3-1-2物料衡算

上节课主要教学内容常用化工典型设备（泵、压缩机、换热器、反应器、蒸馏塔）的自控方案。泵：离心泵、容积式、泵真空泵。压缩机：往复、离心。换热器：无相变、有相变。反应器：釜式反应器、固定床反应器。蒸馏塔：提馏段指标控制、精馏段指标控制、蒸馏塔的双温差控制。自控设计条件。第三章物料衡算和能量衡算化工过程的物料衡算和能量衡算，是利用物理与化学的基本定律，对化工过程单元及化工过程单元系统的物料平衡与能量平衡进行定量的计算。确定原材料的消耗与定额。确定各物流的流量、组成和状态。确定每一设备内物质转换与能量传递的速度。为确定操作方案、设备选型及设备尺寸的确定、管路设施与公用工程的设计提供依据。第0节物料衡算的基本方法和程序一、物料衡算的基本方法化工过程的类型间歇操作过程：原料在生产操作开始时一次加入，然后进行反应或其他操作，一直到操作完成后，物料一次排出。连续操作过程：在整个操作期间，原料不断稳定地输入生产设备，同时不断从设备排出同样数量（总量）的物料。半连续操作过程：操作时物料一次输入或分批输入，而出料是连续的，或连续输入物料，而出料是一次或分批的。稳定状态操作就是整个化工过程的操作条件不随时间而变化。一、物料衡算的基本方法物料平衡方程进入过程单元的物料量流出过程单元的物料量在过程单元内生成的物料量在过程单元内消耗的物料量过程单元内累积的物料量(Fi)(Fo)(Dp)(Dr)(W)(Fi-Fo)+(Dp-Dr)=W稳定操作过程(Fi-Fo)+(Dp-Dr)=0系统内无化学反应(Fi-Fo)=W系统内无化学反应的稳态操作过程(Fi-Fo)=0物料衡算基准时间基准、批量基准、质量基准、物质的量基准、标准体积基准。二、物料衡算的基本程序1、搜集计算数据。2、画出物料流程简图。3、确定衡算体系。4、写出化学反应方程式，包括主反应和副反应，标出有用的分子量。5、选择合适的计算基准，并在流程图上注明所选的基准值。6、列出物料衡算式，然后用数学方法求解。7、将计算结果列成输入－输出物料表(物料平衡表)。8、校核计算结果第一节连续过程的物料衡算稳态过程，体系内无物料积累。（3-1)),...,2,1(011CNmmjmNiijiNjrxFrsFi—第i股物流物质的量流量；xij—第j组分在第i股物流中的摩尔分数；vjm—第j组分在第m个化学反应中的化学计量系数;rm—第m个化学反应的反应速率；Nr—过程中所包含的化学反应个数。一、非反应过程的物料衡算[例3-0A]一种废酸，组成为23％(质量％)HNO3，57％H2SO4和20％H2O，加入93％的浓H2SO4及90％的浓HNO3，要求混合成27％HNO3及60％H2SO4的混合酸，计算所需废酸及加入浓酸的数量。0.570.20zkg0.23ykg0.600.130.270.070.930.900.10混合过程废酸xkg混合酸3ONHOS2HH24OHNO322HHOOS4HS24OOH23ONH2HO[例3-0A]解：设x-废酸量，y-浓H2SO4量，z-浓HNO3量；(kg）1、画物料流程简图（见上页图）2、选择基准基准：100kg混合酸3、列物料衡算式总物料衡算式x+y+z=100(1)H2SO4的衡算式0.57x+0.93y=100×0.6=60(2)HNO3的衡算式0.23x+0.90z=100×0.27=27(3)解(1)，(2)，(3)方程，得:X=41.8kg,y=39kg,z=19.2kg;水量=41.8×0.2+39×0.07+19.2×0.10=13kg.[例3-0B]有一个蒸馏塔，输入和输出物料量及组成如下图.输入物料中A组分的98.7％自塔顶蒸出。求每千克输入物料可得到塔顶馏出物2的量及其组成。馏塔蒸冷凝器123进料100kg/hC0.50B0.30A0.20塔底产物Wkg/hC0.94B0.055A0.005馏出物Pkg/hA?C1-A-BB?[例3-0B]解1、画物料流程简图（见上页图）2、选择基准基准：100kg/h输入物料令x=馏出物中A的百分含量，y=馏出物中B的百分含量。流股号流量/kg/h组分/mol%ABC123100PW20x0.530y5.5501-x-y94.0[例3-0B]解3、列物料衡算式•流股2中A组分量为:•P·x＝100×20%×98.7%=19.74kg(1)•A组分衡算式100×20%=W×0.5%+19.74(2)•W=52kg•总物料衡算式100=P+W(3)•P=100－52=48kg•B组分衡算式100×30%=5.5×W+P×y(4)•y=56.54%•x=19.74/P=19.74/48=41.13%•C组成1–x–y=1–41.13%–56.54=2.33%•由C组分衡算式100×50%=52×94%+48(1–x–y)•1–x–y=2.33%4、物料平衡表序号物料名称占进料/%占流股/%流量/kg/h入方1进料A2020202进料B3030303进料C505050合计100100100出方4塔顶A19.7441.1319.745塔顶B27.1456.5427.146塔顶C1.122.331.127塔底A0.260.50.268塔底B2.865.52.869塔底C48.889448.88合计100100二、反应过程的物料衡算1、反应转化率、选择性及收率等概念限制反应物：化学反应原料不按化学计量比配料时，其中以最小化学计量数存在的反应物称为限制反应物。过量反应物：不按化学计量比配料的原料中，某种反应物的量超过限制反应物完全反应所需的理论量，该反应物称为过量反应物。过量百分数：过量反应物超过限制反应物所需理论量的部分占所需理论量的百分数。转化率：某一反应物反应掉的量占其输入量的百分数。选择性：反应物反应成目的产物所消耗的量占反应物反应掉的量的百分数。收率：目的产物的量除以反应物输入量，以百分数表示.2、反应过程的物料衡算直接求解法只含一个未知量或组成，通常可根据化学反应式直接求解。元素衡算法输入(某种元素)＝输出(同种元素)。用联系组分作衡算“联系组分”是指随物料输入体系，但完全不参加反应，又随物料从体系输出的组分，在整个反应过程中，它的数量不变。[例3-1]自学组分编号；计算简图；方程与约束式；变量分析；求解方程组。第二节车间(装置)的物料衡算P60例3-2，图3-2，合成氨原料气中的CO通过变换反应脱除。计算中间物流F4的组成。（自学）P62例3-3，图3-3，乙烯直接水合制乙醇过程的物料衡算。（自学）本节课主要内容物料衡算的基本方法物料衡算的基本程序非反应过程的物料衡算反应过程的物料衡算例[3-0A]，[例3-0B]。课外作业1、复习所讲课本内容。2、[例3-1]、[例3-2]、[例3-3]。课内作业班级名称:学号:姓名:.[例3-0A]一种废酸，组成为23％(质量％)HNO3，57％H2SO4和20％H2O，加入93％的浓H2SO4及90％的浓HNO3，要求混合成27％HNO3及60％H2SO4的混合酸，计算所需废酸及加入浓酸的数量。0.570.20zkg0.23ykg0.600.130.270.070.930.900.10混合过程废酸xkg混合酸3ONHOS2HH24OHNO322HHOOS4HS24OOH23ONH2HO