1、 物料和能量平衡物料和能量平衡 Prof. Dr. Yang XuefengSchool of Chem. Eng.an University1.1 概述概述 物料衡算和能量衡算是化工工艺设计的基础，也是进行化工工艺设计及经济评价的基本依据。通过对全过程或单元过程的物料和能量衡算，可以确定工厂生产装置设备的设计规模和能力；同时，可以计算出主、副产品的产量，原料的消耗定额，生产过程的物料损耗以及三废的排放量、蒸汽、水、电、燃料等公用工程消耗。通过物料平衡和能量衡算可以确定各物料的流量、组成、状态和物化性质，从而为确定设备尺寸、管道设计、仪表设计、公用工程设计以及建筑、结构设计提供依据。1.1 概
2、述概述 物料和能量衡算是化工技术人员必须掌握的基本技能，也是学习和对化工过程进行深入研究时，推导数学模型基本方程的重要基础。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，必须了解生产过程的类别。 1.1 概述概述 间歇操作过程：原料在生产操作开始时一次加入，然后进行反应或其它操作，一直到操作完成后，物料一次排出。在整个操作时间内，没有物料进出设备，设备中各部分的组成、条件随时间不断变化。连续操作过程：在整个操作期间，设备的进料和出料是连续流动的，原料不断稳定地输人生产设备，同时不断从设备排出
3、总量相等的物料。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。1.1 概述概述 稳定状态操作过程（稳定过程）：整个化工过程的操作条件（如温度、压力、物料量及组成等）不随时间而变化，只是设备内不同点有差别。不稳定状态操作过程（不稳定过程）：操作条件随时间而不断变化的过程。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。 1.2 物料平衡物料平衡1.2.1 基本概念基本概念 进行物料衡算的理论依据是质量守恒定律，即在一个独立的体系中，无论物质发生怎样的变化，其质量保持不变。物料衡算基本
4、式 体系积累的物料量出体系的物料量进入体系的物料量输1.2.1 基本概念基本概念 若体系内有化学反应发生，在作衡算时，要把由反应消耗或生成的量考虑在内 积累的量输出体系的量体系反应生成或消耗的量进入体系的量 在对反应物作衡算时，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。 1.2.2 基本方法基本方法 画出物料流程简图，选择计算基准及物料衡算式。 (1) 物料流程简图求解物料衡算问题，应先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及单位。对一些未知的变量，可用符号表示。 1.2.2 基本
5、方法基本方法 例：含CH4 90和 C2H6 10(mol)的天然气与空气在混合器中混合，得到的混合气含CH4 8。试计算100mol天然气应加入的空气量及得到的混合气量。 混合过程 100 mol 天然气 CH4 0.90 C2H6 0.10 A mol 空气 M mol 混合气 CH4 0.08 C2H6 x 空气 1-0.08-x 1 2 3 1.2.2 基本方法基本方法 (2)选择计算基准进行物料、能量衡算时，必须选择一个计算基准。从原则上讲，任何一种计算基准都能得到正确的解答，但计算基准选择得恰当，可以使计算简化，避免错误。 1.2.2 基本方法基本方法 根据过程特点，选择计算基准时
6、应注意以下几点：1)应选择已知变量数最多的流股作为计算基准。例如：某一个体系，反应物组成只知其主要成份，而产物的组成已知，就可以选用产物的单位质量或单位体积作基准，反之亦然。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。例如：以1小时、1天等的投料量或产品量作基准。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。1.2.2 基本方法基本方法 (3)根据过程的不同情况选择物料衡算式进行计算。具体进行物料计算时，可采用下列步骤1)收集已知数据，如进入或输出体系的物料的流量、温度、压力、浓度、密度等。2)作流程简图，在图中应
7、作出所有物料线，标上所有已知和未知量。若过程中有多股物流，则可将各股物流编号。3)确定衡算体系，根据已知条件及计算要求进行确定，可在流程图中用虚线表示体系边界。1.2.2 基本方法基本方法 4)写出化学反应方程式，包括主副反应，注明分子量。若无化学反应发生，可免去此步。5)选择恰当的计算基准，在流程图上注明所选的基准值，过程的物料衡算和能量衡算应在同一基准上进行。6)列出物料衡算式，用数学方法求解。对组成较复杂的物料，可先列出输入-输出物料表，便于整理已知条件和计算结果。7)完成输入-输出物料表。 1.2.3 无化学反应过程的物料平衡无化学反应过程的物料平衡 在化工过程中，一些没有发生化学反应
8、，只发生物理变化的单元操作，比如混合、蒸馏、蒸发、干燥、吸收、结晶、萃取等。如果体系没有积累，这些稳定过程的物料衡算都可以根据物料衡算式 进入体系的物料量=输出体系的物料量 列出总物料和各组分的衡算式，再用代数法求解。 1.2.3 无化学反应过程的物料平衡无化学反应过程的物料平衡 若每个股流有n个组分，则可列出下列衡算式： 总物流衡算式 各组分的衡算式 过程 W, xWi 1 2 3 P, xPi F, xFi WPFWiPiFiWxPxFx F进入体系的物料； P、W输出体系的物料；xFi、xPi、xWi分别为F、P、W中组分i的质量分数（对于没有化学反应的过程，也可用摩尔数）。 1.2.3
9、 无化学反应过程的物料平衡无化学反应过程的物料平衡 若物料中有n个组分，可列出n个组分的衡算式和一个总物料衡算式，共n+1个衡算方程 归一定律 n+1个方程中，只有任意n个方程是独立的。对有n个组分的体系，只需求解n个未知量。 niFiFnFFxxxx12111niPiPnPPxxxx12111niWiWnWWxxxx12111 (1) 简单过程的物料衡算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。在物料流程简图中，设备的边界就是体系的边界。以连续蒸馏塔为例，连续蒸馏塔物料衡算的目的是找出塔顶产品、塔底产品的流量和组成与原料液的流量和组成之间的
10、关系，若塔的分离任务已定，则已知进料组成和流量可求出塔顶和塔底产品的流量和组成。 (1) 简单过程的物料衡算简单过程的物料衡算 全塔总质量衡算 W, xW 1 2 3 D, xD F, xF 精 馏 塔 WDFWiDiFiWxDxFx全塔各组分的质量衡算 F进塔原料流量，kmol/h；D塔顶产品流量，kmol/h；W塔底产品流量，kmol/h；xFi进料中各组分的摩尔分数；xDi塔顶产品中各组分的摩尔分数；xWi塔底产品中各组分的摩尔分数。 例例1.2.3-1 连续常压蒸馏塔分离苯、甲苯混合溶液，要求馏出液中苯回收率为97。 1 2 3 精 馏 塔 解：MB78，MT92F 20000kg/h
11、wFB0.38W ?wWB 0.02D?xDB=?4196. 092/6278/3878/38FBx02351. 092/9878/278/2WBx13.86924196. 01784196. 0FMkmol/h2 .23213.8620000F例例1.2.3-1 馏出液苯回收率为97WDFWBDBFBWxDxFx代入已知数据得 得 W=124.2 kmol/h D=108 kmol/h 1 2 3 精 馏 塔 F 232.2kmol/hxFB0.4196W ?xWB 0.02351D?xDB=?51.9497. 043.97DBDxW02351. 051.944196. 02 .232WD2
12、 .2328752. 010851.9451.94DxDB例例1.2.3-1 蒸馏塔物料平衡 塔进料塔顶馏出物塔低馏出物kg/h(wt)kmol/h(mol)kg/h(wt)kmol/h(mol)kg/h(wt)kmol/h(mol)苯76003897.4341.967372.685.6094.5287.52227.82.02.922.35甲苯1240062134.858.041240.214.4013.4812.4811159.498.0121.397.65合计20000100232.21008612.810010810011387.2100124.2100 (2) 有多个设备过程的物料衡算
13、有多个设备过程的物料衡算可先划分出多个衡算体系 每个衡算体系均可列出相应的衡算方程。若每个设备的输入和输出物料中均含有n个组分，则每个体系可写出n+1个衡算方程，其中有n个是独立方程。 过程 I 1 5 3 过程 II 4 2 ABC例例1.2.3-2 将含有50苯、30甲 苯 和 2 0 二 甲 苯(mol)的混合物分成较纯的三个馏份。计算蒸馏1000mol/h原料所得各流股的量及进塔II的物料组成。 解：设S2、S3表示各流股物料量，mol/h； x3B、x3T表示流股3中苯、甲苯的组成。共可列出三组衡算方程，每组选三个独立方程。 I 1 5 3 1000 mol/h B 0.50 T 0
14、.30 X 0.20 II 4 2 S2 mol/h B 0.95 T 0.03 X 0.02 S4 mol/h B 0.03 T 0.95 X 0.02 S5 mol/h B 0.0045 T 0.43 X 0.5655 S3 mol/h B x3B T x3T X 1-x3B - x3T 例例1.2.3-2 I 1 5 3 1000 mol/h B 0.50 T 0.30 X 0.20 II 4 2 S2 mol/h B 0.95 T 0.03 X 0.02 S4 mol/h B 0.03 T 0.95 X 0.02 S5 mol/h B 0.0045 T 0.43 X 0.5655 S3
15、 mol/h B x3B T x3T X 1-x3B - x3T 体系A（塔I）：总物料 1000=S2+S3 (1)苯 10000.5=0.95S2+x3BS3(2)甲苯 10000.3=0.03S2+x3TS3(3)体系B（塔II）：总物料 S3=S4+S5 (4)苯 x3BS3=0.03S4+0.0045S5(5)甲苯 x3TS3=0.95S4+0.43S5 (6)体系C（整个过程）：总物料 1000=S2+S4+S5(7)苯 10000.5=0.95S2 + 0.03S4+0.0045S5(8)甲苯 10000.3=0.03S2+0.95S4+0.43S5(9) 例例1.2.3-2 9
16、个方程，只有6个独立，可任选两组方程求解。本题应选先体系C，因2、4、5的组成均为已知，只有S2、S4、S5三个未知量，可从(7)、(8)、(9)三式直接求解。得：S2=520 mol/h S4=150 mol/h S5=330 mol/h再任选一组（体系A或B）衡算方程，即再由(1)、(2)、(3)或(4)、(5)、(6)可解得S3=480 mol/h x3B=0.0125 x3T=0.5925 x3X=0.395例例1.2.3-2 由此例可以看出，多设备过程又有大量多组分流股时，可列出许多线性方程。在许多线性方程中，不管衡算体系如何选择、组合，其独立方程的最多数目应等于设备数(M)与物料组
17、分数(C)的乘积，即MC个独立方程。上例中，M=2，C=3，共6个方程。最多能求解MC个未知量。1.2.4 有化学反应过程的物料平衡有化学反应过程的物料平衡 化学反应使体系产生新物质，各化学物质进入与输出体系的量或质量流率就会不平衡。反应速率、转化率、产物收率等因素对物料平衡都有影响。工业化学反应过程中，当反应原料比不按化学计量比时，根据反应物的化学计量数大小可分为：(1)限制反应物：以最小化学计量数存在的反应物。(2)过量反应物：用量超过限制反应所需理论量的反应物。1.2.4 有化学反应过程的物料平衡有化学反应过程的物料平衡 (3) 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
18、。若以NA1、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的转化率为同一个化学反应，由不同的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，则通常指限制反应物的转化率。 %100121AAAANNNx1.2.4 有化学反应过程的物料平衡有化学反应过程的物料平衡 (4) 选择性（以S表示）：反应物生成目的产物的量与反应物消耗总量的百分数。若反应物为 A，目的产物为 D，ND为生成 D 的摩尔数，a、d 为 A 与 D 的化学计量系数，则选择性为式中：NA1-NA2反应物A反应掉的摩尔数。转化率与选择性是反应过程的两个主要技术指标。%10021AADN
19、NdaNS1.2.4 有化学反应过程的物料平衡有化学反应过程的物料平衡 (5) 收率（以 Y 表示）：目的产物量与反应物（通常指限制反应物）输入量之比。可用物质的量（摩尔数）或质量计算。若以摩尔数计算，考虑化学计量系数，则目的产物 D 的收率为转化率、选择性与收率三者之间的关系为%1001ADDNdaNYxSY例例1.2.4-1 用邻二甲苯气相催化邻二甲苯酸酐(苯酐)。计算邻二甲苯转化率及苯酐和顺酐的收率及选择性。 反应过程 邻二甲苯 210kg/h 苯酐 1 2 3 空气 4620Nm3/h 出口组成 mol苯酐 0.654顺丁烯二酸酐(顺酐) 0.066邻二甲苯 0.030氧 16.53氮
20、 77.75其它 H2O，CO2，CO等反应式： C8H10+3O2C8H4O3+3H2O 2C8H10+9O24C4H2O3+6H2O 例例1.2.4-1 基准：邻二甲苯投料量210kg/h 1mol空气中O2量为0.21mol，N2量为0.79mol输入O2量 kmol/h210kg/h邻二甲苯理论需O2量生成苯酐 kmol/h生成顺酐 kmol/h所以空气为过量反应物，邻二甲苯为限制反应物。输入N2量 kmol/hN2不反应，数量不变。产物总量 kmol/h31.4321. 04 .224620943. 53106210915. 82910621094.16279. 04 .224620
21、57.2097775. 094.162PC8H10+3O2C8H4O3+3H2O2C8H10+9O24C4H2O3+6H2O 例例1.2.4-1 产物中：邻二甲苯 209.570.0003=0.06287 kmol/h=6.664 kg/h苯酐 209.570.00654=1.370kmol/h=202.76kg/h顺酐 209.570.00066=0.1383kmol/h=13.55kg/h邻二甲苯转化率苯酐收率 质量收率顺酐收率 质量收率苯酐的选择性或%82.96%100210664. 6210%15.69%100106/210370. 1%55.96%10021076.202%49. 3
22、%100106/2104/21383. 0%45. 6%10021055.13%42.71%100106/ )664. 6210(370. 1%42.71%82.96%15.69xYS(1) 直接计算法直接计算法 根据反应方程式，运用化学计量系数进行计算。例例1.2.4-2 丙烯、氨及氧反应制取丙烯腈，其反应过程为 OH3NHCO23NHHC2332363原料气组成(mol)为10C3H6，12NH3，78空气。丙烯转化率为30。试求输出物料组成。 解：基准100kmol原料气。输入量：C3H61000.10=10kmol42=420kgNH31000.12=12kmol17=204kgO21
23、000.78 0.21=16.38kmol32=524kgN21000.780.79=61.62kmol28= 1725kg例例1.2.4-2 OH3NHCO23NHHC2332363输出量：C3H3N 100.30=3kmol=159kgH2O 10 0.30 3=9kmol=162kg剩余C3H6 10 (1-0.30)=7kmol=294kg剩余NH3 12-3=9kmol=153kgO2 16.38-100.303/2=11.88kmol=380kgN2 61.62kmol=1725kg例例1.2.4-2 计算结果如表所示。基准：100kmol原料 组分输入 输出 组成kmolkg组成
24、kmolkgC3H610104206.907294NH312122048.879153O27816.3852411.7011.88380N261.62172560.7161.621725C3H3N 2.953159H2O 8.879162总计100.002873 101.502873(2) 利用反应速率进行物料衡算利用反应速率进行物料衡算 以物质的量或质量进行衡算时，将输入与输出速率之差 ri 定义为物质 i 的量生成速率，即 输出输入iiiFFr iiirFF输入输出则化学反应过程的物料衡算式为 例例 1.2.4-3 合成氨原料气中的CO在反应器1中CO大部分转化，在反应器2中完全脱去。 反
25、应： 反应器 1 反应器 2 发生炉煤气 N2 78% CO 20% CO2 2% 水煤气 H2 50% CO 50% 1 2 3 4 5 水蒸气 H2O N2 H2 CO CO2 H2O N2 H2 CO2 H2O 222HCOOHCO物流5中H2与N2比为3:1。假定水蒸汽流率是原料气总量（干基）的2倍，同时反应器1中CO的转化率为80，试计算中间物流4的组成。 例例1.2.4-3 解：基准物流l为100mol/h7810078. 0, 5AFrF 25 . 01002 . 00rFFC3, 5rFD10002. 0, 5rFFE2, 55 . 02347833, 5, 5AEFF先用总单
26、元过程摩尔衡算式，设CO转化量为r：N2(A)平衡CO(B)平衡H2O(C)平衡CO2(D)平衡H2(E)平衡已知H2与N2的关系为 反应器 1 反应器 2 发生炉煤气 N2 78% CO 20% CO2 2% 水煤气 H2 50% CO 50% 1 2 3 4 5 水蒸气 H2O N2 H2 CO CO2 H2O N2 H2 CO2 H2O 222HCOOHCO例例1.2.4-3 解：基准物流l为100mol/h2132FFF214202342F12710720r62821410023F129, 5DF501127628, 5CF原料气(干基)与水蒸汽的关系为将H2和CO平衡式相加，消去 r
27、，得将F2值代入CO平衡式中，得由此得最后，由CO2和H2O平衡得到 反应器 1 反应器 2 发生炉煤气 N2 78% CO 20% CO2 2% 水煤气 H2 50% CO 50% 1 2 3 4 5 水蒸气 H2O N2 H2 CO CO2 H2O N2 H2 CO2 H2O 例例1.2.4-3 解：基准物流l为100mol/h反应器1中，CO转化率为80 反应器 1 反应器 2 发生炉煤气 F1=100 N2 78 CO 20 CO2 2 水煤气 F2=214 H2 107 CO 107 1 2 3 4 5 水蒸气 F3=628 H2O 628 F4=942 N2 78 H2 208.6
28、 CO 25.4 CO2 103.6 H2O 526.4 F5=942 N2 78 H2 234 CO2 129 H2O 501 (3) 元素平衡元素平衡 由于化学反应中化学物质产生变化，可采用元素平衡的方法进行衡算，衡算式可表示为 输出输入元素元素ii例例1.2.4-4 甲烷、乙烷与水蒸汽用镍催化剂进行转化反应，生成氢气，反应器出口气体组成(干基)为 反应过程 1 2 3 假定原料中只含CH4和C2H6两种碳氢化合物，则这两种气体的摩尔比为多少？每1000Nm3原料气需多少kg蒸汽参加反应？ CH4 M=? kmolC2H6 E=? kmolH2O S=? kmolCH4 4.6 kmolC
29、2H6 2.5 kmolCO 18.6 kmol CO2 4.6 kmolH2 69.7 kmol例例1.2.4-4 基准：100kmol干燥产物气体O原子 S=18.6+4.62=27.8(1)C原子 M+2E=4.6+22.5+18.6+4.6=32.8 (2)H原子 4M+6E+2S=44.6+62.5+269.7=172.8 (3) 反应过程 1 2 3 CH4 M=? kmolC2H6 E=? kmolH2O S=? kmolCH4 4.6 kmolC2H6 2.5 kmolCO 18.6 kmol CO2 4.6 kmolH2 69.7 kmol例例1.2.4-4 基准：100km
30、ol干燥产物气体得 S = 27.8kmol/100kmol干燥产物气体 E = 7.0kmol/100kmol干燥产物气体 M = 18.8kmol/100kmol干燥产物气体69. 20 . 78 .18EM6 .444 .2210005 .865180 . 78 .188 .276 .44186 .44EMSCH4、C2H6 mol比为 1000Nm3原料气（ kmol原料气）需水蒸汽的量 kg蒸气 (4) 用联系组分作衡算用联系组分作衡算 “联系组分”是指随物料输人体系，但不参加反应，最终随物料输出体系的组分。因此，在整个反应过程中，联系组分的数量不变。 若F、P分别为输入、输出物流，
31、L为联系组分，L在F中的质量分数为xFL，在P中的质量分数为xPL，则 FLPLPLFLxxPFPxFx例例1.2.4-5 甲烷与氢混合气在炉子内用空气完全燃烧，烟道气分析为N2 72.22，CO2 8.13，O2 2.49，H2O 17.16(mol)。问：(1) 燃料中氢与甲烷的比例多少？ (2) 燃料(H2+CH4)对空气的比例多少？解：反应式 OH2COO2CH2224OHO21H222基准：100mol烟道气，以N2为联系组分例例1.2.4-5 OH2COO2CH2224OHO21H222烟道气中N2为72.22mol，即为输入空气中N2量所以，输入空气中O2为 mol烟道气中CO2
32、 8.13mol根据反应式，输入燃料中CH4量为8.13mol.CH4燃烧耗O2 8.132=16.26 molH2燃烧耗O2应为19.20-16.26-2.49=0.45 mol根据反应式，输入中H2量0.452=0.90 mol20.1979. 021. 022.72例例1.2.4-5 计算结果如下表(基准：100mol烟道气) 燃料中 ：9113. 890. 0(mol)CH(mol)H4210142.9103. 9(mol)(mol)CHH42空气）燃料（组分输入输出燃料空气烟道气组成mol组成mol组成molH211.150.90CH488.858.13O22119.202.492.
33、49N27972.2272.2272.22CO28.138.13H2O17.1617.161.2.5 具有物料循环、排放及旁路过程的物料平衡具有物料循环、排放及旁路过程的物料平衡 (1) 物料循环过程的物料衡算 反应系统 新鲜物料 产品 循环料 分离系统 循环设备 排放 单程转化率和单程收率：物料通过反应器一次所达到的转化率和收率。总转化率和总收率：新鲜原料从进入系统（虚线方框）起到离开系统止所达到的转化率和收率。 1.2.5 具有物料循环、排放及旁路过程的物料平衡具有物料循环、排放及旁路过程的物料平衡 由于循环，新鲜物料多次经过反应器，比经过反应器一次所达到转化率和收率高： 按照单程转化率和
34、总转化率的定义，可写出有物料循环的流程的单程转化率和总转化率计算如下： AA反应器入口的关键组分已转化的关键组分单程转化率AA新鲜物料中的关键组分已转化的关键组分总转化率单程转化率总转化率 单程收率总收率 总物料平衡：新鲜物料量=产品物料量+排放物料量组分平衡：新鲜物料量反应中物质减少量=产品物料量+排放物料量1.2.5 具有物料循环、排放及旁路过程的物料平衡具有物料循环、排放及旁路过程的物料平衡 对稳态过程，积累项为零，若以图中虚线方框为界，列循环系统的物料平衡方程，则有如下关系：惰性组分：新鲜物料中惰性组分量=产品物料惰性组分量 +排放物料惰性组分量 反应系统 新鲜物料 产品 循环料 分离
35、系统 循环设备 排放 V0，新鲜原料气 冷凝 氨 合 成 塔 V4，总产氨气V2，塔入口气V1，放空气V3，塔出口气例例1.2.5-1 作氨的合成系统的物料衡算作氨的合成系统的物料衡算忽略气体在液氨中的溶解；因水冷后氨的冷凝量很小，近似地把塔出口气体中的氨含量与放空气中的氨含量视为相等。 组成 molH2 73.729N2 24.558CH4 1.42Ar 0.293组成 molNH3 2.5组成 molNH3 11组成 molNH3 11CH4+Ar 19.296例例1.2.5-1 作氨的合成系统的物料衡算作氨的合成系统的物料衡算解：基准1000Nm3新鲜原料气。 (a) 放空气量Vl及组成
36、。作系统的惰性气平衡得 新鲜气带入的惰性气=放空气带出的惰性气1019296. 000293. 001420. 0VV775.8819296. 000293. 001420. 010001V已知 V0=1000 Nm3 放空气组成的计算：NH3、(CH4+Ar)的摩尔分数为11和19.296，N2及H2的摩尔比近似等于化学反应计量系数1:3例例1.2.5-1 作氨的合成系统的物料衡算作氨的合成系统的物料衡算H2的摩尔分数= 52278. 031369704. 017426. 031169704. 01599. 0293. 042. 142. 119296. 003302. 0293. 042.
37、 1293. 019296. 0N2的摩尔分数=CH4的摩尔分数= Ar的摩尔分数= (N2+H2)的摩尔分数为 1-(0.11+0.19296) = 0.69704 例例1.2.5-1 作氨的合成系统的物料衡算作氨的合成系统的物料衡算(b) 总产氨量V4 每生成1体积氨，系统总体积减少(1+3-2)/2=1体积。 322NH2H3N新鲜气体积-由于反应而减少的体积=放空气体积+冷凝为产品排出的气氨体积 生成的氨气(V4+0.11V1)Nm3，故由于反应而减少的体积为(V4+0.11V1)141140111. 0VVVVV而 V0=1000 Nm3 V1=88.775 Nm3 解得 V4=45
38、0.73 Nm3 例例1.2.5-1 作氨的合成系统的物料衡算作氨的合成系统的物料衡算(c) 氨合成塔出口气量 V3 和入口气量 V2 反应减少的体积= V2- V3 由系统氨平衡系统排出氨=V4+0.11V1，生成氨=0.11V3-0.025V2代入 Vl 和 V4 解得 V2=6013.6 Nm3 V3=5553.024 Nm3 111. 01432VVVV142311. 0025. 011. 0VVVV反应生成的氨=系统排出的氨 例例1.2.5-1 作氨的合成系统的物料衡算作氨的合成系统的物料衡算 (d) 氨合成塔入口气体组成作系统H2平衡塔入口含H2=新鲜气带入H2-放空气带H2+塔出
39、口含H2 合成塔进口含H2-塔出口含H2=新鲜气带入H2-放空气带出H2 = 3358.26 Nm3 431052278. 052278. 073729. 0VVVV73.450024.555352278. 0775.8852278. 0100073729. 0例例1.2.5-1 作氨的合成系统的物料衡算作氨的合成系统的物料衡算 (d) 氨合成塔入口气体组成作系统N2平衡得 塔入口含N2=新鲜气带入N2-放空气带N2+塔出口含N2 = 1119.24 Nm3431017426. 017426. 024558. 0VVVV73.450024.555317426. 0775.8817426. 01
40、00024558. 0例例1.2.5-1 作氨的合成系统的物料衡算作氨的合成系统的物料衡算 (d) 氨合成塔入口气体组成作塔进、出口 CH4 平衡得 塔入口含CH4=塔出口含CH4= 816.06 Nm3 4315994. 0VV 73.450024.555315994. 0作塔进、出口 Ar 平衡得 塔进口含Ar=塔出口含Ar= 168.48 Nm3 4303302. 0VV 73.450024.555303302. 0例例1.2.5-1 作氨的合成系统的物料衡算作氨的合成系统的物料衡算 (d) 氨合成塔入口气体组成作系统氨平衡得 塔出口含氨-塔进口含氨=系统排出的氨+放空气带出的氨塔进口含
41、氨=塔出口含氨-系统排出的氨-放空气带出的氨= 150.34 Nm3 14311. 011. 0VVV775.8811. 073.450024.555311. 0(2) 具有排放过程的物料衡算具有排放过程的物料衡算 稳定循环过程，物料的质量既不积累又不消失，各流股的组分恒定。长时间循环会使原料中杂质或惰性物质浓度逐渐增加。必须部分排放，以维持进料中杂质的含量。排放物料中杂质或副产物的流量应等于新鲜物料中杂质进入体系的流量。 新杂新排杂排xMxM新鲜原料流量排放物流流量排放比例例1.2.5-2 乙烯氧化制环氧乙烷乙烯氧化制环氧乙烷 新鲜原料中乙烯:空气=1:10，乙烯单程转化率55，吸收塔出口气
42、体总量的65循环。计算： 反应器 C2H4 W 空气 吸收塔 水 MF F RP S B P R A 乙烯:空气1:10单程转化率5565循环(1)总转化率、各流股物料量及排放物料 W 组成。(2)如果W的分析数据为：N2 81.5，O2 16.5，C2H4 2.0循环比(R/W)为3.0，计算新鲜原料中乙烯与空气的比例和单程转化率。例例1.2.5-2 乙烯氧化制环氧乙烷乙烯氧化制环氧乙烷 解：反应式 OHCO21HC422421) 计算总转化率，需求出环氧乙烷生成量。已知单程转化率为55，循环比R:W=65:35，因此可利用结点A物料平衡进行计算。 反应器 C2H4 W 空气 吸收塔 水 M
43、F F RP S B P R A 例例1.2.5-2 乙烯氧化制环氧乙烷乙烯氧化制环氧乙烷 基准：新鲜原料中 C2H4 10mol 设 MF 中 C2H4为 x mol根据 A 点物料衡算 A点C2H4衡算 解得 x=14.15 mol生成环氧乙烷量 55x =5514.15=7.78 mol反应器出口RP中C2H4剩余量 14.15-7.78=6.37 mol总转化率为 MFRFxx%65%55110%8 .77%1001078. 7 反应器 C2H4 W 空气 吸收塔 水 MF F RP S B P R A 例例1.2.5-2 乙烯氧化制环氧乙烷乙烯氧化制环氧乙烷 计算 W 组成mol89
44、. 32178. 7 反应器 C2H4 W 空气 吸收塔 水 MF F RP S B P R A W 中C2H4量为已知。N2是联系组分，W 中N2数量也已知。可用 A 点物料衡算求出 MF 中含O2量，减去生成环氧乙烷消耗的O2量，得RP中的O2量，从而求得 W 中的含O2量。设混合料MF中O2为 y molF中C2H4 10mol，已知C2H4:空气=1:10F中空气100mol，其中N2 79mol，O2 21mol生成环氧乙烷消耗O2量 OHCO21HC42242例例1.2.5-2 乙烯氧化制环氧乙烷乙烯氧化制环氧乙烷 各流股中组合含量如表所示。 FMFRPSRWPN27979/0.3
45、579/0.3579/0.350.65/0.357979.0 O221yy-3.89y-3.890.65(y-3.89)0.35(y-3.89) C2H41014.156.376.370.656.370.356.37 C2H4O-7.78- - -7.78 反应器 C2H4 W 空气 吸收塔 水 MF F RP S B P R A 例例1.2.5-2 乙烯氧化制环氧乙烷乙烯氧化制环氧乙烷 根据A点O2衡算解得 y = 52.78 molyy89. 365. 021W组成为： mol molN2 79.0 79/98.34100=80.33O2 0.35(y-3.89)=0.35(52.78-3
46、.89)=17.11 17.11/98.34100=17.40C2H4 0.356.37=2.23 2.23/98.34100=2.27合计 98.34将 y = 52.78代入上表，可得出各流股中组分的量 反应器 C2H4 W 空气 吸收塔 水 MF F RP S B P R A 例例1.2.5-2 乙烯氧化制环氧乙烷乙烯氧化制环氧乙烷 计算结果 反应器 吸收塔 F mol C2H4 10 空气 mol N2 79 O2 21 MF mol N2 225.71 O2 52.78 C2H4 14.15 RP mol N2 225.71 O2 48.89 C2H4 6.37 C2H4O 7.78
47、 W mol N2 79.0 O2 17.11 C2H4 2.23 P mol C2H4O 7.78 例例1.2.5-2 乙烯氧化制环氧乙烷乙烯氧化制环氧乙烷 2)已知 W 组成（N2 81.5，O2 16.5，C2H4 2.0)及循环比(R/W= 3.0 ) ，求新鲜原料 F 中C2H4与空气的比例及单程转化率。N2是该反应过程中的联系组分，可以此根据总衡算求出新鲜原料F中N2和O2的量，并按A点平衡计算MF中的N2和O2量。F 中C2H4:空气未知，选择F中C2H4量为基准不合适。W 组成已知，以 W 量100mol作基准。 反应器 C2H4 W 空气 吸收塔 水 MF F RP S B
48、P R A 例例1.2.5-2 乙烯氧化制环氧乙烷乙烯氧化制环氧乙烷 基准：100mol W 反应器 C2H4 W 空气 吸收塔 水 MF F RP S B P R A 由总物料衡算，W 与 F 中 N2 不变。已知 W 中 N2 为 81.5。F 中N2 81.5mol，F 中O2 81.50.21/0.79=21.66 molR、S 和 RP（不包括环氧乙烷）的组成与 W 组成相同。已知 R/W=3/1 RP/W=S/W=4/1 R中 N2 381.5=244.5 mol C2H4 3 2.0=6.0 mol O2 3 16.5=49.5molRP（不包括C2H4O）=S，其中 N2 4
49、81.5=326mol O2 4 16.5=66mol C2H4 4 2.0=8.0mol例例1.2.5-2 乙烯氧化制环氧乙烷乙烯氧化制环氧乙烷 根据A点平衡 F+R=MFA点O2平衡 MF 中 O2 21.66+49.5=71.16 mol反应器中消耗 O2 71.16-66=5.16 mol反应器中消耗的 C2H4 25.16=10.32 mol按反应器物料中 C2H4 平衡MF 中 C2H4量=RP 中 C2H4量 + 反应器中消耗的C2H4量MF 中C2H4 8.0+10.32=18.32 molF 中C2H4量=MF中C2H4量-R中C2H4量F 中C2H4 18.32-6.0=1
50、2.32 mol 反应器 C2H4 W 空气 吸收塔 水 MF F RP S B P R A 例例1.2.5-2 乙烯氧化制环氧乙烷乙烯氧化制环氧乙烷 基准：100mol排放气体(W) 37. 8116.10332.12HC42空气%33.56%10032.1832.10 FMFRPSRWPN281.5326326326244.581.5 O221.6671.16666649.5165 C2H412.3218.328.08.06.02.0 C2H4O 10.32 10.32总计 400300100 单程转化率 3) 具有旁路过程的物料衡算具有旁路过程的物料衡算 具有旁路的过程，就是把一部分物料
