物料热量衡算PPT课件.ppt
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1、 已经确定:硝基氯苯生产工艺以及所有设备的型式。已经确定:硝基氯苯生产工艺以及所有设备的型式。是不是可以购买设备,准备安装建设?是不是可以购买设备,准备安装建设?3.工艺计算工艺计算(物料衡算、热量衡算、设备选型计算物料衡算、热量衡算、设备选型计算)l3.1 物料衡算物料衡算1、物料衡算的作用、物料衡算的作用 1)操作型计算:装置已建,分析生产能力,挖掘潜力,技)操作型计算:装置已建,分析生产能力,挖掘潜力,技改。改。2)设计型计算:根据生产任务,设计计算,为热量衡算、)设计型计算:根据生产任务,设计计算,为热量衡算、设备选型计算提供条件设备选型计算提供条件2、物料衡算的类型、物料衡算的类型
2、1)间歇操作物料衡衡算)间歇操作物料衡衡算 2)连续操作物料称衡算)连续操作物料称衡算 3)循环过程物料衡算)循环过程物料衡算3、物料衡算通式、物料衡算通式(质量守恒定律)(质量守恒定律)单位时间内进入系统的全部物料质量单位时间内进入系统的全部物料质量 单位时间内离开系统的全部物料质量单位时间内离开系统的全部物料质量 单位时间内过程中的损失量单位时间内过程中的损失量 单位时间内系统内的积累单位时间内系统内的积累一、物料衡算的方法和步骤1、画出物料衡算示意图、画出物料衡算示意图 标明各股物料的进出方向、数量、组成以及温度、压力等操作条件,待求的未知数据也应以适当的符号表示。2、写出主、副反应式、
3、写出主、副反应式3、确定计算任务、确定计算任务4、收集数据资料、收集数据资料 生产规模、生产时间、原料、助剂、中间产物和产品的规格和组成及有关的理化常数5、选定计算基准(为了简化计算)、选定计算基准(为了简化计算)6、展开计算、展开计算7、整理计算结果,画出物料衡算一览表、整理计算结果,画出物料衡算一览表8、绘制物料流程图,并编入设计文件、绘制物料流程图,并编入设计文件生产过程的常用指标生产过程的常用指标1、生产能力2、转化率3、产率(选择性)4、收率5、消耗定额一、生产能力一、生产能力 化工装置在单位时间内生产的产品量或在单位时间内处理的原料量,化工装置在单位时间内生产的产品量或在单位时间内
4、处理的原料量,称为生产能力。其单位为称为生产能力。其单位为 kgh,td,kta,Mta等。等。化工装置在最佳条件下可以达到的最大生产能力称为设计能力。化工装置在最佳条件下可以达到的最大生产能力称为设计能力。二、转化率二、转化率 转化率是原料中某一反应物转化掉的量(摩尔)与初始反应物转化率是原料中某一反应物转化掉的量(摩尔)与初始反应物的量(摩尔)的比值,它是化学反应进行程度的一种标志的量(摩尔)的比值,它是化学反应进行程度的一种标志工业生产中有单程转化率和总转化率,其表达式为:工业生产中有单程转化率和总转化率,其表达式为:单程转化率单程转化率 100%100%例:例:以乙烷为裂解原料生产乙烯
5、在一定的生产条件下,以乙烷为裂解原料生产乙烯,在一定的生产条件下,通入裂解炉的乙烷量为通入裂解炉的乙烷量为7000kg/h,反应后,尾气中含乙烷,反应后,尾气中含乙烷2450kg/h,求乙烷的转化率。,求乙烷的转化率。解:单程转化率解:单程转化率 100%100%65%(1)单程转化率)单程转化率l对于有循环和旁路的生产过程,常用总转化率。对于有循环和旁路的生产过程,常用总转化率。l总转化率总转化率 100%例:用乙烷作原料裂解生产乙烯,通入裂解炉的新鲜原料例:用乙烷作原料裂解生产乙烯,通入裂解炉的新鲜原料乙烷为乙烷为5000 kg/h,裂解气分离后,没有反应的乙烷,裂解气分离后,没有反应的
6、乙烷2000kg/h又又返回了裂解炉进行反应,最终分析裂解气中含乙烷返回了裂解炉进行反应,最终分析裂解气中含乙烷1500 kg/h,求乙烷的总转化率。求乙烷的总转化率。解:总转化率解:总转化率 100%100%70%(2 2)总转化率)总转化率)总转化率)总转化率l产率表示了参加主反应的原料量与参加反应的原料量之间产率表示了参加主反应的原料量与参加反应的原料量之间的数量关系。的数量关系。即参加反应的原料有一部分被副反应消耗掉了,而没有生成即参加反应的原料有一部分被副反应消耗掉了,而没有生成目的产物。产率越高,说明参加反应的原料生成的目的产物目的产物。产率越高,说明参加反应的原料生成的目的产物越
7、多。越多。l产率产率 100%3产率(或选择性)产率(或选择性)例:用乙烷作裂解原料生产乙烯,在一定的生产条件例:用乙烷作裂解原料生产乙烯,在一定的生产条件下,通入裂解炉的乙烷量为下,通入裂解炉的乙烷量为7000kg/h,反应后,尾气中含乙,反应后,尾气中含乙烷烷2450kg/h,得到乙烯量为,得到乙烯量为3332 kg/h,求乙烯的产率。,求乙烯的产率。解:解:C2H6 C2H4 +H2 30 28 X 3332生成目的产物所消耗的原料量生成目的产物所消耗的原料量X3332 3570 kg/h产率产率 100%100%78.5%表示进入反应器的原料与生成目的产物所消耗的原料之间的数量关系。表
8、示进入反应器的原料与生成目的产物所消耗的原料之间的数量关系。收率越高,说明进入反应器的原料中,消耗在生产目的产物上的数量越收率越高,说明进入反应器的原料中,消耗在生产目的产物上的数量越多。多。收率也有单程收率和总收率之分。收率也有单程收率和总收率之分。l单程收率 100%l总收率总收率 100%例:条件同上例,求乙烯的收率。例:条件同上例,求乙烯的收率。解:单程收率解:单程收率 100%100%51%4收率收率消耗定额是指生产单位产品所消耗的原料量,即每生产一消耗定额是指生产单位产品所消耗的原料量,即每生产一吨吨100%的产品所需要的原料数量。的产品所需要的原料数量。消耗定额消耗定额例:以乙烷
9、为原料裂解生产乙烯,通入反应器的乙烷为例:以乙烷为原料裂解生产乙烯,通入反应器的乙烷为7000 kg/h,参加反应的乙烷量为,参加反应的乙烷量为4550 kg/h,没有参加反应,没有参加反应的乙烷的的乙烷的5%损失掉,其余都循环回裂解炉。得到乙烯损失掉,其余都循环回裂解炉。得到乙烯3332kg/h,求乙烯的原料消耗定额。,求乙烯的原料消耗定额。解:消耗的原料量解:消耗的原料量455024505%4550122.5 4672.5kg/h 消耗定额消耗定额1.45 5消耗定额消耗定额消耗定额消耗定额二、间歇过程的物料衡算二、间歇过程的物料衡算按物料衡算的步骤进行,同时要注意建立时间平衡关系。按物料
10、衡算的步骤进行,同时要注意建立时间平衡关系。例:丙烷充分燃烧时,要供入的空气量为理论量的例:丙烷充分燃烧时,要供入的空气量为理论量的125%,反应式为:,反应式为:C3H85O23CO24H2O 问每问每100摩尔燃烧产物需要多少摩尔空气?摩尔燃烧产物需要多少摩尔空气?解:(解:(1)画出物料流程图)画出物料流程图 (2)选定基准,以)选定基准,以1mol丙烷为基准丙烷为基准 (3)展开计算)展开计算由题意知氧气供入量为由题意知氧气供入量为51.256.25mol则:空气供入量为则:空气供入量为6.25/0.2129.76mol 氮气量为氮气量为29.760.7923.51mol 则:则:29
11、76mol空气所生成的燃烧气为空气所生成的燃烧气为:23.51+(3+4)+(6.25-5)=31.76mol 所以,所以,100mol燃烧气所需空气量为燃烧气所需空气量为:100/31.76 *29.76=93.7mol 例:在间歇釜式反应器中用浓硫酸磺化甲苯生产对甲苯磺酸.试对该过程进行物料衡算。已知每批操作的投料量为:甲苯1000kg,纯度999(质量百分比,下同);浓硫酸1100kg,纯度98;甲苯的转化率为98,生成对甲苯磺酸的选择性为82,生成邻甲苯磺酸的选择性为9.2,生成间甲苯磺酸的选择性为8.8;物料中的水约90经连续脱水器排出。此外,为简化计算,假设原料中除纯品外都是水,
12、且在磺化过程中无物料损失。解:以间歇釜式反应器为衡算范围,绘出物料衡箅示意图解:以间歇釜式反应器为衡算范围,绘出物料衡箅示意图 物料衡算的目的就是确定各股物料的数量和组成。物料衡算的目的就是确定各股物料的数量和组成。对于间歇操作过程,常以单位时间间隔对于间歇操作过程,常以单位时间间隔(一个操作周期一个操作周期)内的投料量为基准进内的投料量为基准进行物料衡算。行物料衡算。进料:进料:原料甲苯中的甲苯量为:原料甲苯中的甲苯量为:1000kg0.999=999kg 原料甲苯中的水量为:原料甲苯中的水量为:1000 kg999kg=1kg 浓硫酸中的硫酸量为:浓硫酸中的硫酸量为:1100kg98107
13、8kg 浓硫酸中的水量为:浓硫酸中的水量为:1100kg1078kg22kg 进料总量为:进料总量为:1000kg+1100kg=2100kg 其中含甲苯其中含甲苯999kg,硫酸,硫酸1078kg,水,水23kg。出料:出料:反应消耗的甲苯量为:反应消耗的甲苯量为:999kg98=979kg 未反应的甲苯量为:未反应的甲苯量为:999kg 979kg=20kg磺化液总量为:磺化液总量为:1500.8+168.4+161.1+20+35.2+21.4=1906.9(kg)根据物料衡算结果,编制甲苯磺化过程的物料平衡表。根据物料衡算结果,编制甲苯磺化过程的物料平衡表。三、连续过程的物料衡算1.直
14、接求算法 适用于化学反应过程较简单的反应,一般情况下,通过化学计量系数来直接求取。2.利用结点进行衡算3.利用联系组分进行物料衡算 不参加反应的组分常被作为联系组分,可以极大的简化计算过程。求算下图所示的各流股的量及塔求算下图所示的各流股的量及塔2的入料组成的入料组成解:属复杂过程物料衡算。选取两个衡算体:解:属复杂过程物料衡算。选取两个衡算体:解:属复杂过程物料衡算。选取两个衡算体:解:属复杂过程物料衡算。选取两个衡算体:I I为总体系衡算,为总体系衡算,为总体系衡算,为总体系衡算,IIII为精馏塔为精馏塔为精馏塔为精馏塔2 2衡算衡算衡算衡算衡算体衡算体I衡算体衡算体II结结果果:S2=5
15、20mol/h,S4=150mol/h,S5=330mol/h;S3=480mol/h,X3B=0.0125,X3T=0.5925,X3X=0.395任务3:1000t/a硝基氯苯生产装置,每年需要用硝基氯苯生产装置,每年需要用1002吨、含吨、含46%硝酸的混酸作为硝化剂。硝酸的混酸作为硝化剂。现请你为现请你为1000t/a硝基氯苯生产装置混酸配制工段进行硝基氯苯生产装置混酸配制工段进行物料衡算:物料衡算:原料:硝酸原料:硝酸98%,硫酸,硫酸92.5%,69%硫酸废酸硫酸废酸 要求:混酸组成硫酸要求:混酸组成硫酸46%,硝酸,硝酸46%,水,水8%混合工艺过程 分离分流工艺过程混合四、循环
16、过程的物料衡算 循环过程 衡算方法通常有代数法、试差法、循环系数法 当原料、产品和循环流的组成已知时,采用代数法较为简便。当未知数多于所能列出的方程数时,可用试差法求解 见教材P31例在在在在2 2MPaMPa和和和和240240o oC C条条条条件件件件下下下下,用用用用纯纯纯纯氧氧氧氧氧氧氧氧化化化化乙乙乙乙烯烯烯烯生生生生产产产产环环环环氧氧氧氧乙乙乙乙烷烷烷烷,已已已已 知知知知 原原原原 料料料料 混混混混 合合合合 气气气气 含含含含 乙乙乙乙 烯烯烯烯 15%15%(molmol分分分分 率率率率),流流流流 量量量量1500015000kmolkmol/h/h,反反反反应应应
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