【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 mol 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 ? CO2 ％， CO ％， H2O ％， ? O2 ％， N2 ％， C2H6 ％。 分析： （ 1）由于輸出方的組分摩爾分?jǐn)?shù)均未知，使用組分摩爾數(shù)作為未知變量計(jì)算要比使用組分摩爾分?jǐn)?shù)更為簡(jiǎn)便。 （ 2）反應(yīng)物中 C2H6是限制反應(yīng)物，故進(jìn)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(guò)量分?jǐn)?shù)過(guò)大的結(jié)果 例 4— 10（ P87~88） 思考題： 為什么選取 1kmol對(duì)硝基氯苯作基準(zhǔn) ？ 例 4— 11（ P88） 思考題： 為什么選取一定量的原料氣作計(jì)算基準(zhǔn)？ 二、元素衡算 ? 反應(yīng)過(guò)程物料衡算，如知化學(xué)計(jì)量式，使用物流中各個(gè)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(mǎn)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(jìn)行 元素衡算 時(shí)，由于 元素 在反應(yīng)過(guò)程中具有 不變性，用元素的摩爾數(shù)或質(zhì)量進(jìn)行衡算都能保持守恒關(guān)系，且計(jì)算形式比較簡(jiǎn)單，校核較方便，尤其對(duì) 反應(yīng)過(guò)程比較復(fù)雜 ，組分間計(jì)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(huì)同時(shí)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(jìn)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(guò)程示意圖及物流標(biāo)注如圖 取單位時(shí)間為計(jì)算基準(zhǔn) 系統(tǒng)有 C、 H、 Cl三 個(gè)元素 ， 可列三個(gè)元素衡算式 nC6H6=1000mol/h nCl2=3600mol/h 氣相 n180。 n180。Cl2, n180。HCl, 液相n180。1 xC6H6= xC6H5Cl= xC6H4Cl2= xC6H3Cl3= xC6H2Cl4= 氯化反應(yīng)器 ? 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/h H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/h ? Cl 衡算 2 nCl2=n180。HCl+2n180。Cl2+n180。1(x180。1， C6H5Cl +2x180。1， C6H4Cl2+3x180。1 C6H3Cl3+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(diǎn)，為什么用元素衡算方便？ 可否對(duì) C元素作衡算求解該問(wèn)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(jì)算基準(zhǔn)？ 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(xiàng)與 反應(yīng)進(jìn)度 有關(guān) ， 若 已知 獨(dú)立反應(yīng)的反應(yīng)進(jìn)度或轉(zhuǎn)化率等 進(jìn)程變量 , 使用組分衡算比較方便 。 （ 2） 元素 衡算式各項(xiàng)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(jìn)出物料的 組成或量 ， 而發(fā)生的 具體 反應(yīng)不知 ， 這時(shí)用元素衡算方便 ， 該法僅與組 分有關(guān) ， 與具體反應(yīng)無(wú)關(guān) 。 （ 4）對(duì) 多單元 系統(tǒng)，逐個(gè) 單元 進(jìn)行元素衡算反 而煩瑣，常采用 組分衡算 ，但對(duì) 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(lái)，常可簡(jiǎn)化計(jì)算 （ 5） 燃料 燃燒 過(guò)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(gè)反應(yīng)過(guò)程 中 ， 它的 數(shù)量不變 。 寫(xiě)出形式簡(jiǎn)單，只包括兩個(gè)物料的物料平衡 式： PTFT PxFx ?或 FTPTxxPF ?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(gè)物料 到 另一個(gè)物料 中去。未經(jīng)變化，反應(yīng)不行，固定的量，有損失不可。 某個(gè) 元素 或某個(gè)不變的 基團(tuán) 也可作聯(lián)系組分。 選擇聯(lián)系物時(shí)應(yīng)注意： （ 1） 當(dāng)體系中有 多個(gè) 惰性組分時(shí) ， 可用其 總量 作聯(lián)系物； （ 2） 當(dāng)惰性組分 量很少 時(shí) ， 且分析 誤差大 時(shí) ， 該 組分 不宜 作聯(lián)系物 。 此時(shí)將引入大的計(jì)算誤差 。 例 4— 15 P92 思考題：為什么選取 N2作聯(lián)系物 ？ 例 4— 16 P93~94 思考題： 為什么選取 100mol煙道氣作計(jì)算基準(zhǔn) ？ 為什么選取 N2作聯(lián)系物 ？ 例題 .乙烷與空氣在爐子里完全燃燒，反應(yīng)式 C2H6 + O2 ? 2CO2 + 3H2O 經(jīng)分析知煙道氣的干基組成（ mol%）為： N2，85%； CO2， %； O2， % 。 試求進(jìn)料中空氣與乙烷的摩爾比。 解：畫(huà)出物料流程圖 燃 燒 爐 F乙烷 A空氣 N2 79％ O2 21％ P煙道氣 N2 85％ CO2 ％ O2 ％ 取 100kmol/h煙道氣為計(jì)算基準(zhǔn)（可否取其它基準(zhǔn)？） ? 利用 N2為聯(lián)系物， ? 79%A＝ 85%P A＝ ? 對(duì)碳元素作衡算 : %P=2F ? 所以 F＝ ? A/F=能否用其它方法求之？ 補(bǔ)充例題： 進(jìn)行某種燃料完全燃燒實(shí)驗(yàn)以確定適宜的空氣過(guò)量百分?jǐn)?shù)和生成的煙道氣體積 。 燃料分析含 C 88%， H 12%（ 質(zhì)量百分?jǐn)?shù) ） ， 由于缺少流量測(cè)量裝置 ， 只知煙道氣分析結(jié)果為： CO2 %； %； N283%（ 干基體積百分?jǐn)?shù) ） 。 解： 分析題意并畫(huà)出過(guò)程示意圖 燃燒過(guò)程 原料 G %12%88??HCWW%83%%222???NOCOyyy 水汽Wkmol 空氣Akmol 干 煙道 氣 F (2) 實(shí)驗(yàn)結(jié)果為完全燃燒 ， 故煙道氣中必含水蒸 汽 ， 其完全由燃料轉(zhuǎn)化而來(lái)；已知煙道氣干基組成 ， 將水蒸氣和煙道氣分成兩股物流計(jì)算 更方便 。 (3) N2是由空氣帶入的不變組分 ， 可作為聯(lián)系組分 。 (4) 原料結(jié)構(gòu)不明 ， 應(yīng)使用元素衡算 ， 因 C和 H元素各自完整地轉(zhuǎn)移到煙道氣和水蒸氣中 ， 它們也可作為聯(lián)系組分 （ 5）元素衡算可用質(zhì)量單位，但本例物流多為氣相，給出的是摩爾組成，故采用摩爾計(jì)算略為簡(jiǎn)便。 （ 1）各物 流量均未知 ，但組成分析已知。 計(jì)算 基準(zhǔn) F=100kmol干煙道氣為基準(zhǔn) 。 （ 可否取可取100kg燃料或 100kmol 空氣為基準(zhǔn) ） 查得 C和 H千摩爾質(zhì)量分別為 。 由聯(lián)系物 N2求空氣量 A ??? FA kmolA ? 由聯(lián)系物 C衡算求燃料量 G ??? FG G= 由氧衡算求水量 W 反應(yīng)： C+O2 CO2； 2H+O2 H2O 空氣中氧的量 =干煙道氣中的氧的量 +CO2中氧量 +水汽中氧的量 利用聯(lián)系物 H衡算水汽量更簡(jiǎn)便 kmolWWFA2)(?????解得； kmolGW %12 ????兩 W間誤差達(dá) 7%，顯然非舍入誤差。 計(jì)算空氣過(guò)量百分?jǐn)?shù) 先計(jì)算理論空氣量 At 本例中空氣過(guò)量百分?jǐn)?shù)也可由干基煙道氣實(shí)測(cè)O2%計(jì)算 %%100%%%%100222??????????的量剩余的量進(jìn)入的量剩余OOO?%%100%1001????????????????????tttAAAkmolA?空氣過(guò)量百分?jǐn)?shù)計(jì)算結(jié)果分析 （ 1） 利用聯(lián)系物?？闪⒓辞蟮媚承┪锪髁炕蚪M成 ，從而簡(jiǎn)化計(jì)算 。 （ 2） 校核結(jié)果有較大誤差 ， 主要是物料組成的分析誤差所致 。 因此 ， 利用聯(lián)系組分衡算 ， 從組成求物流量時(shí) ， 組成分析數(shù)據(jù)必須力求準(zhǔn)確 。 （ 3） 通常因元素分析結(jié)果要比目前工業(yè)煙道氣組成分析 （ 使用奧氏氣體分析儀 ） 準(zhǔn)確 。 因此 ， 采用H衡算得水汽量要比由 O2衡算的結(jié)果更可靠 （ O2衡算時(shí)還涉及兩個(gè)大數(shù)相減 ， 會(huì)進(jìn)一步增加誤差 ） 。所以 ， 空氣過(guò)量百分?jǐn)?shù)由計(jì)算 At得出的數(shù)值更可靠 。 4—10有平衡反應(yīng)過(guò)程的物料衡算 ? 有平衡反應(yīng)過(guò)程的物料衡算，除了需建立物料或元素衡算式外，常常還需要利用反應(yīng)平衡關(guān)系來(lái)計(jì)算產(chǎn)物的平衡組成。 4—11具有循環(huán)、排放及旁路過(guò)程的物料衡算 一、循環(huán)過(guò)程的物料衡算 過(guò)程流程示 意圖 如下 循環(huán)物料 —— 加到進(jìn)料中循環(huán)使用的部分物料 （產(chǎn)物）。 反 應(yīng) 器 分 離 器 新鮮原料 F MF RP 產(chǎn)品 P 循環(huán) 物料 R 以反應(yīng)器為體系 得單程 轉(zhuǎn)化率 x單 ， %100??? MFARPAMFANNNx單以整個(gè)過(guò)程為體系得總轉(zhuǎn)化率 x總 ， %100??? FASAFANNNx總當(dāng)體系中僅有一個(gè)反應(yīng)器 ， 則系統(tǒng)內(nèi)反應(yīng)掉的A的量與反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)掉的 A的量相同 。 FAMFA NxNx.. 總單 ?此關(guān)系在物料衡算中可利用之 。 采用循環(huán)物料可提高原料總轉(zhuǎn)化率 。 循環(huán)過(guò)程的物料衡算求解方法有二： （ 1）試差法 先估計(jì)一 循環(huán)量 ， 計(jì)算至回流的那一點(diǎn) ， 將計(jì)算值與估算值比較 ， 并重新假定一估計(jì)值 ， 直至估計(jì)值與計(jì)算值在一定誤差范圍內(nèi) 。 （ 2）代數(shù)求解法 列物料衡算式，聯(lián)立求解求 R。 一般對(duì)于僅有一個(gè)或兩個(gè)循環(huán)物流的簡(jiǎn)單情況，只要計(jì)算基準(zhǔn)及體系邊界選取得當(dāng)，可簡(jiǎn)化計(jì)算。 通常衡算時(shí)，先對(duì) 總體系 進(jìn)行衡算（可不考慮循環(huán)物料） 再對(duì) 循環(huán)體系列式求解。 應(yīng)特別注意： 衡算中討論的是 定常 過(guò)程 ，由于發(fā)生反應(yīng)、分離、分割、循環(huán)和混合，各流股的量和組成可能彼此不同，但均 不會(huì)隨時(shí)間 而 變 化，也 不會(huì) 在各個(gè)單元中發(fā)生積累 ； 進(jìn)入 和 離開(kāi) 總系統(tǒng)的物料在質(zhì)量上必然保持 守恒 ，不因循環(huán)回去一部分而使系統(tǒng)的出料小于進(jìn)料；在系統(tǒng)進(jìn)出料間的摩爾數(shù)的改變（化學(xué)反應(yīng)而致）應(yīng)當(dāng)符合化學(xué)計(jì)量關(guān)系。 例 4— 19P98~100 （ 1） 先對(duì)整個(gè)過(guò)程衡算 （ 利用 x總 定義 ） ， 減少 未知數(shù)的數(shù)目； （ 2） 再對(duì)反應(yīng)器作衡算 。