物料衡算和热量衡算文档格式.docx
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计算数据包括:
(1)设计任务数据a.生产规模根据设计任务、生产能力来确定;
b.生产时间即年工作时数;
c.有关工艺技术经济指标即原料的消耗定额、转化率、收率等。
(2)物性数据如质量、密度、浓度、反应平衡常数、相平衡常数等,可以在有关资料、手册、数据汇编等处查找。
查找时应注意资料的可靠性,尽可能找原始资料并注意数据的适用范围。
所收集的数据应统一使用国际单位制。
(3)工艺参数如温度、压力、流量、原料配比、停留时间等。
3.列出化学反应方程式
包括主反应和副反应,标出有用的分子量,如果无化学反应,则此步可免去。
4.选择合适的计算基准
在物料衡算中,计算基准的选取至关重要,它直接影响计算的繁简。
计算中必须将所选取的基准写清楚,并在计算过程中始终保持一致。
如果在计算过程中要变更基准,必须加以说明,并注意计算结果的换算关系。
在一般化工计算中,根据过程的特点选择的计算基准大致有以下几种:
(1)时间基准以一段时间,如一天、一小时的投料量或产品产量作为计算基准,如kg/h。
对间歇操作的体系,可选每釜或每批作基准,也可先按一个方便的数量如1000kg、100t等,最后再换算为实际的量。
(2)质量基准当系统介质为液、固相时,选取原料或产品的质量作为计算基准是适宜的。
如以1kg、100kg、100kmol的原料作为基准。
(3)体积基准主要在对气体物料进行衡算时选用,应把实际情况下的体积换算为标准状况下的体积。
这样不仅排除了温度、压力变化带来的影响,而且可以直接换算为物质的量。
气体混合物中,各组分的体积分数与摩尔分数在数值上是相等的。
化工生产中常见的气态、固态或液态物料中,多数均含有一定的水分,或气相中有可被冷凝的物料,在选择计算基准时,计算水分在内的为湿基,不计的为干基。
5.列出物料衡算式、求解
根据衡算体系的具体情况,列出所有独立的物料衡算式,当未知变量数等于独立方程式数时,可用代数法求解。
当未知变量数多于独立方程式数时,只能采用试差法等较复杂的方法求解。
在求解单元设备的简单问题时,也可不列出物料衡算式而用四则运算的直接解法算出结果。
6.校核、整理计算结果
查一查:
无反应过程的物料衡算的计算方法和步骤及计算举例
将物料衡算的结果加以整理,校核,列成物料衡算表。
表中列出输入、输出的物料名称、数量及单位和占总物料的百分数,必要时衡算结果需要在流程图上标出。
五、物料衡算方法
(一)无反应过程的物料衡算
无反应过程是指一些只有物理变化而没有化学反应的单元操作,例如混合、蒸馏、干燥、吸收等。
这些过程的物料衡算包括简单过程(指仅有一个设备或整个过程简化为一个设备的过程)的物料衡算和多单元体系(由若干个设备组合而成的体系例如采用由两个精馏塔组成的苯、甲苯、乙苯混合物分离系统)的物料衡算。
(二)反应过程的物料衡算
对于有化学反应过程的物料衡算,由于各组分在过程中发生了化学反应,因此就不能简单地按无反应过程的方法来计算,必须考虑化学反应中生成和消耗的物理量。
1.直接求算法
当反应过程有明显的化学反应方程式,已知条件比较充分时,可以根据反应方程式,通过化学计量系数,转化率和产率直接计算。
计算举例可查阅相关教材资料。
2.利用联系物做衡算
生产过程中常有不参加反应的物料。
这种物料习惯上称为惰性物料。
由于惰性物料的数量在反应器的进出物料中不变化,可以用它和另一些物料在组成中的比例关系去计算另一些物料的数量。
因此,这种在反应过程中不参加反应而起物料量联系作用的惰性物质称为衡算联系物。
在化工生产中,氮气是常见的惰性物料,可用氮做为衡算联系物。
若F和P分别表示输入系统物料量和从系统输出的物料量,衡算联系物T在F和P中的质量分数分别为
和
,则F和P的关系为
采用联系物作衡算,可以简化计算。
有时,在同一系统中可能有数个惰性物质,可联合采用,以减少误差。
但是要注意当某惰性物数量很少,且此组分分析相对误差很大时,则不宜选用此惰性物质做联系物。
【例16.1.1】甲烷和氢的混合气用空气完全燃烧来加热锅炉,生成的水蒸气全部进入烟道气。
生成烟道气100mol。
烟道气摩尔组成为:
氮72.18%、二氧化碳8.11%,氧2.44%、水蒸气17.27%,做物料衡算。
燃料气中甲烷与氧的比例如何?
空气与燃料气的比例如何?
解:
基准100mol烟道气
烟道气中氮量=72.18mol氧量=2.44mol
以氮为衡算联系物,根据F·
χt,f=P·
χt,p可以求出
空气加入量=72.18÷
79%=91.37mol
空气中氧量=91.37×
21%=19.187mol
氧总反应量=19.187—2.44=16.747mol
烟道气中二氧化碳量=8.11mol
CH4+2O2===CO2+2H2O
计量系数l2l2
生成量/mol8.1116.22
反应量/mol8.1116.22
氢燃烧消耗氧量:
16.747—16.22=0.527mol
H2+½
O2===2H2O
计量系数10.51
反应量/mol1.0540.527
生成量/mol1.054
生成水蒸气总量=16.22+1.054=17.274mol
物料衡算结果见表16-1。
表16-1物料衡算表
物料名称
相对分子质量
输入
输出
mol
g
甲烷
氢
氧
氮
二氧化碳
水
16
2
32
28
44
18
8.11
1.054
19.187
72.18
129.76
2.11
613.98
2021.04
2.44
12.274
78.08
356.84
310.93
总计
100.53
2766.89
100.0
3.以结点做衡算
在生产中有些中间产品的组成不符合生产要求,需要采用旁路调节才能达到合格。
在这种情况下,以旁路联结点作物料衡算较方便。
两股物料汇合(混合)称为并流,一股物料成为两股物料(旁路)称为分流。
分流的联结点与并流的联结点均称为结点。
旁路分流和混合并流都是物理过程。
由于没有化学变化,因此可以对总物料及其中某组分进行衡算。
如图16-1所示。
结点AV0=V1+V2结点BVl+V3=V4
【例16.1.2】某工厂用烃类气体制合成气生产甲醇。
合成气体量为2321m3/h,摩尔比为CO:
H2=1:
2.4。
转化后的气体摩尔组成为:
CO43.12%,H254.2%,不符合要求。
将部分转化气送去CO变换反应器和CO2脱除装置,置换脱CO2后,气体摩尔组成为:
CO8.76%,H289.75%,气体体积减小2%。
用此变换气调节转化气,以便达到工艺要求。
求转化气、变换气各为多少?
基准1h,参照图16-1
合成气V4=2321m3
结点BV1+V3=V4=2321m3
合成气组成比
:
=1:
2.4
结点B物料中CO衡算
V1×
43.12%+V3×
8.76%=V4×
0.4312(2312-V3)+0.0876V3=2312×
结点B物料中H2衡算
54.2%+V3×
89.75%=V4×
0.542(2312-V3)+0.8975V3=2312×
1257.98+0.3555V3=5570.4×
(
)
所以,变换气V3=969.35m3/h
V1=2312—969.35=1351.65m3
V2=V3÷
(1-2%)=969.35÷
98%=989.13m3
转化气(结点A)V0=V1+V2=2340.78m3
(三)循环过程的物料衡算方法
1.循环过程
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;
有些反应过程由于副反应竞争剧烈,必须采用高的空间速度,以提高选择性,因此单程转化率也较低。
在上述这些情况下,会有大量物料未参加反应。
为了提高原料的利用率,必须循环利用以提高总转化率。
因此,包括反应器在内的循环过程典型流程如图16-2所示
图16-2中,从反应器出来的产物RP经分离器分成产品P和循环物料R,进入反应器的物料MF由新鲜原料FF和循环物料R混合而成。
对于大多数有循环的反应过程,因为使用的原料纯度不可能是l00%,或多或少会带入一些不易从原料中分离的惰性杂质,或者在反应过程中有副反应发生,生成不易与原料分离的副产物等杂质。
而这些物质在分离过程中没有随产物排出,而是进入循环物流中,这样惰性物质或副产物等就会随着循环次数的增加而逐步积累,以至影响正常生产。
为了防止惰性物质和副产物在系统中不断增加,就必须排放一部分循环物料,使惰性物质的输出量能与进料中的输入量平衡,或是副产物的输出量能与反应产生的量平衡,从而维持整个系统的稳定运转。
这就是带有排放过程的循环过程,其典型流程如图16-3所示。
由图16-3看出,与循环过程相比,排放过程中增加了一个分流器,其作用是将分离器回收的待循环物料S分出一部分作为排放物W,其余部分为循环物料R。
经过分流器的物料组成不发生变化,因此S、W、R的组成是相同的。
根据稳态流动过程的物料平衡,为了使惰性物质和副产物不在系统中积累,排放物流量应调节到能平衡惰性物质的输入量和输出量。
假设惰性物质和副产物全部进入循环物流,则
上述典型的循环过程中,整个过程可划分为1个总系统和包括三个物理过程(混合、分离、放空分流)以及一个反应过程的4个子系统。
总系统的物料衡算提供新鲜原料和产品之间的关系。
子系统的物料衡算提供包括循环物料在内的进出各设备的流量和组成。
三个物理过程中,各物料流的质量m守恒,物料流中各组分的质量mi守恒,物料流的物质的量n守恒,物料流中各组分的物质的量ni也守恒。
物理过程的物料衡算式
化学反应过程中,物质的量和组分的质量都发生变化,只有各物料流的质量m守恒(衡算联系物的质量和摩尔数仍守恒)。
反应过程的物料衡算式
循环过程中,因包括反应过程,所以循环过程也只有各物料流的质量m守恒。
输入循环过程的各物料流的质量之和等于从循环过程输出的各物料流的质量之和。
(衡算联系物的质量和摩尔数仍守恒)。
因此,整个循环过程的物料衡算式
式中
—新鲜反应物质量;
—粗成品质量;
一放空物料质量。
如上所述,循环过程中,循环物料始终以不变的组成和数量在反应系统中循环,因此,物料衡算时,分离后剩余的物料(待循环物料)、放空物料与循环物料三者的组成是一致的。
放空物料量占分离剩余物料量的百分率称为放空率α。
循环物料量占分离剩余物料量的百分率称为循环率β。
显然,放空率与循环率之和为100%。
循环过程有三个过程限制参数,它们是循环比、混合比和排放比。
在对分离器、混合器等进行物料衡算时这三个参数很重要,有时可以作为解题的线索。
循环过程中,转化率的计算包括以反应器为计算范围的单程转化率和以整个循环系统为计算范围的总转化率。
2.循环过程物料衡算举例
【例16.1.3】乙炔法年产3000t氯乙烯反应器的物料衡算。
(1)计算范围
以反应器为计算范围,如图16-4所示。
(2)主副反应
C2H2+HCl→CH2=CHCl
C2H2+2HCl→CH3CHCl2
C2H2+H20→CH3CHO
按反应乙炔计氯乙烯产率99.4%,二氯乙烷产率0.54%,乙醛产率0.06%。
(3)计算任务
原料消耗量和产物气摩尔组成。
(4)基准
年工作时8000h。
3000×
1000kg÷
8000h=375kg/h
以1h为基准(以下计算中,不再写h-1)。
(5)选择数据
产物气冷凝、精馏等质量收率96.5%。
乙炔转化率98.5%
C2H2:
HCI=1:
1.1(mol)
原料乙炔组成(mol)乙炔99.0%,氮0.97%,水0.03%。
原料氯化氢组成(mol)氯化氢95.0%,氢4.97%,水0.03%。
(6)计算过程
产物气中氯乙烯量=375÷
96.50%=388.6kg=6217.6mol
主反应乙炔量=388.6÷
62.5×
26=161.66kg=6217.6mol
主反应氯化氢量=6217.6mol=226.94kg
乙炔总反应量=161.66÷
99.4%=162.63kg=6255mol
纯乙炔加入量=162.63÷
98.5%=165.11kg=6350·
4mol
原料乙炔加入量=6350.4÷
99.0%=6414.5mol
原料乙炔中含氮量=6414.5×
0.97%=62.2mol=1.74kg
原料乙炔中含水量=6414.5×
0.03%=1.92mol=0.0346kg
纯氯化氢加入量=6350.4×
1.1=6985.4mol
原料氯化氢加入量=6985.4÷
95.0%=7353mol
原料氯化氢中含氢量=7353×
4.57%=365.4mol=0.731kg
原料氯化氢中含水量=7353×
0.03%=2.21mol=0.0397kg
生成二氯乙烷量=162.63÷
26×
99×
0.54%=3.344kg
副反应消耗氯化氢量
剩余氯化氢量=254.97—226.94—2.466=25.56kg
剩余乙炔量=165.11—162.63=2.48kg
生成乙醛量=162.63÷
44×
0.06%=0.165kg
水反应量=0.165÷
18=0.0676kg
剩余水量=0.0346+0.0397—0.0676=0.0067kg
原料乙炔加入质量=165.11+1.74+0.0346=166.88kg
原料氯化氢加入质量=254.97+0.731+0.0397=255.74kg
氮、氢不参加反应。
(7)列物料衡算表,见表16-2。
表16-2物料衡算表
Kg
%
乙炔
氯化氢
氮气
氢气
氯乙烯
二氯乙烷
乙醛
26
36.5
62.5
99
165.11
254.97
0.0743
1.74
0.731
39.07
60.33
0.018
0.41
0.17
2.48
25.56
0.0067
388.6
3.344
0.165
0.59
6.05
0.016
91.95
0.79
0.04
95.4
700.3
0.37
62.2
365.5
6217.6
33.8
3.8
1.28
9.36
0.005
0.83
4.89
83.13
0.45
0.05
422.6
100
7479
【例16.1.4】年产8000t工业甲醛的物料衡算
(1)计算范围全装置。
见图16-5。
(2)主副反应反应式见计算过程。
甲醇发生五个反应的分配率为主氧化51.2%,脱氢39.2%,加氢0.6%,深度氧化0.8%,完全氧化8.2%。
(3)计算任务甲醇消耗量,干尾气摩尔组成。
(4)基准年工作时为7200h。
以1h为基准。
8000×
7200h=1111.11kg/h
(5)选择数据工业甲醛中甲醛质量含量为37.0%。
甲醇转化率为93.0%。
原料甲醇质量组成:
甲醇98%,水2%。
氧与甲醇的配比为0.365(mol)。
配料水蒸气与甲醇—空气混合气的质量比为0.3,忽略损失。
(6)计算过程
纯甲醛量=1111.11×
37.0%=411.11kg=13.704kmol
甲醇总反应量=13.704÷
(51.2%+39.2%)=15.159kmol=485.06kg
纯甲醇加入量=458.09÷
93.0%=521.60kg=16.30kmol
原料甲醇加入量=521.60÷
98%=532.24kg
含水量=532.24×
2%=10.64kg
氧加入量=0.365×
16.30=5.9495kmol=190.38kg
氮加入量=5.9495÷
21×
79=22.381kmol=626.68kg
空气量=190.38+626.69=817.06kg
甲醇-空气量=532.24+817.06=1349.30kg
配料水蒸气量=1349.30×
0.3=404.79kg
反应器输出甲醇量=521.60-485.09=36.51kg
CH3OH+
O2==HCHO+H2O
32163018
485.09kg×
51.2%
=248.37kg124.18kg232.84kg139.71kg
CH3OH==HCHO+H2
32302
485.09kg×
39.2%
=190.155kg178.27kg11.885kg
CH3OH+H2==CH4+H2O
3221618
0.6%
=2.9lkg0.182kg1.455kg1.637kg
反应器输出氢量=11.885-0.182=11.703kg
CH3OH+O2==CO+2H2O
32322836
0.8%
=3.88kg3.88kg3.396kg4.366kg
O2==CO2+2H2O
32484436
8.2%
=39.78kg59.666kg54.694kg44.75kg
反应器输出水量=10.64+404.79+139.71+1.637+4.366+44.75=605.89kg
吸收水量=1111.11-36.51-411.11-605.89=57.6kg
反应器输出氧量=190.38-124.18-3.88-59.666=2.65kg
(7)列出物料衡算表见表16-3。
表16-3(a)蒸发过程物料衡算蒸发过程物料衡算表
输入
输出
kg
原料甲醇
甲醇
空气
521.60
10.64
—
190.38
626.68
甲醇-空气混合气
1349.30
配料水蒸气
403.79
甲醇-空气-水混合气
1754.09
总计
表16-3(b)混合过程物料衡算表
表16-3(c)反应过程物料衡算表
%
甲醛
一氧化碳
30
415.43
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