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1、,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
2、)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）,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,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m
3、A=600Kg，mB=5000Kg，mc=4450Kg，计算过程的单程转化率和全程转化率。,解：,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。,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。,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。,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=S X,2023/4/3,10,转化率(X)，收率(Y)和选择性(S)三者关系：,Y=S X,1.一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
4、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,总质量衡算：F=P+W,组分衡算：F XF1=PXP1+WXW1 F XF2=PXP2+WXW2,催化裂化过程物料流程示意图,C原子衡算：F 0.38 F 0.711=P 0.056+P 0.157+P 0.38+P0.511,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
5、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。,求（1）消耗的氢气总量；（2）分离后气体的摩尔分数。,画出衡算系统方框图如下。,气体,产品油,写出反应方程式。,选择衡算基准为1h。,原料油平均摩尔质量=1880.05+1560.7+1540.25=157.1kg/kmol,H2进气量=10800103/22.410-3=482.1kmol;m=964Kg,对进料原料油衡算/1h,1h原料油进料物质的量=160900/157.1=916.6kmolC11H23
6、SH：n=916.60.05=45.83 Kmol;m=8616 KgC11H24:n=916.6 70%=641.62 Kmol;m=100093 KgC10H20=CH2:n=916.6 25%=229.15 Kmol;m=35289 Kg,设脱硫后产品油的质量为R，对C物料衡算，则有：,916.6(0.0511+0.711+0.2511)=R(0.00111+0.96811+0.03111),R=916.6kmol,反应(1)消耗的H2气量=916.60.05 0.001R=44.91kmol,生成的H2S气量=44.91kmol,反应(2)消耗的H2气量=916.60.25 0.031
7、R=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=281.4kmol,设未知数，列方程式，求解。,故，H2S的摩尔分数为 44.91/281.4=0.16 H2的摩尔分数为 236.49/281.4=0.84,核对。,列物料衡算表，如下。,例7-5 P257,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,气体膨胀率=N/100=159.21/100=1.592,X
8、(乙烷转化率)=（99-39.82)/99=59.78%,S(乙烯的选择性)=52.67/(99-39.82)=89%,Y(乙烯的收率)=XS=59.78%89%=53.20%,2.具有循环过程的物料衡算,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%，N2 79.64%，O2 10.81%，C2H4O 0.83%，CO2 5.5%
9、(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：,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。,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=(0.832)+（0.0325W2+0.0555W）,H 平衡
10、 4X=(0.834+2Z)+0.0325W4,O 平衡 0.21Y2=(0.83+Z)+(0.109W2+0.0555W2),N平衡 0.79Y2=0.803W2,解四个方程得:X=2.008mol;Y=19.87mol;Z=1.085mol;W=19.55mol.,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,乙烯的单程转化率=反应消耗的乙烯总量/进入反应器混合气中的乙烯量100%=(0.83+0.5425)/(X+3.22-0.0325W)100%=29.9%,乙烯的全程转化率=反应消耗的乙烯总量/新鲜原料中的乙烯量100%=(
11、0.83+0.5425）/2.008 100%=68.35%,生成环氧乙烷的选择性=转化为环氧乙烷的乙烯量/消耗的乙烯总量100%=0.83/（0.83+0.5425）100%=60.47%,循环比=循环气量/排放气量=(99.19-W)/W=4.073(摩尔比或体积比）,新鲜原料中空气量和乙烯之比=新鲜原料气中空气/乙烯=19.87/2.008=9.895(摩尔比或体积比）,对于稳定的连续流动过程，无热量的积累，,热量衡算以热力学第一定律为基础。,输入的总热量=输出的总热量+积累的热量+损失的热量,系统从外界吸收能量：Q为正；系统对外界放出能量：Q为负；,7.3 热量衡算,对于一个化学反应进
12、行热量衡算,热量衡算的基本步骤,(1)建立以单位时间为基准的物料衡算表,(2)选定计算基准温度和相态,(3)查找热量衡算中相关的热量学数据,(4)设未知数，列方程式，求解。,(5)计算和核对。,(6)报告计算结果。,例 甲烷在连续式反应器中空气氧化生产甲醛，副反应是甲烷完全氧化生成CO2和H2O。,以100mol进反应器的甲烷为基准，物料流程如图。假定反应在足够低的压力下进行，气体便可看作理想气体。甲烷于25进反应器，空气于100进反应器，如要保持出口产物为150，需从反应器取走多少热量？,各组分单位进料（25）的焓值,（1）25下进料甲烷的焓,查手册得生成热,则,（2）,查手册得,（3）,查手册得,各组分单位出料的焓值,（1）,查手册得,（2）,查手册得,（3）,查手册得,（4）,查手册得,（5）,查手册得,（6）,查手册得,进出口焓值,将以上结果填入进出口焓表中。,当能量衡算不计动能变化时，,例7-10 p270,
