1、化学工艺学,4.6 化工工艺学的物料与热量衡算,4.6.1 化工过程的主要效率指标,1.生产能力：一个设备、一套装置或一个工厂在单位时间内生产的产品量或处理的原料量。 2.生产强度：设备的单位体积或单位面积的生产能力。用于比较不同设备。 3.转化率：X某一反应物的转化量/该反应物的起始量 平衡转化率：对于可逆反应，存在最大转化率。 循环反应： 单程转化率（XA）组合A在反应器中的转化量/反应器进口物料中组合A的量 全程转化率（XA，tot）组合A在反应器中的转化量/新鲜原料中组合A的量,4.选择性：S转化为目的产物的某反应物的量/该反应物的转化总量产物的生成量/反应物计量应得理论产物量 5.收
2、率：Y转化为目的产物的某反应物的量/该反应物的起始量 单程收率和全程收率，平衡收率 YSX 例题：(P42)合成氨反应0.5N21.5H2NH3，已知原料气中只有N2、H2，H2/N2的摩尔比为3/1，计算700K和30.4MPa时反应体系的平衡组成、平衡转化率和平衡产率。700K时，Kf0.009048，700K和30.4MPa时各组分的逸度系数为：（H2）1.10，（N2）1.15，（NH3）0.9。,解：由KfKKp K（NH3）/（H2）1.5（N2）0.50.9/1.151.51.10.5=0.72 Kp=Kf/K=0.009048/0.72=0.01257以1molN2为计算基准，
3、设达平衡时生成a mol的NH3，则平衡时有： 0.5N21.5H2NH3 1 3 0 起始 1-0.5a 3-1.5a a 平衡 总mol数为：（4-a）mol Kp=y（NH3）/y（H2）1.5y（N2）0.5（p/p0）1-0.5-1.5 y（NH3）=a/(4a) y（H2）（1-0.5a）/(4-a) y（N2）=（31.5a）、（4a） 解得：a1.182mol y（NH3）=41.95，y（H2）14.51，y（N2）=43.54,平衡转化率 X（H2）0.5a/159.1 X（N2）=1.5a/3=59.1 Y（NH3）= X（H2）=59.1,4.6.2 反应过程的热量衡算
4、和物料衡算,化工工艺计算包括物料衡算、热量衡算和反应器计算。 物料衡算是热量衡算及其它工艺、设备设计的基础。 化学反应过程的物料衡算和热量衡算：除了物理变化时的计算外，还包括物料成分的改变和反应热效应的计算。这些计算不仅为设计流程和反应器提供基础数据，并能对改善工艺指标提出方向和要求。,4.6.3 复杂过程的物料衡算，可采用如下计算步骤,画出简单的工艺流程图； 画出物料平衡线路图，进入设备的物料以直线来描绘，所有的物料相聚于一点，从设备出来的产品及损失集中于另一点，然后由此点以直线散开； 写出化学反应方程式，包括主、副反应； 说明计算任务，如年产多少吨、年工作日、产品纯度、产率等 选定计算基准
5、； 选择操作工艺参数和计算所必需的数据； 由已知数据进行物料衡算； 将计算结果列表。,例1：邻二甲苯氧化制苯酐，反应式为已知邻二甲苯的转化率为70，氧的用量为理论用量的150，以空气为氧源，每小时投料量为250kg邻二甲苯，试进行物料衡算。 解：以每小时为计算基准 进料邻二甲苯流量2501062.358(kmol/h)氧流量2.3857031507.43(kmol/h)237(kg/h)氮流量7.430.79/0.2127.95(kmol/h)782.63(kg/h),出料苯酐流量2.35870148244.29(kgh)水流量2.3587018389.13(kg/h)氧流量(7.432.35
6、8703) 3279.36(kg/h)氮流量782.63(kg/h) 未反应的邻二甲苯流量250(170)75(kg/h),例2 试作生产任务为年产1200吨苯乙烯装置的物料衡算。已知全年时数为8760h，实际生产时间为7200h，原料乙苯纯度为98，其中甲苯含量2%(质量)，苯乙烯选择性为90，苯选择性为3，甲苯选择性为5，焦炭选择性为2，苯乙烯收率为40，乙苯：水蒸气1：13(质量，以乙苯计)。 解：(1)写出反应方程式。,(2)画出物料平衡线路图，如图,(3)确定计算基准。因是连续生产、以每小时生产的苯乙烯为基准(kmol/h)。每小时生产的苯乙烯为: (12001000)/(72001
7、04)=1.60(kmol/h) 参加反应的乙苯1.600.91.78(kmol/h) 188.68(kg/h) 需加入乙苯1.6/0.4=4.00(kmol/h)= 424.0(kg/h),未参加反应的乙苯 4.00一1.782.22(kmol/h)235.32(kg/h) 需加入的水蒸气 424.001.3551.2(kg/h)30.62(kmol/h) 需加入98的乙苯 4.000.984.08(kmol/h)432.65(kgh) 原料乙苯中含甲苯 432.65424.008.65(kgh)0.094(kmol/h) 在参加反应的1.78(kmol/h)乙苯中，转化为苯乙烯:1.780
8、.91.60(kmol/h) 转化为甲苯 1.780.050.089(kmol/h) 转化为苯 1.780.030.053(kmol/h) 转化为焦炭 1.780.020.036(kmol/h) 即反应生成的苯乙烯 1.601041664(kg/h) 反应生成的甲苯 0.089928.19(kg/h) 反应生成的苯 0.053784.13(kg/h) 反应生成的焦炭 0.036(712)3. 02(kg/h) 反应生成的乙烯 0.053281.48(kg/h) 反应生成的甲烷 (0.036十0.089)162.0(kg/h) 反应生成的氢气 (1.6十3 0.0360.089)24.86(kg
9、/h),原料中甲苯和反应生成的甲苯总量0.094十0.0890.183(kmol/h)16.84(kg/h),例3 某氧化过程排出的尾气体积组成为O2 10、N2 85，CO25，计算空气用量、氧耗量和过剩空气系数 解：以N 2为联系物，计算基准选100mol。尾气中N2量 1000.8585(mol)空气耗量 85/0.79l07.6(mol)进料空气中含氧量 107.60.2122.6(mol)氧耗量 22.61012.6(mol)空气过剩系数22.6/12.6179,例4 某工厂用烃类气体制合成气生产甲醉，合成气为2321m3(标准)/h，COH212.4 (摩尔)。但转化后的气体体积分
10、数为CO43.12，H2 54.2，不符合要求。为此需将部分转化气送往CO变换反应器，变换后气体体积分数为CO 8.76，H2 89.75%，气体体积减小2。用此变换气去调节转化气，以便达到COH212.4的要求，求转化气、变换气各为多少?,解：按题意绘出流程简图。V2从A点分流，V3在B点合并，合并时无化学反应和体积变化。令yi为i组分的摩尔分数，则,4.6.4 具有循环过程的物料衡算,在有机化工生产中，有些反应过程由于受热力学因素限制，转化率很低。为了提高原料的利用率，必须将未反应的原料分离后循环使用，以提高总转化率，从而提高技术经济指标。,在稳定状态下，循环物料RC始终以不变的组成和数量
11、在反应系统中循环。根据质量守恒定律，各物料流的关系为，其中SP、RC和W的组成相同。,一般循环比是指循环物料与新鲜原料的用量比，即RCFF，但也有其它的表示方法，例如RCMF、RCW、RCP等。,例5 乙烯直接水合制乙醇，己知原料乙烯的组成为乙烯96(体积)，惰性物4(体积)。进入反应器的混合气(循环气、原料乙烯和水蒸气的混合物)组成(体积，干基)为C2H4 85，H2 1.02，惰性物13. 98。乙烯与水蒸气的摩尔比为1：0.6，乙烯的单程转化率为5(摩尔)，其中,自反应器出来的反应气经冷凝和洗涤，得到产物粗乙醇溶液，洗涤塔出口气休部分排出系统，其余循环。在冷凝洗涤过程中，反应气中的乙烯溶
12、解5，然后在常压分离器中释出，释出乙烯的95作它用，5循环进入循环气中。试作过程的物料衡算，求出循环物流组成、循环量、放空量、乙烯的总转化率和乙醇的总收率，生产一吨乙醇原料乙烯的消耗量？乙醇水溶液蒸馏时乙醇损失2(摩尔)。,解：按题意作出流程简图由于混合气组成和乙烯单程转化率已知，可由此计算原料气用量。现以进入反应器的混合气100mol为计算基准(干基)。混合气中乙烯转化的摩尔量为：8554.25(mo1) 其中转化为乙醇 4.25954.04(mo1) 转化为乙醚 4.2520.085(mo1) 转化为聚合物 4.2520.085(mo1) 转化为乙醛 4.2510.043(mo1) 反应气
13、经冷凝洗涤后，余下乙烯量为85(15)(15)76.71(mo1) 惰性物： 13.98(mo1) 氢：0.043十1.021.063(mo1),洗涤塔出口气体量：76.7l十13.98十1.06391.75(mo1) 其摩尔分数为C2H4 83.6，H2 1.16，惰性物15.24 设W为冷凝洗涤塔出口气体排出系统的量。自常压分离器释出的溶解乙烯量已知为4.04mol，其中的5回收入循环气中。循环气中各组分的量分别为 乙烯：76.714.045W83.6 氢：1.063W1.16 惰性物：13.68W15.24 设新鲜原料气加入量为FF，如进入反应器的混合气仍为100mol，则 76.714
14、.015W83.6FF9685 (1) 13.68W15.24FF413.98 (2) 联解方程(1)和(2)得 W2.87mol FF10.93mol 循环量：RC76.71十13.98十1.0632.8789.08(mol) 循环比：89.08/10.93=8.15,原料气中乙烯：10.939610.49(mol) 乙烯总转化率：4.25/10.4940.1 乙醇总收率：40.19538.5 每生产一吨乙醇原料乙烯的消耗量： 1000/0.98/46/38.5%/96%=60kmol=1344m3(标准),4.6.5 气相连续反应过程的热量衡算,例：在金属银催化剂存在下，甲醇氧化或脱氢制备
15、甲醛。其主副反应为（P67）,主、副反应有吸热和放热，如果选择恰当的甲醇与空气用量比，使吸热反应和放热反应的比例适当，就可控制反应温度。现假设甲醇与空气的摩尔比为1：1.3，进料温度为600K。当反应产物中除去残余甲醇，并分离出甲醛后尾气组成为(干基),计算产物出口温度。,解：以N2为联系物，按上述三个化学计量反应式进行物料衡算, 进料以甲醇100kmol为计算基准，物料衡算结果如下。,查表计算：,以298K为计算基准，用试差法求出料温度。先假设出料温度为806K，求各Cp（806k）。从衡算式计算从出料温度TO1。,此数值与假设值相差较大，重新假设出料温度为770K，计算770K时的Cp，,所得温度与假设值相符合。故所求产物出口温度为770K。,
