化工计算第三章物料衡算1

化工计算化学与化学工程学院公选课物料衡算的理论依据是质量守恒定律给出物料流程图第三章物料衡算用此计算结果，对生产情况进行分析、作出判断、提出改进措施第一节概述物料衡算是化工计算中最基本、也是最重要的内容之一，它是能量衡算的基础。利用实际测定的数据，算出另一些不能直接测定的物料量化工过程操作状态不同，其物料或能量衡算的方程亦有差别。稳态操作和非稳态操作同时加入物料，同时排出产物1、化工过程的类型间歇操作过程3.1.1物料衡算式连续操作过程半连续操作过程连续加入物料，连续排出产物反应物和产物有连续操作的也有间歇操作的第三章物料衡算稳态操作和非稳态操作3.1.1物料衡算式间歇操作过程连续操作过程半连续操作过程AxAAArVdxnt00)(AAAAAArxCrCCvV000dtVCdVkCvCAAA)(0第三章物料衡算质量守恒定律基本方程3.1.1物料衡算式2、物料衡算式物料量积累的＋物料量输出的＝物料量输入的第三章物料衡算有化学反应参加每种组分的物料平衡2、物料衡算式3.1.1物料衡算式物料量积累的＋物料量输出的＝消耗的物料量反应生成或物料量输入的任一个组分或任一种元素作衡算第三章物料衡算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(摩尔数)平衡。若体系内有化学反应，则平衡式中各项用摩尔流量为单位时，必须考虑反应式中的化学计量系数。因为反应前后物料中的分子数不守恒。注意物料量积累的＋物料量输出的＝消耗的物料量反应生成或物料量输入的第三章物料衡算共有三个流股，进料F及出料P和W。有两个组分。每个流股的流量及组成如图所示。图中x为质量分数。举例第三章物料衡算123FPWf1f2p1p2w1w2xxxxxx无化学反应的连续过程物料衡算过程总物料衡算式F=P+W每种组分衡算式F·xf1=P·xp1+W·xw1F·xf2=P·xp2+W·xw2确定体系与环境3.1.2物料衡算的基本步骤第三章物料衡算1、画物料流程简图。胺化反应提纯原料聚合反应冷却中和产物确定进出体系的物料种类3.1.2物料衡算的基本方法第三章物料衡算1、画流程简图。首先应该根据给定的条件画出流程简图。胺化反应提纯原料聚合反应冷却中和产物计算基准的确定很重要3.1.2物料衡算的基本方法第三章物料衡算2、确定计算基准可以将产量、原料量等作为计算基准，也可以设定某种组分的量作为计算基准。进行物料、能量衡算时，必须选择一个计算基准确定计算具体步骤原料、产品、副产品等的指标，年产量，转化率，损耗，生产周期，温度，压力，粘度、密度等等各项生产数据和物理化学数据。第三章物料衡算3、物料衡算的步骤(1)搜集计算数据。(2)画出物料流程简图。胺化反应提纯原料聚合反应冷却中和产物确定计算具体步骤可以以整个工段为计算体系，也可以以其中的一部分作为计算体系。物料衡算是指体系与环境之间的物质传递第三章物料衡算3、物料衡算的步骤(3)确定衡算体系。(4)写出化学反应方程式甲醇在空气中可被氧化为甲醛然后被氧化为甲酸CH3OH+1/2O2==HCHO+H2OHCHO+1/2O2==HCOOH得到计算结果很重要第三章物料衡算3、物料衡算的步骤(5)选择合适的计算基准(6)列出物料衡算式总物料衡算式F=P+W每种组分衡算式F·xf1=P·xp1+W·xw1F·xf2=P·xp2+W·xw2完成了物料衡算第三章物料衡算3、物料衡算的步骤(7)将计算结果列成输入－输出物料表(物料平衡表)。组分月桂酸单乙醇酰胺/Kmol环氧乙烷/Kmol月桂酸/Kmol单乙醇酰胺/KmolN2/Km3NaOH/gH2SO4/g无水乙醇/Kmolg用量4.2580.8934.424.510.89320.486.582.56第三章物料衡算一种废酸，组成为23％(质量％)HNO3，57％H2SO4和20％H2O，加入93％的浓H2SO4及90％的浓HNO3，要求混合成27％HNO3及60％H2SO4的混合酸，计算所需废酸及加入浓酸的数量。0.570.20zkg0.23ykg0.600.130.270.070.930.900.10混合过程废酸xkg混合酸3ONHOS2HH24OHNO322HHOOS4HS24OOH23ONH2HO1.画出流程框图设x—废酸量，kg；y—浓H2SO4量，kg；z—浓HNO3量；2选择基准第三章物料衡算3、列物料衡算式，该体系有3种组分，可以列出3个独立方程，所以能求出3个未知量。基准：100kg混合酸总物料衡算式x+y+z=100(1)H2SO4的衡算式0.57x+0.93y=100×0.6=60(2)HNO3的衡算式0.23x+0.90z=100×0.27=27(3)解(1)，(2)，(3)方程，得x=41.8kg废酸y=39kg浓H2SO4z=19.2kg浓HNO3即由41.8kg废酸、39kg浓H2SO4和19.2kg浓HNO3可以混合成100kg混合酸。根据水平衡，可以核对以上结果：加入的水量=41.8×0.2+39×0.07+19.2×0.10=13kg混合后的酸，含13％H2O，所以计算结果正确。以上物料衡算式，亦可以选总物料衡算式及H2SO4与HNO3二个衡算式或H2SO4、HNO3和H2O三个组分衡算式进行计算，均可以求得上述结果。第三章物料衡算单效蒸发器进行溶质的质量衡算F———原料液量，kg/h；W———水的蒸发量，kg/h；L———完成液量，kg/h；x0———料液中溶质的浓度，质量分率；x1———完成液中溶质的浓度，质量分率。第三章物料衡算二、有多个设备过程的物料衡算对有多个设备的过程，进行物料衡算时，可以划分多个衡算体系。此时，必须选择恰当的衡算体系，这是很重要的步骤。不然会使计算繁琐，甚至无法求解。第三章物料衡算3、根据水平3.1.3物料衡算的基本方法有化学反应的过程，物料中的组分比较复杂。因为，工业上的化学反应，各反应物的实示用量，并不等于化学反应式中的理论量。为了使所需的反应顺利进行，或使其中较昂贵的又应物全部转化，常常使价格较低廉的一些反应物用量过量。因此，使物料衡算比无化学反应过程的计算复杂，尤其是当物料组成及化学反应比较复杂时，计算更应注意。第三章物料衡算3、一、反应转化率、选择性及收率等概念工业化学反应过程中，当反应原料的配比不按化学计量比时，限据反应物的化学计量数大小可称其为限制反应物与过量反应物。1、限制反应物：化学反应原料不按化学计量比配料时，其中以最小化学计量数存在的反应物称为限制反应物。2、过量反应物：不按化学计量比配料的原料中，某种反应物的量超过限制反应物完全反应所需的理论量，该反应物称为过量反应物。第三章物料衡算4、转化率（以x表示）：某一反应物反应掉的量占其输入量的百分数。若以NA1、NA2分别表示反应物A输入及输出体系的摩尔数，则反应物A的转化率为3、过量百分数：过量反应物超过限制反应物所需理论量的部分占所需理论量的百分数。若以从表示过量反应物的摩尔数，Nt表示与限制反应物完全反应所需的摩尔数，则过量百分数即为％过量％＝100tteNNN％过量％＝100´tteNNN%100121´AAAANNNx第三章物料衡算一个化学反应，由不同反应物可计算得到不同的转化率。因此，应用时必须指明某个反应物的转化率。若没有指明时，则往往是指限制反应物的转化率。5、选择性（以S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。若反应物为A，生成的目的产物为D，Nn表示生成的目的产物D的摩尔数，。、d分别为反应物d与目的产物D的化学计量系数，则选择性为%10021´´AADNNdaNS式中NA1－NA2为反应物A反应掉的摩尔数。转化率与选择性是反应过程的两个主要技术指标。第三章物料衡算6、收率（以Y表示）：目的产物的量除以反应物（通常指限制反应物）输入量，以百分数表示。它可以用物质的量（摩尔数）或质量进行计算。若以摩尔数计算，考虑化学计量系数，则目的产物D的收率为%1001ADDNdaNY转化率、选择性与收率三者之间的关系为Y=S·x例4-1：丙烷充分燃烧（即转化率100%）时，实际供入的空气量为理论所需量的125%，反应式为：求：每生成100mol的燃烧产物实际需要供入多少摩尔空气？O4HCO3O5HC22283解：由题意物料流程简图如下：由流程图可知：该体系有三股物流：丙烷、空气、燃烧产物。原则上基准的选择有三种方法：1、选一定量的空气为计算基准2、选一定量的丙烷为计算基准3、选一定量的燃烧产物为计算基准下面分别以这三种物料为基准，比较各种计算方法的难易程度，以说明合理选择基准的重要性。图4-7例4-1物料流程图燃烧过程C3H8燃烧产物（CO2、N2、H2O、O2）空气（O2、N2）解：由题意物料流程简图如下：由流程图可知：该体系有三股物流：丙烷、空气、燃烧产物。原则上基准的选择有三种方法：1.选一定量的空气为计算基准2.选一定量的丙烷为计算基准3.选一定量的燃烧产物为计算基准下面分别以这三种物料为基准，比较各种计算方法的难易程度，以说明合理选择基准的重要性。方法一基准：1mol1molC3H8完全燃烧需要的理论空气量计算：由反应式，完全燃烧理论上需氧量（即实际耗氧量）：5mol由空气过量125%即氧气过量125%，有：实际供氧量折算成实际供空气量（空气中含氧21%）29.76mol空气中含氮量反应后剩余O2量1.25mol反应所产生的CO2量3mol反应所产生的H2O量4mol总的燃烧产物量：(23.51+1.25+3+4)mol=31.76mol所以，每100mol燃烧产物所需空气量为：6.25molmol525.183HC93.7mol31.76mol29.76mol100mol23.51mol0.7929.76mol29.76mol0.216.25mol方法二基准：1mol空气按题意供入的空气量为理论量的125%，则理论上所需空气量为：因为1mol空气中含氧量为0.21mol；所以供燃烧C3H8的氧量（即反应消耗氧）由反应式，燃烧C3H8的量为反应产生的CO2量为反应产生的H2O量为反应后剩余的O2量为通入1mol空气产生的燃烧产物的总量为：所以，每100mol燃烧产物需空气量为：第二节物料衡算的基本方法mol8.01.251mol0.168mol0.21mol0.8mol0336.050.168mol0.1008mol3mol0336.00.1344mol4mol0336.0mol042.0mol)168.021.0(mol068.1mol)79.0042.01344.01008.0(mol6.931.068mol1molmol100燃烧产物空气燃烧产物第二节物料衡算的基本方法方法三基准：燃烧产物有六个未知变量，引进六个参数，分别为：N——燃烧产物中N2的量，mol；M——燃烧产物中O2的量，mol；P——燃烧产物中CO2的量，mol；Q——燃烧产物中H2O的量，mol；A——入口空气的量，mol；B——入口的量，mol。因有6个未知量，所以必须列6个独立方程，列各元素的平衡：体系中有四种元素，可以列四个独立物料衡算方程。列元素平衡：由C平衡，有：3B=P（1）由H2平衡，有：4B=Q（2）由O2平衡，有：（3）由N2平衡，有：0.79A=N（4）另有两个辅助条件方程：有燃烧产物总量，有：M+N+P+Q=100mol（5）反应后剩余的氧量：（6）第二节物料衡算的基本方法2QPM0.21A可用消元法解上列方程组1.250.21A0.21AM第二节物料衡算的基本方法从上述三种不同基准的解法可看出，第三种解法虽然避免了换算，但是比第一、第二种解法工作量大。如果线性方程组较复杂，则解方程组时工作量更大。所以，从题意