第二章 物料衡算.ppt

1、1n反应器计算依据：反应器计算依据：n物料恒算物料恒算n热量恒算热量恒算n设备计算设备计算“化工三算化工三算”2反应器计算基本方程式反应器计算基本方程式反应器计算中所应用的基本方程式反应器计算中所应用的基本方程式：物料衡算式；物料衡算式；热量衡算式；热量衡算式；反应动力学方程式；反应动力学方程式；动量衡算式动量衡算式（较大压力降并影响反应速度）。3n一、物料衡算的目的一、物料衡算的目的n（1）原材料消耗定额，判断是否达到设计要求。）原材料消耗定额，判断是否达到设计要求。n（2）各设备的输入及输出的物流量，摩尔分率组）各设备的输入及输出的物流量，摩尔分率组成及其他组成表示方法。成及其他组成表示方

2、法。n（3）作为热量计算的依据。）作为热量计算的依据。2.5物料衡算物料衡算4n二、物料衡算的依据二、物料衡算的依据n（1）设计任务书中确定的技术方案、产品生产能力、）设计任务书中确定的技术方案、产品生产能力、年工作时间及操作方法。年工作时间及操作方法。n（2）建设单位或研究单位所提供的要求、设计参数）建设单位或研究单位所提供的要求、设计参数及实验室试验或中试等数据。及实验室试验或中试等数据。n（3）工艺流程示意图。）工艺流程示意图。n例：生产能力为例：生产能力为1000t/a的硝基苯生产中，对苯的硝的硝基苯生产中，对苯的硝化阶段进行物料衡算。化阶段进行物料衡算。P3页例题页例题5n物料平衡的

3、方程物料平衡的方程-质量守恒定律质量守恒定律n基基 准：准：取温度、浓度等参数保持不变的单元体积和取温度、浓度等参数保持不变的单元体积和单元时间作为单元时间作为空间基准空间基准和和时间基准时间基准。衡算式：对任一组分衡算式：对任一组分A在单元时间在单元时间、单元体积、单元体积V内：内：A的进入量的进入量=A的积累量的积累量+A的离开量的离开量+A的反应量的反应量n目的：给出反应物浓度或转化率随反应器内位置或时目的：给出反应物浓度或转化率随反应器内位置或时间变化的函数关系。间变化的函数关系。6三、物料衡算的基本方程式三、物料衡算的基本方程式n微元时间，微元体积内微元时间，微元体积内:(1)物理变

4、化过程衡算：物理变化过程衡算：总质量总质量或或总分子总分子物质的量恒等；物质的量恒等；(2)化学反应过程衡算：化学反应过程衡算：原子原子的总量衡算等的总量衡算等。W入入=W出出 +W消耗消耗 +W累积累积7n四、物料衡算的基准四、物料衡算的基准n（1）时间基准）时间基准n 连续操作连续操作过程，单位时间可取1d、1h、或1s等n（2）批量基准）批量基准n 间歇操作间歇操作过程，按投入一批物料的数量为基准n（3）质量、量、体积等为基准质量、量、体积等为基准8n五、物料衡算步骤：五、物料衡算步骤：n陈述的问题陈述的问题n列出可获得的数据列出可获得的数据n画出衡算方框图画出衡算方框图n对物流流股及各

5、组分编号对物流流股及各组分编号n确定衡算范围确定衡算范围n建立系统各参数的基准建立系统各参数的基准n建立各组分和总物料的衡算方程建立各组分和总物料的衡算方程n解析方程解析方程n校核计算结果校核计算结果n绘制物料流程图，编写物流表绘制物料流程图，编写物流表9n（I）分数约束式）分数约束式n当一般物流的组成用摩尔分数或质量分数表示当一般物流的组成用摩尔分数或质量分数表示时，有下式成立。时，有下式成立。n式中式中xij 第第j组分在第组分在第i股物流中的摩尔分数；股物流中的摩尔分数；n Ns 物流的股数物流的股数n Ne 物流组分数物流组分数),2,1(11sjijNixcN六、常用相关方程：六、常

6、用相关方程：10n（II）设备约束式）设备约束式n常见的设备约束式有：常见的设备约束式有：n 进料比为一常数进料比为一常数n 两股物流具有相同的组成两股物流具有相同的组成n 相平衡常数相平衡常数n 化学平衡常数化学平衡常数n 化学反应过程中的转化率、选择性或其他限度。化学反应过程中的转化率、选择性或其他限度。11常见物理过程的物料衡算常见物理过程的物料衡算n1.混合混合n2.连续蒸馏连续蒸馏n3.增湿增湿n4.气体混合物部分冷凝气体混合物部分冷凝n5.液体混合物部分汽化液体混合物部分汽化n6.闪蒸闪蒸n7.物理吸收物理吸收n8.提浓提浓12 七、七、物料衡算中用到的基本量物料衡算中用到的基本量

7、 1、流体的流量和流速流体的流量和流速n体积流量体积流量Q:单位时间内流经设备的流体体单位时间内流经设备的流体体积。单位积。单位:m3/min;m3/sn质量流量质量流量W:单位时间内流经设备的流体质单位时间内流经设备的流体质量。单位量。单位:Kg/min;kg/s13n流体的线速度流体的线速度:流体每单位时间在流动的方流体每单位时间在流动的方向上所流经的距离。向上所流经的距离。m/s u=Vo/An摩尔流量摩尔流量:单位时间内流经设备的流体的物单位时间内流经设备的流体的物质的量。单位质的量。单位:Kmol/h;kmol/min;kmol/sn质量流量、体积流量、线速度之间的关系质量流量、体积

8、流量、线速度之间的关系:W=Vo=uA 142、摩尔分数和质量分数摩尔分数和质量分数n摩尔分数摩尔分数:混合物中某组分物质的量与混合混合物中某组分物质的量与混合物的物质的量之比。物的物质的量之比。xi=ni/nt ni i组分的物质的量，组分的物质的量，mol；nt 混合物的物质的量，混合物的物质的量，mol。15n对于流动物系；xi=Fi/Ft，Fi i组分的摩尔流量；Ft 混合物总物汁的量。n质量分数：混合物中，某组分的质量与混合物质量之比。i16质量分数与摩尔分数的相互转换:摩尔分数摩尔分数 xi=(i/Mi)(i/Mi+j/Mj)质量分数质量分数 i=(xiMi)(xiMi+xjMj)

9、3、混合物的平均分子量、混合物的平均分子量:M=(Mixi)Mii组分相对分子质量174、单组分液体的密度单组分液体的密度 在一般压力下，液体的密度随压力的变化不大，但随温度的变化较显著。常温常压的密度易得 1=0+T+T2+T3式中1 液体的密度；、常数 185、多组分液体混合物的密度、多组分液体混合物的密度液体混合时体积变化不大i i组分的质量分数 1/=(i/i)19CAO=(A G/MA)/Vo6、多组分液体混合物的体积流量多组分液体混合物的体积流量（1）产量为已知时按反应计量式折算原料的质量流量。（2）已知反应混合物的密度求初始浓度。CAO=1混混/(1MA+Mini)ni A 为基

10、准为基准(1摩尔摩尔)时的其它物质的摩尔比。时的其它物质的摩尔比。Vo=(G1+G2+U惰惰)/混混201、直接使用反应计量方程作物料衡算直接使用反应计量方程作物料衡算 n例4.5 在鼓泡反应器中进行苯的氯化反应生成氯苯，主反应为：n C6H6+Cl2 C6H5Cl+HCln同时有副反应发生，生成二氯苯和三氯苯，反应式如下：C6H6+2Cl2 C6H4Cl2+2HCl C6H6+3Cl2 C6H3Cl3+3HCl八、物料衡算例题八、物料衡算例题21n已知鼓泡反应器的产物中，已知鼓泡反应器的产物中，主、副反应产物和未反主、副反应产物和未反应的苯的重量比为：应的苯的重量比为：n氯苯：二氯苯：三氯苯

11、：苯氯苯：二氯苯：三氯苯：苯=1：0.08：0.016：2，求求n苯的转化率；苯的转化率；n氯苯的收率；氯苯的收率；n反应的选择性；反应的选择性；n反应生成的氯化氢总量；反应生成的氯化氢总量；n反应消耗的氯气总量。反应消耗的氯气总量。n78，112.5，147，181.522解解:以以100产物氯苯为计算基准。产物氯苯为计算基准。苯、氯苯、二氯苯、三苯、氯苯、二氯苯、三氯苯的分子量分别为氯苯的分子量分别为78，112.5，181.5。按此基准出口。按此基准出口产品混合物中有苯产品混合物中有苯200kg，氯苯，氯苯100kg，二氯苯，二氯苯8kg，三，三氯苯氯苯1.6kg，需要加入反应器的苯量计

12、算如下（，需要加入反应器的苯量计算如下（100%）：）：232425262、复杂反应体系使用产物、副产物复杂反应体系使用产物、副产物各自的收率数据作物料衡算各自的收率数据作物料衡算n化工生产中，比较方便的办法是到生产现场或中化工生产中，比较方便的办法是到生产现场或中间试验厂实测主产物和副产物各自的收率。如果间试验厂实测主产物和副产物各自的收率。如果设计的项目，它的生产条件与实测收率的生产条设计的项目，它的生产条件与实测收率的生产条件相近，就可以用生产现场或中试得到的收率来件相近，就可以用生产现场或中试得到的收率来做物料衡算。做物料衡算。272829303、带有物料循环的流程的物料衡算带有物料循

13、环的流程的物料衡算带有物料循环的流程示意图31n对循环系统来说，有单程转化率、单程收率和总转化率、总收率之分，由于原料循环，新鲜原料在系统内经过反应器若干次，达到的转化率和收率比经过反应器一次的转化率和收率高。32如果有循环物流的话，由于循环量不知道，逐次单元计算不能算出循环量。这类问题有两种解法两种解法。(1)试差法：估计循环流量，继续循环至循环回流的那一点。将估计值与计算值进行比较，并重新估计一个循环值，一直计算到估计值与计算值之差在一定误差范围内。33n(2)代数解法：在循环存在时，列出物料平衡方程式，n 并求解。一般方程中以循环量为未知数，n 应用联立方程的方法求解。n 对于只有一个或

14、两个循环物流的简单情况，只要计算基准和系统边界选择适当，计算常常可以简化。n 一般在衡算时，先进行总的过程的衡算，再对循环系统列出方程式求解。34例4.9 3536n例例：乙苯用混酸硝化，原料（工业用）乙苯的纯度为95%，混酸中(HNO332%、H2SO456%、H2O12%)，HNO3过剩率（HNO3过剩量与理论消耗量之比）为0.052，乙苯的转化率99%，转化为对、邻、间位分别为52%、43%和4%，若年产300吨对硝基乙苯，年工作日300天，试以一天为基准作硝化反应的物料衡算。37n解解：1）每天应生产的对硝基乙苯的量为：n 300 1000/300=1000kgn（2）每天需投料乙苯：

15、n n n n （纯乙苯）nX=1351/0.95=1422kg（工业品）kgx135152.017.151100017.10638n（3）每天副产邻、间位硝基乙苯：（间位）（邻位）kgxkgx9.7604.017.10617.15113512.82743.017.10617.15113512139n（4）每天需投料的混酸：40n(5)反应消耗乙苯：n剩余乙苯：（6）反应消耗HNO3：n剩余HNO3：n（7）反应生成的H2O：41n最后将物料衡算列成表格：4243作业：作业：1）一混合物中苯和甲苯的质量分数分别为一混合物中苯和甲苯的质量分数分别为 0.4和和0.6,求苯和甲苯的摩尔分数。求苯和

16、甲苯的摩尔分数。2）混合物中乙醇和水的质量分数分别为混合物中乙醇和水的质量分数分别为 0.6和和0.4,求此混合物的平均分子量。求此混合物的平均分子量。3）常压常压19下下,液体乙醇的密度为液体乙醇的密度为0.795g/cm3,水的水的密度为密度为0.9982g/cm3,估算质量分数为估算质量分数为30%的乙醇水溶的乙醇水溶液在常压、液在常压、19的密度的密度。4）反应物密度为反应物密度为250kg.m-3，每天生产，每天生产2400Kg乙酸丁脂，如果要求乙酸转化率为乙酸丁脂，如果要求乙酸转化率为50%，求初始，求初始浓度浓度CA0与原料流量。乙酸与丁醇摩尔比相等。与原料流量。乙酸与丁醇摩尔比相等。44n5）含有苯（B）、甲苯（T）、二甲苯（X）分别为50%、30%、20%的混合物，以30000kg/d的流量进入一个由两座精馏塔组成的分离系统，流程及赋值见图。已知52%（质量）自塔 顶部流出，物流3中所含的苯有75%（质量）自塔顶部流出。计算所有未知物流变量。4515600kg/d15600kg/dG GB4B4=0.75G=0.75GB3B3