中， 则则 P=1000.83%+Z 。 （2）确定进入反应器的混合物料量。）确定进入反应器的混合物料量。n分析：进反应器的气体分析：进反应器的气体MF由新鲜原料气由新鲜原料气FF和循环气和循环气RC组成，混合过程无化学反应，则组成，混合过程无化学反应，则MF=FF+RC。第71页/共83页RP、P、SP、W中各组分物质的

41、量和组成表中各组分物质的量和组成表 物料物料RP（出反应器气）（出反应器气）P（产物）（产物） SP（出吸收塔气）（出吸收塔气）W（排放气）（排放气）mol干基干基mol%molmolmol%molmol%C2H43.223.223.223.250.0325 W3.25O210.8110.8110.8110.900.109 W10.90N279.6479.6479.6480.300.803 W80.30C2H4O0.830.830.83CO25.55.55.55.550.0555 W5.55H2OZZ总计总计100+Z1000.83+Z99.17100W100第72页/共83页RC、FF和和M

42、F中各组分物质的量和组成表中各组分物质的量和组成表 物料物料RC（循环气（循环气=SP=SP- -W W）FF（新鲜原料气）（新鲜原料气）MF（混合原料气）（混合原料气）molmol%molmol%mol%C2H43.22- -0.03250.0325W3.25X3.22- -0.0325W+XO210.81- -0.1090.109W10.900.21Y2110.81- -0.109W+0.21YN279.64- -0.8030.803W80.300.79Y7979.64- -0.803W+0.79YC2H4OCO25.5- -0.05550.0555W5.555.5- -0.0555WH2

43、O总计总计99.17- -W100X+Y100X+Y +99.17- -W第73页/共83页n（3）作总系统物料衡算，求出具体的量。）作总系统物料衡算，求出具体的量。 从新鲜原料气开始，到以产物和排放气的形式离开系从新鲜原料气开始，到以产物和排放气的形式离开系统为止，因吸收剂（水）的输入和输出的量不变，可统为止，因吸收剂（水）的输入和输出的量不变，可不考虑，则总系统衡算图为：不考虑，则总系统衡算图为：第74页/共83页n用原子衡算法计算：用原子衡算法计算： FF中某元素的原子总的物质的量（中某元素的原子总的物质的量（mol） = P中该元素的原子总的物质的量（中该元素的原子总的物质的量（mol） +W中该元素的原子总的物质的量（中该元素的原子总的