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1、化工计算物料衡算第1页，本讲稿共37页一、化工计算的分类o设计型计算(事前设计化工厂)o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)第2页，本讲稿共37页1.化工过程的分类（一）o间歇操作n一次性投料、出料，浓度随时间的变化而变化o半连续操作n一次性投料，连续出料n连续性进料，一次性出料n一组分一次性投料，其他连续进料，一次性出料o连续操作n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第3页，本讲稿共37页2.化工过程的分类（二）o稳态操作n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）o不稳态操作n操作条件随
2、时间的变化而不断变化n开车、停车、间歇操作，半连续操作第4页，本讲稿共37页二、物料衡算的基本方程o基本依据n质量守恒定律（不包括核反应）o基本方程n进入的Fi+生成的Dp=流出的Fo+反应的Dr+积累的Wo适用范围n所有流程都适用n总物料适用n某一组分适用第5页，本讲稿共37页具体过程的物料衡算o稳态过程 W=0o无反应过程 Dp=Dr=0o稳态无反应过程Fi=Foo稳态有反应过程Fi+Dp=Fo+Dr第6页，本讲稿共37页三、基本计算过程1.画简图2.标参数3.定基准和范围（体系）4.写化学反应方程式5.列衡算式6.列图表第7页，本讲稿共37页四、无反应过程的物料衡算o单个单元的物料衡算n
3、n个组分，可以列n+1个方程但最多只能求解n个未知数oM个单元的物料衡算nn个组分，最多只有m*n个独立方程n选择恰当的衡算体系可以简化计算过程第8页，本讲稿共37页五、化学反应过程的计算o限制反应物o过量反应物o过量百分数o转化率xo选择性So收率YnY=Sx第9页，本讲稿共37页1.分类o完全反应(x=100%)nY=S(直接求解)o非完全反应(x100%)n反应不彻底(直接求解)n有反应平衡(迭代求解)第10页，本讲稿共37页2.循环过程的物料衡算o单程转化率o总转化率o惰性组分的积累及驰放器n输入惰性组分的量=输出惰性组分的量第11页，本讲稿共37页无反应过程的基本公式o稳态无反应过程
4、Fi=Fo第12页，本讲稿共37页例题o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。蒸馏塔冷凝器F=100kg/hA 0.2B 0.3C 0.5P kg/hA xB yC 1-x-yW kg/hA 0.005B 0.055C 0.94第13页，本讲稿共37页物料衡算方程oAF*0.2=P*x+W*0.05oBF*0.3=P*y+W*0.055oCF*0.5=P*(1-x-y)+W*0.94o另外的已知条件P*x=F*0.2*98.7%第14页，本讲稿共37页完全反应过程的物料衡算o稳态有反应过程Fi+Dp=Fo+Dro非完全反应(x100%)n反应
5、不彻底(直接求解)第15页，本讲稿共37页例题o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。反应过程邻二甲苯 210kg/h空气4620 Hm3/h氧气 0.21(mol/mol)氮气 0.79(mol/mol）P苯酐 0.654%（mol）顺酐 0.066%氧气 16.53%氮气 77.5%第16页，本讲稿共37页写化学反应方程式第17页，本讲稿共37页选基准o邻二甲苯 210kg/h邻二甲苯苯酐顺酐分子量10614898第18页，本讲稿共37页物料衡算o输入氧气量o210kg/h邻二甲苯完全氧化所需的氧气第19页，本讲稿共37
6、页o输入氮气的量o反应产物的总量第20页，本讲稿共37页o产物中 n邻二甲苯 209.570.0003=0.06287kmol/h=6.664kg/hn苯酐209.570.0654=1.370kmol/h=202.76kg/hn顺酐209.570.00066=0.1383kmol/h=13.55kg/h第21页，本讲稿共37页o收率(mol)n苯酐n顺酐第22页，本讲稿共37页o苯酐的选择性第23页，本讲稿共37页有反应平衡过程的物料衡算o物料衡算方程为非线性方程（迭代求解）第24页，本讲稿共37页例题o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
7、反应，即：1.CH4+H2O CO+3H22.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。第25页，本讲稿共37页流程图反 应 过 程CH4 1molH2O 2.5molH2O W molCH4 M molCO x molCO2 y mol H2 z mol第26页，本讲稿共37页物料平衡方程o元素衡算nH:2+2.5=W+2M+znC:1=M+x+ynO:2.5=W+x+2y第27页，本讲稿共37页反应平衡方程第28页，本讲稿共37页各组分的分压第29页，本讲稿共37页整理得到第30页，本讲稿共37页循环过程的
8、物料衡算o单程转化率o总转化率o惰性组分的积累及驰放器n输入惰性组分的量=输出惰性组分的量第31页，本讲稿共37页例题o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。第32页，本讲稿共37页流程图C3H8 100kmol/hMFC3H8 N1 kmol/hC3H6 N2 kmol/h反应器分离器RPC3H8 Q1
9、kmol/hC3H6 Q2 kmol/hH2 Q3 kmol/hC3H8 P1 kmol/hC3H6 P2 kmol/hH2 P3 kmol/hPRC3H8 R1 kmol/hC3H6 R2 kmol/h第33页，本讲稿共37页物料衡算o过程物料衡算P1=5 kmol/hP2=95 kmol/hP3=95 kmol/h第34页，本讲稿共37页o产品组成第35页，本讲稿共37页o分离器物料衡算C3H8：Q1=P1+R1 0.555%Q1=P1=5 kmol/h Q1=900 kmol/hR1=895 kmol/h第36页，本讲稿共37页 C3H6:Q2=P2+R2R2=(1-95%)P2=4.75 kmol/hQ2=99.75 kmol/h单程转化率第37页，本讲稿共37页