反应工程物料衡算

第四章物料衡算MaterialBalance沈海民15988460002(670002)[e-mail]浙江工业大学精细化工研究所化工设计（ChemicalDesign）概述1计算中用的基本量物理过程的物料衡算化学反应的物料衡算234目录概述物料衡算是化工工艺设计中最基本的设计内容，是工艺设计的基础。主副产品的产量原材料消耗定额生产过程中的损耗三废产生量物料的浪费生产过程的反常现象物料衡算物料衡算的理论依据“质量守衡定律”在化工过程中，物料平衡是指：进入一个装置（或设备）的全部物料的量，必定等于离开这个装置（或设备）的全部物料的量（包括损失量）和系统内累积起来的物料的量。输入=输出+累积∑F=∑D+W（1）基本式：输入+生成=输出+消耗+累积“生成”、“消耗”是指由于化学反应而生成、消耗的质量（2）对稳态过程：累积项=0输入+生成=输出+消耗*稳态（定态）过程：系统内任一部分的参数，不随时间而变，只随空间位置而改变，是存在于连续操作的一个过程，其特征为：累积项=0有化学反应时的物料衡算无化学反应的稳态过程：输入=输出稳态过程物料衡算式物料平衡形式无化学反应有化学反应总平衡式总质量平衡式是是总摩尔平衡式是否组分平衡式组分质量平衡式是否组分摩尔平衡式是否元素原子平衡式元素原子质量平衡式是是元素原子摩尔平衡式是是物料衡算的基本步骤1.画出工艺流程示意图2.列出化学方程式3.确定计划任务4.收集数据物料的名称，数量，组成及流向与计算有关的工艺条件如：P，T，配比等未知的，待求的未知项，用字母，符号标定清楚。画出与物料衡算有关的设备及管线写明反应过程的热效应省略次要的副反应分析未知选择公式收集数据生产规模和生产时间（年生产时数）生产规模在设计任务书中已有，若是中间车间应根据消耗定额来确定生产规模，要考虑物料在车间回流的情况。大型化工厂一般8000小时/年对要经常维修或试验性车间一般7200小时/年很少的厂可达8400小时/年有关的定额，收率，转化率的数据收集要注意可靠性准确性，并了解其单位与基准原料，辅助材料，产品，中间产品的规格与计算有关的物理化学常数如密度，蒸汽压，相平衡常数5.选择计算基准6.建立物料平衡方程，进行物料衡算7.整理并校核计算结果8.绘制物料流程图，填写物料平衡表。列出的数学关联式的数目应与所求未知项的数目相同，若数学式不够，用试差法求解。时间基准质量基准体积基准干湿基准对连续生产过程可用单位时间的物料量或单位时间的产品量作计算基准，如三十万吨NH3厂，可以每小时产NH3量作物料衡算基准，年生产时间8000h（7200h），30×104/8000=37.5T/h对间歇生产过程可以一套或一批料的生产周期作基准。如一个反应釜，每次投料800kg，完成一个操作周期为4h，则每小时处理物料200kg/h作计算基准。时间基准质量基准当进行衡算的系统其物料缘于固相或液相时，可选择一定质量的原料或产品作为计算基准，如以煤，矿石，石油为原料的化工过程可选用1kg原料为计算基准。特别是原料或产品是单一化合物，或其组成是已知的，选此作计算基准更为方便。体积基准当物料是气体时，可选用体积为基准，通常都换算成STP（标准状态）下的体积，这样可排除T，P变化带来的影响，而且容易把体积换算成mol数（除以22.4）。不论是固态，液态或气态物质往往都含有一定的水分，因此就出现干基，湿基的问题。若进行衡算时，把水分去掉则称干基，把水分一起算入称为湿基，二者可互算。干湿基准*选作基准的物料，必须是已知条件最多，并与其它物料关系明确之物。物料平衡表输入输出名称重量组成%单重名称重量组成%单重混酸435HNO347H2SO449H2O4204.5213.117.4废酸291HNO31H2SO473.2H2O25.82.9213.175氯苯混合料394C6H5Cl92NO2C6H4Cl8362.531.5硝基物层538C6H5Cl0.65NO2C6H4Cl99.353.5534.6共计829100100829共计829100100829基准：每小时单位：kg废酸层165.3组分重量%HNO3H2SO4H2ONCB2.60118.641.32.851.5771.7424.981.72混合料210.7组分重量%NCBCB2.6201.351.2398.7萃取废酸162.7组分重量%氯苯208.1组分重量%CB208.1100萃取硝化单位：kg/h物料流程图-2.6+2.6概述1计算中用的基本量物理过程的物料衡算化学反应的物料衡算234目录1.摩尔分数、质量分数、平均分子量tiinnxtiinnytiiFFxtiiFFytiimmwtiitiiGGwiniixMM1摩尔分数对于流动物系质量分数对于流动物系平均分子量摩尔流量质量流量质量流速2.流体的流量和流速AQu体积流量：m3/h、m3/min、m3/s流体的线速度：流体单位时间内在流动的方向上所流经的距离,m/s质量流量：单位时间内流经管道或设备的流体的质量kg/h、kg/min、kg/s质量流速：单位时间内流经管道或设备的单位横截面积的流体的质量kg/h、kg/min、kg/sAWG摩尔流量：kmol/h、kmol/min、kmol/s体积流量质量流量线速度W=Qρ=uAρ3.气体的体积和密度1）一般压力、温度1MPa按理想气体对待PV=nRTptnV1013.02732734.22ptFQ1013.02732734.22ptMg1013.02732734.22RTMpg或2）高压下1MPa按真实气体对待PV=ZnRTZ为压缩因子，为对比压力pr、对比温度Tr的函数cpprpcTTrT8prcpp8TrcTT临界值H2、He和Ne根据pr和Tr查表得ZZRTMpgRTZpMmixg如为混合气体3）真实气体混合物'prcpp'TrcTT假临界值ciicpxp'ciicTxT'仍用压缩因子法计算4）标准状况用标准状况下的体积表示气体的量111000TVpTVp111000TQpTQp下标“0”表示标准状况，下标“1”表示工作状态4.液体的密度3201tttcr对比密度临界密度1212rr77.077.0)(MpRTZkcccrcr1212kkrr1212kk由pr和Tr查表液体混合物密度与温度、压力和组成有关体积加合法ii15.物质的饱和蒸汽压饱和蒸汽压：液体在一定温度下相应的蒸发-凝结的平衡状态的蒸汽压力CtBAp0lg6.溶液上方蒸汽中各组分的分压1）理想溶液由化学结构非常相似，相对分子质量又相近的组分所形成的溶液拉乌尔定律iiixpp02）非理想溶液iiiixprp0活度系数，ri＝ai/xi由范拉尔方程或威尔逊方程求得7.气液平衡常数iixyK1）完全理想系低压下组分结构十分相似的溶液ppKii02）理想系中压(1.5~2.0Mpa)的理想溶液00,0,iiigiliipvpvffK7.转化率x、收率Y和选择性S该反应物的起始量某反应物的转化量转化率＝起始量的选择：连续反应器反应器进口处原料的状态为起始状态间歇反应器反应开始时的状态为起始状态串联反应器进入第一个反应器的原料组成为计算基准关键组分的起始量关键组分量生成目的产物所消耗的收率＝已转化的关键组分量关键组分量生成目的产物所消耗的反应选择性＝限制反应物过量反应物Y=Sx概述1计算中用的基本量物理过程的物料衡算化学反应的物料衡算234目录物理过程的物料衡算无化学反应发生属于化工单元操作过程的衡算如过滤、混合、吸收、干燥、结晶、精馏等输出输入＝例：在过滤机中把含有25%（质量%）固体的浆料进行过滤，现在料浆的进料量为2000kg/h滤饼含有90%固体，滤液含1%固体。试计算滤液，滤饼的量（设过滤有一个稳态连续过程）1.过滤：用过滤设备把液固分开的操作过滤机料浆滤饼滤液F3kg/h90%固10%液F1=2000kg/h75%液25%固F2kg/h1%固99%液解：画出过程示意图，标上已知及要求的量。以小时（时间）为计算基准（二个未知数，列出二个方程即可）总物平衡F1=F2+F3液体量平衡0.75F1=0.1F3+0.99F2F1=2000kg代入联解二方程可得F2=1460.7kg/hF3=539.3kg/h用固体量平衡式来校核计算结果0.25F1=0.9F3+0.01F2得500=500过滤机料浆滤饼滤液F3kg/h90%固10%液F1=2000kg/h75%液25%固F2kg/h1%固99%液例：在蒸发器中把含NaOH10%、NaCl10%的水溶液浓缩为含NaOH50%、NaCl2%的溶液。若每批处理1000kg原料液。试求（1）每一批操作中可得的母液量？（2）蒸发水量？（3）析出NaCl固体量2.蒸发：把溶质不挥发的溶液加热至沸腾，使溶剂气化从而获得浓缩液或析出固体的单元操作。水蒸汽F2kg蒸汽固体NaClF3kg原料液F1=1000kgNaOH10%NaCl10%H2O80%母液F4kgNaOH50%NaCl2%H2O48%解：计算基准：以每一批的原料液量三个未知数，列三个方程总量平衡F1=F2+F3+F4F1=1000kgNaOH平衡0.1F1=0.5F4F4=200kgNaCl平衡0.1F1=0.02F4+F3F3=96kgF2=704kg可用H2O平衡式校核概述1计算中用的基本量物理过程的物料衡算化学反应的物料衡算234目录常用计算方法利用联系物做物料衡算复杂反应体系使用产物、副产物各自的收率数据作物料衡算带有物料循环的流程的物料衡算多步串联过程的物料衡算化学反应的物料衡算1.常用计算方法由于化学反应的存在，总摩尔平衡式，组分的质量，摩尔平衡式是不成立的。在化学反应中常涉及转化率、反应速率、收率、过量系数等，要注意其定义式。特别是过量系数它是基于限制反应物100%转化下的值，而不论真实反应时限制反应物是否完全反应。直接计算法反应速度法平衡常数法结点法1）直接计算法根据化学反应方程式进行计算例1：用甲醇催化氧化制甲醛，反应式为：CH3OH+0.5O2→HCHO+H2O氧由空气中来，已知空气过剩系数为1.5，甲醇转化率为75%。计算反应后气体混合物的mol组成（反应物与产物均为气态）。氧化CH3OH空气O221％N279％HCHO空气O2N2H2OCH3OH解：计算基准：1mol的CH3OH由反应式知反应生成HCHO为0.75mol，H2O为0.75mol未反应CH3OH=1-0.75=0.25mol由反应式算出消耗O2量为0.5×0.75=0.375mol由空气过量系数可算出输入系统的氧量为1×0.5×1.5=0.75mol折合空气量为0.75/0.21=3.57mol其中N2=3.57×0.79=2.82mol出反应器的氧量为0.75-0.375=0.375mol反应后气体混合物组成：组分molmol%CH3OH0.255HCHO0.7515.2H2O0.7515.2O20.3757.6N22.8257共计4.945100例2：试求生产1000m3（STP）煤气，所需空气、水蒸气、褐煤各为多少公斤。已知：褐煤中含C为70%；煤气组成为：CO＝4%、H2＝18%、N2＝42%（V%）反应式为C+H2O→CO+H2①2C+O2→2CO②合成气生产褐煤，C70%空气O221％N279％煤气CO4%H218%N242%H2O解：计算基准1000m3煤气（1）空气量计算：煤气中的氮量V(N2)=1000×0.42=420m3折算成空气量为420/0.79=532m3532/22.4×29=688.75kg（空气平均分子量取29）其中O2=532×0.21=112m3112/22.4=5kmol（2）水蒸气量计算：从反应式可知煤气中H2由H2O来煤气中氢V(H2)