天津大学工业化学基础化工基本计算省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

2 24 4 明确一组概念明确一组概念 l1、反应物摩尔比：、反应物摩尔比：l反反应应物物摩摩尔尔比比指指是是加加入入反反应应器器中中几几个个反反应应物物之之间间摩摩尔尔数数之之比比。理理论论上上这这个个摩摩尔尔比比能能够够和和化化学学反反应应式式摩摩尔尔数数相相同同，相相当当于于化化学学计计量量比比。实实际际上上对对于于大大多多数数有有机机反反应应来来说说，各各种种反反应应物物摩摩尔尔比比并并不不等等于于化化学学计计量量比比。（主主要要考考虑虑反应物转化率和原料成本等原因）反应物转化率和原料成本等原因）第1页2.2.限制反应物和过量反应物限制反应物和过量反应物 化化学学反反应应物物不不按按化化学学计计量量比比投投料料时时，其其中中以以最最小小化化学学计计量量数数存存在在反反应应物物叫叫做做“限限制制反反应应物物”。而而某某种种反反应应物物量量超超出出限限制制物物反反应应完完全全反反应应理理论论量量，则则该该反应物称为反应物称为“过量反应物过量反应物”。l过过量量反反应应物物超超出出限限制制反反应应物物所所需需理理论论量量部部分分占占所所需理论量百分数叫做需理论量百分数叫做“过量百分数过量百分数”。lNe：过量反应物摩尔数；过量反应物摩尔数；lNt：限制反应物完全反应所消耗摩尔数限制反应物完全反应所消耗摩尔数；第2页3.转化率转化率l某某一一个个反反应应物物A反反应应掉掉量量NAR占占向向反反应应器器中中输输入入量量NA，百分数称为反应物百分数称为反应物A转化率转化率XA:第3页4.4.选择性选择性 l一一个个反反应应物物A反反应应掉掉量量N某某占占向向反反应应器器中中输输入入量量NA，in百百分分数数称称为反应物为反应物A转化率转化率XA:l选选择择性性指指是是某某一一反反应应物物转转变变成成目目标标产产物物时时，理理论论消消耗耗摩摩尔尔数数占该反应物在反应中实际消耗总摩尔数百分数占该反应物在反应中实际消耗总摩尔数百分数。NP:表示生成目标产物摩尔数；表示生成目标产物摩尔数；A,pA,p分别表示为反应物分别表示为反应物A A和目标产物和目标产物P P化学计量系数化学计量系数S S：为选择性；为选择性；第4页5.5.理论收率理论收率 l理论收率指是生成目标产物摩尔数占输理论收率指是生成目标产物摩尔数占输入反应物摩尔数百分数，用入反应物摩尔数百分数，用y y表示表示：l转转化化率率XA,选选择择性性S和和理理论论收收化化率率y三三者者之之间关系为：间关系为：第5页比如，比如，100mol100mol苯胺在用浓硫酸进行焙烘磺化时，反应产苯胺在用浓硫酸进行焙烘磺化时，反应产物中含物中含87mol87mol对胺基苯磺酸；对胺基苯磺酸；2mol2mol未反应苯胺，另外未反应苯胺，另外还有一定数量焦油物，还有一定数量焦油物，第6页 6.6.质量收率质量收率 y y质质 l反应过程生成目标产物质量占某一输入反应物质量百分数第7页7.原料消耗定额：（单耗）l原料消耗定额是指生产1吨（或千克）产品需要消耗多少吨（或千克）各种原料，对于主要反应物来说，它实际上是质量收率倒数。第8页8.单程转化率和总转化率 l有些生产过程，主要反应物每次经过反应器后转化率并不太高，不过未反应主要反应物大部分可经过分离回收循环套用。这时要将转化率分为单程转化率和总转化率两项。表示反应物A输入和输出反应器摩尔数表示反应物A输入和输出全过程摩尔数第9页衡算基准选择示例衡算基准选择示例 l计算基准选择是计算关键。基准选择恰计算基准选择是计算关键。基准选择恰当可使计算工作大为简化、计算过程清当可使计算工作大为简化、计算过程清楚、计算结果误差降低。相反，基准选楚、计算结果误差降低。相反，基准选择不妥，不但使计算过程复杂、麻烦，择不妥，不但使计算过程复杂、麻烦，有时还会造成计算结果错误。有时还会造成计算结果错误。第10页l例1丙烷充分燃烧时要供入空气量125%，反应式为lC3H8+5O23CO2+4H2Ol问：每100摩尔燃烧产物需空气量多少摩尔？第11页l解题思绪：有三种不一样基准选取方法：l（1）选取1molC3H8气体作为基准。l（2）选取1mol空气作为基准。l(3)选取100mol烟道气作为基准。第12页l（1）选取1molC3H8气体作为基准，所需空气量为：l燃烧需理论氧5moll总需加入氧量1.2556.25moll折算为空气 空气中氧占21%（体积)29.76moll氮=23.51摩第13页化合物化合物摩摩克克化合物化合物摩摩克克C3H8144CO23132空气空气29.76859.5H2O472O21.2540N223.51658.3总计总计30.76903.531.76902.3第14页l物料衡算结果物料衡算结果（以（以1mol C3H8 气体为基准）l每100摩尔烟道气所需空气量为:l100摩烟道气(6.25+23.51)mol空气/31.76摩烟道气=93.7mol空气第15页l(2)选取1mol空气作为基准。考虑到空气过剩量，C3H8摩尔为0.0036l150.211.250.0036l由此计算得各物质量见下表所表示：l物料衡算结果如表所表示：第16页入入出出化合化合物物摩摩克克化合化合物物摩摩克克C3H80.03361.48CO20.1014.44空气空气1.028.84H2O0.1352.43O20.0421.34N20.7922.12总计总计1.033630.321.06830.33第17页l每100摩尔烟道气所需空气量为:l(100摩烟道气1.0摩空气)/1.068摩烟道气l=93.7mol空气第18页l(3)选取100mol烟道气作为基准。令lN=烟道气中N2摩尔数lM=烟道气中O2摩尔数lP=烟道气中CO2摩尔数lQ=烟道气中H2O摩尔数lA=入口空气摩尔数lB=入口丙烷摩尔数l共有6个未知数，求解时必需有6个独立方程式第19页l以上共列出9个线性方程式，含6个未知数（A,B,N,M,P,Q）,解此6个未知数时，可先检验上列9个线性方程式是否都是独立？假如不是，那些是多出？我们发觉：方程式（7，8，9）都与式（1-6）相关，所以，线性独立方程式只有（16）相关。6个方程，6个未知数，有确定解。l我们用矩阵解之。矩阵解法以下：第20页改写为矩阵式：第21页l即AX=Cl当方程组有唯一解时，应有：X=A-1Cl利用MATLAB软件进行计算，过程为：lA=0300-10;04000-1;0.2100-1-1-0.5;0.790-1000;001111;0.04200-100lC=0;0;0;0;100;0lX=inv(A)*C第22页l计算结果以下：lX=93.7031l3.1484l74.0255l3.9355l9.4453l12.5937l从上述三种解法中可看出，第三种解法即使防止了将物料流转换为要求基准，但却比第一、第二种解法工作量大得多。从题意要求看，第一、第二种解法所选定基准较恰当。第23页25有化学反应物料衡算1普通反应过程物料衡算（1）直接求解法只含一个未知量或组成可依据化学反应式直接求解第24页l 主主要要是是经经过过化化学学计计量量系系数数来来计计算算，但但计计算算时时要要注注意意一一些些特特殊殊情情况况。现现在在以以邻邻二二甲苯氧化制苯酐为例来说明。甲苯氧化制苯酐为例来说明。l例例1 1邻邻二二甲甲苯苯氧氧化化制制苯苯酐酐，反反应应式是式是lC8H10+3O2C8H4O3+3H2Ol设设邻邻二二甲甲苯苯转转化化率率为为6060，氧氧用用量量为为理理论论量量150150，每每小小时时投投料料量量为为100100千千克克，作物料衡算。作物料衡算。第25页l解题思绪：解题思绪：l1 1生生产产中中，氧氧气气引引入入以以空空气气方方式式引引入入，组组成成为氧气和氮气，计算时注意。为氧气和氮气，计算时注意。l2.2.氧氧用用量量为为理理论论量量150150，应应将将邻邻二二甲甲苯苯转转化化率率考考虑虑在在内内，即即为为发发生生反反应应邻邻二二甲甲苯苯量量为为基基础础来考虑这一问题。来考虑这一问题。l3.3.选择基准灵活。可选选择基准灵活。可选（1 1）邻二甲苯进料）邻二甲苯进料100100千克。千克。（2 2）氧气进料）氧气进料100100千克。（千克。（3 3）空气）空气进料进料100100千克。（千克。（4 4）每小时进料量为）每小时进料量为100100千克千克第26页l取邻二甲笨进料100千克。l进料：邻二甲笨1001060.944kmoll氧0.94460%3150%=2.55kmol出料：笨酐0.94460%148=83.83千克水0.94460%318=30.6千克乘余邻二甲笨10040%=40千克氧（2.550.94460%3)32=27.22千克氮2.550.79/0.2128=268.6千克第27页第28页l(2)(2)以结点作衡算以结点作衡算l在在生生产产中中经经常常发发觉觉这这么么情情况况，一一些些产产品品组组成成须须采采取取旁旁路路调调整整才才送送往往下下一一工工序序。下面举一旁路调整例子。下面举一旁路调整例子。第29页ll例例3某某工工厂厂用用烃烃类类气气体体转转化化制制合合成成气气生生产产甲甲醇醇，合合成成气气体体为为2321标标米米3/时时，CO/H2=1/2.4(摩摩)。不不过过转转化化后后气气体体体体积积组组成成为为CO43.12%,H254.2%,不不符符合合要要求求。为为此此，需需将将部部分分转转化化气气送送往往CO变变换换反反应应器器，变变换换后后气气体体体体积积组组成成为为CO8.76%,H289.75%,气气体体体体积积减减小小2%。用用此此变变换换气气去去调调整整转转化化气气。求求转转化化气气、变变换换气气各各应应多多少？少？第30页l解题思绪：解题思绪：l1.关关于于旁旁路路调调整整例例子子，我我们们可可选选结结点点作作衡衡算算。此此时时，关关键键在在于于依依据据题题意意和和生生产产情情况况，画画出出流流程简图来。程简图来。l2气气体体体体积积组组成成与与标标准准状状态态下下摩摩尔尔百百分分组组成成一致。一致。l3凡凡存存在在分分流流操操作作、旁旁路路调调整整反反应应单单元元或或物物理操作单元时，衡算时应注意利用结点。理操作单元时，衡算时应注意利用结点。第31页第32页第33页l(3)利用联络物作衡算利用联络物作衡算l生生产产过过程程中中常常有有不不参参加加反反应应物物料料，这这种种物物料料习习惯惯上上称称为为惰惰性性物物料料。因因为为它它数数量量（质质量量、摩摩尔尔数数等等）在在反反应应器器进进、出出料料中中不不改改变变，我我们们能能够够用用它它和和另另一一些些物物料料在在组组成成中中百百分分比比关关系系去去计计算算另另一一些些物物料料数数量量，所所以以，我我们们称称这这种种惰惰性性物物料料为为衡衡算算联联络物。络物。l选选择择衡衡算算联联络络物物注注意意：（1）采采取取联联络络物物作作衡衡算算，能能够够简简化化计计算算。（2）有有时时在在同同一一系系统统中中可可能能有有数数个个惰惰性性物物质质，可可联联合合采采取取以以减减小小误误差差。（3）不不过过要要注注意意当当某某惰惰性性物物数数量量极极少少，且且此此组组分分分分析析相相对对误误差差很很大大时时，则则不不宜宜选选取取此此惰惰性性物物质质作作联联络络物。物。第34页l例例4某某氧氧化化过过程程排排出出尾尾气气，体体积积组组成成已已知知为为O2：10、N2：85、CO2：5，计计算算空空气气用用量量及氧耗量。及氧耗量。ll解：以氮为联络物，计算基准为尾气解：以氮为联络物，计算基准为尾气100摩尔。摩尔。l尾气中氮尾气中氮=10085=85摩摩l空气耗量空气耗量=85/0.79=107.6摩摩l进料空气中含氧量进料空气中含氧量=107.621%=22.6摩摩l氧耗量氧耗量=22.6-10=12.6摩摩第35页l(4)元素衡算l元素衡算是物料衡算一个主要形式，不需详细反应式，是按照元素种类被转化及重新组合概念表示为：l输入（某种元素）输出（同种元素）l对反应过程中化学反应很复杂，无法用一或两反应式表示物料衡算问题，能够列出元素衡式，用代数法求解。第36页l例：甲烷，乙烷与水蒸气用镍催化剂进行转化反应，生成氢气，反应器出口气体组成（干基）为：l组分CH4C2H6COCO2H2lMol%4.62.518.64.689.7l假定原料只含甲烷乙烷两种，求两种气体摩尔比？1000标米原料气，需多少克蒸气？第37页第38页l例例5萘萘用用空空气气氧氧化化制制苯苯酐酐，尾尾气气组组成成（干干基基）为为O2：12.6、N2:83.2、CO2:4.2(体体)，假假设设萘萘转转化化率率为为100，问问进进料料中中空空气气对对萘萘百分比是多少？百分比是多少？l例例6甲甲烷烷和和氢氢混混适适用用空空气气完完全全燃燃烧烧来来加加热热锅锅炉炉，烟烟 道道 气气 分分 析析 按按 体体 积积 组组 成成 为为 N2:72.28%、CO2:8.12%、O2:2.44%、H2O:17.15%，问问（1）燃燃料料中中甲甲烷烷与与氢氢（CH4/H2）比比比比怎怎样样？（？（2）空气）空气/（CH4+H2）是多少？）是多少？第39页第40页第41页第42页其其中中主主、副副反反应应百百分分比比未未知知，但但尾尾气气中中所所含含甲甲烷烷和和二二氧氧化化碳碳可可认认为为是是由由副副反反应应产产生生，氢氢是是式式及及结结果果，这这么么就可推算主、副反应百分比。就可推算主、副反应百分比。第43页 作年产作年产300吨对硝基乙苯工段物料吨对硝基乙苯工段物料衡算，原料乙苯纯度衡算，原料乙苯纯度 95，硝化混酸，硝化混酸组成为组成为HNO3 32，H2SO4 56%,H2O 12%,粗乙苯与混酸质量比粗乙苯与混酸质量比1：1.885。对硝基乙苯效率。对硝基乙苯效率50，硝化产，硝化产物为硝基乙苯混合物，其百分比对：邻：物为硝基乙苯混合物，其百分比对：邻：间间=0.5:0.44:0.06。配制混酸所用原。配制混酸所用原料：料：H2SO4 93%,HNO3 96%和和H2O,年工作日为年工作日为300天。假设转化率为天。假设转化率为100，间歇生产，间歇生产第44页