1、7.1 7.1 概述概述 第七章第七章 化工工藝計算化工工藝計算7.2 7.2 物料衡算物料衡算 7.3 7.3 熱量衡算熱量衡算 7.1 7.1 概述概述 化工工藝計算化工工藝計算物料衡算、熱量衡算物料衡算、熱量衡算進行化工設計、過程經濟評價、節能分析和過程優化的基礎進行化工設計、過程經濟評價、節能分析和過程優化的基礎化工生產過程：主副產品量、原材料消耗、能量消耗、三廢指標化工生產過程：主副產品量、原材料消耗、能量消耗、三廢指標1 1、物料衡算和熱量衡算的主要步驟、物料衡算和熱量衡算的主要步驟(1)(1)收集計算數據：收集計算數據：化工裝置的生產操作數據，如輸入和輸出物料化工裝置的生產操作數

2、據，如輸入和輸出物料的流量、溫度、壓力、濃度等，涉及物質物化常數，如密度、熱的流量、溫度、壓力、濃度等，涉及物質物化常數，如密度、熱容等。容等。(2)(2)寫出相關反應方程式（包括主副反應）并配平，標明相對分子量。寫出相關反應方程式（包括主副反應）并配平，標明相對分子量。(3)(3)繪出流程的方框圖，標明相關參數。繪出流程的方框圖，標明相關參數。(5)(5)設未知數，列方程式，求解。設未知數，列方程式，求解。（物料平衡、約束式歸一方程、氣液平衡方程等。（物料平衡、約束式歸一方程、氣液平衡方程等。(6)(6)計算和核對。計算和核對。(7)(7)報告計算結果。報告計算結果。(4)選定衡算基準選定衡

3、算基準 通常計算產率：選一定量的原料或產品為基準（通常計算產率：選一定量的原料或產品為基準（1Kg或或100Kg、1mol、1m3等）；等）； 計算原料的消耗指標和設備生產能力：選單位時間為基準（計算原料的消耗指標和設備生產能力：選單位時間為基準（1h、1mim、1s等）。等）。轉化率、選擇性和收率轉化率、選擇性和收率 反應轉化率反應轉化率-反映原料產生化學反應的程度反映原料產生化學反應的程度（1 1）定義：指某一反應物參加反應，轉化的數量占該反應物起）定義：指某一反應物參加反應，轉化的數量占該反應物起始量的分率或百分數。（針對反應物而言）始量的分率或百分數。（針對反應物而言）molmolX該

4、反應物的起始量，某一反應物的轉化量 ,molmolX該反應物的起始量，某一反應物的轉化量 ,2 2、化工工藝學中基本概念、化工工藝學中基本概念（2 2）單程轉化率和全程轉化率）單程轉化率和全程轉化率為了提高原料的利用率，采用為了提高原料的利用率，采用循環反應系統循環反應系統。單程轉化率單程轉化率反應器反應器全程轉化率全程轉化率反應系統反應系統的量的量循環物料中組分新鮮原料中組分在反應器中的轉化量組分AAAXA的量新鮮原料中組分在反應器中的轉化量組分AAXtotA, 例：以乙炔與醋酸合成醋酸乙烯酯為例。如圖所示，再連續生產中，假例：以乙炔與醋酸合成醋酸乙烯酯為例。如圖所示，再連續生產中，假設每小

5、時流經各物料線的物料中含乙炔的量為設每小時流經各物料線的物料中含乙炔的量為mA=600Kg ， mB=5000Kg， mc=4450Kg，計算過程的單程轉化率和全程轉化率。，計算過程的單程轉化率和全程轉化率。解：解： 乙炔11100500044505000X乙炔67.9110060044505000,totX總結：一般要根據各自反應的特點，由實際經驗來控制單程轉化率。總結：一般要根據各自反應的特點，由實際經驗來控制單程轉化率。反應選擇性反應選擇性（1 1）定義：轉化成）定義：轉化成目的產物的某反應物量目的產物的某反應物量與參加所有反應而轉化與參加所有反應而轉化的該反應物總量之比。的該反應物總量

6、之比。該反應物的轉化總量的某反應物的量轉化為目的產物所消耗S收率（產率）收率（產率）（1 1）定義：）定義：生成的目的產物占某反應物初始量的百分率。生成的目的產物占某反應物初始量的百分率。的起始量反應物的量所消耗的反應物轉化為目的產物AARY 單程收率單程收率 :分母為分母為(新鮮循環該原料之和新鮮循環該原料之和) 總收率：分母為（新鮮該物料）總收率：分母為（新鮮該物料） 轉化率轉化率(X)(X)，收率，收率(Y)(Y)和選擇性和選擇性(S)(S)三者關系：三者關系：Y= S XmolmolX該反應物的起始量，某一反應物的轉化量 ,molmolX該反應物的起始量，某一反應物的轉化量 ,該反應物

7、的轉化總量的某反應物的量轉化為目的產物所消耗S的起始量反應物的量所消耗的反應物轉化為目的產物AARY 2022-5-710 轉化率轉化率(X)(X)，收率，收率(Y)(Y)和選擇性和選擇性(S)(S)三者關系：三者關系： Y= S X1. 1. 一般反應過程的物料衡算一般反應過程的物料衡算輸入物料輸入物料的總的總質量質量輸出物料輸出物料的總質量的總質量系統內積累系統內積累的物料質量的物料質量 注注: :間歇操作（非穩態）間歇操作（非穩態） 積累積累0 連續操作（穩態）連續操作（穩態） 積累積累0 07.2 7.2 物料衡算物料衡算 u理論依據：質量守恒定律理論依據：質量守恒定律 蒸餾F (Kg

8、)XF1XF2P (Kg)XP1XP2W (Kg)XW1XW2無化學反應過程物料流程示意圖無化學反應過程物料流程示意圖總質量衡算：總質量衡算：F=P+W組分衡算：組分衡算：F XF1 = PXP1 +WXW1 F XF2 = PXP2 +WXW2反應F (mol)P (mol)催化裂化過程物料流程示意圖催化裂化過程物料流程示意圖組成組成 原料油原料油（摩爾分數）（摩爾分數） 產品油產品油（摩爾分數）（摩爾分數）C6H14 0 0.05C7H16 0 0.15C8H18 0.3 0.30C11H24 0.7 0.50C原子衡算：原子衡算：F 0.38 F 0.711 = P 0.056 + P

9、0.157 + P 0.38 + P0.511 u物料衡算的步驟物料衡算的步驟(1)(1)繪出流程的方框圖繪出流程的方框圖(2)(2)寫出反應方程式，并配平之。寫出反應方程式，并配平之。(3)選定衡算基準選定衡算基準(4)(4)設未知數，列方程式，求解。設未知數，列方程式，求解。（物料平衡、約束式歸一方程、氣液平衡方程等。（物料平衡、約束式歸一方程、氣液平衡方程等。(5)(5)計算和核對。計算和核對。(6)(6)報告計算結果。報告計算結果。例例1： 擬將原料油中的有機硫通過擬將原料油中的有機硫通過催化催化加氫轉變成加氫轉變成H2S，進而脫出之，進而脫出之，油中不飽和烴也加氫飽和。若原料油的進料

10、速率為油中不飽和烴也加氫飽和。若原料油的進料速率為160m3/h，密度為，密度為0.9g/ml，氫氣（標準狀態）的進料速率為，氫氣（標準狀態）的進料速率為10800m3/h。原料油和產品。原料油和產品油的摩爾分數組成如下。油的摩爾分數組成如下。組分組分C11H23SHC11H24C10H20 =CH2原料油原料油 5% 70% 25%產品油產品油 0.1% 96.8% 3.1%求求（1）消耗的氫氣總量；）消耗的氫氣總量；（2）分離后氣體的摩爾分數。）分離后氣體的摩爾分數。畫出衡算系統方框圖如下。畫出衡算系統方框圖如下。氣體氣體催化催化加氫加氫H2原料油原料油C11H23SHC11H24 C10

11、H20 =CH2 分分離離C11H23SHC11H24 C10H20 =CH2 產品油產品油寫出反應方程式。寫出反應方程式。C11H23SH + H2 C11H24 + H2SC10H20 =CH2 + H2 C11H24選擇衡算基準為選擇衡算基準為1h。H22kg/kmolC11H24156kg/kmolH2S 34kg/kmolC10H20 =CH2152kg/kmolC11H23SH 188kg/kmol原料油平均摩爾質量原料油平均摩爾質量=1880.05+1560.7+1540.25=157.1kg/kmol H2進氣量進氣量=10800103 / 22.410-3=482.1kmol

12、; m=964Kg對進料原料油衡算對進料原料油衡算/1h1h原料油進料物質的量原料油進料物質的量=160900 / 157.1=916.6kmolC11H23SH：n=916.60.05=45.83 Kmol; m=8616 KgC11H24: n=916.6 C10H20 =CH2 : n=916.6 設脫硫后產品油的質量為設脫硫后產品油的質量為R，對，對C物料衡算，則有：物料衡算，則有： 916.6( 0.0511+0.711+0.2511)= R(0.00111+0.96811+0.03111)R =916.6kmol反應反應(1)消耗的消耗的H2氣量氣量=916.60.05 0.001

13、R=44.91kmol生成的生成的H2S氣量氣量=44.91kmol反應反應(2)消耗的消耗的H2氣量氣量=916.60.25 0.031R=200.74kmol總耗總耗H2量量=44.91+200.74=245.654kmol剩余剩余H2量量=482.1-245.65=236.49kmol反應后氣體的總量反應后氣體的總量=44.91+236.49=281.4kmol設未知數，列方程式，求解。設未知數，列方程式，求解。故，故，H2S的摩爾分數為的摩爾分數為 44.91/281.4=0.16 H2的摩爾分數為的摩爾分數為 236.49/281.4=0.84核對核對 。列物料衡算表，如下。列物料衡

14、算表，如下。例例7-5 P257裂解爐裂解爐乙烷乙烷乙烷乙烷99%甲烷甲烷1%炭炭裂解氣裂解氣H2CH4C2H2C2H4C2H637.24.530.1833.0825.01選擇衡算基準選擇衡算基準-原料氣原料氣=100mol 進料：進料：n(C2H6)=99mol; n(CH4)=1mol設：裂解后裂解氣的物質量為設：裂解后裂解氣的物質量為Nmol 碳守恒碳守恒molNNN21.159129912/21)1000/4 .22()2501. 023308. 020018. 020453. 0(.23.59372. 021.159)(21.159129912/21)1000/4 .22()2501

15、. 023308. 020018. 020453. 0(2molHnmolNNN物料名稱物料名稱摩爾質量摩爾質量/g/mol進料進料出料出料molgmolgH2259.23118.46CH4161167.21115.36C2H2260.297.54C2H42852.671474.78C2H63099297039.821194.60C126.2474.898總計總計1002986165.462986 氣體膨脹率氣體膨脹率=N/100=159.21/100=1.592 X(乙烷轉化率乙烷轉化率)=（99-39.82)/99=59.78% S(乙烯的選擇性乙烯的選擇性)=52.67/(99-39.8

16、2)=89%molmolX該反應物的起始量，某一反應物的轉化量 ,molmolX該反應物的起始量，某一反應物的轉化量 ,該反應物的轉化總量的某反應物的量轉化為目的產物所消耗S Y(乙烯的收率乙烯的收率)=XS=59.78%89%=53.20%2. 2. 具有循環過程的物料衡算具有循環過程的物料衡算(2)(2)繪出流程的方框圖繪出流程的方框圖, ,并標明各物料并標明各物料(1)(1)寫出反應方程式并配平。寫出反應方程式并配平。(3)(3)以方程的方式列出各節點的物料衡算關系；以方程的方式列出各節點的物料衡算關系；(4)(4)解出方程組；解出方程組；反應器反應器分離器分離器ABFFMFRPPSPW

17、RC反應器反應器分離器分離器ABFFMFRPPSPWRC對物料輸入口節點對物料輸入口節點A：FF+RC=MF對物料輸出口節點對物料輸出口節點B: RC+W=SP對分離器：對分離器：RP=P+SP=P+RC+W對整個反應：對整個反應：FF=P+W對反應器：對反應器：MF=RP例例1： 在銀催化劑作用下，乙烯被空氣氧化成環氧乙烷（在銀催化劑作用下，乙烯被空氣氧化成環氧乙烷（C2H4O），副反應是），副反應是乙烯完全氧化生成乙烯完全氧化生成CO2和和H2O。已知離開氧化反應器的氣體干基組成是：已知離開氧化反應器的氣體干基組成是：C2H43.22%，N2 79.64% ，O2 10.81% ， C2H

18、4O 0.83% ， CO2 5.5%(均為體積均為體積分數分數)。該氣體進入水吸收塔，其中的環氧乙烷和水蒸氣全部溶解于水中，而該氣體進入水吸收塔，其中的環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外，其余全部循環回氧其他氣體不溶于水，由吸收塔頂逸出后排放少量至系統外，其余全部循環回氧化反應器。化反應器。 計算（計算（1）乙烯的單程轉化率；（）乙烯的單程轉化率；（2）生成環氧乙烷的選擇性；（）生成環氧乙烷的選擇性；（3）循環比；）循環比；（4）新鮮原料中乙烯和空氣量之比。）新鮮原料中乙烯和空氣量之比。寫出反應方程式：寫出反應方程式：選取選取反應器出口氣中反

19、應器出口氣中100mol干氣干氣為衡算基準為衡算基準設新鮮原料氣（設新鮮原料氣（FF）中）中C2H4的量為的量為Xmol；空氣為；空氣為Ymol（含（含79%N2和和21%O2）；弛放氣）；弛放氣Wmol；乙烯完全氧化生成的；乙烯完全氧化生成的H2O量為量為Zmol。反應器反應器水吸收塔水吸收塔ABFFMFRPPSPWRC反應器反應器水吸收塔水吸收塔ABFFMFRPPSPWRC 圍繞總系統做物料衡算。圍繞總系統做物料衡算。 采用采用元素的原子守恒計算元素的原子守恒計算，即，即C 平衡平衡 2X=(0.832)+（0.0325W2+0.0555W）H 平衡平衡 4X=(0.834+2Z)+0.0

20、325W4O 平衡平衡 0.21Y2=(0.83+Z)+(0.109W2+0.0555W2)N平衡平衡 0.79Y2=0.803W2 解四個方程得解四個方程得:X=2.008mol; Y=19.87mol; Z=1.085mol; W=19.55mol.反應器反應器水吸收塔水吸收塔ABFFMFRPPSPWRC 副反應消耗的乙烯量副反應消耗的乙烯量=1.085/2=0.5425mol 主反應消耗的乙烯量主反應消耗的乙烯量=生成的生成的EO量量=0.83mol 乙烯的單程轉化率乙烯的單程轉化率=反應消耗的乙烯總量反應消耗的乙烯總量/進入反應器混合氣中的乙烯量進入反應器混合氣中的乙烯量100% =(

21、0.83+0.5425)/(X+3.22-0.0325W) 100% =29.9% 乙烯的全程轉化率乙烯的全程轉化率 =反應消耗的乙烯總量反應消耗的乙烯總量/新鮮原料中的乙烯量新鮮原料中的乙烯量100% =(0.83+0.5425）/ 2.008 100% =68.35% 生成環氧乙烷的選擇性生成環氧乙烷的選擇性 =轉化為環氧乙烷的乙烯量轉化為環氧乙烷的乙烯量/消耗的乙烯總量消耗的乙烯總量100% =0.83 / （0.83+0.5425）100% =60.47% 循環比循環比=循環氣量循環氣量/排放氣量排放氣量 =(99.19-W) / W =4.073(摩爾比或體積比）摩爾比或體積比） 新

22、鮮原料中空氣量和乙烯之比新鮮原料中空氣量和乙烯之比=新鮮原料氣中空氣新鮮原料氣中空氣/乙烯乙烯 =19.87 / 2.008 =9.895(摩爾比或體積比）摩爾比或體積比）v對于穩定的連續流動過程，無熱量的積累，v熱量衡算以熱力學第一定律為基礎。熱量衡算以熱力學第一定律為基礎。 輸入的總熱量輸入的總熱量 = 輸出的總熱量輸出的總熱量 + 積累的熱量積累的熱量 + 損失的熱量損失的熱量系統從外界吸收能量：Q為正；系統對外界放出能量：Q為負；7.3 7.3 熱量衡算熱量衡算 積累損出入QQQQ損出入QQQv對于一個化學反應進行熱量衡算22981HHHH熱損失加熱設備消耗產物帶出介質帶入物料帶入QQ

23、QHQQiniiipTniiiniiipTniiHMdTcMHHMdTcMH1,298121,2981111 u熱量衡算的基本步驟熱量衡算的基本步驟(1)(1)建立以單位時間為基準的物料衡算表建立以單位時間為基準的物料衡算表(2)(2)選定計算基準溫度和相態選定計算基準溫度和相態(3)查找熱量衡算中相關的熱量學數據查找熱量衡算中相關的熱量學數據(4)(4)設未知數，列方程式，求解。設未知數，列方程式，求解。(5)(5)計算和核對。計算和核對。(6)(6)報告計算結果。報告計算結果。例例 甲烷在連續式反應器中空氣氧化生產甲醛，副反應是甲烷完全氧化生成CO2和H2O。CH4(氣)+O2+HCHO(

24、氣)H2O(氣)CH4(氣)+2O2+CO2(氣)2H2O(氣)以100mol進反應器的甲烷為基準，物料流程如圖。假定反應在足夠低的壓力下進行，氣體便可看作理想氣體。甲烷于25進反應器，空氣于100進反應器，如要保持出口產物為150，需從反應器取走多少熱量？25，CH4 100molO2 100molN2 376mol100QCH4 60molHCHO(氣) 30molCO2 10molH2O(氣) 50molO2 50molN2 376mol150各組分單位進料（各組分單位進料（25）的焓值）的焓值 （1）25下進料甲烷的焓0f,CH4H74.85kJ/mol 查手冊得生成熱 04f,CH4

25、(CH )HH74.85kJ/mol 進則 O ,1002H（2） pC (100)29.8J/(K mol)查手冊得 p2(O )HC (100)(10025)2235(J/mol)2.235(kJ/mol)進N ,1002H（3） 查手冊得 pC (100)29.16J/(K mol)p2(N )HC (100)(10025)2.187(kJ/mol)進各組分單位出料的焓值各組分單位出料的焓值 O ,1502H（1）pC (150)30.06J/(K mol)查手冊得 p2(O )HC (150)(15025)3.758(kJ/mol)出（2） N ,1502HpC (150)29.24J

26、/(K mol)查手冊得 p2(N )HC (150)(15025)3.655(kJ/mol)出CH ,1504H（3） pC (150)39.2J/(K mol)查手冊得 150044f,CHp425()HCHHC (CH )dT74.854.969.95(kJ/mol) 出（4） HCHO,150H查手冊得 0f,HCHOH115.90kJ/mol pC (150)9.12J/(K mol)0pHCHO,150f,HCHOHHC (150)(15025)115.90 1.14114.76(kJ/mol) CO ,1502H（5） 0pCO ,150f,CO ( )22HHC (150) 125g 0f,CO2H393.5kJ/mol pC39