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1、第七章化工工艺计算77、1 1 概述概述 化工工艺计算化工工艺计算物料衡算、热量衡算物料衡算、热量衡算进行化工设计、过程经济评价、节能分析与过程优化得基础进行化工设计、过程经济评价、节能分析与过程优化得基础化工生产过程化工生产过程:主副产品量、原材料消耗、能量消耗、三废指标主副产品量、原材料消耗、能量消耗、三废指标1 1、物料衡算与热量衡算得主要步骤、物料衡算与热量衡算得主要步骤(1)(1)收集计算数据收集计算数据:化工装置得生产操作数据化工装置得生产操作数据,如输入与输出物料得如输入与输出物料得流量、温度、压力、浓度等流量、温度、压力、浓度等,涉及物质物化常数涉及物质物化常数,如密度、热容等
2、。如密度、热容等。(2)(2)写出相关反应方程式写出相关反应方程式(包括主副反应包括主副反应)并配平并配平,标明相对分子量。标明相对分子量。(3)(3)绘出流程得方框图绘出流程得方框图,标明相关参数。标明相关参数。(5)(5)设未知数设未知数,列方程式列方程式,求解。求解。(物料平衡、约束式归一方程、气液平衡方程等。物料平衡、约束式归一方程、气液平衡方程等。(6)(6)计算与核对。计算与核对。(7)(7)报告计算结果。报告计算结果。(4)选定衡算基准选定衡算基准 通常计算产率通常计算产率:选一定量得原料或产品为基准选一定量得原料或产品为基准(1Kg或或100Kg、1mol、1m3等等);计算原
3、料得消耗指标与设备生产能力计算原料得消耗指标与设备生产能力:选单位时间为基准选单位时间为基准(1h、1mim、1s等等)。转化率、选择性与收率转化率、选择性与收率 反应转化率反应转化率-反映原料产生化学反应得程度反映原料产生化学反应得程度(1 1)定义定义:指某一反应物参加反应指某一反应物参加反应,转化得数量占该反应物起始量转化得数量占该反应物起始量得分率或百分数。得分率或百分数。(针对反应物而言针对反应物而言)2 2、化工工艺学中基本概念、化工工艺学中基本概念(2 2)单程转化率与全程转化率单程转化率与全程转化率为了提高原料得利用率为了提高原料得利用率,采用循环反应系统。采用循环反应系统。单
4、程转化率单程转化率反应器反应器全程转化率全程转化率反应系统反应系统 例例:以乙炔与醋酸合成醋酸乙烯酯为例。如图所示以乙炔与醋酸合成醋酸乙烯酯为例。如图所示,再连续生产中再连续生产中,假设每假设每小时流经各物料线得物料中含乙炔得量为小时流经各物料线得物料中含乙炔得量为mA=600Kg,mB=5000Kg,mc=4450Kg,计算过程得单程转化率与全程转化率。计算过程得单程转化率与全程转化率。解解:总结总结:一般要根据各自反应得特点一般要根据各自反应得特点,由实际经验来控制单程转化率。由实际经验来控制单程转化率。反应选择性反应选择性(1 1)定义定义:转化成目得产物得某反应物量与参加所有反应而转化
5、得转化成目得产物得某反应物量与参加所有反应而转化得该反应物总量之比。该反应物总量之比。收率收率(产率产率)(1 1)定义定义:生成得目得产物占某反应物初始量得百分率。生成得目得产物占某反应物初始量得百分率。单程收率单程收率:分母为分母为(新鲜循环该原料之与新鲜循环该原料之与)总收率总收率:分母为分母为(新鲜该物料新鲜该物料)转化率转化率(X)(X),收率收率(Y)(Y)与选择性与选择性(S)(S)三者关系三者关系:Y=S X2023/6/1410 转化率转化率(X)(X),收率收率(Y)(Y)与选择性与选择性(S)(S)三者关系三者关系:Y=S X1 1、一般反应过程得物料衡算一般反应过程得物
6、料衡算输入物料得总质量输出物料得总质量系统内积累得物料质量输入物料得总质量输出物料得总质量系统内积累得物料质量 注注:间歇操作间歇操作(非稳态非稳态)积累积累0 连续操作连续操作(稳态稳态)积累积累0 077、2 2 物料衡算物料衡算 u理论依据理论依据:质量守恒定律质量守恒定律 蒸馏F(Kg)XF1XF2P(Kg)XP1XP2W(Kg)XW1XW2无化学反应过程物料流程示意图无化学反应过程物料流程示意图总质量衡算总质量衡算:F=P+W组分衡算组分衡算:F XF1=PXP1+WXW1 F XF2=PXP2+WXW2反应F(mol)P(mol)催化裂化过程物料流程示意图催化裂化过程物料流程示意图
7、组成组成 原料油原料油(摩尔分数摩尔分数)产品油产品油(摩尔分数摩尔分数)C6H14 0 0、05C7H16 0 0、15C8H18 0、3 0、30C11H24 0、7 0、50C原子衡算原子衡算:F 0、38 F 0、711 =P 0、056+P 0、157+P 0、38+P0、511 u物料衡算得步骤物料衡算得步骤(1)(1)绘出流程得方框图绘出流程得方框图(2)(2)写出反应方程式写出反应方程式,并配平之。并配平之。(3)选定衡算基准选定衡算基准(4)(4)设未知数设未知数,列方程式列方程式,求解。求解。(物料平衡、约束式归一方程、气液平衡方程等。物料平衡、约束式归一方程、气液平衡方程
8、等。(5)(5)计算与核对。计算与核对。(6)(6)报告计算结果。报告计算结果。例例1:拟将原料油中得有机硫通过催化加氢转变成拟将原料油中得有机硫通过催化加氢转变成H2S,进而脱出之进而脱出之,油油中不饱与烃也加氢饱与。若原料油得进料速率为中不饱与烃也加氢饱与。若原料油得进料速率为160m3/h,密度为密度为0、9g/ml,氢气氢气(标准状态标准状态)得进料速率为得进料速率为10800m3/h。原料油与产品油得。原料油与产品油得摩尔分数组成如下。摩尔分数组成如下。组分组分C11H23SHC11H24C10H20=CH2原料油原料油 5%70%25%产品油产品油 0、1%96、8%3、1%求求(
9、1)消耗得氢气总量消耗得氢气总量;(2)分离后气体得摩尔分数。分离后气体得摩尔分数。画出衡算系统方框图如下。画出衡算系统方框图如下。气体气体催化催化加氢加氢H2原料油原料油C11H23SH5%5%C11H24 70%70%C10H20=CH2 25%25%分分离离C11H23SH0.1%0.1%C11H24 96.8%96.8%C10H20=CH2 3.1%3.1%产品油产品油写出反应方程式。写出反应方程式。C11H23SH +H2 C11H24+H2SC10H20=CH2+H2 C11H24选择衡算基准为选择衡算基准为1h。H22kg/kmolC11H24156kg/kmolH2S 34kg
10、/kmolC10H20=CH2152kg/kmolC11H23SH 188kg/kmol原料油平均摩尔质量原料油平均摩尔质量=1880、05+1560、7+1540、25=157、1kg/kmol H2进气量进气量=10800103/22、410-3=482、1kmol;m=964Kg对进料原料油衡算对进料原料油衡算/1h1h原料油进料物质得量原料油进料物质得量=160900/157、1=916、6kmolC11H23SH:n=916、60、05=45、83 Kmol;m=8616 KgC11H24:n=916、6 70%=64170%=641、62 Kmol;m=100093 Kg62 Km
11、ol;m=100093 KgC10H20=CH2 :n=916、6 25%=22925%=229、15 Kmol;m=35289 Kg15 Kmol;m=35289 Kg设脱硫后产品油得质量为设脱硫后产品油得质量为R,对对C物料衡算物料衡算,则有则有:916、6(0、0511+0、711+0、2511)=R(0、00111+0、96811+0、03111)R=916、6kmol反应反应(1)消耗得消耗得H2气量气量=916、60、05 0、001R=44、91kmol生成得生成得H2S气量气量=44、91kmol反应反应(2)消耗得消耗得H2气量气量=916、60、25 0、031R=200、
12、74kmol总耗总耗H2量量=44、91+200、74=245、654kmol剩余剩余H2量量=482、1-245、65=236、49kmol反应后气体得总量反应后气体得总量=44、91+236、49=281、4kmol设未知数设未知数,列方程式列方程式,求解。求解。故故,H2S得摩尔分数为得摩尔分数为 44、91/281、4=0、16 H2得摩尔分数为得摩尔分数为 236、49/281、4=0、84核对核对。列物料衡算表列物料衡算表,如下。如下。例例7-5 P257裂解炉裂解炉乙烷乙烷乙烷乙烷99%甲烷甲烷1%炭炭裂解气裂解气H2CH4C2H2C2H4C2H637.24.530.1833.0
13、825.01选择衡算基准选择衡算基准-原料气原料气=100mol进料进料:n(C2H6)=99mol;n(CH4)=1mol设设:裂解后裂解气得物质量为裂解后裂解气得物质量为Nmol 碳守恒碳守恒物料名称物料名称摩尔质量摩尔质量/g/mol进料进料出料出料molgmolgH2259、23118、46CH4161167、21115、36C2H2260、297、54C2H42852、671474、78C2H63099297039、821194、60C126、2474、898总计总计1002986165、462986气体膨胀率气体膨胀率=N/100=159、21/100=1、592X(乙烷转化率乙烷
14、转化率)=(99-39、82)/99=59、78%S(乙烯得选择性乙烯得选择性)=52、67/(99-39、82)=89%Y(乙烯得收率乙烯得收率)=XS=59、78%89%=53、20%2 2、具有循环过程得物料衡算具有循环过程得物料衡算(2)(2)绘出流程的方框图绘出流程的方框图,并标明各物料并标明各物料(1)(1)写出反应方程式并配平。写出反应方程式并配平。(3)(3)以方程的方式列出各节点的物料衡算关系；以方程的方式列出各节点的物料衡算关系；(4)(4)解出方程组；解出方程组；反应器反应器分离器分离器ABFFMFRPPSPWRC反应器反应器分离器分离器ABFFMFRPPSPWRC对物料
15、输入口节点对物料输入口节点A:FF+RC=MF对物料输出口节点对物料输出口节点B:RC+W=SP对分离器对分离器:RP=P+SP=P+RC+W对整个反应对整个反应:FF=P+W对反应器对反应器:MF=RP例例1:在银催化剂作用下在银催化剂作用下,乙烯被空气氧化成环氧乙烷乙烯被空气氧化成环氧乙烷(C2H4O),副反应就是乙烯副反应就是乙烯完全氧化生成完全氧化生成CO2与与H2O。已知离开氧化反应器得气体干基组成就是。已知离开氧化反应器得气体干基组成就是:C2H43、22%,N2 79、64%,O2 10、81%,C2H4O 0、83%,CO2 5、5%(均为体积分数均为体积分数)。该气体进入水吸
16、收塔该气体进入水吸收塔,其中得环氧乙烷与水蒸气全部溶解于水中其中得环氧乙烷与水蒸气全部溶解于水中,而其她气体不而其她气体不溶于水溶于水,由吸收塔顶逸出后排放少量至系统外由吸收塔顶逸出后排放少量至系统外,其余全部循环回氧化反应器。其余全部循环回氧化反应器。计算计算(1)乙烯得单程转化率乙烯得单程转化率;(2)生成环氧乙烷得选择性生成环氧乙烷得选择性;(3)循环比循环比;(4)新鲜新鲜原料中乙烯与空气量之比。原料中乙烯与空气量之比。写出反应方程式写出反应方程式:选取反应器出口气中选取反应器出口气中100mol干气为衡算基准干气为衡算基准设新鲜原料气设新鲜原料气(FF)中中C2H4得量为得量为Xmo
17、l;空气为空气为Ymol(含含79%N2与与21%O2);弛放气弛放气Wmol;乙烯完全氧化生成得乙烯完全氧化生成得H2O量为量为Zmol。反应器反应器水吸收塔水吸收塔ABFFMFRPPSPWRC反应器反应器水吸收塔水吸收塔ABFFMFRPPSPWRC 围绕总系统做物料衡算。围绕总系统做物料衡算。采用元素得原子守恒计算采用元素得原子守恒计算,即即C 平衡平衡 2X=(0、832)+(0、0325W2+0、0555W)H 平衡平衡 4X=(0、834+2Z)+0、0325W4O 平衡平衡 0、21Y2=(0、83+Z)+(0、109W2+0、0555W2)N平衡平衡 0、79Y2=0、803W2
18、 解四个方程得解四个方程得:X=2、008mol;Y=19、87mol;Z=1、085mol;W=19、55mol、反应器反应器水吸收塔水吸收塔ABFFMFRPPSPWRC 副反应消耗得乙烯量副反应消耗得乙烯量=1、085/2=0、5425mol 主反应消耗得乙烯量主反应消耗得乙烯量=生成得生成得EO量量=0、83mol乙烯得单程转化率乙烯得单程转化率=反应消耗得乙烯总量反应消耗得乙烯总量/进入反应器混合气中得乙烯量进入反应器混合气中得乙烯量100%=(0、83+0、5425)/(X+3、22-0、0325W)100%=29、9%乙烯得全程转化率乙烯得全程转化率 =反应消耗得乙烯总量反应消耗得
19、乙烯总量/新鲜原料中得乙烯量新鲜原料中得乙烯量100%=(0、83+0、5425)/2、008 100%=68、35%生成环氧乙烷得选择性生成环氧乙烷得选择性 =转化为环氧乙烷得乙烯量转化为环氧乙烷得乙烯量/消耗得乙烯总量消耗得乙烯总量100%=0、83/(0、83+0、5425)100%=60、47%循环比循环比=循环气量循环气量/排放气量排放气量 =(99、19-W)/W=4、073(摩尔比或体积比摩尔比或体积比)新鲜原料中空气量与乙烯之比新鲜原料中空气量与乙烯之比=新鲜原料气中空气新鲜原料气中空气/乙烯乙烯 =19、87/2、008=9、895(摩尔比或体积比摩尔比或体积比)v对于稳定得
20、连续流动过程,无热量得积累,v热量衡算以热力学第一定律为基础。热量衡算以热力学第一定律为基础。输入得总热量输入得总热量=输出得总热量输出得总热量+积累得热量积累得热量+损失得热量损失得热量系统从外界吸收能量:Q为正;系统对外界放出能量:Q为负;77、3 3 热量衡算热量衡算 v对于一个化学反应进行热量衡算u热量衡算得基本步骤热量衡算得基本步骤(1)(1)建立以单位时间为基准得物料衡算表建立以单位时间为基准得物料衡算表(2)(2)选定计算基准温度与相态选定计算基准温度与相态(3)查找热量衡算中相关得热量学数据查找热量衡算中相关得热量学数据(4)(4)设未知数设未知数,列方程式列方程式,求解。求解
21、。(5)(5)计算与核对。计算与核对。(6)(6)报告计算结果。报告计算结果。例例 甲烷在连续式反应器中空气氧化生产甲醛,副反应就是甲烷完全氧化生成CO2与H2O。以100mol进反应器得甲烷为基准,物料流程如图。假定反应在足够低得压力下进行,气体便可瞧作理想气体。甲烷于25进反应器,空气于100进反应器,如要保持出口产物为150,需从反应器取走多少热量？各组分单位进料各组分单位进料(25)得焓值得焓值(1)25下进料甲烷得焓查手册得生成热 则(2)查手册得(3)查手册得 各组分单位出料得焓值各组分单位出料得焓值(1)查手册得(2)查手册得(3)查手册得(4)查手册得(5)查手册得(6)查手册得 物料物料n进进(mol)H进进(kJ/mol)n出出(mol)H出出(kJ/mol)物料物料n出出(mol)H出出(kJ/mol)CH4O2N2100100376-74、852、2352、1876050376-69、953、7583、655HCHOCO2H2O301050-114、76-388、56-237、56进出口焓值进出口焓值 将以上结果填入进出口焓表中。当能量衡算不计动能变化时,