化工计算第三章-3化学反应过程物料衡算

-1 -1
= 0 . 9952
( 995 4 . 75 ) kmol h
= 0 . 0048
衡算体系：混合器
MF 1 = FF 1 R 1
-1
-1
代入数据得：MF 1 = (100 995 ) kmol h
= 1095 kmol h
-1
MF 2 = R 2 = 4 . 75 kmol h
MF 1 - RP 1 MF 1 100 % =
由单程转化率，有：
(1095 - 1000 ) kmol h 1095 kmol h
-1
-1
100 % = 8 . 68 %
RP 2 = ( 4 . 75 95 ) kmol h
995 kmol h
-1 -1
代入数据得：
-1
= 99 . 75 kmol h
-1
循环物料的组成： C3H8： C3H6： C3H8的平衡： C2H6的平衡：
( 995 4 . 75 ) kmol h
4 . 75 kmol h
第三章 物料衡算
循环物料R
新鲜
原料 F
MF
反应器
RP
分离器
产品P
有循环过程的物料流程图
进反应器的物料MF是由新鲜原料与循环物料R混 合而成，从反应器出来的产物RP经分离器分成产品P 与循环物料R。 有循环的过程，转化率常分为单程转化率与总转 化率：
第三章 物料衡算
式中
N MF- N RP A ´ 100% 单程转化率 = A N MF A N F - N S A A ´ 100 % 总转化率＝ N F A MF 、 N A RP N A
第三章物料横算
一般反应过程的物料衡算 对有化学反应过程的物料衡算，由于各组 输入(某种元素)＝ 分在过程中发生了化学反应，因此就不能简单 输出(同种元素) 地列组分的衡算式，必须考虑化学反应中生成 对反应过程中化学反应 或消耗的量，应该根据化学反应式，列衡算方 很复杂，无法用一、两 程。对一般的反应过程，可用下列几种方法求 个反应式表示的物料衡 解。 算题，可以列出元素衡 1、直接求解法 有些化学反应过程的物料衡算， 算式，用代数法求解。 有时只含一个未知量或组成，这类问题比较简 单，通常可根据化学反应式直接求解，不必列 出衡算式。 2、元素衡算法 元素衡算是物料衡算的一种重 要形式。在作这类衡算时，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
有时可以作为解题的线索。
（3）举例
例4-20：丙烯由丙烷在催化反应器中脱氢生成，其反应式 为：
C3H 8 C3H 6 H 2
丙烷的总转化率为95%。离开反应器的产物经分离器分成产
品P和循环物料R。产品中含有C3H8、C3H6及H2，其中C3H8的 量为反应器混合物中未反应C3H8的0.5%。循环物料中含有 C3H8和C3H6，其中C3H6的量是产品物料中C3H6的5%。试计 算（1）产品和循环物料组成；（2）单程转化率。
－1
MF 混合器 M F 1 C 3H 8 M F 2 C 3H 6 反应器
RP R P 1 C 3H 8 R P 2 C 3H 6 RP3 H2
分离器
P P 1 C 3H 8 P 2 C 3H 6 P3 H2
F F 1 = 1 0 0 k m o l· h
图 4-28
-1
例 4-20 流 程 图
－1
烟道气 混合燃烧 C H 4、 H 2 燃 烧 过 程 C O 2 0 . 08 1 3 H 2 O 0 .1 7 1 6 O2 空气 O 2 0. 2 1 N 2 0 .7 9 图 4 - 24 例 4 - 17 流 程 图 N2 0 . 02 4 9 0 . 72 2 2
燃烧过程中发生的化学反应式如下：
例：可逆反应 有：
aA bB cC dD
K
p
=
pC p D pA pB
a b
c
d
二、具有循环、排放及旁路过程的物料衡算 1．具有循环过程的物料衡算 前面介绍的物料衡算方法只是对反应 器本身的物料衡算方法，在化工过程中常 会遇到一些具有循环的过程，这类过程的 物料衡算事实上就是在无化学反应过程 （单元操作）的基础上再加上反应器的物 料衡算，计算时根据已知条件选择合适的 计算衡算体系，这样有利于顺利地解题。 （1）设置循环的目的 （2）包含循环过程的典型物料流程图 :如下 页所示
第四节 化学反应过程的物料衡算
一、简单化学反应的物料衡算
有时系统中存在不止一种联系组分， 这时可选择其总量为联系组分，也可选择 其中含量较大的组分单独使用，因为联系 组分的量越大，计算误差就会越小。 利用联系组分进行物料衡算可使计算 简化，尤其在未知变量较多的过程中，通 过（4-13）式提供的关系可以解出部分未 知变量，找到解决问题的突破口。
-1
100 % = 48 . 72 %
衡算体系：分离器
由已知P1是反应后混合物中未反应C3H8量的0.5%，即：
P1 = 0 . 5 % RP 1 = 5 kmol h
解得：
RP 1 = 1000 kmol h
-1
-1
C3H8的平衡： 1000kmol 解得：
h
-1
= 5 R1
-1
第三章 物料衡算
• 3、用联系组分作衡算 • “联系组分”是指随物料输入体系，但 完全不参加反应，又随物料从体系输出 的组分，在整个反应过程中，它的数量 不变。 • 如果体系中存在联系组分，那么输入物 料和输出物料之间就可以根据联系组分 的含量进行关联。例如，F、P分别为输 入、输出物料，T为联系组分。T在F中 的质量分数为xFT，在P中的质量分数为 xPT，则F与P之间的关系为
C3H 8 C3H 6 H 2
因为已知总转化率，所以衡算体系选择总个过程。
衡算体系：总过程
由已知C3H6的总转化率为95%，即： 解得：
-1
FF 1 - P1 FF 1
100% = 95%
P1 = 5kmol h 由反应式可知： P2 = P3 = 100kmol h - 1 95% = 95kmol h - 1
F xFT＝P xPT ，即
F
=
x
PT FT
P
x
用联系组分作衡算，尤其是对含未知量较 多的物料衡算，可以使计算简化。
第三章 物料衡算
选择联系组分时，如果体系中存在数种联 系组分，那么，此时就要选择一个适宜的联系组 分，或联合采用以减小误差。但是，应该注意， 当某个联系组分数量很小，而且此组分的分析相 对误差又较大时，则不宜选用。 4、具有循环、排放即旁路过程的物料衡算 在化工过程中，有一些具有循环、排放及旁路 的过程，这类过程的物料衡算与以上介绍的方法 相类似，只是需要先根据已知的条件及所求的未 知量选择合适的衡算体系，列出物料衡算式再求 解。如果存在联系组分，则可以利用联系组分计 算。
R
FF
MF 混合器 反应器
RP
分离器
P
图 4-27
循环过程的物料流程图
另外，具有循环过程的体系还有两个过程限制参数，通 常称为循环比和混合比，定义如下：
循环比=
循环物流流量 产品物流流量
循环物流流量 新鲜原料流量
＝
R P
R
（4-15）
混合比=
＝
FF
（4-16）
在对分离器和混合器进行物料衡算时这两个参数很重要，
产品的组成：
C3H8:
5kmol h
-1
(5 95 95)kmol 95 kmol h
-1 -1
h
-1
100% = 2.56%
C3H6:
( 5 95 95 ) kmol h
95 kmol h
-1
100 % = 48 . 72 %
H2:
( 5 95 95 ) kmol h
——反应物A输入、输出反应器的摩尔数
F A
式中 N
、 N
S A
——反应物A输入、输出过程的摩尔数
第三章 物料衡算
所以，单程转化率是以反应百度文库为体系，总转 化率是以整个过程为体系。 循环过程在稳定状态下操作时，物料的质量 既不积累也不消失，各流股的组分恒定。但是，如 果原料中含有不反应的杂质或惰性物质，经长时间 的循环会使其浓度逐渐增加，因此就必须把一部分 循环物料不断地排放掉，以维持进料中杂质的含量 不再增大。 通常对有循环过程的物料衡算，若已知总转 化率，可以先做总物料衡算；若已知单程转化率， 则可以先从反应器衡算做起。
F F 1 = 1 0 0 k m o l· h
图 4-28
-1
例 4-20 流 程 图
－1
基 准 ： 1 0 0 k m o l.h 新 鲜 原 料 （ C 3 H 8 ） 即 F F 1 = 1 0 0 k3 o l· h m 8
基准：100mol·-1新鲜原料（C H ）即FF1=100mol·-1 h h
其中O2量：
91 . 42 mol 0 . 21 = 19 . 20 mol
由C的平衡燃料中CH4量：8.13mol
CH4完全燃烧消耗O2量：
8 . 13 mol 2 = 16 . 26 mol
= 0 . 45 mol ( H2完全燃烧耗O2量：19 .20 - 16 .26 - 2 .49 ) mol
R 1 = 995 kmol h
由已知R2是产品中C3H6量的5%，即：
R 2 = 5%P
-1
2
-1
代入数据解得： R 2 = 5 % 95 kmol h
= 4 . 75 kmol h
解：画出物料流程图
解：画出物料流程图
R C 3H 8 R 1 C 3H 6 R 2 FF C 3H 8
1. 利用关联组分进行物料衡算
例如：如下图所示
F ， x t,f 系统 P,x t,p
惰性组分进出系统示意图
F和P分别表示输入系统和从系统输出的物料量，联系组分T在物料F和物料 P中的质量分数分别为和，则由联系组分的特性，有下式总成立：
F xt, f = P xt, p
式（4-13）
即：
F P
烟道气中O2量：
0 . 0249 100 mol = 2 . 49 mol
烟道气中N2量： 0 . 7222 100 mol = 72 . 22 mol 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 . 22 mol = 91 . 42 mol 0 . 79
解：画出物料流程图
解：画出物料流程图
R C 3H 8 R 1 C 3H 6 R 2 FF C 3H 8
－1
MF 混合器 M F 1 C 3H 8 M F 2 C 3H 6 反应器
RP R P 1 C 3H 8 R P 2 C 3H 6 RP3 H2
分离器
P P 1 C 3H 8 P 2 C 3H 6 P3 H2
混合燃料中H2量：
0 . 45 mol 2 = 0 . 90 mol
混合燃料中氢与甲烷的比例：
H2 CH
4
=
0 . 90 8 . 13

1 9
混合燃料与空气的比例：
混合燃料 空气 = 0 . 90 8 . 13 91 . 42 1 10
2．利用化学平衡常数进行衡算 对有平衡反应过程的物料衡算，除了 需要建立物料或元素衡算式以外，常常还 需要利用反应的平衡关系来计算产物的平 衡组成。 化学平衡常数表示了可逆反应过程在 反应达到平衡时各物料之间组成上的定量 关系，平衡常数在可逆反应的物料衡算中 提供了一种过程限制关系。
基 准 ： 1 0 0 k m o l.h 新 鲜 原 料 （ C 3 H 8 ） 即 F F 1 = 1 0 0 k3 o l· h m 8
基准：100mol·-1新鲜原料（C H ）即FF1=100mol·-1 h h
C3H 8 C3H 6 H 2
C2H6的平衡：
RP 2 = R 2 P2
=
xt, p xt, f
例4-17：在炉子内用空气完全燃烧甲烷与氢气的混合燃料， 生成的燃烧气混合物称为烟道气，分析烟道气含量，组成为N2 72.22%（摩尔分数），CO2 8.13%，O2 2.49%，H2O 17.16%。 试求：（1）混合燃料中氢与甲烷的比例为多少？（2）混合燃 料与空气的比例（摩尔比）为多少？ 解：由题意画出物料流程图：如下图所示
CH
4
2O
1 2
2
CO
2
2H 2 O
H2
O 2 H 2O
基准选择，因为烟道气的组成已知，所以 基准：烟道气100mol 烟道气中物质的量：
0 烟道气中CO2量： . 0813 100 mol = 8 . 13 mol
100mol = 17.16mol
烟道气中H2O量： 0.1716