第四章化工工艺计算
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化工工艺学-第四章-羰基化反应讲解
起点
工业化
廉价烯烃原料， 及增塑剂用 醇的需求量 增加，促使 了羰基合成 的高速发展
高速发展
以丙烯为原料用氢甲酰化法生产(丁)辛醇，主要包括下列三个过程：
①在过渡金属羰基配合物催化剂存在下，丙烯氢甲酰化合成丁醛。
CH3CH=CH2 CO H2 CH3CH2CH2CHO
②丁醛在碱存在下缩合为辛烯醛
羰
基
CH CH+CO+H2O CH2=CHCOOH
在双键或叁键两端的 C原子上分别加上一个 氢和一个羧基，故又 称氢羧基化反应。
合 成
③不饱和烃在醇存在下的羰基化（与CO和醇反应）
反 应
RCH=CH2+CO+ROH RCH2CH2COOR
类 型
CH CH+CO+ROH CH2=CHCOOR
甲醇的羰化反应
聊城大学2013级化工工艺学讲义
•概念：羰基化即羰基合成，指有CO参与的在过渡金属络合物 （主要是羰基化合物）催化剂下，有机化合物分子中引入羰基。 这个反应被命名为羰基合成 (Carbonyl synthesis)，也叫Röelen 反应。 •重要意义：工业上羰基化往往是碳一化学工业部门开发下游产 品的一个重要手段。 •两大类：不饱和化合物的羰化反应和甲醇的羰化反应。
CH3OOC-COOCH3+2H2O HOOC-COOH+2CH3OH
CH3OOC-COOCH3+4H2 CH2OH CH2OH+2CH3OH
以过渡金属(M)为中心原子的羰基氢化合物，可以被 某种配体(L)所改性，一般形式为HxMy(CO)zLn
HMCO L HMCO L CO
m
m-1
羰
化工计算第四章物料衡算及课后习题及答案
第一节 物料衡算式 4—1 化工过程得类型
间歇操作 操作方式 半连续操作
连续操作
间歇操作: 原料一次加入,然后操作,最后一次出 料。
半连续操作: 进料分批,出料连续;或进料连 续,出料分批或一次。
特点: 间歇操作中,无物料进出设备,且设备内各 部分得组成和条件随时间而变。 半连续操作中,设备内各点得参 数(组成、条 件)随时间而变。
N元素平衡
2×0、79A＝2N
烟道气总量
M+N+P+Q＝100
过剩氧量
0、21A×0、25／1、25
＝M 解上述6个方程得要求得结果。(过程略)
由上例可知计算基准选取恰当与否,对计算难 易影响。所以要重视计算基准选取。
基准选取中几点说明:
(1)上面几种基准具体选哪种(有时几种共 用)视具体条件而定,难以硬性规定。
4、 写出化学反应方程式
包括所有主副反应,且为配平后得,将各反应 得选择性、收率注明。
5、选择合适得计算基准,并在流程图上注明基准值 计算中要将基准交代清楚,过程中基准变换时,
要加以说明。 6、列出物料衡算式,然后求解
1)列物料衡算式
无化学反应体系,按:(4—1)、(4—3)(连续稳定过程) 式。
(二)取1mol 空气为计算基准 1mol 空气为计算基准中氧量为0、21mol
燃烧丙烷耗氧量 0、21／1、25＝0、168 mol 燃烧丙烷得量 0、168／5＝0、 0336mol
衡算结果列于下表:
输
入
输
出
组分 摩尔 克 组分 摩尔 克
C3H8 0、
44 CO2 0、101 132
0336
O2 0、21 200 H2O 0、135 72
第四章塔径泛点气速空塔气速填料高度压降等计算
第四章 填料精馏塔的工艺计算4.1 低压塔塔径、泛点气速、空塔气速、填料高度及压降计算由第一章PROII 模拟出的说明书可以得到数据表4.1塔顶蒸汽量G 2 塔中蒸汽量G 14 塔中蒸汽量G 15 塔底蒸汽量G 27 4368Kg/HR 4383Kg/HR 4445Kg/HR 4886Kg/HR 塔顶液体量L 1 塔中液体量L 13 塔中液体量L 14 塔底液体量L 26 3140Kg/HR 3155Kg/HR 7784Kg/HR 8224Kg/HR 汽相密度ρG2 汽相密度ρG14汽相密度ρG15汽相密度ρG272.874369Kg/m 33.03973Kg/m 33.06215Kg/m 33.34082Kg/m 3液相密度ρL1 液想密度ρL13液相密度ρL14液相密度ρL26816.676Kg/m 3 796.028Kg/m 3793.248Kg/m 3777.496Kg/m 3汽相粘度μG2 汽相粘度μG14汽相粘度μG15汽相粘度μG278.9907E-06Pa ·s 9.1563E-06Pa ·s9.1528E-06Pa ·s9.0660E-06Pa ·s液相粘度μL1液想粘度μL13液相粘度μL14液相粘度μL263.1054E-04Pa ·s 2.6658E-04Pa ·s 2.6165E-04Pa ·s 2.2445E-04Pa ·s根据表4.1求平均值可得下表4.2表4.2低压塔精馏段 提馏段 液体量L Kg/HR 3147.5 8004 液相密度ρ Kg/m 3 806.352 785.372 液相粘度μ Pa ·s 2.8856 E-04 2.4305 E-04 蒸汽量G Kg/HR 4375.5 4665.5 汽相密度ρ Kg/m 3 2.9570453.2014854.1.1 塔经的计算L G GL FP ρρ=式中：L ——塔内液相流率，Kg/h ； G ——塔内气相流率，Kg/h ； ρG ——塔内气相密度，Kg/m 3； ρL ——塔内液体密度，Kg/m 3。
化工原理第四章 1-2
③床层比表面
aB
=
S V床
=
S(1 Vp
e
)
=
a(1 - e )
3．流体通过固定床的压降
几何边界复杂，无法解析解，要靠实验 数学模型法主要步骤：
3.1 简化模型（数模思想） 过程特征： ①爬流，表面剪切力为主，
形体力(压差力)为次 ②空隙中实际速度与空隙大小有关
简化原则： 模型与原型①表面积要相等
e3
e
)2
µu
=
K
a2 (1 -
e3
e
)2
µu
DP L
=
a2 (1 -
5 e3
e
)2
µu
适用范围：Re’<2
床层雷诺数
4e
u
宽范围：
a(1 - e ) e
Re'= deu1r = ru 4µ a(1 - e )µ
细管
hf
=
DP
r
= l Le
de
u12 2
DP L
=
l
Le L
ru12
2de
=
l
Le a(1 -
第四章 流体通过颗粒层的流动
（1）
化工定床—由许多固体颗粒堆积成的静止颗粒层
1.2 固定床阻力的影响因素
①流体物性：ρ,µ ②操作因素： u ③设备因素： 颗粒直径，
颗粒大小分布， 空隙大小
2 颗粒床层的特性
2.1 单颗粒的特性
球形颗粒，只需一个参数dp
颗粒特性:体积
L
u=0.9m/s时 DP = 2300Pa / m 。
L
求：CO以u=0.5m/s通过时的 DP 。
L
化工工艺学第四章4.1烃类裂解
4.1.1 裂解反应和反应机理
• • • • • 一、烃类的裂解反应 烃类裂解的一次反应包括： 烷烃裂解的一次反应； 环烷烃裂解的一次反应； 芳烃裂解；
一、烃类的裂解反应
• 1、烷烃裂解一次反应 （1）脱氢反应： CnH2n+2CnH2n+H2 （2）断链反应：CnH2n+2CmH2m+Cn-mH2（n-m）+2 （3）不同烷烃脱氢和断链的难易，可以从分子结构 中键能数值的大小判断。 ①同碳原子数的烷烃，C-H键能大于C-C键能，故断 链比脱氢容易。 ②烷烃的相对热稳定性随碳链的增长而降低，碳链愈 长的烃分子愈容易断链。 ③烷烃的脱氢能力与烷烃分子结构有关，叔氢最易脱 去，仲氢次之，伯氢又次之。 ④有支链的烃容易裂解或脱氢。
三、烃类裂解反应机理及动力学
• 链引发 断裂C---C键产生一对自由基 活化能高 • 链增长 自由基夺氢 自由基分解，活化能不大
自由基分解反应是生成烯烃的反应
• 链终止 两个自由基形成稳定分子的过程 活化能一般较低
三、烃类裂解反应机理及动力学
• 乙烷裂解的自由基反应历程
1）链引发反应
CH 3 CH 3 2 CH 3
• 裂解动力学方程可以用来计算原料在不同 工艺条件下过程中转化率的变化情况，不 能确定产物组成
4.1.2 裂解原料与工艺条件讨论
• • • • • 一、裂解原料与特性参数 1、裂解原料 烃类裂解的目的主要是生产低级烯烃。 烃类裂解原料大致可分两大类： 第一类为气态烃，如天然气、油田伴 生气和炼厂气； • 第二类为液态烃，如轻油、柴油、原 油、重油等。
一、烃类的裂解反应
• 各族烃裂解生成乙烯、丙烯能力的规律 正构烷烃在各族烃中最利于乙烯、丙烯的生成。 大分子烯烃裂解为乙烯和丙烯 环烷烃生成芳烃的反应优于生成单烯烃的反应。 无烷基的芳烃基本上不易裂解为烯烃，有烷基 的芳烃，主要是烷基发生断碳键和脱氢反应， 有结焦的倾向 正烷烃>异烷烃>环烷烃（六碳环>五碳环）> 芳烃
物料衡算与能量衡算
最后，由CO2和H2O平衡得： F5,CO2＝129mol/h；F5,H2O＝628-127＝501mol/h
➢ 2计算反应器1的反应速率;然后计算物流4的组成
由反应速率的定义式得：
r＝
＝
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
式中 为F I物i,输 质 的出 F 转i,输 化率/入 ; i Fi,输入i / i
已知反应 i器1中CO的转化率为0 80，由此得反应器1的反
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。
4 3.1 混合过程
例1 一种废酸;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质量;
边界线Boundary Line围起来的区域构成衡算范围;
2写出化学反应方程式;包括主反应和副反应; （计算分子量）
（3）确定计算任务，确定过程所涉及的组分， 明确哪些是已知项，哪些是待求项，如年产量 生产能力、年工作日、产率、产品纯度要求等。
（4）选择计算基准
5收集计算需要数据资料 （6）列出物料衡算方程式,进行物料衡算 列出过程的全部独立物料平衡方程式及其他相
应速率：
r＝
＝0.80.2×100 + 0.5×214 ＝
101.6Fm,输o入 l/h/
物流4中每一物流的流率
已知r后;物流4中每一物流的流率可以用物料衡算求得， 即：
N2平衡： F4,N2＝0 78×100＝78mol/h CO平衡： F4,co＝127 – r＝25.4mol/h H2O平衡： F4,H2O＝628 – r＝526.4mol/h CO2平衡： F4,CO2＝2 + r＝103.6mol/h H2平衡： F4,H2＝107 + r＝208.6mol/h
➢ 2计算反应器1的反应速率;然后计算物流4的组成
由反应速率的定义式得：
r＝
＝
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
式中 为F I物i,输 质 的出 F 转i,输 化率/入 ; i Fi,输入i / i
已知反应 i器1中CO的转化率为0 80，由此得反应器1的反
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。
4 3.1 混合过程
例1 一种废酸;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质量;
边界线Boundary Line围起来的区域构成衡算范围;
2写出化学反应方程式;包括主反应和副反应; （计算分子量）
（3）确定计算任务，确定过程所涉及的组分， 明确哪些是已知项，哪些是待求项，如年产量 生产能力、年工作日、产率、产品纯度要求等。
（4）选择计算基准
5收集计算需要数据资料 （6）列出物料衡算方程式,进行物料衡算 列出过程的全部独立物料平衡方程式及其他相
应速率：
r＝
＝0.80.2×100 + 0.5×214 ＝
101.6Fm,输o入 l/h/
物流4中每一物流的流率
已知r后;物流4中每一物流的流率可以用物料衡算求得， 即：
N2平衡： F4,N2＝0 78×100＝78mol/h CO平衡： F4,co＝127 – r＝25.4mol/h H2O平衡： F4,H2O＝628 – r＝526.4mol/h CO2平衡： F4,CO2＝2 + r＝103.6mol/h H2平衡： F4,H2＝107 + r＝208.6mol/h
化工原理第四章两流体间传热过程的计算
6/28/2020
【特点】平行而同向。
6/28/2020
并流
逆 流 【特点】方向相反且平行。
6/28/2020
折流换热器 【特点】既存在并流，又存在逆流。
6/28/2020
【特点】两种流体的流向垂直交叉。
6/28/2020
喷淋蛇管（错流）式换热器
7、并、逆流操作的平均温度差 在如下假定条件下（稳定传热过程）：
Δtm ——两流体的平均温度差，℃
6/28/2020
2、热量衡算式
【衡算前提】
（1）换热器绝热良好；
（2）热损失可忽略。
【衡算系统】热交换器；
【衡算基准】单位时间；
【衡算式】热流体放出的热量等于冷流体得到的热
量。即：
Q热＝Q冷
6/28/2020
二、Q值的确定——计算热负荷
1、什么是热负荷 【定义】达到工艺要求的控制参数所应交换的热量 ，即： ①热流体放出的热量； ②冷流体得到的热量。 【作用】由热负荷可以确定传热速率。
6/28/2020
T1
t2
T2
t1
（1）单侧变温
【特点】在热交 换过程中，一侧 温度保持不变， 另一侧温度发生 变化。
6/28/2020
（2）双侧变温 【特点】在热交 换过程中，两侧 温度均发生变化 。
6/28/2020
【特点】局部温度差Δt 沿传热面而变化。
在面积为dA两 侧，可视为恒
Δt＝T－t
R=20 15 10 6.0 4.0 3.0 2.0 1.8 1.6 1.4 1.2
1.0 0.8 0.6 0.4 0.2
1.0 0.9
0.8
ψ
0.7
0.6
0.5
【特点】平行而同向。
6/28/2020
并流
逆 流 【特点】方向相反且平行。
6/28/2020
折流换热器 【特点】既存在并流，又存在逆流。
6/28/2020
【特点】两种流体的流向垂直交叉。
6/28/2020
喷淋蛇管（错流）式换热器
7、并、逆流操作的平均温度差 在如下假定条件下（稳定传热过程）：
Δtm ——两流体的平均温度差，℃
6/28/2020
2、热量衡算式
【衡算前提】
（1）换热器绝热良好；
（2）热损失可忽略。
【衡算系统】热交换器；
【衡算基准】单位时间；
【衡算式】热流体放出的热量等于冷流体得到的热
量。即：
Q热＝Q冷
6/28/2020
二、Q值的确定——计算热负荷
1、什么是热负荷 【定义】达到工艺要求的控制参数所应交换的热量 ，即： ①热流体放出的热量； ②冷流体得到的热量。 【作用】由热负荷可以确定传热速率。
6/28/2020
T1
t2
T2
t1
（1）单侧变温
【特点】在热交 换过程中，一侧 温度保持不变， 另一侧温度发生 变化。
6/28/2020
（2）双侧变温 【特点】在热交 换过程中，两侧 温度均发生变化 。
6/28/2020
【特点】局部温度差Δt 沿传热面而变化。
在面积为dA两 侧，可视为恒
Δt＝T－t
R=20 15 10 6.0 4.0 3.0 2.0 1.8 1.6 1.4 1.2
1.0 0.8 0.6 0.4 0.2
1.0 0.9
0.8
ψ
0.7
0.6
0.5
化工工艺学-第四章-羰基化反应
4
铑代替钴作Cat， 3MPa，175℃， 甲醇选择性 高达99%， 实现了甲醇 羰基化合成 醋酸的工业化
丙烯低压法氢甲酰化合成正丁醛
反 温度：90-110℃ 应 条 压力：1.7-1.8MPa 件 催化剂：膦羰基铑配合物[HRh(Co)x(PPh3)y] 工 艺 流 程
循环气
UCC/Davy/JMC法低压碳基合成制丁醛流程图
1-丙烯净化器;2-合成气净化器;3-羰基合成反应器;4-雾沫分离器; 5-冷凝器;6-分离器;7-催化剂处理装置;8-汽提塔;9-异丁醛蒸馏塔;10-正丁醛蒸馏塔
聊城大学2013级化工工艺学讲义
•概念：羰基化即羰基合成，指有CO参与的在过渡金属络合物 （主要是羰基化合物）催化剂下，有机化合物分子中引入羰基。 这个反应被命名为羰基合成 (Carbonyl synthesis)，也叫Rö elen 反应。 •重要意义：工业上羰基化往往是碳一化学工业部门开发下游产 品的一个重要手段。 •两大类：不饱和化合物的羰化反应和甲醇的羰化反应。
HRh(CO)4
Rh4(CO)12
HRh(CO)(PPh3)3
三种氢甲酰化催化剂性能比较
催化剂 温度/℃ 压力/MPa 催化剂浓度/% 生成烷烃量 产物 正/异比
HCo(CO)4 140～180 20～30 0.1－1.0 低 醛/醇 3～4：1
HCo(CO)3P(n-C4H9)3 160～200 5～10 0.6 明显 醇/醛 8～ 9∶ 1
甲醇羰基化合成醋酸的历程
1
三氟化硼、 磷酸等作Cat。 反应条件苛刻， 50~70MPa 250~350℃ 而且腐蚀严重， 选择性也低
19世纪初
2
铁、钴、镍 等金属羰基 化合物和 卤素为Cat。 20-45MPa， 250-270℃ 1941年
4化工工艺学-第四章-纯碱和烧碱全解
NH3 (aq) H NH4 CO2 (aq) 2 NH3 (aq) NH4 NH2COO
水化反应如下： CO2 (aq) 2 H 2O H 2CO3 (aq)
CO2 (aq) OH HCO3
由于水化反应速度慢，且溶液中氨的浓度比OH－离子浓度大 很多，所以主要生成氨基甲酸铵。
④温度的影响
温度升高，氨盐水中的 NH3减小，饱和线P1C向右移 动(但NaHCO3在溶液中的溶解 度变化不大)；P1点向右上移 动，溶液的碳酸化度增加； 均可析出等多的NaHCO3结晶， 钠利用率增大，氨利用率降 低。 在生产条件下，一般为 了得到NaHCO3，NaCl浓度不 变，采取较高温度进行碳酸 化。碳酸化后降低温度可减 少其溶解度，相应提高钠利 用率。
《化工工艺学》第4章 纯碱和烧碱
(1) 主要化学反应
根据上图，氨碱法以碳酸钙和氯化钠为原料，反应有： ① 焙烧CaCO3制得CO2：
CaCO3 ( s) 焙烧 CO2 ( g) CaO( s) 176.105kJ / mol
② NaHCO3沉淀的析出： NaCl NH3 CO2 H2O＝NaHCO 3 ( s ) NH4Cl ③ 生成的碳酸氢钠(NaHCO3)煅烧分解后可得纯碱：
《化工工艺学》第4章 纯碱和烧碱
碳酸化过程的氨盐比
从原料利用率相 图分析，氨盐比越大， 操作条件越接近P1点， 综合原料利用率越高。 当氨盐比为1:1且原 盐水饱和时，碳酸化 度与CO2平衡分压的 关系如右图。 CO2分压高，有利 于碳酸化反应。 温度低一点，溶 液饱和度大，有利于 结晶。
《化工工艺学》第4章 纯碱和烧碱
③ 氨盐比的影响
氨盐比略大 于1时，相点落 在Z点附近，只 有少量碳酸氢铵 析出。钠利用率 高，氨利用率降 低，但后者可通 过循环弥补，所 以可取。氨量高， 虽可提高钠利用 率，但过高会影 响NaHCO3产量。 其关系如右表和 上右图。
水化反应如下： CO2 (aq) 2 H 2O H 2CO3 (aq)
CO2 (aq) OH HCO3
由于水化反应速度慢，且溶液中氨的浓度比OH－离子浓度大 很多，所以主要生成氨基甲酸铵。
④温度的影响
温度升高，氨盐水中的 NH3减小，饱和线P1C向右移 动(但NaHCO3在溶液中的溶解 度变化不大)；P1点向右上移 动，溶液的碳酸化度增加； 均可析出等多的NaHCO3结晶， 钠利用率增大，氨利用率降 低。 在生产条件下，一般为 了得到NaHCO3，NaCl浓度不 变，采取较高温度进行碳酸 化。碳酸化后降低温度可减 少其溶解度，相应提高钠利 用率。
《化工工艺学》第4章 纯碱和烧碱
(1) 主要化学反应
根据上图，氨碱法以碳酸钙和氯化钠为原料，反应有： ① 焙烧CaCO3制得CO2：
CaCO3 ( s) 焙烧 CO2 ( g) CaO( s) 176.105kJ / mol
② NaHCO3沉淀的析出： NaCl NH3 CO2 H2O＝NaHCO 3 ( s ) NH4Cl ③ 生成的碳酸氢钠(NaHCO3)煅烧分解后可得纯碱：
《化工工艺学》第4章 纯碱和烧碱
碳酸化过程的氨盐比
从原料利用率相 图分析，氨盐比越大， 操作条件越接近P1点， 综合原料利用率越高。 当氨盐比为1:1且原 盐水饱和时，碳酸化 度与CO2平衡分压的 关系如右图。 CO2分压高，有利 于碳酸化反应。 温度低一点，溶 液饱和度大，有利于 结晶。
《化工工艺学》第4章 纯碱和烧碱
③ 氨盐比的影响
氨盐比略大 于1时，相点落 在Z点附近，只 有少量碳酸氢铵 析出。钠利用率 高，氨利用率降 低，但后者可通 过循环弥补，所 以可取。氨量高， 虽可提高钠利用 率，但过高会影 响NaHCO3产量。 其关系如右表和 上右图。
生物化工工艺学--第4章--淀粉制糖工艺
端开始，底物分子越少，水解的机会就越小，直接影响到糖化的速度；
易老化，不利于后续糖化；
糖化液的过滤相对较差。
液化程度也不能太高：因为葡萄糖淀粉酶是先与底物分子生成络合结 构，而后发生水解催化作用。液化程度超过一定程度 不利于糖化酶生成络合结构； 影响催化效率； 使糖化液的最终DE值偏低。
在淀粉的液化过程中，需要根据酶的不同性质，控制反应条件，保证酶反 应能在活力最高、最稳定的条件下进行。 目前发酵工厂常用30-40%淀粉乳浓度、pH6.0-7.0，温度85-90℃。淀粉酶 制剂的加入量，随酶活力的高低而定，一般控制在5-8单元/克淀粉。
（3）液化程度控制
液化程度不能太低： 液化液的黏度就大，难于操作； 葡萄糖淀粉酶属于外切酶，水解只能由底物分子的非还 原末
随着淀粉乳浓度的提高，分解反应加剧，色素加深，例如：
pH=3.0时，HMF生成量最少，色素最浅。 3.0<pH或pH>3.0，色素逐渐加深。 分解反应随着温度的上升，时间的延长而增加，造成糖损失，色素增加。
1.2. 淀粉酸水解工艺流程
酸水解调节的选择
(1)淀粉质量：对淀粉质量要求较高。对于不同来源的淀粉，一般谷物淀
不上进一步糖化，因此，必须控制糊化淀粉的老化。老化
程度可以通过冷却时结成的凝胶体强度来表示。
3、液化的方法与选择
液化方法
基本条件 淀粉乳浓度30%，pH1.82.0，液化温度135℃， 10min，液化DE值15-18%
优点
缺点 有副反应生成有色物及 复合糖类，淀粉转化率 低，糖液质量差，糖化 液中含有微量醇和不容 糊精
酶酸法液化
工艺过程较为ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ杂
化工计算 第四章物料衡算 第四节化学反应过程的物料衡算
高职高专“十一五”规划教材《化工计算》
第四节 化学反应过程的物料衡算
2．元素衡算法 元素衡算法是物料衡算的一种重要形式，是以反应过
程中参与反应的各种元素为对象列出平衡方程式而进行的 物料衡算。在化学反应过程中, 无论什么情况下，任何一 种元素都是平衡的。
当反应过程比较复杂，尤其是化学反应式无法写出时， 用直接计算法就无法解题了，这时用元素衡算法是比较合 适的，例石油裂解过程，过程中存在多种反应而又无法确 切知道各步反应所占的比例，这时可采用元素平衡的方法 进行物料衡算。在对这类过程进行物料衡算时，并不需要 考虑具体的化学反应，而是按照元素种类被转化及重新组 合的概念表示为： 输入（某种元素）=输出（同种元素）
高职高专“十一五”规划教材《化工计算》
第四节 化学反应过程的物料衡算
FH2O 53.6mol h1
FO2 4.62mol h1
燃烧气组成为：
CO2：
44.2 0.1490 14.9% 296.71
H2O：
53.6 296.71
0.1806
18.06%
O2 ： 4.62 0.0156 1.56%
第四节 化学反应过程的物料衡算
烟道气中O2量：0.0249100mol 2.49mol 烟道气中N2量：0.7222100mol 72.22mol 以为联系组分，根据式 F xt, f P xt,p，即空气中的与烟道气 中量相等，有输入的空气量：72.22mol 91.42mol
0.79
296.71
N2： 194.29 0.6548 65.48%
296.71
高职高专“十一五”规划教材《化工计算》
第四节 化学反应过程的物料衡算
3．联系组分法 联系组分又称惰性组分，是指在整个生产中
第四节 化学反应过程的物料衡算
2．元素衡算法 元素衡算法是物料衡算的一种重要形式，是以反应过
程中参与反应的各种元素为对象列出平衡方程式而进行的 物料衡算。在化学反应过程中, 无论什么情况下，任何一 种元素都是平衡的。
当反应过程比较复杂，尤其是化学反应式无法写出时， 用直接计算法就无法解题了，这时用元素衡算法是比较合 适的，例石油裂解过程，过程中存在多种反应而又无法确 切知道各步反应所占的比例，这时可采用元素平衡的方法 进行物料衡算。在对这类过程进行物料衡算时，并不需要 考虑具体的化学反应，而是按照元素种类被转化及重新组 合的概念表示为： 输入（某种元素）=输出（同种元素）
高职高专“十一五”规划教材《化工计算》
第四节 化学反应过程的物料衡算
FH2O 53.6mol h1
FO2 4.62mol h1
燃烧气组成为：
CO2：
44.2 0.1490 14.9% 296.71
H2O：
53.6 296.71
0.1806
18.06%
O2 ： 4.62 0.0156 1.56%
第四节 化学反应过程的物料衡算
烟道气中O2量：0.0249100mol 2.49mol 烟道气中N2量：0.7222100mol 72.22mol 以为联系组分，根据式 F xt, f P xt,p，即空气中的与烟道气 中量相等，有输入的空气量：72.22mol 91.42mol
0.79
296.71
N2： 194.29 0.6548 65.48%
296.71
高职高专“十一五”规划教材《化工计算》
第四节 化学反应过程的物料衡算
3．联系组分法 联系组分又称惰性组分，是指在整个生产中
化工原理第四章第四节
Q1 Q2
Q1——单位时间内热流体放出的热量，W或kW。
Q2——单位时间内冷流体吸收的热量，W或kW。
应用：计算换热器的传热量（热负荷）。
2020/5/1
B
5
1、冷、热流体在传热过程中均不发生相变化 （1）比热法
热流体单位时间内放出的热量为：
Q 1qm 1cp1 T1T2
qm1——热流体的质量流量，kg·s-1。
热流体放出的热量为： Q1 qm1r1
r1——饱和蒸汽的冷凝潜热，J·kg-1。
冷流体吸收的热量为：Q2 qm2r2
r2——饱和液体的汽化潜热，J·kg-1。
2020/5/1
B
9
（2）冷、热流体有一侧发生相变化，另一侧不 发生相变化。
若热流体发生相变化：
a、热流体仅发生相变化，不发生温度变化
Q q m 1 r 1 q m 2 c p 2t2 t1
他形式流动。
当换热器的传热量Q、总传热系数K相同的条
件下，采用逆流操作，所需A最小。
2020/5/1
B
40
2）逆流可以节省冷却介质或加热介质的用量。
以 物 料 被 加 热 为 例 ， qm 1qm c2 p c 1pT 21 t 2T 2t1
当给定加热任务，qm2、t2、t1确定，T1一般
已知，qm1仅由T2决定。
B
1
已知：T1、 T2、 cp1、 qm1
t1、 t2、 cp2
2020/5/1
求： qm2
B
2
第四节 总传热过程的分析计算
2020/5/1
B
3
总传热过程的计算
热量衡算
总传热速率方程
总传热系数
平均温度差
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第四章化工工艺计算
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2020/11/28
第四章化工工艺计算
一. 设计计算前的准备工作
1. 工艺性资料的收集
（1）物料衡算提纲。
生产步骤和化学反应（包括主、付反应） 各步骤所需的原料，中间体规格和物理化学性质 成品的规格和物化性质 每批加料量或单位时间进料量 各生产步骤的产率
（2）工艺流程图及说明。 （3）热量计算参数和设备计算数据（ΔH、Cp、K、λ、
• （7）循环气量：CG=(FT×5/X-FG×0.95)/YPH
•
X 转化率
CG 循环量
•2)设FT=100kmol/h, YPH=40%，求循环气量、补充气量和循环压缩机功率
•
FG=100(1-0.5×0.6 ×0.0231)/(0.95-0.4)
•
=180.6kmol/h
•
PG=FG+PD=180.6+100(1-0.9769)/2
•解（1）：联立代数方程法
•
已知：VC , DCE, HCl分子量分别为62.5, 99.0, 36.5
• • PPT文档演模板
设C2H4进入（A）的流量为x1, 进入（B）的流量为x2, HCl的循环量为x3 VC=12500/62.5=200k第m四o章l化/h工工艺计算
•则：
x3 = 0.995(0.98x1 + 0.95x2)
•（B)次氯化 •
C2H4 +2HCl + 0.5O2 → C2H4Cl2 +H2O DCE以乙烯为基准的收率为95%
•
以HCl为基准的收率为90%
•（C)热裂解 C2H4Cl2 → C2H3Cl (VCM) + HCl
•
VCM的收率为99%，HCl的收率为99.5%
• 设VC产量为12500kg/h，试求Cl2, C2H4流量及HCl的循环量。
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第四章化工工艺计算
二.物料衡算
2. 物料衡算的依据
设计任务书、 生产量、 工艺技术条件、 反应 转化率、 相平衡数据等。
PPT文档演模板
第四章化工工艺计算
二.物料衡算
n 3. 物料衡算式：
进料总量=出料总量+损耗量+积累量 对于一个连续稳定过程： 进料总量=出料总量+损耗量
PPT文档演模板
•例3 有甲苯脱烷基制苯过程，其反应式如下
•
主反应 C6H5CH3 + H2 → C6H6 + CH4
•
副反应 2C6H6 → (C6H5)2 + H2 (联苯）
•反应器的进口压力为3450KPa，为提高选择性和减轻反应器结焦，氢与甲 苯进反应器的分子比为5︰1，当转化率为70%时，选择性为97.69%，进料 氢气的组成为95%H2，5%CH4。设循环气体压缩机的设备折旧费和操作费 用为0.4元/（kw.h)，氢气的价格为4000元/吨，不计循环中物料加热冷却所 需的费用，试确定排放气体的甲烷浓度。
201.034
•2
201.034 95.2298 113.8623
201.043
•3
201.043 95.234 113.858
201.043
•4
201.043
•由此可知，迭代4次即可收敛 。
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第四章化工工艺计算
•（4）物料的排放
• 物料的排放是为了防止循环过程中某些组分的积累。例如，合成氨 工艺和氢气循环使用的加氢工艺。
工艺操作规程
设备岗位操作法
设备维护检修规程及设备维修纪录卡
劳动保护及安全技术规程
车间化验室的分析研究资料
车间实测数据
工厂科室掌握的技改资料
供销科的产品目录和样本
财务科的产品原料单耗及成本分析资料
全厂职工劳动福利的生活资料
（5）可行性研究报告、各国文摘和专利、各类工艺书籍、 各类调查报告、各种化工过程与设备计算等书籍。
•步骤
•写出化学反应方程式 •列出化学计量系数矩阵 •求出矩阵的秩 •确定独立反应数和关键组分数 •对关键组分进行物料衡算
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第四章化工工艺计算
•例4 苯与乙烯在一绝热反应器中进行气相烷基化反应，发生的主要反应有：
•
C6H6(A) + C2H4(B) → C6H5C2H5(C)
•
C6H5C2H5(C) + C2H4 (B)→ C6H5(C2H5)2(D)
•
C2H4=x1+x2=209.1kmol/h
•
HCl循环量x3=0.995 ×(0.98×113.8+0.95 ×95.3)=201.1kmol/h
•解（2） 直接迭代法
•
设以HCl的循环量x3作为迭代变量
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第四章化工工艺计算
•迭代步骤为：
•
1）假设x3
•
2）用式
0.9x3/2=0.95x2
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第四章化工工艺计算
一. 设计计算前的准备工作
n 4.几本常用的化工设计资料和手册
n （1） Industrical Chemicals
n （2） Encyclopedia of Chemical Technology
n （3） Science and Technology
n （4） Chemical Abstracts （C.A）
(1)
•
0.90x3/2 = 0.95x2
(2)
•
0.99(0.98x1 + 0.95x2) = 200
(3)
•联立（1）（2）得 x2 = 0.995(0.98x1 + 0.95x2) ×0.9/1.9
•
x2 = 0.837x1
（4）
•联立 （3）（4） x1=113.8
•
x2=95.3
•因此：Cl2流量=x1=113.8kmol/h
第四章化工工艺计算
二. 物料衡算
n 4. 物料衡算的基本步骤：
n （1） 画出物料衡算示意图，注明物料衡算的有关数
n
据。
n （2） 列出反应方程式，识别反应类型。
n （3） 确定计算基准，选定工艺参数及计算所必要的
n
数据
n （4） 列出衡算式。
n （5） 展开计算。将计算结果列出物料衡1.8kmol/h
•
•
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CG=(5 ×100/0.7-180.6 ×0.95)/0.4 =1356kmol/h
第四章化工工艺计算
•设反应器入口至循环压缩机进口压降为450kpa，进口温度313k，压缩机出口 压力3500kpa，压缩过程的多变指数n=1.4，效率=0.72，压缩因子Z=1，则每 kmol循环压缩机的理论功耗：
0.5h
•聚合反应 5.0h
•出料
1.5h
•清理
0.5h
•设年操作时为8000小时，消耗定额为1.1t丙烯/聚丙烯，试决定所需反应器 的体积和管道的通过能力。
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第四章化工工艺计算
• 解：
• 每个反应釜的生产能力为5000t/a（年），每批操作周期为8h，故每个 反应釜每批的生产量为：
• （3）氢 • •
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0.95FG=PB/S-PB(1-S)/2S+YPH×PG
YPH 排放气中的氢含量mol%
PG 排放气量
FG
氢气进料量
第四章化工工艺计算
•（4）甲烷 0.05FG+PB/S=(1-YPH)PG • 将（3）+ （4）得 • （5）排放气量 PG=FG+PB(1-S)/2S=FG+PD • 以（5）代入（3）得 • （6）氢气进料量
•例2： 乙烯与氯气反应生产氯乙烯的过程如下图
•Cl2 •C2H4
•A氯化
•B次氯 化
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•热裂解 C
•HCl
•D分 离
•C2H3C l
•(V
C)
第四章化工工艺计算
•在各反应器中发生如下反应：
•(A)氯化反应 •
C2H4 +Cl2 → C2H4Cl2 (DCE：二氯乙烷） DCE收率98%
•
•
W=410.11kJ/kmol
•故循环压缩机理论功耗
•
W×CG=1356 ×410.11=5.56 ×106kJ/h
•
=154.5kw.h
•实际功耗
•
W ×CG/=154.5/0.72=214.5kw.h
•3)计算各种YPH下的氢气成本和操作费用
•YPH
0.05 0.1
0.2
0.4
•氢气成本 958.3 1015
•
= 3.67t/h
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第四章化工工艺计算
•（2）比率系数
•对于一个较复杂过程，开始进行物料衡算时通常不能确切知道每吨产品 的原料消耗，可以任意选择一个进料数值，例如100kmol/h，待系统计算 完成得到产品数值时，再将各股物料乘该比例系数。
•（3）物流的循环
• 对于转化率较低或有一种反应物过量的反应系统，需将未反应的原 料与产物分离后，返回到反应器入口，构成物料循环。如此，增加了物 料衡算的复杂程度。
1152 1445
•操作费用 771.6 318.9 106.2 85.8
PPT文档演•模总板 费用
1729.9 1396.9 1258.2 1530.8
0.6
0.8
2480
5800
46.8
6.5
2226.8 第四章化58工0工6.艺5计算
•（5 ）化学计量学
•反应物系中各组分的反应量必须服从一定的化学计量关系，这不仅是 进行反应器物料衡算的基础，而且对确定反应器的进料配比、工艺流 程的安排具有重要意义。
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2020/11/28
第四章化工工艺计算
一. 设计计算前的准备工作
1. 工艺性资料的收集
（1）物料衡算提纲。
生产步骤和化学反应（包括主、付反应） 各步骤所需的原料，中间体规格和物理化学性质 成品的规格和物化性质 每批加料量或单位时间进料量 各生产步骤的产率
（2）工艺流程图及说明。 （3）热量计算参数和设备计算数据（ΔH、Cp、K、λ、
• （7）循环气量：CG=(FT×5/X-FG×0.95)/YPH
•
X 转化率
CG 循环量
•2)设FT=100kmol/h, YPH=40%，求循环气量、补充气量和循环压缩机功率
•
FG=100(1-0.5×0.6 ×0.0231)/(0.95-0.4)
•
=180.6kmol/h
•
PG=FG+PD=180.6+100(1-0.9769)/2
•解（1）：联立代数方程法
•
已知：VC , DCE, HCl分子量分别为62.5, 99.0, 36.5
• • PPT文档演模板
设C2H4进入（A）的流量为x1, 进入（B）的流量为x2, HCl的循环量为x3 VC=12500/62.5=200k第m四o章l化/h工工艺计算
•则：
x3 = 0.995(0.98x1 + 0.95x2)
•（B)次氯化 •
C2H4 +2HCl + 0.5O2 → C2H4Cl2 +H2O DCE以乙烯为基准的收率为95%
•
以HCl为基准的收率为90%
•（C)热裂解 C2H4Cl2 → C2H3Cl (VCM) + HCl
•
VCM的收率为99%，HCl的收率为99.5%
• 设VC产量为12500kg/h，试求Cl2, C2H4流量及HCl的循环量。
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第四章化工工艺计算
二.物料衡算
2. 物料衡算的依据
设计任务书、 生产量、 工艺技术条件、 反应 转化率、 相平衡数据等。
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第四章化工工艺计算
二.物料衡算
n 3. 物料衡算式：
进料总量=出料总量+损耗量+积累量 对于一个连续稳定过程： 进料总量=出料总量+损耗量
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•例3 有甲苯脱烷基制苯过程，其反应式如下
•
主反应 C6H5CH3 + H2 → C6H6 + CH4
•
副反应 2C6H6 → (C6H5)2 + H2 (联苯）
•反应器的进口压力为3450KPa，为提高选择性和减轻反应器结焦，氢与甲 苯进反应器的分子比为5︰1，当转化率为70%时，选择性为97.69%，进料 氢气的组成为95%H2，5%CH4。设循环气体压缩机的设备折旧费和操作费 用为0.4元/（kw.h)，氢气的价格为4000元/吨，不计循环中物料加热冷却所 需的费用，试确定排放气体的甲烷浓度。
201.034
•2
201.034 95.2298 113.8623
201.043
•3
201.043 95.234 113.858
201.043
•4
201.043
•由此可知，迭代4次即可收敛 。
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第四章化工工艺计算
•（4）物料的排放
• 物料的排放是为了防止循环过程中某些组分的积累。例如，合成氨 工艺和氢气循环使用的加氢工艺。
工艺操作规程
设备岗位操作法
设备维护检修规程及设备维修纪录卡
劳动保护及安全技术规程
车间化验室的分析研究资料
车间实测数据
工厂科室掌握的技改资料
供销科的产品目录和样本
财务科的产品原料单耗及成本分析资料
全厂职工劳动福利的生活资料
（5）可行性研究报告、各国文摘和专利、各类工艺书籍、 各类调查报告、各种化工过程与设备计算等书籍。
•步骤
•写出化学反应方程式 •列出化学计量系数矩阵 •求出矩阵的秩 •确定独立反应数和关键组分数 •对关键组分进行物料衡算
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第四章化工工艺计算
•例4 苯与乙烯在一绝热反应器中进行气相烷基化反应，发生的主要反应有：
•
C6H6(A) + C2H4(B) → C6H5C2H5(C)
•
C6H5C2H5(C) + C2H4 (B)→ C6H5(C2H5)2(D)
•
C2H4=x1+x2=209.1kmol/h
•
HCl循环量x3=0.995 ×(0.98×113.8+0.95 ×95.3)=201.1kmol/h
•解（2） 直接迭代法
•
设以HCl的循环量x3作为迭代变量
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第四章化工工艺计算
•迭代步骤为：
•
1）假设x3
•
2）用式
0.9x3/2=0.95x2
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第四章化工工艺计算
一. 设计计算前的准备工作
n 4.几本常用的化工设计资料和手册
n （1） Industrical Chemicals
n （2） Encyclopedia of Chemical Technology
n （3） Science and Technology
n （4） Chemical Abstracts （C.A）
(1)
•
0.90x3/2 = 0.95x2
(2)
•
0.99(0.98x1 + 0.95x2) = 200
(3)
•联立（1）（2）得 x2 = 0.995(0.98x1 + 0.95x2) ×0.9/1.9
•
x2 = 0.837x1
（4）
•联立 （3）（4） x1=113.8
•
x2=95.3
•因此：Cl2流量=x1=113.8kmol/h
第四章化工工艺计算
二. 物料衡算
n 4. 物料衡算的基本步骤：
n （1） 画出物料衡算示意图，注明物料衡算的有关数
n
据。
n （2） 列出反应方程式，识别反应类型。
n （3） 确定计算基准，选定工艺参数及计算所必要的
n
数据
n （4） 列出衡算式。
n （5） 展开计算。将计算结果列出物料衡1.8kmol/h
•
•
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CG=(5 ×100/0.7-180.6 ×0.95)/0.4 =1356kmol/h
第四章化工工艺计算
•设反应器入口至循环压缩机进口压降为450kpa，进口温度313k，压缩机出口 压力3500kpa，压缩过程的多变指数n=1.4，效率=0.72，压缩因子Z=1，则每 kmol循环压缩机的理论功耗：
0.5h
•聚合反应 5.0h
•出料
1.5h
•清理
0.5h
•设年操作时为8000小时，消耗定额为1.1t丙烯/聚丙烯，试决定所需反应器 的体积和管道的通过能力。
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第四章化工工艺计算
• 解：
• 每个反应釜的生产能力为5000t/a（年），每批操作周期为8h，故每个 反应釜每批的生产量为：
• （3）氢 • •
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0.95FG=PB/S-PB(1-S)/2S+YPH×PG
YPH 排放气中的氢含量mol%
PG 排放气量
FG
氢气进料量
第四章化工工艺计算
•（4）甲烷 0.05FG+PB/S=(1-YPH)PG • 将（3）+ （4）得 • （5）排放气量 PG=FG+PB(1-S)/2S=FG+PD • 以（5）代入（3）得 • （6）氢气进料量
•例2： 乙烯与氯气反应生产氯乙烯的过程如下图
•Cl2 •C2H4
•A氯化
•B次氯 化
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•热裂解 C
•HCl
•D分 离
•C2H3C l
•(V
C)
第四章化工工艺计算
•在各反应器中发生如下反应：
•(A)氯化反应 •
C2H4 +Cl2 → C2H4Cl2 (DCE：二氯乙烷） DCE收率98%
•
•
W=410.11kJ/kmol
•故循环压缩机理论功耗
•
W×CG=1356 ×410.11=5.56 ×106kJ/h
•
=154.5kw.h
•实际功耗
•
W ×CG/=154.5/0.72=214.5kw.h
•3)计算各种YPH下的氢气成本和操作费用
•YPH
0.05 0.1
0.2
0.4
•氢气成本 958.3 1015
•
= 3.67t/h
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第四章化工工艺计算
•（2）比率系数
•对于一个较复杂过程，开始进行物料衡算时通常不能确切知道每吨产品 的原料消耗，可以任意选择一个进料数值，例如100kmol/h，待系统计算 完成得到产品数值时，再将各股物料乘该比例系数。
•（3）物流的循环
• 对于转化率较低或有一种反应物过量的反应系统，需将未反应的原 料与产物分离后，返回到反应器入口，构成物料循环。如此，增加了物 料衡算的复杂程度。
1152 1445
•操作费用 771.6 318.9 106.2 85.8
PPT文档演•模总板 费用
1729.9 1396.9 1258.2 1530.8
0.6
0.8
2480
5800
46.8
6.5
2226.8 第四章化58工0工6.艺5计算
•（5 ）化学计量学
•反应物系中各组分的反应量必须服从一定的化学计量关系，这不仅是 进行反应器物料衡算的基础，而且对确定反应器的进料配比、工艺流 程的安排具有重要意义。