《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2.ppt》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《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2.ppt（44頁珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。
1、24 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)
2、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，
3、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),,,,,
4、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?；鶞?zhǔn)選擇恰當(dāng)可使計(jì)算工作大為簡化、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1mol C3H8 氣體作為基準(zhǔn)。 （2） 選取1mol 空氣作為基準(zhǔn)。 (3) 選取100 mol 煙道氣作為基準(zhǔn)。,,（1） 選取1mol C3H8 氣體作為基準(zhǔn)，所需空
5、氣量為： 燃燒需理論氧5mol 總需加入氧量1.2556.25mol 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1mol C3H8 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)?？紤]到空氣過剩量，C3H8的摩爾為0.0036 15 0.211.250.0036 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
6、道氣 = 93.7mol空氣,,(3) 選取100 mol 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（16）相關(guān)。6個(gè)方程，6個(gè)未知數(shù)，有確定解。 我們用矩
7、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=0 3 0 0 -1 0;0 4 0 0 0 -1;0.21 0 0 -1 -1 -0.5;0.79 0 -1 0 0 0;0 0 1 1 1 1;0.042 0 0 -1 0 0 C=0;0;0;0;100;0 X=inv(A)*C,計(jì)算結(jié)果如下： X = 93.7031 3.1484 74.0255 3.9355 9.4453 12.5937 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
8、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。現(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)?，?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)
9、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1001060.944kmol 氧0.944 60% 3 150%=2.55kmol 出料：笨酐 0.944 60% 148=83.83千克 水 0.944 60% 3 18=30.6千克 乘余鄰二甲笨 100 40%=40千克 氧 （2.550.944 60% 3) 32=27.22千克 氮 2.55 0.79/0.21 28=268.
10、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CO 43.12%, H2 54.2%, 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CO 8.76%, H2 89.75%, 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，畫出流程簡圖來。 2
11、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
12、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
13、氣，反應(yīng)器出口氣體組成（干基）為： 組分 CH4 C2H6 CO CO2 H2 Mol% 4.6 2.5 18.6 4.6 89.7 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，氫是式及的結(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HNO3 32，H2SO4 56% , H2O 12%,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：H2SO4 93% , HNO3 96% 和H2O , 年工作日為300天。假設(shè)轉(zhuǎn)化率為100，間歇生產(chǎn),,
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