天津大學(xué)工業(yè)化學(xué)基礎(chǔ)課件第一章-化工基本計(jì)算.ppt

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2．4明確一組概念,1、反應(yīng)物的摩爾比：反應(yīng)物的摩爾比指的是加入反應(yīng)器中的幾種反應(yīng)物之間的摩爾數(shù)之比。理論上這個(gè)摩爾比可以和化學(xué)反應(yīng)式的摩爾數(shù)相同，相當(dāng)于化學(xué)計(jì)量比。實(shí)際上對(duì)于大多數(shù)有機(jī)反應(yīng)來說，各種反應(yīng)物的摩爾比并不等于化學(xué)計(jì)量比。（主要考慮反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率和原料成本等因素）,2.限制反應(yīng)物和過量反應(yīng)物,化學(xué)反應(yīng)物不按化學(xué)計(jì)量比投料時(shí)，其中以最小化學(xué)計(jì)量數(shù)存在的反應(yīng)物叫做“限制反應(yīng)物”。而某種反應(yīng)物的量超過限制物反應(yīng)完全反應(yīng)的理論量，則該反應(yīng)物稱為“過量反應(yīng)物”。過量反應(yīng)物超過限制反應(yīng)物所需理論量部分占所需理論量的百分?jǐn)?shù)叫做“過量百分?jǐn)?shù)”。Ne：過量反應(yīng)物的摩爾數(shù)；Nt：限制反應(yīng)物完全反應(yīng)所消耗的摩爾數(shù)；,3.轉(zhuǎn)化率,某一種反應(yīng)物A反應(yīng)掉的量NAR占向反應(yīng)器中輸入量NA，百分?jǐn)?shù)稱為反應(yīng)物A的轉(zhuǎn)化率XA:,,4.選擇性,一種反應(yīng)物A反應(yīng)掉的量N某占向反應(yīng)器中輸入量NA，in百分?jǐn)?shù)稱為反應(yīng)物A的轉(zhuǎn)化率XA:選擇性指的是某一反應(yīng)物轉(zhuǎn)變成目的產(chǎn)物時(shí)，理論消耗的摩爾數(shù)占該反應(yīng)物在反應(yīng)中實(shí)際消耗的總摩爾數(shù)的百分?jǐn)?shù)。,NP:表示生成目的產(chǎn)物的摩爾數(shù)；A,p分別表示為反應(yīng)物A和目的產(chǎn)物P的化學(xué)計(jì)量系數(shù)S：為選擇性；,5.理論收率,理論收率指的是生成目的產(chǎn)物的摩爾數(shù)占輸入的反應(yīng)物摩爾數(shù)的百分?jǐn)?shù)，用y表示：轉(zhuǎn)化率XA,選擇性S和理論收化率y三者之間的關(guān)系為：,,,例如，100mol苯胺在用濃硫酸進(jìn)行焙烘磺化時(shí)，反應(yīng)產(chǎn)物中含87mol對(duì)胺基苯磺酸；2mol未反應(yīng)的苯胺，另外還有一定數(shù)量的焦油物，,,6.質(zhì)量收率y質(zhì),反應(yīng)過程生成目的產(chǎn)物的質(zhì)量占某一輸入反應(yīng)物質(zhì)量的百分?jǐn)?shù),,7.原料消耗定額：（單耗）,原料消耗定額是指生產(chǎn)1噸（或公斤）產(chǎn)品需要消耗多少噸（或公斤）各種原料，對(duì)于主要反應(yīng)物來說，它實(shí)際上是質(zhì)量收率的倒數(shù)。,8.單程轉(zhuǎn)化率和總轉(zhuǎn)化率,有些生產(chǎn)過程，主要反應(yīng)物每次經(jīng)過反應(yīng)器后的轉(zhuǎn)化率并不太高，但是未反應(yīng)的主要反應(yīng)物大部分可經(jīng)過分離回收循環(huán)套用。這時(shí)要將轉(zhuǎn)化率分為單程轉(zhuǎn)化率和總轉(zhuǎn)化率兩項(xiàng)。,,,,表示反應(yīng)物A輸入和輸出反應(yīng)器的摩爾數(shù),,,,,表示反應(yīng)物A輸入和輸出全過程的摩爾數(shù),衡算基準(zhǔn)的選擇示例,計(jì)算基準(zhǔn)的選擇是計(jì)算的關(guān)鍵。基準(zhǔn)選擇恰當(dāng)可使計(jì)算工作大為簡(jiǎn)化、計(jì)算過程清晰、計(jì)算結(jié)果誤差減少。相反，基準(zhǔn)選擇不當(dāng)，不僅使計(jì)算過程復(fù)雜、麻煩，有時(shí)還會(huì)造成計(jì)算結(jié)果錯(cuò)誤。,,例1丙烷充分燃燒時(shí)要供入空氣量125%，反應(yīng)式為C3H8+5O2→3CO2+4H2O問：每100摩爾燃燒產(chǎn)物需空氣量多少摩爾？,,解題思路：有三種不同的基準(zhǔn)選取方法：（1）選取1molC3H8氣體作為基準(zhǔn)。（2）選取1mol空氣作為基準(zhǔn)。(3)選取100mol煙道氣作為基準(zhǔn)。,,（1）選取1molC3H8氣體作為基準(zhǔn)，所需空氣量為：燃燒需理論氧5mol總需加入氧量＝1.255＝6.25mol折算為空氣[空氣中氧占21%（體積)]29.76mol氮=23.51摩,,,物料衡算結(jié)果（以1molC3H8氣體為基準(zhǔn)）每100摩爾煙道氣所需空氣量為:100摩煙道氣(6.25+23.51)mol空氣/31.76摩煙道氣=93.7mol空氣,,(2)選取1mol空氣作為基準(zhǔn)。考慮到空氣過剩量，C3H8的摩爾為0.0036150.211.25＝0.0036由此計(jì)算得各物質(zhì)量見下表所示：物料衡算結(jié)果如表所示：,,每100摩爾煙道氣所需空氣量為:(100摩煙道氣1.0摩空氣)/1.068摩煙道氣=93.7mol空氣,,(3)選取100mol煙道氣作為基準(zhǔn)。令N=煙道氣中N2摩爾數(shù)M=煙道氣中O2摩爾數(shù)P=煙道氣中CO2摩爾數(shù)Q=煙道氣中H2O摩爾數(shù)A=入口空氣摩爾數(shù)B=入口丙烷摩爾數(shù)共有6個(gè)未知數(shù)，求解時(shí)必需有6個(gè)獨(dú)立方程式,,以上共列出9個(gè)線性方程式，含6個(gè)未知數(shù)（A,B,N,M,P,Q）,解此6個(gè)未知數(shù)時(shí)，可先檢查上列9個(gè)線性方程式是否都是獨(dú)立的？如果不是，那些是多余的？我們發(fā)現(xiàn)：方程式（7，8，9）都與式（1-6）相關(guān)，因此，線性獨(dú)立方程式只有（1—6）相關(guān)。6個(gè)方程，6個(gè)未知數(shù)，有確定解。我們用矩陣解之。矩陣解法如下：：,改寫為矩陣式：,,即AX=C當(dāng)方程組有唯一解時(shí)，應(yīng)有：X=A-1C利用MATLAB軟件進(jìn)行計(jì)算，過程為：A=[0300-10;04000-1;0.2100-1-1-0.5;0.790-1000;001111;0.04200-100]C=[0;0;0;0;100;0]X=inv(A)*C,計(jì)算結(jié)果如下：X=93.70313.148474.02553.93559.445312.5937從上述三種解法中可看出，第三種解法雖然避免了將物料流轉(zhuǎn)換為規(guī)定的基準(zhǔn)，但卻比第一、第二種解法工作量大得多。從題意要求看，第一、第二種解法所選定的基準(zhǔn)較恰當(dāng)。,25有化學(xué)反應(yīng)物料衡算,1一般反應(yīng)過程物料衡算（1）直接求解法只含一個(gè)未知量或組成可根據(jù)化學(xué)反應(yīng)式直接求解,,主要是通過化學(xué)計(jì)量系數(shù)來計(jì)算，但計(jì)算時(shí)要注意一些特殊情況?，F(xiàn)在以鄰二甲苯氧化制苯酐為例來說明。例1鄰二甲苯氧化制苯酐，反應(yīng)式是C8H10+3O2→C8H4O3+3H2O設(shè)鄰二甲苯的轉(zhuǎn)化率為60％，氧用量為理論量的150％，每小時(shí)投料量為100千克，作物料衡算。,,解題思路：1．生產(chǎn)中，氧氣的引入以空氣的方式引入的，組成為氧氣和氮?dú)猓?jì)算時(shí)注意。2.氧用量為理論量的150％，應(yīng)將鄰二甲苯的轉(zhuǎn)化率考慮在內(nèi)，即為發(fā)生反應(yīng)的鄰二甲苯的量為基礎(chǔ)來考慮這一問題。3.選擇基準(zhǔn)靈活?？蛇x（1）鄰二甲苯進(jìn)料100千克。（2）氧氣進(jìn)料100千克。（3）空氣進(jìn)料100千克。（4）每小時(shí)進(jìn)料量為100千克……,,取鄰二甲笨進(jìn)料100千克。進(jìn)料：鄰二甲笨100106＝0.944kmol氧＝0.94460%3150%=2.55kmol出料：笨酐0.94460%148=83.83千克水0.94460%318=30.6千克乘余鄰二甲笨10040%=40千克氧（2.55－0.94460%3)32=27.22千克氮2.550.79/0.2128=268.6千克,,(2)．以結(jié)點(diǎn)作衡算在生產(chǎn)中常常發(fā)現(xiàn)這樣的情況，某些產(chǎn)品的組成須采用旁路調(diào)節(jié)才送往下一工序。下面舉一旁路調(diào)節(jié)的例子。,,例3某工廠用烴類氣體轉(zhuǎn)化制合成氣生產(chǎn)甲醇，合成氣體為2321標(biāo)米3/時(shí)，CO/H2=1/2.4(摩)。但是轉(zhuǎn)化后的氣體體積組成為CO43.12%,H254.2%,不符合要求。為此，需將部分轉(zhuǎn)化氣送往CO變換反應(yīng)器，變換后氣體體積組成為CO8.76%,H289.75%,氣體體積減小2%。用此變換氣去調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)化氣。求轉(zhuǎn)化氣、變換氣各應(yīng)多少？,,解題思路：1.關(guān)于旁路調(diào)節(jié)的例子，我們可選結(jié)點(diǎn)作衡算。此時(shí)，關(guān)鍵在于根據(jù)題意和生產(chǎn)情況，畫出流程簡(jiǎn)圖來。2．氣體的體積組成與標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的摩爾百分組成一致。3．凡存在分流操作、旁路調(diào)節(jié)的反應(yīng)單元或物理操作單元時(shí)，衡算時(shí)應(yīng)注意利用結(jié)點(diǎn)。,(3)．利用聯(lián)系物作衡算生產(chǎn)過程中常有不參加反應(yīng)的物料，這種物料習(xí)慣上稱為惰性物料。由于它的數(shù)量（質(zhì)量、摩爾數(shù)等）在反應(yīng)器的進(jìn)、出料中不變化，我們可以用它和另一些物料在組成中的比例關(guān)系去計(jì)算另一些物料的數(shù)量，因此，我們稱這種惰性物料為衡算聯(lián)系物。選擇衡算聯(lián)系物注意：（1）采用聯(lián)系物作衡算，可以簡(jiǎn)化計(jì)算。（2）有時(shí)在同一系統(tǒng)中可能有數(shù)個(gè)惰性物質(zhì)，可聯(lián)合采用以減小誤差。（3）但是要注意當(dāng)某惰性物數(shù)量很少，且此組分分析相對(duì)誤差很大時(shí)，則不宜選用此惰性物質(zhì)作聯(lián)系物。,例4某氧化過程排出的尾氣，體積組成已知為O2：10％、N2：85％、CO2：5％，計(jì)算空氣用量及氧耗量。解：以氮為聯(lián)系物，計(jì)算基準(zhǔn)為尾氣100摩爾。尾氣中氮=10085％=85摩空氣耗量=85/0.79=107.6摩進(jìn)料空氣中含氧量=107.621%=22.6摩氧耗量=22.6-10=12.6摩,,(4)元素衡算元素衡算是物料衡算的一種重要形式，不需具體反應(yīng)式，是按照元素種類被轉(zhuǎn)化及重新組合的概念表示為：輸入（某種元素）＝輸出（同種元素）對(duì)反應(yīng)過程中化學(xué)反應(yīng)很復(fù)雜，無法用一或兩反應(yīng)式表示的物料衡算問題，可以列出元素衡式，用代數(shù)法求解。,,例：甲烷，乙烷與水蒸氣用鎳催化劑進(jìn)行轉(zhuǎn)化反應(yīng)，生成氫氣，反應(yīng)器出口氣體組成（干基）為：組分CH4C2H6COCO2H2Mol%4.62.518.64.689.7假定原料只含甲烷乙烷兩種，求兩種氣體摩爾比？1000標(biāo)米原料氣，需多少克蒸氣？,,例5萘用空氣氧化制苯酐，尾氣組成（干基）為O2：12.6％、N2:83.2％、CO2:4.2％(體)，假設(shè)萘的轉(zhuǎn)化率為100％，問進(jìn)料中空氣對(duì)萘的比例是多少？例6甲烷和氫混合用空氣完全燃燒來加熱鍋爐，煙道氣分析按體積組成為N2:72.28%、CO2:8.12%、O2:2.44%、H2O:17.15%，問（1）燃料中甲烷與氫（CH4/H2）的比例如何？（2）空氣/（CH4+H2）是多少？,其中主、副反應(yīng)的比例未知，但尾氣中所含的甲烷和二氧化碳可認(rèn)為是由副反應(yīng)產(chǎn)生的，氫是式②及④的結(jié)果，這樣就可推算主、副反應(yīng)的比例。,作年產(chǎn)300噸對(duì)硝基乙苯工段物料衡算，原料乙苯純度95％，硝化混酸組成為HNO332％，H2SO456%,H2O12%,粗乙苯與混酸質(zhì)量比1：1.885。對(duì)硝基乙苯效率50％，硝化產(chǎn)物為硝基乙苯的混合物，其比例對(duì)：鄰：間=0.5:0.44:0.06。配制混酸所用的原料：H2SO493%,HNO396%和H2O,年工作日為300天。假設(shè)轉(zhuǎn)化率為100％，間歇生產(chǎn),,