天津大學工業(yè)化學基礎課件第一章-化工基本計算.ppt

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2．4明確一組概念,1、反應物的摩爾比：反應物的摩爾比指的是加入反應器中的幾種反應物之間的摩爾數(shù)之比。理論上這個摩爾比可以和化學反應式的摩爾數(shù)相同，相當于化學計量比。實際上對于大多數(shù)有機反應來說，各種反應物的摩爾比并不等于化學計量比。（主要考慮反應物的轉化率和原料成本等因素）,2.限制反應物和過量反應物,化學反應物不按化學計量比投料時，其中以最小化學計量數(shù)存在的反應物叫做“限制反應物”。而某種反應物的量超過限制物反應完全反應的理論量，則該反應物稱為“過量反應物”。過量反應物超過限制反應物所需理論量部分占所需理論量的百分數(shù)叫做“過量百分數(shù)”。Ne：過量反應物的摩爾數(shù)；Nt：限制反應物完全反應所消耗的摩爾數(shù)；,3.轉化率,某一種反應物A反應掉的量NAR占向反應器中輸入量NA，百分數(shù)稱為反應物A的轉化率XA:,,4.選擇性,一種反應物A反應掉的量N某占向反應器中輸入量NA，in百分數(shù)稱為反應物A的轉化率XA:選擇性指的是某一反應物轉變成目的產物時，理論消耗的摩爾數(shù)占該反應物在反應中實際消耗的總摩爾數(shù)的百分數(shù)。,NP:表示生成目的產物的摩爾數(shù)；A,p分別表示為反應物A和目的產物P的化學計量系數(shù)S：為選擇性；,5.理論收率,理論收率指的是生成目的產物的摩爾數(shù)占輸入的反應物摩爾數(shù)的百分數(shù)，用y表示：轉化率XA,選擇性S和理論收化率y三者之間的關系為：,,,例如，100mol苯胺在用濃硫酸進行焙烘磺化時，反應產物中含87mol對胺基苯磺酸；2mol未反應的苯胺，另外還有一定數(shù)量的焦油物，,,6.質量收率y質,反應過程生成目的產物的質量占某一輸入反應物質量的百分數(shù),,7.原料消耗定額：（單耗）,原料消耗定額是指生產1噸（或公斤）產品需要消耗多少噸（或公斤）各種原料，對于主要反應物來說，它實際上是質量收率的倒數(shù)。,8.單程轉化率和總轉化率,有些生產過程，主要反應物每次經過反應器后的轉化率并不太高，但是未反應的主要反應物大部分可經過分離回收循環(huán)套用。這時要將轉化率分為單程轉化率和總轉化率兩項。,,,,表示反應物A輸入和輸出反應器的摩爾數(shù),,,,,表示反應物A輸入和輸出全過程的摩爾數(shù),衡算基準的選擇示例,計算基準的選擇是計算的關鍵?；鶞蔬x擇恰當可使計算工作大為簡化、計算過程清晰、計算結果誤差減少。相反，基準選擇不當，不僅使計算過程復雜、麻煩，有時還會造成計算結果錯誤。,,例1丙烷充分燃燒時要供入空氣量125%，反應式為C3H8+5O2→3CO2+4H2O問：每100摩爾燃燒產物需空氣量多少摩爾？,,解題思路：有三種不同的基準選取方法：（1）選取1molC3H8氣體作為基準。（2）選取1mol空氣作為基準。(3)選取100mol煙道氣作為基準。,,（1）選取1molC3H8氣體作為基準，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,,,物料衡算結果（以1molC3H8氣體為基準）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?？紤]到空氣過剩量，C3H8的摩爾為0.0036150.211.25＝0.0036由此計算得各物質量見下表所示：物料衡算結果如表所示：,,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。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個未知數(shù)，求解時必需有6個獨立方程式,,以上共列出9個線性方程式，含6個未知數(shù)（A,B,N,M,P,Q）,解此6個未知數(shù)時，可先檢查上列9個線性方程式是否都是獨立的？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，因此，線性獨立方程式只有（1—6）相關。6個方程，6個未知數(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當方程組有唯一解時，應有：X=A-1C利用MATLAB軟件進行計算，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,計算結果如下：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換為規(guī)定的基準，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較恰當。,25有化學反應物料衡算,1一般反應過程物料衡算（1）直接求解法只含一個未知量或組成可根據(jù)化學反應式直接求解,,主要是通過化學計量系數(shù)來計算，但計算時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，反應式是C8H10+3O2→C8H4O3+3H2O設鄰二甲苯的轉化率為60％，氧用量為理論量的150％，每小時投料量為100千克，作物料衡算。,,解題思路：1．生產中，氧氣的引入以空氣的方式引入的，組成為氧氣和氮氣，計算時注意。2.氧用量為理論量的150％，應將鄰二甲苯的轉化率考慮在內，即為發(fā)生反應的鄰二甲苯的量為基礎來考慮這一問題。3.選擇基準靈活?？蛇x（1）鄰二甲苯進料100千克。（2）氧氣進料100千克。（3）空氣進料100千克。（4）每小時進料量為100千克……,,取鄰二甲笨進料100千克。進料：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)．以結點作衡算在生產中常常發(fā)現(xiàn)這樣的情況，某些產品的組成須采用旁路調節(jié)才送往下一工序。下面舉一旁路調節(jié)的例子。,,例3某工廠用烴類氣體轉化制合成氣生產甲醇，合成氣體為2321標米3/時，CO/H2=1/2.4(摩)。但是轉化后的氣體體積組成為CO43.12%,H254.2%,不符合要求。為此，需將部分轉化氣送往CO變換反應器，變換后氣體體積組成為CO8.76%,H289.75%,氣體體積減小2%。用此變換氣去調節(jié)轉化氣。求轉化氣、變換氣各應多少？,,解題思路：1.關于旁路調節(jié)的例子，我們可選結點作衡算。此時，關鍵在于根據(jù)題意和生產情況，畫出流程簡圖來。2．氣體的體積組成與標準狀態(tài)下的摩爾百分組成一致。3．凡存在分流操作、旁路調節(jié)的反應單元或物理操作單元時，衡算時應注意利用結點。,(3)．利用聯(lián)系物作衡算生產過程中常有不參加反應的物料，這種物料習慣上稱為惰性物料。由于它的數(shù)量（質量、摩爾數(shù)等）在反應器的進、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系去計算另一些物料的數(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，可以簡化計算。（2）有時在同一系統(tǒng)中可能有數(shù)個惰性物質，可聯(lián)合采用以減小誤差。（3）但是要注意當某惰性物數(shù)量很少，且此組分分析相對誤差很大時，則不宜選用此惰性物質作聯(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％，計算空氣用量及氧耗量。解：以氮為聯(lián)系物，計算基準為尾氣100摩爾。尾氣中氮=10085％=85摩空氣耗量=85/0.79=107.6摩進料空氣中含氧量=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，不需具體反應式，是按照元素種類被轉化及重新組合的概念表示為：輸入（某種元素）＝輸出（同種元素）對反應過程中化學反應很復雜，無法用一或兩反應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行轉化反應，生成氫氣，反應器出口氣體組成（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)，假設萘的轉化率為100％，問進料中空氣對萘的比例是多少？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、副反應的比例未知，但尾氣中所含的甲烷和二氧化碳可認為是由副反應產生的，氫是式②及④的結果，這樣就可推算主、副反應的比例。,作年產300噸對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%,粗乙苯與混酸質量比1：1.885。對硝基乙苯效率50％，硝化產物為硝基乙苯的混合物，其比例對：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。假設轉化率為100％，間歇生產,,