【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 料流程示意圖 （見(jiàn)圖 4 14 ） 基準(zhǔn)： 50 kg 10% 丙酮水溶液 設(shè) 塔底 輸入的混合氣為x，塔頂?shù)幕旌蠚鉃閥 （ 1 ） 1 0% 丙酮水 溶液中，丙酮：5 k g1 0 %5 0 k g ?? 水：4 5 k g5 ) k g( 5 0 ? （ 2 ） 混合 進(jìn)料氣 體： 其中，丙酮 ： 0 .20 x k g 空氣： 0. 8 0 x kg 列衡算式： 丙酮衡算式：50 . 0 3 y0 . 2 0 x ?? （ 1 ） 空氣衡算式：0 . 9 7 y0 . 8 0 x ? （ 2 ） 解（ 1 ）、（ 2 ）式得：2 3 . 5 2 k gy2 8 . 5 2 k g ,x ?? 進(jìn)料氣中丙酮：5 . 7 0 k g2 8 . 5 2 k g0 . 2 00 . 2 0 x ??? 所以輸入吸收塔氣體的量 為2 8 . 5 2 k g。 50 kg 10% 丙酮水溶液 吸 收 過(guò) 程 H 2 O y kg 丙酮 3 % 空氣 9 7% x kg 丙酮 2 0% 空氣 8 0% 圖 4 1 4 例 4 6 物料流程圖 2023/3/29 54 化工過(guò)程設(shè)計(jì) 干燥 在化工生產(chǎn)中，有些原料、半成品和成品常含有水分（或其他溶劑）。為了便于加工，運(yùn)輸、貯藏和使用，須將物料中的水分（其他溶劑）除去。這種從物料中去除水分（或其他溶劑）的操作稱去濕，去濕的方法很多，可分三類： （ 1）化學(xué)去濕法； （ 2）機(jī)械除濕法； （ 3）熱能去濕法。熱能去濕法也稱干燥。 2023/3/29 55 化工過(guò)程設(shè)計(jì) 例：現(xiàn)有濕紙漿含水 71%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），需通過(guò)干燥去掉其初始水分的 80%，試計(jì)算干燥后紙漿中的含水量和每千克濕紙漿去掉的水分量。 解：由題意干燥過(guò)程的物料流程如下圖所示。 干燥器 濕紙漿 紙漿 0 .29 H 2 O 0. 71 干紙漿 紙漿 1 － x H 2 O x 干燥去掉的 H 2 O = 初始量的 80% 圖 4 1 5 例 4 7 物料流程圖 2023/3/29 56 化工過(guò)程設(shè)計(jì) 基準(zhǔn)： 1 kg 濕漿 由已知，濕紙漿中水的質(zhì)量： 0 . 7 1 k g1 k g0 . 7 1 ?? 由題意，去掉的水的質(zhì)量：0 . 5 6 8 k g80%0 . 7 1 k g ?? 列OH 2的平衡式：干紙漿中水的質(zhì)量 0 . 1 4 2 k g0 . 5 6 8 ) k g( 0 . 7 1 ?? 由總物料平衡：干漿的質(zhì)量0 . 4 3 2 k g0 . 5 6 8 ) k g(1 ?? 干漿的含水量：0 . 3 2 90 . 4 3 2 k g0 . 1 4 2 k gx ?? 所以 干燥后紙漿中的含水量為 29 ，每千克濕紙漿去掉的水分量為 2023/3/29 57 化工過(guò)程設(shè)計(jì) 蒸餾 蒸餾是利用液體混合物中各組分的揮發(fā)度不同進(jìn)行組分分離，多用于分離各種有機(jī)物的混合液，也有用于分離無(wú)機(jī)物混合液的，例如液體空氣中氮與氧的分離。 例：有一個(gè)蒸餾塔，輸入和輸出物料量及組成如下圖 416。輸入物料 1中 A組分的%自塔頂蒸出。求每千克輸入物料可得到塔頂餾出物 2的量及其組成。 2023/3/29 58 化工過(guò)程設(shè)計(jì) 解：基準(zhǔn)： 100 kgh 1輸入物料 令 x = 餾出物中 A的百分含量， y = 餾出物中 B的百分含量。 1 進(jìn)料 1 00 kg h– 1 A 0 B 0 C 0 蒸 餾 塔 冷凝器 2 餾出物 P kg h– 1 A x B y C 1 x y 3 塔底產(chǎn)物 W kg h– 1 A 05 B 55 C 4 圖 4 1 6 例 4 8 物料流程圖 2023/3/29 59 化工過(guò)程設(shè)計(jì) 將各物料的流量及組成列于下表 組 分 mo l% 流股號(hào) 流量 kg h 1 A B C 1 2 3 100 P W 20 x 30 y 50 1 x y 由上表可以看出，共有 5個(gè)未知量，即 P、 W及流股 2的組成 A、B、 C，由于組成 A、 B、 C的百分含量之和為 1，所以只需求得任意兩個(gè)組成，如 A、 B（或 B、 C或 C、 A），第三個(gè)組成就可求出。因此實(shí)際上是 4個(gè)未知量，需要 4個(gè)方程。但是輸入和輸出物料中共有 3個(gè)組分，因而只能寫(xiě)出 3個(gè)獨(dú)立物料衡算式。第四個(gè)方程必須從另外給定的條件列出。 2023/3/29 60 化工過(guò)程設(shè)計(jì) 根據(jù)題意，已知輸入物料中 A組分的 %自塔頂蒸出，即 流股 2中 A組分量為 : （ 1） 總物料衡算式有 P和 W兩個(gè)未知量。 A、 B、 C三個(gè)組分的衡算式中， A組分的衡算式只含一個(gè)未知量 W，所以先列 A組分的衡算式。 A組分衡算式： （ 2） 總物料衡算式： （ 3） B組分衡算式： （ 4） 由（ 2）式得： 代入（ 3）式得： 代入（ 4）式得： y = % 11 %%h100 ???????52w kg? 11 h19 .74k %w20%hkg100 ?? ??????WP ?? %30% ?????52kgw ?1h52)k g(100p ????2023/3/29 61 化工過(guò)程設(shè)計(jì) 由（ 1）式得： 餾出物中 C組成為： 由 C組分衡算式得： 結(jié)果符合 由上例可以看出，因?yàn)榈诙€(gè)方程只有一個(gè)未知參數(shù)， 解這樣的方程，可以避免解方程組。 111h48kg h19 .74k gP h19 .74k g ???? ????x %%%1yx1 ?????? y)x(1h48kg94%h52kg50%h100kg 111 ????????? ???%yx1 ???2023/3/29 62 化工過(guò)程設(shè)計(jì) 總結(jié) : 以上幾例為無(wú)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的物料衡算，當(dāng)利用代數(shù)法求解時(shí)，列衡算式應(yīng)注意下列幾點(diǎn)： ?無(wú)化學(xué)反應(yīng)體系，能列出的獨(dú)立物料衡算式數(shù)目，最多等于輸入和輸出物料中化學(xué)組分的數(shù)目。 ?首先列出含未知量數(shù)目最少的物料衡算方程，最好是能列出一個(gè)方程解一個(gè)未知數(shù)，然后一步一步地列出其它的方程，避免了解方程組的繁瑣。 ?若體系內(nèi)具有很多多組分的物料，則最好將每股物流編號(hào)，并列表表示出已知的量和組成，檢查能列出的衡算方程數(shù)目是否等于未知量的數(shù)目，判斷能否通過(guò)物料衡算式解決問(wèn)題。 2023/3/29 63 化工過(guò)程設(shè)計(jì) ? 具有化學(xué)反應(yīng)的物料衡算 按照質(zhì)量守恒定律，對(duì)于化學(xué)反應(yīng) 1 2 3 4 510NCjjjV A V B V C V D V EMV?? ? ???其 物 料 衡 算 通 式 為 ：例 在催化劑作用下，甲醇借助于空氣氧化可以制取甲醛。為了保證甲醇有足夠的轉(zhuǎn)化率，在進(jìn)料中空氣過(guò)量 50%，甲醇轉(zhuǎn)化率可以達(dá)到 75%，試列出物料衡算列表。 Vj在反應(yīng)中第 j個(gè)組分的化學(xué)計(jì)量系數(shù)，對(duì)于反應(yīng)物為負(fù)值，對(duì)于產(chǎn)物為正值。 2023/3/29 64 化工過(guò)程設(shè)計(jì) ? 系統(tǒng)物料流程示意圖如圖所示。 ? 計(jì)算基準(zhǔn) 100kmol/h甲醇進(jìn)料。 ? 該反應(yīng)的化學(xué)計(jì)量系數(shù)為甲醇 V1=1，氧 V2=，甲醛 V3=1，水V4=1 物料衡算模型為： 2 2 , 1 1 , 1 1 ,kjj j kkYVF Z F Z F ZV??( 1 , 2 , , )j NC? ???1 0NCjjj MV? ??Yk：關(guān)鍵的或基準(zhǔn)的一種試劑的轉(zhuǎn)化率。 3 2 H O H O H C H O H O??2023/3/29 65 化工過(guò)程設(shè)計(jì) ?按上述模型求出的解，列表。 2023/3/29 66 化工過(guò)程設(shè)計(jì) ? 簡(jiǎn)單的過(guò)程計(jì)算 含有惰性組分的過(guò)程。 含有惰性組分的過(guò)程是常見(jiàn)的簡(jiǎn)單過(guò)程之一，所謂惰性組分就是在過(guò)程中始終不變的組分。 例 今有一油分，經(jīng)含量分析得知，其中含有 84%的 C和 16%的 H?，F(xiàn)以100kg/h的油分、 。分析燃燒尾氣，其中含有 %的 CO2（體積分?jǐn)?shù)）。試求供給燃燒爐的空氣過(guò)剩量是多少？ 該燃燒過(guò)程的反應(yīng)為： 2 2 H RO nCO m H O? ? ?式 中 R=n+該反應(yīng)也可以分解為 C與 H2的燃燒反應(yīng)，即 222 2 212C O C OH O H O????2023/3/29 67 化工過(guò)程設(shè)計(jì) ? 系統(tǒng)物料流程示意圖如圖所示。 ? 計(jì)算基準(zhǔn) 100kmol/h甲醇進(jìn)料。 ①、系統(tǒng)物料流程示意圖如圖所示。 ②、計(jì)算基準(zhǔn) 1h。 ③、估算輸入流率 84kgC=84/12=7kmol 16kgH2=16/2=8kmol =④、用分解反應(yīng)做反應(yīng)物質(zhì)的物料衡算，各組分在各個(gè)步驟中的數(shù)量分配列于表 ，表中 x表示過(guò)剩的氧氣量， y表示進(jìn)料中的氮。 2023/3/29 68 化工過(guò)程設(shè)計(jì) 22C O CO??2 2 212H O H O表 各組分?jǐn)?shù)量分配 2023/3/29 69 化工過(guò)程設(shè)計(jì) ? ⑤、計(jì)算過(guò)剩的空氣量 按化學(xué)計(jì)量式所需 O2為 4+7=11kmol， 實(shí)際供應(yīng)的 O2量為11+xkmol，氮?dú)膺M(jìn)出總量不變，按大氣組成計(jì)算有 11 xyx?? ? ? ? 全部引出的氣體量為 +x+y=+ 按題給條件，在出口氣體中 CO2占 %，即 7 5 8 x ??解得 x= 實(shí)際上的供氧量為 11+x=11+= 所以過(guò)程空氣量與反應(yīng)所需的空氣量的百分比等于其相應(yīng)的氧氣量的比，即 100% % 0p ? ? ?2023/3/29 70 化工過(guò)程設(shè)計(jì) ? 例 吸收過(guò)程 ? 利用惰性組分的特征可以簡(jiǎn)化物料衡算 。 有一股流率為 50kmol/h， 含有 15%(摩爾分?jǐn)?shù) ， 下同 )CO2和5%H2O的氣流送入吸收塔 ， 用新鮮水吸收 CO2。 吸收后的氣體中 ， 含有 1 %CO2和 3 %的 H 2 O， 新鮮水的流率為500kmol/h。 試求出口流股的組成與流率 。 解 ： ① 簡(jiǎn)化流程示意圖為 2023/3/29 71 化工過(guò)程設(shè)計(jì) ②以 1h作為計(jì)算基準(zhǔn) ③物料衡算： 原料氣中惰性物質(zhì)的流率為 50 ( 1 0. 05 0. 15 ) 40 /k m ol h? ? ? ? 惰性物質(zhì)在入塔氣體中的組成為 80%，在出塔氣體中的組成為 96%， 出塔氣體中惰性氣體的的流率為 40kmol/h,CO2的流率為 40/*= kmol/h. H2O的流率為 40/*=根據(jù)各組分的物料衡算知，對(duì) CO2有 ： 入塔氣體中的 CO2流率 =引出氣體中的 CO2流率和引出液流中的 CO2流率 24050 C ? ? ? ? 出 口 液 流 中 的出口液流中的 CO2流率 =對(duì)水： 入塔氣體中的水流率 +吸收劑流率 =引出氣體中的水 +引出液流中的水的流率 4050 500 ? ? ? ? ? 出 口 液 流 中 的 水出口液流中的