【正文】 0 0 1 1 0 原自由度 (2) (1) 3 1 1 0 2 新自由度 3 0 3 1 1 0 2 表 假設(shè) F1未知 F2已知的自由度分析 解：塔 2 的物料衡算 F2=1000 mol/h 總的 F2=F4+F5 C3 = F5==300 mol/h F4=700 mol/h C1 Z2,C1F2=+ 解得： Z2,C1=； Z2,C2=。塔 2有 50%的回流到塔 1，試進行物料衡算。寫出物料衡算表。各溶液的第二組分為水，試完成其物料衡算。以穩(wěn)態(tài)為例： 物質(zhì)總流量守恒 原子總數(shù)量守恒 摩爾流率守恒 (無化學(xué)反應(yīng) ) 簡單的物料衡算 ① 分析問題； ② 畫流程圖； ③ 確定系統(tǒng)，分析自由度； ④ 選定計算基準(zhǔn)； ⑤ 列出衡算模型，并求解。所以物料衡算是復(fù)合材料工藝計算的重要部分。4 物料衡算與熱量衡算 依據(jù)質(zhì)量守衡定律，以設(shè)備或生產(chǎn)過程作為研究對象，對其進、出口處進行定量計算，稱之為物料衡算。 物料衡算可分 操作型計算 和 設(shè)計型計算 。 美國黃石公園 簡單的衡算模型 (1) 總體物料衡算： (2) 組分的物料衡算： (3) 組成的約束條件： ?????? NTNIiiNIii FF11 ? ???? NTNIijiiNIijii ZFZF1,1,圖 簡單衡算系統(tǒng)示意圖 式中： Fi—第 i個股的總流率， kg/h (kmol/h)。 圖 硫酸簡單混合系統(tǒng)示意圖 1 2 3 混合器 F1=? H2SO4 Z1,1= H2O Z1,2= F2=? H2SO4 Z2,1= H2O Z2,2= F3=1000 kg/h H2SO4 Z3,1= H2O Z3,2= 總： F1+F2=F3=1000 流股組分 40%硫酸 (1) 98%硫酸 (2) 90%硫酸 (3) kg/h 質(zhì)量分率 kg/h 質(zhì)量分率 kg/h 質(zhì)量分率 H2SO4 H2O 合計 862. 1000 解 : 水： +==100 聯(lián)立： F1= 138 kg/h F2= 862 kg/h 計算結(jié)果 圖 硫酸簡單混合系統(tǒng)計算結(jié)果 幾個組分就有幾個獨立方程； 幾個組分就有幾個獨立變量； 幾個組分流股方程中就有幾項。 解：基準(zhǔn)： F1=100 kmol/h甲醇進料 CH3OH+ HCHO+H2O 甲醇 V1=1； 氧 V2=； 甲醛 V3=1；水 V4=1 數(shù)學(xué)模型： F2Z2, j=F1Z1, j F1Z1, k (YkVj /Vk) j=1,2… NC (Yk為關(guān)鍵組分的轉(zhuǎn)化率， Vk為 關(guān)鍵組分 化學(xué)計量系數(shù)， 這里是指甲醇 ) 01???NCjjjVM甲醇 1 CH3OH 圖 甲醇氧化制甲醛簡化流程圖 產(chǎn)品 空氣 O2 2 惰性組分 5 1 反應(yīng) 2 HCHO 3 CH3OH 1 O2 2 惰性組分 5 H2O 4 例 引出氣體的組成 (摩爾分?jǐn)?shù) )% 引出氣體 進入氣體 未轉(zhuǎn)化物質(zhì) /(kmol/h) 產(chǎn)生物質(zhì) /(kmol/h) /(kmol/h) 轉(zhuǎn)化物質(zhì) /(kmol/h) 75%時 50%空氣 ,試劑量 /(kmol/h) /(kmol/h) CH3OH+ HCHO+H2O 項 目 H2O HCHO 惰性組分 O2 CH3OH 數(shù)學(xué)模型： F2Z2, j=F1Z1, j F1Z1, k (YkVj /Vk) 例 計算過程 項 目 CH3OH O2 惰性組分 HCHO H2O CH3OH+ HCHO+H2O /(kmol/h) 50%空氣 ,試劑量 /(kmol/h) 75%時 轉(zhuǎn)化物質(zhì) /(kmol/h) 產(chǎn)生物質(zhì) /(kmol/h) 未轉(zhuǎn)化物質(zhì) /(kmol/h) /(kmol/h) 進入氣體 引出氣體 引出氣體的組成 (摩爾分?jǐn)?shù) )% 表 計算結(jié)果 例 計算結(jié)果 簡單的過程計算 例 某油分，含 84%的 C和 16%的 H，現(xiàn) 100 kg/h的油分與含水 kg/h的空氣燃燒，分析尾氣，其中有 %的CO2(體積分率 )。 F1=1000mol/h C1 C2 C3 C4 C3 C1 C2 C3 C4 C4 C3 C4 C4 1 6 2 3 4 7 9 10 11 5 塔 1 分流器 8 塔 3 塔 3 塔 2 C1 C2 C3 F1= 1kmol/h C1 C2 C3 C4 F2, C1, C2 C3 F4= ？ C1 C2 F7= C1 C2 C3 F10= C3 C4 F11= C4 F9= C3 C4 F C C3 C4 1 6 2 3 4 7 9 10 11 5 分流器 8 F5= C1 C2 C3 F6= C1 C2 C3 F C C C4 塔 1 塔 2 塔 3 塔 4 F2=1k mol/h,通過自由度分析指出計算順序，進行物料衡算，并將計算結(jié)果轉(zhuǎn)換成以 F2=1kmol/h，為基準(zhǔn)的形式。 Z2,C3=0. 03 分流器的物料衡算 F5=F6+F7 F6= 解得： F6=F7=150 mol/h 塔 1 的物料衡算 總： F1+F6=F2+F3 對 C1： F1Z1,C1+F6 Z6,C1= F2Z2,C1 *F1+*150 = *1000 F1=3490 mol/h F3=2640 mol/h F2=1000 mol/h F1=3490 mol/h。——c 次迭代循環(huán)新的估值； xi——組分 i 的一個變數(shù)； Ei——容差函數(shù)。 (1) 最大速率 FCp(T1Ts)=M(HvHL) 1800 (250120)=M(2700500) M= kg/h FCp(TsTa)=M(HLH1) 1800 (120Ta)=(50065) Ta=94 ℃ (2) Δt=20℃ 時的 M和 Ta FCp(T1Ts20)=M(HvHL) 1800 (25012020)=M(2700500) M=81 kg/h FCp(Ts+20Ta)=M(HLH1) 1800 (120+20Ta)=81 (50065) Ta=118 ℃ 尾氣 T1=250℃ 水 T2=15 ℃ Ta 換熱 汽化 T ℃ Q kJ/h Ts=120℃ Δt=20 ℃ 煙道尾氣 Ta=？ T2=15℃ 水 Ts=120℃ 蒸汽 T1=250℃ 煙道氣 熱量與物料衡算 例 ：某精餾系統(tǒng) ， 進料為12023kg/h ， 料 液 由 A(50%) 、B(36%)、 C(14%)三種組分組成 ，進料為汽液比 1:1汽液混合物 ， 塔頂餾分流率為 6050kg/h， 組成 98%的 A， 2%的 B， 料液及餾分的溫度分別為 140℃ 和 95℃ ， 過熱蒸汽(V)100℃ ， 塔 底 引 出 流 溫 度 為160℃ 。 化學(xué)反應(yīng)的焓變值只與始態(tài)和終態(tài)有關(guān)，而與路徑無關(guān)。 甲烷和 100%過?？諝馔耆紵?。 解：查得有關(guān)氣體熱容數(shù)據(jù)： 組分 C2H4 O2 CO2 水蒸氣 C2H4O N2 Cp/[kJ/(kmol F1=換熱器 (2)能量衡算： dQ/dt=F1[HL(飽和 ,P2)HL(T3,P2)]+F7[Hv(T2,P1)Hv(T,P1)]=0 CpvdT=()/100= kJ/mol Cpm= CpdT/(500200)= 104/300=() 初值 T8: (T8 200)= 104 T8 =200+=℃ = 迭代： T8=℃ 換熱器 (1)能量衡算： dQ/dt=F7[Hv(T,P1)Hv(T1,P1)]+12F1[Hm(飽和 ,P2)HL (飽和 ,P2)]=0 Hm(飽和 ,P2)= HL(飽和 ,P2)]+100 CpvdT/12()=1154+100 ()=蒸汽分率： =x()+(1x) x= xF6= 12 = kg/h 汽液分離器 :F3=F6+F5=12F1+F1=13() dQ/dt=F5Hv(飽和 ,P2)+F6HL(飽和 ,P2)]F3[Hm(飽和 ,P2)=0 13()Hm=1()Hv(飽和 )+12()HL(飽和 ) Hm=(1/13)HV(飽和 )+(12/13)HL(飽和 )=xHV(飽和 )+(1x)HL(飽和 ) x=1/13= 求解順序： 整體 物料衡算 汽液 分離器 換熱器 (2) 換熱器 (1) 能量衡算 物料衡算 能量衡算 能量衡算 能量衡算 ?500200物料衡算習(xí)題 — 題 有如下一個連續(xù)流程，用于稀釋乙酸的濃度處理， 圖中 E代表某中溶劑。 F8 產(chǎn)品塔 計算出： Z11,HAc。 F12 混合 1 計算出： F1。 要求： 1. 試做物料衡算時的自由度分析，列出自由度分析表； 2. 指出完整的物料衡算計算順序； 3. 求解出 9號（廢料流股）的組成及 F2 /F7 萃取塔 溶劑回收塔 產(chǎn)品精餾塔 溶劑提餾塔 進料 HAc 30% H2O % H2SO4 % E 7% HAc H2O H2SO4 HAc 24% H2O E E 99% H2O 1% 廢料 E % HAc H2O H2SO4 E % H2O % 循環(huán)流 產(chǎn)品 HAc 99% H2O HAc 60% H2O 40% 混合器 (1) 混合器 (2) E % H2O % 1 (3) 2 (3) 3 (3) 4 (4) 5 (2) 6 (2) 7 (2) 8 (2) 9 (4) 10 (2) 11 (2) 12 (2) 2 11 12 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 2 2 4 2 2 2 2 4