3物料衡算和能量衡算

3物料衡算与能量衡算2006年10月第三章物料衡算与能量衡算3物料衡算与能量衡算3.1物料衡算的基本方法3.2反应过程的物料衡算3.3反应过程的能量衡算3.4应用AspenPlus进行化工过程的物料衡算和能量衡算3物料衡算与能量衡算3.1物料衡算的基本方法一、物料衡算的质量守恒一般表示式为：进入系统的质量流量-排出系统的质量流量=系统内质量的累积对稳态过程，系统内质量的累积为零。此时：进入系统的质量流量=排出系统的质量流量3物料衡算与能量衡算4二、物料衡算基准⑴时间基准连续（秒，小时，天……）、间歇（釜，批……）⑵质量基准（液体、固体）kg（100kg、已知变量最多的物流）mol（化学反应），kmol……⑶体积基准（气体）m3（STP-标准体积基准）⑷干湿基准干基（不含水），湿基（含水）例：100kg湿物料，其中含水10kg，湿基：含水率为10%；干基：含水率为10/（100-10）×100%=11.11%3物料衡算与能量衡算5三、物料衡算的基本步骤⑴画出流程示意图⑵确定计算任务⑶确定组分数据⑷收集物性参数⑸写出主、副产品的化学反应方程式。3物料衡算与能量衡算物性数据：生产规模（设计任务所规定，t/年）生产时间（指全年有效生产天数300~330天/年，计约8000h）有关定额的技术指标通常指产品单耗、配料比、循环比、固液比、气液比、回流比、利用率、单程收率、回收率等等原辅材料、产品、中间产品的规格与过程有关有物理化学参数如临界参数、密度或比体积、状态方程参数、蒸汽压、气液平衡常数或平衡关系等3物料衡算与能量衡算3.2反应过程的物料衡算一、基本概念⑶转化率反应物的进料量反应物的反应量转化率00AAAAnnnx反应：aA+bBcC+dD⑴限制反应物⑵过量反应物3物料衡算与能量衡算⑸收率反应物的进料量反应物量生成目的产物所消耗的ancnnxACCA//)(00选择性转化率收率⑷选择性anncnnAACC/)(/)(00%100原料的反应量反应物量生成目的产物所消耗的选择性3物料衡算与能量衡算•例：已知丙烯氧化法生产丙烯醛的一段反应器，原料丙烯投料量为600kg/h，出料中有丙烯醛640kg/h，另有未反应的丙烯25kg/h，试计算原料丙烯的转化率、选择性及丙烯醛的收率。23222CHCHCHOCHCHCHOHO一段反应器丙烯600kg/h丙烯25kg/h丙烯醛640kg/h解：丙烯氧化生成丙烯醛的化学反应方程式：3物料衡算与能量衡算丙烯的选择性：(60025)100%95.83%600x640/56100%83.48%(60025)/42丙烯醛的收率：640/56100%80%600/42丙烯的转化率：3物料衡算与能量衡算二、直接推算法3物料衡算与能量衡算3物料衡算与能量衡算3物料衡算与能量衡算3物料衡算与能量衡算3物料衡算与能量衡算反应器C6H5C2H5C6H5CH3、H2OC6H5C2H5、C6H6、C6H5CH3H2O、CH4、C2H4、C、H2例3-1苯乙烯的反应器，年生产能力为10000t，年工作时间为8000h，苯乙烯收率为40%，以反应物乙苯计的苯乙烯选择性为90%，苯选择性为3%，甲苯选择性为5%，焦油选择性为2%。原料乙苯中含甲苯2%（质量分数），反应时通入水蒸气提供部分热量并降低乙苯分压，乙苯原料和水蒸气比为1:1.5（质量比），要求对该反应器进行物料衡算，即计算进出反应器各物料的流量。二、直接推算法3物料衡算与能量衡算解：反应器中发生了以下化学反应：•C6H5C2H5C6H5C2H3+H2（1）•C6H5C2H5+H2C6H5CH3+CH4（2）••C6H5C2H5C2H4+C6H6（3）••C6H5C2H57C+3H2+CH4（4）物料C6H5C2H5C6H5C2H3C6H6C6H5CH3H2OCH4C2H4CH2摩尔质量/(g/mol)1061047892181628122表3-1各物料的摩尔质量3物料衡算与能量衡算18•进反应器纯乙苯量1000kg/h×98%=980kg/h，即为9.245kmol/h•原料中甲苯量1000kg/h×2%=20kg/h，即为0.217kmol/h•水蒸气量980kg/h×1.5=1470kg/h，即为81.667kmol/h•乙苯的转化率为0.4/0.9=0.4444•参加反应的总乙苯量980kg/h×0.4444=435.11kg/h，即为4.109kmol/h基准：选1000kg/h乙苯原料为计算基准3物料衡算与能量衡算•产物中各组分情况如下：•未反应的乙苯量（980-435.11）kg/h=544.89kg/h，即为5.140kmol/h•由苯乙烯选择性，生成苯乙烯量4.109kmol/h×90%=3.698kmol/h，•即为384.60kg/h•由各物质的选择性，有•输出的甲苯量4.109kmol/h×5%+0.217kmol/h=0.423kmol/h，即为38.92kg/h•生成的苯量4.109kmol/h×3%=0.123kmol/h，即为9.60kg/h•生成的乙烯量4.109kmol/h×3%=0.123kmol/h，即为3.44kg/h•生成的碳量4.109kmol/h×2%×7=0.575kmol/h，即为6.9kg/h•生成的甲烷量4.109kmol/h×（5%+2%）=0.288kmol/h，即为4.61kg/h•输出的氢量4.109kmol/h×（90%-5%+2%×3）=3.739kmol/h，即为7.48kg/h•输出水量=输入水量（不参与反应）1470kg/h，即为81.667kmol/h•实际每小时要求苯乙烯的产量10000×1000kg/8000h=1250kg/h•比例系数1250/384.60=3.253物料衡算与能量衡算表3-2乙苯脱氢反应器物料衡算表组分输入输出摩尔流量/(kmol/h)质量流量/(kg/h)摩尔流量/(kmol/h)质量流量/(kg/h)C6H5C2H530.046318516.7051770.89C6H5CH30.705651.375126.49H2O265.4184777.5265.4184777.5C6H5C2H312.0191249.95C6H60.00431.20C2H40.00411.18CH40.93614.98C1.86922.43H212.15224.31合计296.1698027.5310.4828028.933物料衡算与能量衡算三、原子平衡法3物料衡算与能量衡算3物料衡算与能量衡算3物料衡算与能量衡算例3-2将碳酸钠溶液加入石灰进行苛化，已知碳酸钠溶液组成为NaOH0.59%（质量分数），Na2CO314.88%，H2O84.53%，反应后的苛化液含CaCO313.48%，Ca(OH)20.28%，Na2CO30.61%，NaOH10.36%，H2O75.27%。计算：1）每100kg苛化液需加石灰的质量及石灰的组成；2）每100kg苛化液需用碳酸钠溶液的质量。苛化反应器FNaOH0.59%Na2CO314.88%H2O84.53%CaCO313.48%Ca(OH)20.28%Na2CO30.61%NaOH10.36%H2O75.27%CaCO3x/WCaOy/WCa(OH)2z/W三、原子平衡法3物料衡算与能量衡算25解:设碳酸钠溶液的质量为F（kg）石灰的质量为W（kg）石灰中CaCO3、CaCO3及Ca(OH)2的质量分别设为x、y和z，则石灰中各物质的组成可表示为：x/W，y/W，z/W基准：100kg苛化液画出物料流程示意图（图3-2）3物料衡算与能量衡算26表3-3各种物料质量和物质的量计算结果Na2CO3溶液中苛化钠溶液中物料摩尔质量（g/mol）质量（kg）物质的量（kmol）物料摩尔质量（g/mol）质量（kg）物质的量（kmol）NaOH400.59%F0.000148FNaOH4010.360.2590Na2CO310614.88%F0.001404FNa2CO31060.610.00575H2O1884.53%F0.04696FH2O1875.274.18Ca(OH)2740.280.00377CaCO310013.480.13473物料衡算与能量衡算27列元素平衡式（注意：原子平衡单位需为mol）•Na平衡：•C平衡：••Ca平衡：••总物料平衡：F+W=100kg/mol•石灰总量等于各物质质量之和W=x+y+z•计算结果汇总列入表3-4x100g/mol0.001404F+=(0.1348+0.00575)kmolx100g/mol56g/mol74g/mol++=(0.1348+0.00378)kmolyz()KmolFF2590.0+2×00575.0=2×00140.0+000148.03物料衡算与能量衡算28表3-4计算结果汇总组分输入输出物质的量/kmol质量/kg物质的量/kmol质量/kgNaOH0.01350.540.259010.35Na2CO30.128513.620.005750.61H2O4.297377.354.18275.27CaCO30.0121.20.13713.48CaO0.0156.44Ca(OH)20.01160.860.003770.28合计296.1691004.58751003物料衡算与能量衡算29对反应aA+bB=cC+dD•平衡时，其平衡常数为：=•式中，为化学反应的平衡常数，其可以表示为（浓度以mol·L-1表示），（浓度以分压p表示），(N浓度以摩尔分率表示)。K[][][][]cdabCDAB四、平衡常数法3物料衡算与能量衡算3物料衡算与能量衡算例3-3试计算合成甲醇过程中反应混合物的平衡组成。设原料气中H2与CO摩尔比为4.5，惰性组分(I)含量为13.8%，压力为30MPa，温度为365℃，平衡常数=2.505×10-3MPa-2。解：写出化学反应平衡方程式：CO+2H2CH3OH设进料为1mol，其组成为：I=0.138mol;H2=(1-0.138)4.5/5.5=0.7053;CO=(1-0.138)/5.5=0.1567基准：1mol原料气3物料衡算与能量衡算设转化率为，则出口气体组成为：CO：0.1567（1-x）；H2：0.7053-2×0.1567x；CH3OH：0.1567x；I：0.138；Σ1-0.3134x•计算出口气体各组分的分压：30.156710.313430CHOHxxp0.1567(1)10.313430COxxp20.705320.156710.313430xHxp3物料衡算与能量衡算将上式代入平衡平常表达式：32220.15673010.31340.1567(1)0.705320.1567303010.313410.313432.50510CHOHCOHxpxppxxxxKp平衡时出口气体中各组成的摩尔分率为：CO0.0948，H20.6521，CH3OH0.0902，I0.1629；3物料衡算与能量衡算五、带有循环、放空及旁路的物料平衡（1）试差法估计循环流量，并继续计算至循环回流的那一点。将估计值与计算值进行比较，并重新假定一个估计值，一直计算到估计值与计算值之差在一定的误差范围内。（2）代数法列出物料平衡方程式，并求解。一般方程式中以循环量作为未知数，应用联立方程的方法进行求解。3物料衡算与能量衡算例3-4苯乙烯制取过程如图3-3所示，先由乙烯与苯反应生成乙苯C2H4+C6H6C6H5C2H5C6H5C2H5C6H5C2H3+H2乙苯是在560K、600kPa，在催化剂作用下，乙烯与苯的摩尔比为1:5进行气相合成的。副反应生成的多乙基苯在乙苯精馏塔中分离出来。乙烯的转化率为100%。乙苯脱氢反应在850K，乙苯的单程转化率为60%，苯乙烯的选择性为90%。3物料衡算与能量