第4章石油化工单元-6-反应过程的物料及热量衡算与共性

化学工艺学4.6化工工艺学的物料与热量衡算4.6.1化工过程的主要效率指标1.生产能力：一个设备、一套装置或一个工厂在单位时间内生产的产品量或处理的原料量。2.生产强度：设备的单位体积或单位面积的生产能力。用于比较不同设备。3.转化率：X＝某一反应物的转化量/该反应物的起始量平衡转化率：对于可逆反应，存在最大转化率。循环反应：单程转化率（XA）＝组合A在反应器中的转化量/反应器进口物料中组合A的量全程转化率（XA，tot）＝组合A在反应器中的转化量/新鲜原料中组合A的量4.选择性：S＝转化为目的产物的某反应物的量/该反应物的转化总量＝产物的生成量/反应物计量应得理论产物量5.收率：Y＝转化为目的产物的某反应物的量/该反应物的起始量单程收率和全程收率，平衡收率Y＝S·X例题：(P42)合成氨反应0.5N2＋1.5H2＝NH3，已知原料气中只有N2、H2，H2/N2的摩尔比为3/1，计算700K和30.4MPa时反应体系的平衡组成、平衡转化率和平衡产率。700K时，Kf＝0.009048，700K和30.4MPa时各组分的逸度系数为：γ（H2）＝1.10，γ（N2）＝1.15，γ（NH3）＝0.9。解：由Kf＝KγKpKγ＝γ（NH3）/[γ（H2）1.5×γ（N2）0.5]＝0.9/[1.151.5×1.10.5]=0.72Kp=Kf/Kγ=0.009048/0.72=0.01257以1molN2为计算基准，设达平衡时生成amol的NH3，则平衡时有：0.5N2＋1.5H2＝NH3130起始1-0.5a3-1.5aa平衡总mol数为：（4-a）molKp=y（NH3）/[y（H2）1.5×y（N2）0.5]×（p/p0）1-0.5-1.5y（NH3）=a/(4－a)y（H2）＝（1-0.5a）/(4-a)y（N2）=（3－1.5a）、（4－a）解得：a＝1.182moly（NH3）=41.95％，y（H2）＝14.51％，y（N2）=43.54％平衡转化率X（H2）＝0.5a/1＝59.1％X（N2）=1.5a/3=59.1％Y（NH3）=X（H2）=59.1％4.6.2反应过程的热量衡算和物料衡算化工工艺计算包括物料衡算、热量衡算和反应器计算。物料衡算是热量衡算及其它工艺、设备设计的基础。化学反应过程的物料衡算和热量衡算：除了物理变化时的计算外，还包括物料成分的改变和反应热效应的计算。这些计算不仅为设计流程和反应器提供基础数据，并能对改善工艺指标提出方向和要求。4.6.3复杂过程的物料衡算，可采用如下计算步骤画出简单的工艺流程图；画出物料平衡线路图，进入设备的物料以直线来描绘，所有的物料相聚于一点，从设备出来的产品及损失集中于另一点，然后由此点以直线散开；写出化学反应方程式，包括主、副反应；说明计算任务，如年产多少吨、年工作日、产品纯度、产率等选定计算基准；选择操作工艺参数和计算所必需的数据；由已知数据进行物料衡算；将计算结果列表。例1：邻二甲苯氧化制苯酐，反应式为已知邻二甲苯的转化率为70％，氧的用量为理论用量的150％，以空气为氧源，每小时投料量为250kg邻二甲苯，试进行物料衡算。解：以每小时为计算基准进料邻二甲苯流量＝250／106＝2.358(kmol/h)氧流量＝2.385×70％×3×150％＝7.43(kmol/h)＝237(kg/h)氮流量＝7.43×0.79/0.21＝27.95(kmol/h)＝782.63(kg/h)出料苯酐流量＝2.358×70％×148＝244.29(kg／h)水流量＝2.358×70％×18×3＝89.13(kg/h)氧流量＝(7.43—2.358×70％×3)×32＝79.36(kg/h)氮流量＝782.63(kg/h)未反应的邻二甲苯流量＝250(1—70％)＝75(kg/h)例2试作生产任务为年产1200吨苯乙烯装置的物料衡算。已知全年时数为8760h，实际生产时间为7200h，原料乙苯纯度为98％，其中甲苯含量2%(质量)，苯乙烯选择性为90％，苯选择性为3％，甲苯选择性为5％，焦炭选择性为2％，苯乙烯收率为40％，乙苯：水蒸气＝1：1．3(质量，以乙苯计)。解：(1)写出反应方程式。(2)画出物料平衡线路图，如图(3)确定计算基准。因是连续生产、以每小时生产的苯乙烯为基准(kmol/h)。每小时生产的苯乙烯为:(1200×1000)/(7200×104)=1.60(kmol/h)参加反应的乙苯1.60／0.9＝1.78(kmol/h)＝188.68(kg/h)需加入乙苯1.6/0.4=4.00(kmol/h)=424.0(kg/h)未参加反应的乙苯4.00一1.78＝2.22(kmol/h)＝235.32(kg/h)需加入的水蒸气424.00×1.3＝551.2(kg/h)＝30.62(kmol/h)需加入98％的乙苯4.00／0.98＝4.08(kmol/h)＝432.65(kg／h)原料乙苯中含甲苯432.65—424.00＝8.65(kg／h)＝0.094(kmol/h)在参加反应的1.78(kmol/h)乙苯中，转化为苯乙烯:1.78×0.9＝1.60(kmol/h)转化为甲苯1.78×0.05＝0.089(kmol/h)转化为苯1.78×0.03＝0.053(kmol/h)转化为焦炭1.78×0.02＝0.036(kmol/h)即反应生成的苯乙烯1.60×104＝166．4(kg/h)反应生成的甲苯0.089×92＝8.19(kg/h)反应生成的苯0.053×78＝4.13(kg/h)反应生成的焦炭0.036×(7×12)＝3.02(kg/h)反应生成的乙烯0.053×28＝1.48(kg/h)反应生成的甲烷(0.036十0.089)×16＝2.0(kg/h)反应生成的氢气(1.6十3×0.036—0.089)×2＝4.86(kg/h)原料中甲苯和反应生成的甲苯总量0.094十0.089＝0.183(kmol/h)＝16.84(kg/h)例3某氧化过程排出的尾气体积组成为O210％、N285％，CO25％，计算空气用量、氧耗量和过剩空气系数β解：以N2为联系物，计算基准选100mol。尾气中N2量100×0.85＝85(mol)空气耗量85/0.79＝l07.6(mol)进料空气中含氧量107.6×0.21＝22.6(mol)氧耗量22.6—10＝12.6(mol)空气过剩系数β＝22.6/12.6＝179％例4某工厂用烃类气体制合成气生产甲醉，合成气为2321m3(标准)/h，CO／H2＝1／2.4(摩尔)。但转化后的气体体积分数为CO43.12％，H254.2％，不符合要求。为此需将部分转化气送往CO变换反应器，变换后气体体积分数为CO8.76％，H289.75%，气体体积减小2％。用此变换气去调节转化气，以便达到CO／H2＝1／2.4的要求，求转化气、变换气各为多少?解：按题意绘出流程简图。V2从A点分流，V3在B点合并，合并时无化学反应和体积变化。令yi为i组分的摩尔分数，则4.6.4具有循环过程的物料衡算在有机化工生产中，有些反应过程由于受热力学因素限制，转化率很低。为了提高原料的利用率，必须将未反应的原料分离后循环使用，以提高总转化率，从而提高技术经济指标。在稳定状态下，循环物料RC始终以不变的组成和数量在反应系统中循环。根据质量守恒定律，各物料流的关系为，其中SP、RC和W的组成相同。一般循环比是指循环物料与新鲜原料的用量比，即RC／FF，但也有其它的表示方法，例如RC／MF、RC／W、RC／P等。例5乙烯直接水合制乙醇，己知原料乙烯的组成为乙烯96％(体积)，惰性物4％(体积)。进入反应器的混合气(循环气、原料乙烯和水蒸气的混合物)组成(体积，干基)为C2H485％，H21.02％，惰性物13.98％。乙烯与水蒸气的摩尔比为1：0.6，乙烯的单程转化率为5％(摩尔)，其中自反应器出来的反应气经冷凝和洗涤，得到产物粗乙醇溶液，洗涤塔出口气休部分排出系统，其余循环。在冷凝洗涤过程中，反应气中的乙烯溶解5％，然后在常压分离器中释出，释出乙烯的95％作它用，5％循环进入循环气中。试作过程的物料衡算，求出循环物流组成、循环量、放空量、乙烯的总转化率和乙醇的总收率，生产一吨乙醇原料乙烯的消耗量？[乙醇水溶液蒸馏时乙醇损失2％(摩尔)]。解：按题意作出流程简图由于混合气组成和乙烯单程转化率已知，可由此计算原料气用量。现以进入反应器的混合气100mol为计算基准(干基)。混合气中乙烯转化的摩尔量为：85×5％＝4.25(mo1)其中转化为乙醇4.25×95％＝4.04(mo1)转化为乙醚4.25×2％＝0.085(mo1)转化为聚合物4.25×2％＝0.085(mo1)转化为乙醛4.25×1％＝0.043(mo1)反应气经冷凝洗涤后，余下乙烯量为85×(1—5％)×(1—5％)＝76.71(mo1)惰性物：13.98(mo1)氢：0.043十1.02＝1.063(mo1)洗涤塔出口气体量：76.7l十13.98十1.063＝91.75(mo1)其摩尔分数为C2H483.6％，H21.16％，惰性物15.24％设W为冷凝洗涤塔出口气体排出系统的量。自常压分离器释出的溶解乙烯量已知为4.04mol，其中的5％回收入循环气中。循环气中各组分的量分别为乙烯：76.71＋4.04×5％－W×83.6％氢：1.063－W×1.16％惰性物：13.68－W×15.24％设新鲜原料气加入量为FF，如进入反应器的混合气仍为100mol，则76.71＋4.01×5％－W×83.6％＋FF×96％＝85(1)13.68－W×15.24％＋FF×4％＝13.98(2)联解方程(1)和(2)得W＝2.87molFF＝10.93mol循环量：RC＝76.71十13.98十1.063—2.87＝89.08(mol)循环比：89.08/10.93=8.15原料气中乙烯：10.93×96％＝10.49(mol)乙烯总转化率：4.25/10.49＝40.1％乙醇总收率：40.1％×95％＝38.5％每生产一吨乙醇原料乙烯的消耗量：1000/0.98/46/38.5%/96%=60kmol=1344m3(标准)4.6.5气相连续反应过程的热量衡算例：在金属银催化剂存在下，甲醇氧化或脱氢制备甲醛。其主副反应为（P67）主、副反应有吸热和放热，如果选择恰当的甲醇与空气用量比，使吸热反应和放热反应的比例适当，就可控制反应温度。现假设甲醇与空气的摩尔比为1：1.3，进料温度为600K。当反应产物中除去残余甲醇，并分离出甲醛后尾气组成为(干基)计算产物出口温度。解：以N2为联系物，按上述三个化学计量反应式进行物料衡算,进料以甲醇100kmol为计算基准，物料衡算结果如下。查表计算：以298K为计算基准，用试差法求出料温度。先假设出料温度为806K，求各Cp（806k）。从衡算式计算从出料温度TO1。此数值与假设值相差较大，重新假设出料温度为770K，计算770K时的Cp，所得温度与假设值相符合。故所求产物出口温度为770K。