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天津大學(xué)工業(yè)化學(xué)基礎(chǔ)課件第一章-化工基本計算2.ppt

上傳人:xin****828 文檔編號:15642038 上傳時間:2020-08-27 格式:PPT 頁數(shù):44 大小:1.59MB
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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。理論上這個摩爾比可以和化學(xué)反應(yīng)式的摩爾數(shù)相同,相當于化學(xué)計量比。實際上對于大多數(shù)有機反應(yīng)來說,各種反應(yīng)物的摩爾比并不等于化學(xué)計量比。(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)計量比投料時,其中以最小化學(xué)計量數(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數(shù)叫做“過量百分數(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,百分數(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百分數(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,理論消耗的摩爾數(shù)占該反應(yīng)物在反應(yīng)中實際消耗的總摩爾數(shù)的百分數(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)的百分數(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苯胺在用濃硫酸進行焙烘磺化時,反應(yīng)產(chǎn) 物中含87mol對胺基苯磺酸;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)量的百分數(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,對于主要反應(yīng)物來說,它實際上是質(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。這時要將轉(zhuǎn)化率分為單程轉(zhuǎn)化率和總轉(zhuǎn)化率兩項。,,,,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),衡算基準的選擇示例,計算基準的選擇是計算的關(guān)鍵。基準選擇恰當可使計算工作大為簡化、計算過程清晰、計算結(jié)果誤差減少。相反,基準選擇不當,不僅使計算過程復(fù)雜、麻煩,有時還會造成計算結(jié)果錯誤。,,例1 丙烷充分燃燒時要供入空氣量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:有三種不同的基準選取方法: (1) 選取1mol C3H8 氣體作為基準。 (2) 選取1mol 空氣作為基準。 (3) 選取100 mol 煙道氣作為基準。,,(1) 選取1mol C3H8 氣體作為基準,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) 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0.0036 15 0.211.250.0036 由此計算得各物質(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。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(guān),因此,線性獨立方程式只有(16)相關(guān)。6個方程,6個未知數(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 當方程組有唯一解時,應(yīng)有: X=A-1C 利用MATLAB軟件進行計算,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,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較恰當。,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(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,組成為氧氣和氮氣,計算時注意。 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標米3/時,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)點作衡算。此時,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(diào)節(jié)的反應(yīng)單元或物理操作單元時,衡算時應(yīng)注意利用結(jié)點。,(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、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(zhì),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(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(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(yīng)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(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: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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