化工设计概论第三章-物料衡算和能量衡算课件.ppt

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1、1第三章第三章 物料衡算与能量衡算物料衡算与能量衡算 物料衡算与能量衡算是进行化工工艺过程物料衡算与能量衡算是进行化工工艺过程设计及技术经济评价的基本依据。设计及技术经济评价的基本依据。通过对全生通过对全生产过程或单元过程的物料和能量的衡算，计算产过程或单元过程的物料和能量的衡算，计算得到：得到：1 1）主、副产品产量；）主、副产品产量；2 2）原材料的消耗定额，过程的物料损耗；）原材料的消耗定额，过程的物料损耗；3 3）“三废三废”的生成量及组成；的生成量及组成；4 4）水、电、汽或其他燃料等消耗定额；）水、电、汽或其他燃料等消耗定额；5 5）设计物料流程图。）设计物料流程图。第三章第三章

2、物料衡算与能量衡算物料衡算与能量衡算 根据物料衡算和能量的衡算结果，可根据物料衡算和能量的衡算结果，可以：以：1 1）对生产设备进行设计和选型；）对生产设备进行设计和选型；2 2）确定产品成本等各项技术经济指标，）确定产品成本等各项技术经济指标，从而可以定量地评述所选择的工艺路线、从而可以定量地评述所选择的工艺路线、生产方法及工艺流程在经济上是否合理，生产方法及工艺流程在经济上是否合理，技术上是否先进。技术上是否先进。4第一节第一节 物料衡算的基本方法物料衡算的基本方法w教学内容：教学内容：w了解物料衡算和能量衡算的意义和基本概念。了解物料衡算和能量衡算的意义和基本概念。w重点和难点：重点和难

3、点：w重点：重点：掌握物料衡算基准和物料衡算的基本步掌握物料衡算基准和物料衡算的基本步骤。骤。w难点：难点：衡算基准的选择，包括基准物流的名称衡算基准的选择，包括基准物流的名称和单位选择。和单位选择。在化工过程中，物料平衡是指在化工过程中，物料平衡是指“在单位时在单位时间内进入系统（体系）的全部物料质量必定等间内进入系统（体系）的全部物料质量必定等于离开该系统（体系）的全部物料质量再加上于离开该系统（体系）的全部物料质量再加上损失掉的与积累起来的物料质量。损失掉的与积累起来的物料质量。”对物料平对物料平衡进行计算称为物料衡算。衡进行计算称为物料衡算。物料平衡的理论依据是物料平衡的理论依据是质量

4、守恒定律，即质量守恒定律，即在一个孤立体系中不论物质发生任何变化在一个孤立体系中不论物质发生任何变化(不包不包括核反应括核反应)它的质量始终保持不变。它的质量始终保持不变。一、物料衡算的概念及分类一、物料衡算的概念及分类：物料衡算的概念：物料衡算的概念：物料平衡方程式物料平衡方程式 根据质量守恒定律，对某一个体系内质量流根据质量守恒定律，对某一个体系内质量流动及变化的情况用数学式描述物料平衡关系则为动及变化的情况用数学式描述物料平衡关系则为物料平衡方程式。其基本表达式为：物料平衡方程式。其基本表达式为：F F0 0=D+A+B=D+A+B 式中，式中，F F0 0输入体系的物料质量；输入体系的

5、物料质量；D D 离开体系的物料质量；离开体系的物料质量；A A 体系内积累的物料质量；体系内积累的物料质量；B B 损失的物料质量损失的物料质量(如跑、冒、滴、如跑、冒、滴、漏漏)7一般表示式为：一般表示式为：进入系统的质量流量一排出系统的质量流量进入系统的质量流量一排出系统的质量流量=系统内质系统内质量的累积量的累积对稳态过程，系统内质量的累积为零。对稳态过程，系统内质量的累积为零。此时：进入系统的质量流量此时：进入系统的质量流量=排出系统的质量流量排出系统的质量流量列物料平衡式时应注意的事项列物料平衡式时应注意的事项(1)(1)物料平衡是指质量平衡物料平衡是指质量平衡，不是体积或，不是体

6、积或物质的物质的量量(摩尔数摩尔数)平衡。若体系内平衡。若体系内有有化学反应，则衡算式中各项用摩尔化学反应，则衡算式中各项用摩尔时为单位时，必须考虑反应式中的化时为单位时，必须考虑反应式中的化学计量系数学计量系数 。列物料平衡式时应注意的事项列物料平衡式时应注意的事项(2)(2)对对于于无无化化学学反反应应体体系系，能能列列出出独独立立物物料料平平衡衡式式的的最最多多数数目目等等于于输输入入和和输输出出的的物物流流里的组分数。里的组分数。(3)(3)在在写写平平衡衡方方程程式式时时，要要尽尽量量使使方方程程式式中中所包含的未知数最少所包含的未知数最少。物料衡算的分类物料衡算的分类1 1、按操作

7、方式、按操作方式 分为间歇操作、连续操作及半连续操作等三分为间歇操作、连续操作及半连续操作等三 类物料衡算；类物料衡算；2 2、按状态、按状态 将其分为稳定状态操作和不稳定状态操作两类将其分为稳定状态操作和不稳定状态操作两类 衡算。衡算。3 3、按衡算范围、按衡算范围 分为单元操作过程分为单元操作过程(或单个设备或单个设备)和和全流程全流程的两的两 类物料衡算；类物料衡算；11二、物料衡算基准二、物料衡算基准 时间基准时间基准 连续（小时，天连续（小时，天）间歇（釜，批间歇（釜，批）质量基准质量基准 kg，mol，kmol 体积基准体积基准 m3（STP）干湿基准干湿基准 干基（不含水），湿基

8、（含水）干基（不含水），湿基（含水）例：例：100kg湿物料，其中含水湿物料，其中含水10kg，按按 湿基：含水率为湿基：含水率为10%；若按若按 干基：含水率为干基：含水率为 10/（100-10）100%=11.11%第三章 物料衡算与能量衡算三、三、物料衡算的步骤物料衡算的步骤 1 1、画出流程示意图、画出流程示意图 稀溶液稀溶液二次二次蒸汽蒸汽F,wfW加热蒸汽加热蒸汽凝水凝水提浓液提浓液B，wB物料衡算步骤物料衡算步骤2、列出主、副化学反应式、列出主、副化学反应式3、确定计算任务、确定计算任务4、收集数据资料（生产规模、时间，收率、转、收集数据资料（生产规模、时间，收率、转化率，原材

9、料及产品规格，有关物理化学常化率，原材料及产品规格，有关物理化学常数）数）5、选定计算基准（时间，质量，体积）、选定计算基准（时间，质量，体积）6、建立物料平衡方程，展开计算、建立物料平衡方程，展开计算7、整理并校核计算结果、整理并校核计算结果8、绘制物料流程图、填写物流表、绘制物料流程图、填写物流表14第二节第二节 反应过程的物料衡算反应过程的物料衡算w教学内容：教学内容：w结合具体实例，理解根据不同反应类型及工艺结合具体实例，理解根据不同反应类型及工艺过程选择合适的物料平衡方法进行物料衡算。过程选择合适的物料平衡方法进行物料衡算。w重点和难点：重点和难点：w重点：重点：掌握不同化工过程的物

10、料衡算思路。掌握不同化工过程的物料衡算思路。w难点：难点：对一个化工过程的物料衡算应选择什么对一个化工过程的物料衡算应选择什么物流作衡算基准，如何列出平衡表达式。物流作衡算基准，如何列出平衡表达式。15 转化率转化率转化率转化率=选择性选择性选择性选择性=xA=第三章 物料衡算与能量衡算反应：反应：aA+bB cC+dD16 收率收率收率收率=转化率转化率选择性选择性 =xA=限制反应物限制反应物 过量反应物过量反应物第三章 物料衡算与能量衡算17w例：已知丙烯氧化法生产丙烯醛的一段反应器，原料丙烯投例：已知丙烯氧化法生产丙烯醛的一段反应器，原料丙烯投料量为料量为600kg/h，出料中有丙烯醛

11、，出料中有丙烯醛640kg/h，另有未反应的丙，另有未反应的丙烯烯25kg/h，试计算原料丙烯的转化率、选择性及丙烯醛的收，试计算原料丙烯的转化率、选择性及丙烯醛的收率。率。一段反应器一段反应器丙烯丙烯600kg/h丙烯丙烯25kg/h丙烯醛丙烯醛640kg/h解：丙烯氧化生成丙烯醛的化学反应方程式：解：丙烯氧化生成丙烯醛的化学反应方程式：18w丙烯的选择性：丙烯的选择性：丙烯的转化率：丙烯的转化率：w丙烯醛的收率：丙烯醛的收率：19第三章 物料衡算与能量衡算二、直接推算法二、直接推算法反应器C6H5C2H5C6H5CH3、H2OC6H5C2H5、C6H6、C6H5CH3H2O、CH4、C2H

12、4、C、H2例例3-1 苯乙烯的反应器，年生产能力为苯乙烯的反应器，年生产能力为10000t，年工作时间为，年工作时间为8000h，苯乙烯收率为，苯乙烯收率为40%，以反应物乙苯计的苯乙烯选择，以反应物乙苯计的苯乙烯选择性为性为90%，苯选择性为，苯选择性为3%，甲苯选择性为，甲苯选择性为5%，焦油选择性，焦油选择性为为2%。原料乙苯中含甲苯。原料乙苯中含甲苯2%（质量分数），反应时通入水（质量分数），反应时通入水蒸气提供部分热量并降低乙苯分压，乙苯原料和水蒸气比为蒸气提供部分热量并降低乙苯分压，乙苯原料和水蒸气比为1:1.5（质量比），要求对该反应器进行物料衡算，即计算进（质量比），要求对该

13、反应器进行物料衡算，即计算进出反应器各物料的流量。出反应器各物料的流量。20w解：反应器中发生了以下化学反应：wC6H5C2H5 C6H5C2H3+H2 （1）wC6H5C2H5+H2 C6H5CH3+CH4 （2）w wC6H5C2H5 C2H4+C6H6 （3）w w C6H5C2H5 7C+3H2+CH4 （4）w各物料的摩尔质量汇总列于表各物料的摩尔质量汇总列于表3-1。21物料物料C6H5C2H5C6H5C2H3C6H6C6H5CH3H2OCH4C2H4CH2摩摩尔尔质质量量/(g/mol)1061047892181628122表表3-1 各物料的摩尔质量（基准：各物料的摩尔质量（基

14、准：1000kg/h乙苯原料）乙苯原料）基准：基准：选选1000kg/h乙苯原料为计算基准乙苯原料为计算基准22w进反应器纯乙苯量进反应器纯乙苯量1000kg/h98%=980kg/h，即为，即为9.245kmol/hw原料中甲苯量原料中甲苯量1000 kg/h2%=20kg/h，即为，即为0.217kmol/hw水蒸气量水蒸气量980 kg/h1.5=1470kg/h，即为，即为81.667kmol/hw乙苯的转化率为乙苯的转化率为0.4/0.9=0.4444w参加反应的总乙苯量参加反应的总乙苯量980 kg/h0.4444=435.11kg/h，即为，即为4.109kmol/h23w产物中

15、各组分情况如下：产物中各组分情况如下：w未反应的乙苯量（未反应的乙苯量（980-435.11）kg/h=544.89 kg/h，即为，即为5.140kmol/hw由苯乙烯选择性，生成苯乙烯量由苯乙烯选择性，生成苯乙烯量4.109 kmol/h90%=3.698 kmol/h，w即为即为384.60kg/hw由各物质的选择性，有由各物质的选择性，有w输出的甲苯量输出的甲苯量4.109 kmol/h5%+0.217 kmol/h=0.423 kmol/h，即为，即为38.92kg/hw生成的苯量生成的苯量4.109 kmol/h3%=0.123 kmol/h，即为，即为9.60kg/hw生成的乙烯

16、量生成的乙烯量4.109 kmol/h3%=0.123 kmol/h，即为，即为3.44kg/hw生成的碳量生成的碳量4.109 kmol/h2%7=0.575 kmol/h，即为，即为6.9kg/hw生成的甲烷量生成的甲烷量4.109 kmol/h（5%+2%）=0.288 kmol/h，即为，即为4.61kg/hw输出的氢量输出的氢量4.109 kmol/h（90%-5%+2%3）=3.739 kmol/h，即为，即为7.48kg/hw输出水量输出水量=输入水量（不参与反应）输入水量（不参与反应）1470kg/h，即为，即为81.667kmol/hw实际每小时要求苯乙烯的产量实际每小时要求

17、苯乙烯的产量100001000kg/8000h=1250kg/hw比例系数比例系数1250/384.60=3.2524表表3-2 乙苯脱氢反应器物料衡算表乙苯脱氢反应器物料衡算表组组分分输输 入入输输 出出摩摩尔尔流量流量/(kmol/h)质质量流量量流量/(kg/h)摩摩尔尔流量流量/(kmol/h)质质量流量量流量/(kg/h)C6H5C2H530.046318516.7051770.89C6H5CH30.705651.375126.49H2O265.4184777.5265.4184777.5C6H5C2H312.0191249.95C6H60.00431.20C2H40.00411.1

18、8CH40.93614.98C1.86922.43H212.15224.31合合计计296.1698027.5310.4828028.9325第三章 物料衡算与能量衡算三、原子平衡法三、原子平衡法例例3-2 将碳酸钠溶液加入石灰进行苛化，已知碳酸钠溶液组成为将碳酸钠溶液加入石灰进行苛化，已知碳酸钠溶液组成为NaOH 0.59%（质量分数），（质量分数），Na2CO3 14.88%，H2O 84.53%，反应后的苛化，反应后的苛化液含液含CaCO3 13.48%，Ca(OH)2 0.28%，Na2CO3 0.61%，NaOH 10.36%，H2O 75.27%。计算：。计算：1）每）每100kg

19、苛化液需加石灰的质量及苛化液需加石灰的质量及石灰的组成；石灰的组成；2）每）每100kg苛化液需用碳酸钠溶液的质量。苛化液需用碳酸钠溶液的质量。苛化反苛化反应器应器FNaOH 0.59%Na2CO3 14.88%H2O 84.53%CaCO3 13.48%Ca(OH)2 0.28%Na2CO3 0.61%NaOH 10.36%H2O 75.27%CaCO3 x/WCaO y/WCa(OH)2 z/W26第三章 物料衡算与能量衡算解解:设碳酸钠溶液的质量为设碳酸钠溶液的质量为F（kg）石灰的质量为石灰的质量为W（kg）石灰中石灰中CaCO3、CaCO3及及Ca(OH)2的质量分的质量分别设为别设

20、为x、y和和z，则石灰中各物质的组成可表示，则石灰中各物质的组成可表示为：为：x/W，y/W，z/W基准：基准：100kg苛化液苛化液画出物料流程示意图（图画出物料流程示意图（图3-2）27表表3-3 各种物料质量和物质的量计算结果各种物料质量和物质的量计算结果Na2CO3溶液中溶液中苛化苛化钠钠溶液中溶液中物料物料摩摩尔尔质质量量（g/mol）质质量量（kg）物物质质的量的量（kmol）物料物料摩摩尔尔质质量量（g/mol）质质量量（kg）物物质质的量的量（kmol）NaOH400.59%F0.000148FNaOH4010.360.2590Na2CO310614.88%F0.001404F

21、Na2CO31060.610.00575H2O1884.53%F0.04696FH2O1875.274.18Ca(OH)2740.280.00377CaCO310013.480.134728w列元素平衡式列元素平衡式wNa平衡：平衡：0.000148F+0.001404F2=（0.005752+0.2590）kmol wC平衡：平衡：w wCa平衡：平衡：w w总物料平衡：总物料平衡：F+W=100kg/mol w石灰总量等于各物质质量之和石灰总量等于各物质质量之和W=x+y+z w计算结果汇总列入表计算结果汇总列入表3-429表表3-4 计算结果汇总计算结果汇总组组分分输输 入入输输 出出物

22、物质质的量的量/kmol质质量量/kg物物质质的量的量/kmol质质量量/kgNaOH0.01350.540.259010.35Na2CO30.128513.620.005750.61H2O4.297377.354.18275.27CaCO30.0121.20.13713.48CaO0.0156.44Ca(OH)20.01160.860.003770.28合合计计296.1691004.587510030w四、平衡常数法四、平衡常数法w对反应对反应 aA+bB=cC+dDw平衡时，其平衡常数为：平衡时，其平衡常数为：=w 式中，为化学反应的平衡常数，其可以表示为（浓度以式中，为化学反应的平衡常

23、数，其可以表示为（浓度以molL-1表表示），（浓度以分压示），（浓度以分压p表示），表示），(N浓度以摩尔分率表示浓度以摩尔分率表示)。31例例3-3 试计算合成甲醇过程中反应混合物的平衡组成。设原试计算合成甲醇过程中反应混合物的平衡组成。设原料气中料气中H2与与CO摩尔比为摩尔比为4.5，惰性组分，惰性组分(I)含量为含量为13.8%，压力为压力为30MPa，温度为，温度为365，平衡常数，平衡常数=2.50510-3MPa-2。写出化学反应平衡方程式：写出化学反应平衡方程式：CO+2H2 CH3OH设进料为设进料为1mol，其组成为：，其组成为：I=0.138mol;H2=(1-0.13

24、8)4.5/5.5=0.7053;CO=(1-0.138)/5.5=0.1567基准：基准：1mol原料气原料气第三章 物料衡算与能量衡算32设转化率为，则出口气体组成为：设转化率为，则出口气体组成为：CO：0.1567（1-x）；）；H2：0.7053-20.1567x；CH3OH：0.1567x；I：0.138；1-0.3134 x第三章 物料衡算与能量衡算33w计算出口气体各组分的分压：计算出口气体各组分的分压：将上式代入平衡平常表达式：将上式代入平衡平常表达式：平衡时出口气体中各组成的摩尔分率为：平衡时出口气体中各组成的摩尔分率为：CO 0.0948，H2 0.6521，CH3OH 0

25、.0902，I 0.1629；34五、带有循环、放空及旁路的物料平衡五、带有循环、放空及旁路的物料平衡第三章 物料衡算与能量衡算（1）试差法）试差法 估计循环流量，并继续计算至循环回流的那一点。将估估计循环流量，并继续计算至循环回流的那一点。将估计值与计算值进行比较，并重新假定一个估计值，一直计值与计算值进行比较，并重新假定一个估计值，一直计算到估计值与计算值之差在一定的误差范围内。计算到估计值与计算值之差在一定的误差范围内。（2）代数法代数法 列出物料平衡方程式，并求解。列出物料平衡方程式，并求解。一般方程式中以循环量作为未知数，应用联立方程的一般方程式中以循环量作为未知数，应用联立方程的方

26、法进行求解。方法进行求解。35例例3-4 苯乙烯制取过程如图苯乙烯制取过程如图3-3所示，先由乙烯与苯反应生所示，先由乙烯与苯反应生成乙苯成乙苯C2H4+C6H6 C6H5C2H5C6H5C2H5 C6H5C2H3+H2乙苯是在乙苯是在560K、600kPa，在催化剂作用下，乙烯与苯的，在催化剂作用下，乙烯与苯的摩尔比为摩尔比为1:5进行气相合成的。副反应生成的多乙基苯在进行气相合成的。副反应生成的多乙基苯在乙苯精馏塔中分离出来。乙烯的转化率为乙苯精馏塔中分离出来。乙烯的转化率为100%。乙苯脱氢反应在乙苯脱氢反应在850K，乙苯的单程转化率为，乙苯的单程转化率为60%，苯乙，苯乙烯的选择性为

27、烯的选择性为90%。第三章 物料衡算与能量衡算36w反应中由于副反应生成的物质与苯乙烯质量之比：苯与甲反应中由于副反应生成的物质与苯乙烯质量之比：苯与甲苯为苯为7%，胶状物质为，胶状物质为2%，废气为，废气为7%。乙苯脱氢反应为吸。乙苯脱氢反应为吸热反应，为提供反应过程中的反应热，同时抑制副反应，热反应，为提供反应过程中的反应热，同时抑制副反应，在反应中直接加入过热蒸汽。反应后未反应的乙苯分离后在反应中直接加入过热蒸汽。反应后未反应的乙苯分离后循环返回乙苯脱氢装置。假定进料的乙烯量为循环返回乙苯脱氢装置。假定进料的乙烯量为100kmol，试，试计算：计算：w从苯塔中回收循环至烷基化反应器的苯量

28、（从苯塔中回收循环至烷基化反应器的苯量（kmol）；）；w从乙苯塔中回收循环至乙苯脱氢装置的乙苯（从乙苯塔中回收循环至乙苯脱氢装置的乙苯（kmol）；）；乙苯塔塔顶和塔底的馏出量（乙苯塔塔顶和塔底的馏出量（kg）；）；年产年产50000t苯乙烯，乙苯脱氢装置的物料衡算。苯乙烯，乙苯脱氢装置的物料衡算。37图图3-3 例例3-4附图苯乙烯制取过程附图苯乙烯制取过程烷烷 基基化化苯苯，甲甲苯苯塔塔苯苯 塔塔乙乙 苯苯 塔塔乙乙 苯苯 塔塔苯苯 乙乙 烯烯乙苯乙苯脱氢脱氢乙烯乙烯多烷基苯多烷基苯苯苯,甲苯甲苯苯乙烯苯乙烯苯苯重物质重物质R1R238解解 基准基准:100kmol乙烯乙烯w烷基化反应烷

29、基化反应w设苯的循环量为设苯的循环量为R1 R1=400kmolw设乙苯的循环量为设乙苯的循环量为R2 w(100+R2)0.6=100 wR2=66.67kmolw生成苯乙烯（生成苯乙烯（S）w S=(100+66.67)0.60.9=90kmol=9378kgw 苯，甲苯为苯，甲苯为93780.07=656.5kgw 废气为废气为93780.07=656.5kgw 胶状物质为胶状物质为93780.02=187.6kgw 未反应的乙苯为未反应的乙苯为(100+66.67)（1-0.6）=66.67kmol=7080.4kgw 馏出液（乙苯）为馏出液（乙苯）为7080.4kgw 釜底液（苯乙烯

30、釜底液（苯乙烯+胶状物质）为胶状物质）为9378.0+187.6=9565.6kg39w进料乙苯为进料乙苯为50000100106.2/9378.0=56621tw 未反应的乙苯未反应的乙苯=循环乙苯为循环乙苯为50000（7080.4/9378.0）=37750tw 苯，甲苯为苯，甲苯为50000（656.5/9378.0）=3500tw 废气为废气为3500tw 胶状物质为胶状物质为50000（187.6/9378.0）=1000tw 反应器应供给的过热水蒸气反应器应供给的过热水蒸气w =50000+37750+3500+3500+1000-56621-37750=1379tw 计算结果列

31、于表计算结果列于表3-5中。中。40输输 入入输输 出出原料原料t生成物生成物t乙苯乙苯56621苯乙苯乙烯烯50000循循环环乙苯乙苯37750未反未反应应乙苯乙苯37750过热过热水蒸气水蒸气1379苯，甲苯苯，甲苯3500废废气气3500胶状物胶状物质质10009575095750表表3-5 乙苯脱氢装置的物料衡算（苯乙烯乙苯脱氢装置的物料衡算（苯乙烯50000t）41六、联系组分法六、联系组分法w联系物联系物是指系统中的特定组分，如生产过程中是指系统中的特定组分，如生产过程中不参加反应的惰性物质不参加反应的惰性物质。42w例例3-6 试计算年产试计算年产15000吨福尔马林（甲醛溶液）

32、所需的吨福尔马林（甲醛溶液）所需的工业甲醇原料消耗量，并求甲醇转化率和甲醛收率。已工业甲醇原料消耗量，并求甲醇转化率和甲醛收率。已知条件：知条件：w氧化剂为空气，用银催化剂固定床气相氧化；氧化剂为空气，用银催化剂固定床气相氧化；w过程损失为甲醛总量的过程损失为甲醛总量的2%（质量），年开工（质量），年开工8000小小时；时；w有关数据：工业甲醇组成（质量）：有关数据：工业甲醇组成（质量）：CH3OH 98%，H2O 2%，反应尾气组成（，反应尾气组成（V）：）：CH4 0.8%，O2 0.5%，N2 73.7%，CO2 4.0%，H2 21%w福尔马林组成（质量）：福尔马林组成（质量）：HCH

33、O 36.22%，CH3OH 7.9%，H2O 55.82%43吸吸收收塔塔工业甲醇工业甲醇空气空气 水水尾气尾气反应气体反应气体福尔马林福尔马林反反应应器器主反应主反应 CH3OH+1/2O2 HCHO+H2O （1）CH3OH HCHO+H2 （2）副反应副反应 CH3OH+3/2O2 CO2+2H2O （3）CH3OH+H2 CH4+2H2O （4）44反应消耗氧量反应消耗氧量 取尾气取尾气100Nm3为计算基准，氮作为联系物为计算基准，氮作为联系物 其中氧量其中氧量换算为摩尔数换算为摩尔数 反应耗氧量反应耗氧量 45w甲醇消耗量甲醇消耗量w反应（反应（3）消耗甲醇量为）消耗甲醇量为 w

34、反应（反应（4）消耗甲醇量为）消耗甲醇量为 w反应（反应（2）生成的氢，部分消耗于反应（）生成的氢，部分消耗于反应（4），现尾气中），现尾气中H2=21%，氢摩尔数为氢摩尔数为 w w则反应（则反应（2）消耗甲醇量为）消耗甲醇量为 973.5+35.7=1009.2mol w每生成每生成100Nm3尾气时消耗甲醇量为尾气时消耗甲醇量为w178.6+35.7+1009.2+1169.6=2393.1molw2393.1mol32=76.6kg46计算甲醇总消耗量计算甲醇总消耗量每消耗每消耗2393.1摩尔甲醇生成甲醛的量为摩尔甲醇生成甲醛的量为1169.6+1009.2=2178.8mol 21

35、78.830=65.36kg机械损失为机械损失为2%，实得，实得 65.360.98=64.1kg得工业福尔马林得工业福尔马林 其中含未反应的甲醇其中含未反应的甲醇 1777.9%=13.98kg每生成每生成177kg福尔马林共消耗工业甲醇福尔马林共消耗工业甲醇由此得甲醇转化率为由此得甲醇转化率为 甲醛的质量收率甲醛的质量收率 47工业甲醇年消耗量工业甲醇年消耗量每小时福尔马林产量每小时福尔马林产量 考虑到设计裕量，设福尔马林产量为考虑到设计裕量，设福尔马林产量为2t/h消耗工业甲醇量消耗工业甲醇量 所需空气量所需空气量 48用水量计算用水量计算工业福尔马林含水工业福尔马林含水 1770.55

36、8=98.8kg工业甲醇含水工业甲醇含水 920.02=1.84kg由反应生成的水为由反应生成的水为按反应（按反应（1）生成）生成 1169.6mol按反应（按反应（3）生成）生成178.62=357mol按反应（按反应（4）生成）生成 35.7mol共计生成水共计生成水 1169.6+357+35.7=1562.1mol为制取为制取177kg福尔马林须补充水福尔马林须补充水 98.8-1.84-28.1=68.86kg按产量为按产量为2t/h须补充水量为须补充水量为 2000/17768.86=778kg/h 通过下列计算得出物料衡算结果并示于物料平衡流程图通过下列计算得出物料衡算结果并示于

37、物料平衡流程图3-6中。中。49吸吸收收塔塔工业甲醇（质量）1039kg CH3OH 98%1018.2 H2O 2%20.8空气1054Nm3O2 221.3 N2 832.7 尾气%（V）1356 Nm3、CH4 0.8 10.8 O2 0.5 6.8N2 73.7 999.4CO2 4.0 54.2H2 21.0 284.8甲醛损失 14.5kg反反应应器器补充水778kg HCHO 738.9kgCH3OH 158.0H2O 345.6 CH4 10.8 O2 6.8N2 999.4CO2 54.2H2 284.8福尔马林（质量）2000kg、HCHO 36.22%724.4 CH3O

38、H 7.9%158.0 H2O 55.88%1117.6图图3-6 例例3-6物料平衡流程图物料平衡流程图1 1、采采用用蒸蒸发发方方法法将将浓浓度度为为1010NaOHNaOH及及1010NaClNaCl的的水水溶溶液液进进行行浓浓缩缩。蒸蒸发发时时只只有有部部分分水水分分汽汽化化成成为为水水蒸蒸气气而而逸逸出出，部部分分NaClNaCl结结晶晶成成晶晶粒粒而而留留在在母母液液中中。操操作作停停止止后后，分分析析母母液液的的成成分分为为：5050NaOHNaOH，2 2NaClNaCl及及4848H H2 2O O。若若每每批批处处理理1000 1000 kgkg原原料料液液，试试求求每每批

39、批操操作作中中：1)1)获获得得的的母母液液量量，2)2)蒸蒸发发出的水分量出的水分量，3)3)结晶结晶出的出的NaClNaCl量。量。作业：作业：2.2.甲醇制造甲醛的反应过程为：甲醇制造甲醛的反应过程为：CHCH3 30H+1/2 O0H+1/2 O2 2 HCHO+HHCHO+H2 20 0 反反应应物物及及生生成成物物均均为为气气态态，若若使使用用5050的的过过量量空空气气，且且甲甲醇醇的的转转化化率率为为7575，试试计计算算反反应应后后气气体体混混合合物物的的摩摩尔尔组成组成。3 3、一一种种废废酸酸，组组成成为为22(质质量量)HNO3，57 H2SO4和和 21 H2O，加加

40、 入入 93 的的 浓浓H2SO4及及90的的浓浓HNO3，要要求求混混合合成成27HNO3及及60H2SO4的的混混合合酸酸，试试完完成成该该过过程的物料衡算。程的物料衡算。w4、甲苯用混酸硝化制取一硝基甲苯过、甲苯用混酸硝化制取一硝基甲苯过程中，一硝基甲苯最终收率程中，一硝基甲苯最终收率Y=94%。甲。甲苯与硝酸的摩尔比为苯与硝酸的摩尔比为1:1.01，甲苯纯度，甲苯纯度98%，混酸组成为，混酸组成为H2SO4：56%、HNO3：27%、H2O:17%(质量分数质量分数)。计。计划年产划年产400吨纯度为吨纯度为99%的一硝基甲苯，的一硝基甲苯，求主要原料消耗定额（假设无副反应发求主要原料

41、消耗定额（假设无副反应发生）生）54第三节第三节 反应过程的能量衡算反应过程的能量衡算w教学内容：教学内容：w结合具体实例，理解根据不同反应类型及工艺过程结合具体实例，理解根据不同反应类型及工艺过程选择合适的物料平衡方法进行物料衡算。选择合适的物料平衡方法进行物料衡算。w重点和难点：重点和难点：w重点：重点：掌握两种衡算方法的衡算基准和计算方法。掌握两种衡算方法的衡算基准和计算方法。w难点：难点：热量衡算的基准，包括温度、压力和相态，热量衡算的基准，包括温度、压力和相态，以及有相变时其热量的正负符号的取向。以及有相变时其热量的正负符号的取向。1、能量衡算定义、能量衡算定义 根根据据能能量量守守

42、恒恒定定律律，利利用用能能量量传传递递和和转转化化的的规规则则，用用以以确确定定能能量量比比例例和和能能量量转转变的定量关系的过程称为能量衡算。变的定量关系的过程称为能量衡算。w2 2、能量守恒定律能量守恒定律w 输入能量输入能量+生成能量生成能量=消耗能量消耗能量+积累能积累能量量+输出能量输出能量一、能量衡算的基本概念一、能量衡算的基本概念二、能量平衡方程式二、能量平衡方程式 能量衡算平衡方程式能量衡算平衡方程式 E:E:表示体系能量总变化；表示体系能量总变化；Q:Q:表示体系从环境吸收的热量；表示体系从环境吸收的热量；W:W:表示环境对体系表示环境对体系所做的功。所做的功。三、热量衡算三

43、、热量衡算热量衡算有两种情况：热量衡算有两种情况：1 1）对单元设备做热量衡算；）对单元设备做热量衡算；2 2）整个过程的热量衡算。）整个过程的热量衡算。（当当各各个个工工序序或或单单元元操操作作之之间间有有热热量量交交换换时时，必必须须做做全全过过程程的的热热量衡算。）量衡算。）热量衡算方程式热量衡算方程式 Q Q入入=Q=Q出出 -Q-Q损损 式中式中:Q:Q入入 一输入设备热量总和；一输入设备热量总和；Q Q出出 输出设备热量总和；输出设备热量总和；Q Q损损 损失热量总和。损失热量总和。热量衡算步骤热量衡算步骤(1)(1)绘制以单位时间为基准的物料流程图，确定热量绘制以单位时间为基准的

44、物料流程图，确定热量 平衡范围；平衡范围；(2)(2)在物料流程图上标明已知温度、压力、相态等已在物料流程图上标明已知温度、压力、相态等已 知条件；知条件；(3)(3)选定计算基准温度。由于手册，文献上查到的热选定计算基准温度。由于手册，文献上查到的热 力学数据大多数力学数据大多数是是273K273K或或298K298K的数据，故选此温的数据，故选此温 度为基准温度，计算比较方便。计算时相态的确度为基准温度，计算比较方便。计算时相态的确 定也是很重要的；定也是很重要的；(4)(4)列出热量衡算式，然后用数学方法求解未知值；列出热量衡算式，然后用数学方法求解未知值；(5)(5)整理并校核计算结果

45、，列出热量平衡表。整理并校核计算结果，列出热量平衡表。进行热量衡算注意事项(1)(1)热量衡算时要先根据物料的变化和走向，热量衡算时要先根据物料的变化和走向，认真分析热量间的关系，然后根据热量守认真分析热量间的关系，然后根据热量守衡定律列出热量关系式。衡定律列出热量关系式。(2)(2)要弄清楚要弄清楚过过程中出程中出现现的的热热量形式，以便量形式，以便搜集有关的物性数据搜集有关的物性数据。进行热量衡算注意事项 (3)(3)计算结果是否正确适用，关键在于数计算结果是否正确适用，关键在于数 据的正确性和可靠性。据的正确性和可靠性。(4)(4)间间歇操作歇操作设备设备，传热传热量量Q Q随随时间时间

46、而而变变 化，因此要用不均衡系数将化，因此要用不均衡系数将设备设备的的 热负热负荷由千焦台荷由千焦台换换算算为为千焦小千焦小 时时。(5)(5)选选定定设备设备的的换热换热面面积积要大于理要大于理论计论计算。算。热量衡算举例例例1 1 试试计计算算将将1000kg 1000kg 73%73%的的硫硫酸酸稀稀释释至至40%40%时时，稀稀释释过过程程的的恒恒压压热热。已已知知：73%73%硫硫酸酸的的积积分分溶溶解解热热为为4.184104.184104 4kJ/kmol(kJ/kmol(溶溶质质)，40%40%硫硫酸酸的的积积分分溶解热为溶解热为6.276106.276104 4kJ/kmol

47、(kJ/kmol(溶质溶质)。w例例2 甲烷气与甲烷气与20%过量空气混合，在过量空气混合，在25oC、0.1MPa下进入燃烧炉中燃烧，若燃烧完全，其下进入燃烧炉中燃烧，若燃烧完全，其产物所能达到的最高温度为多少？产物所能达到的最高温度为多少？反应热反应热（kJ/molkJ/mol）热容热容Cp(最高温度最高温度)（J/mol*KJ/mol*K）甲烷甲烷-74.85氧气氧气020二氧化碳二氧化碳-393.5130水蒸汽水蒸汽-241.8335氮气氮气02264第三章 物料衡算与能量衡算（一）以标准反应热为基础进行衡算（一）以标准反应热为基础进行衡算1 1、反应热、反应热 在化学反应中放出的热量

48、取决于反应条件。在标准条在化学反应中放出的热量取决于反应条件。在标准条件下，纯组分、压力为件下，纯组分、压力为0.1MPa0.1MPa、温度为、温度为2525（并非一定需（并非一定需要），反应进行时放出的热量称为标准反应热。要），反应进行时放出的热量称为标准反应热。对于简单反应过程，假定位能与动能忽略不计则：对于简单反应过程，假定位能与动能忽略不计则：式中式中,为进反应器物料在等压变温过程中的焓变和有相变时的为进反应器物料在等压变温过程中的焓变和有相变时的焓变之和：焓变之和：为出反应器物料在等压变温过程中的焓变和有相变时的焓变为出反应器物料在等压变温过程中的焓变和有相变时的焓变之和：之和：65

49、w例例3-7 3-7 氨氧化反应器的能量衡算氨氧化反应式为：氨氧化反应器的能量衡算氨氧化反应式为：w4NH4NH3 3(气气)+5O)+5O2 2(气气)4NO()4NO(气气)+6H)+6H2 2O(O(气气)w此反应在此反应在2525、101.3kPa101.3kPa的反应热为的反应热为=-904.6kJ=-904.6kJ。现有。现有25100mol NH25100mol NH3 3/h/h和和200mol O2/h200mol O2/h连续进入反应器，氨在连续进入反应器，氨在反应器内全部反应，产物在反应器内全部反应，产物在300300呈气态离开反应器。呈气态离开反应器。操作压力为操作压力

50、为101.3kPa101.3kPa，计算反应器应输入或输出地热量。，计算反应器应输入或输出地热量。反应器反应器25,O2 200mol/hNH3 100mol/h300,O2 75mol/hH2O 150mol/hNO 100 mol/hQ/(kJ/h)66w解解 由物料衡算得到的各组分的摩尔流量示于图由物料衡算得到的各组分的摩尔流量示于图3-7中。中。w算焓时的基准态：算焓时的基准态：25，101.3kPa NH3(气气)，O2(气气)，NO(气气)，H2O(气气)。w因此进口两股物料的焓均为零。计算出口物料的焓：因此进口两股物料的焓均为零。计算出口物料的焓：w由手册查得由手册查得300时时