注冊化工工程師第05講

1、4.帶有化學(xué)反應(yīng)過程的系統(tǒng)或設(shè)備的物料平衡4.1 應(yīng)用元素的原子平衡方法進(jìn)行物料平衡計算根據(jù)質(zhì)量守恒定律，化學(xué)反應(yīng)前后各元素的原于數(shù)應(yīng)該是不變的在物料平衡計算時可以對反應(yīng)前 后的物料進(jìn)行分析，并利用元素的原子數(shù)不變規(guī)律解題?！纠?】丙烷充分燃燒時要使用過量25% （摩爾百分?jǐn)?shù)）的空氣，燃燒反應(yīng)方程式為C 3H+5O一3CO+4HQ求每100mo1燃燒產(chǎn)物（煙道氣），需要多少丙烷和空氣解：此題可以用入口處丙烷和空氣加入量為基準(zhǔn)進(jìn)行計算，在這我們換一角度，從元素原子平衡 進(jìn)行計算。設(shè)：N表示煙道氣中的N2物質(zhì)的量，mol; P表示煙道氣中CO的物質(zhì)的量，mol; Q表示煙道氣中 H2O的物質(zhì)的量，

2、mol; M表示煙道氣中 Q的物質(zhì)的量，mol; A表示入口空氣的物質(zhì)的量，mol; B表示入口丙烷的物質(zhì)的量，mol。根據(jù)各元素的原子平衡，可得：作碳原子平衡，得B=P/3作氫原子平衡，得B=Q/4作氧原子平衡，得 0.21A=M+Q/2+P作N2平衡，得0.79A= N按所設(shè)基準(zhǔn)，得 N+M+P+Q=100作 02 平衡，得 0.21AX0.25 + 1.25=M解上述方程組得 A=93.76 mol , B = 3.148 mol。因此，產(chǎn)生100 mol煙道氣需要加人空氣 93.76 mol、丙烷3.148 mol。4.2 直接使用反應(yīng)計量方程進(jìn)行物料平衡計算【例6】在多釜串聯(lián)反應(yīng)器中

3、進(jìn)行苯的硝化反應(yīng)，生成硝基苯。反應(yīng)中除主反應(yīng)外，假定只有苯 與硝酸生成間二硝基苯的副反應(yīng)。反應(yīng)方程式如下：已知：從串聯(lián)釜第一個反應(yīng)釜出來的物料中，未反應(yīng)的苯和主、副反應(yīng)產(chǎn)物的質(zhì)量比如下：苯：一硝基苯：二硝基苯 =0.0399:1.0:0.012求：(1)苯的轉(zhuǎn)化率；(2) 一硝基苯的收率；(3) 反應(yīng)的選擇性；(4) 反應(yīng)生成的水的質(zhì)量；(5) 反應(yīng)消耗的硝酸質(zhì)量。解：以1000 kg產(chǎn)物一硝基苯為計算基準(zhǔn)。苯的相對分子質(zhì)量為 78, 一硝基苯相對分子質(zhì)量123,二硝基苯相對分子質(zhì)量168,硝酸相對分子質(zhì)量為63。根據(jù)產(chǎn)物中組成比例，一硝基苯l 000 kg ,未反應(yīng)的苯39.9 kg，間二硝

4、基苯12 kg。根據(jù)反應(yīng)方程式，計算主反應(yīng)中各化合物質(zhì)量的變化。消耗苯的量：1000+ 123X 78=634.1kg消耗硝酸量：1000+ 123X 63=512.2kg生成水的量：1000+ 123X 18=146.3kg計算由副反應(yīng)引起的物料質(zhì)量的變化。間二硝基苯實際產(chǎn)量為12kg消耗苯的量：12+ 168X 78=5.57kg消耗硝酸量：12+ 168X 63 x 2=9.0kg生成水的量：12+168X 18X2=2.57kg有以上計算數(shù)據(jù)得到如下結(jié)果(1)苯的轉(zhuǎn)化率 X= (634.1+5.57 ) + ( 634.1+5.57+39.9 ) X 100%=94.1%(2)生成一硝

5、基苯的量為1000kg,即8.13mol。所以，一硝基苯收率為Y =xWO% = 9工3%(634.1 + 5,57 + 39.9)/78(3) 一硝基苯的選擇性S=Y/X=99.1%(4)反應(yīng)生成水的量63417Sx18-k5 57?<2xl2 = 148.9tg(5)消耗硝酸量 512.2+9.0=521.2kg4.3用聯(lián)系物作物料平衡計算用聯(lián)系物作物料平衡計算時，通常用的聯(lián)系物是在反應(yīng)過程中小參與反應(yīng)，即進(jìn)口和出口質(zhì)量(或摩爾數(shù))不發(fā)生變化的物料?！纠?1用空氣氧化鄰二甲苯生產(chǎn)苯酊。原料流量為205kg鄰二甲苯/ h和4500 m3空氣(SIP) /ho從反應(yīng)的計量關(guān)系可知，生成

6、l mol的苯酊需要反應(yīng)掉1mol的鄰二甲苯。經(jīng)化驗得到反應(yīng)器出口 氣體的組成如下表。表2出口氣體組成組分苯酢順酊鄰二甲苯O2N2其他合計組成 /%(mol)0.650.040.0316.58784.70100試計算：(l)鄰二甲苯的轉(zhuǎn)化率、苯酊的收率、反應(yīng)的選擇性； 苯酊的產(chǎn)量(年工作日 330天)。解：從題可知，進(jìn)入反應(yīng)器的氮氣是惰性氣體，不參加反應(yīng)。故進(jìn)口和出口中氮氣量不變假定無 損失)。本題選擇氮氣作為聯(lián)系物進(jìn)入反應(yīng)器的空氣中含有N0其摩爾流量為L k 0 J92 = 159,1 kniol/h設(shè)反應(yīng)器出口氣體的總流量為餐k1Ml/h,則有0.78 靠二 159解用 芾=304 bix

7、>Kh因此.反應(yīng)器出口氣體中含有鄰二甲笨204x0.03% =。.06 2 kmol/h= (0.061 2x 106)根丁=6.啊 k"h 反應(yīng)笄出口氣體中曾有舉酢204X 0,65場=1,326 krnnl/h所以(1)鄰二電轉(zhuǎn)化率 X - 2%蘇臀 x 100% =96.8%笨肝的收率1'= 噓工KX燒0,6S6k1(X蹄注68.6作106反應(yīng)狗選擇性£ =手=0.71(2)苯酊的年產(chǎn)量苯酊的相對分子質(zhì)量為148苯酊產(chǎn)量二每小時牛成摩爾數(shù)X 24小時X年工作天數(shù)X苯酊相對分子質(zhì)量=1.326 X24X330X 148=1554X 10 kg/a=1554

8、 t/a4.4復(fù)雜化工過程物科平衡計算所謂復(fù)雜化工過程就是在化工過程中包括多個單元設(shè)備，而每一個單元設(shè)備由物流或是由能量聯(lián)系起來這些單元設(shè)備可以是串聯(lián)、并聯(lián)和物流的旁路，或帶有循環(huán)物流等幾種類型。對于復(fù)雜化工過 程的物料平衡計算，就是對上述不同類型組合起來的單元設(shè)備系統(tǒng)的物料進(jìn)行平衡計算。下面分別介 紹單元設(shè)備串聯(lián)、并聯(lián)和帶循環(huán)物流的物料平衡計算方法。(1)串聯(lián)化工過程的物料平衡計算單元設(shè)備串聯(lián)分為以下幾種情況：分離設(shè)備與分離設(shè)備的串聯(lián)，反應(yīng)設(shè)備與反應(yīng)設(shè)備的串聯(lián)，分 離設(shè)備與反應(yīng)設(shè)備串聯(lián)。單元設(shè)備串聯(lián)的特點是物流為單向，即前置單元設(shè)備的出料為后續(xù)單元設(shè)備 的進(jìn)料。單元設(shè)備串聯(lián)操作過程的物料平衡

9、計算，當(dāng)不必了解串聯(lián)各個單元設(shè)備的物流變化時，可以 將串聯(lián)單元設(shè)備作為一個體系進(jìn)行計算。一般情況采用逐步解法，對每個單元設(shè)備進(jìn)行物料平衡計算?！纠?】在氯化苯用混合酸進(jìn)行硝化生產(chǎn)一硝基氯化苯時，通?？梢圆捎?個攪拌釜式反應(yīng)器用聯(lián)?，F(xiàn)已知如下條件：每年生產(chǎn)一硝基氯化苯4 000t, 一硝基氯化苯純度99%(質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，下同)，該產(chǎn)品收率為95%年工作日300天，原料及配比為：氯化苯：硝酸 =1:1.02 (摩爾比)，混合酸的組 成：51喻酸、44%J肖酸、5%勺水，一氯化苯純度為 99.2%,其余為有機雜質(zhì)。氯苯在第1個釜中轉(zhuǎn)化率為80%在3個硝化釜中總轉(zhuǎn)化率為 99.2%。假定反應(yīng)過程中無任何

10、副反應(yīng)。求：(1)第1個反應(yīng)釜出料各組分的質(zhì)量；(2) 從第3個硝化釜出料時硝酸在無機酸中的比例(質(zhì)量比)。氯化苯、一硝基氯化苯及硝酸相對分子質(zhì)量分別為：112.5、157.5和63。解：第一步，首先求進(jìn)人第一個反應(yīng)釜的進(jìn)料質(zhì)量，基準(zhǔn)為 kg/h 。7頁反應(yīng)方程式Cl圖1.M串鞋化T時程泰意朗無 H 跟每小時生產(chǎn)一硝基劇化莘量為4 OWx 1000x0.W b300x24x0.95 = 57S 9 坨每小時需票加入氯化裝量為j-XlI2J = 413,5 ks每小時需要加入工業(yè)氯化親量為41350.992-416.S kg每小時帶鬟加人硝酸性為x 63 kJ.O> = 236.2 Ji年

11、小時需要加入混合艘的量為236 '韓上5死3姐，其中HNOjHz0273.8 %236.2 kg26,8 kg(1)計算第1個釜出料各組分質(zhì)量從題已知一氯化苯在第一個反應(yīng)釜中轉(zhuǎn)化率為80%則氯化苯轉(zhuǎn)化量：413.5X0.8 =330.8 kg生成一硝基氯化苯量：330.8 +112.5 X 157.5=463.1kg生成水的量：330.8 +112.5 X 18=52.9kg消耗硝酸量：330.8 +112.5 X 63=185.2kg從第1個釜中出料的各組分質(zhì)量分別為一氯化苯：413.5-330.8=82.7 kg有機雜質(zhì)：416.8-413.5=3.3 kg一硝基氯化苯量：463.

12、1 kg硝酸量：236.2-185.2=51kg水的量：52.9+26.8= 79.7kg硫酸量：273.8 kg(2)計算從第3個反應(yīng)釜出來的物料中硝酸在無機混合酸中的比例(質(zhì)量百分?jǐn)?shù))。這時可以將3個反應(yīng)釜作一個系統(tǒng)進(jìn)行物料平衡計算，在此系統(tǒng)中各組分物料變化情況為：氯化苯的車化量：4135X 0.992= 410.2 kg生成一硝基氯化苯的量：410.2 + 112.5 X 157.5=574.3kg生成水的量：410.2 +112.5 X 18=65.6kg消耗硝酸的量：410.2 + 112.5 X 63=229.7kg剩余硝酸量：236.2-229.7=6.5 kg剩余硫酸量：273

13、.8 kg剩余水的量：65.6+26.8=92.4 kg無機酸總量：6.5+273.8+92.4=372.7 kg硝酸在無機酸中的比例：(6.5/372.7 ) X 100%=1.74%(2)并聯(lián)化工過程的物料平衡計算并聯(lián)化工過程是將單元設(shè)備并聯(lián)用來擴大化工系統(tǒng)的處理能力。并聯(lián)過程物料平衡計算方法與審聯(lián)過程相同，可以對單元設(shè)備逐一進(jìn)行分析計算。(3)帶有循環(huán)物流過程的物料平衡計算在許多化學(xué)反應(yīng)中反應(yīng)物并沒有完全被反應(yīng)掉，而是和產(chǎn)物一起離開反應(yīng)器；另一方面，對有些 化學(xué)反應(yīng)，需要有意識地控制在低轉(zhuǎn)化率的條件下進(jìn)行。在以上兩種情況下，反應(yīng)器后往往需串聯(lián)一 個分離設(shè)備，回收未反應(yīng)完的反應(yīng)物，并使它返

14、回反應(yīng)器重新利用，該返回物流稱循環(huán)物流。有下面 4種情況采用循環(huán)物流：有貴重或稀缺的物質(zhì)參加的化學(xué)反應(yīng)，在原料配比時，常使其他原料比例 大于化學(xué)計量系數(shù)，則大比例原料轉(zhuǎn)化率低，需循環(huán)使用；需加入稀釋劑的化學(xué)反應(yīng)，稀釋劑需循 環(huán)使用；對溶液吸收和溶液萃取等分離過程，溶劑回收后循環(huán)使用；精儲塔的回流。通常循環(huán)物流的組成與新鮮原料不同，其反應(yīng)所得產(chǎn)物也不同于新鮮原料反應(yīng)所得產(chǎn)物。具有循 環(huán)物流的反應(yīng)器的產(chǎn)物影響反應(yīng)器的進(jìn)料，整個體系在經(jīng)過一個過渡過程后才能由非穩(wěn)態(tài)達(dá)到穩(wěn)態(tài)操作，循環(huán)體系的物料衡算是對穩(wěn)態(tài)操作進(jìn)行計算。圖2為帶有物料循環(huán)的流程示意圖。排加慚鮮原料中F）1I反應(yīng)系統(tǒng)舸物流（吟謁而圖2物料

15、循環(huán)的流程示意圖如圖1.1-2所示，在循環(huán)體系中通常包括反應(yīng)設(shè)備、分離設(shè)備和循環(huán)物流設(shè)備?？偽锪虾馑憧?以提供新鮮原料和產(chǎn)物之間的關(guān)系。每個反應(yīng)設(shè)備的物料衡算可以提供循環(huán)物料的質(zhì)量和組成。循環(huán)體系物料衡算時，對于關(guān)鍵組分有總轉(zhuǎn)化率、單程轉(zhuǎn)化率叫總收率等參數(shù)，同時在計算時循環(huán)物流質(zhì) 量、排放物質(zhì)質(zhì)量與組成均是循環(huán)過程物料衡算參數(shù)?？傓D(zhuǎn)化率=轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵組分A量新鮮原料中關(guān)鍵組分A量單程蚌仍重轉(zhuǎn)化的關(guān)健組分A量轉(zhuǎn)讓的關(guān)犍組分A量平性杼化率=反應(yīng)器混合原料中關(guān)鍵組分人量=f+RG）中止的量總轉(zhuǎn)化率大于單程轉(zhuǎn)化率。循環(huán)過程以反應(yīng)器為核心的體系，其分離系統(tǒng)分離作用可有3種情況：循環(huán)物料中不含產(chǎn)物的理想分離；循環(huán)物流中有反應(yīng)物又有產(chǎn)物的部分分離；循環(huán)物流與產(chǎn)物物流組成完全相同的完全不分離。在對循環(huán)體系進(jìn)行物料衡算時，在尚不知道循環(huán)物流的流量時，可以采用兩種解題方法。