化工设计3.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,*,第四节 化学反应过程的物料衡算,有化学反应的过程，物料中的组分比较复杂，这是由于化学反应使体系内的物质分子发生了变化，使得参加反应的每一种物质输入的质量或摩尔流量和输出体系的质量或摩尔流量不能平衡，所以化学反应过程的物料衡算比无化学反应过程的计算要复杂得多，所考虑的因素也多得多。,因此，在进行化学反应过程的物料衡算时必然会涉及到原料的配比、反应的转化率、收率、反应的选择性等许多因素。,转化率：,反应物中某一组分的转化量与其初始量的比值。,X,A,=,反应消耗,A,组分的量,/,投入,A,组分的量,产率,：,又称收率，指主产物的实际收得量与投入原料的理论产量之比值。,=,产物实际产量,/,按原料计算的理论产量,或,=,产物量折算成原料量,/,投入原料量,选择性,S,：,表示各种主副产物中，主产物所占的百分率。,S=,主产物折算成原料量,/,反应掉的原料量,=X,S,一、反应器的物料衡算,以进行化学反应为主要任务的设备是反应器，所以对化学反应过程进行物料衡算就是以反应器为衡算对象。,反应过程有不同的特点，需根据反应过程的不同特点而灵活选用不同的计算方法，本部分主要介绍四种对反应器的物料衡算适用的方法。,1.,直接计算法,方法,：,利用反应物在反应过程中的消耗量和产物的生成量之间符合化学计量系数之比，来进行反应物消耗和生成物生成量之间的换算，以达到进行反应器的物料衡算的目的，这种方法就叫直接计算法。,适用,：,反应过程有明确的化学反应方程式，且反应过程比较简单，没有很多的副反应发生，并且已知条件比较充分的情况。这样的计算比较简便，不必按前面所介绍的方法列出物料衡算式,。,举例,:,见下页,例,1,：甲醛由甲醇催化氧化制得，反应物和生成物均为气态，氧化剂由空气提供，且过量,40%,，现已知甲醇转化率为,70%,。试计算反应完成后离开反应器的气体混合物的摩尔组成。已知反应器中所发生的化学反应如下：,解：由题意：物料流程如图所示,基准：,由化学反应方程式：,理论需,O,2,量：,由已知空气过量,40%,，那么,O,2,也过量,40%,，有,实际输入,O,2,量：,实际输入的空气量：,带入的,N,2,量：即为,7.37kg,由已知,CH,3,OH,转化率为,70%,，有,反应掉了的,CH,3,OH,量：即为,2.24kg,离开反应器各组分的输出量：,剩余的,CH,3,OH 100-70=30mol,即为,0.96kg,生成的,HCHO 70mol,即为,2.1kg,生成的,H,2,O 70mol,即为,1.26kg,剩余的,O,2,即为,1.21kg,输出的,N,2,263.33mol,即为,7.37kg,2,元素衡算法,元素衡算法是物料衡算的一种重要形式，是以反应过程中参与反应的各种元素为对象列出平衡方程式而进行的物料衡算。在化学反应过程中,无论什么情况下，任何一种元素都是平衡的。,当反应过程比较复杂，尤其是化学反应式无法写出时，用直接计算法就无法解题了，这时用元素衡算法是比较合适的，例石油裂解过程，过程中存在多种反应而又无法确切知道各步反应所占的比例，这时可采用元素平衡的方法进行物料衡算。在对这类过程进行物料衡算时，并不需要考虑具体的化学反应，而是按照元素种类被转化及重新组合的概念表示为：,输入（某种元素）,=,输出（同种元素）,解题过程如下页,例,2,：已知合成气的组成为,CH,4,0.4%(,体积分数,),、,CO38.3%,、,CO,2,5.5%,、,H,2,528%,、,O,2,0.1%,和,N,2,2.9%,现用,10%,过量空气燃烧，燃烧后生成的燃烧气中不含,CO,，计算燃烧气组成。,解：由题意可画出物料流程示意图,基准：合成气,100molh,-1,合成气中各元素的含量：,C,：,H,：,O,：,N,：,生成,CO,2,和,H,2,O,所需的氧元素量：,理论上所需氧元素量（由空气提供部分）：,需理论空气量：,实际输入空气量：,实际输入空气中相当于：,N,2,：,O,2,：,对各物质进行元素（或分子）衡算：,N,2,平衡：（,1,）,C,平衡：（,2,）,H,2,平衡：（,3,）,O,2,平衡：（,4,）,由上述四个方程联立求解可得,燃烧气组成为：,CO,2,：,H,2,O,：,O,2,：,N,2,：,3,联系组分法,联系组分又称惰性组分，是指在整个生产中随反应物料进出系统，但完全不参与反应的组分，因此其数量（质量和摩尔数）总是不变。如在燃烧过程中用空气提供氧气时，随之带入的氮气就是一种惰性物质，称联系组分。利用联系组分的特点以及和其他物料之间的比例关系，可以算出其他物料的数量，这种方法在反应器的物料衡算中就称为联系组分计算法。,例如：如下图所示,惰性组分进出系统示意图,F,和,P,分别表示输入系统和从系统输出的物料量，联系组分,T,在物料,F,和物料,P,中的质量分数分别为,X,t,f,和,X,t,p,，则由联系组分的特性，有下式总成立：,即：,式（,a,）,有时系统中存在不止一种联系组分，这时可选择其总量为联系组分，也可选择其中含量较大的组分单独使用，因为联系组分的量越大，计算误差就会越小。,利用联系组分进行物料衡算可使计算简化，尤其在未知变量较多的过程中，通过式（,a,）提供的关系可以解出部分未知变量，找到解决问题的突破口。,例,3,：在炉子内用空气完全燃烧甲烷与氢气的混合燃料，生成的燃烧气混合物称为烟道气，分析烟道气含量，组成为,N,2,72.22%,（摩尔分数），,CO,2,8.13%,，,O,2,2.49%,，,H,2,O 17.16%,。试求：（,1,）混合燃料中氢与甲烷的比例为多少？（,2,）混合燃料与空气的比例（摩尔比）为多少？,解：由题意画出物料流程图：如下图所示,燃烧过程中发生的化学反应式如下：,基准选择，因为烟道气的组成已知，所以,基准：烟道气,100mol,烟道气中物质的量：,烟道气中,CO,2,量：,烟道气中,H,2,O,量,：,烟道气中,O,2,量：,烟道气中,N,2,量：,以为联系组分，根据式 ，即空气中的,N,2,与烟道气中,N,2,量相等，有输入的空气量：,其中,O,2,量：,由,C,的平衡燃料中,CH,4,量：,8.13mol,CH,4,完全燃烧消耗,O,2,量：,H,2,完全燃烧耗,O,2,量：,混合燃料中,H,2,量：,混合燃料中氢与甲烷的比例：,混合燃料与空气的比例4,利用化学平衡常数进行衡算,对有平衡反应过程的物料衡算，除了需要建立物料或元素衡算式以外，常常还需要利用反应的平衡关系来计算产物的平衡组成。,化学平衡常数表示了可逆反应过程在反应达到平衡时各物料之间组成上的定量关系，平衡常数在可逆反应的物料衡算中提供了一种过程限制关系。,例：可逆反应,二、具有循环、排放及旁路过程的物料衡算,1,具有循环过程的物料衡算,前面介绍的物料衡算方法只是对反应器本身的物料衡算方法，在化工过程中常会遇到一些具有循环的过程，这类过程的物料衡算事实上就是在无化学反应过程（单元操作）的基础上再加上反应器的物料衡算，计算时根据已知条件选择合适的计算衡算体系，这样有利于顺利地解题。,（,1,）设置循环的目的,（,2,）包含循环过程的典型物料流程图,:,如下页所示,包含循环过程的典型物料流程图,在对分离器和混合器进行物料衡算时这两个参数很重要，,有时可以作为解题的线索。,（,3,）举例,另外，具有循环过程的体系还有两个过程限制参数，通常称为循环比和混合比，定义如下：,循环比,=,混合比,=,例,4,：丙烯由丙烷在催化反应器中脱氢生成，其反应式为：,丙烷的总转化率为,95%,。离开反应器的产物经分离器分成产品,P,和循环物料,R,。产品中含有,C,3,H,8,、,C,3,H,6,及,H,2,，其中,C,3,H,8,的量为反应器混合物中未反应,C,3,H,8,的,0.5循环物料中含有,C,3,H,8,和,C,3,H,6,，其中,C,3,H,6,的量是产品物料中,C,3,H,6,的,5%,。试计算（,1,）产品和循环物料组成；（,2,）单程转化率。,解：画出物料流程图,基准：,100molh,-1,新鲜原料（,C,3,H,8,）即,FF,1,=100molh,-1,因为已知总转化率，所以衡算体系选择总个过程。,衡算体系：总过程,由已知,C,3,H,6,的总转化率为,95%,，即：,解得：,由反应式可知：,产品的组成：,C,3,H,8,:,C,3,H,6,:,H,2,:,衡算体系：分离器,由已知,P,1,是反应后混合物中未反应,C,3,H,8,量的,0.5即：,解得：,C,3,H,8,的平衡：,解得：,由已知,R,2,是产品中,C,3,H,6,量的,5%,，即：,代入数据解得：,C,2,H,6,的平衡：,代入数据得：,循环物料的组成：,C,3,H,8,：,C,3,H,6,：,衡算体系：混合器,C,3,H,8,的平衡：,代入数据得：,C,2,H,6,的平衡：,由单程转化率，有：,总结,循环过程的物料衡算有以下规律,:,1.,当已知循环物流的流量和组成，或者通过一些已知的条件可以间接得到循环物流的流量和组成，这类物料衡算问题比较容易求解。,2.,当循环物流的流量和组成未知时，有时需用试差法解题。,2,具有排放过程的物料衡算,（,1,）排放设置的目的,为了防止惰性物质和副产物在系统中的不断增加，就必须排放一部分循环物料，使惰性物质的输出量能与进料中的输入量平衡，或是副产物的输出量能与副反应产生的量平衡，从而维持整个系统的物料流量和组成稳定。,（,2,）排放位置的确定,选取需调整成分的含量最高的位置为排放位置；或是经分析测定后定期排放。,（,3,）具有排放的循环系统其典型流程如图所示,注意,：由分流器的特征，进出分流器的物料的组成是相同的，即待循环物料、排出物和循环物料的组成是相同的，所以排放量的多少直接影响反应物料的总转化率。,（,4,）排放量的确定,根据稳态流动过程的物料平衡，为了使惰性物质和副产物不在系统中积累，排放物料流量应调节到能平衡惰性物质的输入量和副产物的产生量。假设惰性物质和副产物全部进入循环物流，则,惰性物质：,副产物：,在有排放过程的物料衡算中排放比是一个很有用的过程限制参数，定义为：,排放比,=,（,5,）举例,例,5,：甲苯催化加氢脱甲基制苯，主反应和副反应,主反应：,副反应：,以纯氢和纯甲苯为原料，进入反应器的氢与甲苯之比为,5:1,（摩尔比）。甲苯的单程转化率为,80%,，生成苯的选择性为,98%,，未反应的甲苯和产物苯作为产品物流输出体系，氢和甲烷循环。要求混合原料中甲烷含量不大于,10%,，计算排放比及各物流的组成。,解：由题意画出物料流程图,说明：,（,1,）流程中物料流股各物质流量的下标编号尽可能保持一致，下标相同表示同一种物质，这样可以避免列衡算式时出差错。本题中只有混合原料的组成有已知数据，设其为基准后可先对反应器系统进行物料衡算。,（,2,）由题意要求混合原料中甲烷含量不大于,10%,，取,10%,进行计算，这样计算得到的排放量数据为最小值，实际排放时应稍稍大于此值。,基准：进反应器混合原料：,100,衡算体系：反应器,进料：由已知，,总物料：（,1,）,（,2,）,解（,1,）、（,2,）式得：,出料：,C,6,H,5,CH,3,的剩余：,生成的,C,6,H,6,：,CH,4,的量：,H,2,的量：,出料的总量：,反应器出口物料的组成：,衡算体系：分离器,则：,则：,由分流器的特征，有：，,衡算体系：混合器,CH,4,平衡：（,3,）,C,6,H,5,CH,3,平衡：（,4,）,H,2,平衡：（,5,）,联立（,4,）、（,5,）、（,6,）式解得：,新鲜原料的组成：,混合原料计算：,衡算体系：分流器,H,2,的平衡：,有：,CH,4,的平衡：,有：,总物料：,排放物料组成：,计算排放比：排放比,=,计算结果汇总列表如下表,3,具有旁路过程的物料衡算,旁路就是指某一股物料的一部分绕过一个或几个设备而直接进入后续工序，与另一股物料相混的过程。,旁路过程的典型流程如图所示,旁路过程主要用于调节物料的组成或温度。,例,6,：用以生产甲醇的合成气由烃类气体转化而得要求合成气中 （摩尔比），气体量为,2321mol,h,-1,（标准状况）。因转化气中含,CO43.12%,H,2,54.20%,（摩尔分数），不符合要求，为此需将部分转化气送至变换反应器，变换后气体中含,CO8.76%,，,H,2,89.75%,（摩尔分数），气体体积减少,2%,，用此变换气去调节转化气，求转化气及变换气各为多少,m,3,h,-1,（标准状况）？,解：画出物料流程图,基准：合成气（标准状态）,设：合成气中的,CO,摩尔分率为 ，,H,2,的摩尔分率为,2.4,。,混合器的衡算：,总物料平衡：（,1,）,CO,平衡：（,2,）,H,2,平衡：（,3,）,解上述方程组得：（标准状况）,（标准状况）,因经过变换后气体体积减少,2%,，所以：,FF,=,F,+,B,=(989.18+1351.6)m,3,h,-1,=2340.78m,3,h,-1,脱除的,CO,2,的量为：,（标准状况）,说明：上述物料流量虽然是用体积作单位，但因为均转换成了标准体积，所以可以列平衡式。,（标准状况）,（标准状况）,