【文章內(nèi)容簡介】 2xw3（ 1）對多個設(shè)備過程， 并非 每個體系寫出的所 有方程式 都是獨立的 ； （ 2）對各個體系獨立物料衡算式數(shù)目之和 對總過程獨立的物料衡算式數(shù)目。過程獨立方程式數(shù)目最多 =組分數(shù) 設(shè)備數(shù) 過程由 M個 設(shè)備組成，有 C個 組分時則最多可能列出的獨立物料衡算式的數(shù)目 = MC個 ?？蓜澐譃槿齻€體系，進出物流均含 3個組分，則每個體系可寫出 3+1個衡算方程，其中 3個是獨立的， 3個體系方程式的數(shù)目為 33個，但其中獨立的方程式為 32個。要注意： 最多可能 當有的體系組分數(shù) C時，數(shù)目減少； 當未對每個設(shè)備列物料衡算式時，數(shù)目減少 例 4—7 （ P82~83） 通過例題進一步分析為什么獨立物料衡算式數(shù)目 ≠各個體系獨立物料衡算式數(shù)目之和 衡算體系選定原則：未知量盡量少。 一連續(xù)穩(wěn)定的精餾系統(tǒng)如圖所示 ,每個物流含有兩個組分 A和 B,.試計算 F3 、 F5 、 F7的流率和組成。精餾 塔 I 精餾 塔 IIF6＝ 30kmol/hx6,A=x6,B=F2＝ 40kmol/hx2,A=x2,B=F4＝ 30kmol/hx4,A=x4,B=F1＝ 100kmol/hx1,A=x1,B=F3 F5F7E以精餾 塔 I作為衡算體系：對總物料列衡算式 F1＝ F2+F3F3＝ F1－ F2＝ 100－ 40＝ 60mol/h對組分 A列式 F1x1,A＝ F2x2,A+F3x3,AX3,B=以節(jié)點 E作 為衡算體系：對總物料列衡算式 F5＝ F3＋ F4＝ 60＋ 40＝ 90mol/h對組分 A列式 F5x5,A＝ F3x3,A+F4x4,AX5,B=以精餾 塔 II作 為衡算體系：對總物料列衡算式 F5＝ F6+F7F7＝ F5F6＝ 90－ 30＝ 60mol/h對組分 A列式 F5x5,A＝ F6x6,A+F7x7,AX7,B=可否不利用結(jié)點 E作衡算體系完成此計算，同學(xué)們自己完成?？煞窳谐鏊蟹匠倘缓笄蠼庵?，相比前面做法各有何利弊？第四節(jié) 有化學(xué)反應(yīng)過程的物料衡算 4—8 反應(yīng)轉(zhuǎn)化率、選擇性及收率 當配比不等于化學(xué)計量比時引入以下概念： 限制反應(yīng)物 —— 化學(xué)反應(yīng)原料不按化學(xué)計量比配料時，以 最小化學(xué)計量數(shù) 存在的反應(yīng)物。 過量反應(yīng)物 —— 反應(yīng)物的量 超過 限制反應(yīng)物 完全反應(yīng) 所需的理論量 的，該反應(yīng)物叫過量反應(yīng)物。注意： （ 1）按 化學(xué)計量數(shù)最小 而非絕對量最??； （ 2）當體系有幾個反應(yīng)時，按主反應(yīng)計量關(guān)系考慮； （ 3）計算過量反應(yīng)物的 理論量 時，限制反應(yīng)物必須 完全反應(yīng) （無論實際情況如何，按轉(zhuǎn)化率 100%計。 )過量百分數(shù) —— 過量反應(yīng)物 超過 限制反應(yīng)物完全反應(yīng)所需 理論量 Nt的部分占所需 理論量的百分數(shù) 。轉(zhuǎn)化率 x過量百分數(shù) = （ 4—5 ）—— 某反應(yīng)物 反應(yīng)掉 的量占其 輸入量 的百分數(shù)。反應(yīng)： aA+bBcC+dD反應(yīng)體系NA1 NA2 對 B的 x怎樣求之？注意： 1）要注明是指 那種 反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率 ；2） 反應(yīng)掉的量 應(yīng)包括主副反應(yīng)消耗的原料 之和 ； 3）若未指明是那種反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率，則常指限制反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率。限制反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率也叫反應(yīng)完全程度。 選擇性 S—— 生成目的產(chǎn)物所消耗的某原料量占該原料反應(yīng)量的百分數(shù)。 若有反應(yīng) ： aA→dD反應(yīng)完全程度 =限制反應(yīng)物的反應(yīng)量限制反應(yīng)物的輸入量收率 Y —— 生成目的產(chǎn)物所消耗的某原料量占該原料通入量的百分數(shù)。質(zhì)量收率： 例題 苯與丙烯反應(yīng)生產(chǎn)異丙苯，丙烯轉(zhuǎn)化率為 84％，溫度為 523K、壓力 、苯與丙烯的摩爾比為 5。原料苯中含有 5％的甲苯，假定不考慮甲苯的反應(yīng)，計算產(chǎn)物的組成。反應(yīng)系統(tǒng)F2x2,2x2,3F3 F4x4,2x4， 3x4,4F1解：畫出流程簡圖下標 1， 2，3， 4分別表示丙烯、苯、甲苯和異丙苯選定 體系 如圖，基準為原料苯 F2=100kmol/h，由題意知：原料丙烯 F1=20kmol/h。過程中化學(xué)反應(yīng)式對丙烯列衡算式： F1－反應(yīng)的丙烯＝ F3衡算式：輸入的－反應(yīng)掉的 +生成的＝輸出的F3=F1(1－ 84％）＝ 20＝ 對苯列衡算式： F2x2,2－反應(yīng)的苯＝ F4x4,2F4x4,2=F2x2,2－ 84％ F1＝ 10095％－ 84％ 20 ＝ 對異丙苯列衡算式： F2x2,4+生成的異丙苯＝ F4x4,4對甲苯列衡算式： F4x4,3＝ F2x2,2＝ 1005％ ＝ 5kmol/hF4x4,4 ＝ F2x2,4+ 84％ F1＝ 0+＝ 濃度限制關(guān)系 ++=1前已求得：F4x4,2＝ , F4＝ ++5kmol/h＝ 100kmol/hF4x4,4 ＝ ,F4x4,3＝ 5kmol/h x4,2＝ % , x4,3＝ 5% 。x4,4 ＝ %，此題還有無更簡 便的方 法？例 4—8 （ P85） 思考題 ： 為何取鄰二甲苯投料量作計算基準，可否取一 定量產(chǎn)物混合物作基準？ O2的理論量是按投入的鄰二甲苯量還是按反應(yīng)的鄰二甲苯量計算的？ 為什么可由投料中 N2的量及產(chǎn)物氣中 N2 的量來求算產(chǎn)物的量？ 注意在苯酐、順酐的收率及選擇性的求取中各數(shù)據(jù)的意義。 例 4－ 9 自己看。4—9 一般反應(yīng)過程的物料衡算 一、直接求算法 (利用化學(xué)計量關(guān)系計算物流組成 ) 已知化學(xué)計量式 ,若已給出反應(yīng)進程變量 ,可直接由初始反應(yīng)物組成計算反應(yīng)產(chǎn)物組成 ,或由產(chǎn)物組成去反算所要求的原料組成 ,從而完成物料衡算。例題 乙烷與氧氣混合得到含 80％乙烷和 20％氧的混合物，然后再在 200％的空氣過量分數(shù)下燃燒，結(jié)果有 80％的乙烷變?yōu)?CO2， 10％變?yōu)?CO，10％未燃燒，計算廢氣組成（以濕基表示）。解：據(jù)題意，送入的氧應(yīng)為 C2H6完全燃燒所需氧量的 3倍，畫出過程示意圖取 80kmol進料乙烷為計算基準過程中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)為：燃燒系統(tǒng)nC2H6=80kmolnO2=20kmoln空氣 ,O2,N2廢氣 n180。 n180。CO2n180。COn180。H2On180。C2H6n180。O2n180。N2C2H6的理論需氧量 nt=80=280kmol實際用氧量＝ 3280＝ 840kmol應(yīng)由空氣供入的氧量＝ 840－ 20＝ 820kmol由空氣帶入的氮量＝ 82079／ 21＝ 3085kmol廢氣中 CO2的量 n180。CO2=802=128kmol廢氣中 CO的量 n180。CO=802=16kmol廢氣中 H2O的量 n180。H2O=803=216kmol廢氣中 C2H6的量 n180。C2H6=80=8kmol廢氣中 N2的量 n180。N2=3085kmol廢氣中 O2的量 n180。O2=840－ 80－ 80=596kmol廢氣 n180。=n180。CO2+n180。CO+n180。H2O+n180。C2H6+n180。O2+n180。N2=128+16+216+8+596+3085=4049kmol衡算式：輸入的－反應(yīng)掉的 +生成的＝輸出的由上數(shù)據(jù)求濕基廢氣組成l CO2％， CO％， H2O％，l O2％， N2％， C2H6％。分析：（ 1）由于輸出方的組分摩爾分數(shù)均未知，使用組分摩爾數(shù)作為未知變量計算要比使用組分摩爾分數(shù)更為簡便。（ 2）反應(yīng)物中 C2H6是限制反應(yīng)物，故進入的氧應(yīng)該是 C2H6完全燃燒所需理論氧量的 3倍。（ 3）在產(chǎn)物中有 O2和 C2H6(未轉(zhuǎn)化的 )存在，這是空氣過量分數(shù)過大的結(jié)果例 4—10 （ P87~88） 思考題： 為什么選取 1kmol對硝基氯苯作基準？例 4—11 （ P88） 思考題： 為什么選取一定量的原料氣作計算基準？ 二、元素衡算l 反應(yīng)過程物料衡算，如知化學(xué)計量式，使用物流中各個組分衡算比較方便，但反應(yīng)前后的摩爾衡算和總摩爾衡算一般不滿足守恒關(guān)系?？傎|(zhì)量衡算在反應(yīng)前后雖可保持守恒，但不同組分的質(zhì)量在反應(yīng)前后又是變化的。進行元素衡算 時，由于 元素 在反應(yīng)過程中具有 不變性 ，用元素的摩爾數(shù)或質(zhì)量進行衡算都能保持守恒關(guān)系，且計算形式比較簡單，校核較方便，尤其對 反應(yīng)過程比較復(fù)雜 ，組分間計量關(guān)系難以確定的情況，多用此法。輸入某元素的量 =輸出同元素量例題：三氯苯可作干洗劑，由苯氯化制取，由于連串反應(yīng)會同時生成各種取代物：C6H6＋ Cl2 C6H5Cl+HCl （ a）C6H5Cl＋ Cl2 C6H4Cl2+HCl （ b）C6H4Cl2＋ Cl2 C6H3Cl3+HCl （ c）C6H3Cl3＋ Cl2 C6H2Cl4+HCl （ d）進料氯氣與苯的摩爾比為 ： 1，反應(yīng)后的 Cl2和 HCl呈氣相逸出，得到液相組成為 C6H61％， C6H5Cl 7％， C6H4Cl212％， C6H4Cl375％， C6H2Cl45％ ,苯的投料量為 1000mol/h。求液相產(chǎn)物與氣相產(chǎn)物的排出量，mol/h。解：過程示意圖及物流標注如圖取單位時間為計算基準系統(tǒng)有 C、 H、 Cl三 個元素 ，可列三個元素衡算式nC6H6=1000mol/hnCl2=3600mol/h氣相 n180。n180。Cl2,n180。HCl,液相n180。1xC6H6=xC6H5Cl=xC6H4Cl2=xC6H3Cl3=xC6H2Cl4=氯化反應(yīng)器l C衡算 6nC6H6=n180。1(6x180。1， C6H6+6x180。1， C6H5Cl+6x180。1， C6H4Cl2+6x180。1， C6H3Cl3+6x180。1， C6H2Cl4)所以 n180。1=nC6H6=1000mol/hH衡算 6nC6H6=n180。HCl+n180。1(6x180。1， C6H6+5x180。1， C6H5Cl+4x180。1， C6H4Cl2+3x180。1， C6H3Cl3+2x180。1， C6H2Cl4)6000=n180。HCl+3240所以 n180。HCl=2760mol/hl Cl衡算 2nCl2=n180。HCl+2n180。Cl2+n180。1(x180。1， C6H5Cl+2x180。1， C6H4Cl2+3x180。1C6H3Cl3+4x180。1， C6H2Cl4)7200=2760+2n180。Cl2+1000所以 n180。Cl2=360013801380=840mol/h例 4—12 （ P89） 思考題 ： 該題目有何特點，為什么用元素衡算方便？ 可否對 C元素作衡算求解該問題？ 例 4—13 （ P89~90） 思考題 ： 為什么選取一定量的干產(chǎn)物氣作計算基準？ 利用元素衡算和利用組分衡算方法選擇的原則： （ 1） 組分 衡算式的各項與 反應(yīng)進度 有關(guān)，若已知 獨立反應(yīng)的反應(yīng)進度或轉(zhuǎn)化率等 進程變量 ,使用組分衡算比較方便。（ 2） 元素 衡算式各項均與 組分變化量 有關(guān)，如組分在反應(yīng)前后的 變化量已知 ，則用元素衡算求未知物流量較方便。 （ 3）若只知進出物料的 組成或量 ，而發(fā)生的 具體 反應(yīng)不知 ， 這時用元素衡算方便，該法僅與組分有關(guān)，與具體反應(yīng)無關(guān)。（ 4）對 多單元 系統(tǒng)，逐個 單元 進行元素衡算反而煩瑣，常采用 組分衡算 ，但對 總系統(tǒng) 使用元素衡算 可以不考慮系統(tǒng)內(nèi)部組分的種種變化，卻有方便之處。靈活地將元素衡算和組分衡算結(jié)合起來，?？珊喕嬎? （ 5）燃料 燃燒 過程中，若給出燃料的元素分析和產(chǎn)物的組成分析，使用 元素 衡算較宜。三、利用聯(lián)系物作衡算 聯(lián)系物 —— 隨物料輸入體系，但完全不參加反應(yīng) ,又隨物料從體系輸出的組分，在整個反應(yīng) 過程 中，它的 數(shù)量不變 。寫出形式簡單，只包括兩個物料的物料平衡 式：或上式中參數(shù)適用單位 ？ 選擇 聯(lián)系物 ，先分析：什么組分以 固定的量和形態(tài)未經(jīng)變化的由 一個物料 到 另一個物料 中去。未經(jīng)變化，反應(yīng)