现代化工计算单元3化工过程物料衡算教材.ppt

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1、*,单元3化工过程物料衡算,1,单元三 化工过程物料衡算任务1 理解物料衡算基础知识一、物料衡算的两大类型二、化工生产过程的类型三、物料衡算的理论依据及物料衡算式四、物料衡算计算基准及其选择五、物料衡算的一般步骤任务2 物理过程的物料衡算一、混合过程物料衡算二、蒸发与结晶过程物料衡算三、吸收过程物料衡算四、精馏过程物料衡算任务3 反应过程物料衡算一、反应物配比二、转化率、选择性、收率、三、单一反应过程物料衡算四、复杂反应过程物料衡算,(一)直接求解法(二)元素衡算法(三)利用联系组分衡算(四)利用化学平衡衡算,*,单元3化工过程物料衡算,2,任务1 理解物料衡算基础知识,知识目标：掌握物料衡算

2、的类型、化工过程的类型、物料衡算的理论依据，熟悉物料衡算时计算基准的选择方法，熟悉物料衡算的一般步骤。能力目标：能针对不同类型的化工过程和衡算对象，选择合适的计算基准和比较正确的衡算步骤。一、物料衡算的两大类型(1)核算型 对已有的生产设备或装置,利用实际测定的数据,计算出另一些不能直接测定的物理量。用此计算结果,对生产情况进行分析、作出判断、提出改进措施。(2)设计型 根据设计任务,先作物料衡算,求出进出各设备的物料量,然后再作能量衡算,求出设备或过程的热负荷,从而确定设备尺寸及整个工艺流程。,返回,*,单元3化工过程物料衡算,3,任务1 理解物料衡算基础知识,二、化工生产过程的类型(1)间

3、歇操作(2)连续操作稳态；非稳态(3)半连续操作三、物料衡算的理论依据及物料衡算式(1)物料衡算的理论依据 质量守恒定律(2)物料衡算式总物料（若元素）：m入=m出+m积累(3-1)（注意单位：kg，若用kmol则无化学反应时适用）组分：mi入mi生成或消耗=mi出+mi积累(3-2),返回,*,单元3化工过程物料衡算,4,任务1 理解物料衡算基础知识,四、物料衡算计算基准及其选择(1)稳定流动过程单位时间，如：1小时、1分钟、1秒钟单位数量或某一整量的原料或产品，如：A)气体原料，有100mol或kmol或100Nm3等，理由是气体物料通常用mol%组成或体积%；B)液体原料，有100kg，

4、理由是液体物料通常用质量%。(2)间歇过程 不采用单位时间为计算基准。,*,单元3化工过程物料衡算,5,计算基准选择举例,例3-1戊烷充分燃烧,空气用量为理论量的120%,反应式为:C5H12+8O25CO2+6 H2O,问每100mol燃烧产物需要多少mol空气？解：由题意画出示意流程图,方法一：基准1mol C5H12则：理论O2量：n理论氧=8n戊烷=8mol实际O2量:n实际氧=1.20n理论氧=9.60mol实际air用量:n实际空气=9.60/0.21=45.71molN2量：n实际氮=45.710.79=36.11mol计算结果列表如下：,每100mol燃烧产物（烟气）所需空气量

5、为：45.7148.71100=93.84mol或由N2平衡方程得：10073.13%79%=93.84mol,(实际计算过程建议用Excel处理),*,单元3化工过程物料衡算,6,计算基准选择举例,戊烷充分燃烧，空气用量为理论量的120%，反应式为：C5H12+8O25CO2+6H2O,问每100mol燃烧产物需要多少mol空气？解：由题意画出示意流程图,方法二：基准1mol空气则其中O2量：n实际氧=0.21mol反应的O2量：n反应氧=0.21/1.20=0.175mol燃烧的C3H8量：n丙烷=0.175/8=0.0219mol计算结果列表如下：,每100mol燃烧产物（烟气）所需空气

6、量为：100/1.0656=93.84mol或由N2平衡方程得：10074.13%79%=93.84mol,(实际计算过程建议用Excel处理),*,单元3化工过程物料衡算,7,C平衡：5B=P（1）H2平衡：6B=Q（2）O2平衡：0.21A=M+P+Q/2（3）N2平衡：0.79A=N（4）总物料：M+N+P+Q=100（5）过剩O2：(0.21AM)1.20=0.21A 0.035A=M（6）以上6个线性方程采用Excel的MDETERM、MINVERSE、MMULT三个函数或规划求解法求解上述线性方程,方法三：基准100mol 烟气,设:N烟气中N2量，mol；M烟气中O2量，mol；

7、P烟气中CO2量，mol；Q烟气中H2O量，mol；A入口空气量，mol；B入口C5H12量，mol。以上6个未知数，需要6个独立方程。,*,单元3化工过程物料衡算,8,方法三：基准100mol 烟气,结论：(1)手算以限制反应为基准能简化计算；(2)计算机计算则以已知条件最多的物料为计算基准较为适宜。,返回,*,单元3化工过程物料衡算,9,任务1 理解物料衡算基础知识,五、物料衡算的一般步骤(1)搜集原始数据；(2)由题意画出过程物料流程简图，明确已知量、待求量；(3)明确衡算体系;(4)选择计算基准；(5)写出有关化学反应方程式；(6)列出物料衡算式，选择合适的数学方法;(7)校核计算结果

8、，整理数据，如列成表格或画出物料流程图。,返回,*,单元3化工过程物料衡算,10,任务1 理解物料衡算基础知识,返回,五、物料衡算的一般步骤 物料流程图,*,单元3化工过程物料衡算,11,任务2 物理过程的物料衡算,知识目标：掌握典型物理过程的物料衡算方法。能力目标：能针对化工生产过程中的常见物理过程，列出物料平衡式并解出正确答案。主要方法,通常有三类衡算式,即:(1)总物料平衡式;(2)组分平衡式;(3)归一方程。一、混合过程物料衡算 例3-2 一种废酸，组成为33%（质量%）HNO3、47%H2SO4和20%H2O，加入98.5%的浓H2SO4和90%的浓HNO3，要求混合成含27%HNO

9、3及60%H2SO4的混合酸，计算所需废酸及加入浓酸的数量。分析：此题已知相对量，绝对量可任意假定。解：设x为废酸量,kg;y为浓H2SO4量,kg;z为浓HNO3量,kg。计算基准:100kg混合酸,由题意画出过程示意图(见例3-2附图),*,单元3化工过程物料衡算,12,任务2 物理过程的物料衡算一、混合过程物料衡算 例3-2,总物料平衡：x+y+z=100(1)H2SO4平衡：0.57x+0.93y=1000.60(2)HNO3平衡：0.23x+0.90z=1000.27(3)解上式方程组得：x=41.69kg、y=38.96kg、z=19.35kg,返回,*,单元3化工过程物料衡算,1

10、3,任务2 物理过程的物料衡算,二、蒸发与结晶过程物料衡算 补例1 用空气、纯氧和水通入蒸发室制备富氧湿空气。水在蒸发室内全部汽化,其流量为0.0012m3/h,使湿空气中含水为1.5%(mol%),纯氧摩尔流量为空气流量的1/5,计算所有的未知量及组成。解:设Q空气流量,kmol/h;0.2Q纯氧流量,kmol/h;F富氧湿空气流量,kmol/h;x富氧湿空气中含氧量,mol分率计算基准:1小时,画出物料流程简图如下:,*,单元3化工过程物料衡算,14,任务2 物理过程的物料衡算,二、蒸发与结晶过程物料衡算补例1将水的体积流量换算为mol流量:W=0.00121000/18=0.06666k

11、mol/h,H2O衡算式 W=F0.015=0.06666(1)总物料衡算式 0.2Q+Q+W=F(2)N2衡算式 0.79Q=F(10.015x)(3)解上述方程组得:F=4.444 kmol/h Q=3.648 kmol/h x=0.377,*,单元3化工过程物料衡算,15,任务2 物理过程的物料衡算,二、蒸发与结晶过程物料衡算(1)溶解度的定义(C)在一定温度下,某物质(此处仅指固体物质)在100g溶剂中达到饱和时所溶解的克数。对于固体物质的溶解度,通常仅是温度的函数,即:C=f(T)(2)溶解度的计算公式,(3)计算举例,补例2 配制100吨90饱和食盐水，需水、NaCl各为多少？已知

12、90时NaCl的溶解度为38.5g。解：38.5/(38.5+100)=x/100 x=27.8吨NaCl、水:10027.8=72.2吨,*,单元3化工过程物料衡算,16,二、蒸发与结晶过程物料衡算补例3溶解度数据(g/100gH2O(l)：,解：基准1000kg60饱和NaHCO3(aq)由t1=60查得：C1=16.4 g/100gH2O(l)x1=C1/(100+C1)=16.4/116.4=0.1409总物料平衡：m1=m2+m3（1）NaHCO3(s)平衡：m1 x1=m2+m3 x3（2）代入数据得：1000=50+m3（3）10000.1409=50+m3 x3（4）解之得：m

13、3=950kg、x3=0.09568,C3=100 x3/(1x3)=1000.09568/(10.09568)=10.58 g/100gH2O(l)由溶解度数据线性内插得：t3=20+10/(11.19.60)(10.589.60)=26.53,内插法讲解:,返回,*,单元3化工过程物料衡算,17,任务2 物理过程的物料衡算,三、吸收过程物料衡算例3-4 含20%(质量%)丙酮与80%空气的混合气进吸收塔，塔顶喷水吸收丙酮。吸收塔出口气体含丙酮3%，塔底得到50千克含10%丙酮的水溶液，计算进吸收塔气体的量。解:由题意画物料流程示意图,以50kg10%丙酮水溶液为计算基准,列衡算式：丙酮衡算

14、式 0.20 x=0.03y+5(1)空气衡算式 0.80 x=0.97y(2)解(1)、(2)得 x=28.52kg，y=23.52kg 进料气中丙酮:0.20 x=0.2028.52=5.70 kg出料气中丙酮:5.7-5=0.7kg或0.03y=0.0323.52=0.70kg,返回,*,单元3化工过程物料衡算,18,任务2 物理过程的物料衡算,四、精馏过程物料衡算例3-5 有一个蒸馏塔，输入和输出物料量及组成如下图。输入物料1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。,解:基准为1小时令:x馏出物中A的百分含量 y馏出物中B的百分含量。将各物料的流

15、量及组成列于下表,*,单元3化工过程物料衡算,19,任务2 物理过程的物料衡算,四、精馏过程物料衡算 例3-6 由表可看出,共有5个未知量,即P、W及流股2的组成A、B、C,由于组成A+B+C1,所以只需求得任意两个组成,如A、B(或B、C或C、A),第三个组成就可求出。因此实际上是4个未知量,需要4个方程。但是输入和输出物料个共有3个组分,因而只能写出3个独立物料衡算式。第四个方程必须从另外给定的条件列出。根据题意,已知输入物料中A组分的98.7%自塔顶蒸出,即流股2中A组分量为:Px10020%98.7%19.74 kg(1)总物料衡算式有P和W两个未知量。A、B、C三组分的衡算式中，A组

16、分的衡算式只含有一个未知量W,所以先列A组分的衡算式。A组分衡算式 10020%W0.5%+19.74(2)总物料衡算式 100P+W(3)B组分衡算式 10030%5.5%W+Py(4)由(2)式得 W=52kg代入(3)式得 P=1005248 kg代入(4)式得 y=56.54%由(1)式得 x19.74/P19.74/48=41.13%C组成为 1xy141.13%56.54%2.33%由C组分衡算式得 10050%=5294%+48(1xy)1xy2.33%结果符合。,返回,*,单元3化工过程物料衡算,20,任务2 物理过程的物料衡算,课堂小练习 一蒸发器连续操作，处理量为25吨/时

17、溶液，原液含10%NaCl、10%NaOH及80%（质量%）H2O。经蒸发后，溶液中水分蒸出，并有NaCl结晶析出，离蒸发器溶液浓度为12%NaCl、40%NaOH及48%H2O。计算：（1）每小时蒸出的水量（kg/h）；（2）每小时析出的NaCl量；（3）每小时离蒸发器的浓溶液的量。,返回,*,单元3化工过程物料衡算,21,任务3 化学反应过程的物料衡算,知识目标：掌握反应物配比、转化率、选择性、收率的概念，掌握单一化学反应过程物料衡算的方法，了解复杂化工过程物料衡算的一般步骤、方法。能力目标：能对单一化学反应过程进行物料衡算，能对典型循环过程进行物料衡算。一、反应物的配比(1)限制反应物:

18、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。(2)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的理论量，该反应物称为过量反应物，即用量超过理论量的反应物。注意：限制反应物只有一种，而过量反应物则可能有若干种。如:2CH3-CH=CH2+2NH3+3O2=2CH2=CH-CN+6H2O(3)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其所需理论量的百分数称为过量百分数。,(3-5),返回,*,单元3化工过程物料衡算,22,任务3 化学反应过程的物料衡算,二、转化率、选择性、收率（一）转化率（x）某一反应物反应掉的量占

19、其输入量的百分数。根据选择的对象的不同以及计算内容的不同，转化率又可分为三种：单程转化率；总转化率；平衡转化率。(1)单程转化率（x单）以反应器为对象（体系），某一物料一次性通过反应器反应掉的量与其反应器输入量之比值。注意：一个化学反应往往有若干个反应物参与反应，由于实际反应系统中通常不按化学计量比配料，因此不同的反应物为计算对象可得到不同的转化率，故需指明具体的反应物的转化率。若没有指明时，则往往是指限制反应物的转化率。,*,单元3化工过程物料衡算,23,任务3 化学反应过程的物料衡算,二、转化率、选择性、收率（一）转化率（x）(1)单程转化率（x单）,假定反应物A为限制反应物，则：,*,单

20、元3化工过程物料衡算,24,（一）转化率(2)总转化率（x总）以整个反应系统为对象计算的某一反应物的转化率称为总转化率,即:某一物料一次性通过反应器反应掉的量与其反应系统输入的该物质的新鲜量之比值。,(3)平衡转化率（x*）:以反应器为对象（体系），当反应达平衡时某一物料在反应器中反应掉的量与其反应前的量之比值。,(4)三种转化率之间的关系 x单x*、x单x总、x*与x总无法相比。,返回,*,单元3化工过程物料衡算,25,任务3 化学反应过程的物料衡算,一、转化率、选择性、收率（二）选择性（S）生成目的产物所耗某反应物的量与该反应物反应掉的量的比值，或生成目的产物的量与反应掉的原料所能生成的目

21、的产物的理论量的比值，即:,当反应系统属催化反应系统时，用选择性的概念较好，此值的大小反映了催化剂的性能的好坏。选择性也有的教材称之为产率。,返回,*,单元3化工过程物料衡算,26,任务3 化学反应过程的物料衡算,一、转化率、选择性、收率（三）收率（Y）(1)摩尔收率（简称收率）单程收率（Y单）以反应器为体系，生成目的产物所耗的某原料量与进入反应器的该原料量之比值。或生成目的产物的量与进入反应器的原料全部转化为目的产物的量之比值。,*,单元3化工过程物料衡算,27,任务3 化学反应过程的物料衡算,一、转化率、选择性、收率（三）收率（Y）(1)摩尔收率（简称收率）总收率（Y总）以整个反应系统为体

22、系,生成目的产物所耗的某原料量与进入反应系统的该原料量(新鲜原料)之比值。或生成目的产物的量与进入反应系统的原料全部转化为目的产物的量之比值。,*,单元3化工过程物料衡算,28,任务3 化学反应过程的物料衡算,一、转化率、选择性、收率（三）收率（Y）(2)质量收率 当反应器内发生的反应比较复杂,难于写出具体的化学反应方程时,比如重油加氢生产轻油时。此时采用获得的产品的质量与进入反应器或反应系统的某一物料的质量之比来表示收率。,单程质量收率（Y单质）以反应器为体系,生成的目的产物的质量与输入反应器的某一物料的质量之比称为单程质量收率,即:,*,单元3化工过程物料衡算,29,任务3 化学反应过程的

23、物料衡算,一、转化率、选择性、收率（三）收率（Y）(2)质量收率总质量收率（Y总质）以反应系统为体系,生成的目的产物的质量与输入反应系统的某一物料的质量之比称为单程质量收率,即:,注意:当此类反应是分子量增大的反应时,单程质量收率和总质量收率有可能大于1。如:原料分子量134产品分子量218.12,返回,*,单元3化工过程物料衡算,30,任务3 化学反应过程的物料衡算,一、转化率、选择性、收率（四）转化率、选择性、收率三者之间的关系,Y单=xA单S,*,单元3化工过程物料衡算,31,任务3 化学反应过程的物料衡算,一、转化率、选择性、收率（四）转化率、选择性、收率三者之间的关系,Y总=xA总S

24、,*,单元3化工过程物料衡算,32,任务3 化学反应过程的物料衡算,三率计算:补例 用邻二甲苯气相催化氧化制苯酐。邻二甲苯投料量210kg/h,air量4620Nm3/h。反应器出口物料组成(mol%)为:苯酐0.654%,顺酐0.066%,邻二甲苯0.030%,O216.53%,N277.75%,其它还有H2O、CO2、CO等。试计算邻二甲苯转化率及苯酐和顺酐的收率及选择性。,解：由题意画出过程示意图计算基准：1小时;反应式：C6H4(CH3)2+3O2C8H4O3+3H2O（1）2C6H4(CH3)2+9O24C4H2O3+6H2O（2）,n氧气=4620/22.40.21=43.31km

25、ol/h210kg/h邻二甲苯所需理论氧气量：4.5210/106=8.915kmol/h43.31kmol/h所以空气为过量反应物，邻二甲苯为限制反应物。输入反应器的N2量：n氮气=4620/22.40.79=162.94kmol/h由氮平衡得产物总量PT：PT=162.94/0.7775=209.57 kmol/h产物中各物质量为：邻二甲苯：209.570.0003=0.6287kmol/h=6.664kg/h苯酐：209.570.00654=1.3706kmol/h=202.84kg/h顺酐：209.570.00066=0.1383kmol/h=13.55kg/h邻二甲苯单程转化率：(2

26、106.664)/210=96.83%,*,单元3化工过程物料衡算,33,任务3 化学反应过程的物料衡算,三率计算:补例,苯酐选择性:(邻二甲苯与苯酐的摩尔比为11),顺酐选择性：(邻二甲苯与顺酐的摩尔比为12),苯酐单程收率：Y苯酐单=x单S苯酐=96.83%0.7145=69.19%顺酐单程收率：Y顺酐单=x单S顺酐=96.83%0.03605=3.49%,*,单元3化工过程物料衡算,34,任务3 化学反应过程的物料衡算,三率计算:例3-6如:乙烯氧化制环氧乙烷的反应CH2=CH2+1/2O2=CH2-CH2O(主反应)CH2=CH2+3O22CO2+2H2O(副反应)已知:nA2=100

27、kg,nA3=20kg,nA1=81.63kg mD=100kg,xA单=(nA2nA3)/nA2=(100-20)/100=80%xA总=(nA2nA3)/nA1=(100-20)/81.63=98.0%mD=100kgnD=100/44=2.273kmol nDA反=2.27328=63.64kgS=63.64/80=79.55%Y单=nDA反/nA2=63.64/100=63.64%或mid=(nA2/28)44=157.14kg Y单=mD/mid=100/157.14=63.64%或Y单=xA单S=80%79.55%=63.64%Y总=nDA反/nA1=63.64/81.63=77.

28、96%或mid=(nA1/28)44=(81.63/28)44=128.28kgY总=mD/mid=100/128.28=77.96%或Y总=xA总S=98%79.55%=77.96%Y单质=mD/nA2=100/100=100%Y总质=mD/nA1=100/81.63=122.5%,返回,*,单元3化工过程物料衡算,35,任务3 化学反应过程的物料衡算,三、简单反应系统的物料衡算（一）直接求解法(1)条件 写出明确的化学反应方程式;已知三率等。(2)衡算式 根据化学反应方程式的化学计量系数之间的关系;三率、过量百分数等表达式。(3)计算基准 通常采用某种原料（往往是限制反应物）为基准。(4)

29、计算举例,例3-3-2 1000kg对硝基氯苯ClC6H4NO2用含20%游离SO3的发烟硫酸磺化，规定反应终点时，废酸中含游离SO37%（假定反应转化率为100%）。反应式如下：ClC6H4NO2+SO3ClC6H3(SO3H)NO2试计算：（1）20%SO3的发烟硫酸用量；（2）废酸生成量；（3）对硝基氯苯磺酸生成量。解：以1kmol对硝基氯苯为计算基准，所需20%游离SO3量为xkg,*,单元3化工过程物料衡算,36,任务3 化学反应过程的物料衡算,一、简单反应系统的物料衡算 5（一）直接求解法(4)计算举例,例3-7,输入量:对硝基氯苯1kmol=157.5kg;发烟硫酸 其中SO3

30、0.2xkg、H2SO40.8xkg输出量:对硝基氯苯磺酸 1kmol=237.5kg废酸 其中SO3 0.2x80 kg、H2SO40.8xkg已知废酸中含SO37%,解得：x=572.3kg将以上计算结果折合成以1000kg对硝基氯苯为计算基准,乘上比例系数1000/157.5=6.3492,则：（1）20%SO3的发烟硫酸用量：572.36.3492=3633.7kg（2）废酸生成量：(572.380)6.3492=3125.7kg（3）对硝基氯苯磺酸生成量：237.56.3492=1507.9kg验算:输入量 1000+3633.7=4633.7kg、输出量 3125.7+1507.9

31、=4633.6kg 符合,返回,*,单元3化工过程物料衡算,37,任务3 化学反应过程的物料衡算,三、简单反应系统的物料衡算（二）元素衡算法(1)适用场合 反应体系复杂，难于正确写出或根本无法写出体系中具体的化学反应方程式及各反应所占的比例等。(2)衡算式 各元素平衡(3)计算举例 例3-3-3甲烷、乙烷与水蒸汽用镍催化剂进行转化反应生成合成气，反应器出口气体组成（干基）为：,假定原料中只含CH4和C2H6两种成份，则求这两种气体的摩尔比为多少？每1000Nm3原料气需要多少kg水蒸汽参加反应？,*,单元3化工过程物料衡算,38,三、简单反应系统的物料衡算,（二）元素衡算法(3)例3-8解:计

32、算基准100kmol干燥产物气体,由题意画出过程示意图,列元素衡算式O原子 S=18.6+24.6=27.8kmol（1）C原子 M+2E=4.6+22.5+18.6+4.6=32.8kmol（2）H原子 4M+6E+2S=44.6+62.5+269.7=172.8kmol（3）解上述方程组得：S=27.8kmol/100kmol干燥产物气体M=18.8kmol/100kmol干燥产物气体E=7.0kmol/100kmol干燥产物气体因此原料中CH4/C2H6 mol比为：M/E=18.8/7.0=2.691000Nm3原料气所需参与反应的水蒸汽量为：,返回,*,单元3化工过程物料衡算,39,

33、任务3 化学反应过程的物料衡算,三、简单反应系统的物料衡算（三）利用联系组分作衡算 联系组分即不参与反应的惰性组分。当系统中同时存在几个联系组分时，应选择数量级较大的联系组分作衡算式，以免造成较大的误差。例3-9已知一段转化炉出口气量为90000Nm3/h，组成为：,求:(1)二段出口气量?(2)二段炉中加入的空气量?(空气组成:O2=21%,N2=78%,Ar=1%);(3)在二段炉中是水蒸汽分解为氢，还是氢被氧化为水?求分解的水或氧化的氢量为多少?,*,单元3化工过程物料衡算,40,任务3 化学反应过程的物料衡算,三、简单反应系统的物料衡算（三）利用联系组分作衡算 例3-9解:取1小时为计

34、算基准（1）由C平衡可得:90000(0.0550+0.1400+0.900)=V2(0.0850+0.1130+0.0020)V2=128250Nm3/h（2）由N平衡得:900000.0005+Vair0.78=1282500.2130 Vair=34445.2Nm3/h（若采用Ar平衡,则:0.01Vair=0.0027V2 Vair=34627.5Nm3/h,相差182.3Nm3/h）（3）干气中的H平衡:一段转化气中含H:(VH2)1=90000(0.7100+20.0900)=80100 Nm3/h二段转化气中含H:(VH2)2=128250(0.5843+20.0020)=754

35、49.5 Nm3/h则:(VH2)2(VH2)1，说明有H2被氧化为H2O被氧化的H2为:(VH2)1(VH2)2=8010075449.5=4650.5 Nm3/h,返回,*,单元3化工过程物料衡算,41,任务3 化学反应过程的物料衡算,三、简单反应系统的物料衡算（四）利用化学平衡进行衡算(1)适用条件 正确写出化学反应方程式;已知化学反应的平衡常数。此类计算,往往出现非线性方程或方程组,需借助计算机编程计算。(2)计算举例,例3-10在接触法硫酸生产中,SO2被氧化为SO3。反应式为:SO2+1/2O2SO3,氧化过程的温度为570,压力为1.1atm。输入气体的组成(mol%)为:SO2

36、8%、O29%、N283%。计算达到平衡时的转化率及平衡组成(已知570的平衡常数Kp为14.9)解:基准为1mol输入气体,设SO2平衡转化率为x,则反应前后各组分的量如下表:,*,单元3化工过程物料衡算,42,任务3 化学反应过程的物料衡算,三、简单反应系统的物料衡算（四）利用化学平衡进行衡算,因反应系统处于常压下，故系统内的各气体可视为理想气体。由平衡常数表达式得：,将各分压代入(1)式得:,*,单元3化工过程物料衡算,43,任务3 化学反应过程的物料衡算,三、简单反应系统的物料衡算（四）利用化学平衡进行衡算例3-10,将Kp=14.9、p=1.1atm代入(2)式整理得：10.7052

37、84x344.6675 x2+59.0991 x24.1769=0采用Newton迭代法解得：x=0.793;故计算结果为：,返回,*,单元3化工过程物料衡算,44,任务3 化学反应过程的物料衡算,四、复杂反应系统的物料衡算,图3-3-3中R/W（或R/F、R/MF）称为循环比。其包括了5个衡算体系，每个衡算体系各物料之间的关系为：总物料衡算F=P+W反应器物料衡算MF=RP(只能适用于kg为单位)分离器物料衡算RP=S+P结点A（混合器）物料衡算F+R=MF结点B（分流器）物料衡算S=W+R 通常对有循环过程的物料衡算，若已知总转化率，可先做总物料衡算；若已知单程转化率，则可先从反应器衡算做

38、起。,*,单元3化工过程物料衡算,45,任务3 化学反应过程的物料衡算,四、复杂反应过程的物料衡算,例3-11 乙烯氧化制环氧乙烷，其生产流程如图3-10所示。已知新鲜原料中乙烯空气=110，乙烯单程转化率为55%，吸收塔出口气体总量的65%循环返回反应器。计算：总转化率、各流股物料量及排放物料W组成。如果W的分析数据为:N281.5%、O216.5%、C2H42.0%,循环比(R/W)为3.0,计算新鲜原料中乙烯与空气的比例和单程转化率。假设此反应系统中只发生乙烯氧化生成环氧乙烷的单一主反应。,*,单元3化工过程物料衡算,46,任务3 化学反应过程的物料衡算四、复杂反应过程的物料衡算 例3-

39、11,新鲜原料C2H4:air=1:10,x单55%,吸收塔出口气65%循环返回。计算:总转化率、各流股物料量及排放物料W组成。,解：反应式 C2H4+1/2O2C2H4O 以10mol新鲜原料中的C2H4为计算基准，则加入空气量为100mol，其中O2为21mol、N2为79mol。设MF中C2H4为xmol，O2为ymol。以结点A为衡算对象，由单程转化率和循环比得：10+x(10.55)65%=x x=14.134mol 反应生成的环氧乙烷的量:55%x=0.5514.134=7.774mol 应器出口物料RP中C2H4剩余量：14.1347.774=6.360mol 总转化率为：7.7

40、74/10=77.74%反应掉的O2为：0.57.774=3.887mol,*,单元3化工过程物料衡算,47,四、复杂反应过程的物料衡算 例3-11,以结点A为衡算对象对O2衡算得：21+0.65(y3.887)=y y=52.781mol对N2作平衡，以整个系统为衡算对象，则：W中的N2为79mol对N2作平衡，以结点B为衡算对象，则：S中的N2为79/0.35=225.71mol各流股中组分含量列表如下：,*,单元3化工过程物料衡算,48,四、复杂反应过程的物料衡算 例3-11,W成份为:N281.5%、O216.5%、C2H42.0%,循环比(R/W)为3.0,计算新鲜原料中C2H4与a

41、ir的比例和单程转化率。,以100mol排放气（W）为计算基准 以整个系统为体系，由N2平衡得：nair=81.5/0.79=103.16mol F中O2为：0.21nair=0.21103.16=21.66molR、W、S、RP（不包括环氧乙烷）的组成相同，且R/W=3nR=3W=300mol、nS=4W=400mol、nRP=4W=400mol（不包括环氧乙烷）RP中的O2为：4000.1650=66mol对A点进行O2衡算，则MF中O2为F中O2与R中的O2之和，即：21.66+3000.1650=71.16mol对反应器进行O2衡算，则反应掉的O2为：71.1666=5.16mol反应消耗的C2H4量：25.16=10.32 mol,*,单元3化工过程物料衡算,49,四、复杂反应过程的物料衡算 例3-11,对反应器进行C2H4衡算：MF中C2H4量=RP中的C2H4量+反应器中消耗的C2H4量 MF中C2H4量：4000.02+10.32=18.32mol对A点进行C2H4衡算(新鲜C2H4)：18.323000.02=12.32 mol物料衡算结果如下：,返回,