化工计算课件-第五章物料衡算.ppt

第五章 物料衡算 郭宁 guoning@sdili.edu.cn 一、化工计算的分类 设计型计算(事前设计化工厂) 校核型计算(对工厂现有的生产装置进行计算，进而对生产情况进行分析、整改) 1. 化工过程的分类（一） 间歇操作 一次性投料、出料，浓度随时间的变化而变化 半连续操作 一次性投料，连续出料 连续性进料，一次性出料 一组分一次性投料，其他连续进料，一次性出料 连续操作 连续性进料，连续性出料，浓度不随时间的变化而变化，只随空间位置的变化而变化 2. 化工过程的分类（二） 稳态操作 操作条件不随时间的变化而变化，只随位置的变化而变化（正常的连续操作过程） 不稳态操作 操作条件随时间的变化而不断变化 开车、停车、间歇操作，半连续操作 二、物料衡算的基本方程 基本依据 质量守恒定律（不包括核反应） 基本方程 进入的Fi+生成的Dp=流出的Fo+反应的Dr+积累的W 适用范围 所有流程都适用 总物料适用 某一组分适用 具体过程的物料衡算 稳态过程 W=0 无反应过程 Dp=Dr=0 稳态无反应过程 Fi=Fo 稳态有反应过程 Fi+Dp=Fo+Dr 三、基本计算过程 画简图 标参数 定基准和范围（体系） 写化学反应方程式 列衡算式 列图表 四、无反应过程的物料衡算 单个单元的物料衡算 n个组分，可以列n+1个方程但最多只能求解n个未知数 M个单元的物料衡算 n个组分，最多只有m*n个独立方程 选择恰当的衡算体系可以简化计算过程 五、化学反应过程的计算 限制反应物 过量反应物 过量百分数 转化率x 选择性S 收率Y Y=Sx 1. 分类 完全反应(x=100%) Y=S(直接求解) 非完全反应(x≠100%) 反应不彻底(直接求解) 有反应平衡(迭代求解) 2. 循环过程的物料衡算 单程转化率 总转化率 惰性组分的积累及驰放器 输入惰性组分的量=输出惰性组分的量 无反应过程的基本公式 稳态无反应过程 Fi=Fo 例题 有一个蒸馏塔，输入输出物料组成见下图，塔顶A组分的回收率为98.7%，请对此塔作物料衡算。 物料衡算方程 A F*0.2=P*x+W*0.05 B F*0.3=P*y+W*0.055 C F*0.5=P*(1-x-y)+W*0.94 另外的已知条件 P*x=F*0.2*98.7% 完全反应过程的物料衡算 稳态有反应过程 Fi+Dp=Fo+Dr 非完全反应(x≠100%) 反应不彻底(直接求解) 例题 用邻二甲苯氧化法生产邻苯二甲酸酐(苯酐)，输入输出物料组成见下图，计算邻二甲苯的转化率、产品的收率及选择性。 写化学反应方程式 选基准 邻二甲苯 210kg/h 物料衡算 输入氧气量 210kg/h邻二甲苯完全氧化所需的氧气 输入氮气的量 反应产物的总量 产物中 邻二甲苯 209.57×0.0003=0.06287kmol/h=6.664kg/h 苯酐 209.57×0.0654=1.370kmol/h=202.76kg/h 顺酐 209.57×0.00066=0.1383kmol/h=13.55kg/h 收率(mol) 苯酐 顺酐 苯酐的选择性 有反应平衡过程的物料衡算 物料衡算方程为非线性方程（迭代求解） 例题 甲烷与水蒸气用镍催化剂进行转化反应生产氢气。转化过程的主要反应为甲烷转化反应和一氧化碳变换反应，即： CH4+H2O CO+3H2 CO+H2O CO2+H2 已知水蒸汽与甲烷之比为2.5，温度为760℃，压力为5大气压。假定上述反应达到平衡．求产物的平衡组成。 流程图 物料平衡方程 元素衡算 H: 2+2.5=W+2M+z C: 1=M+x+y O: 2.5=W+x+2y 反应平衡方程 各组分的分压 整理得到 循环过程的物料衡算 单程转化率 总转化率 惰性组分的积累及驰放器 输入惰性组分的量=输出惰性组分的量 例题 丙烷在催化反应器中脱氢生成丙烯，其反应式为： C3H8 C3H6+H2 丙烷的总转化率为95％。反应生成物经分离器分成产物P和循环物料R。产物中含有C3H8 、C3H6及H2，其中C3H8的量为未反应C3H8的0.555％。循环物料中含有C3H8和C3H6 ，其中C3H6量是产物中C3H6量的5％。试计算产品组成、循环物料组成和单程转化率。 流程图 物料衡算 过程物料衡算 P1=5 kmol/h P2=95 kmol/h P3=95 kmol/h 产品组成 分离器物料衡算 C3H8： Q1=P1+R1 0.555%Q1=P1=5 kmol/h ∴ Q1=900 kmol/h R1=895 kmol/h C3H6: Q2=P2+