化学反应过程的物料衡算

P P2 C6H5CH3 P4 C6H6
RP4 C6H6
A
3
第四 化学反应过程的物料衡算
说明：
（1）流程中物料流股各物质流量的下标编号尽 可能保持一致，下标相同表示同一种物质，这 样可以避免列衡算式时出差错。本题中只有混 合原料的组成有已知数据，设其为基准后可先 对反应器系统进行物料衡算。
（2）由题意要求混合原料中甲烷含量不大于 10%，取10%进行计算，这样计算得到的排放 量数据为最小值，实际排放时应稍稍大于此值。
H2的量：
RP1 ? MF1 ? MF2 ? 80% ? 98% ? MF2 ? 80% ? (1 ? 98%) ? 10 ? (75 ? 11.76 ? 2.4)mo ?h ?1 ? 6l0.84mo ?h ?1 l
出料的Fra Baidu bibliotek量：
RP ? (60.84 ? 3 ? 23.44 ? 11.76)mol ?h ?1 ? 99.04mol ?h ?1
合计 64.04 100 100 100 99.04 100 14.76 100 84.28 100 35.96 100 48.32 100
10
第5节 物料衡算的计算机解题
一、手工求解线性方程组
例 采用高斯消元法求解三阶方程组
2x1 ? x2 ? 3x3 ? 1 4x1 ? 2x2 ? 5x3 ? 4 x1 ? 2x2 ? 7
R
摩尔分数%
72.19
物质的量（mol·h-1） 34.88
W
摩尔分数%
72.19
C6H5CH 3 15
23.42 15 15 3 3.06 3
20.33
A
CH 4
10 10 23.44 24.68
23.44 27.81 10.0 27.81 13.44 27.81
C 6H 6
11.76 11.87 11.76 79.67
P ? (3 ? 11.76)m ?h?1 ? 14.76mol ?hol?1
A
7
第四节 化学反应过程的物料衡
算
则：
x P2
?
3 14.76
?
0.2033
x P4
?
11.76 14.76
?
0.7967
S1 ? RP1 ? 60.84mol.h ?1 S3 ? RP3 ? 23.44mol.h?1
S ? (60.84 ? 23.44)mol ?h ?1 ? 84.28mol ?h ?1
组分
H2
物质的量（mol·h-1） 49.04
FF
摩尔分数%
76.58
物质的量（mol·h-1） 75
MF
摩尔分数%
75
物质的量（mol·h-1） 60.84
RP
摩尔分数%
61.43
物质的量（mol·h-1） P
摩尔分数%
物质的量（mol·h-1） 60.84
S
摩尔分数%
72.19
物质的量（mol·h-1） 25.96
例4-22
CO 变换
转化气 F
FF
分流
B CO 43.12% H2 54.20%
CO2
CO2 脱除
RP
CO 8.76%
H2 89.75%
混合
合成气 CO:H2=1:2.4
MP 2321m3.h-1
A
1
第四节 化学反应过程的物料衡算
例
甲苯催化加氢脱甲基制苯，主反应和副反应
主反应：
C6 H 5CH 3 ? H 2 ? C6 H 6 ? CH 4
?2 ?1 3?? x1 ? ?1?
?2 ?1 3 ?? x1 ? ? 1 ?
??4
2
5
?? ??
x2
? ?
?
??4?? ?
第?2,3第?行一各?次元消素?元依次? ?
??0
出料：
MF2 ? 15mol ?h ?1
C6H
5CH
的剩余：
3
RP2 ? MF2 (1 ? 80%) ? 15mol ?h ?1 ? 0.2 ? 3m
?h ?1
A
5
第四节 化学反应过程的物料衡算
生成的C
6H
：
6
RP4
?
MF2
?
80%
?
98%
?
11 .76 m
?h ?1ol
CH4 的量：
RP3 ? MF2 ? 80% ? 98% ? MF2 ? 80% ? (1 ? 98%) ? 7 ? MF3 ? (11.76 ? 1.68 ? 10)mo ?h ?1 ? 2l 3.44mo ?h?1 l
副反应：
C6 H 5CH 3 ? 10H 2 ? 7CH 4
以纯氢和纯甲苯为原料，进入反应器的氢与甲苯之比为5:1
（摩尔比）。甲苯的单程转化率为80% ，生成苯的选择性为
98% ，未反应的甲苯和产物苯作为产品物流输出体系，氢和 甲烷循环。要求混合原料中甲烷含量不大于10% ，计算排放
比及各物流的组成。
则：
xs1
?
60.84 84.28
?
0.7219
xs3
?
23.44 84.28
?
0.2781
由分流器的特征，有：
xR1 ? xS1
， xR3 ? xS3
A
8
第四节 化学反应过程的物料衡算
衡算体系：混合器
CH
平衡：
4
MF3 ? R3 ? RxR3
（3）
C6H
5CH
平衡：
3
MF2 ? FF 2
（4）
H
A
2
解：由题意画出物料流程图
FF FF1 H2 FF2 C6H5CH3
混合器
MF MF1 H2 MF2 C6H5CH3 MF3 CH4 10%
R R1 H2
分流器
W W1 ：H2
R3 CH4
S S1：H2 W3：CH4
S3：CH4
反应器
RP RP1 H2 RP2 C6H5CH3 RP3 CH4
分离器
A
4
基准：进反应器混合原料：100 mol?h?1 衡算体系：反应器
进料：由已知，MF3 ? 100mol ?h?1 ? 10% ? 10mol ?h?1
总物料：MF1 ? MF2 ? 10m ?h?1o ? 10l0m ?h（?1o 1）l
MF1 ? 5 MF2
（2）
解（1）、（2）式得： M 1F? 75mol ?h?1
平衡：
2
MF1 ? FF1 ? RxR1
（5）
联立（4）、（5）、（6）式解得：
R ? 35.96m ?ohl ?1
F 2F? 15mol ?h ?1
F 1F? 49.04m ?ohl?1 F ? F(49.04 ? 15)m ?h?o1 l? 64.04m ?h?o1 l
A
9
计算结果汇总列表如下表
A
6
第四节 化学反应过程的物料衡
算
反应器出口物料的组成：
xRP1
?
60.84 99.04
?
0.6134
xRP2
?
3 99.04
?
0.0303
xRP3
?
23.44 99.04
?
0.2369
xRP4
?
11.76 99.04
?
0.1187
衡算体系：分离器
P2 =RP2 =3mol.h-1
P4 =RP4 =11.76 mol.h-1