第三章物料衡算和能量衡算-1(物料)

化工 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 第三章物料衡算与能量衡算Chart3MaterielBalanceandEnergyBalance一、化工过程 所谓化工过程，是指由原料经化学处理和物理处理加工成化学产品或中间产品的生产过程。 它包括许多工序，每个工序又由若干个或若干组设备（如反应器、蒸馏塔、吸收塔、干燥塔，分离器、换热器及输送设备等等）组合而成。 物料通过各设备时，完成某种化学或物理处理，最终成为合格的产品。应用守恒定律来研究化工过程的物料衡算和能量衡算问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 。 在不同的生产过程中，有一些具有共性的物理操作，它们不改变物料的化学性质，只改变物料的物理性质，这类操作被称为单元操作，如流体输送、传热、蒸馏、干燥、蒸发、结晶、萃取、吸收、吸附、过滤及破碎等操作。 化工过程中还包括一些改变物料的化学性质的反应过程，如氢与氮合成氨反应、乙烯氧化成环氧乙烷反应等等。 化工过程就是由反应过程和若干个单元操作组合而成的一个系统。化工过程的类型 根据其操作方式分 间歇操作原料一次加入→过程→产品一次排出 连续操作原料连续加入→过程→产品连续排出 半连续操作原料一次加入→过程→产品连续排出或原料连续加入→过程→产品一次排出 根据操作状态分 稳定状态操作（定态操作）过程参数=f(x、y、z) 不稳定状态操作（非定态操作）过程参数=f(x、y、z、t)化工过程基本参数过程参数：生产过程中影响过程运行和状态的物理量。一）温度表示物体冷热程度的物理量。温标。1、摄氏温标，℃水的正常冰点：0℃水的正常沸点：100℃其间均分100等份其单位为℃2、开尔文温标，K（又叫热力学温度，热力学温标）单位是“开尔文”，英文是“Kelvin”简称“开”，国际代号“K”。开尔文是为了纪念英国物理学家LordKelvin而命名的。以绝对零度（0K）为最低温度，规定水的三相点的温度为273.16K，开定义为水三相点热力学温度的1/273.15。3华氏温标,℉水盐混合物的温度：0℉；健康人的血液温度：96℉水的正常冰点：32℉；水的正常沸点：212℉其间均分180等份其单位为℉4、兰金温标，°R与开氏温标相似，也是以最低理论温度为0度的一种绝对温标。其0度为-459.67℉（-460℉）。 四种温度的关系： 二）压力(压强） 三）流量 四）组成3.1物料衡算3.2能量衡算3.3化工模拟软件在化工设计中的应用本章要求 掌握非反应过程的物料衡算及反应过程的物料衡算； 掌握装置的物料衡算； 掌握以反应热效应为基础的计算方法，以及以生成热为基础的计算方法。 本章重、难点：物料衡算及热量衡算。物料、能量衡算在化工技术中的作用 物料、能量衡算是所有设计计算的基础，是反应器和设备设计的根据，也是过程、设备各系统经济核算和最优化的依据。一般来说，在设计一个生产系统，或者计算某个单元操作及设备时，首先必须作物料、能量衡算。物料、能量衡算的目的和内容 在于定量研究生产过程，为过程设计和操作最佳化提供依据。 对过程中的各个设备和工序，逐个计算各物料的流量、组成及热流量和温度，定量地表示所研究的对象。物料、能量衡算的意义 ①计算生产过程的原材料消耗指标、能耗定额和产品产率等。 ②根据物料衡算和能量衡算数据和设备恰当的生产强度，可以设计或选择设备的类型、台数及尺寸。物料衡算和能量衡算是设备计算的依据。 ③作物料衡算可以检查各物料的计量、分析测定数据是否正确；检查生产运行是否正常。 ④作系统各设备及管路的物料衡算时，可以检查出生产上的薄弱环节或限制部位。从而找出相应的强化措施。 ⑤物料衡算和能量衡算是传统最优化和经济核算的基础。 ⑥物料衡算和能量衡算的方程往往用于求取生产过程中的某些未知量或操作条件。3.1物料衡算物料衡算—运用质量守恒定律，对化工过程或设备进行定量计算。通过物料衡算解决以下问题：计算原料消耗量、副产品量；输出过程物料的损耗量及三废的生成量；在物料衡算基础做能量衡算，计算蒸汽、水、电、煤或其他燃料的消耗定额。计算产品的技术经济指标。为生产设备和辅助设备的选型及设计、管路设施与公用工程的设计等方面提供依据。一、物料衡算依据1.理论依据——质量守恒定律物料衡算范围单元操作的物料衡算——化工设备设计的前提 化工过程的物料衡算——化工过程设计的前提物料衡算的一般表达式为： 输入量－输出量＋生成量－消耗量＝积累量 对稳定操作过程，积累量=0 输入量-输出量+生成量-消耗量=0 对无化学反应的过程：输入量－输出量＝积累量 对无化学反应的稳定操作过程：输入量＝输出量对有化学反应的过程：总物料衡算+元素衡算式2.数据基础(1)技术 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 、操作方法、生产能力、年工作时。(2)建设单位或研究单位的要求、设计参数、小试及中试数据：化工单元过程的化学反应式、原料配比、转化率、选择率、总收率，催化剂状态、用量、回收方法、安全性能等；原料及产品的分离方式，分离剂的用量，各步的回收率；特殊化学品的物性：沸点、熔点、饱和蒸汽压、闪点等。(3)工艺流程示意图。二、物料衡算基准物料衡算时须选择计算基准，并在计算过程中保持一致。一般计算过程的基准有以下几种：(1)时间基准——对连续生产过程，常以单位时间(如d、h、s）的投料量或产品量为计算基准。(2)批量基准——以每批操作或一釜料的生产周期为基准。(3)质量基准——当系统介质为液、固相时，选择一定质量的原料或产品作为计算基准较适合。(4)物质的量基准：对于有化学反应的过程因化学反应的按摩尔进行的，用物质的量基准更方便。(5) 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 体积基准：对气体物料进行衡算，可采用标准体积基准，Nm3(STP)，既排除T、p的影响，又可直接换算为摩尔。(6)干湿基准：由于物料中均含有一定量的水分，选用基准时就有算不算水分的问题。湿基计算水分，干基不计算水分。 实际计算时，必须根据具体情况选择合适的基准，过程的物料衡算及能量衡算应在同一基准上进行。三、物料衡算的基本程序(1)确定衡算对象和范围，画出计算对象的草图。注意物料种类和走向，明确输入和输出。(2)确定计算任务，明确已知项、待求项，选择数学 公式 小学单位换算公式大全免费下载公式下载行测公式大全下载excel公式下载逻辑回归公式下载 ，力求使计算方法简化。(3)确定过程所涉及的组分，并对所有组分依次编号。(4)对物流的流股进行编号，并标注物流变量。(5)收集数据资料（设计任务所规定已知条件，与过程有关物理化学参 数）：生产规模（设计任务所规定，t/年）和生产时间（指全年有效生 产天数300~330天/年，计约8000h）。有关定额的技术指标，通常指产品单耗、配料比、循环比、固液 比、气液比、回流比、利用率、单程收率、回收率等等。原辅材料、产品、中间产品的规格；与过程有关有物理化学参数，如临界参数、密度或比体积、状态方程参数、蒸汽压、气液平衡常数或平衡关系等。(6)列出过程全部独立物料平衡方程式及其相关约束式，对有化学反应的还要写出化学反应方程式，指出其转化率和选择性。(7)选择计算基准；(8)统计变量个数与方程个数，确定设计变量个数及全部设计变量。(9)整理并校核计算结果，并根据需要换算基准，最后列成表格即物流表。(10)绘制物料流程图，编写物流表作为设计文件成果编入正式设计文件。识别问题的类型绘制工艺过程示意图选择计算基准建立物料衡算方程式并进行未知量的求解列出物料衡算表 。化工过程的主要效率指标生产能力和生产强度 ⑴生产能力指一个设备、一套装置或一个工厂在单位时间内生产的产品量，或在单位时间内处理的原料量。设计能力——设备或装置在最佳条件下可以达到的最大生产能力。即设备的单位体积的生产能力，或单位面积的生产能力。 ⑵生产强度为设备的单位特征几何量的生产能力。 此指标主要用于比较那些相同反应过程或物理加工过程的设备或装置的优劣。 ⑶有效生产周期： 开工因子通常在0.9左右，开工因子大意味着停工检修带来的损失小，即设备先进可靠，催化剂寿命长。（1）转化率（2-13） 关键反应物——反应物中价值最高的组分，为使其尽可能转化，常使其他反应组分过量。 不可逆反应，关键组分的转化率最大为100%。 可逆反应，关键组分的转化率≤其平衡转化率。转化率、选择性和收率对循环过程而言，有单程转化率和全程转化率。新鲜原料反应系统分离系统产品循环物流循环机械图带有物料循环的流程示意图排放（2）选择性是指体系中转化成目的产物的某反应物的量与参加所有反应而转化的该反应物总量之比。在复杂反应体系中，选择性表达了主、副反应进行程度的相对大小，能确切反映原料的利用是否合理。 选择性或注意：式中的分母是按主反应式的化学计量关系来计算的，并假设转化了的所有反应物全部转变成目的产物。（3）收率（产率）对同一反应物，Y=S•X。无副反应的体系，S=1，Y=X，收率=转化率；有副反应的体系，S<1，目标是使目的产物的收率最高，不单纯追求高转化率或高选择性。 单程收率总收率对循环过程而言，有单程收率和总收率之分。（4）质量收率指投入单位质量的某原料所能生产的目的产物的质量。3.2反应过程物料衡算（1）直接计算法 主要是根据化学反应方程式，运用化学计量系数进行计算的方法，可使计算较为方便。 适用范围：反应较简单，反应式可明确写出时。 为使反应易于进行，常采用使某一物质过量，但应特别注意，过量百分比是基于限制反应物100%的转化，而不论真实反应是否完全或不完全。 在燃烧过程中，通常采用过量空气，即实际供给的空气量超过使燃料中可燃物完全燃烧所需的理论空气量，多余的空气，即为“过量空气”。一般燃烧器，空气过量为5-20%。 ①燃气或烟道气经过燃烧过程所产生的气体，包括其所含的水蒸气的称为湿气，不包括水蒸气在内的称为干气。 ②理论空气量或理论氧气量使过程内的物质完全燃烧所需的空气（或氧气）量，有时也称为空气需要量或氧气需要量。 ③过量空气或过量氧气使过程内的物质完全燃烧，超过所需的空气（或氧气）量。 注意：在部分燃烧反应中，例如C燃烧成CO与CO2，在计算过量空气（氧气）时，均以C完全燃烧成CO2的空气量（氧气量）为基准来计算的。 过量空气百分数与过量氧气百分数相同，其定义为： 氧气进料量=完全燃烧所需的氧气量+过量氧气量注意若过量空气百分数>100%，则过量空气的含义是包括理论需要空气量和超过部分的量的总和。例丙烷充分燃烧时，要供入空气量125%，反应式为：C3H8+5O2→3CO2+4H2O，问每产生100摩尔烟道气需空气量多少摩尔？解：采用不同的计算基准计算。解法Ⅰ基准：100mol丙烷（关键组分）。 反应式：C3H8+5O2→3CO2+4H2O 转化量：100XYZ X=500molY=300molZ=400mol 由于空气中氧气和氮气的摩尔比为： O2∶N2=21∶79 理论空气量=500/0.21=2380.9mol 则实际空气量=过量空气%×理论空气量=125%×2380=2976mol 反应前： 反应后：氮气不参加反应，仍为2351mol。物料衡算结果一览表1 从上表中可看出，反应前后，①各组分的摩尔数和质量数都不相等。 ②总摩尔数也不相等，物质的总质量数未变。 物料 分子量 输入 输出 mol mol% Kg wt% mol mol% Kg wt% C3H8 44 100 3.25 4.4 4.88 O2 32 625 20.32 20.0 22.17 125 3.94 4.0 4.43 N2 26 2351 76.43 65.83 72.96 2351 74.02 65.83 72.96 CO2 44 300 9.45 13.2 14.63 H2O 18 400 12.59 7.2 7.98 总计 3076 100 90.23 100.01 3176 100 90.23 100 从计算结果可以看出，当空气加入量为2976mol时，可产生烟道气3176mol，所以，每产生100mol烟道气需加入的空气量为：100×2976／3176＝93.7（mol）解法Ⅱ基准：100mol空气 反应前： 所含=过量氧气量 由过量氧气量=过量空气%×需要氧气量（也称为理论需氧量） 理论氧气量=过量氧气量/过量空气%=21/125%=16.8mol 则根据化学反应式C3H8+5O2→3CO2+4H2O可以求得参加反应的丙烷用量：1∶5=M∶16.8M=3.36mol 反应后： 氮气不参加反应，仍为79mol。物料衡算结果一览表2 从上表中可看出，仍然可以得出与表1相同的结论；比较表1和表2，可以看出，虽然计算基准不同，但进出物料的组成是一致的。 物料 分子量 输入 输出 mol mol% Kg wt% mol mol% Kg wt% C3H8 44 3.26 3.25 0.148 4.88 O2 32 21 20.32 0.672 22.17 4.2 3.94 0.134 4.43 N2 26 79 76.43 2.212 72.96 7.9 74.02 2.212 72.96 CO2 44 10.08 9.45 0.444 14.63 H2O 18 13.44 12.59 0.242 7.98 总计 103.36 100 3.032 100.01 106.72 100 3.032 100 从计算结果知，每产生106.72mol的烟道气需加入100mol空气，所以产生100mol烟道气需要加入的空气量是：100×100／106.72＝93.7（mol） 例：在鼓泡反应器中进行苯的氯化反应生产氯苯，主反应为：C6H6＋Cl2→C6H5Cl＋HCl同时有副反应发生，生成二氯苯和三氯苯，反应如下：C6H6＋2Cl2→C6H4Cl2＋2HClC6H6＋3Cl2→C6H3Cl3＋3HCl已知鼓泡反应器的产品中，主、副反应产物和未反应的苯的重量比为:氯苯：二氯苯：三氯苯：苯＝l:0.08:0.016:2，求(1)苯的转化率；(2)氯苯的收率；(3)反应的选择性；(4)反应生成的氯化氢总量；(5)反应消耗的氯气总量。解：以100kg产物氯苯为计算基准。 苯、氯苯、二氯苯、三氯苯的分子量分别为78，112.5，147和181.5。 按照所取的计算基准，出口产品混合物中有苯200kg，氯苯100kg，二氯苯8kg，三氯苯1.6kg，需要加入反应器的苯(100％)的量计算如下：生成氯苯消耗苯：生成二氯苯消耗苯：生成三氯苯消耗苯： 未反应的苯200kg，因此需要加入的苯的总量为：69.33＋4.245＋0.688＋200＝274.3kg （1）苯的转化率苯的转化量＝69.33十4.245十0.688＝74.3kg,苯的加入量＝274.3kg所以苯的转化率X＝74.3／274.3＝0.2709 （2）氯苯的收率Y （3）反应的选择性S （4）反应生成的氯化氢总量生成氯苯时同时生成的氯化氢：生成二氯苯时同时生成的氯化氢：生成三氯苯时同时生成的氯化氢：因此，生成的氯化氢总量为：32.4＋3.97＋0.966＝37.35kg (5)反应消耗的氯气总量生成氯苯消耗氯气：生成二氯苯消耗氯气：生成三氯苯消耗氯气： 因此，反应消耗的氯气总量为： 63.11＋7.728＋1.878＝72.72kg（2）元素平衡法（原子衡算法）方法：因为反应前后的物质虽然分子结构不同，但都是由相同元素组成的。所以反应前后各元素原子的量是守衡的，然后依每个分子结构通过相应元素的量（原子数的比值）计算出各个未知的具体量。适用范围：①反应过于复杂，即反应式明确但较多，包含有平行、连串等反应时；②反应式不太明确，无法写出时。 例合成气组成为0.4%CH4、52.8%H2、38.3%CO、5.5%CO2、0.1%O2和2.9%N2（体积百分数）。若用10%过量空气燃烧，设燃烧气中不含CO，试计算燃烧气组成。 解法Ⅰ用原子衡算法求解。画出示意图。 H：0.4%×1000×4+52.8%×1000×2=1072mol＝2C C：0.4%×1000+38.3%×1000+5.5%×1000=442mol＝B O：38.3%×1000+5.5%×1000×2+0.1%×1000×2＋0.21A×2=2B＋C＋2D N：2.9%×1000×2＋0.79A×2=2E 对O2作物料衡算，输入量+产生量=输出量+消耗量0.21A+0.1%×1000＝D+0.1%×1000+0.21A/1.1解之得：A＝2422.4mol，B＝442mol，C=536mol，D＝46.3mol，E＝1943mol基准：1000mol合成气。其中各原子的量为：0.4%CH4、52.8%H2、38.3%CO、5.5%CO2、0.1%O2、2.9%N2 物料 分子量 输入 输出 mol mol% Kg wt% mol mol% Kg wt% H2 2 528 15.42 1.056 1.24 CH4 16 4 0.12 0.064 0.08 CO 28 383 11.19 10.724 12.62 CO2 44 55 1.61 2.420 2.85 442 14.9 19.448 22.88 O2 32 508.8+1 14.89 16.314 19.20 46.2 1.56 1.482 1.74 N2 28 29+1914 56.77 54.404 64.02 1943 65.48 54.404 64.02 H2O 18 536 18.06 9.648 11.35 总计 3422.8 100 84.982 100.01 2967.3 100 84.982 99.99例：丙烷充分燃烧时要使空气过量25％,燃烧反应方程式为：C3H8＋5O2→CO2＋4H2O求每100mol燃烧产物(烟道气)需要加入多少丙烷和空气。 解：以l00mol烟道气作基准进行物料衡算 作C原子平衡得：3B＝P 作H原子平衡得：8B＝2Q 作O原子平衡得：0.21A×2＝2P＋Q＋2M 作N平衡得：0.79A×2＝N×2 由以l00mol烟道气作基准得：P+Q+M+N＝100 作O2平衡得：0.21A×（0.25／1.25）＝M* 解上述方程组得：A＝93.76mol，B＝3.148mol，因此，100mol烟道气需要加入空气93.76mol，加入丙烷3.148mol。（3）以化学平衡进行衡算 化学反应中，当正反应与逆反应的反应速率相等时，即达到化学平衡，在定T、定P，且反应物的浓度不变时，平衡将保持稳定，此时需借助化学反应平衡常数与浓度之间的关系式计算。 例试计算合成甲醇过程中反应混合物的平衡组成。设原料气中H2与CO摩尔比为4.5，惰性组分含量为13.8%，压力为30MPa，温度为365℃，平衡常数Kp=2.505×10-3MPa-2。 解：分析：由Kp可看出，此题是当作理想气体混合物进行简化计算的。依题意求yi，需求出反应后的ni和n，因发生化学反应，应对每个组分进行物料衡算，方可确定。 化学反应式：CO+2H2→CH3OH①首先计算出原料气的摩尔组成：含惰性组分13.8%，(H2+CO)为1－13.8%=86.2%，需分别求出H2和CO的组成含量。原料气中H2与CO摩尔比为4.5H2[4.5/(1+4.5)]×86.2%=70.53%；CO(1/5.5)×86.2%=15.67%惰性气体13.8%；②基准：1mol原料气，平衡转化率为XCO。CO+2H2→CH3OH平衡时n/mol：0.1567(1-xCO)0.7053-2×0.1567xCO0.1567xCO开始n/mol：0.15670.7053转化量n/mol：0.1567xCO2×0.1567xCO惰性气体：0.138试差得XCO=0.4876 ③平衡时组成： CO：0.1567×(1-0.4876)=0.0803mol H2：0.7053－2×0.1567×0.4876=0.5525mol CH3OH：0.1567×0.4876=0.0764mol 惰性气体0.138mol =1－0.3134×0.4876=0.8472mol 摩尔组成： 若某产物P的收率已知，根据收率的定义式，便可求出一定产量下的加料量。 例如有一连串反应，其计量关系为A→P→Q，已知P的摩尔收率Yp＝0.8，P的产量为100kmol／h，根据收率的定义式有：因而，A的加料量＝100/0.8＝125(kmol/h)(4)根据收率数据作物料衡算例：乙烯氧化制环氧乙烷的反应器中进行如下反应：反应器进口混合气体的流量为45000m3(STP)/h，组成如下：乙烯的转化率为32％，反应选择性为69％，求反应器出口气体的组成和流量。 转化率 收率 选择性Y＝S·X 解：环氧乙烷的收率＝0.32×0.69＝0.2208CO2的收率＝0.32(1－0.69)＝0.0992因此，反应器出口气体各组分的流量为：乙烯环氧乙烷CO2H2ON2O2反应器的物料平衡表如下：（5）具有循环和旁路过程的物料衡算 在化工生产中，由于受到化学平衡、相平衡以及反应速度等多种因素的限制，原料往往不能完全转比为产品，为了提高原料利用率，增加产品的经济效益，可采取循环操作。 循环操作就是把反应后得到的产品，经全部分离或部分分离后，将其剩余的物料重新返回系统，与新鲜原料混合继续进行加工。 循环流程的优点： 能够显著地提高原料利用率，减少系统排放量，降低了原料消耗，也减少了对环境的污染。 循环流程的缺点： 循环体系中惰性物质和其他杂质会逐渐积累，对反应速率和产品产率有影响，必需定期排出这些物质以避免积累。 另外，大量循环物料的输送会消耗较多动力，所以对于那些反应后绝大部分原料均转化为目的产物的过程，不必采用循环流程。通常可采用下列两种算法： ①试差法（需多次计算）估计循环流量，计算至循环回流的那一点。将估计值与计算值比较，重新假定估计值，一直计算到估计值与计算值之差在一定的误差范围内。 ②代数解法列出物料平衡方程式，并求解。一般方程式中以循环量为未知数，用联立方程式的方法求解。具体做法：一般在衡算时，先进行总的过程衡算，再对循环系统列出方程式求解。在没有循环时，一系列单元步骤的物料平衡可按顺序依次进行。但是若有循环物料时，由于循环流量尚未计算，采用逐次计算并不能计算出循环量。 例题：在银催化剂作用下，乙烯可被空气氧化成环氧乙烷（C2H4O），副反应是乙烯完全氧化生成CO2和H2O。已知离开氧化反应器的气体干基组成为：C2H43.22%，N279.64%，O210.81%，C2H4O0.83%，CO25.5%（均为体积分数）。该气体进入水吸收塔，其中的环氧乙烷和水蒸气全部溶解于水中，而其他气体不溶于水，由吸收塔顶逸出后排放少量至系统外，其余循环回氧化反应器。 计算（1）乙烯的单程转化率；（2）生成环氧乙烷的选择性；（3）循环比；（4）新鲜原料中乙烯和空气量之比。解：对题目进行初步分析，分析与计算同步进行： ①此题因有循环，采用代数解法。 ②由转化率和选择性的概念可知，需计算反应过程中的变化量，即需要进行物料衡算才能得知。 ③由题给条件——离开反应器的气体干基组成，可选定计算基准为反应器出口气中100mol干气。 ④由题意画出流程方框图，选定各物料未知量符号，并根据题意标明各组分量。 ⑤因为有两个反应式，组分也较多，所以采用原子衡算法计算。 该过程的流程方框图如下： 计算基准：反应器出口气中100mol干气。 令新鲜原料气（FF）中C2H4量为Xmol，空气为Ymol（含79%N2和21%O2）；排放气为Wmol；乙烯完全氧化生成的水量为Zmol。FreshfluidMixfluidproductRecyclefeedReactionproductSeparateproductwasteC2H4XmolO2N2空气YmolWmolC2H43.22%N279.64%O210.81%C2H4O0.83%CO25.5%H2OZmolH2OZmolC2H4O0.83molC2H4N2O2CO2C2H4N2O2CO2C2H4N2O2CO2C2H4N2O2CO2C2H4+0.5O2→C2H4OC2H4+3O2→2CO2+2H2O基准：100mol干气（1）确定反应产物经分离后的各部分的量。 分析：由流程方框图可知，物流RP分离成P和SP，SP分流为RC和W，该两过程均无化学反应，且SP、RC和W三者的组成相同。则各部分的量：SP=RP－P；RC=SP－W 又环氧乙烷和水蒸气全部溶解于水中，则P=100×0.83%+Z。（2）确定进入反应器的混合物料量。 分析：进反应器的气体MF由新鲜原料气FF和循环气RC组成，混合过程无化学反应，则MF=FF+RC。RP、P、SP、W中各组分物质的量和组成表 物料 RP（出反应器气） P（产物） SP（出吸收塔气） W（排放气） mol 干基mol% mol mol mol% mol mol% C2H4 3.22 3.22 3.22 3.25 0.0325W 3.25 O2 10.81 10.81 10.81 10.90 0.109W 10.90 N2 79.64 79.64 79.64 80.30 0.803W 80.30 C2H4O 0.83 0.83 0.83 CO2 5.5 5.5 5.5 5.55 0.0555W 5.55 H2O Z Z 总计 100+Z 100 0.83+Z 99.17 100 W 100RC、FF和MF中各组分物质的量和组成表 物料 RC（循环气=SP-W） FF（新鲜原料气） MF（混合原料气） mol mol% mol mol% mol% C2H4 3.22-0.0325W 3.25 X 3.22-0.0325W+X O2 10.81-0.109W 10.90 0.21Y 21 10.81-0.109W+0.21Y N2 79.64-0.803W 80.30 0.79Y 79 79.64-0.803W+0.79Y C2H4O CO2 5.5-0.0555W 5.55 5.5-0.0555W H2O 总计 99.17-W 100 X+Y 100 X+Y+99.17-W （3）作总系统物料衡算，求出具体的量。从新鲜原料气开始，到以产物和排放气的形式离开系统为止，因吸收剂（水）的输入和输出的量不变，可不考虑，则总系统衡算图为： 用原子衡算法计算：FF中某元素的原子总的物质的量（mol）=P中该元素的原子总的物质的量（mol）+W中该元素的原子总的物质的量（mol） C：2X=（0.83×2）+（0.0325W×2+0.0555W）（1） H：4X=（0.83×4+2Z）+（0.0325W×4）（2） O：0.21Y×2=（0.83+Z）+（0.109W×2+0.0555W×2）（3） N：0.21Y×2=（0.83W×2）（4）联立求解得：X=2.008mol；Y=19.87mol；Z=1.085mol；W=19.55mol。 （4）根据化学反应式进行计算，求出转化率和选择性。 分析：对稳定流动过程，系统中任何组分均无积累。且在正常操作时，循环气中已经存在一定量的CO2（控制不变），反应器中不断生成的CO2就会打破这项指标，为此，需要将这部分生成的CO2排放出去，才能实现稳定生产。同理，反应器中不断生成的C2H4O等于产物P中C2H4O的量。主反应：C2H4+0.5O2→C2H4O转化量：0.830.83 副反应：C2H4+3O2→2CO2+2H2O转化量：0.5×1.0850.0555×19.55=1.085 乙烯的单程转化率： 乙烯的全程转化率： 生成环氧乙烷的选择性： 6.利用联系物作物料衡算 生产过程中常有不参加反应的物料，这种物料习惯上称为惰性物料。 由于它的数量在反应器的进口、出口物料中没有变化，计算时可以利用它在设备进、出口的数量(质量或摩尔数)不变的关系列物料衡算方程。因此称这种惰性物料为联系物。见课本例题3-6。作业： 1.在化学反应器中，利用乙烯部分氧化制取环氧乙烷，是将乙烯在过量空气存在条件下通过银催化剂进行。主反应：2C2H4+O2→2C2H4O，同时存在副反应：C2H4+3O2→2CO2+2H2O。如果进料物质的流量为1000mol／h，进料中含C2H4摩尔分数10％，乙烯的转化率为25％，生成产物的C2H4O的选择性为80％，计算反应器出口物流的流量与组成。试用元素原子衡算法计算。2、丁烯催化氧化脱氢的主要反应为:C4H8+0.5O2=C4H6+H2O，伴随这个主要反应，还有许多副反应，生成酮、醛和有机酸等。从下表所列气体分析数据计算转化率、收率和选择性。解：由于在丁烯催化氧化脱氢反应过程中，虽然气体混合物的总体积膨胀，然而其中氮含量不变，故以100mol原料气为基准作氮平衡，可以求得反应后气体混合物的量。即：反应产物中：正丁烯103.45丁二烯103.450.0445=4.6035mol或者：收率=转化率选择性=75.06%85.87%=64.45%0.0170=1.7586mol故：*