第七章化工工藝計(jì)算

（優(yōu)選）第七章化工工藝計(jì)算當(dāng)前1頁(yè)，總共43頁(yè)?！?.1概述化工工藝計(jì)算物料衡算、熱量衡算進(jìn)行化工設(shè)計(jì)、過(guò)程經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)、節(jié)能分析和過(guò)程優(yōu)化的基礎(chǔ)化工生產(chǎn)過(guò)程：主副產(chǎn)品量、原材料消耗、能量消耗、三廢指標(biāo)當(dāng)前2頁(yè)，總共43頁(yè)。1、物料衡算和熱量衡算的主要步驟(1)收集計(jì)算數(shù)據(jù)：化工裝置的生產(chǎn)操作數(shù)據(jù)，如輸入和輸出物料的流量、溫度、壓力、濃度等，涉及物質(zhì)物化常數(shù)，如密度、熱容等。(2)寫(xiě)出相關(guān)反應(yīng)方程式（包括主副反應(yīng)）并配平，標(biāo)明相對(duì)分子量。(3)繪出流程的方框圖，標(biāo)明相關(guān)參數(shù)。當(dāng)前3頁(yè)，總共43頁(yè)。(5)設(shè)未知數(shù)，列方程式，求解。

（物料平衡、約束式－歸一方程、氣液平衡方程等。(6)計(jì)算和核對(duì)。(7)報(bào)告計(jì)算結(jié)果。(4)選定衡算基準(zhǔn)

通常計(jì)算產(chǎn)率：選一定量的原料或產(chǎn)品為基準(zhǔn)（1Kg或100Kg、1mol、1m3等）；

計(jì)算原料的消耗指標(biāo)和設(shè)備生產(chǎn)能力：選單位時(shí)間為基準(zhǔn)（1h、1mim、1s等）。當(dāng)前4頁(yè)，總共43頁(yè)。轉(zhuǎn)化率、選擇性和收率

反應(yīng)轉(zhuǎn)化率-----反映原料產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)的程度（1）定義：指某一反應(yīng)物參加反應(yīng)，轉(zhuǎn)化的數(shù)量占該反應(yīng)物起始量的分率或百分?jǐn)?shù)。（針對(duì)反應(yīng)物而言）2、化工工藝學(xué)中基本概念當(dāng)前5頁(yè)，總共43頁(yè)。（2）單程轉(zhuǎn)化率和全程轉(zhuǎn)化率為了提高原料的利用率，采用循環(huán)反應(yīng)系統(tǒng)。單程轉(zhuǎn)化率——反應(yīng)器全程轉(zhuǎn)化率——反應(yīng)系統(tǒng)

當(dāng)前6頁(yè)，總共43頁(yè)。例：以乙炔與醋酸合成醋酸乙烯酯為例。如圖所示，再連續(xù)生產(chǎn)中，假設(shè)每小時(shí)流經(jīng)各物料線的物料中含乙炔的量為mA=600Kg，mB=5000Kg，

mc=4450Kg，計(jì)算過(guò)程的單程轉(zhuǎn)化率和全程轉(zhuǎn)化率。解：

總結(jié)：一般要根據(jù)各自反應(yīng)的特點(diǎn)，由實(shí)際經(jīng)驗(yàn)來(lái)控制單程轉(zhuǎn)化率。當(dāng)前7頁(yè)，總共43頁(yè)。反應(yīng)選擇性（1）定義：轉(zhuǎn)化成目的產(chǎn)物的某反應(yīng)物量與參加所有反應(yīng)而轉(zhuǎn)化的該反應(yīng)物總量之比。收率（產(chǎn)率）（1）定義：生成的目的產(chǎn)物占某反應(yīng)物初始量的百分率。單程收率:分母為(新鮮＋循環(huán)該原料之和)

總收率：分母為（新鮮該物料）當(dāng)前8頁(yè)，總共43頁(yè)。

轉(zhuǎn)化率(X)，收率(Y)和選擇性(S)三者關(guān)系：Y=SX當(dāng)前9頁(yè)，總共43頁(yè)。2023/3/2910

轉(zhuǎn)化率(X)，收率(Y)和選擇性(S)三者關(guān)系：

Y=SX當(dāng)前10頁(yè)，總共43頁(yè)。1.一般反應(yīng)過(guò)程的物料衡算輸入物料的總質(zhì)量＝輸出物料的總質(zhì)量＋系統(tǒng)內(nèi)積累的物料質(zhì)量

注:間歇操作（非穩(wěn)態(tài)）積累≠0

連續(xù)操作（穩(wěn)態(tài)）積累＝0§7.2物料衡算理論依據(jù)：質(zhì)量守恒定律

當(dāng)前11頁(yè)，總共43頁(yè)。蒸餾F(Kg)XF1XF2P(Kg)XP1XP2W(Kg)XW1XW2無(wú)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程物料流程示意圖總質(zhì)量衡算：F=P+W組分衡算：FXF1=PXP1+WXW1FXF2=PXP2+WXW2當(dāng)前12頁(yè)，總共43頁(yè)。反應(yīng)F(mol)P(mol)催化裂化過(guò)程物料流程示意圖組成

原料油（摩爾分?jǐn)?shù)）

產(chǎn)品油（摩爾分?jǐn)?shù)）C6H1400.05C7H1600.15C8H180.30.30C11H240.70.50C原子衡算：F×0.3×8＋F×0.7×11=P×0.05×6+P×0.15×7+P×0.3×8+P×0.5×11

當(dāng)前13頁(yè)，總共43頁(yè)。物料衡算的步驟(1)繪出流程的方框圖(2)寫(xiě)出反應(yīng)方程式，并配平之。(3)選定衡算基準(zhǔn)(4)設(shè)未知數(shù)，列方程式，求解。

（物料平衡、約束式－歸一方程、氣液平衡方程等。(5)計(jì)算和核對(duì)。(6)報(bào)告計(jì)算結(jié)果。當(dāng)前14頁(yè)，總共43頁(yè)。例1：擬將原料油中的有機(jī)硫通過(guò)催化加氫轉(zhuǎn)變成H2S，進(jìn)而脫出之，油中不飽和烴也加氫飽和。若原料油的進(jìn)料速率為160m3/h，密度為0.9g/ml，氫氣（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)）的進(jìn)料速率為10800m3/h。原料油和產(chǎn)品油的摩爾分?jǐn)?shù)組成如下。組分C11H23SHC11H24C10H20=CH2原料油5%70%25%產(chǎn)品油0.1%96.8%3.1%求（1）消耗的氫氣總量；（2）分離后氣體的摩爾分?jǐn)?shù)。當(dāng)前15頁(yè)，總共43頁(yè)。畫(huà)出衡算系統(tǒng)方框圖如下。氣體催化加氫H2原料油C11H23SH 5% C11H24 70% C10H20=CH225%分離C11H23SH 0.1% C11H24 96.8% C10H20=CH23.1%產(chǎn)品油當(dāng)前16頁(yè)，總共43頁(yè)。寫(xiě)出反應(yīng)方程式。C11H23SH+H2

C11H24+H2SC10H20=CH2+H2

C11H24選擇衡算基準(zhǔn)為1h。H22kg/kmolC11H24156kg/kmolH2S34kg/kmolC10H20=CH2152kg/kmolC11H23SH188kg/kmol當(dāng)前17頁(yè)，總共43頁(yè)。原料油平均摩爾質(zhì)量=188×0.05+156×0.7+154×0.25=157.1kg/kmolH2進(jìn)氣量=10800×103/22.4×10-3=482.1kmol;m=964Kg對(duì)進(jìn)料原料油衡算/1h1h原料油進(jìn)料物質(zhì)的量=160×900/157.1=916.6kmolC11H23SH：n=916.6×0.05=45.83Kmol;m=8616KgC11H24 :n=916.6×70%=641.62Kmol;m=100093KgC10H20=CH2:n=916.6×25%=229.15Kmol;m=35289Kg當(dāng)前18頁(yè)，總共43頁(yè)。設(shè)脫硫后產(chǎn)品油的質(zhì)量為R，對(duì)C物料衡算，則有：

916.6×(0.05×11+0.7×11+0.25×11)=R(0.001×11+0.968×11+0.031×11)R=916.6kmol反應(yīng)(1)消耗的H2氣量=916.6×0.05–0.001R=44.91kmol生成的H2S氣量=44.91kmol反應(yīng)(2)消耗的H2氣量=916.6×0.25–0.031R=200.74kmol總耗H2量=44.91+200.74=245.654kmol剩余H2量=482.1-245.65=236.49kmol反應(yīng)后氣體的總量=44.91+236.49=281.4kmol設(shè)未知數(shù)，列方程式，求解。當(dāng)前19頁(yè)，總共43頁(yè)。故，H2S的摩爾分?jǐn)?shù)為44.91/281.4=0.16H2的摩爾分?jǐn)?shù)為236.49/281.4=0.84核對(duì)。列物料衡算表，如下。當(dāng)前20頁(yè)，總共43頁(yè)。例7-5P257裂解爐乙烷乙烷99%甲烷1%炭裂解氣H2CH4C2H2C2H4C2H637.24.530.1833.0825.01選擇衡算基準(zhǔn)---原料氣=100mol進(jìn)料：n(C2H6)=99mol;n(CH4)=1mol設(shè)：裂解后裂解氣的物質(zhì)量為Nmol–碳守恒當(dāng)前21頁(yè)，總共43頁(yè)。物料名稱摩爾質(zhì)量/g/mol進(jìn)料出料molgmolgH2259.23118.46CH4161167.21115.36C2H2260.297.54C2H42852.671474.78C2H63099297039.821194.60C126.2474.898總計(jì)1002986165.462986當(dāng)前22頁(yè)，總共43頁(yè)。氣體膨脹率=N/100=159.21/100=1.592X(乙烷轉(zhuǎn)化率)=（99-39.82)/99=59.78%S(乙烯的選擇性)=52.67/(99-39.82)=89%Y(乙烯的收率)=XS=59.78%×89%=53.20%當(dāng)前23頁(yè)，總共43頁(yè)。2.具有循環(huán)過(guò)程的物料衡算(2)繪出流程的方框圖,并標(biāo)明各物料(1)寫(xiě)出反應(yīng)方程式并配平。(3)以方程的方式列出各節(jié)點(diǎn)的物料衡算關(guān)系；(4)解出方程組；反應(yīng)器分離器ABFFMFRPPSPWRC當(dāng)前24頁(yè)，總共43頁(yè)。反應(yīng)器分離器ABFFMFRPPSPWRC對(duì)物料輸入口節(jié)點(diǎn)A：FF+RC=MF對(duì)物料輸出口節(jié)點(diǎn)B:RC+W=SP對(duì)分離器：RP=P+SP=P+RC+W對(duì)整個(gè)反應(yīng)：FF=P+W對(duì)反應(yīng)器：MF=RP當(dāng)前25頁(yè)，總共43頁(yè)。例1：在銀催化劑作用下，乙烯被空氣氧化成環(huán)氧乙烷（C2H4O），副反應(yīng)是乙烯完全氧化生成CO2和H2O。已知離開(kāi)氧化反應(yīng)器的氣體干基組成是：C2H43.22%，N279.64%

，O210.81%

，C2H4O0.83%

，CO25.5%(均為體積分?jǐn)?shù))。該氣體進(jìn)入水吸收塔，其中的環(huán)氧乙烷和水蒸氣全部溶解于水中，而其他氣體不溶于水，由吸收塔頂逸出后排放少量至系統(tǒng)外，其余全部循環(huán)回氧化反應(yīng)器。計(jì)算（1）乙烯的單程轉(zhuǎn)化率；（2）生成環(huán)氧乙烷的選擇性；（3）循環(huán)比；（4）新鮮原料中乙烯和空氣量之比。寫(xiě)出反應(yīng)方程式：當(dāng)前26頁(yè)，總共43頁(yè)。選取反應(yīng)器出口氣中100mol干氣為衡算基準(zhǔn)設(shè)新鮮原料氣（FF）中C2H4的量為Xmol；空氣為Ymol（含79%N2和21%O2）；弛放氣Wmol；乙烯完全氧化生成的H2O量為Zmol。反應(yīng)器水吸收塔ABFFMFRPPSPWRC當(dāng)前27頁(yè)，總共43頁(yè)。反應(yīng)器水吸收塔ABFFMFRPPSPWRC當(dāng)前28頁(yè)，總共43頁(yè)。

圍繞總系統(tǒng)做物料衡算。

采用元素的原子守恒計(jì)算，即C平衡

2X=(0.83×2)+（0.0325W×2+0.0555W）H平衡4X=(0.83×4+2Z)+0.0325W×4O平衡0.21Y×2=(0.83+Z)+(0.109W×2+0.0555W×2)N平衡

0.79Y×2=0.803W×2當(dāng)前29頁(yè)，總共43頁(yè)。

解四個(gè)方程得:X=2.008mol;Y=19.87mol;Z=1.085mol;W=19.55mol.反應(yīng)器水吸收塔ABFFMFRPPSPWRC當(dāng)前30頁(yè)，總共43頁(yè)。

副反應(yīng)消耗的乙烯量=1.085/2=0.5425mol

主反應(yīng)消耗的乙烯量=生成的EO量=0.83mol當(dāng)前31頁(yè)，總共43頁(yè)。乙烯的單程轉(zhuǎn)化率=反應(yīng)消耗的乙烯總量/進(jìn)入反應(yīng)器混合氣中的乙烯量×100%=(0.83+0.5425)/(X+3.22-0.0325W)×100%=29.9%

乙烯的全程轉(zhuǎn)化率

=反應(yīng)消耗的乙烯總量/新鮮原料中的乙烯量×100%=(0.83+0.5425）/2.008×100%=68.35%生成環(huán)氧乙烷的選擇性

=轉(zhuǎn)化為環(huán)氧乙烷的乙烯量/消耗的乙烯總量×100%=0.83/（0.83+0.5425）×100%=60.47%當(dāng)前32頁(yè)，總共43頁(yè)。循環(huán)比=循環(huán)氣量/排放氣量

=(99.19-W)/W=4.073(摩爾比或體積比）

新鮮原料中空氣量和乙烯之比=新鮮原料氣中空氣/乙烯

=19.87/2.008=9.895(摩爾比或體積比）當(dāng)前33頁(yè)，總共43頁(yè)。對(duì)于穩(wěn)定的連續(xù)流動(dòng)過(guò)程，無(wú)熱量的積累，熱量衡算以熱力學(xué)第一定律為基礎(chǔ)。

輸入的總熱量=輸出的總熱量+積累的熱量+損失的熱量系統(tǒng)從外界吸收能量：Q為正；系統(tǒng)對(duì)外界放出能量：Q為負(fù)；§7.3熱量衡算當(dāng)前34頁(yè)，總共43頁(yè)。對(duì)于一個(gè)化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行熱量衡算當(dāng)前35頁(yè)，總共43頁(yè)。熱量衡算的基本步驟(1)建立以單位時(shí)間為基準(zhǔn)的物料衡算表(2)選定計(jì)算基準(zhǔn)溫度和相態(tài)(3)查找熱量衡算中相關(guān)的熱量學(xué)數(shù)據(jù)(4)設(shè)未知數(shù)，列方程式，求解。(5)計(jì)算和核對(duì)。(6)報(bào)告計(jì)算結(jié)果。當(dāng)前36頁(yè)，總共43頁(yè)