第五章物料衡算

第五章物料衡算郭宁[e-mail]一、化工计算的分类设计型计算(事前设计化工厂)校核型计算(对工厂现有的生产装置进行计算，进而对生产情况进行分析、整改)1.化工过程的分类（一）间歇操作一次性投料、出料，浓度随时间的变化而变化半连续操作一次性投料，连续出料连续性进料，一次性出料一组分一次性投料，其他连续进料，一次性出料连续操作连续性进料，连续性出料，浓度不随时间的变化而变化，只随空间位置的变化而变化2.化工过程的分类（二）稳态操作操作条件不随时间的变化而变化，只随位置的变化而变化（正常的连续操作过程）不稳态操作操作条件随时间的变化而不断变化开车、停车、间歇操作，半连续操作二、物料衡算的基本方程基本依据质量守恒定律（不包括核反应）基本方程进入的Fi+生成的Dp=流出的Fo+反应的Dr+积累的W适用范围所有流程都适用总物料适用某一组分适用具体过程的物料衡算稳态过程W=0无反应过程Dp=Dr=0稳态无反应过程Fi=Fo稳态有反应过程Fi+Dp=Fo+Dr三、基本计算过程1.画简图2.标参数3.定基准和范围（体系）4.写化学反应方程式5.列衡算式6.列图表四、无反应过程的物料衡算单个单元的物料衡算n个组分，可以列n+1个方程但最多只能求解n个未知数M个单元的物料衡算n个组分，最多只有m*n个独立方程选择恰当的衡算体系可以简化计算过程五、化学反应过程的计算限制反应物过量反应物过量百分数转化率x选择性S收率YY=Sx1.分类完全反应(x=100%)Y=S(直接求解)非完全反应(x≠100%)反应不彻底(直接求解)有反应平衡(迭代求解)2.循环过程的物料衡算单程转化率总转化率惰性组分的积累及驰放器输入惰性组分的量=输出惰性组分的量无反应过程的基本公式稳态无反应过程Fi=Fo例题有一个蒸馏塔，输入输出物料组成见下图，塔顶A组分的回收率为98.7%，请对此塔作物料衡算。蒸馏塔冷凝器F=100kg/hA0.2B0.3C0.5Pkg/hAxByC1-x-yWkg/hA0.005B0.055C0.94物料衡算方程AF*0.2=P*x+W*0.05BF*0.3=P*y+W*0.055CF*0.5=P*(1-x-y)+W*0.94另外的已知条件P*x=F*0.2*98.7%完全反应过程的物料衡算稳态有反应过程Fi+Dp=Fo+Dr非完全反应(x≠100%)反应不彻底(直接求解)例题用邻二甲苯氧化法生产邻苯二甲酸酐(苯酐)，输入输出物料组成见下图，计算邻二甲苯的转化率、产品的收率及选择性。反应过程邻二甲苯210kg/h空气4620Hm3/h氧气0.21(mol/mol)氮气0.79(mol/mol）P苯酐0.654%（mol）顺酐0.066%氧气16.53%氮气77.5%写化学反应方程式+3O2+3H2OOOO+9O2+6H2O2OOO4选基准邻二甲苯210kg/h邻二甲苯苯酐顺酐分子量10614898物料衡算输入氧气量210kg/h邻二甲苯完全氧化所需的氧气h/31kmol.4321.04.224620h/8.915kmol29106210h/943kmol.53106210顺酐苯酐输入氮气的量反应产物的总量h/94kmol.16279.04.224620h/57kmol.2097775.094.162P产物中邻二甲苯209.57×0.0003=0.06287kmol/h=6.664kg/h苯酐209.57×0.0654=1.370kmol/h=202.76kg/h顺酐209.57×0.00066=0.1383kmol/h=13.55kg/h收率(mol)苯酐顺酐15%.69%100106/210370.1%981.6%100106/2101383.0苯酐的选择性%4.71%100106664.6210370.1有反应平衡过程的物料衡算物料衡算方程为非线性方程（迭代求解）例题甲烷与水蒸气用镍催化剂进行转化反应生产氢气。转化过程的主要反应为甲烷转化反应和一氧化碳变换反应，即：1.CH4+H2OCO+3H22.CO+H2OCO2+H2已知水蒸汽与甲烷之比为2.5，温度为760℃，压力为5大气压。假定上述反应达到平衡．求产物的平衡组成。流程图反应过程CH41molH2O2.5molH2OWmolCH4MmolCOxmolCO2ymolH2zmol物料平衡方程元素衡算H:2+2.5=W+2M+zC:1=M+x+yO:2.5=W+x+2y反应平衡方程202.1K29.63K222242HCOp23HCOp1OHCOOHCHpppppppp各组分的分压PzyxMWzPypPzyxMWyPypPzyxMWxPypPzyxMWWPypPzyxMWMPypHCOCOOHHCOCOOHCHCH22222244整理得到202.1)5.02()25.4)(5.1(29.63)25.5()25.4)(5.02(223M循环过程的物料衡算单程转化率总转化率惰性组分的积累及驰放器输入惰性组分的量=输出惰性组分的量例题丙烷在催化反应器中脱氢生成丙烯，其反应式为：C3H8C3H6+H2丙烷的总转化率为95％。反应生成物经分离器分成产物P和循环物料R。产物中含有C3H8、C3H6及H2，其中C3H8的量为未反应C3H8的0.555％。循环物料中含有C3H8和C3H6，其中C3H6量是产物中C3H6量的5％。试计算产品组成、循环物料组成和单程转化率。流程图C3H8100kmol/hMFC3H8N1kmol/hC3H6N2kmol/h反应器分离器RPC3H8Q1kmol/hC3H6Q2kmol/hH2Q3kmol/hC3H8P1kmol/hC3H6P2kmol/hH2P3kmol/hPRC3H8R1kmol/hC3H6R2kmol/h物料衡算过程物料衡算P1=5kmol/hP2=95kmol/hP3=95kmol/h110095%100P产品组成分离器物料衡算C3H8：Q1=P1+R10.555%Q1=P1=5kmol/h∴Q1=900kmol/hR1=895kmol/hC3H6:Q2=P2+R2R2=(1-95%)×P2=4.75kmol/hQ2=99.75kmol/h单程转化率%55.9895100900-895)(100NQN111