现代化工计算单元化工过程物料衡算教材学习教案

1、现代化工现代化工(hugng)计算单元化工计算单元化工(hugng)过程物料衡算教材过程物料衡算教材第一页，共49页。返回返回(fnhu)第1页/共49页第二页，共49页。返回返回(fnhu)第2页/共49页第三页，共49页。第3页/共49页第四页，共49页。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=1.20n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=45.71molN2量：量：n实际氮实际氮=45.710.79=36.11mol计算结果列表计

2、算结果列表(li bio)如下：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C5H12172CO2510.26220O29.60307.2H2O612.32108N236.111101.20O21.603.2851.2N236.1174.131011.20 46.711390.40 48.71100.001390.40每每 1 0 0 m o l 燃 烧 产 物 （ 烟 气燃 烧 产 物 （ 烟 气 ( y n q ) ） 所 需 空 气 量 为 ：） 所 需 空 气 量 为 ：45.7148.71100=93.84mol或由或由N2平衡方程

3、得：平衡方程得：10073.13%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)第4页/共49页第五页，共49页。方法方法(fngf)二：基准二：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（烟气）所需空气量为：燃烧产物（烟气）所需空气量为：100/1.0656=93.84mol或由或由N2平衡平衡(pnghng)方

4、程得：方程得：10074.13%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C5H120.02191.575CO20.109410.264.8125O20.216.72H2O0.131312.322.3625N20.7922.12O20.0353.281.12N20.7974.1322.12 1.021930.415 1.0656100.0030.415(实际计算过程建议用实际计算过程建议用Excel处理处理)第5页/共49页第六页，共49页。C平衡：平衡：5B=P（1）H2平衡：平衡：6B=Q（2）O2平衡：平衡：0.21

5、A=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：(0.21AM)1.20=0.21A 0.035A=M （6）以上以上6个线性方程采用个线性方程采用Excel的的MDETERM、MINVERSE、MMULT三个函三个函数或规划数或规划(guhu)求解法求解上述线性方程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

6、C5H12量，量，mol。以上以上6个未知数，需要个未知数，需要6个独立个独立(dl)方程。方程。第6页/共49页第七页，共49页。组分组分NMPQABmol数数74.1353.28410.26412.31793.8422.053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计算机计算则以已知条件(tiojin)最多的物料为计算基准较为适最多的物料为计算基准较为适宜。宜。返回返回(fnhu)第7页/共49页第八页，共49页。返回返回(fnhu)第8页/共49页第九页，共49页。返回返回(fnhu)五、物料衡算的一般五、物料衡算的一

7、般(ybn)步骤步骤 物料流程图物料流程图第9页/共49页第十页，共49页。第10页/共49页第十一页，共49页。返回返回(fnhu)第11页/共49页第十二页，共49页。第12页/共49页第十三页，共49页。H2O衡算式衡算式(sunsh) W=F0.015=0.06666 (1)总物料衡算式总物料衡算式(sunsh) 0.2Q+Q+W=F (2)N2衡算式衡算式(sunsh) 0.79Q=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第13页/共49页第十四页，共49页。(3)计算举例计算举例,补

8、例补例2 配制配制100吨吨90饱和饱和(boh)食盐水，需水、食盐水，需水、NaCl各为多少？已知各为多少？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:10027.8=72.2吨吨 第14页/共49页第十五页，共49页。二、蒸发与结晶过程二、蒸发与结晶过程(guchng)物料衡算物料衡算补例补例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C6016.44012.7209.65014.453011.1108.15解：基准解：基准1

9、000kg60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总物料总物料(w lio)平衡：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）10000.1409=50+m3 x3（4）解之得：解之得：m3=950kg、x3=0.09568C3=100 x3/(1C3=100 x3/(1x3)=100 x3)=1000.09568/(10.09568/(10.09568)0.09568) =1

10、0.58 g/100gH2O(l) =10.58 g/100gH2O(l)由溶解度数据由溶解度数据(shj)(shj)线性内插得：线性内插得：t3=20+10/(11.1t3=20+10/(11.19.60)9.60)(10.58(10.589.60)9.60)=26.53=26.53内插法讲解内插法讲解:返回返回第15页/共49页第十六页，共49页。列衡算式：列衡算式：丙酮丙酮(bn tn)衡算式衡算式 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(bn

11、 tn):0.20 x=0.2028.52=5.70 kg出料气中丙酮出料气中丙酮(bn tn): 5.7-5=0.7kg或或0.03y=0.0323.52=0.70kg 返回返回第16页/共49页第十七页，共49页。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(hnling) y馏出物中馏出物中B的百分含量的百分含量(hnling)。 将各物料的流量及组成列于下将各物料的流量及组成列于下表表 流股流股号号流量流量(kg/h)组分组分(mol%)ABC11002030502Pxy1-x-y3W0.55.594.0第17页/共49页第十八页，共49页。返回返回(fn

12、hu)第18页/共49页第十九页，共49页。返回返回(fnhu)第19页/共49页第二十页，共49页。(3-5)返回返回(fnhu)第20页/共49页第二十一页，共49页。第21页/共49页第二十二页，共49页。假定假定(jidng)(jidng)反应物反应物A A为限制反应物，则：为限制反应物，则： 第22页/共49页第二十三页，共49页。(3)平衡平衡(pnghng)转化率（转化率（x*）:以反应器为对象（体系），当以反应器为对象（体系），当反应达平衡反应达平衡(pnghng)时某一物料在反应器中反应掉的量与其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。反应前的量之比值。(4)三种

13、转化率之间的关系三种转化率之间的关系(gun x) x单单x*、x单单x总、总、x*与与x总无法相比。总无法相比。 返回返回第23页/共49页第二十四页，共49页。 当反应系统属催化反应系统时，用选择性的概念当反应系统属催化反应系统时，用选择性的概念(ginin)(ginin)较好，此值的大小反映了催化剂的性能的好坏。选择性也有的较好，此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为产率。教材称之为产率。 返回返回第24页/共49页第二十五页，共49页。第25页/共49页第二十六页，共49页。第26页/共49页第二十七页，共49页。单程单程(dnchng)质量收率（质量收率（Y单质）

14、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一物料的质量之比称为单程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(dnchng)质量收率质量收率,即即:第27页/共49页第二十八页，共49页。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量收率有可能大于单程质量收率和总质量收率有可能大于1。如如:原料原料(yunlio)分子量分子量134产品分子量产品分子量218.12返回返回第28页/共49页第二十九页，共49页。%100%100%10012212adnnndannnYADADADA反单Y单单=xA单单

15、S 第29页/共49页第三十页，共49页。Y总总=xA总总 S 132321)(adnnnnndannnSAADAADADA反反%100%100%10011111adnnndannnYADADADA反总第30页/共49页第三十一页，共49页。解：由题意画出过程解：由题意画出过程(guchng)示意示意图图计算基准：计算基准：1小时小时;反应式：反应式：C6H4(CH3)2+3O2C8H4O3+3H2O（1）2C6H4(CH3)2+9O24C4H2O3+6H2O（2）n氧气氧气=4620/22.4 0.21=43.31kmol/h210kg/h邻二甲苯所需理论氧气量：邻二甲苯所需理论氧气量：4.

16、5 210/106=8.915kmol/h 43.31kmol/h所以空气为过量反应物，邻二甲苯为限制反应物。所以空气为过量反应物，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

17、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% 第31页/共49页第三十二页，共49页。苯酐选择性苯酐选择性: :( (邻二甲苯与苯酐的摩尔邻二甲苯与苯酐的摩尔(m r)(m r)比为比为1 11)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) 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% 第3

18、2页/共49页第三十三页，共49页。xA单单=(nA2nA3)/nA2=(100-20)/100=80%xA总总=(nA2nA3)/nA1=(100-20)/81.63=98.0%mD=100kgnD=100/44=2.273kmol nDA反反= 2.27328=63.64kgS=63.64/80=79.55%Y单单=nDA反反/nA2=63.64/100= 63.64%或或mid=(nA2/28)44=157.14kg Y单单=mD/mid=100/157.14= 63.64%或或Y单单=xA单单S=80%79.55% = 63.64%Y总总=nDA反反/nA1=63.64/81.63=7

19、7.96%或或m id=(nA1/28) 44=(81.63/28) 44=128.28kgY总总=mD/m id=100/128.28= 77.96%或或Y总总=xA总总S=98%79.55% = 77.96%Y单质单质(dnzh)= mD/nA2=100/100= 100%Y总质总质= mD/nA1=100/81.63=122.5%返回返回第33页/共49页第三十四页，共49页。第34页/共49页第三十五页，共49页。组分组分ClC6H4NO2SO3H2SO4ClC6H3(SO3H)NO2分子量分子量157.58098237.5输入量输入量:对硝基对硝基(xioj)氯苯氯苯1kmol=15

20、7.5kg;发烟硫酸发烟硫酸其中其中SO30.2xkg、H2SO40.8xkg输出量输出量:对硝基对硝基(xioj)氯苯磺酸氯苯磺酸1kmol=237.5kg废酸废酸其中其中SO30.2x80kg、H2SO40.8xkg已知废酸中含已知废酸中含SO37%解得：解得：x=572.3kg将以上计算结果折合成以将以上计算结果折合成以1000kg对硝基氯苯为计算基准对硝基氯苯为计算基准,乘上比例系数乘上比例系数1000/157.5=6.3492,则：则：（1）20%SO3的发烟硫酸用量：的发烟硫酸用量：572.3 6.3492=3633.7kg（2）废酸生成量：）废酸生成量：(572.3 80) 6.

21、3492=3125.7kg（3）对硝基氯苯磺酸生成量：）对硝基氯苯磺酸生成量：237.5 6.3492=1507.9kg验算验算:输入量输入量1000+3633.7=4633.7kg、输出量、输出量3125.7+1507.9=4633.6kg符符合合返回返回第35页/共49页第三十六页，共49页。组分组分CH4C2H6COCO2H2mol%4.62.518.64.669.7假定原料中只含假定原料中只含CH4CH4和和C2H6C2H6两种成份，则求这两种气体的摩尔两种成份，则求这两种气体的摩尔比为多少？每比为多少？每1000Nm31000Nm3原料气需要多少原料气需要多少kgkg水蒸汽参加水蒸汽

22、参加(cnji)(cnji)反应？反应？ 第36页/共49页第三十七页，共49页。列元素衡算式列元素衡算式O原子原子 S=18.6+24.6=27.8kmol（1）C原子原子 M+2E=4.6+22.5+18.6+4.6=32.8kmol（2）H原子原子 4M+6E+2S=44.6+62.5+269.7=172.8kmol（3）解上述方程组得：解上述方程组得：S=27.8kmol/100kmol干燥产物气体干燥产物气体M=18.8kmol/100kmol干燥产物气体干燥产物气体E=7.0kmol/100kmol干燥产物气体干燥产物气体因此原料中因此原料中CH4/C2H6 mol比为：比为：M/

23、E=18.8/7.0=2.691000Nm3原料气所需参与原料气所需参与(cny)反应的水蒸汽量为：反应的水蒸汽量为： 返回返回第37页/共49页第三十八页，共49页。组组分分H2N2COCO2CH4Ar一段出口气一段出口气71.000.505.5014.009.00/二段出口气二段出口气58.4321.308.4411.360.200.27求求:(1)二段出口气量二段出口气量?(2)二段炉中加入的空气量二段炉中加入的空气量?(空气组空气组成成:O2=21%,N2=78%,Ar=1%);(3)在二段炉中是水蒸汽分解为在二段炉中是水蒸汽分解为氢，还是氢被氧化氢，还是氢被氧化(ynghu)为水为水

24、?求分解的水或氧化求分解的水或氧化(ynghu)的氢量为多少的氢量为多少? 第38页/共49页第三十九页，共49页。返回返回(fnhu)第39页/共49页第四十页，共49页。第40页/共49页第四十一页，共49页。组分组分输入项输入项输出项输出项mol数数mol%mol数数mol%SO20.0880.08(1 x)0.08(1 x)/(1 0.04x)O20.0990.09 0.5 0.08x(0.09 0.04x)/(1 0.04x)SO3/0.08x0.08x/(1 0.04x)N20.83830.830.83/(1 0.04x)总计总计11001 0.04x100因反应因反应(fnyng

25、)(fnyng)系统处于常压下，故系统内的各气体可视为理想气体。由系统处于常压下，故系统内的各气体可视为理想气体。由平衡常数表达式得：平衡常数表达式得： 将各分压代入将各分压代入(1)式得式得: 第41页/共49页第四十二页，共49页。将将Kp=14.9、p=1.1atm代入代入(2)式整理式整理(zhngl)得：得：10.705284x344.6675 x2+59.0991 x24.1769=0采用采用Newton迭代法解得：迭代法解得：x=0.793;故计算结果为：故计算结果为：0.081 0.04 (2)0.08(1)0.090.041 0.041 0.04ppxKxxppxx组分组分输

26、入项输入项输出项输出项mol数数mol%mol数数mol%SO20.0880.08(1 0.793)=0.016561.71O20.0990.09 0.04 0.793=0.058286.02SO3/0.08 0.793=0.063446.55N20.83830.8385.72总计总计11001 0.04 0.793=0.96828100.00返回返回第42页/共49页第四十三页，共49页。图图3-3-3中中R/W（或（或R/F、R/MF）称为循环比。其包括了）称为循环比。其包括了5个衡个衡算体系，每个衡算体系各物料之间的关系为：算体系，每个衡算体系各物料之间的关系为：总物料衡算总物料衡算F=

27、P+W反应器物料衡算反应器物料衡算MF=RP(只能只能(zh nn)适用于适用于kg为单为单位位)分离器物料衡算分离器物料衡算RP=S+P结点结点A（混合器）物料衡算（混合器）物料衡算F+R=MF结点结点B（分流器）物料衡算（分流器）物料衡算S=W+R 通常对有循环过程的物料衡算，若已知总转化率，可先做总通常对有循环过程的物料衡算，若已知总转化率，可先做总物料衡算；若已知单程转化率，则可先从反应器衡算做起。物料衡算；若已知单程转化率，则可先从反应器衡算做起。 第43页/共49页第四十四页，共49页。例例3-11 乙烯氧化制环氧乙烷，其生产流程如图乙烯氧化制环氧乙烷，其生产流程如图3-10所示。

28、已知所示。已知新鲜原料中乙烯新鲜原料中乙烯 空气空气=1 10，乙烯单程转化率为，乙烯单程转化率为55%，吸收，吸收塔出口气体总量的塔出口气体总量的65%循环返回反应器。计算：循环返回反应器。计算： 总转化率、各流股物料量及排放总转化率、各流股物料量及排放(pi fn)物料物料W组成。组成。 如果如果W的分析数据为的分析数据为:N281.5%、O216.5%、C2H42.0%,循环循环比比(R/W)为为3.0,计算新鲜原料中乙烯与空气的比例和单程转化率。计算新鲜原料中乙烯与空气的比例和单程转化率。假设此反应系统中只发生乙烯氧化生成环氧乙烷的单一主反应。假设此反应系统中只发生乙烯氧化生成环氧乙烷

29、的单一主反应。 第44页/共49页第四十五页，共49页。新鲜原料新鲜原料C2H4:air=1:10,x单单55%,吸收塔出口气吸收塔出口气65%循环循环(xnhun)返回。计返回。计算算:总转化率、各流股物料量及排放物料总转化率、各流股物料量及排放物料W组成。组成。解：反应式解：反应式 C2H4+1/2O2C2H4O C2H4+1/2O2C2H4O 以以10mol10mol新鲜原料中的新鲜原料中的C2H4C2H4为计算基准，则加入空气量为为计算基准，则加入空气量为100mol100mol，其中，其中(qzhng)O2(qzhng)O2为为21mol21mol、N2N2为为79mol79mol。

30、 设设MFMF中中C2H4C2H4为为xmolxmol，O2O2为为ymolymol。 以结点以结点A A为衡算对象，由单程转化率和循环比得：为衡算对象，由单程转化率和循环比得： 10+x(110+x(10.55)0.55)65%=x65%=x x=14.134mol x=14.134mol 反应生成的环氧乙烷的量反应生成的环氧乙烷的量: 55% x=0.55: 55% x=0.5514.134=7.774mol 14.134=7.774mol 应器出口物料应器出口物料RPRP中中C2H4C2H4剩余量：剩余量： 14.134 14.1347.774=6.360mol 7.774=6.360m

31、ol 总转化率为：总转化率为： 7.774/10=77.74% 7.774/10=77.74% 反应掉的反应掉的O2O2为：为： 0.5 0.57.774=3.887mol 7.774=3.887mol 第45页/共49页第四十六页，共49页。以结点以结点A为衡算对象对为衡算对象对O2衡算得：衡算得：21+0.65(y3.887)=y y=52.781mol对对N2作平衡，以整个系统为衡算对象，则：作平衡，以整个系统为衡算对象，则：W中的中的N2为为79mol对对N2作平衡，以结点作平衡，以结点B为衡算对象，则：为衡算对象，则：S中的中的N2为为79/0.35=225.71mol各流股中组分含量列表各流股中组分含量列表(li bio)如下：如下： FMFRPSRWPN27979/0.35=225.71225.71225.71225.71 65%=146.7179/O221y=52.78152.781 3.88748.89448.894 65%=31.78117.113/C2H410 x=14.1346.3606.3606.360 65%=4.1342.226/C2H4O/7.774/7.774第46页/共49页第四十七页，共49页。W成份为成份为:N281.5%、O216.5%、C2H42.0%,循环循环(xnhun)比比(R/W)为为3.0,计算新鲜计算新