1、7.1 7.1 概述概述 第七章第七章 化工工艺计算化工工艺计算7.2 7.2 物料衡算物料衡算 7.3 7.3 热量衡算热量衡算 7.1 7.1 概述概述 化工工艺计算化工工艺计算物料衡算、热量衡算物料衡算、热量衡算进行化工设计、过程经济评价、节能分析和过程优化的基础进行化工设计、过程经济评价、节能分析和过程优化的基础化工生产过程：主副产品量、原材料消耗、能量消耗、三废指标化工生产过程：主副产品量、原材料消耗、能量消耗、三废指标1 1、物料衡算和热量衡算的主要步骤、物料衡算和热量衡算的主要步骤(1)(1)收集计算数据：收集计算数据：化工装置的生产操作数据，如输入和输出物料化工装置的生产操作数
2、据，如输入和输出物料的流量、温度、压力、浓度等，涉及物质物化常数，如密度、热的流量、温度、压力、浓度等，涉及物质物化常数，如密度、热容等。容等。(2)(2)写出相关反应方程式（包括主副反应）并配平，标明相对分子量。写出相关反应方程式（包括主副反应）并配平，标明相对分子量。(3)(3)绘出流程的方框图，标明相关参数。绘出流程的方框图，标明相关参数。(5)(5)设未知数，列方程式，求解。设未知数，列方程式，求解。（物料平衡、约束式归一方程、气液平衡方程等。（物料平衡、约束式归一方程、气液平衡方程等。(6)(6)计算和核对。计算和核对。(7)(7)报告计算结果。报告计算结果。(4)选定衡算基准选定衡
3、算基准 通常计算产率：选一定量的原料或产品为基准（通常计算产率：选一定量的原料或产品为基准（1Kg或或100Kg、1mol、1m3等）；等）；计算原料的消耗指标和设备生产能力：选单位时间为基准（计算原料的消耗指标和设备生产能力：选单位时间为基准（1h、1mim、1s等）。等）。转化率、选择性和收率转化率、选择性和收率 反应转化率反应转化率-反映原料产生化学反应的程度反映原料产生化学反应的程度（1 1）定义：指某一反应物参加反应，转化的数量占该反应物起）定义：指某一反应物参加反应，转化的数量占该反应物起始量的分率或百分数。（针对反应物而言）始量的分率或百分数。（针对反应物而言）molmolX该反
4、应物的起始量，某一反应物的转化量,molmolX该反应物的起始量，某一反应物的转化量,2 2、化工工艺学中基本概念、化工工艺学中基本概念（2 2）单程转化率和全程转化率）单程转化率和全程转化率为了提高原料的利用率，采用为了提高原料的利用率，采用循环反应系统循环反应系统。单程转化率单程转化率反应器反应器全程转化率全程转化率反应系统反应系统的量的量循环物料中组分新鲜原料中组分在反应器中的转化量组分AAAXA的量新鲜原料中组分在反应器中的转化量组分AAXtotA,例：以乙炔与醋酸合成醋酸乙烯酯为例。如图所示，再连续生产中，假例：以乙炔与醋酸合成醋酸乙烯酯为例。如图所示，再连续生产中，假设每小时流经各
5、物料线的物料中含乙炔的量为设每小时流经各物料线的物料中含乙炔的量为mA=600Kg，mB=5000Kg，mc=4450Kg，计算过程的单程转化率和全程转化率。，计算过程的单程转化率和全程转化率。解：解：乙炔11100500044505000X乙炔67.9110060044505000,totX总结：一般要根据各自反应的特点，由实际经验来控制单程转化率。总结：一般要根据各自反应的特点，由实际经验来控制单程转化率。反应选择性反应选择性（1 1）定义：转化成）定义：转化成目的产物的某反应物量目的产物的某反应物量与参加所有反应而转化与参加所有反应而转化的该反应物总量之比。的该反应物总量之比。该反应物的
6、转化总量的某反应物的量转化为目的产物所消耗S收率（产率）收率（产率）（1 1）定义：）定义：生成的目的产物占某反应物初始量的百分率。生成的目的产物占某反应物初始量的百分率。的起始量反应物的量所消耗的反应物转化为目的产物AARY 单程收率单程收率:分母为分母为(新鲜循环该原料之和新鲜循环该原料之和)总收率：分母为（新鲜该物料）总收率：分母为（新鲜该物料）转化率转化率(X)(X)，收率，收率(Y)(Y)和选择性和选择性(S)(S)三者关系：三者关系：Y=S XmolmolX该反应物的起始量，某一反应物的转化量,molmolX该反应物的起始量，某一反应物的转化量,该反应物的转化总量的某反应物的量转化
7、为目的产物所消耗S的起始量反应物的量所消耗的反应物转化为目的产物AARY 2022-12-1610 转化率转化率(X)(X)，收率，收率(Y)(Y)和选择性和选择性(S)(S)三者关系：三者关系：Y=S X1.1.一般反应过程的物料衡算一般反应过程的物料衡算输入物料输入物料的总的总质量质量输出物料输出物料的总质量的总质量系统内积累系统内积累的物料质量的物料质量 注注:间歇操作（非稳态）间歇操作（非稳态）积累积累0 连续操作（稳态）连续操作（稳态）积累积累0 07.2 7.2 物料衡算物料衡算 u理论依据：质量守恒定律理论依据：质量守恒定律 蒸馏F(Kg)XF1XF2P(Kg)XP1XP2W(K
8、g)XW1XW2无化学反应过程物料流程示意图无化学反应过程物料流程示意图总质量衡算：总质量衡算：F=P+W组分衡算：组分衡算：F XF1=PXP1+WXW1 F XF2=PXP2+WXW2反应F(mol)P(mol)催化裂化过程物料流程示意图催化裂化过程物料流程示意图组成组成 原料油原料油（摩尔分数）（摩尔分数）产品油产品油（摩尔分数）（摩尔分数）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 0.157+P 0.38+P0.511 u物料衡算的步骤物料衡算的步骤
9、(1)(1)绘出流程的方框图绘出流程的方框图(2)(2)写出反应方程式，并配平之。写出反应方程式，并配平之。(3)选定衡算基准选定衡算基准(4)(4)设未知数，列方程式，求解。设未知数，列方程式，求解。（物料平衡、约束式归一方程、气液平衡方程等。（物料平衡、约束式归一方程、气液平衡方程等。(5)(5)计算和核对。计算和核对。(6)(6)报告计算结果。报告计算结果。例例1：拟将原料油中的有机硫通过拟将原料油中的有机硫通过催化催化加氢转变成加氢转变成H2S，进而脱出之，进而脱出之，油中不饱和烃也加氢饱和。若原料油的进料速率为油中不饱和烃也加氢饱和。若原料油的进料速率为160m3/h，密度为，密度为
10、0.9g/ml，氢气（标准状态）的进料速率为，氢气（标准状态）的进料速率为10800m3/h。原料油和产品。原料油和产品油的摩尔分数组成如下。油的摩尔分数组成如下。组分组分C11H23SHC11H24C10H20=CH2原料油原料油 5%70%25%产品油产品油 0.1%96.8%3.1%求求（1）消耗的氢气总量；）消耗的氢气总量；（2）分离后气体的摩尔分数。）分离后气体的摩尔分数。画出衡算系统方框图如下。画出衡算系统方框图如下。气体气体催化催化加氢加氢H2原料油原料油C11H23SHC11H24 C10H20=CH2 分分离离C11H23SHC11H24 C10H20=CH2 产品油产品油写
11、出反应方程式。写出反应方程式。C11H23SH +H2 C11H24+H2SC10H20=CH2+H2 C11H24选择衡算基准为选择衡算基准为1h。H22kg/kmolC11H24156kg/kmolH2S 34kg/kmolC10H20=CH2152kg/kmolC11H23SH 188kg/kmol原料油平均摩尔质量原料油平均摩尔质量=1880.05+1560.7+1540.25=157.1kg/kmol H2进气量进气量=10800103/22.410-3=482.1kmol;m=964Kg对进料原料油衡算对进料原料油衡算/1h1h原料油进料物质的量原料油进料物质的量=160900/1
12、57.1=916.6kmolC11H23SH：n=916.60.05=45.83 Kmol;m=8616 KgC11H24:n=916.6 C10H20=CH2 :n=916.6 设脱硫后产品油的质量为设脱硫后产品油的质量为R，对，对C物料衡算，则有：物料衡算，则有：916.6(0.0511+0.711+0.2511)=R(0.00111+0.96811+0.03111)R=916.6kmol反应反应(1)消耗的消耗的H2气量气量=916.60.05 0.001R=44.91kmol生成的生成的H2S气量气量=44.91kmol反应反应(2)消耗的消耗的H2气量气量=916.60.25 0.0
13、31R=200.74kmol总耗总耗H2量量=44.91+200.74=245.654kmol剩余剩余H2量量=482.1-245.65=236.49kmol反应后气体的总量反应后气体的总量=44.91+236.49=281.4kmol设未知数，列方程式，求解。设未知数，列方程式，求解。故，故，H2S的摩尔分数为的摩尔分数为 44.91/281.4=0.16 H2的摩尔分数为的摩尔分数为 236.49/281.4=0.84核对核对。列物料衡算表，如下。列物料衡算表，如下。例例7-5 P257裂解炉裂解炉乙烷乙烷乙烷乙烷99%甲烷甲烷1%炭炭裂解气裂解气H2CH4C2H2C2H4C2H637.2
14、4.530.1833.0825.01选择衡算基准选择衡算基准-原料气原料气=100mol 进料：进料：n(C2H6)=99mol;n(CH4)=1mol设：裂解后裂解气的物质量为设：裂解后裂解气的物质量为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()2501.023308.020018.020453.0(2molHnmolNNN物料名称物料名称摩尔质量摩尔质量/g/mol进料进料出料出料molgmolgH2
15、259.23118.46CH4161167.21115.36C2H2260.297.54C2H42852.671474.78C2H63099297039.821194.60C126.2474.898总计总计1002986165.462986 气体膨胀率气体膨胀率=N/100=159.21/100=1.592 X(乙烷转化率乙烷转化率)=（99-39.82)/99=59.78%S(乙烯的选择性乙烯的选择性)=52.67/(99-39.82)=89%molmolX该反应物的起始量，某一反应物的转化量,molmolX该反应物的起始量，某一反应物的转化量,该反应物的转化总量的某反应物的量转化为目的产物
16、所消耗S Y(乙烯的收率乙烯的收率)=XS=59.78%89%=53.20%2.2.具有循环过程的物料衡算具有循环过程的物料衡算(2)(2)绘出流程的方框图绘出流程的方框图,并标明各物料并标明各物料(1)(1)写出反应方程式并配平。写出反应方程式并配平。(3)(3)以方程的方式列出各节点的物料衡算关系；以方程的方式列出各节点的物料衡算关系；(4)(4)解出方程组；解出方程组；反应器反应器分离器分离器ABFFMFRPPSPWRC反应器反应器分离器分离器ABFFMFRPPSPWRC对物料输入口节点对物料输入口节点A：FF+RC=MF对物料输出口节点对物料输出口节点B:RC+W=SP对分离器：对分离
17、器：RP=P+SP=P+RC+W对整个反应：对整个反应：FF=P+W对反应器：对反应器：MF=RP例例1：在银催化剂作用下，乙烯被空气氧化成环氧乙烷（在银催化剂作用下，乙烯被空气氧化成环氧乙烷（C2H4O），副反应是），副反应是乙烯完全氧化生成乙烯完全氧化生成CO2和和H2O。已知离开氧化反应器的气体干基组成是：已知离开氧化反应器的气体干基组成是：C2H43.22%，N2 79.64%，O2 10.81%，C2H4O 0.83%，CO2 5.5%(均为体积均为体积分数分数)。该气体进入水吸收塔，其中的环氧乙烷和水蒸气全部溶解于水中，而该气体进入水吸收塔，其中的环氧乙烷和水蒸气全部溶解于水中，而
18、其他气体不溶于水，由吸收塔顶逸出后排放少量至系统外，其余全部循环回氧其他气体不溶于水，由吸收塔顶逸出后排放少量至系统外，其余全部循环回氧化反应器。化反应器。计算（计算（1）乙烯的单程转化率；（）乙烯的单程转化率；（2）生成环氧乙烷的选择性；（）生成环氧乙烷的选择性；（3）循环比；）循环比；（4）新鲜原料中乙烯和空气量之比。）新鲜原料中乙烯和空气量之比。写出反应方程式：写出反应方程式：选取选取反应器出口气中反应器出口气中100mol干气干气为衡算基准为衡算基准设新鲜原料气（设新鲜原料气（FF）中）中C2H4的量为的量为Xmol；空气为；空气为Ymol（含（含79%N2和和21%O2）；弛放气）；
19、弛放气Wmol；乙烯完全氧化生成的；乙烯完全氧化生成的H2O量为量为Zmol。反应器反应器水吸收塔水吸收塔ABFFMFRPPSPWRC反应器反应器水吸收塔水吸收塔ABFFMFRPPSPWRC 围绕总系统做物料衡算。围绕总系统做物料衡算。采用采用元素的原子守恒计算元素的原子守恒计算，即，即C 平衡平衡 2X=(0.832)+（0.0325W2+0.0555W）H 平衡平衡 4X=(0.834+2Z)+0.0325W4O 平衡平衡 0.21Y2=(0.83+Z)+(0.109W2+0.0555W2)N平衡平衡 0.79Y2=0.803W2 解四个方程得解四个方程得:X=2.008mol;Y=19.
20、87mol;Z=1.085mol;W=19.55mol.反应器反应器水吸收塔水吸收塔ABFFMFRPPSPWRC 副反应消耗的乙烯量副反应消耗的乙烯量=1.085/2=0.5425mol 主反应消耗的乙烯量主反应消耗的乙烯量=生成的生成的EO量量=0.83mol 乙烯的单程转化率乙烯的单程转化率=反应消耗的乙烯总量反应消耗的乙烯总量/进入反应器混合气中的乙烯量进入反应器混合气中的乙烯量100%=(0.83+0.5425)/(X+3.22-0.0325W)100%=29.9%乙烯的全程转化率乙烯的全程转化率 =反应消耗的乙烯总量反应消耗的乙烯总量/新鲜原料中的乙烯量新鲜原料中的乙烯量100%=(
21、0.83+0.5425）/2.008 100%=68.35%生成环氧乙烷的选择性生成环氧乙烷的选择性 =转化为环氧乙烷的乙烯量转化为环氧乙烷的乙烯量/消耗的乙烯总量消耗的乙烯总量100%=0.83/（0.83+0.5425）100%=60.47%循环比循环比=循环气量循环气量/排放气量排放气量 =(99.19-W)/W=4.073(摩尔比或体积比）摩尔比或体积比）新鲜原料中空气量和乙烯之比新鲜原料中空气量和乙烯之比=新鲜原料气中空气新鲜原料气中空气/乙烯乙烯 =19.87/2.008=9.895(摩尔比或体积比）摩尔比或体积比）v对于稳定的连续流动过程，无热量的积累，v热量衡算以热力学第一定律
22、为基础。热量衡算以热力学第一定律为基础。输入的总热量输入的总热量=输出的总热量输出的总热量+积累的热量积累的热量+损失的热量损失的热量系统从外界吸收能量：Q为正；系统对外界放出能量：Q为负；7.3 7.3 热量衡算热量衡算 积累损出入QQQQ损出入QQQv对于一个化学反应进行热量衡算22981HHHH热损失加热设备消耗产物带出介质带入物料带入QQQHQQiniiipTniiiniiipTniiHMdTcMHHMdTcMH1,298121,2981111 u热量衡算的基本步骤热量衡算的基本步骤(1)(1)建立以单位时间为基准的物料衡算表建立以单位时间为基准的物料衡算表(2)(2)选定计算基准温度
23、和相态选定计算基准温度和相态(3)查找热量衡算中相关的热量学数据查找热量衡算中相关的热量学数据(4)(4)设未知数，列方程式，求解。设未知数，列方程式，求解。(5)(5)计算和核对。计算和核对。(6)(6)报告计算结果。报告计算结果。例例 甲烷在连续式反应器中空气氧化生产甲醛，副反应是甲烷完全氧化生成CO2和H2O。CH4(气)+O2+HCHO(气)H2O(气)CH4(气)+2O2+CO2(气)2H2O(气)以100mol进反应器的甲烷为基准，物料流程如图。假定反应在足够低的压力下进行，气体便可看作理想气体。甲烷于25进反应器，空气于100进反应器，如要保持出口产物为150，需从反应器取走多少
24、热量？25，CH4 100molO2 100molN2 376mol100QCH4 60molHCHO(气)30molCO2 10molH2O(气)50molO2 50molN2 376mol150各组分单位进料（各组分单位进料（25）的焓值）的焓值（1）25下进料甲烷的焓0f,CH4H74.85kJ/mol 查手册得生成热 04f,CH4(CH)HH74.85kJ/mol 进则 O,1002H（2）pC(100)29.8J/(K mol)查手册得 p2(O)HC(100)(10025)2235(J/mol)2.235(kJ/mol)进N,1002H（3）查手册得 pC(100)29.16J/
25、(K mol)p2(N)HC(100)(10025)2.187(kJ/mol)进各组分单位出料的焓值各组分单位出料的焓值 O,1502H（1）pC(150)30.06J/(K mol)查手册得 p2(O)HC(150)(15025)3.758(kJ/mol)出（2）N,1502HpC(150)29.24J/(K mol)查手册得 p2(N)HC(150)(15025)3.655(kJ/mol)出CH,1504H（3）pC(150)39.2J/(K mol)查手册得 150044f,CHp425()HCHHC(CH)dT74.854.969.95(kJ/mol)出（4）HCHO,150H查手册得
26、 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 pC39.52J/(K mol)查手册得 CO,1502H393.54.94388.56(kJ/mol)（6）H O,1502H查手册得 0f,H O2H241.83kJ/mol pC34.0J/(K mol)0pH O,150f,H O22HH()C(150)125241.834.2
27、7237.56(kJ/mol)气物料物料n进进(mol)H进进(kJ/mol)n出出(mol)H出出(kJ/mol)物料物料n出出(mol)H出出(kJ/mol)CH4O2N2100100376-74.852.2352.1876050376-69.953.7583.655HCHOCO2H2O301050-114.76-388.56-237.56进出口焓值进出口焓值 将以上结果填入进出口焓表中。H(H)(H)60(69.95)50 3.758376 3.65530(114.76)10(388.56)50(237.56)100(74.85)100 2.235376 2.18715400kJiiii
28、nn 输出输入当能量衡算不计动能变化时，QH15400kJ H(H)(H)60(69.95)50 3.758376 3.65530(114.76)10(388.56)50(237.56)100(74.85)100 2.235376 2.18715400kJiiiinn 输出输入H(H)(H)60(69.95)50 3.758376 3.65530(114.76)10(388.56)50(237.56)100(74.85)100 2.235376 2.18715400kJiiiinn 输出输入H(H)(H)60(69.95)50 3.758376 3.65530(114.76)10(388.56)50(237.56)100(74.85)100 2.235376 2.18715400kJiiiinn 输出输入例例7-10 p270
