第七章-化工工艺计算

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,7.1,概述,第七章 化工工艺计算,7.2,物料衡算,7.3,热量衡算,7.1,概述,化工工艺计算,物料衡算、热量衡算,进行化工设计、过程经济评价、节能分析和过程优化的基础,化工生产过程：主副产品量、原材料消耗、能量消耗、三废指标,1,、物料衡算和热量衡算的主要步骤,(1),收集计算数据：,化工装置的生产操作数据，如输入和输出物料的流量、温度、压力、浓度等，涉及物质物化常数，如密度、热容等。,(2),写出相关反应方程式（包括主副反应）并配平，标明相对分子量。,(3),绘出流程的方框图，标明相关参数。,(5),设未知数，列方程式，求解。（物料平衡、约束式归一方程、气液平衡方程等。,(6),计算和核对。,(7),报告计算结果。,(4),选定衡算基准 通常计算产率：选一定量的原料或产品为基准（,1Kg,或,100Kg,、,1mol,、,1m,3,等）； 计算原料的消耗指标和设备生产能力：选单位时间为基准（,1h,、,1mim,、,1s,等）。,转化率、选择性和收率,反应转化率,-,反映原料产生化学反应的程度,（,1,）定义：指某一反应物参加反应，转化的数量占该反应物起始量的分率或百分数。（针对反应物而言）,2,、化工工艺学中基本概念,（,2,）单程转化率和全程转化率,为了提高原料的利用率，采用,循环反应系统,。,单程转化率,反应器,全程转化率,反应系统,例：以乙炔与醋酸合成醋酸乙烯酯为例。如图所示，再连续生产中，假设每小时流经各物料线的物料中含乙炔的量为,m,A,=600Kg,，,m,B,=5000Kg,，,m,c,=4450Kg,，计算过程的单程转化率和全程转化率。,解：,总结：一般要根据各自反应的特点，由实际经验来控制单程转化率。,反应选择性,（,1,）定义：转化成,目的产物的某反应物量,与参加所有反应而转化的该反应物总量之比。,收率（产率）,（,1,）定义：,生成的目的产物占某反应物初始量的百分率。,单程收率,:,分母为,(,新鲜循环该原料之和,),总收率：分母为（新鲜该物料）,转化率,(X),，收率,(Y),和选择性,(S),三者关系：,Y= S X,9/23/2024,10,转化率,(X),，收率,(Y),和选择性,(S),三者关系：,Y= S X,1.,一般反应过程的物料衡算,输入物料,的总,质量,输出物料,的总质量,系统内积累,的物料质量,注,:,间歇操作（非稳态） 积累,0,连续操作（稳态） 积累,0,7.2,物料衡算,理论依据：质量守恒定律,蒸馏,F (Kg),X,F1,X,F2,P (Kg),X,P1,X,P2,W (Kg),X,W1,X,W2,无化学反应过程物料流程示意图,总质量衡算：,F=P+W,组分衡算：,F,X,F1,= P,X,P1,+W,X,W1,F,X,F2,= P,X,P2,+W,X,W2,反应,F (mol),P (mol),催化裂化过程物料流程示意图,组成,原料油,（摩尔分数）,产品油,（摩尔分数）,C,6,H,14,0,0.05,C,7,H,16,0,0.15,C,8,H,18,0.3,0.30,C,11,H,24,0.7,0.50,C,原子衡算：,F,0.38,F,0.711,= P,0.056,+ P,0.157,+ P,0.38,+ P,0.511,物料衡算的步骤,(1),绘出流程的方框图,(2),写出反应方程式，并配平之。,(3),选定衡算基准,(4),设未知数，列方程式，求解。（物料平衡、约束式归一方程、气液平衡方程等。,(5),计算和核对。,(6),报告计算结果。,例,1,：,拟将原料油中的有机硫通过,催化,加氢转变成,H,2,S,，进而脱出之，油中不饱和烃也加氢饱和。若原料油的进料速率为,160m,3,/h,，密度为,0.9g/ml,，氢气（标准状态）的进料速率为,10800m,3,/h,。原料油和产品油的摩尔分数组成如下。,组分,C,11,H,23,SH,C,11,H,24,C,10,H,20,=CH,2,原料油,5%,70%,25%,产品油,0.1%,96.8%,3.1%,求,（,1,）消耗的氢气总量；,（,2,）分离后气体的摩尔分数。,画出衡算系统方框图如下。,气体,催化,加氢,H,2,原料油,C,11,H,23,SH,5%,C,11,H,24,70%,C,10,H,20,=CH,2,25%,分,离,C,11,H,23,SH,0.1%,C,11,H,24,96.8%,C,10,H,20,=CH,2,3.1%,产品油,写出反应方程式。,C,11,H,23,SH,+ H,2,C,11,H,24,+ H,2,S,C,10,H,20,=CH,2,+ H,2,C,11,H,24,选择衡算基准为,1h,。,H,2,2kg/kmol,C,11,H,24,156kg/kmol,H,2,S,34kg/kmol,C,10,H,20,=CH,2,152kg/kmol,C,11,H,23,SH,188kg/kmol,原料油平均摩尔质量,=1880.05+1560.7+1540.25=157.1kg/kmol,H,2,进气量,=1080010,3,/ 22.410,-3,=482.1kmol; m=964Kg,对进料原料油衡算,/1h,1h,原料油进料物质的量,=160900 /,157.1,=916.6kmol,C,11,H,23,SH,：,n=916.60.05=45.83,Kmol,; m=8616 Kg,C,11,H,24,: n=916.6 ,70%=641.62,Kmol,; m=100093 Kg,C,10,H,20,=CH,2,: n=916.6 ,25%=229.15,Kmol,; m=35289 Kg,设脱硫后产品油的质量为,R,，对,C,物料衡算，则有：,916.6( 0.0511+0.711+0.2511)= R(0.001,11,+0.96811+0.03111),R =916.6kmol,反应,(1),消耗的,H,2,气量,=916.60.05 0.001R=44.91kmol,生成的,H,2,S,气量,=44.91kmol,反应,(2),消耗的,H,2,气量,=916.60.25 0.031R=200.74kmol,总耗,H,2,量,=44.91+200.74=,245.654,kmol,剩余,H,2,量,=482.1-245.65=236.49kmol,反应后气体的总量,=44.91+236.49=281.4kmol,设未知数，列方程式，求解。,故，,H,2,S,的摩尔分数为,44.91/281.4=0.16,H,2,的摩尔分数为,236.49/281.4=0.84,核对 。,列物料衡算表，如下。,例,7-5 P257,裂解炉,乙烷,乙烷,99%,甲烷,1%,炭,裂解气,H,2,CH,4,C,2,H,2,C,2,H,4,C,2,H,6,37.2,4.53,0.18,33.08,25.01,选择衡算基准,-,原料气,=100mol,进料：,n(C,2,H,6,)=99mol; n(CH,4,)=1mol,设：裂解后裂解气的物质量为,Nmol,碳守恒,物料名称,摩尔质量,/g/mol,进料,出料,mol,g,mol,g,H2,2,59.23,118.46,CH4,16,1,16,7.21,115.36,C2H2,26,0.29,7.54,C2H4,28,52.67,1474.78,C2H6,30,99,2970,39.82,1194.60,C,12,6.24,74.898,总计,100,2986,165.46,2986,气体膨胀率,=N/100=159.21/100=1.592,X(,乙烷转化率,)=,（,99-39.82)/99=59.78%,S(,乙烯的选择性,)=52.67/(99-39.82)=89%,Y(,乙烯的收率,)=XS=59.78%,89%=53.20%,2.,具有循环过程的物料衡算,(2),绘出流程的方框图,并标明各物料,(1),写出反应方程式并配平。,(3),以方程的方式列出各节点的物料衡算关系；,(4),解出方程组；,反应器,分离器,A,B,FF,MF,RP,P,SP,W,RC,反应器,分离器,A,B,FF,MF,RP,P,SP,W,RC,对物料输入口节点,A,：,FF+RC=MF,对物料输出口节点,B: RC+W=SP,对分离器：,RP=P+SP=P+RC+W,对整个反应：,FF=P+W,对反应器：,MF=RP,例,1,：,在银催化剂作用下，乙烯被空气氧化成环氧乙烷（,C,2,H,4,O,），副反应是乙烯完全氧化生成,CO,2,和,H,2,O,。,已知离开氧化反应器的气体干基组成是：,C,2,H,4,3.22%,，,N,2,79.64%,，,O,2,10.81%,，,C,2,H,4,O 0.83%,，,CO,2,5.5%(,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，其余全部循环回氧化反应器。,计算（,1,）乙烯的单程转化率；（,2,）生成环氧乙烷的选择性；（,3,）循环比；（,4,）新鲜原料中乙烯和空气量之比。,写出反应方程式：,选取,反应器出口气中,100mol,干气,为衡算基准,设新鲜原料气（,FF,）中,C,2,H,4,的量为,Xmol,；空气为,Ymol,（含,79%N,2,和,21%O,2,）；弛放气,Wmol,；乙烯完全氧化生成的,H,2,O,量为,Zmol,。,反应器,水吸收塔,A,B,FF,MF,RP,P,SP,W,RC,反应器,水吸收塔,A,B,FF,MF,RP,P,SP,W,RC,围绕总系统做物料衡算。,采用,元素的原子守恒计算,，即,C,平衡,2X=(0.832)+,（,0.0325W2+0.0555W,）,H,平衡,4X=(0.834+2Z)+0.0325W4,O,平衡,0.21Y2=(0.83+Z)+(0.109W2+0.0555W2,),N,平衡,0.79Y2=0.803W2,解四个方程得,:,X=2.008mol; Y=19.87mol; Z=1.085mol; W=19.55mol.,反应器,水吸收塔,A,B,FF,MF,RP,P,SP,W,RC,副反应消耗的乙烯量,=1.085/2=0.5425mol,主反应消耗的乙烯量,=,生成的,EO,量,=0.83mol,乙烯的单程转化率,=,反应消耗的乙烯总量,/,进入反应器混合气中的乙烯量,100% =(0.83+0.5425)/(X+3.22-0.0325W) 100% =29.9%,乙烯的全程转化率,=,反应消耗的乙烯总量,/,新鲜原料中的乙烯量,100%,=(0.83+0.5425,）,/ 2.008 100% =68.35%,生成环氧乙烷的选择性,=,转化为环氧乙烷的乙烯量,/,消耗的乙烯总量,100%,=0.83 /,（,0.83+0.5425,）,100% =60.47%,循环比,=,循环气量,/,排放气量,=(99.19-W) / W =4.073(,摩尔比或体积比）,新鲜原料中空气量和乙烯之比,=,新鲜原料气中空气,/,乙烯,=19.87 / 2.008 =9.895(,摩尔比或体积比）,对于稳定的连续流动过程，无热量的积累，,热量衡算以热力学第一定律为基础。,输入的总热量,=,输出的总热量,+,积累的热量,+,损失的热量,系统从外界吸收能量：,Q,为正；,系统对外界放出能量：,Q,为负；,7.3,热量衡算,对于一个化学反应进行热量衡算,热量衡算的基本步骤,(1),建立以单位时间为基准的物料衡算表,(2),选定计算基准温度和相态,(3),查找热量衡算中相关的热量学数据,(4),设未知数，列方程式，求解。,(5),计算和核对。,(6),报告计算结果。,例,甲烷在连续式反应器中空气氧化生产甲醛，副反应是甲烷完全氧化生成,CO,2,和,H,2,O,。,以,100mol,进反应器的甲烷为基准，物料流程如图。假定反应在足够低的压力下进行，气体便可看作理想气体。甲烷于,25,进反应器，空气于,100,进反应器，如要保持出口产物为,150,，需从反应器取走多少热量？,各组分单位进料（,25,）的焓值,（,1,）,25,下进料甲烷的焓,查手册得生成热,则,（,2,）,查,手册得,（,3,）,查手册得,各组分单位出料的焓值,（,1,）,查手册得,（,2,）,查手册得,（,3,）,查手册得,（,4,）,查手册得,（,5,）,查手册得,（,6,）,查手册得,物料,n,进,(mol),H,进,(kJ/mol),n,出,(mol),H,出,(kJ/mol),物料,n,出,(mol),H,出,(kJ/mol),CH,4,O,2,N,2,100,100,376,-74.85,2.235,2.187,60,50,376,-69.95,3.758,3.655,HCHO,CO,2,H,2,O,30,10,50,-114.76,-388.56,-237.56,进出口焓值,将以上结果填入进出口焓表中。,当能量衡算不计动能变化时，,例,7-10 p270,