化工设计第三章物料衡算和能量衡算.ppt
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化工设计化工设计DesignofChemicalEngineeringw11黄黄璐璐,王王保保国国编编.化化工工设设计计.北北京京:
化化学学工工业出版社,业出版社,20002000w22娄娄爱爱娟娟,吴吴志志泉泉,吴吴叙叙美美编编.化化工工设设计计.华华东理工大学出版社,东理工大学出版社,20022002w33王王静静康康主主编编.化化工工设设计计.北北京京:
化化学学工工业业出出版社,版社,19951995第三章第三章物料衡算和能量衡算物料衡算和能量衡算w第一节第一节连续过程的物料衡算连续过程的物料衡算w第二节第二节车间(装置)的物料衡算车间(装置)的物料衡算w第三节第三节化学反应过程的能量衡算化学反应过程的能量衡算w第四节第四节计算机在物料衡算与能量衡算中计算机在物料衡算与能量衡算中的应用的应用w基本要求基本要求w(11)熟练掌握化工过程的物料衡算)熟练掌握化工过程的物料衡算w(22)熟练掌握化工过程的能量衡算)熟练掌握化工过程的能量衡算第一节第一节连续过程的物料衡算连续过程的物料衡算w一、物料衡算的基本方法一、物料衡算的基本方法w11物料平衡方程物料平衡方程w物料衡算的理论依据是质量守恒定律,即物料衡算的理论依据是质量守恒定律,即在一个孤立物系中,不论物质发生任何变在一个孤立物系中,不论物质发生任何变化,它的质量始终不变(不包括核反应,化,它的质量始终不变(不包括核反应,因为核反应能量变化非常大,此定律不适因为核反应能量变化非常大,此定律不适用)。
用)。
第一节第一节连续过程的物料衡算连续过程的物料衡算进入过程单元的物料量流出过程单元的物料量过程单元内累积的物料量在过程单元内消耗的物料量在过程单元内生成的物料量(FFii-F-Foo)+(DDpp-D-Drr)=W=W稳定操作过程:
(稳定操作过程:
(FFii-F-Foo)+(DDpp-D-Drr)=0=0系统内无化学反应:
(系统内无化学反应:
(FFii-F-Foo)=W=W系统内无化学反应的稳态操作过程:
系统内无化学反应的稳态操作过程:
FFii-F-Foo=0=0+=FiFoDpDrW第一节第一节连续过程的物料衡算连续过程的物料衡算w列物料衡算式时应注意,物料平衡是指质列物料衡算式时应注意,物料平衡是指质量平衡,不是体积或物质的量量平衡,不是体积或物质的量(摩尔数摩尔数)平平衡。
若体系内有化学反应,则平衡式中各衡。
若体系内有化学反应,则平衡式中各项用摩尔项用摩尔/时为单位时,必须考虑反应式时为单位时,必须考虑反应式中的化学计量系数。
因为反应前后物料中中的化学计量系数。
因为反应前后物料中的分子数不守恒。
的分子数不守恒。
第一节第一节连续过程的物料衡算连续过程的物料衡算w例:
如图,表示无化学反应的连续过程物料流例:
如图,表示无化学反应的连续过程物料流程。
图中方框表示一个体系,虚线表示体系边程。
图中方框表示一个体系,虚线表示体系边界。
共有三个流股,进料界。
共有三个流股,进料FF及出料及出料PP和和WW。
有两个有两个组分。
每个流股的流量及组成如图所示。
图中组分。
每个流股的流量及组成如图所示。
图中xx为质量分数。
为质量分数。
第一节第一节连续过程的物料衡算连续过程的物料衡算w总物料衡算式总物料衡算式F=P+Ww每种组分衡算式每种组分衡算式Fxf1=Pxp1+Wxw1wFxf2=Pxp2+Wxw2第一节第一节连续过程的物料衡算连续过程的物料衡算w22物料衡算基准物料衡算基准w(11)时间基准)时间基准w(22)批量基准)批量基准w(33)质量基准)质量基准w(44)物质的量基准)物质的量基准w(55)标准体积基准)标准体积基准第一节第一节连续过程的物料衡算连续过程的物料衡算w二、物料衡算的基本程序二、物料衡算的基本程序w
(1)
(1)确定衡算的对象和范围。
确定衡算的对象和范围。
w
(2)
(2)确定计算任务。
确定计算任务。
w(3)(3)确确定定过过程程所所涉涉及及的的组组分分,并并对对所所有有组组分分依依次编号。
次编号。
w(4)(4)对物流流股进行编号,并标注物流变量。
对物流流股进行编号,并标注物流变量。
w(5)(5)收集数据资料。
收集数据资料。
第一节第一节连续过程的物料衡算连续过程的物料衡算w(6)(6)列列出出过过程程的的全全部部独独立立物物料料衡衡算算式式及及其它相关约束式。
其它相关约束式。
w(7)(7)选择合适的计算基准。
选择合适的计算基准。
w(8)(8)统统计计变变量量个个数数与与方方程程个个数数,确确定定设设计计变量的个数及全部设计变量。
变量的个数及全部设计变量。
w(9)(9)整理并校核计算结果。
整理并校核计算结果。
w(10)(10)绘制物料流程图,编写物流表。
绘制物料流程图,编写物流表。
第一节第一节连续过程的物料衡算连续过程的物料衡算w三、非反应过程的物料衡算三、非反应过程的物料衡算第一节第一节连续过程的物料衡算连续过程的物料衡算w一一种种废废酸酸,组组成成为为23(质质量量)HNO3,57H2SO4和和20H2O,加加入入93的的浓浓H2SO4及及90的的浓浓HNO3,要要求求混混合合成成27HNO3及及60H2SO4的的混混合合酸酸,计计算算所所需需废废酸酸及及加加入入浓浓酸酸的的数数量。
量。
w解:
解:
w设设x废酸量,废酸量,kg;wy浓浓H2SO4量,量,kg;wz浓浓HNO3量;量;第一节第一节连续过程的物料衡算连续过程的物料衡算w1、画物料流程简图、画物料流程简图第一节第一节连续过程的物料衡算连续过程的物料衡算w2、选选择择基基准准,可可以以选选废废酸酸或或浓浓酸酸的的量量为为基基准准,也也可可以以用用混混合合酸酸的的量量为为基基准准,因因为为四四种种酸酸的的组组成成均均已已知知,选选任任何何一一种种作作基基准准计算都很方便。
计算都很方便。
w3、列列物物料料衡衡算算式式,该该体体系系有有3种种组组分分,可可以以列列出出3个个独独立立方方程程,所所以以能能求求出出3个个未未知知量。
量。
w基准:
基准:
100kg混合酸混合酸第一节第一节连续过程的物料衡算连续过程的物料衡算w总物料衡算式:
总物料衡算式:
x+y+z=100
(1)wH2SO4的衡算式:
的衡算式:
w0.57x+0.93y=1000.6=60
(2)wHNO3的衡算式:
的衡算式:
w0.23x+0.90z=1000.27=27(3)w解解
(1),
(2),(3)方程,得方程,得x=41.8kg废酸废酸wy=39kg浓浓H2SO4wz=19.2kg浓浓HNO3w即即由由41.8kg废废酸酸、39kg浓浓H2SO4和和19.2kg浓浓HNO3可可以混合成以混合成100kg混合酸。
混合酸。
第一节第一节连续过程的物料衡算连续过程的物料衡算w根据水平衡,可以核对以上结果:
根据水平衡,可以核对以上结果:
w加加入入的的水水量量=41.80.2+390.07+19.20.10=13kgw混合后的酸,含混合后的酸,含13H2O,所以计算结果正确。
所以计算结果正确。
w以以上上物物料料衡衡算算式式,亦亦可可以以选选总总物物料料衡衡算算式式及及H2SO4与与H2O二二个个衡衡算算式式或或H2SO4、HNO3和和H2O三三个个组组分分衡衡算算式式进进行行计计算算,均均可可以以求求得得上上述结果。
述结果。
第一节第一节连续过程的物料衡算连续过程的物料衡算w四、反应过程的物料衡算四、反应过程的物料衡算第一节第一节连续过程的物料衡算连续过程的物料衡算w例例3-13-1在化学反应器中,利用乙烯部分氧化制在化学反应器中,利用乙烯部分氧化制取环氧乙烷,是将乙烯在过量空气存在条件下通取环氧乙烷,是将乙烯在过量空气存在条件下通过银催化剂进行。
主反应:
过银催化剂进行。
主反应:
w同时存在副反应:
同时存在副反应:
w如果进料物质的流量为如果进料物质的流量为1000mol/h1000mol/h,进料中含进料中含CC22HH44摩尔分数为摩尔分数为10%10%,乙烯的转化率为,乙烯的转化率为25%25%,生成产物的,生成产物的CC22HH44的选择性为的选择性为80%80%,计算反应器出口物流的流量与,计算反应器出口物流的流量与组成。
组成。
第一节第一节连续过程的物料衡算连续过程的物料衡算w转转化化率率(以以xx表表示示):
某某一一反反应应物物反反应应掉掉的的量量占其输入量的百分数。
占其输入量的百分数。
w若若以以NNA1A1、NNA2A2分分别别表表示示反反应应物物AA输输入入及及输输出出体体系系的摩尔数,则反应物的摩尔数,则反应物AA的转化率为的转化率为:
第一节第一节连续过程的物料衡算连续过程的物料衡算w选择性(以选择性(以SS表示):
反应物反应成目的产物表示):
反应物反应成目的产物所消耗的量占反应物反应掉的量的百分数。
所消耗的量占反应物反应掉的量的百分数。
w若反应物为若反应物为AA,生成的目的产物为生成的目的产物为DD,NNDD表示生表示生成的目的产物成的目的产物DD的摩尔数,的摩尔数,aa、dd分别为反应物分别为反应物AA与目的产物与目的产物DD的化学计量系数,则选择性为的化学计量系数,则选择性为:
第二节第二节车间(装置)的物料车间(装置)的物料衡算衡算w实际化工生产中,在一个车间(装置)中物料的实际化工生产中,在一个车间(装置)中物料的添加和分离比较频繁,并且经常伴随着化学反应添加和分离比较频繁,并且经常伴随着化学反应的发生,物料衡算比较复杂。
的发生,物料衡算比较复杂。
w以以工业合成氨原料气和乙烯直接水合制乙醇的车工业合成氨原料气和乙烯直接水合制乙醇的车间物料衡算间物料衡算为例。
为例。
第二节第二节车间(装置)的物料车间(装置)的物料衡算衡算w例例3-23-2工业上,合成氨原料气中的工业上,合成氨原料气中的COCO通过变换反应器通过变换反应器而脱除,如图而脱除,如图3-23-2所示。
在反应器所示。
在反应器11中大部分中大部分COCO转化,反转化,反应器应器22中完全脱除。
原料气是由发生炉煤气(中完全脱除。
原料气是由发生炉煤气(78%N78%N22,20%CO20%CO,2%CO2%CO22)和水煤气()和水煤气(50%H50%H22,50%CO50%CO)混合而成的)混合而成的半水煤气,在反应器中与水蒸汽发生反应。
半水煤气,在反应器中与水蒸汽发生反应。
w最后得到的物流中最后得到的物流中HH22与与NN22之比为之比为33:
11。
假定水蒸汽流率。
假定水蒸汽流率是原料气总量(干基)的两倍,同时反应器是原料气总量(干基)的两倍,同时反应器11中的中的COCO的的转化率为转化率为80%80%,试计算中间物流,试计算中间物流FF44的组成。
的组成。
第二节第二节车间(装置)的物料车间(装置)的物料衡算衡算反应器反应器1反应器反应器2N278%,CO20%CO22%,F1H250%,CO50%,F2F3H2OF4N2,H2O,H2,CO,CO2N2,CO2H2O,H2,F5图图3-23-2氨原料气中氨原料气中COCO脱除流程示意脱除流程示意第二节第二节车间(装置)的物料车间(装置)的物料衡算衡算w例例3-33-3乙烯直接水合制乙醇过程的物料衡算。
在乙烯直接水合制乙醇过程的物料衡算。
在工业生产中,乙醇经常通过乙醇直接水合法制备,工业生产中,乙醇经常通过乙醇直接水合法制备,流程示意见图流程示意见图3-33-3。
第二节第二节车间(装置)的物料车间(装置)的物料衡算衡算w主反应主反应同时存在副反应同时存在副反应第二节第二节车间(装置)的物料车间(装置)的物料衡算衡算w已知:
原料乙烯已知:
原料乙烯F1F1组成(体积分数):
乙烯组成(体积分数):
乙烯96%96%,惰性物质,惰性物质4%4%;进入反应器的混合气;进入反应器的混合气F4F4组成(干基,体积分数):
组成(干基,体积分数):
CC22HH4485%85%,惰性物质,惰性物质
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- 化工 设计 第三 物料 能量