物料与热量衡算

物料、热量衡算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5000kg/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1500kg/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3332kg/h，求乙烯的产率。解：C2H6→C2H4+H23028X3332生成目的产物所消耗的原料量X＝3332×＝3570kg/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7000kg/h，参加反应的乙烷量为4550kg/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＋2450×5%＝4550＋122.5＝4672.5kg/h消耗定额＝＝＝1.45．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＋5O2―――3CO2＋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：1000kg×0.999=999kg原料甲苯中的水量为：1000kg－999kg=1kg浓硫酸中的硫酸量为：1100kg×98％＝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：999kg×98％=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54254254243.095.003.03.01000:045.003.095.05.01000:1000:SSSTSSSBSSSTOTAL衡算体I衡算体IITBXTBXXXXSTXSBSTOTAL33333333133043.015095.0:3300045.015003.0:330150:结果：S2=520mol/h,S4=150mol/h,S5=330mol/h；S3=480mol/h,X3B=0.0125,X3T=0.5925,X3X=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2MPa和240oC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15000kmol/h，反应器出口含环氧乙烷1.4%（mol分率），乙烯13%（mol分率），流量14500kmol/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hkmolnyC/000,15%1511,2%4.1/500,14%132222,OCCyhkmolny分离60%未反应乙烯循环利用新鲜气2Cn新解化学反应式C2H4+0.5O2=CH2OCH2（1）乙烯转化率和环氧乙烷的收率（无循环）反应器hkmolnyC/000,15%1511,2%02.92250203%22.16225018852250/203%4.114500/1885%1314500/2250%151500022222,21,1入炉乙烯量量转化为环氧乙烷的乙烯环氧乙烷收率乙烯入炉量乙烯反应量乙烯转化率出炉环氧乙烷量出炉乙烯量入炉乙烯量hkmolynhkmolynhkmolynOCCC%4.1/500,14%132222,OCCyhkmolny（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hkmolnyC/000,15%1511,2%4.1/500,14%132222,OCCyhkmolny分离60%未反应乙烯循环利用新鲜气2Cn新%14.181119203%62.32111918852250/11191131%1515000/1131%60%1314500%601,12,222新鲜乙烯入炉量量转化为环氧乙烷的乙烯环氧乙烷总收率新鲜乙烯入炉量乙烯反应量乙烯总转化率新鲜气含乙烯量循环乙烯量循hkmolnynhkmolynCC合成氨工段计算氨合成塔冷凝排放产品V4循环新鲜原料F1000Nm3塔入口气V2NH32.5mol%塔出口气V3NH311mol%H273.729%N224.558%CH41.420%Ar0.293%放空气V1Ar+CH419.296%NH311%V1信息？V2信息？V3信息？V4的信息？化学反应式0.5N2+1.5H2=NH3•1.V1信息：惰性气体衡算：得到V1=88.775Nm3因为H2与N2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（H2＋N2）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：119296.0)00293.00142.0(VFH2N2NH3CH4Ar52.27817.4261115.993.302•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+V4V4=450.73Nm33.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=6013.6Nm3V3=5555.024Nm3•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H2、N2、CH4、Ar进行物料衡算即可得出V2的组成信息。如：H2的元素平衡入塔(合成塔)H2量=新鲜气带入H2量+循环H2量=新鲜气带入H2量+(出塔H2量-放空气H2量)=0.73729F+0.52278[(V3-V4)-V1)]=0.737291000+0.52278(5553.024-450.73-88.755)=3358.26Nm3组分H2N2NH3CH4Ar总计Nm3335811191018161685562Mol%60.3720.121.8114.673.03100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