第七章-化工工艺计算.

§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、1m3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）molmolX该反应物的起始量，某一反应物的转化量,molmolX该反应物的起始量，某一反应物的转化量,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——反应系统的量的量＋循环物料中组分新鲜原料中组分在反应器中的转化量组分AAAXA的量新鲜原料中组分在反应器中的转化量组分AAXtotA,产品新鲜原料混合反应分离循环物料驰放物料产品新鲜原料混合反应分离产品新鲜原料混合反应分离产品新鲜原料混合反应分离产品新鲜原料混合反应分离循环物料驰放物料例：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mA=600Kg，mB=5000Kg，mc=4450Kg，计算过程的单程转化率和全程转化率。解：％％＝－＝乙炔11100500044505000X％％＝－＝乙炔67.9110060044505000,totX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。A反应器分离器粗产品放空循环原料BCDA反应器分离器粗产品放空循环原料BCD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。该反应物的转化总量的某反应物的量转化为目的产物所消耗S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。的起始量反应物的量所消耗的反应物转化为目的产物AARY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=SXmolmolX该反应物的起始量，某一反应物的转化量,molmolX该反应物的起始量，某一反应物的转化量,该反应物的转化总量的某反应物的量转化为目的产物所消耗S的起始量反应物的量所消耗的反应物转化为目的产物AARY2020/8/610转化率(X)，收率(Y)和选择性(S)三者关系：Y=SX1131135443535443531.一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)XF1XF2P(Kg)XP1XP2W(Kg)XW1XW2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：FXF1=PXP1+WXW1FXF2=PXP2+WXW2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）C6H1400.05C7H1600.15C8H180.30.30C11H240.70.50C原子衡算：F×0.3×8＋F×0.7×11=P×0.05×6+P×0.15×7+P×0.3×8+P×0.5×11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H2S，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160m3/h，密度为0.9g/ml，氢气（标准状态）的进料速率为10800m3/h。原料油和产品油的摩尔分数组成如下。组分C11H23SHC11H24C10H20=CH2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。①画出衡算系统方框图如下。气体催化加氢H2原料油C11H23SH5%C11H2470%C10H20=CH225%分离C11H23SH0.1%C11H2496.8%C10H20=CH23.1%产品油②写出反应方程式。C11H23SH+H2C11H24+H2SC10H20=CH2+H2C11H24③选择衡算基准为1h。H22kg/kmolC11H24156kg/kmolH2S34kg/kmolC10H20=CH2152kg/kmolC11H23SH188kg/kmol原料油平均摩尔质量=188×0.05+156×0.7+154×0.25=157.1kg/kmolH2进气量=10800×103/22.4×10-3=482.1kmol;m=964Kg对进料原料油衡算/1h1h原料油进料物质的量=160×900/157.1=916.6kmolC11H23SH：n=916.6×0.05=45.83Kmol;m=8616KgC11H24:n=916.6×70%=641.62Kmol;m=100093KgC10H20=CH2:n=916.6×25%=229.15Kmol;m=35289Kg设脱硫后产品油的质量为R，对C物料衡算，则有：916.6×(0.05×11+0.7×11+0.25×11)=R(0.001×11+0.968×11+0.031×11)R=916.6kmol反应(1)消耗的H2气量=916.6×0.05–0.001R=44.91kmol生成的H2S气量=44.91kmol反应(2)消耗的H2气量=916.6×0.25–0.031R=200.74kmol总耗H2量=44.91+200.74=245.654kmol剩余H2量=482.1-245.65=236.49kmol反应后气体的总量=44.91+236.49=281.4kmol④设未知数，列方程式，求解。故，H2S的摩尔分数为44.91/281.4=0.16H2的摩尔分数为236.49/281.4=0.84⑤核对。⑥列物料衡算表，如下。例7-5P257裂解炉乙烷乙烷99%甲烷1%炭裂解气H2CH4C2H2C2H4C2H637.24.530.1833.0825.01选择衡算基准---原料气=100mol进料：n(C2H6)=99mol;n(CH4)=1mol设：裂解后裂解气的物质量为Nmol–碳守恒molNNN21.159129912/21)1000/4.22()2501.023308.020018.020453.0(........23.59372.021.159)(21.159129912/21)1000/4.22()2501.023308.020018.020453.0(2molHnmolNNN物料名称摩尔质量/g/mol进料出料molgmolgH2259.23118.46CH4161167.21115.36C2H2260.297.54C2H42852.671474.78C2H63099297039.821194.60C126.2474.898总计1002986165.462986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%molmolX该反应物的起始量，某一反应物的转化量,molmolX该反应物的起始量，某一反应物的转化量,该反应物的转化总量的某反应物的量转化为目的产物所消耗S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ABFFMFRPPSPWRC反应器分离器ABFFMFRPPSPWRC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（C2H4O），副反应是乙烯完全氧化生成CO2和H2O。已知离开氧化反应器的气体干基组成是：C2H43.22%，N279.64%，O210.81%，C2H4O0.83%，CO25.5%(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：主反应：C2H4+1/2O2C2H4O主反应：C2H4+1/2O2C2H4O副反应：C2H4+3O22CO2+2H2O副反应：C2H4+3O22CO2+2H2O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C2H4的量为Xmol；空气为Ymol（含79%N2和21%O2）；弛放气Wmol；乙烯完全氧化生成的H2O量为Zmol。反应器水吸收塔ABFFMFRPPSPWRC反应器水吸收塔ABFFMFRPPSPWRC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=(0.83×2)+（0.0325W×2+0.0555W）H平衡4X=(0.83×4+2Z)+0.0325W×4O平衡0.21Y×2=(0.83+Z)+(0.109W×2+0.0555W×2)N平衡0.79Y×2=0.803W×2弛放气（W)新鲜原料气（FF）C2H4XmolXmolO20.21Ymol0.21YmolN20.79Ymol0.79Ymol系统产物(P)C2H4O0.83mol0.83molH2OZmolZmolC2H40.0325WmolWmolO20.109Wmol0.109WmolN20.803Wmol0.803WmolCOCO220.0555Wmol0.0555Wmol弛放气（W)新鲜原料气（FF）C2H4XmolXmolO20.21Ymol0.21YmolN20.79Ymol0.79Ymol系统产物(P)C2H4O0.83mol0.83molH2OZmolZmol弛放气（W)新鲜原料气（FF）C2H4XmolXmolO20.21Ymol0.21YmolN20.79Ymol0.79Ymol新鲜原料气（FF）C2H4XmolXmolO20.21Ymol0.21YmolN20.79Ymol0.79Ymol系统产物(P)C2H4O0.83mol0.83molH2OZmolZmol产物(P)C2H4O0.83mol0.83molH2OZmolZmolC2H40.0325WmolWmolO20.109Wmol0.109WmolN20.803Wmol0.803WmolCOCO220.0555Wmol0.0555Wmol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ABFFMFRPPSPWRC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主反应：C2H4+1/2O2C2H4O主反应：C2H4+1/2O2C2H4O反应器水吸收塔A