天津大學(xué)工業(yè)化學(xué)基礎(chǔ)課件第一章-化工基本計算.ppt
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2.4明確一組概念,1、反應(yīng)物的摩爾比:反應(yīng)物的摩爾比指的是加入反應(yīng)器中的幾種反應(yīng)物之間的摩爾數(shù)之比。理論上這個摩爾比可以和化學(xué)反應(yīng)式的摩爾數(shù)相同,相當(dāng)于化學(xué)計量比。實際上對于大多數(shù)有機反應(yīng)來說,各種反應(yīng)物的摩爾比并不等于化學(xué)計量比。(主要考慮反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率和原料成本等因素),2.限制反應(yīng)物和過量反應(yīng)物,化學(xué)反應(yīng)物不按化學(xué)計量比投料時,其中以最小化學(xué)計量數(shù)存在的反應(yīng)物叫做“限制反應(yīng)物”。而某種反應(yīng)物的量超過限制物反應(yīng)完全反應(yīng)的理論量,則該反應(yīng)物稱為“過量反應(yīng)物”。過量反應(yīng)物超過限制反應(yīng)物所需理論量部分占所需理論量的百分?jǐn)?shù)叫做“過量百分?jǐn)?shù)”。Ne:過量反應(yīng)物的摩爾數(shù);Nt:限制反應(yīng)物完全反應(yīng)所消耗的摩爾數(shù);,3.轉(zhuǎn)化率,某一種反應(yīng)物A反應(yīng)掉的量NAR占向反應(yīng)器中輸入量NA,百分?jǐn)?shù)稱為反應(yīng)物A的轉(zhuǎn)化率XA:,,4.選擇性,一種反應(yīng)物A反應(yīng)掉的量N某占向反應(yīng)器中輸入量NA,in百分?jǐn)?shù)稱為反應(yīng)物A的轉(zhuǎn)化率XA:選擇性指的是某一反應(yīng)物轉(zhuǎn)變成目的產(chǎn)物時,理論消耗的摩爾數(shù)占該反應(yīng)物在反應(yīng)中實際消耗的總摩爾數(shù)的百分?jǐn)?shù)。,NP:表示生成目的產(chǎn)物的摩爾數(shù);A,p分別表示為反應(yīng)物A和目的產(chǎn)物P的化學(xué)計量系數(shù)S:為選擇性;,5.理論收率,理論收率指的是生成目的產(chǎn)物的摩爾數(shù)占輸入的反應(yīng)物摩爾數(shù)的百分?jǐn)?shù),用y表示:轉(zhuǎn)化率XA,選擇性S和理論收化率y三者之間的關(guān)系為:,,,例如,100mol苯胺在用濃硫酸進行焙烘磺化時,反應(yīng)產(chǎn)物中含87mol對胺基苯磺酸;2mol未反應(yīng)的苯胺,另外還有一定數(shù)量的焦油物,,,6.質(zhì)量收率y質(zhì),反應(yīng)過程生成目的產(chǎn)物的質(zhì)量占某一輸入反應(yīng)物質(zhì)量的百分?jǐn)?shù),,7.原料消耗定額:(單耗),原料消耗定額是指生產(chǎn)1噸(或公斤)產(chǎn)品需要消耗多少噸(或公斤)各種原料,對于主要反應(yīng)物來說,它實際上是質(zhì)量收率的倒數(shù)。,8.單程轉(zhuǎn)化率和總轉(zhuǎn)化率,有些生產(chǎn)過程,主要反應(yīng)物每次經(jīng)過反應(yīng)器后的轉(zhuǎn)化率并不太高,但是未反應(yīng)的主要反應(yīng)物大部分可經(jīng)過分離回收循環(huán)套用。這時要將轉(zhuǎn)化率分為單程轉(zhuǎn)化率和總轉(zhuǎn)化率兩項。,,,,表示反應(yīng)物A輸入和輸出反應(yīng)器的摩爾數(shù),,,,,表示反應(yīng)物A輸入和輸出全過程的摩爾數(shù),衡算基準(zhǔn)的選擇示例,計算基準(zhǔn)的選擇是計算的關(guān)鍵。基準(zhǔn)選擇恰當(dāng)可使計算工作大為簡化、計算過程清晰、計算結(jié)果誤差減少。相反,基準(zhǔn)選擇不當(dāng),不僅使計算過程復(fù)雜、麻煩,有時還會造成計算結(jié)果錯誤。,,例1丙烷充分燃燒時要供入空氣量125%,反應(yīng)式為C3H8+5O2→3CO2+4H2O問:每100摩爾燃燒產(chǎn)物需空氣量多少摩爾?,,解題思路:有三種不同的基準(zhǔn)選取方法:(1)選取1molC3H8氣體作為基準(zhǔn)。(2)選取1mol空氣作為基準(zhǔn)。(3)選取100mol煙道氣作為基準(zhǔn)。,,(1)選取1molC3H8氣體作為基準(zhǔn),所需空氣量為:燃燒需理論氧5mol總需加入氧量=1.255=6.25mol折算為空氣[空氣中氧占21%(體積)]29.76mol氮=23.51摩,,,物料衡算結(jié)果(以1molC3H8氣體為基準(zhǔn))每100摩爾煙道氣所需空氣量為:100摩煙道氣(6.25+23.51)mol空氣/31.76摩煙道氣=93.7mol空氣,,(2)選取1mol空氣作為基準(zhǔn)??紤]到空氣過剩量,C3H8的摩爾為0.0036150.211.25=0.0036由此計算得各物質(zhì)量見下表所示:物料衡算結(jié)果如表所示:,,每100摩爾煙道氣所需空氣量為:(100摩煙道氣1.0摩空氣)/1.068摩煙道氣=93.7mol空氣,,(3)選取100mol煙道氣作為基準(zhǔn)。令N=煙道氣中N2摩爾數(shù)M=煙道氣中O2摩爾數(shù)P=煙道氣中CO2摩爾數(shù)Q=煙道氣中H2O摩爾數(shù)A=入口空氣摩爾數(shù)B=入口丙烷摩爾數(shù)共有6個未知數(shù),求解時必需有6個獨立方程式,,以上共列出9個線性方程式,含6個未知數(shù)(A,B,N,M,P,Q),解此6個未知數(shù)時,可先檢查上列9個線性方程式是否都是獨立的?如果不是,那些是多余的?我們發(fā)現(xiàn):方程式(7,8,9)都與式(1-6)相關(guān),因此,線性獨立方程式只有(1—6)相關(guān)。6個方程,6個未知數(shù),有確定解。我們用矩陣解之。矩陣解法如下::,改寫為矩陣式:,,即AX=C當(dāng)方程組有唯一解時,應(yīng)有:X=A-1C利用MATLAB軟件進行計算,過程為:A=[0300-10;04000-1;0.2100-1-1-0.5;0.790-1000;001111;0.04200-100]C=[0;0;0;0;100;0]X=inv(A)*C,計算結(jié)果如下:X=93.70313.148474.02553.93559.445312.5937從上述三種解法中可看出,第三種解法雖然避免了將物料流轉(zhuǎn)換為規(guī)定的基準(zhǔn),但卻比第一、第二種解法工作量大得多。從題意要求看,第一、第二種解法所選定的基準(zhǔn)較恰當(dāng)。,25有化學(xué)反應(yīng)物料衡算,1一般反應(yīng)過程物料衡算(1)直接求解法只含一個未知量或組成可根據(jù)化學(xué)反應(yīng)式直接求解,,主要是通過化學(xué)計量系數(shù)來計算,但計算時要注意一些特殊情況?,F(xiàn)在以鄰二甲苯氧化制苯酐為例來說明。例1鄰二甲苯氧化制苯酐,反應(yīng)式是C8H10+3O2→C8H4O3+3H2O設(shè)鄰二甲苯的轉(zhuǎn)化率為60%,氧用量為理論量的150%,每小時投料量為100千克,作物料衡算。,,解題思路:1.生產(chǎn)中,氧氣的引入以空氣的方式引入的,組成為氧氣和氮氣,計算時注意。2.氧用量為理論量的150%,應(yīng)將鄰二甲苯的轉(zhuǎn)化率考慮在內(nèi),即為發(fā)生反應(yīng)的鄰二甲苯的量為基礎(chǔ)來考慮這一問題。3.選擇基準(zhǔn)靈活??蛇x(1)鄰二甲苯進料100千克。(2)氧氣進料100千克。(3)空氣進料100千克。(4)每小時進料量為100千克……,,取鄰二甲笨進料100千克。進料:鄰二甲笨100106=0.944kmol氧=0.94460%3150%=2.55kmol出料:笨酐0.94460%148=83.83千克水0.94460%318=30.6千克乘余鄰二甲笨10040%=40千克氧(2.55-0.94460%3)32=27.22千克氮2.550.79/0.2128=268.6千克,,(2).以結(jié)點作衡算在生產(chǎn)中常常發(fā)現(xiàn)這樣的情況,某些產(chǎn)品的組成須采用旁路調(diào)節(jié)才送往下一工序。下面舉一旁路調(diào)節(jié)的例子。,,例3某工廠用烴類氣體轉(zhuǎn)化制合成氣生產(chǎn)甲醇,合成氣體為2321標(biāo)米3/時,CO/H2=1/2.4(摩)。但是轉(zhuǎn)化后的氣體體積組成為CO43.12%,H254.2%,不符合要求。為此,需將部分轉(zhuǎn)化氣送往CO變換反應(yīng)器,變換后氣體體積組成為CO8.76%,H289.75%,氣體體積減小2%。用此變換氣去調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)化氣。求轉(zhuǎn)化氣、變換氣各應(yīng)多少?,,解題思路:1.關(guān)于旁路調(diào)節(jié)的例子,我們可選結(jié)點作衡算。此時,關(guān)鍵在于根據(jù)題意和生產(chǎn)情況,畫出流程簡圖來。2.氣體的體積組成與標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的摩爾百分組成一致。3.凡存在分流操作、旁路調(diào)節(jié)的反應(yīng)單元或物理操作單元時,衡算時應(yīng)注意利用結(jié)點。,(3).利用聯(lián)系物作衡算生產(chǎn)過程中常有不參加反應(yīng)的物料,這種物料習(xí)慣上稱為惰性物料。由于它的數(shù)量(質(zhì)量、摩爾數(shù)等)在反應(yīng)器的進、出料中不變化,我們可以用它和另一些物料在組成中的比例關(guān)系去計算另一些物料的數(shù)量,因此,我們稱這種惰性物料為衡算聯(lián)系物。選擇衡算聯(lián)系物注意:(1)采用聯(lián)系物作衡算,可以簡化計算。(2)有時在同一系統(tǒng)中可能有數(shù)個惰性物質(zhì),可聯(lián)合采用以減小誤差。(3)但是要注意當(dāng)某惰性物數(shù)量很少,且此組分分析相對誤差很大時,則不宜選用此惰性物質(zhì)作聯(lián)系物。,例4某氧化過程排出的尾氣,體積組成已知為O2:10%、N2:85%、CO2:5%,計算空氣用量及氧耗量。解:以氮為聯(lián)系物,計算基準(zhǔn)為尾氣100摩爾。尾氣中氮=10085%=85摩空氣耗量=85/0.79=107.6摩進料空氣中含氧量=107.621%=22.6摩氧耗量=22.6-10=12.6摩,,(4)元素衡算元素衡算是物料衡算的一種重要形式,不需具體反應(yīng)式,是按照元素種類被轉(zhuǎn)化及重新組合的概念表示為:輸入(某種元素)=輸出(同種元素)對反應(yīng)過程中化學(xué)反應(yīng)很復(fù)雜,無法用一或兩反應(yīng)式表示的物料衡算問題,可以列出元素衡式,用代數(shù)法求解。,,例:甲烷,乙烷與水蒸氣用鎳催化劑進行轉(zhuǎn)化反應(yīng),生成氫氣,反應(yīng)器出口氣體組成(干基)為:組分CH4C2H6COCO2H2Mol%4.62.518.64.689.7假定原料只含甲烷乙烷兩種,求兩種氣體摩爾比?1000標(biāo)米原料氣,需多少克蒸氣?,,例5萘用空氣氧化制苯酐,尾氣組成(干基)為O2:12.6%、N2:83.2%、CO2:4.2%(體),假設(shè)萘的轉(zhuǎn)化率為100%,問進料中空氣對萘的比例是多少?例6甲烷和氫混合用空氣完全燃燒來加熱鍋爐,煙道氣分析按體積組成為N2:72.28%、CO2:8.12%、O2:2.44%、H2O:17.15%,問(1)燃料中甲烷與氫(CH4/H2)的比例如何?(2)空氣/(CH4+H2)是多少?,其中主、副反應(yīng)的比例未知,但尾氣中所含的甲烷和二氧化碳可認(rèn)為是由副反應(yīng)產(chǎn)生的,氫是式②及④的結(jié)果,這樣就可推算主、副反應(yīng)的比例。,作年產(chǎn)300噸對硝基乙苯工段物料衡算,原料乙苯純度95%,硝化混酸組成為HNO332%,H2SO456%,H2O12%,粗乙苯與混酸質(zhì)量比1:1.885。對硝基乙苯效率50%,硝化產(chǎn)物為硝基乙苯的混合物,其比例對:鄰:間=0.5:0.44:0.06。配制混酸所用的原料:H2SO493%,HNO396%和H2O,年工作日為300天。假設(shè)轉(zhuǎn)化率為100%,間歇生產(chǎn),,- 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- 天津大學(xué) 工業(yè)化學(xué) 基礎(chǔ) 課件 第一章 化工 基本 計算
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