四川工虎电子敏 《化工设计》精品课程 Design of Chemical Engineering 第三章化工计算 基本要求 (1)掌握化工过程的特点 (2)熟练应用化工基础数据 (3)熟练掌握化工过程的物料衡算 (4)熟练掌握化工过程的能量衡算 第一节化工过程及过程参数 化工计算主要是应用守恒定律来硏究化工过程的物料衡算和能量衡算问题。在进行计 算时,必须熟悉有关化工过程的一些术语及基础知识。例如,对合成氨或环氧乙烷生产过 程作物料衡算和能量衡算,则首先需要了解有关合成氨或环氧乙烷生产的基本原理、生产 方法和工艺流程,然后,才能以示意图的形式表示出整个化工过程的主要设备及全部进 出物流,并选定所需温度、压力或物料组成等条件,再逐一进行计算。由此可见,必须具 有化工过程方面的基础知识,才能进行物料和能量衡算 主要内容包括 化工过程; 化工工艺流程 化工过程开发 化工过程基本参数——温度、压力、流量、化学组成等基本概念 1-1化工过程 所谓化工过程,是指由原料经化学处理和物理处理加工成化学产品或中间产品的生产 过程。它包括许多工序,每个工序又由若干个或若干组设备(如反应器、蒸馏塔、吸收塔 干燥塔,分离器、换热器及输送设备等等)组合而成。物料通过各设备时,完成某种化学 或物理处理,最终成为合格的产品 在不同的生产过程中,有一些具有共性的物理操作,它们不改变物料的化学性质,只 改变物料的物理性质,这类操作被称为单元操作,如流体输送、传热、蒸馏、干燥、蒸发、 结晶、萃取、吸收、吸附、过滤及破碎等操作。化工过程中还包括一些改变物料的化学性 质的反应过程,如氢与氮合成氨反应、乙烯氧化成环氧乙烷反应等等。 所以,化工过程就是由反应过程和若干个单元操作组合而成的一个系统。 化工过程中的各种设备所进行的主要操作可归纳为下列几类:1化学反应;2分离或 提纯,3改变温度,4改变压力,5混合等。各类操作的作用简述如下。 1、化学反应。化学反应是整个化工过程的核心。一种化学反应是否能在工业上付诸 实现取决于许多因素,如平衡收率(即反应系统达到平衡状态时,加入的原料转化为产品 的数量)、反应速度、控制或减少副反应的可能性等。适当调节温度或压力可提高平衡收 率。有些反应平衡收率虽高,但由于反应速度太慢,实际上不能实现,如常压低温合成氨, 就不可能实现。采用催化剂可提高反应速度,所选的催化剂应能加速主反应和抑制副反应
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《化工设计》赣品课翟 可见,实现一种化学反应,需要选定适宜的温度、压力条件、研究出性能良好的催化剂以 及设计出合适的反应器等等,这是开发一个新的化工过程最重要也是最困难的部分。 2、分离或提纯。化工生产中的分离过程就是将两种或两种以上组分的混合物分成纯 的或比较纯的组分。由于生产中的化学反应过程常常存在副反应、反应不完全或使用溶剂 等方面原因,使原料经反应后得到的产物往往不是一种纯的产物,而是几种组分的混合物, 必须经分离或提纯后,才能成为较纯的产品。例如,石油化学工业中,轻油裂解制烯烃, 裂解产物须经加压低温分离,才能得到纯的乙烯和丙烯等产物。合成氨生产中,氢和氮原 料气合成后,须经冷却,从没有完全反应的原料气中分离出产品液态氨 分离过程通常只是一种物理过程,不发生化学反应。它是利用物质在相变化过程中 某些物理性质(如沸点、熔点、溶解度等)的差异来进行的。如蒸馏是基于不同组分挥发 度或沸点的不同;结晶是基于熔点或溶解度的不同;溶剂萃取是基于一种物质在两种互不 相溶的液体中溶解度的不同等。 分离过程所处理的物料通常同时存在两相,气体与液体、固体与液体、气体与固体 或两种不互溶的液体,这是由于两相密度差异大,本身容易分离,而单相不同组分的分离 是较困难的。例如,分离等量的苯和甲醇混合物,如果全部是液体,就难以分离,必须先 使这些组分进入不同相,然后把两相分离。为了做到这一点,通常有以下几种方法: (1)将混合液加热,把蒸出的蒸气分离再冷凝(蒸馏操作)。苯和甲醇蒸发到一定程 度,由于甲醇易挥发,蒸气中甲醇量相对较高,剩下的液相中苯含量较高,重复此操作, 可使两组分完全分离。 (2)将混合液冷却,然后把形成的结晶过滤(结晶操作)。由于苯在55°C凝固,甲 醇在-97C凝固。所以,在正确的操作条件下,可以得到差不多纯的苯晶体 (3)在混合液中加入一种溶剂,如水,它能与甲醇互溶,但不溶解苯。经充分搅拌 后,再把两相分离(萃取操作)。由于水与甲醇互溶,因此形成水(与甲醇)及苯(与甲 醇)两相,就很容易地将其分离 3、改变温度。化学反应速度和收率、物质的相态变化(如蒸气的冷凝、液体的气化 或凝固、固体的熔化等)以及物质的其他物理性质变化(如粘度、溶解度、表面张力等) 等均与温度有密切的关系,改变温度可调节以上各性质达到所需的要求 温度的改变,一般是通过换热器完成的。热量从热的流体转移到冷的流体,冷、热 两种流体是用易导热的材料隔开的。传递的热量决定于两流体间的温度差、传热介质面积、 接触时间和两流体间的相对流速等。 物质的加热都要消耗能量。所以,回收热量使热量充分利用,是化工厂提高经济效 益的一个重要措施。例如,要将原科加热到反应温度则需要热量。而反应器排出的是热的 产物,此部分热量可回收利用,这就可以把原料先与热的反应产物进行换热,回收部分热 量,然后再将其加热到反应温度 4、改变压力。化学反应的反应物或生成物中如有气体时,改变压力对平衡收率有影 响。例如,合成氨反应N23H2=2NH3,压力增高,氨的平衡产率就增加。除此之外物质 的相态变化,如蒸气冷凝或液体气化等与压力亦有密切关系。当用泵或压缩机输送流体时, 压力用于克服设备和管线中的阻力 5、混合。混合是与分离相反的一个过程。在化工生产中,常常需要将两种或两种以 上物质混合在一起。通常,混合不消耗能量,只有为了加速混合使用搅拌器时,才消耗少 量能量。 除上述操作外,某些化工设备还进行其他一些操作,如破碎、除尘等等。 化工过程中的每一个设备进行上述一种或几种操作。设计化工过程,就是设计以上 系列操作,将其适当地、合理地组合起来,以改变原料的化学和物理性质,使之能够生
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第三拿化二计挑 产合格的产品。把完成这些操作的设备串连组合起来,就成为一个化工过程 通常,发现一种新的化学反应使之实施于生产或开发一个新的化工过程,从技术角 度来考察,它主要决定于下述三类因素 (1)化学工艺因素——反应体系本性、温度、压力、组成、催化剂等操作条件以及 体系的反应速度、转化率、循环比等 (2)化学工程因素——体系的物性、相态、热性质、传递性质、传热传质方式、物 料(流体及固体)输送、反应技术、分离技术等。 (3)机械设备、仪表及控制手段——设备材料、制造、贮运、安装、维修、检测 备品备件、正常操作及事故处理等 应该指出,在决定化工过程时,上述诸因素是密切相关的,其中不少因素还是互相矛 盾和制约的。需要对过程进行分析实行最优化,其中包括很多单个过程的最优化,最后使 过程的总费用为最低 但是,决定一个具体的化工过程,除考虑其技术上的可行性外,还必须符合国家的政 治、经济政策方针。诸如资源、环境、能源、劳动保护、工业布局等因素,并使之获得最 佳的经济效益。 1-2化工工艺流程 化工过程常用流程图来表示。所谓流程图,就是把生产过程中物料经过的设备按其形 状画出示意图,并画出各设备之间的主要物料管线及其流向。简化的流程图可以用方框来 表示设备或设备组,称方框流程图。在工艺流程设计中,还有其他类型的流程图,如表明 物料量的物料流程图、以装置为单元的装置流程图、以管线为主的管线流松图以及带测量 仪表控制点的流程图等。 在化学工业中,不同化工过程的差别很大,难于找到一个具有代表性的化工过程。下 面仅简要介绍几种工艺流程,旨在说明化工过程的特点以及绘制工艺流程图的方法,以利 于本课程的学习。 (1)石油炼制工艺流程 石油炼制工业是化学工业中规模最大和最有影响的工业之一。随着石油化学工业的发 展,石油炼制工业与石油化学工业的关系愈来愈密切,还出现了炼油工业与石油化学工业 的联合企业,规模日益増大。目前,规模大的炼油厂,原油处理量可达1000吨/年。 ②2)乙烯空气氧化制环氧乙炔工艺流程 环氧乙烷是重要的石油化工产品。由环氧乙烷可制得许多重要的工业用品。例如,环 氧乙烷与水反应可生成乙二醉,用于防冻剂、聚醋类合成纤维等,与烷基苯酚反应可制得 非离子型表面活性剂;与乙醇反应可生成各种甘醇类、醚类,与氨反应生成乙醇胺等。所 以,目前环氧乙烷的生产量正逐年増长,其中消耗量最大的是生产乙二醇。 乙烯直接氧化法是工业上生产环氧乙烷的主要方法。该法是用乙稀和空气(或氧)为 原料,通过银催化剂直接进行气相氧化制环氧乙烷 乙烯的转化率约30%,选择性(即乙烯转化成环氧乙烷的摩尔数占乙烯反应掉的总 摩尔数之百分比)约70%。 从以上两例化工工艺流程可以看出,工艺流程图能简明、扼要的表明化工产品的生产 工序,看来一目了然。从工艺流程图可以初步了解生产方法、生产过程以及各主要物料的 来龙去脉。在解物料和能量衡算题时,也需要用图来表示各设备之间的物料关系。因此, 学会用流程图来表达化工过程,对工程技术人员是一项基本训练。 1-3化工过程开发 化工过程开发是指一个化学反应从实验室过渡到第一套生产装置的全部过程。 化工过程开发,首先是决定子化学反应的可能性、转化率及反应速度是否具有工业价
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《化工设计》赣品课翟 值,产物分离的难易程度以及机械、设备、材料是否可行。当然,最终取决于是否有经济 效益。 化工过程开发的第一步就是要设计一个流程图。由于化学反应或产物的分离可用不同 的方法来完成,因此,设计流程时,必须选择一个安全、可靠、经挤效益高的最佳方案 下面将以合成氨为例对此作一简单说明 合成氮生产的原料气是氢、氮(由NH3知化学计量比为3:1)混合气。但是,在通常条 件下,氢、氮反应合成氨的速度很慢,因此实际上没有工业意义,只是在20世纪初,哈 柏( Haber)发现了铁催化剂,波施( Bosch)解决了高压合成设备工业化问题,才为合成氨奠 定了工业基础。 根据前面的分析,氨合成的基本工艺步骤应包括以下几步:4)气体的压缩,2)气 体的预热和合成,)氨的分离;4)未反应氢、氮气体的循环,5)惰性气体的排放。 1-4过程参数 在化工生产过程中,能影响过程运行和状态的物理量,如温度、压力、流量及物料的 百分组成或浓度等,在指定条件下它的数值恒定,条件改变其数值也随之变化,这些物理 量称为过程参数。这些参数也常作为控制生产过程的主要指标 进行化工计算时,上述参数是基本数据,可以直接测定。对一些不易直接测定的参数, 可找出与容易测定的参数之间的关系,通过计算求得,有时也可以根据经验数据选定。 主要介绍温度、压力、流量及物料的百分组成或浓度等参数的基本概念及计算方法。 第二节化工基础数据 在化工计算以及化工工艺和设备设计中,必不可少地要用到有关化合物的物性数据。 例如,进行化工过程物料与能量衡算时,需要用到密度或比容、沸点、蒸汽压、烩、热容 及生成热等等的物性数据;设计一个反应器时,则需要知道化学反应热的数据;计算传热 过程时,需要导热系数的数据等等。这些数据习惯上称为“化工基础数据”,它是由物料 本身的物理化学性质所决定的。因此,又被称作“物化数据”或“物性数据”。 化工基础数据包括很多,现将常用的一些化工基础数据大致归纳成以下几类: (1)基本物性数据一如临界常数(临界压力、临界温度、临界体积)、密度或比容、 状态方程参数、压缩系数、蒸气压、气一液平衡关系等。 (2)热力学物性数据一如内能、焓、熵、热容、相变热、自由能、自由焓等。 (3)化学反应和热化学数据一如反应热、生成热、燃烧热、反应速度常数、活化能, 化学平衡常数等。 (4)传递参数一如粘度、扩散系数、导热系数等。 通常这些数据可用下列方法得到: 1、查手册或文献资料 有关常用物质的物性数据,前人已系统地进行归纳总结,从表格或图的形式表示。这 些致据可从有关的化学化工类手册或专业性的化工手册中查到。例如 1)Chemical Engineers Handbook, 6th Edition, R. H. Perry and C. H. Chiton, Eds McGrawHill. 1984 (2)Handbook of chemistry and physics, 66th Edition, R C Weast, ed, Chemical Rubber Publishing Company, 1985-1986 上述手册中收集了许多物质的物性数据及图表。例如, Handbook of Chemistry and Physics中约有17000种有机与无机化合物的物性数据一分子量、正常沸点、正常熔点、密 度(室温下)、折光指数、以及物质在不同溶剂中的溶解度等
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第三拿化二计挑 中文的手册有 (1)化学工程手册,化学工程手册》编辑委员会,化学工业出版社,1980。 (2)化工工艺设计手册,国家医药管理局上海医药设计院编,化学工业出版社,1986。 3)化工工艺算图,吉林化学工业公司设计院等编,化学工业出版社,1982。 《化学工程手册》是一本通用性的工作手册。全书共分26篇。第一篇为化工基础数 据,其中内容取材注意结合国内情况及已取得的成果,并吸收国外有关的技术数据。 《化工工艺设计手册》是针对化工设计工作人员所需技术资料而编写的。全书分上、 下两册。共包括常用物质的物性数据、常用化工设备、机电设备和化工仪表以及常用工程 材料、管道管件等三个部份 《化工工艺算图》是汇编了根据公式和实验数据绘制的图册,共有算图达1000余种。 全书共分6册,第一册是常用物料物性数据(多数以实验数据绘制),第二册是物性数据 计算(根据公式绘制)。利用算图计算,査阅简捷,使用方便,可以避免繁琐的计算, 2、估算 可以应用物理和化学的一些基本定律计算各种物质的性质参数。但是,往往由于缺乏 计算所需的一些分子性质(偶极矩、极化率、原子间距离等)的数据而无法计算,或者即 使知道这些数据,计算也很复杂。因此,许多研究人员做了不少工作,建立了理论与经验 相结合的方法,来计算各种物质的物性数据。这些方法仅从一个化合物二、三种数据就能 估算出该化合物的其他物性数据来。上述手册中都介绍了一些估算物性数据的简略方法。 3、用实验直接测定。 以上三种数据来源,从手册或文献中査得数据最方便,但往往有时数据不够完整,有 时也会出现一些错误。用一些理论的、半经验的和经验的公式估算,也是一种简便的方法。 当手册或文献中无法査得时,可以进行估算。直接用实验测定得到的数据最可靠,只是实 验比较费时间又花钱。但是,如果査不到有关数据,而用公式估算得到的结果精度又不够 时,则必须用实验进行测定。 近年来,随着电子计算机的迅速发展,应用计算机储存、检索和推算物性数据日益增 多。一些大型化工企业、研究部门和高等院校都相应建立了物性数据库,以便于通过计算 机自动检索或估算所要求的数据,而不必自行查找或计算,大大节省了时间和精力。 第三节物料衡算 物料衡算是化工计算中最基本、也是最重要的内容之一,它是能量衡算的基础。一般, 在物料衡算之后,才能计算所需要提供或移走的能量。例如,设计或研究一个化工过程, 或对者某生产过程进行分析,需要了解能量的分布情况,都必须在物料衡算的基础上,才 能进’一步算出物质之间交换的能量以及整个过程的能量分布情况。因此,物料衡算和能 量衡算是进行化工工艺设计、过程经济评价、节能分析以及过程最优化的基础。 通常,物料衡算有两种情况,一种是对已有的生产设备或装置,利用实际测定的数据, 算出另一些不能直接测定的物料量。用此计算结果,对生产情况进行分析、作出判断、提 出改进措施。另一种是设计一种新的设备或装置,根据设计任务,先作物料衡算,求出进 出各设备的物料量,然后再作能量衡算,求出设备或过程的热负荷,从而确定设备尺寸及 整个工艺流程。 物料衡算的理论依据是质量守恒定律,即在一个孤立物系中,不论物质发生任何变 化,它的质量始终不变(不包括核反应,因为核反应能量变化非常大,此定律不适用)
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《化工设计》赣晶课程 3-1物料衡算式 化工过程的类型 化工过程操作状态不同,其物料或能量衡算的方程亦有差别。 化工过程根据其操作方式可以分成间歇操作、连续操作以及半连续操作三类。或者 将其分为稳定状态操作和不稳定状态操作两类。在对某个化工过程作物料或能量衡算时, 必须先了解生产过程的类别 闻歇操作过程:原料在生产操作开始时一次加入,然后进行反应或其他操作,一直 到操作完成后,物料一次排出,即为间歇操作过程。此过程的特点是在整个操作时间内, 再无物料进出设备,设备中各部分的组成、条件随时间而不断变化。 连续操作过程:在整个操作期间,原料不断稳定地输入生产设备,同时不断从设备 排出同样数量(总量)的物料。设备的进料和出料是连续流动的,即为连续操作过程。在 整个操作期间,设备内各部分组成与条件不随时间而变化 半连续操作过程:操作时物料一次输入或分批输入,而出料是连续的,或连续输入 物料,而出料是一次或分批的。 间歇操作过程通常遥用于生产规模比较小、产品品种多或产品种类经常变化的生产, 例如制药、染料以及产量比较小的助剂等精细化工产品的生产用间歇过程比较多。也有 些电于反应物的物理性质或反应条件的限制,采用连续过程有困难,例如悬浮聚合,则只 能用间!歇过程。间歇过程的优点是操作简便,但每批生产之间需要加料、出料等辅助生 产时间,劳动强度大,产品质量不易稳定。 连续过程由于减少了加料、出料等辅助生产时间,设备利用率较高,操作条件稳定, 产品质量容易保证,加之,反应设备内各点条件稳定,便于设计结构合理的反应器和采用 先进的工艺流称以便于实现自动控制和提高生产能力,因此,适用于大规模的生产,例如 硫酸、合成氨、聚氯乙烯等等化学产品的生产均采用连续过程, 稳定状态操作就是整个化工过程的操作条件(如温度、压力、物料量及组成等)如 果不随时间而变化,只是设备内不同点有差别,这种过程称为稳定状态操作过程,或称稳 定过程。如果操作条件随时间而不断变化的,则称为不稳定状态操作过程,或称不稳定过 间歇过程及半连续过程是不稳定状态操作。连续过程在正常操作期间,操作条件比 较稳定,此时属稳定状态操作多在开、停工期间或操作条件变化和岀现故障时,则属不稳 定状态操作。 物料衡算式 物料衡算是硏究某一个体系内进、出物料量及组成的变化。所谓体系就是物料衡算 的范、围,它可以根据实际需要人为地选定。体系可以是一个设备或几个设备,也可以是 一个单元操作或整个化工过程。 进行物料衡算时,必须首先确定衡算的体系 根据质量守恒定律,对某一个体系,输入体系的物料量应该等于输出物料量与体系 内积果量之和。所以,物料衡算的基本关系式应该表示为 输入的)(输出的),(积累的 物料量物料量八物料量 如果体系内发生化学反应,则对任一个组分或任一种元素作衡算时,必须把反应消 耗或生成的量亦考虑在内。即 输入的.(反应生成或 H输出的)(积景的 物料量丿(消耗的物料量丿(物料量八(物料量
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第三拿化二计挑 上式对反应物作衡算时,由反应而消耗的量,应取减号;对生成物作衡算时,由反 应而生成的量,应取加号。 列物料衡算式时应注意,物料平衡是指质量平衡,不是体积或物质的量(摩尔数)平 衡。若体系内有化学反应,则平衡式中各项用摩尔/时为党委时,必须考虑反应式中的化学 计量系数。因为反应前后物料中的分子数不守恒 如图,表示无化学反应的连续过程物料流程。图中方框表示一个体系,虚线表示体 系边界。共有三个流股,进料F及出料P和W。有两个组分。每个流股的流量及组成如图 所示。图中x为质量分数 过程 2 P 无化学反应的 连续过程物料衡算 可列出物料衡算式 总物料衡算式 F=P+w 每种组分衡算式 W P 对于连续不稳定过程,由于该过程内物料量及组成等随时间而变化,因此,物料衡算 式须写成以时间为自变量的微分方程,表示体系内在某一瞬时的平衡 3-2物料衡算的基本方法 进行物料衡算时,为了能顺利地解题,避免错误,必须掌握解题技巧,按正确的解题 方法和步骤进行。尤其是对复杂的物料衡算题,更应如此,这样才能获得准确的计算结果。 1、画物料流程简图 求解物料衡算问题,首先应该根据给定的条件画出流程简图。图中用简单的方框表示 过程中的设备,用线条和箭头表示每个流股的途径和流向。并标出每个流股的已知变量(如 流量、组成)及单位。对一些未知的变量,可用符号表示。 2、计算基准及其选择 进行物料、能量衡算时,必须选择一个计算基准。从原则上说选择任何一种计算基 准,都能得到正确的解答。但是,计算基准选择得恰当,可以使计算简化,避免错误 对于不同化工过程,采用什么基准适宜,需视具体情况而定,不能作硬性规定。例如, 当进料的组成未知时(譬如以煤、原油等作为原料),只能选单位质量作基准,当密度已 知时,也可选体积作基准。但是,不能选1摩尔煤或1摩尔原油作基准,因为不知道它们的 分子量。对有化学反应的体系,可以选某一个反应物的物质的量(摩尔如作基准,因为化 学反应是按反应物之间的摩尔比进行的。 根据不同过程的特点,选择计算基准时,应该注意以下几点 (1)应选择已知变量数最多的流股作为计算基准 (2)对液体或固体的体系,常选取单位质量作基准。 (3)对连续流动体系,用单位时间作计算基准有时较方便。 (4)对于气体物料,如果环境条件(如温度、压力)已定,则可选取体积作基准。 3、物料衡算的步骤 进行物料衡算时,尤其是那些复杂的物料衡算,为了避免错课,建议采用下列计算步
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《化工读计》猾品课戳 骤。对于一些简单的问题,这种步骤似乎有些繁琐,但是训练这种有条理的解题方法,可以 培养逻辑地思考问题,对今后解决复杂的问题是有帮助的, 计算步骤如下: (1)搜集计算数据。 (2)画出物料流程简图 (3)确定衡算体系。 (4)写出化学反应方程式,包括主反应和副反应,标出有用的分子量 (5)选择合适的计算基准,并在流程图上注明所选的基准值。 (6)列出物料衡算式,然后用数学方法求解。 (7)将计算结果列成输入一输出物料表(物料平衡表)。 (8)校核计算结果 3-3无化学反应过程的物料衡算 在化工过程中,一些只有物理变化,不发生化学反应的单元操作,如混合、蒸馏、蒸 发、干燥、吸收、结晶、萃取等,这些过程都可以根据物料衡算式,列出总物料和各组分的 衡算式,再用代数法求解。 简单过程的物料衡算 简单过程是指仅有一个设备或一个单元操作或整个过程简化成一个设备的过程。这种 过程的物料衡算比较简单,在物料流程简图中,设备边界就是体系边界。 下面举例说明计算步骤和计算方法 种废酸,组成为23%(质量%)HNO3,57%H2SO4和20%H2O,加入93%的浓H2SO4 及90%的浓HNO3,要求混合成27%HNO3及60%H2SO4的混合酸,计算所需废酸及加入 浓酸的数量。 解 设、一依图0.,如 浓HNO3量 1、画物料流程简图 HNO3 0.90 H2SO40.93 H2O0.10 H200.07 废酸xkg 混合酸 混合过程 HNO30.23 HNO30.27 H2SO40.57 H2SO40.60 H2O0.20 H200.13 2、选择基准,可以选废酸或浓酸的量为基准,也可以用混合酸的量为基准,因为四 种酸的组成均已知,选任何一种作基准计算都很方便。 列物料衡算式,该体系有3种组分,可以列出3个独立方程,所以能求出3个未 知量。 基准:100kg混合酸 总物料衡算式 x+y+x=100 H2SO4的衡算式0.57x+0.93y=100×0.6=60
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第三拿化二计挑 HNO3的衡算式0.23x+0.90z=100×0.27=27 解(1),(2),(3)方程,得x=41.8kg废酸 y=39kg浓H2SO4 x=19.kg浓HNO3 即由418kg废酸、39kg浓H2SO4和19.2kg浓HNO3可以混合成100kg混合酸 根据水平衡,可以核对以上结果: 加入的水量=41.8×02+39×007+19.2×0.10=13kg 混合后的酸,含13%H2O,所以计算结果正确。 以上物料衡算式,亦可以选总物料衡算式及H2SO4与HNO3二个衡算式或H2SO4、 HNO3和H2O三个组分衡算式进行计算,均可以求得上述结果。 以上为无化学反应过程的物料衡算,当利用代数法求解时,列衡算式应注意下列几点 1、无化学反应体系,能列出的独立物料衡算式数目,最多等于输入和输出物料中化 学组分的数目。 2、首先列出含未知量数目最少的物料衡算方程,以便于解题。 3、若体系内具有很多多组分的物料,则最好将每个流股编号,并列表表示出已知的 量和组成,检査能列出的衡算方程数目是否等于未知量的数目 有多个设备过程的物料衡算 对有多个设备的过程,进行物料衡算时,可以划分多个衡算体系。此时,必须选择恰 当的衡算体系,这是很重要的步骤。不然会使计算繁琐,甚至无法求解。 例如: 有两个蒸馏塔的分离装置,将含50%苯、30%甲苯和20%(mol‰)二甲苯的混合物分 成较纯的三个馏分,其流程图及各流股组成如图。计算蒸馏1000~moh原料所得各流股 的量及进塔Ⅱ物料的组成 S2 mol/h B0.95 T0.03 S4 mol/h T0.95 1000 mol/h I/x0.02 B0.50 T0.30 S3 mol/h S5 mol/h B X B0.0045 T X3 T0.43 解 设S2、S3…表示各流股物料量,mol/h x3B、x江表示流股3中苯、甲苯的组成。 该蒸馏过程中共可列出3组物料衡算方程,每组选三个独立方程。即 体系A(塔Ⅰ):总物料1000=S2+S3 苯1000×0.5=0.95S2+x3BS 甲苯1000×0.3=0.03S2+x3S3 体系B(塔Ⅱ):总物料S3=S4+Ss (4) 苯x3BS3=0.03S4+00045S5
ぜ̹【ࡆጕ䃑デ 9 HNO3 ⱘ㸵ㅫᓣ 0.23x + 0.90z=100×0.27=27 (3) 㾷(1)ˈ(2)ˈ(3)ᮍˈᕫ x=41.8kg ᑳ䝌 y = 39kg ⌧ H2SO4 z = 19.2kg ⌧ HNO3 े⬅ 41.8kg ᑳ䝌ǃ39kg ⌧ H2SO4 19.2kg ⌧ HNO3 ৃҹ⏋ড়៤ 100kg ⏋ড়䝌DŽ ḍ∈ᑇ㸵ˈৃҹḌᇍҹϞ㒧ᵰ˖ ࡴܹⱘ∈䞣 = 41.8× 0.2 + 39 × 0.07 + 19.2 × 0.10 = 13kg ⏋ড়ৢⱘ䝌ˈ 13ˁH2Oˈ᠔ҹ䅵ㅫ㒧ᵰℷ⹂DŽ ҹϞ⠽᭭㸵ㅫᓣˈѺৃҹ䗝ᘏ⠽᭭㸵ㅫᓣঞ H2SO4 Ϣ HNO3 ѠϾ㸵ㅫᓣ H2SO4ǃ HNO3 H2O ϝϾ㒘ߚ㸵ㅫᓣ䖯㸠䅵ㅫˈഛৃҹ∖ᕫϞ䗄㒧ᵰDŽ ҹϞЎ᮴࣪ᄺডᑨ䖛ⱘ⠽᭭㸵ㅫˈᔧ߽⫼ҷ᭄⊩∖㾷ᯊˈ߫㸵ㅫᓣᑨ⊼ᛣϟ߫˖⚍ 1ǃ᮴࣪ᄺডᑨԧ㋏ˈ㛑߫ߎⱘ⣀ゟ⠽᭭㸵ㅫᓣ᭄Ⳃˈ᳔ㄝѢ䕧ܹ䕧ߎ⠽᭭Ё࣪ ᄺ㒘ߚⱘ᭄ⳂDŽ 2ǃ佪ܜ߫ߎⶹ䞣᭄Ⳃ᳔ᇥⱘ⠽᭭㸵ㅫᮍˈҹ֓Ѣ㾷乬DŽ 3ǃ㢹ԧ㋏ݙ᳝ᕜ㒘ߚⱘ⠽᭭ˈ᳔߭དᇚ↣Ͼ⌕㙵㓪োˈᑊ߫㸼㸼⼎ߎᏆⶹⱘ 䞣㒘៤ˈẔᶹ㛑߫ߎⱘ㸵ㅫᮍ᭄Ⳃᰃ৺ㄝѢⶹ䞣ⱘ᭄ⳂDŽ Ѡǃ᳝Ͼ䆒䖛ⱘ⠽᭭㸵ㅫ ᇍ᳝Ͼ䆒ⱘ䖛ˈ䖯㸠⠽᭭㸵ㅫᯊˈৃҹߚߦϾ㸵ㅫԧ㋏DŽℸᯊˈᖙ乏䗝ᢽᙄ ᔧⱘ㸵ㅫԧ㋏ˈ䖭ᰃᕜ䞡㽕ⱘℹ偸DŽϡ✊ӮՓ䅵ㅫ㐕⧤ˈ⫮㟇᮴⊩∖㾷DŽ ՟བ˖ ᳝ϸϾ㪌佣ศⱘߚ行㺙㕂ˈᇚ 50ˁ㣃ǃ30ˁ⬆㣃 20ˁ(mol%)Ѡ⬆㣃ⱘ⏋ড়⠽ߚ ៤䕗㒃ⱘϝϾ佣ߚ⌕݊ˈঞ⌕㙵㒘៤བDŽ䅵ㅫ㪌佣 1000 mol/ h ॳ᭭᠔ᕫ⌕㙵 ⱘ䞣ঞ䖯ศ II ⠽᭭ⱘ㒘៤DŽ 㾷˖ 䆒 S2ǃS3ĂĂ㸼⼎⌕㙵⠽᭭䞣ˈmol / h x3Bǃx3T 㸼⼎⌕㙵 3 Ё㣃ǃ⬆㣃ⱘ㒘៤DŽ 䆹㪌佣䖛Ё݅ৃ߫ߎ 3 㒘⠽᭭㸵ㅫᮍˈ↣㒘䗝ϝϾ⣀ゟᮍDŽे ԧ㋏ A˄ศ I˅˖ᘏ⠽᭭ 1000˙S2 ˇ S3 (1) 㣃 1000 × 0.5 ˙0.95S2 ˇx3B S3 (2) ⬆㣃 1000 × 0.3 ˙0.03S2 ˇx3T S3 (3) ԧ㋏ B˄ศ II˅˖ᘏ⠽᭭ S3 ˙S4 ˇ S5 (4) 㣃 x3B S3 ˙0.03S4 ˇ 0.0045 S5 (5) 7 [ % 6 PROK 6 PROK % ;% 7 ;7 [ ;% ;7 6 PROK PROK [ 7 % 6 PROK 7 [ % [ 7 % , ,,
《化工设计》赣品课翟 甲苯xrS3=0.95S4+0.43S5 (6) 体系C(整个过程):总物料1000=S2+S4+S5 苯1000×0.5=0.95S2+0.03S4+0.0045S5 甲苯1000×0.3=0.03S2+095S4+043S 以上9各方程,只有6各是独立的。因为(1)+(4)=(7)式,同样, (2)+(5)=(8)式及(3)+(6)=(9)式。因此,解题时可以任选二组方程。 由题意,应选体系C(整个过程),因为三个流股2、4、5的组成均已知,只有S2、S4、S 三个未知量,可以从(7)、(8)、(9)三式直接求解。 由(7)、(8)、(9)三式解得 520 mol/h S4=150 mol/h Ss=330 mol/h 再任选一组体系A或B的衡算方程,可解得: S3=480mol/h,x3B=0.0125,xr=0.5925,x3x=0.395 有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。因为,工业上的化学反应,各反应物的 实示用量,并不等于化学反应式中的理论量。为了使所需的反应顺利进行,或使其中较昂 贵的又应物全部转化,常常使价格较低廉的一些反应物用量过量。例如乙烯用空气氧化生 产环氧乙烷,采用过量的空气。此外,在工业化学反应中,化学反应进行的程度往往不完 全,留下剩余的反应物、或者由于中间反应、平行反应或串联反应而生成副产物、或者存 在不参加反应的组分等等,这些剩余的反应物或副产物与产物混在一起排出。因此,使物 料衡算比无化学反应过程的计算复杂,尤其是当物料组成及化学反应比较复杂时,计算更 应注意 反应转化率、选择性及收率等概念 工业化学反应过程中,当反应原料的配比不按化学计量比时,限据反应物的化学计量 数大小可称其为限制反应物与过量反应物 1、限制反应物:化学反应原料不按化学计量比配料时,其中以最小化学计量数存在 的反应物称为限制反应物。 2、过量反应物:不按化学计量比配料的原料中,某种反应物的量超过限制反应物完 全反应所需的理论量,该反应物称为过量反应物。 3、过量百分数:过量反应物超过限制反应物所需理论量的部分占所需理论量的百分 数。若以从表示过量反应物的摩尔数,N表示与限制反应物完全反应所需的摩尔数,则过 量百分数即为 过量%= ×100% 4、转化率(以x表示):某一反应物反应掉的量占其输入量的百分数。若以N NA2分别表示反应物A输入及输出体系的摩尔数,则反应物A的转化率为 A2×100% N 个化学反应,由不同反应物可计算得到不同的转化率。因此,应用时必须指明某 个反应物的转化率。若没有指明时,则往往是指限制反应物的转化率 5、选择性(以S表示):反应物反应成目的产物所消耗的量占反应物反应掉的量的 百分数。若反应物为A,生成的目的产物为D,ND表示生成的目的产物D的摩尔数,a
ȩࡆጕ䃮䃑Ȫৱ䄮⼻ 10 ⬆㣃 x3T S3 ˙0.95S4 ˇ 0.43 S5 (6) ԧ㋏ C˄ᭈϾ䖛˅˖ᘏ⠽᭭ 1000 ˙S2 ˇ S4 ˇ S5 (7) 㣃 1000 ×0.5˙0.95S2 ˇ 0.03S4 ˇ 0.0045S5 (8) ⬆㣃 1000 ×0.3˙0.03S2 ˇ 0.95S4 ˇ 0.43S5 (9) ҹϞ 9 ᮍˈা᳝ 6 ᰃ⣀ゟⱘDŽЎ˄1˅ˇ˄4˅˙˄7˅ᓣˈৠḋˈ ˄2˅ˇ˄5˅˙˄8˅ᓣঞ˄3˅ˇ˄6˅˙˄9˅ᓣDŽℸˈ㾷乬ᯊৃҹӏ䗝Ѡ㒘ᮍDŽ ⬅乬ᛣˈᑨ䗝ԧ㋏ C(ᭈϾ䖛)ˈЎϝϾ⌕㙵 2ǃ4ǃ5 ⱘ㒘៤ഛᏆⶹˈা᳝ S2ǃS4ǃS5 ϝϾⶹ䞣ˈৃҹҢ(7)ǃ(8)ǃ(9)ϝᓣⳈ∖㾷DŽ ⬅(7)ǃ(8)ǃ(9)ϝᓣ㾷ᕫ S2 ˙ 520 mol / h S4 ˙ 150 mol / h S5 ˙ 330 mol / h ݡӏ䗝ϔ㒘ԧ㋏ A B ⱘ㸵ㅫᮍˈৃ㾷ᕫ˖ S3 ˙ 480 mol / hˈx3B˙0.0125ˈx3T˙0.5925ˈx3x˙0.395 3ˉ4 ᳝࣪ᄺডᑨ䖛ⱘ⠽᭭㸵ㅫ ᳝࣪ᄺডᑨⱘ䖛ˈ⠽᭭Ёⱘ㒘ߚ↨䕗ᴖDŽЎˈᎹϮϞⱘ࣪ᄺডᑨˈডᑨ⠽ⱘ ᅲ⼎⫼䞣ˈᑊϡㄝѢ࣪ᄺডᑨᓣЁⱘ⧚䆎䞣DŽЎњՓ᠔䳔ⱘডᑨ乎߽䖯㸠ˈՓ݊Ё䕗ᯖ 䌉ⱘজᑨ⠽ܼ䚼䕀࣪ˈᐌᐌՓӋḐ䕗Ԣᒝⱘϔѯডᑨ⠽⫼䞣䖛䞣DŽ՟བЭ⛃⫼ぎ⇨⇻࣪⫳ ѻ⦃⇻Э⛋ˈ䞛⫼䖛䞣ⱘぎ⇨DŽℸˈᎹϮ࣪ᄺডᑨЁˈ࣪ᄺডᑨ䖯㸠ⱘᑺᕔᕔϡᅠ ܼˈ⬭ϟ࠽ԭⱘডᑨ⠽ǃ㗙⬅ѢЁ䯈ডᑨǃᑇ㸠ডᑨІ㘨ডᑨ㗠⫳៤ࡃѻ⠽ǃ㗙ᄬ ϡখࡴডᑨⱘ㒘ߚㄝㄝˈ䖭ѯ࠽ԭⱘডᑨ⠽ࡃѻ⠽Ϣѻ⠽⏋ϔ䍋ᥦߎDŽℸˈՓ⠽ ᭭㸵ㅫ↨᮴࣪ᄺডᑨ䖛ⱘ䅵ㅫᴖˈᇸ݊ᰃᔧ⠽᭭㒘៤ঞ࣪ᄺডᑨ↨䕗ᴖᯊˈ䅵ㅫ ᑨ⊼ᛣDŽ ϔǃডᑨ䕀࣪⥛ǃ䗝ᢽᗻঞᬊ⥛ㄝὖᗉ ᎹϮ࣪ᄺডᑨ䖛Ёˈᔧডᑨॳ᭭ⱘ䜡↨ϡᣝ࣪ᄺ䅵䞣↨ᯊˈ䰤ডᑨ⠽ⱘ࣪ᄺ䅵䞣 ᭄ᇣৃ⿄݊Ў䰤ࠊডᑨ⠽Ϣ䖛䞣ডᑨ⠽DŽ 1ǃ䰤ࠊডᑨ⠽˖࣪ᄺডᑨॳ᭭ϡᣝ࣪ᄺ䅵䞣↨䜡᭭ᯊˈ݊Ёҹ᳔ᇣ࣪ᄺ䅵䞣᭄ᄬ ⱘডᑨ⠽⿄Ў䰤ࠊডᑨ⠽DŽ 2ǃ䖛䞣ডᑨ⠽˖ϡᣝ࣪ᄺ䅵䞣↨䜡᭭ⱘॳ᭭Ёˈᶤ⾡ডᑨ⠽ⱘ䞣䍙䖛䰤ࠊডᑨ⠽ᅠ ܼডᑨ᠔䳔ⱘ⧚䆎䞣ˈ䆹ডᑨ⠽⿄Ў䖛䞣ডᑨ⠽DŽ 3ǃ䖛䞣ⱒߚ᭄˖䖛䞣ডᑨ⠽䍙䖛䰤ࠊডᑨ⠽᠔䳔⧚䆎䞣ⱘ䚼ߚऴ᠔䳔⧚䆎䞣ⱘⱒߚ ᭄DŽ㢹ҹҢ㸼⼎䖛䞣ডᑨ⠽ⱘᨽᇨ᭄ˈNt㸼⼎Ϣ䰤ࠊডᑨ⠽ᅠܼডᑨ᠔䳔ⱘᨽᇨ᭄ˈ߭䖛 䞣ⱒߚ᭄ेЎ 䖛䞣ˁ˙ 100ˁ t e t N N N 4ǃ䕀࣪˄⥛ҹ x 㸼⼎˅˖ᶤϔডᑨ⠽ডᑨᥝⱘ䞣ऴ݊䕧ܹ䞣ⱘⱒߚ᭄DŽ㢹ҹ NA1ǃ NA2 ߿ߚ㸼⼎ডᑨ⠽ A 䕧ܹঞ䕧ߎLTDԧⱘᨽᇨ᭄ˈ߭ডᑨ⠽ A ⱘ䕀࣪⥛Ў 100% 1 1 2 A A A A N N N x ϔϾ࣪ᄺডᑨˈ⬅ϡৠডᑨ⠽ৃ䅵ㅫᕫࠄϡৠⱘ䕀࣪⥛DŽℸˈᑨ⫼ᯊᖙ乏ᣛᯢᶤ Ͼডᑨ⠽ⱘ䕀࣪⥛DŽ㢹≵᳝ᣛᯢᯊˈ߭ᕔᕔᰃᣛ䰤ࠊডᑨ⠽ⱘ䕀࣪⥛DŽ 5ǃ䗝ᢽᗻ˄ҹ S 㸼⼎˅˖ডᑨ⠽ডᑨ៤Ⳃⱘѻ⠽᠔⍜㗫ⱘ䞣ऴডᑨ⠽ডᑨᥝⱘ䞣ⱘ ⱒߚ᭄DŽ㢹ডᑨ⠽Ў Aˈ⫳៤ⱘⳂⱘѻ⠽Ў DˈND 㸼⼎⫳៤ⱘⳂⱘѻ⠽ D ⱘᨽᇨ᭄ˈaǃ
