1、4 物料衡算與熱量衡算依據(jù)質(zhì)量守衡定律，以設(shè)備或生產(chǎn)過程作為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)、出口處進(jìn)行定量計(jì)算，稱之為物料衡算。在復(fù)合材料生產(chǎn)過程中，物料衡算對(duì)于控制生產(chǎn)過程有著重要的指導(dǎo)意義。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，物料衡算可以揭示物料的浪費(fèi)和生產(chǎn)過程的反常現(xiàn)象，從而幫助找出改進(jìn)措施，提高成品率及減少副產(chǎn)品、雜質(zhì)和三廢排放量。物料衡算的作用與意義物料衡算還可以檢驗(yàn)生產(chǎn)過程的完善程度，對(duì)生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)工作也有著重要指導(dǎo)作用。物料衡算是計(jì)算原料與產(chǎn)品之間的定量關(guān)系，由此定出原料和輔助材料的用量、制訂原料和輔助材料的單耗指標(biāo)以及生產(chǎn)過程中各個(gè)階段的原料和輔助材料的損耗量及其組成。物料衡算也是能量衡算、定型設(shè)備選型、非定

2、型設(shè)備工藝計(jì)算和其他工藝計(jì)算的基礎(chǔ)。通過物料衡算可以算出各工段所處理的物料量(各組分的成分、重量和體積)，便可以定出生產(chǎn)過程所需設(shè)備臺(tái)數(shù)、容量和主要尺寸以及計(jì)算管道尺寸等。所以物料衡算是復(fù)合材料工藝計(jì)算的重要部分。物料衡算的作用與意義物料衡算可分操作型計(jì)算和設(shè)計(jì)型計(jì)算。操作型計(jì)算是指對(duì)已建立的工廠、車間或單元操作及設(shè)備等進(jìn)行計(jì)算。設(shè)計(jì)型計(jì)算是指對(duì)建立一個(gè)新的工廠、車間或單元操作及設(shè)備進(jìn)行物料衡算，這是設(shè)計(jì)計(jì)算的第一步，也是整個(gè)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行熱量衡算、設(shè)備工藝計(jì)算，則可以確定設(shè)備選型、工藝尺寸、臺(tái)數(shù)以及公用工程所需水、電、汽、冷凍、真空及壓縮空氣等需要量。物料衡算的類型物料衡算常用基

3、本概念和方法質(zhì)量守恒定律 質(zhì)量守恒定律是指“進(jìn)入一個(gè)系統(tǒng)的全部物料量必等于離開這個(gè)系統(tǒng)的全部物料量，再加上過程中損失量和在系統(tǒng)中積累量”。依據(jù)質(zhì)量守恒定律，對(duì)一研究系統(tǒng)作物料衡算，可用下式表示： F進(jìn)=F出+F損+F積 式中 F進(jìn)-輸入物料總和； F出-離開物料量總和； F損-總的損失量； F積-系統(tǒng)中積累量。 分批操作（間歇操作）的設(shè)備，當(dāng)終點(diǎn)時(shí)，物料全部排出則系統(tǒng)內(nèi)物料積累為零，對(duì)于穩(wěn)定連續(xù)操作，系統(tǒng)物料累積量亦為零。在此情況下，上式可寫成： F進(jìn)=F出+F損4.1 簡單的物料衡算4.1 簡單的物料衡算質(zhì)量守恒定律：物料衡算的基本準(zhǔn)則是質(zhì)量守恒定律。以穩(wěn)態(tài)為例：物質(zhì)總流量守恒 原子總數(shù)量守

4、恒摩爾流率守恒 (無化學(xué)反應(yīng))4.1 簡單的物料衡算 分析問題； 畫流程圖； 確定系統(tǒng)，分析自由度； 選定計(jì)算基準(zhǔn)； 列出衡算模型，并求解。美國黃石公園4.1.1 簡單的衡算模型總體物料衡算： 組分的物料衡算： 組成的約束條件：圖5.1 簡單衡算系統(tǒng)示意圖式中：Fi第i個(gè)股的總流率，kg/h (kmol/h); Fi,j第i個(gè)股中j 組分的流率，kg/h (kmol/h); Zi,j第i個(gè)股中j 組分的組成; NI 進(jìn)入流股數(shù)； NT 物質(zhì)流股總數(shù)；NC 總組分?jǐn)?shù)目; Vj 反應(yīng)物中第j 組分的化學(xué)計(jì)量系數(shù)，反應(yīng)物為負(fù)，生成物為正。(i=1,2, ,NT)(張量基本知識(shí))(j=1,2, ,NC

5、)12NINI 1NI 2NT4.1.2 混合器和分離器的物料衡算a. 簡單混合混合器12NT-1NT(j=1,2, , NC) 圖3.2 簡單混合系統(tǒng)示意圖i=1,2, , NT-1j=1,2, , NC簡單混合例題例5.1 將含有40%(質(zhì)量百分率)硫酸的廢液與98%濃硫酸混合生產(chǎn)90%的硫酸，產(chǎn)量為1000kg/h。各溶液的第二組分為水，試完成其物料衡算。圖5.3 硫酸簡單混合系統(tǒng)示意圖123混合器F1=? H2SO4 Z1,1=0.40H2O Z1,2=0.60F2=?H2SO4 Z2,1=0.98H2O Z2,2=0.02F3=1000 kg/hH2SO4 Z3,1=0.90H2O

6、Z3,2=0.10總： F1+F2=F3=1000流股組分40%硫酸 (1)98%硫酸 (2)90%硫酸 (3)kg/h質(zhì)量分率kg/h質(zhì)量分率kg/h質(zhì)量分率H2SO4H2O合計(jì)55.282.8138.00.400.601.00844.817.2862.0.980.021.00900.0100.010000.900.101.00解: 水： 0.6F1+0.02F2=0.1F3=100聯(lián)立：F1= 138 kg/h F2= 862 kg/h計(jì)算結(jié)果圖5.3 硫酸簡單混合系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果幾個(gè)組分就有幾個(gè)獨(dú)立方程；幾個(gè)組分就有幾個(gè)獨(dú)立變量；幾個(gè)組分流股方程中就有幾項(xiàng)。123混合器F1=138 kg/h

7、H2SO4 Z1,1=0.40H2O Z1,2=0.60F2=862 kg/hH2SO4 Z2,1=0.98H2O Z2,2=0.02F3=1000 kg/hH2SO4 Z3,1=0.90H2O Z3,2=0.10結(jié)果分析b.簡單分離F1=F2+F3；123分離器圖5.4 簡單分離系統(tǒng)示意圖( j =1,2, , NC )b.簡單分離例題-自由度分析例5.2 將一個(gè)含有20%(摩爾分率)丙烷(C3), 20%異丁烷(i-C4)，20%異戊烷(i-C5)和40%正戊烷(n-C5)的混合物引入精餾塔分離，塔頂餾分為含50%C3，44%i-C4，5%i-C5和 1%n-C5的混合物，塔底引出流股中僅

8、含1%的C3。完成物料衡算。 F1= ？1: C3 Z1,1=0.202: i-C4 Z1,2=0.203: i-C5 Z1,3=0.204: n-C5 Z1,4=0.401(4)2(4)3(4)精餾塔 F3= ?1: C3 Z3,1=0.012: i-C4 Z3,2 = ?3: i-C5 Z3,3 = ?4: n-C5 Z3,4 = ? F2= ?1: C3 Z2,1=0.502: i-C4 Z2,2=0.443: i-C5 Z2,3=0.054: n-C5 Z2,4=0.01精餾塔分離系統(tǒng)分析圖解：選定基準(zhǔn)： F1= 100 kmol/h進(jìn)料物料衡算：C3：0.5F2+0.01F3=20

9、總： F2+F3=100 kmol/h 解得： F2=38.8 kmol/h F3=61.2 kmol/h ( j=1,2, NC )F1Z1,j =( F2 Z2,j F3Z3,j )物料衡算：i-C4： 0.2F1=0.44F2+Z3,2 F3 Z3,2=0.05 i-C5： 0.2F1=0.05F2+Z3,3 F3 Z3,3=0.30 n-C5：0.4F1=0.01F2+Z3,4 F3 Z3,4=0.64簡單分離例題-解流股組分編號(hào) j流股組分進(jìn)料 (i=1)塔頂餾分 (i=2)塔底液 (i=3)kmol/h組成kmol/h組成kmol/h組成1C3200.219.40.500.60.0

10、12i-C4200.217.20.442.90.053i-C5200.21.90.0518.10.304n-C5400.40.40.0139.60.64合計(jì)1001.038.81.0061.21.00 F1= 100 kmol/h1: C3 Z1,1=0.202: i-C4 Z1,2=0.203: i-C5 Z1,3=0.204: n-C5 Z1,4=0.40123精餾塔 F3 = 61.2 kmol/h 1: C3 Z3,1= 0.012: i-C4 Z3,2 = 0.053: i-C5 Z3,3 = 0.304: n-C5 Z3,4 = 0.64 F2= 38.8 kmol/h1: C3

11、Z2,1=0.502: i-C4 Z2,2=0.443: i-C5 Z2,3=0.054: n-C5 Z2,4=0.01物料衡算結(jié)果表3. 例5.2 精餾塔的自由度分析流股123組分?jǐn)?shù)444物料衡算結(jié)果各流股組分?jǐn)?shù)107412精餾塔自由度附加方程已知單元變量數(shù)MB方程項(xiàng)目單元變量數(shù) F1= ？1: C3 Z1,1=0.202: i-C4 Z1,2=0.203: i-C5 Z1,3=0.204: n-C5 Z1,4=0.40123精餾塔 F3 = ？ 1: C3 Z3,1= 0.012: i-C4 ？3: i-C5 ？4: n-C5 ？ F2= ？1: C3 Z2,1=0.502: i-C4 Z

12、2,2=0.443: i-C5 Z2,3=0.054: n-C5 Z2,4=0.014.2.3具有化學(xué)反應(yīng)的物料衡算V1A+V2B+V3C V4D+V5E式中 Vj反應(yīng)中第 j 組分的化學(xué)計(jì)量系數(shù)； (反應(yīng)物為消失負(fù)，生成物為正) Mj第 j 組分的分子量。物料衡算： 質(zhì)量守恒： 轉(zhuǎn)化物質(zhì)總質(zhì)量產(chǎn)生物質(zhì)總質(zhì)量 式中：NE 表示化學(xué)元素的數(shù)目； j,k 是在第 j 組分中第 k 個(gè)元素的原子數(shù)。衡算式：( k=1,2,NE ) 入口物質(zhì)總質(zhì)量 (1) 出口物質(zhì)總質(zhì)量 (2)1反應(yīng)2數(shù)學(xué)模型：F2Z2, j=F1Z1, j -F1Z1, k (YkVj /Vk)在催化劑作用下，甲醇用空氣中的氧氣氧

13、化制取甲醛。為了保證甲醇有足夠的轉(zhuǎn)化率，在進(jìn)料中空氣過量50%，甲醇轉(zhuǎn)化率可達(dá)75%。寫出物料衡算表。解：基準(zhǔn)：F1=100 kmol/h甲醇進(jìn)料 CH3OH+0.5O2 HCHO+H2O甲醇 V1=-1； 氧V2=-0.5； 甲醛V3=1；水V4=1數(shù)學(xué)模型：F2Z2, j=F1Z1, j -F1Z1, k (YkVj /Vk) j=1,2NC (Yk為關(guān)鍵組分的轉(zhuǎn)化率， Vk為關(guān)鍵組分化學(xué)計(jì)量系數(shù)，這里是指甲醇)甲醇 -1CH3OH圖5.4 甲醇氧化制甲醛簡化流程圖產(chǎn)品空氣 O2 -2惰性組分 -51反應(yīng)2 HCHO -3CH3OH -1 O2 -2惰性組分 -5 H2O -4例4.30.

14、150.150.570.080.0575.075.0282.137.525.0282.10.61775.00.164100.00.219282.137.525.075.075.037.575.0282.175.0100.0100.0100.050.0100.0引出氣體的組成 (摩爾分?jǐn)?shù))%引出氣體 494.6進(jìn)入氣體 457.1 未轉(zhuǎn)化物質(zhì) /(kmol/h) 產(chǎn)生物質(zhì) /(kmol/h)4.總計(jì) /(kmol/h) 轉(zhuǎn)化物質(zhì) /(kmol/h)3.對(duì)于甲醇轉(zhuǎn)化率75%時(shí)2.過剩50%空氣,試劑量/(kmol/h)1.按化學(xué)計(jì)量式計(jì)算 /(kmol/h)CH3OH+0.5O2 HCHO+H2O

15、項(xiàng) 目H2OHCHO惰性組分O2CH3OH數(shù)學(xué)模型：F2Z2, j=F1Z1, j -F1Z1, k (YkVj /Vk) 例4.3 計(jì)算過程項(xiàng) 目CH3OHO2惰性組分HCHOH2OCH3OH+0.5O2 HCHO+H2O1.按化學(xué)計(jì)量式計(jì)算 /(kmol/h)2.過剩50%空氣,試劑量 /(kmol/h)3.對(duì)于甲醇轉(zhuǎn)化率75%時(shí) 轉(zhuǎn)化物質(zhì) /(kmol/h) 產(chǎn)生物質(zhì) /(kmol/h) 未轉(zhuǎn)化物質(zhì) /(kmol/h)4.總計(jì) /(kmol/h) 進(jìn)入氣體 引出氣體 引出氣體的組成 (摩爾分?jǐn)?shù))%100.0100.075.025.0100.025.00.0550.075.037.537.

16、575.037.50.08282.1282.1282.1282.10.57100.075.075.00.15100.075.075.00.15表4.4 計(jì)算結(jié)果例4.3 計(jì)算結(jié)果4.1.4 簡單的過程計(jì)算例4.4 某油分，含84%的C和16%的H，現(xiàn)100 kg/h的油分與含水3.6 kg/h的空氣燃燒，分析尾氣，其中有9.5%的CO2(體積分率)。試求供給燃燒爐的空氣過剩量是多少？100 kg/h(CnHm)3.6 kg/h H2OCO2(9.5%V) 空氣(O2,N2)燃燒室F1F2F31. 計(jì)算基準(zhǔn)：100 kg/h 油2. 輸入流率：84 kg/h C: 84/12=7 kmol/h

17、16 kg/h H2: 16/2=8 kmol/h 3.6 kg/h H2O: 3.6/18=0.2 kmol/h3. 用分解反應(yīng)作反應(yīng)物的物料衡算，各組分在各個(gè)步驟中的數(shù)量分配列于下表中，其中x表示過剩的氧量，y表示進(jìn)量中的氮。 CnHm+RO2nCO2+0.5mH2O式中 R=n+0.25m。該反應(yīng)可分解為C與H2的燃燒反應(yīng)，即 C+O2CO2 H2+0.5O2H2O解：燃燒過程的反應(yīng)y8.27xy0.2x848777出口尾氣未變組分產(chǎn)生消耗產(chǎn)生消耗反應(yīng)2 H2+0.5O2H2O反應(yīng)1 C+O2CO2kmol/hN2H2OCO2O2CH2輸入流率：C: 7 kmol/h H2: 8 kmo

18、l/h H2O: 0.2 kmol/h表 3.5 各組分?jǐn)?shù)量分配按化學(xué)計(jì)量式所需O2為 (4+7)=11 kmol/h 實(shí)際供應(yīng)O2量為 (11+x) kmol/h 氮?dú)?y=(11+x)(0.79/0.21)=41.38+3.76x 全部引出的氣體量為 15.2+x+y=56.58+4.76x 出口氣體中CO2占9.5%，7/(56.58+4.76x)=0.095 解得 x=3.59 kmol/h 實(shí)際上供氧量為 11+x=11+3.59=14.59 kmol/h p=(出口流中O2)/(化學(xué)計(jì)量中的O2) 100% =3.59/11.0100 % =32.6 %4. 計(jì)算過剩的空氣量H2C

19、O2CO2H2ON2反應(yīng)1 C+O2CO2消耗產(chǎn)生777反應(yīng)2 H2+0.5O2H2O消耗產(chǎn)生未變組分出口尾氣843.593.59780.28.254.8954.89單位： kmol/h空氣過剩量為 32.6 %各組分 數(shù)量分配 有一股流率為50 kmol/h，含有15% CO2(摩爾分?jǐn)?shù)，下同)和5%H2O的氣流送入吸收塔，用流率為500 kmol/h的新鮮水吸收CO2，吸收后的氣體中，含1% CO2和3%H2O。試求出口的組成與流率。圖3.6 例3.5簡化流程圖出口流體F4=CO2 H2O吸收劑 水F1= 500 kmol/h H2O 100%引出氣體 F3=CO2 1% H2O 3% 其

20、他 96% 入塔氣體F2= 50 kmol/hCO2 15% H2O 5%其他 80%1234吸收塔例5.5 解： 0.8F2=0.96 F3 F3=0.850/0.96=41.67 kmol/h F1+F2=F3+F4 F4=500+50-41.67=508.33 kmol/h圖3.6 例3.5簡化流程圖出口流體F4=CO2 H2O吸收劑 水F1= 500 kmol/h H2O 100%引出氣體 F3=CO2 1% H2O 3% 其他 96% 入塔氣體F2= 50 kmol/hCO2 15% H2O 5%其他 80%1234吸收塔利用惰性組分的特征可簡化物料衡算 圖3.6 吸收塔衡算結(jié)果出口

21、流體F4= 508.33 kmol/hCO2 1.4%H2O 98.6%吸收劑 水F1= 500 kmol/h H2O 100%引出氣體 F3= 41.67 kmol/hCO2 1% H2O 3% 其他 96% 入塔氣體F2= 50 kmol/hCO2 15% H2O 5%其他 80%1234吸收塔例4.7 不帶化學(xué)反應(yīng)的化工流程的物料衡算自由度分析一個(gè)由四個(gè)精餾塔和一個(gè)分流器組成的化工流程，其示意圖見圖。流程中無化學(xué)反應(yīng)，所有組成均為摩爾分?jǐn)?shù)。塔2有50%的回流到塔1，試進(jìn)行物料衡算。F1=1000mol/hC1 0.20C2 0.25C3 0.40C4 0.15C3 0.03C1 0.99

22、5C2 0.005C3 0.98C4 0.02C4 1.00C3 0.70C4 0.30C4 0.002162347910115塔1分流器8塔3塔3塔2C1 0.01C2 0.89C3 0.10F1= 1kmol/hC1 0.20C2 0.25C3 0.40C4 0.15F2, C1, C2C3 0.03F4= ？C1 0.995C2 0.005F7= C1 0.01C2 0.89C3 0.10F10=C3 0.98C4 0.02F11=C4 1.00F9=C3 0.70C4 0.30F8、C2、C3C4 0.002162347910115分流器8F5= C1 0.01C2 0.89C3 0.

23、10F6= C1 0.01C2 0.89C3 0.10F3、C2、C3、C4塔1塔2塔3塔4F2=1k mol/h,通過自由度分析指出計(jì)算順序，進(jìn)行物料衡算，并將計(jì)算結(jié)果轉(zhuǎn)換成以F2=1kmol/h，為基準(zhǔn)的形式。1(4)2(3)7 (3)F1=1 kmol/hC1 0.20C2 0.25C3 0.40C4 0.15F2,C1,C2C3 0.03F4= ？C1 0.995C2 0.005F7= C1 0.01C2 0.89C3 0.10F10=C3 0.98C4 0.02F11=C4 1.00F9=C3 0.70C4 0.30F8、C2、C3C4 0.002塔1塔2塔3塔4分流器F5= C1

24、0.01C2 0.89C3 0.10F6= C1 0.01C2 0.89C3 0.10F3、C2、C3、C46 (3)3(3)4(2)9(2)8(3)11(1)10(2)5(3)2011312011000091122247413123341525558813自由度已知附加方程已知單元變量數(shù)MB方程單元變量數(shù)整體過程分流器塔4塔3塔2塔1項(xiàng) 目表3.8 例3.7 流程的自由度分析流股1234567891011組分?jǐn)?shù)43323333221各流股組分?jǐn)?shù)解：塔2 的物料衡算分流器的物料衡算F2=F4+F5 0.03F2=0.1F5 Z2,C1F2=0.995F4+0.01F5 F5=F6+F7 F6=

25、F7=0.5F5 解得： F6=F7=0.15F2解得： F4=0.7F2 ； F5=0.3F2 Z2,C1=0.6995； Z2,C2=0.2705; Z2,C3=0. 03F1=1kmol 式的計(jì)算過程塔1 的物料衡算總： 1000+F6=F2+F3 對(duì)C1： 10000.2+0.01F6 = 0.6995F2 對(duì)C2： 10000.25+0.89F6=0.2705F2+Z2,C2F3 對(duì)C3 10000.4+0.1F6=0.3F2+Z3,C2F3 5個(gè)未知數(shù)4個(gè)方程 引入F5=2F6=0.3F2得：F2=286.53 mol/h; F3=756.45 mol/h Z3,C2=0.2786

26、； Z3,C3=0.5231; Z3,C4=0.1983F5=85.96 mol/h; F4=200.57 mol/hF6=42.98 mol/h F7=42.98 mol/h塔1 塔3 的物料衡算 F3=F8+F9 對(duì)C4： Z3,C4F3=0.002F8+0.3F9 對(duì)C2： Z3,C2F3=Z8,C3F8解得： F8=258.17 mol/h Z8,C2=0.8162； Z8,C3=0.1818; Z8,C4=0.002塔4 的物料衡算 F9=F10+F11 對(duì)C3： Z9,C3F3=0.98F10 解得： F10=355.91 mol/h ; F11=142.37 mol/h 流股號(hào)項(xiàng)

27、目12341011總流率 mol/h1000286.53756.45200.57355.91142.37C1分流率 mol/h200200.430199.5700C2分流率 mol/h25077.51210.751.00300C3分流率 mol/h4008.60395.700348.80C4分流率 mol/h150015007.12142.37Zi,C1(摩爾分?jǐn)?shù))0.20.699500.99500Zi,C2(摩爾分?jǐn)?shù))0.250.27050.27860.00500Zi,C3(摩爾分?jǐn)?shù))0.400.030.523100.980Zi,C4(摩爾分?jǐn)?shù))0.1500.198300.021.0表4.9

28、 例4.7 流程的物料衡算結(jié)果一覽表項(xiàng)目塔1塔2塔3塔4分流器過程整體總流股變量1388552515MB方程43321134已知流股變量數(shù)6(7)5(4)222119已知附加方程0000110原自由度(2)(1)31102新自由度3031102表4.10 假設(shè)F1未知F2已知的自由度分析解：塔2 的物料衡算F2=1000 mol/h 總的 F2=F4+F5 C3 0.03F2=0.1F5 F5=0.3F2=300 mol/h F4=700 mol/h C1 Z2,C1F2=0.995F4+0.01F5 解得： Z2,C1=0.6995； Z2,C2=0.2705; Z2,C3=0. 03分流器

29、的物料衡算 F5=F6+F7 F6=0.5F5 解得： F6=F7=150 mol/h塔1 的物料衡算總： F1+F6=F2+F3 對(duì)C1： F1Z1,C1+F6 Z6,C1= F2Z2,C1 0.2*F1+0.01*150 = 0.6995*1000 F1=3490 mol/h F3=2640 mol/h F2=1000 mol/h F1=3490 mol/h; F3=2640 mol/h F2=1000 mol/h Z3,C2=0.2786； Z3,C3=0.5231; Z3,C4=0.1983對(duì)C3 F1Z1,C3+F6Z6,C3=F2Z2,C3+F3 Z3,C3 3490*0.4+15

30、0*0.1=1000*0.3+2640*Z3,C2Z3,C2=0.2786；對(duì)C2： F1Z1,C2+F6Z6,C2=F2Z2,C2+F3 Z3,C2 0.25*3490+0.89*150=0.2705*1000+2640Z3,C2 Z3,C2=0.2786塔3 的物料衡算 F3=F8+F9 對(duì)C4： Z3,C4F3=0.002F8+0.3F9 對(duì)C2： Z3,C2F3=Z8,C2F8對(duì)C3： Z3,C3F3=Z8,C3F8+Z9,C3F9解得： F8=901 mol/h F9=1739 mol/h Z8,C2=0.8162； Z8,C3=0.1818; Z8,C4=0.002塔4 的物料衡算

31、 F9=F10+F11 對(duì)C3： Z9,C3F3=0.98F10 解得： F10=1242 mol/h ; F11=497 mol/hF1=3490 mol/h F2=1000 mol/h F3=2640 mol/h F5=300 mol/h F6=150 mol/h F7=150 mol/hF4=700 mol/h F8=901 mol/h F9=1739 mol/hF10=1242 mol/h F11=497 mol/hF1=1000 mol/h F2=286.5 mol/h F3=756.4 mol/h F5=86 mol/h F6=43 mol/h F7=43 mol/hF4=200.

32、6 mol/h F8=258 mol/h F9=498 mol/hF10=356 mol/h F11=142 mol/hF1F2F3F4F5F6F7F8F9F10F111000286.5756.4200.6864343258498356142計(jì)算結(jié)果4.2 帶有循環(huán)物流的物料衡算(1) 順序模塊法圖3.12 順序模塊法4.2.1 用迭代法求解再循環(huán)問題進(jìn)料 1產(chǎn)品 5反應(yīng)器循環(huán)流混合器234分離器6例4.10 用簡單迭代法求解一個(gè)具有循環(huán)過程的物料衡算。某反應(yīng)/分離系統(tǒng)，將100 kmol/h 的組分A轉(zhuǎn)化為等摩爾B，每一單程有80 % 的A被轉(zhuǎn)化，在分離器內(nèi)沒有物質(zhì)的變化，分離后的98 %

33、A和1 % B再循環(huán)。 基準(zhǔn)：100 kmol/h A；目標(biāo)容許誤差0.001圖5.14 例5.10 示意流程試差進(jìn)料 1產(chǎn)品 5反應(yīng)器混合器234分離器6F1= 100 kmol/h 例4.101.011.011.011.000.960.824.3724.3724.3424.2023.4419.6000.010.040.17100.00210.0060.0310.1611.011.011.011.000.960.824.3724.3724.3424.2023.4419.699.5099.4799.3798.6895.5279.20.500.50.500.490.480.4100.51100.

34、48100.3699.6896.488024.8724.8724.8424.6923.92201.011.011.000.960.80124.37124.34124.20123.44119.61001.011.011.000.960.8024.3724.3424.2023.4419.60000000100100100100100100修正F2BF2B修正F2A F2A容差FB容差FAF6B=F4B-F5BF6A=F4A-F5AF5B=0.99F4BF5A=0.02F4AF4B=F3B+0.8F3AF4A=0.2F3AF3B=F1B+F2BF3A=F1A+F2AF2BF2AF1BF1A65432

35、1表4.1 例4.10 迭代計(jì)算過程F6A=0.98F4AF6B=0.01F4B迭代計(jì)算過程修正F2BF6B修正F2A F6A容差EB容差EAF6B=F4B-F5BF6A=F4A-F5AF5B=0.99F4BF5A=0.02F4AF4B=F3B+0.8F3AF4A=0.2F3AF3B=F1B+F2BF3A=F1A+F2AF2BF2AF1BF1A654321123456F1A100100100100100100F1B000000F2A019.623.4424.2024.3424.37F2B00.80.961.001.011.01F3A=F1A+F2A100119.6123.44124.20124

36、.34124.37F3B=F1B+F2B00.80.961.001.011.01F4A=0.2F3A2023.9224.6924.8424.8724.87F4B=F3B+0.8F3A8096.4899.68100.36100.48100.51F5A=0.02F4A0.40.480.490.500.50.50F5B=0.99F4B79.295.5298.6899.3799.4799.50F6A=F4A-F5A19.623.4424.2024.3424.3724.37F6B=F4B-F5B0.80.961.001.011.011.01容差EA10.160.0310.0060.00210容差EB10

37、.170.040.0100修正F2A F6A19.623.4424.2024.3424.3724.37修正F2B F6B0.80.961.001.011.011.01表4.1 例4.10 迭代計(jì)算過程圖5.15 Secant 切割法ef(x(1)f(x(2)x(3)x(1)x(2)f(x)x0式中 cc 次迭代循環(huán)新的估算值； xi組分i 的一個(gè)變數(shù)； Ei容差函數(shù)。(2) 加速收斂法 Secant 切割法加速收斂法算例式中 cc 次迭代循環(huán)新的估值； xi組分i 的一個(gè)變數(shù)； Ei容差函數(shù)。1.010.960.824.3823.4419.61.011.000.960.824.3824.202

38、3.4419.699.5098.6895.5279.20.500.490.480.4100.5199.6896.488024.8824.6923.92201.010.930.80124.38123.44119.61001.010.960.8024.3823.4419.600000100100100100被修正的F2B被修正的F2AF6B=F4B-F5BF6A=F4A-F5AF5B=0.99F4BF5A=0.02F4AF4B=F3B+0.8F3AF4A=0.2F3AF3B=F1B+F2BF3A=F1A+F2AF2BF2AF1BF1A4321加速迭代法計(jì)算結(jié)果1234F1A100100100100

39、F1B0000F2A019.623.4424.38F2B00.80.961.01F3A=F1A+F2A100119.6123.44124.38F3B=F1B+F2B00.80.931.01F4A=0.2F3A2023.9224.6924.88F4B=F3B+0.8F3A8096.4899.68100.51F5A=0.02F4A0.40.480.490.50F5B=0.99F4B79.295.5298.6899.50F6A=F4A-F5A19.623.4424.2024.38F6B=F4B-F5B0.80.961.001.01被修正的F2A19.623.4424.38被修正的F2B0.80.96

40、1.01加速迭代法計(jì)算結(jié)果苯乙烯烷基化反應(yīng)制取乙苯的反應(yīng)： C6H6+C2H4C6H5C2H5反應(yīng)器的原料苯和乙烯的摩爾比為1:0.6，反應(yīng)器出口的混合液流量250 kg/s。出口組成：苯44%(wt)，乙苯40%，二乙苯16%，求： 1.原料乙烯和苯的進(jìn)料流量(kg/s)； 2.乙烯的轉(zhuǎn)化率； 3.乙苯的收率(以乙烯為基準(zhǔn))； 4.反應(yīng)的選擇性反應(yīng)的選擇性。4.3 熱量衡算能量衡算通式：流動(dòng)過程N(yùn)I1NI+1NTQW5.3.1基本熱量衡算例5.3.1 在煙道中用一個(gè)節(jié)熱蛇管回收煙道氣的廢熱。煙道氣溫度T1=250，流率F=1800 kg/h，蛇管內(nèi)通入TL=15的水，要求換熱后產(chǎn)生Ts=12

41、0的飽和蒸汽。15液態(tài)水的焓H1=65kJ/kg，120液態(tài)水的焓HL=500kJ/kg。120汽態(tài)水的焓HV=2700 kJ/kg，100 250煙道氣的平均比熱容為：Cp=0.9kJ/(kg.K)。求該節(jié)熱器產(chǎn)生蒸汽的最大速率及相應(yīng)的煙道尾氣的溫度，如果維持最小溫差為20，可產(chǎn)生多少蒸汽，煙道尾氣的溫度Ta是多少？煙道尾氣Ta=？TL=15水Ts=120蒸汽T1=250煙道氣F =1800 kg/h尾氣T1=250水T2=15 Ta換熱汽化T Q kJ/hTs=120尾氣T1=250水T2=15 Ta換熱汽化T Q kJ/hTs=120t=20 例4.3.1解：計(jì)算基準(zhǔn)：1800 kg/h

42、煙道氣。(1) 最大速率 FCp(T1-Ts)=M(Hv-HL) 1800 0.9(250-120)=M(2700-500) M=95.7 kg/hFCp(Ts-Ta)=M(HL-H1) 18000.9(120-Ta)=95.7(500-65) Ta=94 (2) t=20時(shí)的M和Ta FCp(T1-Ts-20)=M(Hv-HL) 18000.9(250-120-20)=M(2700-500) M=81 kg/h FCp(Ts+20-Ta)=M(HL-H1) 18000.9(120+20-Ta)=81(500-65) Ta=118 尾氣T1=250水T2=15 Ta換熱汽化T Q kJ/hTs

43、=120t=20 煙道尾氣Ta=？T2=15水Ts=120蒸汽T1=250煙道氣4.3.2 熱量與物料衡算例5.13：某精餾系統(tǒng)，進(jìn)料為12000kg/h，料液由A(50%)、B(36%)、C(14%)三種組分組成，進(jìn)料為汽液比1:1汽液混合物，塔頂餾分流率為6050kg/h，組成98%的A，2%的B，料液及餾分的溫度分別為140和95，過熱蒸汽(V)100，塔底引出流溫度為160。所有組分的平均比熱為2kJ/(kg.K)，潛熱為400 kJ/kg，回流比R=2.32，忽略熱損失，求塔底組分流率、過熱蒸汽速率、再沸器和冷凝器的熱負(fù)荷。LWFDV圖5.22 例5.13 精餾系統(tǒng)D=6050 A:

44、 0.98B: 0.02TD=95F=12000A: 0.5B: 0.36C: 0.14Tw=140W=？ A:B:C: Tw=160基準(zhǔn)：F=12000 kg/h物料衡算 全系統(tǒng)：W=12000-6050=5950 kg/h 組分C： WC=12000(0.14)=1680 kg/h 組分B DB=6050(0.02)=120 kg/h WB=0.36(12000)-120=4200 kg/h 組分A DA=6050(0.98)=5930 kg/h WA=0.5(12000)-5930=70 kg/h塔頂餾分流率：V=(R+1)D=(2.32+1)6050=20086 kg/h(2)熱量衡算 選用95為基準(zhǔn)溫度項(xiàng) 目流量 /kg/h溫度/組分ABCF (進(jìn)料)D (餾分)W (塔底引出流)V (上升汽流)R (回流比)120006050595020086L/D=2.32140951601000.50.980.010.360.020.710.140.000.28已知：例5.13 精餾系統(tǒng)D=6050 A: 0.98B: 0.02TD=95W=5950 A: 0.01B: 0.71C: 0.28 Tw=160LWFDVF=120