【正文】 物料衡算的作用與意義 ? 物料衡算還可以檢驗(yàn)生產(chǎn)過程的完善程度，對(duì)生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)工作也有著重要指導(dǎo)作用。 物料衡算常用基本概念和方法 質(zhì)量守恒定律 質(zhì)量守恒定律是指“進(jìn)入一個(gè)系統(tǒng)的全部物料量必等于離開這個(gè)系統(tǒng)的全部物料量，再加上過程中損失量和在系統(tǒng)中積累量”。 NI —進(jìn)入流股數(shù)； NT — 物質(zhì)流股總數(shù)； NC — 總組分?jǐn)?shù)目 。 F1= ？ 1: C3 Z1,1= 2: iC4 Z1,2= 3: iC5 Z1,3= 4: nC5 Z1,4= 1(4) 2(4) 3(4) 精餾塔 F3= ? 1: C3 Z3,1= 2: iC4 Z3,2 = ? 3: iC5 Z3,3 = ? 4: nC5 Z3,4 = ? F2= ? 1: C3 Z2,1= 2: iC4 Z2,2= 3: iC5 Z2,3= 4: nC5 Z2,4= 精餾塔分離 系統(tǒng)分析圖 解：選定基準(zhǔn)： F1= 100 kmol/h進(jìn)料 物料衡算： C3： +=20 總： F2+F3=100 kmol/h 解得： F2= kmol/h F3= kmol/h ( j=1,2……, NC ) F1Z1,j =( F2 Z2,j ＋ F3Z3,j ) 物料衡算： iC4： =+Z3,2 F3 Z3,2= iC5： =+Z3,3 F3 Z3,3= nC5： =+Z3,4 F3 Z3,4= 簡單分離例題 解 流股組分 編號(hào) j 流股組分 進(jìn)料 (i=1) 塔頂餾分 (i=2) 塔底液 (i=3) kmol/h 組成 kmol/h 組成 kmol/h 組成 1 C3 20 2 iC4 20 3 iC5 20 4 nC5 40 合計(jì) 100 F1= 100 kmol/h 1: C3 Z1,1= 2: iC4 Z1,2= 3: iC5 Z1,3= 4: nC5 Z1,4= 1 2 3 精餾塔 F3 = kmol/h 1: C3 Z3,1= 2: iC4 Z3,2 = 3: iC5 Z3,3 = 4: nC5 Z3,4 = F2= kmol/h 1: C3 Z2,1= 2: iC4 Z2,2= 3: iC5 Z2,3= 4: nC5 Z2,4= 物料衡算結(jié)果 表 3. 例 精餾塔的自由度分析 流股 1 2 3 組分?jǐn)?shù) 4 4 4 物料衡算結(jié)果 各流股組分?jǐn)?shù) 1 0 7 4 12 精餾塔 自由度 附加方程 已知單元變量數(shù) MB方程 項(xiàng)目 單元變量數(shù) F1= ？ 1: C3 Z1,1= 2: iC4 Z1,2= 3: iC5 Z1,3= 4: nC5 Z1,4= 1 2 3 精餾塔 F3 = ？ 1: C3 Z3,1= 2: iC4 ？ 3: iC5 ？ 4: nC5 ？ F2= ？ 1: C3 Z2,1= 2: iC4 Z2,2= 3: iC5 Z2,3= 4: nC5 Z2,4= V1A+V2B+V3C V4D+V5E 式中 Vj——反應(yīng)中第 j 組分的化學(xué)計(jì)量系數(shù)； (反應(yīng)物為消失 負(fù) ，生成物為 正 ) Mj——第 j 組分的分子量。該反應(yīng)可分解為 C與 H2的燃燒反應(yīng)，即 C+O2→CO 2 H2+→H 2O 解：燃燒過程的反應(yīng) y 7 x y x 8 4 8 7 7 7 出口尾氣 未變組分 產(chǎn)生 消耗 產(chǎn)生 消耗 反應(yīng) 2 H2+→H 2O 反應(yīng) 1 C+O2→CO 2 kmol/h N2 H2O CO2 O2 C H2 輸入流率： C: 7 kmol/h H2: 8 kmol/h H2O: kmol/h 表 各組分?jǐn)?shù)量分配 按化學(xué)計(jì)量式所需 O2為 (4+7)=11 kmol/h 實(shí)際供應(yīng) O2量為 (11+x) kmol/h 氮?dú)? y=(11+x)()=+ 全部引出的氣體量為 +x+y=+ 出口氣體中 CO2占 %， 7/(+)= 解得 x= kmol/h 實(shí)際上供氧量為 11+x=11+= kmol/h p=(出口流中 O2)/(化學(xué)計(jì)量中的 O2) 100% = 100 % = % 4. 計(jì)算過剩的空氣量 H2 C O2 CO2 H2O N2 反應(yīng) 1 C+O2→ CO2 消耗 產(chǎn)生 7 7 7 反應(yīng) 2 H2+→ H2O 消耗 產(chǎn)生 未變組分 出口尾氣 8 4 7 8 單位： kmol/h 空氣過剩量為 % 各組分 數(shù)量分配 有一股流率為 50 kmol/h，含有 15% CO2(摩爾分?jǐn)?shù)，下同 )和 5%H2O的氣流送入吸收塔，用流率為 500 kmol/h的新鮮水吸收 CO2，吸收后的氣體中，含 1% CO2和 3%H2O。 F3= mol/h Z3,C2=； Z3,C3=。 Z8,C4= 塔 4 的物料衡算 F9=F10+F11 對(duì) C3： Z9,C3F3= 解得： F10=1242 mol/h 。 熱量衡算 能量衡算通式： ????????NTNIiiiNIiii HFWQHF11流動(dòng)過程 ? ?NI 1 NI+1 NT Q W 例 在煙道中用一個(gè)節(jié)熱蛇管回收煙道氣的廢熱 。 實(shí)質(zhì)是化學(xué)反應(yīng)的焓變值只與狀態(tài)有關(guān) ， 而與路徑無關(guān) 。 甲烷進(jìn)料量為 100 kmol/h， 離開燃燒爐氣體的溫度為600℃ ， 試問燃燒爐的散失的熱量是多少 ？ 已知數(shù)據(jù)如下 C＋ 2H2→CH 4 ΔHf,298K=74500 kJ/kmol C＋ O2→CO 2 ΔHf,298K=393500 kJ/kmol H2+→H 2O ΔHf,298K=241800 kJ/kmol CH4+2O2→CO 2+2H2O 平均定壓比熱容 (25~600 ℃ ) Cp分別為 Cp,CO2= kJ/kmolK Cp,O2 = kJ/kmol P2=5 MPa， T3=75℃ 的冷卻水首先通入換熱器 (2)，出口為飽和液體狀態(tài)，進(jìn)換熱器 (1)飽和液體，出口為汽 —液混合狀態(tài)。 的乙酸 HAc有 %從產(chǎn)品流中產(chǎn)出； 2. F1= 質(zhì)量分?jǐn)?shù)，過程無任何化學(xué)反應(yīng)。 F2。 F10。 整體能量衡算： dQ/dt=0=F1[Hv(飽和 ,P2)HL(T3,P2)]+F7[Hv(T2,P1)Hv(T1,P1)] F1=100 CpvdT/()=100 104/ 106。K)] CO2 100 H2O 200 O2 400 200 N2 400(79/21) 1505 CH4 100 ∑FjCp 表 例 ΔHout＝ ΣFiCp(T25) = (60025) = 36590 MJ/h CH4+2O2→CO 2+2H2O 有化學(xué)反應(yīng)的熱量衡算： 反應(yīng)熱＝爐體散熱＋加熱產(chǎn)物吸熱－冷卻放熱 ΔHR= Q＋ ΔHoutΔHin 終態(tài) 3 升溫 0 25 1 冷卻 初態(tài) T℃ 2 反應(yīng) 已求的： ΔHout＝ 36590 MJ/h ΔHR(298K)= 80260 MJ/h ΔHin=0 爐體散熱為： Q = ΔHR –ΔHout+ΔHin =8026036890 =43670 (MJ/h) 例：乙烯氧化制環(huán)氧乙烷： 主反應(yīng) C2H4(g)+(g)→C 2H4O(g) 副反應(yīng) C2H4(g)+3O2(g)→ 2CO2(g)+2H2O(g) 反應(yīng)溫度 250℃ ， 主 、 副反應(yīng)熱 ΔHo523=105395kJ/kmol 乙烯 ， ΔHo523=1321726kJ/kmol 乙烯 乙烯的單程轉(zhuǎn)化率 32%， 選擇性 69%， 反應(yīng)器入口溫度 210℃ ， 流量45000Nm3/h,組成： 組分 C2H4 N2 O2 合計(jì) %(mol) 100 熱損失按反應(yīng)放出熱量的 5%考慮 ， 求熱載體移出的熱量 。K 例： 反應(yīng)熱＝爐體散熱＋加熱產(chǎn)物吸熱－冷卻放熱 ΔHR= Q＋ ΔHoutΔHin 終態(tài) 3 升溫 0 25℃ 1 冷卻 初態(tài) T℃ 2 反應(yīng) 例： 甲烷的燃燒過程 甲烷和空氣在 25℃ 進(jìn)入燃燒爐 。這就是 Hess(蓋斯 ) 定律。 求該節(jié)熱器產(chǎn)生蒸汽的最大速率及相應(yīng)的煙道尾氣的溫度 ， 如果維持最小溫差為20℃ ， 可產(chǎn)生多少蒸汽 ， 煙道尾氣的溫度 Ta是多少 ？ 煙道尾氣 Ta=？ TL=15℃ 水 Ts=120℃ 蒸汽 T1=250℃ 煙道氣 F =1800 kg/h 尾氣 T1=250℃ 水 T2=15 ℃ Ta 換熱 汽化 T ℃ Q kJ/h Ts=120℃ 尾氣 T1=250℃ 水 T2=15 ℃ Ta 換熱 汽化 T ℃ Q kJ/h Ts=120℃ Δt=20 ℃ 例 解：計(jì)算基準(zhǔn)： 1800 kg/h煙道氣。 )2()1()2()1( )()(xxxfxfk???)()()( )2()1()2()1()2()2()3(xfxfxxxfxx????)()1()()1()()()( )(ciciciciccici EExxEx???????)1()()( ??? cicii xxE c )2()1()1( ?? ??? cicii xxc(2) 加速收斂法 Secant 切割法 加速收斂法算例 式中 c39。 F11= mol/h 流股號(hào) 項(xiàng)目 1 2 3 4 … 10 11 總流率 mol/h 1000 C1分流率 mol/h 200 0 0 0 C2分流率 mol/h 250 0 0 C3分流率 mol/h 400 0 0 C4分流率 mol/h 150 0 150 0 Zi,C1(摩爾分?jǐn)?shù) ) 0 0 0 Zi,C2(摩爾分?jǐn)?shù) ) 0 0 Zi,C3(摩爾分?jǐn)?shù) ) 0 0 Zi,C4(摩爾分?jǐn)?shù) ) 0 0 表 例 流程的物料衡算結(jié)果一覽表 項(xiàng)目 塔 1 塔 2 塔 3 塔 4 分流器 過程 整體 總流股變量 13 8 8 5 5 25 15 MB方程 4 3 3 2 1 13 4 已知流股變量數(shù) 6(7) 5(4) 2 2 2 11 9 已知附加方程 0 0