化工設(shè)計(jì) 第3章 物料衡算和熱量衡算.ppt

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1、第三章化工計(jì)算2005-09-261化工設(shè)計(jì)3.1物料衡算目的與意義了解原料與產(chǎn)品間的定量關(guān)系，確定物耗以及系統(tǒng)平衡狀態(tài)是能量衡算、設(shè)備工藝設(shè)計(jì)與選型，管道設(shè)計(jì)及所有工藝計(jì)算的基礎(chǔ)確定各單元設(shè)備的物流量及其組成、能量負(fù)荷對(duì)生產(chǎn)工藝方案起檢查作用，消除不合理?yè)p耗，改進(jìn)工藝路線3.1物料衡算基本方法物料平衡方程依據(jù)：質(zhì)量守恒定律基本方程進(jìn)入－流出＋反應(yīng)生成－反應(yīng)消耗＝累積Fi–Fo+Dp–Dr=W簡(jiǎn)化連續(xù)穩(wěn)態(tài)操作過程Fi–Fo+Dp–Dr=0連續(xù)穩(wěn)態(tài)無化學(xué)反應(yīng)操作過程Fi–Fo=0間歇操作過程過程Dp–Dr=W半間歇過程Fi–Fo+Dp–Dr=W3.1物料衡算物料衡算基準(zhǔn)時(shí)間

2、基準(zhǔn)連續(xù)過程一段時(shí)間的投料量或生產(chǎn)產(chǎn)品量作為計(jì)算基準(zhǔn)例：年產(chǎn)300kt乙烯裝置，年操作時(shí)間為8000h，則每小時(shí)的平均產(chǎn)量為37.5t。年處理量為9000kt煉油廠，年操作時(shí)間為8000h，則每小時(shí)的平均產(chǎn)量為1125t。批量基準(zhǔn)間歇過程一釜或一批料的生產(chǎn)周期作為基準(zhǔn)質(zhì)量基準(zhǔn)（進(jìn)料或出料量）當(dāng)系統(tǒng)介質(zhì)為液、固相時(shí)，選擇一定質(zhì)量的原料或產(chǎn)品作為計(jì)算基準(zhǔn)例：以石油、煤、礦石為原料的化工廠，可采用一定量的原料為基準(zhǔn)。1kg、1000kg、100t物質(zhì)的量為基準(zhǔn)（mol為基準(zhǔn)）如果原料或產(chǎn)品是單一化合物，或由已知組成百分?jǐn)?shù)和組分分子量的多組分組成，可用物質(zhì)的量作為計(jì)算基準(zhǔn)3.1物

3、料衡算基本步驟確定物料衡算對(duì)象與范圍，畫出物料衡算對(duì)象的流程示意圖寫出化學(xué)反應(yīng)方程式確定計(jì)算任務(wù)選定計(jì)算基準(zhǔn)收集數(shù)據(jù)資料，計(jì)算需要的數(shù)據(jù)列出平衡方程（組），計(jì)算整理并校核，根據(jù)需要列成原材料消耗表繪制物料流程圖3.1物料衡算例1某化工廠要求設(shè)計(jì)一套從氣體中回收丙酮的裝置系統(tǒng)，流程框圖如下，要求由已知資料，計(jì)算各物流的流率（kg/h），以便進(jìn)行設(shè)備設(shè)計(jì)。3.1物料衡算解：由于除空氣進(jìn)料后的其余組成均是以質(zhì)量百分?jǐn)?shù)表示的，所以取基準(zhǔn)：100kmol氣體進(jìn)料。因此，將空氣——丙酮的摩爾分率轉(zhuǎn)換成質(zhì)量分率w3.1物料衡算解分析：進(jìn)入系統(tǒng)物流為兩個(gè)，流出為三個(gè)，其中有一個(gè)已知，所以

4、有四個(gè)物流未知因此要有四個(gè)方程求解總物料平衡式各組分平衡式3.1物料衡算解獨(dú)立方程數(shù)為3，why可補(bǔ)充的數(shù)據(jù)（之一）氣體混合物流量離開系統(tǒng)的產(chǎn)品流量離開系統(tǒng)的廢液流量進(jìn)入蒸餾塔的組成3.1物料衡算例3.2（有反應(yīng)過程的物料衡算）作年產(chǎn)300t對(duì)-硝基乙苯工段的物料衡算，原料乙苯純度為95%，硝化混酸組成為，HNO332%,H2SO456%,H2O12%。粗乙苯與混酸質(zhì)量比1:1.885，對(duì)硝基乙苯收率50%，硝化產(chǎn)物為硝基乙苯的混合物，其比例衛(wèi)對(duì):鄰:間=0.5:0.44:0.06。配置混酸所用的原料為:HNO396%,H2SO493%,及H2O，年工作日300天，假設(shè)轉(zhuǎn)

5、化率為100%，間歇生產(chǎn)3.1物料衡算解：流程示意圖H2O3.1物料衡算原料乙苯量基準(zhǔn)：間歇生產(chǎn)，每天需生產(chǎn)的kg數(shù)為基準(zhǔn)對(duì)-硝基乙苯量：乙苯量：原料乙苯量：雜質(zhì)量：3.1物料衡算配酸酸量混酸量純HNO3量96%HNO3量純H2SO4量93%H2SO4量加H2O量3.1物料衡算硝化已知轉(zhuǎn)化率100%.硝化物產(chǎn)量其中對(duì)鄰間3.1物料衡算硝化廢酸量：HNO3消耗量：H2O生成量：廢酸中HNO3量：H2SO4量：H2O量：廢酸總量：組成：HNO32.06%,H2SO471.52%,H2O26.42%3.1物料衡算例3.2（有反應(yīng)過程的物料衡算）工業(yè)上，合成氨原料氣中的CO通過變

6、換反應(yīng)器而除去，如圖所示。在反應(yīng)器1中大部分轉(zhuǎn)化，在反應(yīng)器2中完全脫去。原料氣是由發(fā)生爐煤氣（78%N2，20%CO，2%CO2）和水煤氣（50%H2，50%CO）混合而成的半水煤氣。在反應(yīng)器中與水蒸氣發(fā)生反應(yīng)：CO＋H2OCO2＋H2N278%,CO20%CO22%,F1H250%,CO50%,F2反應(yīng)器1反應(yīng)器2H2O,F3F4N2,H2，H2OCO，CO2F5N2,H2,H2O,CO2最后得到物流中H2與N2之比為3：1，假定水蒸氣流率是原料氣總量（干基）的兩倍，同時(shí)反應(yīng)器1中，CO的轉(zhuǎn)化率為80%，試計(jì)算中間物流（4）的組成。解：基準(zhǔn)：物流1為100mol/h；正

7、反應(yīng)的速率為r（mol/h）（1）過程先由總單元過程摩爾衡算式進(jìn)行計(jì)算，總衡算式為：N2平衡：F5,N2＝0.78×100＝78mol/hCO平衡：0＝0.2×100＋0.5F2－rH2O平衡：F5,H2O＝F3－rCO2平衡：F5,CO2＝0.02×100＋rH2平衡：F5,H2＝0.5F2＋r解：已知H2與N2之比為3：1F5,H2＝3F5,N2＝3×78＝234mol/h原料氣（干基）與水蒸氣之比1：2F3＝2（F1＋F2）將H2和CO平衡式相加，消去r，得：F2＝234-20＝214mol/h將F2值代入CO平衡式中，