马后炮化工论坛-第1章物料能量平衡

物料平衡一、基本衡算关系（衡算体、衡算基准）　　1总体质量衡算　　2组分质量衡算　　3元素质量衡算可编辑ppt二、物料衡算基本方法　1直接计算法　　根据体系特性直接衡算，多用于简单体系如：变换过程物料衡算　CO+H2=CO2+H2O2联系组分法以总量不发生变化的物质/种（惰性组分）为“桥梁”进行衡算，简单和复杂体系均适用如：变换过程　CO+H2=CO2+H2O　以N2为联系组分的物料衡算　3联合代数法处理多个未知变量或多个联系方程式的情况。适用于多过程的复杂化工体系如：变化反应体系和水蒸汽平衡体系的联合物料衡算可编辑ppt三、衡算基准和衡算体的确定　　衡算基准：间歇体系多以批量生产为基准；连续体系多以单位时间处理量为基准；相对概念体系多以方便计算为基准，如：100kg，100mol，100Nm3等　　衡算体的选取：以信息量最多、未知数最少的衡算单元为首选衡算体，再逐步扩展至未知数较多或信息量较少的衡算单元，直至问 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 完全解决四、衡算步骤　　（1） 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 题设条件，画出物料衡算简图，确定衡算基准、分级及总体衡算体，标出已知信息　　（2）写出相关的化学反应方程式　　（3）详细列出物料衡算式，进行计算　　（4）汇总列出计算结果（表或图）可编辑ppt例1以含盐量5.25%的浓盐水和含盐量0.65%的稀盐水配置含盐量3.2%的盐水。问，所需的浓、稀盐水量下述说法不正确的是哪些？（多选题）　　（1）需浓盐水多；　（2）需稀盐水多　　（3）浓稀盐水各半；（4）无法配置解：属于相对概念衡算问题　　设配置含盐量3.2%的盐水需要的浓稀盐水的量分别为x和y。则以盐为衡算组分的质量衡算式可写为：答案（1）说法正确，依题设为错误答案　　答案(2)、(3)和(4)说法不正确，依题设为正确答案可编辑ppt例2将流量为20000kg/h、苯和甲苯质量百分含量分别为38%和62％的混合液，采用连续精馏的方法进行分离，要求馏出物中苯的回收率达到97％，塔釜液中苯的残留量不高于2%。问，下列关于塔顶馏出物中苯的摩尔百分数说法不正确的答案是哪些？（多选题）(1)98%；(2)87.5%；(3)85.72%；(4)84.95%解：　属于简单过程物料衡算衡算体选取如右图衡算基准为塔入口流量联合代数法可编辑ppt三个方程，两个独立，任选两个联立求解得：塔顶物流：D=8600kg/h,其中苯85.72%,甲苯14.28%塔底物流：W=11400kg/h，其中苯2％，甲苯98％答案（4）说法正确，依题设为错误答案　　答案(1)、(2)和(3)说法不正确，依题设为正确答案可编辑ppt例3精馏塔序列的计算（逐级衡算体扩展法）　　求算下图所示的各流股的量及塔2的入料组成可编辑ppt解：属复杂过程物料衡算。选取两个衡算体：I为总体系衡算，II为精馏塔2衡算衡算体I衡算体II结果：S2=520mol/h,S4=150mol/h,S5=330mol/h；S3=480mol/h,X3B=0.0125,X3T=0.5925,X3X=0.395可编辑ppt例4丙烷充分燃烧时要供入空气量为理论量的125%，反应式为C3H8+5O2=3CO2+4H2O，问下列每1000mol燃烧产物空气摩尔数需求量错误的答案是哪些?（已知每mol空气中含O20.21mol，含N20.79mol）(1)749.2；(2)937.0；(3)1686.6；(4)1324.7解法1以1mol丙烷为基准　　　直接计算：需要氧气：1.255=6.25mol需要空气：6.25/0.21=29.76mol含氮量：29.760.79=23.51mol燃烧产物量计算(化学反应式):O2:6.25-5=1.25mol;N2:23.51mol;H2O:4mol;CO2:3mol可编辑ppt解法2以1000mol燃烧产物为基准计算（联系组分法）（1）按上述方法计算每燃烧1mol丙烷得到的燃烧产物量为31.76mol，氮气含量为23.51/31.76=74.02%（2）需要的空气量计算：x79%=100074.02%x=937.0mol。结果同上。双基准，麻烦！燃烧产物总mol数：1.25＋23.51＋4＋3＝31.76mol所以，每1000mol燃烧产物需要的空气摩尔数为：　　　1000(29.76/31.76)=937.0mol答案（2）说法正确，依题设为错误答案答案(1)、(3)和(4)说法不正确，依题设为正确答案可编辑ppt例5一个结晶槽内装有60oC的NaHCO3饱和溶液1000kg。将此溶液冷却至20oC，若在冷却过程中进料溶液的水有5%蒸发掉，则溶液中结晶出的NaHCO3量不正确的答案有哪些？已知NaHCO3在20oC和60oC的水中溶解度分别为9.6g/100gH2O和16.4g/100gH2O。(1)54.66kg；(2)62.65kg；(3)67.66kg；(4)73.05kg解：（1）计算基准:1000kg60oC的NaHCO3饱和溶液　　（2）未知数设定　　结晶出的NaHCO3为xkg，20oC的NaHCO3饱和溶液量为ykg可编辑ppt（3）溶解度单位换算（g/100gH2Owt%）NaHCO3饱和溶液组成计算（4）物料衡算关联式NaHCO3衡算：100014.10%=x+y8.76%H2O衡算：100085.90%=100085.90%5%+y91.24%联立求解得：x=62.65kg;y=894.4kg（5）结论答案（2）说法正确，依题设为错误答案答案(1)、(3)和(4)说法不正确，依题设为正确答案可编辑ppt能量平衡（显热、潜热、反应热、功等）（经常：物料衡算＋能量衡算）例6采用100oC的气体HCl和25oC的水生产25oC、HCl质量百分含量为25%的HCl水溶液，产量为1000kg/h。求生产过程的热效应。解：（1）基础数据比热容：kJ/kg·oC　100oCHCl(g)0.81525oCH2O(l)4.184　25oC25%HCl溶液2.86325%HCl溶液的溶解热为：65.23kJ/molHCl可编辑ppt（2）衡算基准1000kg/h25%HCl水溶液，0oC（3）涉及热过程原料HCl(g)和水带入热量：Q1产物25%HCl水溶液带出热量：Q325%HCl溶液配制过程溶解热：QS（4）物料衡算：生产1000kg/h25%HCl水溶液需要的HCl和H2O量分别为：HCl：100025%=250kg/h，即6.849kmol/hH2O：100075%=750kg/h，即41.67kmol/h可编辑ppt（5）热量衡算Q1=2501000.815+750254.184=98825kJ/hQ3=1000252.863=71575kJ/hQS=(6.8491000)65.23=446760kJ热效应：Q2=Q3–Q1–QS=71575–98825–446760=-4.74105kJ/h（6）结论　　生产过程每小时需从吸收装置中移出4.74105kJ的热量可编辑ppt例7萘空气氧化制苯酐，以1mol原料萘计的物料衡算结果为：进料萘1mol，空气50.1mol；出料苯酐1mol，氧6mol，氮气39.6mol，二氧化碳2mol，H2O2mol。液态萘入口温度为200oC、空气入口温度为30oC，反应温度控制在450oC，求需移走多少热？各物质 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 生成自由焓和平均比热见下表，反应式为：C10H10(g)+4.5O2=C8H4O3(g)+2CO2+2H2O(g)解：（1）计算过程 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 原料降温至298K298K下反应产物升温至450oC萘(l)苯酐(g)CO2H2O(g)O2N2H298087.3-373.3-393.5-241.8--kJ/molCP0.260.230.040.040.030.03kJ/mol.K可编辑ppt（2）衡算基准:298K，1mol萘（3）热量衡算:298K下的化学反应热C10H10(g)+4.5O2=C8H4O3(g)+2CO2+2H2O(g)HR,298o=[MiHF,产物o]－[MiHF,反应物o]=[(-373.34)1+(-339.51)2+(-241.81)2]-[87.3]=-1623.28kJ/mol萘原料带入热量H1=H1,萘+H1,空气=0.26(473-298)+[0.0321%+0.0379%]50.1(303-298)=45.5kJ+7.52kJ=53.02kJ可编辑ppt产物带出热量H2=H2,苯酐+H2,氧气+H2,氮气+H2,二氧化碳+H2,水蒸气=[0.231+0.036+0.0339.6+0.042+0.042](723-298)=747.15kJ需要移出热量H=HR,298o+H2-H1=-1623.28+747.15-53.02=929.15kJ/mol萘可编辑ppt例8（换热器的热量计算）某化工厂 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 利用废气的废热生产蒸气。已知废热锅炉入口废气温度为450oC，出口废气温度为260oC，进入废热锅炉的软水温度为25oC，生产的饱和水蒸气温度为233.7oC，压力30MPa（绝压）。废气的平均比热为32.5kJ/kmol·oC。计算每100kmol废气可以产生的蒸汽量。解：废气的显热损失（Q损）即为生产蒸汽的供热量查表/手册可知，25oC水的焓值为104.6kJ/kg233.7oC、30MPa饱和水蒸气的焓值为2798.9kJ/kg　以100kmol废气为衡算基准Q损=n废气cp,废气(t1,废气-t2,废气)=10032.5(450-260)=617500kJW水=Q损/(H蒸汽-H水）=617500/(2798.9-104.6)=229kg汽化每kg水蒸气需要的热量也可以用显热＋潜热的方式计算：Q(kJ/kg蒸汽)=cp,水(233.7-25)+H233.7oC水蒸发潜热=2694.3kJ/kg水蒸气可编辑ppt物料衡算、能量衡算和化学反应综合题例9氨氧化反应4NH3(g)+5O2(g)=4NO(g)+6H2O(g)，标准反应热为-904.6kJ。已知反应器入口条件为：100molNH3/h、200molO2/h，25℃；反应器出口条件为：100molNO/h，150molH2O/h，75molO2/h,300℃。计算反应器应当输入/输出的热量。解：（1）衡算基准　25oC、1h（流量）　　（2）衡算思路25oC下反应(HR0)，产物由25oC升温至300oC(H2)。则Q=H=HR0+H2可编辑ppt　　由题设条件可知，NH3全部反应掉，因此，应以NH3为基准计算化学反应热HR=nNH3H2980=100(-904.6)/4=-22615kJ/h查数据表得产物各组分恒压热容如下：cp,O2=30.8J/mol.k；cp,H2O=34.80J/mol.kcp,NO=29.50+0.818810-2T-0.292510-5T2反应器应当输入/输出的热量（结果为输出热量－移热）可编辑ppt反应器中进行乙醇脱氢生成乙醛的反应(CH3CH2OH=CH3CHO+H2)，标准反应热为68.95kJ，每小时加入反应器的热量为5300kJ/h，原料mol配比为：乙醇/乙醛＝9，物料入口温度300oC,出口265oC。求乙醇的转化率？已知热容值：乙醇(g)cp=0.110kJ/mol.℃,乙醛(g)cp=0.08kJ/mol.℃,H2cp=0.029kJ/mol.℃解：（1）衡算基准　25oC、1h（流量）　　（2）衡算思路物料衡算（采用元素衡算方法）和热量衡算联合进行例10可编辑ppt（1）以100mol进料为物料衡算基准，以25℃,1atm的自由态分子为热量衡算的基准。（2）以反应器为体系　碳元素平衡　　902+102=2n1+2n2即　n1+n2=100-----------(a)氢元素平衡　　906+104=6n1+4n2+2n3　　　　　　　　　　即：3n1+2n2+n3=290----(b)（3）能量衡算：乙醇焓变：n10.11(265-25)-900.11(300-25)乙醛焓变：n20.08(265-25)-100.08(300-25)氢气焓变：n30.029(265-25)反应热：n368.95可编辑ppt能量衡算结果：26.4n1+19.2n2+76n3=8247----------------------(c)联立(a)、(b)和(c)三式得：n1=7.5mol,n2=92.5mol,n3=82.5mol（4）乙醇转化率:(90-7.5)/90=0.917思考题1在2MPa和240oC条件下，用纯氧氧化乙烯生产环氧乙烷，已知原料混合气含乙烯15%(mol)，流量10740m3/h；反应器出口含环氧乙烷1.34%(mol)，乙烯13.24%(mol)，流量10670m3/h，求乙烯转化率和环氧乙烷的收率。可编辑ppt思考题2某氧化过程排出的尾气体积组成已知为O210%、N285%、CO25%，计算空气用量及氧耗量。思考题3(Tan4)采用两个连续操作的串联蒸发器浓缩烧碱溶液。第一蒸发器入口的烧碱溶液流量为5t/h，烧碱质量分数为12%。第二蒸发器的入口烧碱质量分数为20%，出口烧碱质量分数为50%。求两个蒸发器每小时蒸发的水量和第二蒸发器送出的浓溶液量分别是多少？（答案：第一蒸发器蒸发水量为2000kg/h，第二蒸发器蒸发水量和送出的溶液量分别1800kg/h和1200kg/h）可编辑ppt思考题4(Tan6)若思考题3中第一蒸发器采用0.18MPa的水蒸汽加热，冷凝水在饱和温度下排出；原料液入口温度为20oC，在器内的沸点为70oC，溶液比热为3.8kJ/kg.K，热损失为3105kJ/h。求所需要的加热水蒸气量是多少？已知：加热蒸汽和蒸发蒸汽的焓分别为2704和2624kJ/kg，溶液的浓缩潜热可忽略不计。(2693kg/h)思考题5乙烯在银催化剂上用过量空气部分氧化制取环氧乙烷。反应方程式为：主反应：2C2H4+O2=2C2H4O副反应：C2H4+3O2=2CO2+2H2O。反应器进口混合气体的流量为45000Nm3/h，原料组成mol分率为C2H43.5%，N282.0%，O214.5%。乙烯转化率为32%，反应选择性为69％，则反应器出口气体的流量为（）kg/h。（答案:(2))(1)57107.5；(2)57414.5；(3)56981.95；(4)11289.9思考题5可编辑ppt