化工过程开发与设计第5章物料衡算.pptx

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1、第5章 物料衡算,化工过程开发与设计,不同过程的物料衡算,5.2,化工过程的物料衡算,5.3,物料衡算的基本概念,5.1,第5章 物料衡算,计算机辅助计算方法在物料衡算中的应用,5.4,5.1 物料衡算的基本概念,1,2,物料衡算式,物料衡算的基本步骤,5.1.1 物料衡算式,物料衡算是根据质量守恒定律，利用某进出化工过程中某些已知物流的流量和组成，通过建立有关物料的平衡式和约束式，求出其它未知物流的流量和组成的过程。 系统中物料衡算的一般表达式为 系统中的积累=输入-输出+生成-消耗 （5-1） 输入=输出-生成+消耗 （5-2） 输入=输出 （5-3）,5.1.1 物料衡算式,表5-1 稳

2、态过程中物料衡算式的适用情况,5.1.2 物料衡算的基本步骤,（1）收集数据 （2）画出流程示意图 （3）确定衡算系统和计算方法 （4）选择合适的计算基准 （5）列出物料衡算式，用数学方法求解 （6）将计算结果列成输入输出物料表 （7）结论,5.2 不同过程的物料衡算,1,2,物理过程的物料衡算,反应过程的物料衡算,5.2.1 物理过程的物料衡算,1混合 混合过程即为若干股物料在同一容器（混合器）内混合为一股物料而流出的过程。 例5.1 一种废酸，组成（wt%）为HNO323%、H2SO457%、H2O20%，加入浓度为93%的浓H2SO4和浓度为90%的浓HNO3，要求混合成含27%HNO3

3、和60%H2SO4的混合酸，计算所需废酸及加入浓酸的数量。,5.2.1 物理过程的物料衡算,解 （1）画物料流程简图5.1。,W4=100kg,图5.1 混合过程物料流程简图,5.2.1 物理过程的物料衡算,（2）选择基准 （3）列物料衡算式 W1=41.8kg （废酸） W2=19.2kg （浓HNO3） W3=39kg （浓H2SO4） （4）列出物料平衡表5-2。,5.2.1 物理过程的物料衡算,表5-2 物料平衡表,5.2.1 物理过程的物料衡算,2物理吸收 吸收是指用适当的液体吸收剂处理气体混合物，以除去其中一种或多种组分的操作。,图5.2 吸收塔示意图,5.2.1 物理过程的物料衡

4、算,全塔的物料衡算为： （5-4） （5-5）,5.2.1 物理过程的物料衡算,3精馏 （1）连续蒸馏,图5.4 连续蒸馏流程简图,5.2.1 物理过程的物料衡算,例5.3 连续常压蒸馏塔进料为含苯质量分数（下同）38%和甲苯62%的混合溶液，要求馏出液中能回收原料中97%的苯，釜残液中含苯不高于2%，进料流量为20000kg/h，求馏出液和釜残液的流量和组成。 解：,5.2.1 物理过程的物料衡算,表5-3 蒸馏塔物料平衡表,5.2.1 物理过程的物料衡算,（2）常规精馏 例5.4 有一精馏塔，其进料组成和塔顶馏出物组成如图5.5所示。,图5.5 常规精馏流程简图,5.2.1 物理过程的物料

5、衡算,解： F2=38.8kmol/h， F3=61.2kmol/h,表5-4 例5.4的物料平衡表,5.2.2 反应过程的物料衡算,1基本概念 （1）限制反应物 （2）过量反应物 （5-6） （3）转化率 （5-7）,5.2.2 反应过程的物料衡算,（4）反应速率 R（S）=（S）r (5-8) q（出，S）= q（入，S）+（S）r s=1，2，s (5-9) （5）收率 Y（P，Q）= (5-10),5.2.2 反应过程的物料衡算,例5.5 邻二甲苯氧化制取苯酐，反应式为 C3H10+3O2C8H4O3+3H2O 设邻二甲苯的转化率为60%，氧用量为实际反应用量的150%，如果邻二甲苯的

6、投料量为100kg/h，作物料衡算。 解 进料：邻二甲苯C8H10 100/106=0.944kmol/h 氧O2 0.9440.63150%=2.55kmol/h,5.2.2 反应过程的物料衡算,出料：苯酐C8H4O3 0.9440.6148=83.83kg/h 水H2O 0.9440.6318=30.6kg/h 剩余邻二甲苯 1000.4=40kg/h 剩余氧 (2.55-0.9440.63)32=27.22kg/h 氮N2 /h,5.2.2 反应过程的物料衡算,表5-5 例5.5计算结果,5.2.2 反应过程的物料衡算,例5.6 在间歇釜中，往苯中通入氯气生产氯苯，所用工业苯纯度为97.

7、5%，氯气纯度为99.5%。为控制副产物的生成量，当氯化液中氯苯质量分数达0.40时，停止通氯，此时氯化液中二氯苯质量分数为0.02，三氯苯质量分数为0.005。试作每釜生产1吨氯苯的物料衡算。,5.2.2 反应过程的物料衡算,表5-6 物料衡算表,5.2.2 反应过程的物料衡算,例5.7 在乙二醇生产中，所用的反应物是由乙烯部分氧化法制得的环氧乙烷。制取环氧乙烷的方法是将乙烯在过量空气存在下通过银催化剂。 解：,图5.6 乙烯部分氧化,5.2.2 反应过程的物料衡算,例5.8 将苯氯化生成一种由一氯、二氯、三氯和四氯化苯组成的混合物，其反应为： C6H6+Cl2C6H5Cl+HCl，其反应速

8、率为r1； C6H5Cl+Cl2C6H4Cl2+HCl，其反应速率为r2； C6H4Cl2+Cl2C6H3Cl3+HCl，其反应速率为r3； C6H4Cl3+Cl2C6H2Cl4+HCl，其反应速率为r4。,5.2.2 反应过程的物料衡算,氯化过程的主要产物是三氯化苯C6H3Cl3，它是固体，用做干燥清洁剂。假设氯和苯的进料速率比为Cl2C6H6=3.61，其产物的组成（mol%）：C6H6 1，C6H5Cl 7，C6H4Cl2 12，C6H3Cl3 75，C6H2Cl4 5。如果反应器负荷为1000mol/h苯，计算副产物HCl和主产品C6H3Cl3的产率mol/h。,5.2.2 反应过程的

9、物料衡算,解：,图5.7 苯氯化流程图,5.2.2 反应过程的物料衡算,4以结点作衡算 在生产中有些情况下，特别是对大型题目，可以分解为小分流，以便使计算简化。,图5.8 结点示意图,5.2.2 反应过程的物料衡算,例5.9 某工厂用烃类气体转化制取合成甲醇的原料气。在标准状态下，要求原料气量为2321m3/h，其中一氧化碳与氢气的量（mol）的比为124。转化制成的气体组成x（CO）为0.4312（摩尔百分数，下同），x（H2）为0.542，此组成不符合合成甲醇的要求。为此，需将部分转化气送至CO变换反应器变换，变换后气体组成x（CO）为0.0876，x（H2）为0.8975，气体脱CO2后

10、体积缩小2%，用此气体去调节转化气，使之符合原料气质量要求，计算转化气、变换气各需多少？要求原料气中x（CO+H2）占0.98。,5.2.2 反应过程的物料衡算,解：,图5.9 甲醇原料气配制图,5.2.2 反应过程的物料衡算,5利用联系组分作物料衡算 所谓“联系组分”，系指衡算过程中联系衡算系统进、出物流的特定组分。当组分从一个物流进到另一物流时，如果它的形态和总量未发生变化，而在不同物流中所占的相对百分数不同，我们利用它的这种特点计算其它组分的量和物流总量。用这种方法可使计算变得简单易行。,5.2.2 反应过程的物料衡算,例5.10 甲烷和氢的混合气与空气完全燃烧以加热锅炉。反应方程式如下

11、： CH4+2O22H2O+CO2 （1） H2+ O2H2O （2） 产生的烟道气经分析其组成（摩尔分数）：x（N2）为0.7219，x（CO2）为0.0812，x（O2）为0.0244，x（H2O）为0.1725。试求： （1）燃料中CH4与H2的摩尔比； （2）空气与（CH4+H2）的摩尔比。,5.2.2 反应过程的物料衡算,解：,图5.10 加热锅炉示意图,表5-7 例5.10计算结果,5.2.2 反应过程的物料衡算,解： mol,5.2.2 反应过程的物料衡算,6利用化学平衡作物料衡算 平衡转化率是化学反应达到平衡后反应物转化为产物的百分数。,5.2.2 反应过程的物料衡算,例5.1

12、1 已知C2H4（g）+H2O（g） C2H5OH（g）在400K时，平衡常数Kp=9.8710-4kPa。若原料是由1mol的C2H4和1mol的H2O组成，试求在该温度和101.325 kPa下C2H4的转化率，并计算平衡体系中各物质的浓度（气体可当作理想气体）。 解：设C2H4的转化率为，那么反应平衡时系统内物料的组成为 C2H4（g）+H2O（g） C2H5OH（g）,5.2.2 反应过程的物料衡算,平衡后各物质的摩尔分数为,5.2.2 反应过程的物料衡算,7利用元素原子平衡作物料衡算 化学反应前后各元素的原子数是相等的。 例5.12 作天燃气一段转化炉的物料衡算，天然气的组成如下：,

13、5.2.2 反应过程的物料衡算,e=(97.8+0.52+0.23+0.14) (10.67)=32.9mol a=33.1，b=33.8，c=232.6，d=100,图5.11 转化炉示意图,5.2.2 反应过程的物料衡算,表5-8 例5.12计算结果,5.3 化工过程的物料衡算,1,2,串联设备,弛放过程,3,循环过程,5.3.1 串联设备,例5.13 用双塔流程分离三组分混合物，已知数据如图5.12，进料中的组分为A，B，C，进料物流N1为100mol/h。计算N3、N4、N5的值及其组分A，B，C的摩尔分数x3,1，x3,2，x3,3。,5.3.1 串联设备,解：,图5.12 双塔流程

14、分离混合物示意图,5.3.1 串联设备,基准：选第一塔进料流量100mol/h为基准 选塔为体系，则 100=N3+50 故 N3=50mol/h N412.20mol/h，N5=34.80mol/h,5.3.2 弛放过程,例5.14 合成氨反应式 3H2+N2 2NH3的流程如图5.13。合成氨经分离器分离后，未反应的合成气循环使用，并部分弛放以防惰性气体积累造成不良影响。新鲜合成气中氢气和氮气体积比为3：1。即惰性气体：1%，H2：74.25%，N2：24.75%。已知单程转化率22%，总转化率94%，弛放气含氨3.75%，含惰性气体12.5%。,5.3.2 弛放过程,试通过物料衡算求出：

15、 （1）放空比F5/F1，循环比F2/F1； （2）在标准状态下，按100m3/h进新鲜合成气时，生成合成氨的量； （3）1000t/d合成氨装置每小时所需原料量。,图5.13 合成氨反应流程示意图,5.3.2 弛放过程,解： 弛放气和循环气中，（氢气氮气）总体积百分比 112.5%3.75%83.75% 得生成合成氮气的量： F42F124.75%94%46.53 m3/h (46.53/22.417)=35.31kg/h 每小时需进新鲜合成气量为 100/35.31（1/24）106=1.18105 m3/h,5.3.3 循环过程,例5.15 苯直接加H2转化为环己烷，产量为100kmol

16、/h。输入系统中的苯99%反应生成环己烷，进入反应器物流的组成为80% H2和20% C6 H6（摩尔分数，下同）。产物物流中含有3%的H2。流程如图5.14。试计算： （1）产物物流的组成； （2）H2和C6 H6的进料速率； （3）H2的循环速率。,5.3.3 循环过程,解： H2的进料速率为 kmol/h 苯的进料速率为 kmol/h 设循环H2的量为R，则有 kmol/h,5.3.3 循环过程,图5.14 环己烷生产流程示意图,5.4 计算机辅助计算方法在物料衡算 中的应用,1,2,Matlab在物料衡算中的应用,采用单元过程计算软件进行物料衡算,3,化工流程中的物料衡算,5.4.1

17、Matlab在物料衡算中的应用,Matlab是一种功能强大的工程计算语言，具有简单、快捷、准确及结果可视化等优点，在解决曲线拟合、线性/非线性方程、常/偏微分方程等方面有着独特的优势，下面通过烟道气组成的求解，讨论其在物料衡算中的应用。,5.4.2 采用单元过程计算软件进行物料衡算,计算的基本步骤如下： （1）确定过程计算所涉及的物质，由物质输入窗口从数据库中选取所需物质或自定义库中缺损物质。 （2）如有自定义物质，由物质结构窗口选择构造自定义物质。 ,5.4.2 采用单元过程计算软件进行物料衡算,例5.16 平衡闪蒸计算。合成氨过程中，反应器出来的产品为氨、未反应的N2和H2以及原料物流带入

18、的并通过反应器的少量氩、甲烷等杂质。反应器出来的产品在33.3和13.3MPa下进入分凝器中进行冷却和分离。进料流率为100kmol/h，计算分凝器出来的各物流流率和组成。,表5-9 合成氨反应器出来的物料组成,5.4.2 采用单元过程计算软件进行物料衡算,解：实际过程为一分凝器，模拟计算时只需选择一个闪蒸器计算模块，将给定的温度、压力值输入即可完成计算。,图5.15 例5.16的计算屏幕显示,5.4.2 采用单元过程计算软件进行物料衡算,表5-10 物流组成,5.4.3 化工流程中的物料衡算,1低沸塔系统工艺流程,图5.16低沸塔系统工艺流程图,5.4.3 化工流程中的物料衡算,2计算模型 （1）2号全凝器 (5-11) (5-12),5.4.3 化工流程中的物料衡算,（2）尾凝器 （3）水分离器,5.4.3 化工流程中的物料衡算,（4）低沸塔 冷凝段平均温度=（塔顶温度+进料温度）/2 蒸出段平均温度=（进料温度+塔釜温度）/2,5.4.3 化工流程中的物料衡算,3计算程序,图5.17物料衡算程序流程图,Thank you,