第二章 物料衡算.ppt

*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,反应器计算依据：,物料恒算,热量恒算,设备计算,“化工三算”,1,反应器计算基本方程式,反应器计算中所应用的基本方程式,：,物料衡算式；,热量衡算式；,反应动力学方程式；,动量衡算式,（较大压力降并影响反应速度）。,2,一、物料衡算的目的,（,1,）原材料消耗定额，判断是否达到设计要求。,（,2,）各设备的输入及输出的物流量，摩尔分率组成及其他组成表示方法。,（,3,）作为热量计算的依据。,2.5,物料衡算,3,二、物料衡算的依据,（,1,）设计任务书中确定的技术方案、产品生产能力、年工作时间及操作方法。,（,2,）建设单位或研究单位所提供的要求、设计参数及实验室试验或中试等数据。,（,3,）工艺流程示意图。,例：生产能力为,1000t/a,的硝基苯生产中，对苯的硝化阶段进行物料衡算。,P3,页例题,4,物料平衡的方程,-,质量守恒定律,基 准：取温度、浓度等参数保持不变的单元体积和单元时间作为,空间基准,和,时间基准,。,衡算式：对任一组分,A,在单元时间,、单元体积,V,内：,A,的进入量,=A,的积累量,+A,的离开量,+A,的反应量,目的：给出反应物浓度或转化率随反应器内位置或时间变化的函数关系。,5,三、物料衡算的基本方程式,微元时间，微元体积内,:,(1),物理变化过程衡算：,总质量,或,总分子,物质的量恒等；,(2),化学反应过程衡算：,原子,的总量衡算等。,W,入,=W,出,+W,消耗,+W,累积,6,四、物料衡算的基准,（,1,）时间基准,连续操作,过程，单位时间可取,1d,、,1h,、,或,1s,等,（,2,）批量基准,间歇操作,过程，按投入一批物料的数量为基准,（,3,）质量、量、体积等为基准,7,五、物料衡算步骤：,陈述的问题,列出可获得的数据,画出衡算方框图,对物流流股及各组分编号,确定衡算范围,建立系统各参数的基准,建立各组分和总物料的衡算方程,解析方程,校核计算结果,绘制物料流程图，编写物流表,8,（,I,）,分数约束式,当一般物流的组成用摩尔分数或质量分数表示时，有下式成立。,式中,x,ij,第,j,组分在第,i,股物流中的摩尔分数；,N,s,物流的股数,N,e,物流组分数,六、常用相关方程：,9,（,II,）,设备约束式,常见的设备约束式有：,进料比为一常数,两股物流具有相同的组成,相平衡常数,化学平衡常数,化学反应过程中的转化率、选择性或其他限度。,10,常见物理过程的物料衡算,1.,混合,2.,连续蒸馏,3.,增湿,4.,气体混合物部分冷凝,5.,液体混合物部分汽化,6.,闪蒸,7.,物理吸收,8.,提浓,11,七、,物料衡算中用到的基本量,1,、流体的流量和流速,体积流量,Q:,单位时间内流经设备的流体体积。单位,:m,3,/min;m,3,/s,质量流量,W:,单位时间内流经设备的流体质量。单位,:Kg/min;kg/s,12,流体的线速度,:,流体每单位时间在流动的方向上所流经的距离。,m/s,u=V,o,/A,摩尔流量,:,单位时间内流经设备的流体的物质的量。单位,:,Kmol/h,;,kmol,/min;,kmol/s,质量流量、体积流量、线速度之间的关系,:,W=,V,o,=,uA,13,2,、摩尔分数和质量分数,摩尔分数,:,混合物中某组分物质的量与混合物的物质的量之比。,x,i,=,n,i,/n,t,n,i,i,组分的物质的量，,mol,；,n,t,混合物的物质的量，,mol,。,14,对于流动物系；,x,i,=,F,i,/F,t,，,F,i,i,组分的摩尔流量；,F,t,混合物总物汁的量。,质量分数,：混合物中，某组分的质量与混合物质量之比。,i,15,质量分数与摩尔分数的相互转换,:,摩尔分数,x,i,=(,i,/,M,i,)(,i,/,M,i,+,j,/,M,j,),质量分数,i,=(,x,i,M,i,)(,x,i,M,i,+,x,j,M,j,),3,、混合物的平均分子量,:,M=(,M,i,x,i,),M,i,i,组分相对分子质量,16,4,、单组分液体的密度,在一般压力下，液体的密度随压力的变化不大，,但随温度的变化较显著。常温常压的密度易得,1,=,0,+,T,+T,2,+T,3,式中,1,液体的密度；,、,、,常数,17,5,、多组分液体混合物的密度,液体混合时体积变化不大,i,i,组分的质量分数,1/=(,i,/,i,),18,C,AO,=(,A,G,/,M,A,)/,Vo,6,、多组分液体混合物的体积流量,（,1,）产量为已知时按反应计量式折算原料的质量流量。,（,2,）已知反应混合物的密度求初始浓度。,C,AO,=1,混,/(1,M,A,+M,i,n,i,),n,i,A,为基准,(1,摩尔,),时的其它物质的摩尔比。,Vo=(G,1,+G,2,+U,惰,)/,混,19,1,、直接使用反应计量方程作物料衡算,例,4.5,在鼓泡反应器中进行苯的氯化反应生成氯苯，主反应为：,C,6,H,6,+Cl,2,C,6,H,5,Cl+,HCl,同时有副反应发生，生成二氯苯和三氯苯，反应式如下：,C,6,H,6,+2Cl,2,C,6,H,4,Cl,2,+2HCl,C,6,H,6,+3Cl,2,C,6,H,3,Cl,3,+3HCl,八、物料衡算例题,20,已知鼓泡反应器的产物中，主、副反应产物和未反应的苯的重量比为：,氯苯：二氯苯：三氯苯：苯,=1,：,0.08,：,0.016,：,2,，求,苯的转化率；,氯苯的收率；,反应的选择性；,反应生成的氯化氢总量；,反应消耗的氯气总量。,78,，,112.5,，,147,，,181.5,21,解,:,以,100,产物氯苯为计算基准。,苯、氯苯、二氯苯、三氯苯的分子量分别为,78,，,112.5,，,181.5,。按此基准出口产品混合物中有苯,200kg,，氯苯,100kg,，二氯苯,8kg,，三氯苯,1.6kg,，需要加入反应器的苯量计算如下（,100%,）：,22,23,24,25,2,、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,化工生产中，比较方便的办法是到生产现场或中间试验厂实测主产物和副产物各自的收率。如果设计的项目，它的生产条件与实测收率的生产条件相近，就可以用生产现场或中试得到的收率来做物料衡算。,26,27,28,29,3,、,带有物料循环的流程的物料衡算,带有物料循环的流程示意图,30,对循环系统来说，有单程转化率、单程收率和总转化率、总收率之分，由于原料循环，新鲜原料在系统内经过反应器若干次，达到的转化率和收率比经过反应器一次的转化率和收率高。,31,如果有循环物流的话，由于循环量不知道，逐次单元计算不能算出循环量。,这类问题有,两种解法,。,试差法,：估计循环流量，继续循环至循环回流的那一点。,将估计值与计算值进行比较，并重新估计一个循环值，一直计算到估计值与计算值之差在一定误差范围内。,32,(2),代数解法：,在循环存在时，列出物料平衡方程式，,并求解。一般方程中以循环量为未知数，,应用联立方程的方法求解。,对于只有一个或两个循环物流的简单情况，只要计算基准和系统边界选择适当，计算常常可以简化。,一般在衡算时，先进行总的过程的衡算，再对循环系统列出方程式求解。,33,例,4.9,34,35,例,：,乙苯用混酸硝化，原料（工业用）乙苯的纯度为,95%,，混酸中,(,HNO,3,32%,、,H,2,SO,4,56%,、,H,2,O12%,),，,HNO,3,过剩率（,HNO,3,过剩量与理论消耗量之比,）为,0.052,，乙苯的转化率,99%,，转化为对、邻、间位分别为,52%,、,43%,和,4%,，若年产,300,吨对硝基乙苯，年工作日,300,天，试以一天为基准作硝化反应的物料衡算。,36,解,：,1,）每天应生产的对硝基乙苯的量为：,300,1000/300=1000kg,（,2,）,每天需投料乙苯：,（纯乙苯）,X=1351/0.95=1422kg,（,工业品）,37,（,3,）每天副产邻、间位硝基乙苯：,38,（,4,）每天需投料的混酸：,39,(5),反应消耗乙苯：,剩余乙苯：,（,6,）,反应消耗,HNO,3,：,剩余,HNO,3,：,（,7,）,反应生成的,H,2,O,：,40,最后将物料衡算列成表格：,41,42,作业：,1,）,一混合物中苯和甲苯的质量分数分别为,0.4,和,0.6,求苯和甲苯的摩尔分数。,2,）,混合物中乙醇和水的质量分数分别为,0.6,和,0.4,求此混合物的平均分子量。,3,）,常压,19,下,液体乙醇的密度为,0.795g/cm,3,水的密度为,0.9982g/cm,3,估算质量分数为,30%,的乙醇水溶液在常压、,19,的密度。,4,）,反应物密度为,250kg.m,-3,，每天生产,2400Kg,乙酸丁脂，如果要求乙酸转化率为,50%,，求初始浓度,C,A0,与原料流量。乙酸与丁醇摩尔比相等。,43,5,）,含有苯（,B,）、,甲苯（,T,）、,二甲苯（,X,）,分别为,50%,、,30%,、,20%,的混合物，以,30000kg/d,的流量进入一个由两座精馏塔组成的分离系统，流程及赋值见图。已知,52%,（质量）自塔,顶部流出，物流,3,中所含的苯有,75%,（质量）自塔,顶部流出。计算所有未知物流变量。,44,15600kg/d,G,B4,=0.75G,B3,45,