天津大学工业化学基础课件第一章-化工基本计算2.ppt

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1、2 24 4 明确一组概念明确一组概念 l1、反应物的摩尔比：、反应物的摩尔比：l反反应应物物的的摩摩尔尔比比指指的的是是加加入入反反应应器器中中的的几几种种反反应应物物之之间间的的摩摩尔尔数数之之比比。理理论论上上这这个个摩摩尔尔比比可可以以和和化化学学反反应应式式的的摩摩尔尔数数相相同同，相相当当于于化化学学计计量量比比。实实际际上上对对于于大大多多数数有有机机反反应应来来说说，各各种种反反应应物物的的摩摩尔尔比比并并不不等等于于化化学学计计量量比比。（主主要要考考虑虑反反应应物物的的转转化化率率和和原原料料成成本本等因素）等因素）2.2.限制反应物和过量反应物限制反应物和过量反应物 化化

2、学学反反应应物物不不按按化化学学计计量量比比投投料料时时，其其中中以以最最小小化化学学计计量量数数存存在在的的反反应应物物叫叫做做“限限制制反反应应物物”。而而某某种种反反应应物物的的量量超超过过限限制制物物反反应应完完全全反反应应的的理理论论量量，则该反应物称为则该反应物称为“过量反应物过量反应物”。l过过量量反反应应物物超超过过限限制制反反应应物物所所需需理理论论量量部部分分占占所所需理论量的百分数叫做需理论量的百分数叫做“过量百分数过量百分数”。lNe：过量反应物的摩尔数；过量反应物的摩尔数；lNt：限制反应物完全反应所消耗的摩尔数限制反应物完全反应所消耗的摩尔数；3.转化率转化率l某某

3、一一种种反反应应物物A反反应应掉掉的的量量NAR占占向向反反应应器器中中输输入量入量NA，百分数称为反应物百分数称为反应物A的转化率的转化率XA:4.4.选择性选择性 l一一种种反反应应物物A反反应应掉掉的的量量N某某占占向向反反应应器器中中输输入入量量NA，in百百分分数数称为反应物称为反应物A的转化率的转化率XA:l选选择择性性指指的的是是某某一一反反应应物物转转变变成成目目的的产产物物时时，理理论论消消耗耗的的摩摩尔数占该反应物在反应中实际消耗的总摩尔数的百分数尔数占该反应物在反应中实际消耗的总摩尔数的百分数。NP:表示生成目的产物的摩尔数；表示生成目的产物的摩尔数；A,pA,p分别表示

4、为反应物分别表示为反应物A A和目的产物和目的产物P P的化学计量系数的化学计量系数S S：为选择性；为选择性；5.5.理论收率理论收率 l理论收率指的是生成目的产物的摩尔数理论收率指的是生成目的产物的摩尔数占输入的反应物摩尔数的百分数，用占输入的反应物摩尔数的百分数，用y y表表示示：l转转化化率率XA,选选择择性性S和和理理论论收收化化率率y三三者者之之间的关系为：间的关系为：例如，例如，100mol100mol苯胺在用浓硫酸进行焙烘磺化时，反应产苯胺在用浓硫酸进行焙烘磺化时，反应产物中含物中含87mol87mol对胺基苯磺酸；对胺基苯磺酸；2mol2mol未反应的苯胺，另外未反应的苯胺，

5、另外还有一定数量的焦油物，还有一定数量的焦油物，6.6.质量收率质量收率 y y质质 l反应过程生成目的产物的质量占某一输入反应物质量的百分数7.原料消耗定额：（单耗）l原料消耗定额是指生产1吨（或公斤）产品需要消耗多少吨（或公斤）各种原料，对于主要反应物来说，它实际上是质量收率的倒数。8.单程转化率和总转化率 l有些生产过程，主要反应物每次经过反应器后的转化率并不太高，但是未反应的主要反应物大部分可经过分离回收循环套用。这时要将转化率分为单程转化率和总转化率两项。表示反应物A输入和输出反应器的摩尔数表示反应物A输入和输出全过程的摩尔数衡算基准的选择示例衡算基准的选择示例 l计算基准的选择是计

6、算的关键。基准选计算基准的选择是计算的关键。基准选择恰当可使计算工作大为简化、计算过择恰当可使计算工作大为简化、计算过程清晰、计算结果误差减少。相反，基程清晰、计算结果误差减少。相反，基准选择不当，不仅使计算过程复杂、麻准选择不当，不仅使计算过程复杂、麻烦，有时还会造成计算结果错误。烦，有时还会造成计算结果错误。l例1丙烷充分燃烧时要供入空气量125%，反应式为lC3H8+5O23CO2+4H2Ol问：每100摩尔燃烧产物需空气量多少摩尔？l解题思路：有三种不同的基准选取方法：l（1）选取1molC3H8气体作为基准。l（2）选取1mol空气作为基准。l(3)选取100mol烟道气作为基准。l

7、（1）选取1molC3H8气体作为基准，所需空气量为：l燃烧需理论氧5moll总需加入氧量1.2556.25moll折算为空气 空气中氧占21%（体积)29.76moll氮=23.51摩化合物化合物摩摩克克化合物化合物摩摩克克C3H8144CO23132空气空气29.76859.5H2O472O21.2540N223.51658.3总计总计30.76903.531.76902.3l物料衡算结果物料衡算结果（以（以1mol C3H8 气体为基准）l每100摩尔烟道气所需空气量为:l100摩烟道气(6.25+23.51)mol空气/31.76摩烟道气=93.7mol空气l(2)选取1mol空气作为

8、基准。考虑到空气过剩量，C3H8的摩尔为0.0036l150.211.250.0036l由此计算得各物质量见下表所示：l物料衡算结果如表所示：入入出出化合化合物物摩摩克克化合化合物物摩摩克克C3H80.03361.48CO20.1014.44空气空气1.028.84H2O0.1352.43O20.0421.34N20.7922.12总计总计1.033630.321.06830.33l每100摩尔烟道气所需空气量为:l(100摩烟道气1.0摩空气)/1.068摩烟道气l=93.7mol空气l(3)选取100mol烟道气作为基准。令lN=烟道气中N2摩尔数lM=烟道气中O2摩尔数lP=烟道气中CO

9、2摩尔数lQ=烟道气中H2O摩尔数lA=入口空气摩尔数lB=入口丙烷摩尔数l共有6个未知数，求解时必需有6个独立方程式l以上共列出9个线性方程式，含6个未知数（A,B,N,M,P,Q）,解此6个未知数时，可先检查上列9个线性方程式是否都是独立的？如果不是，那些是多余的？我们发现：方程式（7，8，9）都与式（1-6）相关，因此，线性独立方程式只有（16）相关。6个方程，6个未知数，有确定解。l我们用矩阵解之。矩阵解法如下：改写为矩阵式：l即AX=Cl当方程组有唯一解时，应有：X=A-1Cl利用MATLAB软件进行计算，过程为：lA=0300-10;04000-1;0.2100-1-1-0.5;0

10、.790-1000;001111;0.04200-100lC=0;0;0;0;100;0lX=inv(A)*Cl计算结果如下：lX=93.7031l3.1484l74.0255l3.9355l9.4453l12.5937l从上述三种解法中可看出，第三种解法虽然避免了将物料流转换为规定的基准，但却比第一、第二种解法工作量大得多。从题意要求看，第一、第二种解法所选定的基准较恰当。25有化学反应物料衡算1一般反应过程物料衡算（1）直接求解法只含一个未知量或组成可根据化学反应式直接求解l 主主要要是是通通过过化化学学计计量量系系数数来来计计算算，但但计计算算时时要要注注意意一一些些特特殊殊情情况况。现

11、现在在以以邻邻二二甲苯氧化制苯酐为例来说明。甲苯氧化制苯酐为例来说明。l例例1 1邻邻二二甲甲苯苯氧氧化化制制苯苯酐酐，反反应应式是式是lC8H10+3O2C8H4O3+3H2Ol设设邻邻二二甲甲苯苯的的转转化化率率为为6060，氧氧用用量量为为理理论论量量的的150150，每每小小时时投投料料量量为为100100千千克，作物料衡算。克，作物料衡算。l解题思路：解题思路：l1 1生生产产中中，氧氧气气的的引引入入以以空空气气的的方方式式引引入入的的，组成为氧气和氮气，计算时注意。组成为氧气和氮气，计算时注意。l2.2.氧氧用用量量为为理理论论量量的的150150，应应将将邻邻二二甲甲苯苯的的转

12、转化化率率考考虑虑在在内内，即即为为发发生生反反应应的的邻邻二二甲甲苯苯的的量为基础来考虑这一问题。量为基础来考虑这一问题。l3.3.选择基准灵活。可选选择基准灵活。可选（1 1）邻二甲苯进料）邻二甲苯进料100100千克。千克。（2 2）氧气进料）氧气进料100100千克。（千克。（3 3）空气）空气进料进料100100千克。（千克。（4 4）每小时进料量为）每小时进料量为100100千克千克l取邻二甲笨进料100千克。l进料：邻二甲笨1001060.944kmoll氧0.94460%3150%=2.55kmol出料：笨酐0.94460%148=83.83千克水0.94460%318=30.

13、6千克乘余邻二甲笨10040%=40千克氧（2.550.94460%3)32=27.22千克氮2.550.79/0.2128=268.6千克l(2)(2)以结点作衡算以结点作衡算l在在生生产产中中常常常常发发现现这这样样的的情情况况，某某些些产产品品的的组组成成须须采采用用旁旁路路调调节节才才送送往往下下一一工工序。下面举一旁路调节的例子。序。下面举一旁路调节的例子。ll例例3某某工工厂厂用用烃烃类类气气体体转转化化制制合合成成气气生生产产甲甲醇醇，合合成成气气体体为为2321标标米米3/时时，CO/H2=1/2.4(摩摩)。但但是是转转化化后后的的气气体体体体积积组组成成为为CO43.12%

14、,H254.2%,不不符符合合要要求求。为为此此，需需将将部部分分转转化化气气送送往往CO变变换换反反应应器器，变变换换后后气气体体体体积积组组成成为为CO8.76%,H289.75%,气气体体体体积积减减小小2%。用用此此变变换换气气去去调调节节转转化化气气。求求转转化化气气、变变换换气气各各应应多多少？少？l解题思路：解题思路：l1.关关于于旁旁路路调调节节的的例例子子，我我们们可可选选结结点点作作衡衡算算。此此时时，关关键键在在于于根根据据题题意意和和生生产产情情况况，画画出出流流程简图来。程简图来。l2气气体体的的体体积积组组成成与与标标准准状状态态下下的的摩摩尔尔百百分分组成一致。组

15、成一致。l3凡凡存存在在分分流流操操作作、旁旁路路调调节节的的反反应应单单元元或或物理操作单元时，衡算时应注意利用结点。物理操作单元时，衡算时应注意利用结点。l(3)利用联系物作衡算利用联系物作衡算l生生产产过过程程中中常常有有不不参参加加反反应应的的物物料料，这这种种物物料料习习惯惯上上称称为为惰惰性性物物料料。由由于于它它的的数数量量（质质量量、摩摩尔尔数数等等）在在反反应应器器的的进进、出出料料中中不不变变化化，我我们们可可以以用用它它和和另另一一些些物物料料在在组组成成中中的的比比例例关关系系去去计计算算另另一一些些物物料料的的数数量量，因因此此，我我们们称称这这种种惰惰性性物物料料为

16、衡算联系物。为衡算联系物。l选选择择衡衡算算联联系系物物注注意意：（1）采采用用联联系系物物作作衡衡算算，可可以以简简化化计计算算。（2）有有时时在在同同一一系系统统中中可可能能有有数数个个惰惰性性物物质质，可可联联合合采采用用以以减减小小误误差差。（3）但但是是要要注注意意当当某某惰惰性性物物数数量量很很少少，且且此此组组分分分分析析相相对对误误差差很很大大时时，则则不不宜宜选选用用此此惰惰性性物物质质作作联联系系物。物。l例例4某某氧氧化化过过程程排排出出的的尾尾气气，体体积积组组成成已已知知为为O2：10、N2：85、CO2：5，计计算算空空气气用量及氧耗量。用量及氧耗量。ll解：以氮为

17、联系物，计算基准为尾气解：以氮为联系物，计算基准为尾气100摩尔。摩尔。l尾气中氮尾气中氮=10085=85摩摩l空气耗量空气耗量=85/0.79=107.6摩摩l进料空气中含氧量进料空气中含氧量=107.621%=22.6摩摩l氧耗量氧耗量=22.6-10=12.6摩摩l(4)元素衡算l元素衡算是物料衡算的一种重要形式，不需具体反应式，是按照元素种类被转化及重新组合的概念表示为：l输入（某种元素）输出（同种元素）l对反应过程中化学反应很复杂，无法用一或两反应式表示的物料衡算问题，可以列出元素衡式，用代数法求解。l例：甲烷，乙烷与水蒸气用镍催化剂进行转化反应，生成氢气，反应器出口气体组成（干基

18、）为：l组分CH4C2H6COCO2H2lMol%4.62.518.64.689.7l假定原料只含甲烷乙烷两种，求两种气体摩尔比？1000标米原料气，需多少克蒸气？l例例5萘萘用用空空气气氧氧化化制制苯苯酐酐，尾尾气气组组成成（干干基基）为为O2：12.6、N2:83.2、CO2:4.2(体体)，假假设设萘萘的的转转化化率率为为100，问问进进料料中中空空气气对对萘的比例是多少？萘的比例是多少？l例例6甲甲烷烷和和氢氢混混合合用用空空气气完完全全燃燃烧烧来来加加热热锅锅炉炉，烟烟 道道 气气 分分 析析 按按 体体 积积 组组 成成 为为 N2:72.28%、CO2:8.12%、O2:2.44

19、%、H2O:17.15%，问问（1）燃燃料料中中甲甲烷烷与与氢氢（CH4/H2）的的比比例例如如何？（何？（2）空气）空气/（CH4+H2）是多少？是多少？其其中中主主、副副反反应应的的比比例例未未知知，但但尾尾气气中中所所含含的的甲甲烷烷和和二二氧氧化化碳碳可可认认为为是是由由副副反反应应产产生生的的，氢氢是是式式及及的的结结果果，这样就可推算主、副反应的比例。这样就可推算主、副反应的比例。作年产作年产300吨对硝基乙苯工段物料吨对硝基乙苯工段物料衡算，原料乙苯纯度衡算，原料乙苯纯度 95，硝化混酸，硝化混酸组成为组成为HNO3 32，H2SO4 56%,H2O 12%,粗乙苯与混酸质量比粗乙苯与混酸质量比1：1.885。对硝基乙苯效率。对硝基乙苯效率50，硝化产，硝化产物为硝基乙苯的混合物，其比例对：邻：物为硝基乙苯的混合物，其比例对：邻：间间=0.5:0.44:0.06。配制混酸所用的。配制混酸所用的原料：原料：H2SO4 93%,HNO3 96%和和H2O,年工作日为年工作日为300天。假设转化率天。假设转化率为为100，间歇生产，间歇生产