3物料、热量衡算

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,*,已经确定：硝基氯苯生产工艺以及所有设备的型式。,是不是可以购买设备，准备安装建设？,3.,工艺计算,（,物料衡算、热量衡算、设备选型计算,）,3.1,物料衡算,1,、物料衡算的作用,1,）操作型计算：装置已建，分析生产能力，挖掘潜力，技改。,2,）设计型计算：根据生产任务，设计计算，为热量衡算、设备选型计算提供条件,2,、物料衡算的类型,1,）间歇操作物料衡衡算,2,）连续操作物料称衡算,3,）循环过程物料衡算,3,、物料衡算通式,（质量守恒定律）,单位时间内进入系统的全部物料质量,单位时间内离开系统的全部物料质量,单位时间内过程中的损失量,单位时间内系统内的积累,一、,物料衡算的方法和步骤,1,、画出物料衡算示意图,标明各股物料的进出方向、数量、组成以及温度、压力等,操作条件，待求的未知数据也应以适当的符号表示。,2,、写出主、副反应式,3,、确定计算任务,4,、收集数据资料,生产规模、生产时间、原料、助剂、中间产物和产品的规格和组成,及有关的理化常数,5,、选定计算基准（为了简化计算）,6,、展开计算,7,、整理计算结果，画出物料衡算一览表,8,、绘制物料流程图，并编入设计文件,生产过程的常用指标,1,、生产能力,2,、转化率,3,、产率（选择性）,4,、收率,5,、消耗定额,一、生产能力,化工装置在单位时间内生产的产品量或在单位时间内处理的原料量，称为生产能力。其单位为,kg,h,，,t,d,，,kt,a,，,Mt,a,等。,化工装置在最佳条件下可以达到的最大生产能力称为设计能力。,二、转化率,转化率是原料中某一反应物转化掉的量（摩尔）与初始反应物的量（摩尔）的比值，它是化学反应进行程度的一种标志,工业生产中有单程转化率和总转化率，其表达式为：,单程转化率,100%,100%,例：以乙烷为裂解原料生产乙烯，在一定的生产条件下，,通入裂解炉的乙烷量为,7000kg/h,，反应后，尾气中含乙烷,2450kg/h,，求乙烷的转化率。,解：单程转化率,100%,100%,65%,（,1,）单程转化率,对于有循环和旁路的生产过程，常用总转化率。,总转化率,100%,例：用乙烷作原料裂解生产乙烯，通入裂解炉的新鲜原料,乙烷为,5000 kg/h,，裂解气分离后，没有反应的乙烷,2000kg/h,又,返回了裂解炉进行反应，最终分析裂解气中含乙烷,1500 kg/h,，,求乙烷的总转化率。,解：总转化率,100%,100%,70%,（,2,）总转化率,产率表示了参加主反应的原料量与参加反应的原料量之间,的数量关系。,即参加反应的原料有一部分被副反应消耗掉了，而没有生成,目的产物。产率越高，说明参加反应的原料生成的目的产物,越多。,产率,100%,3,产率（或选择性）,例：用乙烷作裂解原料生产乙烯，在一定的生产条件,下，通入裂解炉的乙烷量为,7000kg/h,，反应后，尾气中含乙,烷,2450kg/h,，得到乙烯量为,3332 kg/h,，求乙烯的产率。,解：,C,2,H,6,C,2,H,4,+H,2,30 28,X 3332,生成目的产物所消耗的原料量,X,3332,3570 kg/h,产率,100%,100%,78.5%,表示进入反应器的原料与生成目的产物所消耗的原料之间的数量关系。,收率越高，说明进入反应器的原料中，消耗在生产目的产物上的数量越多。,收率也有单程收率和总收率之分。,单程收率,100%,总收率,100%,例：条件同上例，求乙烯的收率。,解：单程收率,100%,100%,51%,4,收率,消耗定额是指生产单位产品所消耗的原料量，即每生产一,吨,100%,的产品所需要的原料数量。,消耗定额,例：以乙烷为原料裂解生产乙烯，通入反应器的乙烷为,7000 kg/h,，参加反应的乙烷量为,4550 kg/h,，没有参加反应,的乙烷的,5%,损失掉，其余都循环回裂解炉。得到乙烯,3332kg/h,，求乙烯的原料消耗定额。,解：消耗的原料量,4550,24505%,4550,122.5,4672.5kg/h,消耗定额,1.4,5,消耗定额,二、间歇过程的物料衡算,按物料衡算的步骤进行，同时要注意建立时间平衡关系。,例：丙烷充分燃烧时，要供入的空气量为理论量的,125%,，反应式为：,C3H8,5O23CO2,4H2O,问每,100,摩尔燃烧产物需要多少摩尔空气？,解：（,1,）画出物料流程图,（,2,）选定基准，以,1mol,丙烷为基准,（,3,）展开计算,由题意知氧气供入量为,5,1.25,6.25mol,则：空气供入量为,6.25/0.21,29.76mol,氮气量为,29.76,0.79,23.51mol,则：,29.76mol,空气所生成的燃烧气为,:,23.51+(3+4)+(6.25-5)=31.76mol,所以，,100mol,燃烧气所需空气量为,:,100/31.76 *29.76=93.7mol,例：在间歇釜式反应器中用浓硫酸磺化甲苯生产对甲苯磺酸,.,试对该过程进行物料衡算。,已知每批操作的投料量为：甲苯,1000kg,，纯度,99,9,(,质量百分比，下同,),；浓硫酸,1100kg,，纯度,98,；甲苯的转化率为,98,，生成对甲苯磺酸的选择性为,82,，生成邻甲苯磺酸的选择性为,9.2,，生成间甲苯磺酸的选择性为,8.8,；物料中的水约,90,经连续脱水器排出。此外，为简化计算，假设原料中除纯品外都是水，且在磺化过程中无物料损失。,解：以间歇釜式反应器为衡算范围，绘出物料衡箅示意图,物料衡算的目的就是确定各股物料的数量和组成。,对于间歇操作过程，常以单位时间间隔,(,一个操作周期,),内的投料量为基准进行物料衡算。,进料：,原料甲苯中的甲苯量为：,1000kg0.999=999kg,原料甲苯中的水量为：,1000 kg,999kg=1kg,浓硫酸中的硫酸量为：,1100kg98,1078kg,浓硫酸中的水量为：,1100kg,1078kg,22kg,进料总量为：,1000kg+1100kg=2100kg,其中含甲苯,999kg,，硫酸,1078kg,，水,23kg,。,出料：,反应消耗的甲苯量为：,999kg98,=979kg,未反应的甲苯量为：,999kg 979kg=20kg,磺化液总量为：,1500.8+168.4+161.1+20+35.2+21.4=1906.9(kg),根据物料衡算结果，编制甲苯磺化过程的物料平衡表。,三、连续过程的物料衡算,1.,直接求算法,适用于化学反应过程较简单的反应，一般情况下，通过化学计量系数来直接求取。,2.,利用结点进行衡算,3.,利用联系组分进行物料衡算,不参加反应的组分常被作为联系组分，可以极大的简化计算过程。,求算下图所示的各流股的量及塔,2,的入料组成,解：属复杂过程物料衡算。选取两个衡算体：,I,为总体系衡算，,II,为精馏塔,2,衡算,衡算体,I,衡算体,II,结果：,S2=520mol/h,S4=150mol/h,S5=330mol/h,；,S3=480mol/h,X,3B,=0.0125,X,3T,=0.5925,X,3X,=0.395,任务,3,：,1000t/a,硝基氯苯生产装置，每年需要用,1002,吨、含,46%,硝酸的混酸作为硝化剂。,现请你为,1000t/a,硝基氯苯生产装置混酸配制工段进行物料衡算：,原料：硝酸,98%,，硫酸,92.5%,69%,硫酸废酸,要求：混酸组成硫酸,46%,，硝酸,46%,，水,8%,混合,工艺过程,分离,分流,工艺过程,混合,四、循环过程的物料衡算,循环过程,衡算方法通常有代数法、试差法、循环系数法,当原料、产品和循环流的组成已知时，采用代数法较为简便。当未知数多于所能列出的方程数时，可用试差法求解,见教材,P31,例,在,2,MPa,和,240,o,C,条件下，用纯氧氧化乙烯生产环氧乙烷，已知原料混合气含乙烯,15%,（,mol,分率），流量,15000,kmol,/h,，,反应器出口含环氧乙烷,1.4%,（,mol,分率），乙烯,13%,（,mol,分率）,，,流量,14500,kmol,/h,，,求（,1,）乙烯转化率和环氧乙烷的收率,;,（,2,）若处理气量不变，产品经分离后,60%,未反应的乙烯返回反应器循环，则乙烯总转化率和环氧乙烷的总收率分别是多少？,反应器,分离,60%,未反应乙烯循环利用,新鲜气,解 化学反应式,C,2,H,4,+0.5O,2,=CH,2,OCH,2,（,1,）,乙烯转化率和环氧乙烷的收率（无循环）,反应器,（,2,）,60%,未反应乙烯循环时，乙烯总转化率和环氧乙烷的 总收率计算,反应器,分离,60%,未反应乙烯循环利用,新鲜气,合成氨工段计算,氨,合,成,塔,冷,凝,排放,产品,V4,循,环,新鲜原料,F,1000Nm,3,塔,入口气,V2,NH,3,2.5mol%,塔,出口气,V3,NH,3,11mol%,H,2,73.729%,N,2,24.558%,CH,4,1.420%,Ar,0.293%,放空气,V1,Ar+CH,4,19.296%,NH,3,11%,V1,信息？,V2,信息？,V3,信息？,V4,的信息？,化学反应式,0.5N,2,+1.5H,2,=NH,3,1.V1,信息：,惰性气体衡算：,得到,V1=88.775Nm,3,因为,H,2,与,N,2,按照,3,：,1,的比例消耗，进料比为,3,：,1,，根据出口气体的组成可以计算出（,H,2,N,2,）,摩尔比为,1,0.11,0.19296,0.69704,，从而根据组分的两两比例分别计算出,V1,组成：,H,2,N,2,NH,3,CH,4,Ar,52.278,17.426,11,15.99,3.302,2.V4,的信息（体积平衡）：,氨的合成为变体积反应过程，反应前后的体积变化数为,2,即每生成,1,份氨，体积缩小,1,份，而反应生成的氨量,=,(V4+0.11V1),。,据此可以计算出气体氨物流量,P,F-(V4+0.11V1)=V1+V4 V4=450.73Nm,3,3.V2,与,V3,信息（体积平衡和氨平衡）：,反应减少体积,V2-V3=(V4+0.11V1)-(1),氨平衡计算：,0.11V3-0.025V2=V4+0.11V1-(2),计算（,1,）、（,2,）得出：,V2=6013.6Nm,3,V3=5555.024Nm,3,4.,合成塔进口物流信息（结点元素平衡）：,按照以上思路，以合成塔为物料衡算体系，分别对,H,2,、,N,2,、,CH,4,、,Ar,进行物料衡算即可得出,V2,的组成信息。如：,H,2,的元素平衡,入塔,(,合成塔,),H,2,量,=,新鲜气带入,H,2,量,+,循环,H,2,量,=,新鲜气带入,H,2,量,+(,出塔,H,2,量,-,放空气,H,2,量,),=0.73729,F+0.52278(V,3,-V,4,),-V,1,),=0.73729,1000+0.52278(5553.024-450.73-88.755),=3358.26Nm,3,组分,H,2,N,2,NH,3,CH,4,Ar,总计,Nm,3,3358,1119,101,816,168,5562,Mol%,60.37,20.12,1.81,14.67,3.03,100,问题,1,配制混酸（硝酸,+,硫酸）过程中，为防止硝酸分解，温度不宜超过,40,，需要冷却。已知采用硝酸,98%,，硫酸,92.5%,，含,69%,硫酸的硝化废酸为原料配制组成为硫酸,46%,，硝酸,46%,，水,8%,的混酸,1kg,，会放出热量,15kj,热量。冷却介质为水。设环境温度为,20,。,问：配制,450kg,这种混酸，需要多少冷却水量。（时间,20,分钟）,问题,2,：,芳香烃硝化生产中一般需要先加热，达到反应温度（一般,50-60,），当反应启动后，由于硝化反应是强放热反应，必须通冷却水进行冷却，否则可能产生爆炸事故