现代化工计算单元3化工过程物料衡算(教材)

21:17单元3化工过程物料衡算1单元三化工过程物料衡算任务1理解物料衡算基础知识一、物料衡算的两大类型二、化工生产过程的类型三、物料衡算的理论依据及物料衡算式四、物料衡算计算基准及其选择五、物料衡算的一般步骤任务2物理过程的物料衡算一、混合过程物料衡算二、蒸发与结晶过程物料衡算三、吸收过程物料衡算四、精馏过程物料衡算任务3反应过程物料衡算一、反应物配比二、转化率、选择性、收率、三、单一反应过程物料衡算四、复杂反应过程物料衡算(一)直接求解法(二)元素衡算法(三)利用联系组分衡算(四)利用化学平衡衡算21:17单元3化工过程物料衡算2任务1理解物料衡算基础知识知识目标：掌握物料衡算的类型、化工过程的类型、物料衡算的理论依据，熟悉物料衡算时计算基准的选择方法，熟悉物料衡算的一般步骤。能力目标：能针对不同类型的化工过程和衡算对象，选择合适的计算基准和比较正确的衡算步骤。一、物料衡算的两大类型(1)核算型对已有的生产设备或装置,利用实际测定的数据,计算出另一些不能直接测定的物理量。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。(2)设计型根据设计任务,先作物料衡算,求出进出各设备的物料量,然后再作能量衡算,求出设备或过程的热负荷,从而确定设备尺寸及整个工艺流程。返回21:17单元3化工过程物料衡算3任务1理解物料衡算基础知识二、化工生产过程的类型(1)间歇操作(2)连续操作①稳态；②非稳态(3)半连续操作三、物料衡算的理论依据及物料衡算式(1)物料衡算的理论依据质量守恒定律(2)物料衡算式总物料（若元素）：m入=m出+m积累(3-1)（注意单位：kg，若用kmol则无化学反应时适用）组分：mi入±mi生成或消耗=mi出+mi积累(3-2)返回21:17单元3化工过程物料衡算4任务1理解物料衡算基础知识四、物料衡算计算基准及其选择(1)稳定流动过程①单位时间，如：1小时、1分钟、1秒钟②单位数量或某一整量的原料或产品，如：A)气体原料，有100mol或kmol或100Nm3等，理由是气体物料通常用mol%组成或体积%；B)液体原料，有100kg，理由是液体物料通常用质量%。(2)间歇过程不采用单位时间为计算基准。21:17单元3化工过程物料衡算5计算基准选择举例,例3-1戊烷充分燃烧,空气用量为理论量的120%,反应式为:C5H12+8O2→5CO2+6H2O,问每100mol燃烧产物需要多少mol空气？解：由题意画出示意流程图方法一：基准——1molC5H12则：理论O2量：n理论氧=8n戊烷=8mol实际O2量:n实际氧=1.20n理论氧=9.60mol实际air用量:n实际空气=9.60/0.21=45.71molN2量：n实际氮=45.710.79=36.11mol计算结果列表如下：输入项输出项组分摩尔数克数组分摩尔数mol%克数C5H12172CO2510.26220O29.60307.2H2O612.32108N236.111101.20O21.603.2851.2N236.1174.131011.2046.711390.4048.71100.001390.40每100mol燃烧产物（烟气）所需空气量为：45.7148.71100=93.84mol或由N2平衡方程得：10073.13%79%=93.84mol(实际计算过程建议用Excel处理)21:17单元3化工过程物料衡算6计算基准选择举例,戊烷充分燃烧，空气用量为理论量的120%，反应式为：C5H12+8O2→5CO2+6H2O,问每100mol燃烧产物需要多少mol空气？解：由题意画出示意流程图方法二：基准——1mol空气则其中O2量：n实际氧=0.21mol反应的O2量：n反应氧=0.21/1.20=0.175mol燃烧的C3H8量：n丙烷=0.175/8=0.0219mol计算结果列表如下：每100mol燃烧产物（烟气）所需空气量为：100/1.0656=93.84mol或由N2平衡方程得：10074.13%79%=93.84mol输入项输出项组分摩尔数克数组分摩尔数mol%克数C5H120.02191.575CO20.109410.264.8125O20.216.72H2O0.131312.322.3625N20.7922.12O20.0353.281.12N20.7974.1322.121.021930.4151.0656100.0030.415(实际计算过程建议用Excel处理)21:17单元3化工过程物料衡算7C平衡：5B=P（1）H2平衡：6B=Q（2）O2平衡：0.21A=M+P+Q/2（3）N2平衡：0.79A=N（4）总物料：M+N+P+Q=100（5）过剩O2：(0.21AM)1.20=0.21A0.035A=M（6）以上6个线性方程采用Excel的MDETERM、MINVERSE、MMULT三个函数或规划求解法求解上述线性方程方法三：基准——100mol烟气,设:N——烟气中N2量，mol；M——烟气中O2量，mol；P——烟气中CO2量，mol；Q——烟气中H2O量，mol；A——入口空气量，mol；B——入口C5H12量，mol。以上6个未知数，需要6个独立方程。21:17单元3化工过程物料衡算8方法三：基准——100mol烟气组分NMPQABmol数74.1353.28410.26412.31793.8422.053结论：(1)手算以限制反应为基准能简化计算；(2)计算机计算则以已知条件最多的物料为计算基准较为适宜。返回21:17单元3化工过程物料衡算9任务1理解物料衡算基础知识五、物料衡算的一般步骤(1)搜集原始数据；(2)由题意画出过程物料流程简图，明确已知量、待求量；(3)明确衡算体系;(4)选择计算基准；(5)写出有关化学反应方程式；(6)列出物料衡算式，选择合适的数学方法;(7)校核计算结果，整理数据，如列成表格或画出物料流程图。返回21:17单元3化工过程物料衡算10任务1理解物料衡算基础知识返回五、物料衡算的一般步骤物料流程图21:17单元3化工过程物料衡算11任务2物理过程的物料衡算知识目标：掌握典型物理过程的物料衡算方法。能力目标：能针对化工生产过程中的常见物理过程，列出物料平衡式并解出正确答案。☆主要方法,通常有三类衡算式,即:(1)总物料平衡式;(2)组分平衡式;(3)归一方程。一、混合过程物料衡算例3-2一种废酸，组成为33%（质量%）HNO3、47%H2SO4和20%H2O，加入98.5%的浓H2SO4和90%的浓HNO3，要求混合成含27%HNO3及60%H2SO4的混合酸，计算所需废酸及加入浓酸的数量。分析：此题已知相对量，绝对量可任意假定。解：设x为废酸量,kg;y为浓H2SO4量,kg;z为浓HNO3量,kg。计算基准:100kg混合酸,由题意画出过程示意图(见例3-2附图)21:17单元3化工过程物料衡算12任务2物理过程的物料衡算一、混合过程物料衡算例3-2总物料平衡：x+y+z=100(1)H2SO4平衡：0.57x+0.93y=1000.60(2)HNO3平衡：0.23x+0.90z=1000.27(3)解上式方程组得：x=41.69kg、y=38.96kg、z=19.35kg返回21:17单元3化工过程物料衡算13任务2物理过程的物料衡算二、蒸发与结晶过程物料衡算补例1用空气、纯氧和水通入蒸发室制备富氧湿空气。水在蒸发室内全部汽化,其流量为0.0012m3/h,使湿空气中含水为1.5%(mol%),纯氧摩尔流量为空气流量的1/5,计算所有的未知量及组成。解:设Q——空气流量,kmol/h;0.2Q——纯氧流量,kmol/h;F——富氧湿空气流量,kmol/h;x——富氧湿空气中含氧量,mol分率计算基准:1小时,画出物料流程简图如下:21:17单元3化工过程物料衡算14任务2物理过程的物料衡算二、蒸发与结晶过程物料衡算补例1将水的体积流量换算为mol流量:W=0.00121000/18=0.06666kmol/hH2O衡算式W=F0.015=0.06666(1)总物料衡算式0.2Q+Q+W=F(2)N2衡算式0.79Q=F(1－0.015－x)(3)解上述方程组得:F=4.444kmol/hQ=3.648kmol/hx=0.37721:17单元3化工过程物料衡算15任务2物理过程的物料衡算二、蒸发与结晶过程物料衡算(1)溶解度的定义(C)在一定温度下,某物质(此处仅指固体物质)在100g溶剂中达到饱和时所溶解的克数。对于固体物质的溶解度,通常仅是温度的函数,即:C=f(T)(2)溶解度的计算公式100/100Cgg溶质的质量溶质溶剂溶剂的质量)()(100ba溶剂的质量溶质的质量溶剂溶质的溶解度dccbaadcba(3)计算举例,补例2配制100吨90℃饱和食盐水，需水、NaCl各为多少？已知90℃时NaCl的溶解度为38.5g。解：38.5/(38.5+100)=x/100x=27.8吨NaCl、水:10027.8=72.2吨21:17单元3化工过程物料衡算16二、蒸发与结晶过程物料衡算补例3溶解度数据(g/100gH2O(l))：温度℃溶解度C温度℃溶解度C温度℃溶解度C6016.44012.7209.65014.453011.1108.15解：基准1000kg60℃饱和NaHCO3(aq)由t1=60℃查得：C1=16.4g/100gH2O(l)∴x1=C1/(100+C1)=16.4/116.4=0.1409总物料平衡：m1=m2+m3（1）NaHCO3(s)平衡：m1x1=m2+m3x3（2）代入数据得：1000=50+m3（3）10000.1409=50+m3x3（4）解之得：m3=950kg、x3=0.09568∴C3=100x3/(1x3)=1000.09568/(10.09568)=10.58g/100gH2O(l)由溶解度数据线性内插得：t3=20+10/(11.19.60)(10.589.60)=26.53℃内插法讲解:211121()CCCCtttt211121()ttttCCCC返回21:17单元3化工过程物料衡算17任务2物理过程的物料衡算三、吸收过程物料衡算例3-4含20%(质量%)丙酮与80%空气的混合气进吸收塔，塔顶喷水吸收丙酮。吸收塔出口气体含丙酮3%，塔底得到50千克含10%丙酮的水溶液，计算进吸收塔气体的量。解:由题意画物料流程示意图,以50kg10%丙酮水溶液为计算基准列衡算式：丙酮衡算式0.20x=0.03y+5(1)空气衡算式0.80x=0.97y(2)解(1)、(2)得x=28.52kg，y=23.52kg进料气中丙酮:0.20x=0.2028.52=5.70kg出料气中丙酮:5.7-5=0.7kg或0.03y=0.0323.52=0.70kg返回21:17单元3化工过程物料衡算18任务2物理过程的物料衡算四、精馏过程物料衡算例3-5有一个蒸馏塔，输入和输出物料量及组成如下图。输入物料1中A组分的98.7%自塔顶蒸出。求每千克输入物料可得到塔顶馏出物2的量及其组成。解:基准为1小时令:x＝馏出物中A的百分含量y＝馏出物中B的百分含量。将各物料的流量及组成列于下表流股号流量(kg/h)组分(mol%)ABC11002030502Pxy1-x-y3W0.55.594.021:17单元3化工过程物料衡算19任务2物理过程的物料衡算四、精馏过程物料衡算例3-6由表可看出,共有5个未知量,即P、W及流股2的组成A、B、C,由于组成A+B+C＝1,所以只需求得任意两个组成,如A、B(或B、C或C、A),第三个组成就可求出。因此实际上是4个未知量,需要4个方程。但是输入和输出物料个共有3个组分,因而只能写出3个独立物料衡算式。第四个方程必须从另外给定的条件列出。根据题意,已知输入物料中A组分的98.7%自塔顶蒸出,即流股2中A组分量