C三章物料衡算与热量衡算(3)-化工设计.ppt
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- 物料 热量 化工 设计
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1、3.5 化工流程化工流程MB和和HB的联立计算(的联立计算(CB)CB计算与仅做(单独做)计算与仅做(单独做)MB计算时,有下面几点区别:计算时,有下面几点区别:1、流程中所有流股的流股变量加上、流程中所有流股的流股变量加上温度(温度(T);2、流程中所有单元的单元变量加上描述、流程中所有单元的单元变量加上描述传热的单元变量(传热的单元变量(dQ/dt或或Q);3、流程中一个单元牵涉、流程中一个单元牵涉N种组份,就可以列出种组份,就可以列出N个个独立的独立的MB方程(分流器方程(分流器除外),但一个单元无论其牵涉到多少种组份,都只能列出除外),但一个单元无论其牵涉到多少种组份,都只能列出一个一
2、个HB方程。方程。4、因为流股的焓值与流股的相态有关,做、因为流股的焓值与流股的相态有关,做CB时还要注意流股的时还要注意流股的相态相态;5、一个流股焓值的计算,大多数情况下可以考虑各组份的、一个流股焓值的计算,大多数情况下可以考虑各组份的分摩尔焓分摩尔焓按其在按其在流股中的摩尔分率进行加和计算(即按理想状态,各分组份焓简单加和),流股中的摩尔分率进行加和计算(即按理想状态,各分组份焓简单加和),少数情况下,要考虑采用少数情况下,要考虑采用偏摩尔焓偏摩尔焓加和;加和;6、dQ/dt或或Q,有两种表示方式:,有两种表示方式:、dQ/dt或或Q焓(进)焓(进)焓(出)焓(出)dQ/dt或或Q0,则
3、意味系统(或单元)向外散热,反之逆然。,则意味系统(或单元)向外散热,反之逆然。、dQ/dt或或Q焓(出)焓(出)焓(进)焓(进)dQ/dt或或Q0,则意味系统(或单元)需要向外界获取热量,反,则意味系统(或单元)需要向外界获取热量,反之逆然。之逆然。dQ/dt或或Q0,表明系统(或单元)绝热。,表明系统(或单元)绝热。7、焓是状态函数,流股焓的计算必须有基准态(参考态):、焓是状态函数,流股焓的计算必须有基准态(参考态):焓值计算时参考态标准态(25)任意温度流程中某个流股的温度注意:在一个计算过程中,参考态一经选定,就不能再变更。注意:在一个计算过程中,参考态一经选定,就不能再变更。优点:
4、数据来源方便可能简化计算8、MB和和HB联立计算后,计算复杂程度加大,主要是因为焓值与温度的非线联立计算后,计算复杂程度加大,主要是因为焓值与温度的非线性关系,导致性关系,导致HB方程通常是非线性方程。方程通常是非线性方程。9、在考虑、在考虑CB问题时(不是仅做问题时(不是仅做MB计算时),看一个流程设计条件是否给得计算时),看一个流程设计条件是否给得正确,正确,不能只看其过程的不能只看其过程的MB计算自由度,而必须看其过程的计算自由度,而必须看其过程的CB自由度。自由度。例题:例题:有一个常压绝热猝冷常压绝热猝冷过程(过程中无化学反应),所有组份含量均为摩尔分率,其流程示意图如下所示:3T2
5、4001000 mol/hC6H6 0.40C6H5CH3 0.30CH4 0.10H2 0.20(All in gas)12T120C6H6(L)1.00T3200C6H6 C6H5CH3 CH4 H2 (All in gas)绝热猝冷过程示意图绝热猝冷过程示意图试作该流程的自由度分析,完成其物料衡算和热量衡算计算。3T24001000 mol/hC6H6 0.40C6H5CH3 0.30CH4 0.10H2 0.2012T120C6H6 1.00T3200C6H6 C6H5CH3 CH4 H2 解:解:流程自由度分析表流程自由度分析表1004409MB猝冷器猝冷器CB0自由度0已知其它关系
6、式数1已知单元变量数7(4+3)已知流股变量数5(4+1)衡算方程数1单元变量数12(9+3)流股变量数流股变量加流股变量加T多了描述传热的多了描述传热的单元变量单元变量dQ/dt多了一个多了一个HB方程方程dQ/dt=0猝冷器猝冷器MBCB流股变量数912(9+3)单元变量数01衡算方程数45(4+1)已知流股变量数47(4+3)已知单元变量数01已知其它关系式数00自由度10流程自由度分析表流程自由度分析表 这个流程仅仅看这个流程仅仅看MB计算自由度分析,不能就说它的设计条件给得不正确,计算自由度分析,不能就说它的设计条件给得不正确,而应该看器而应该看器CB计算的自由度分析结果。计算的自由
7、度分析结果。这种情况说明,该流程的MB不能单独求解,而必须与其HB方程联立起来,进行CB计算。具体计算:具体计算:F31000F1X3,C6H5CH3 F3300X3,CH4 F3100X3,H2 F32004个MB方程其中:其中:5个未知变量,只有个未知变量,只有4个方程。个方程。在列其HB方程之前,先考虑其参考态选什么温度?如果热容数据好查!最简化计算的参考态温度应该选为3号流股的温度。3T24001000 mol/hC6H6 0.40C6H5CH3 0.30CH4 0.10H2 0.2012T120C6H6 1.00T3200C6H6 C6H5CH3 CH4 H2 因为其未知的流量组成变
8、量最多流程(单元)的HB方程(选200为参考态温度):F2H2(400)H2(200)F1H1(200)H1(20)3T24001000 mol/hC6H6 0.40C6H5CH3 0.30CH4 0.10H2 0.2012T120C6H6 1.00T3200C6H6 C6H5CH3 CH4 H2 列出详细HB方程如下:20011.80),(11.8020),(1400200),(400200),(400200),(400200),(66662435666)11.80(200100300400dtCHdtCFdtCdtCdtCdtCHCvpHClpHvpCHvpCHHCvpHCvp苯在1atm
9、,80.11沸点时的摩尔汽化热注意注意Cp的量纲问题,及其适用温度范围。的量纲问题,及其适用温度范围。例题例题:一个合成氨生产工艺流程图如下所示:已知 .反应器1中N2的转化率为10;图中组成均为摩尔分率;5号流股为液相外,其余均为气相流股;.除分离器外,其它单元均为绝热操作;.两反应器中均只有一个反应:N2 3H2 2NH3要求:.做过程的自由度分析;.指出衡算计算的计算顺序。NH3 N2H2-50425进料150N2 0.25H2 0.75反应器2反应器1混合器换热器分离器 283 74256N2 0.25H2 0.75504dQ/dt5535解:首先,根据流程特点,判首先,根据流程特点,
10、判断各流股的组份数。断各流股的组份数。NH3 N2H2-50425进料150N2 0.25H2 0.75反应器2反应器1混合器换热器分离器 283 74256N2 0.25H2 0.75504dQ/dt5535(3)(3)(3)(3)(3)(2)(2)(2)流程整体(OB)的特点:一个带一种反应的非绝热的虚一个带一种反应的非绝热的虚拟反应器。拟反应器。反应器1反应器2MBCBMBCB流股变量单元变量MB方程数HB方程已知流股变量数已知单元变量数已知附加式数自由度反应器1和反应器2自由度分析表 5 1 3 1 1 0152 2 3 111 2 01 6 1 3 0 0 0 4 8 2 3 0 1
11、 2 1 3N2 0.25H2 0.7550NH3 N2H2-50425进料150N2 0.25H2 0.75反应器2反应器1混合器换热器分离器 283 742564dQ/dt5535(3)(3)(3)(3)(3)(2)(2)(2)混合器和换热器自由度分析表444自由度000已知附加式数110已知单元变量数431已知流股变量数11HB方程33MB方程数110单元变量54118流股变量CBCBMB换热器混合器+2254自由度0000已知附加式数0000已知单元变量数3131已知流股变量数11HB方程3333MB方程数2110单元变量75118流股变量CBMBCBMB整体OB分离器分离器和整体(O
12、B)自由度分析表自由度表N2 0.25H2 0.7550NH3 N2H2-50425进料150N2 0.25H2 0.75反应器2反应器1混合器换热器分离器 283 742564dQ/dt5535(3)(3)(3)(3)(3)(2)(2)(2)流程自由度分析结果一览表000000000000已知附加式数005001101021已知单元变量数+2+21+5+4+4+4+4+3+4+1+1自由度318314412021已知流股变量数1511111HB方程数331233333333MB方程数217101102121单元变量数752411891188675流股变量数CBMBCBCBMBCBCBMBCB
13、MBCBMB整体OB过程分离器换热器混合器反应器2反应器1回流程图显然是一个弹性设计,必须挑选一个流股的流量作为计算基准。最好选最好选F71000mol/h为计算基准。为计算基准。计算基准111-1-1-1自由度003+3+40 从自由度分析结果看,应该先解反应器从自由度分析结果看,应该先解反应器1的的MB,再解其,再解其CB(HB),而且完全求解。),而且完全求解。N2 0.25H2 0.7550NH3 N2H2-50425进料150N2 0.25H2 0.75反应器2反应器1混合器换热器分离器 283 742564dQ/dt5535(3)(3)(3)(3)(3)(2)(2)(2)混合器换热
14、器MBCBCB流股变量8119单元变量011MB方程数33HB方程11已知流股变量数已知单元变量数011已知附加式数000自由度 解完反应器1后,应该接着解哪个单元?完全求解反应器1的MB和HB意味着什么?混合器和换热器的更新自由度分析表4+1705+3 分析结果:接着解混合器的分析结果:接着解混合器的CB,完,完全求解。全求解。反应器2整体OBMBCBMBCB流股变量6857单元变量1212MB方程数3333HB方程11已知流股变量数已知单元变量数0100已知附加式数0000自由度N2 0.25H2 0.7550NH3 N2H2-50425进料150N2 0.25H2 0.75反应器2反应器
15、1混合器换热器分离器 283 742564dQ/dt5535(3)(3)(3)(3)(3)(2)(2)(2)解完混合器后,应该接着解哪个单元?反应器2和整体OB的更新自由度分析表3+15024+1+1 分析结果:接着解反应器分析结果:接着解反应器2的的CB,完全求解。完全求解。换热器CB流股变量9单元变量1MB方程数HB方程1已知流股变量数已知单元变量数1已知附加式数0自由度N2 0.25H2 0.7550NH3 N2H2-50425进料150N2 0.25H2 0.75反应器2反应器1混合器换热器分离器 283 742564dQ/dt5535(3)(3)(3)(3)(3)(2)(2)(2)解
16、完反应器2后,应该接着解哪个单元?换热器的更新自由度分析表80 分析结果:接着解换热器的分析结果:接着解换热器的CB(即(即HB),完全求解。),完全求解。分离器MBCB流股变量811单元变量01MB方程数33HB方程1已知流股变量数已知单元变量数00已知附加式数00自由度N2 0.25H2 0.7550NH3 N2H2-50425进料150N2 0.25H2 0.75反应器2反应器1混合器换热器分离器 283 742564dQ/dt5535(3)(3)(3)(3)(3)(2)(2)(2)解完换热器后,应该接着解哪个单元?分离器的更新自由度分析表50 分析结果:接着解分离器的分析结果:接着解分
17、离器的MB,最后解其,最后解其HB,完全求解。,完全求解。只剩分离器和整体OB,二者解其一即可。80综上分析结果,得到一个完全求解的衡算序列:综上分析结果,得到一个完全求解的衡算序列:反应器1MBN2 0.25H2 0.7550NH3 N2H2-50425进料150N2 0.25H2 0.75反应器2反应器1混合器换热器分离器 283 742564dQ/dt5535(3)(3)(3)(3)(3)(2)(2)(2)反应器1HB混合器CB反应器2CB换热器HB分离器MB分离器HB具体求解:略具体求解:略例题例题:一个甲烷生产流程初步设计的流程草图如下,试作流程的自由度分析,并指出物料及热量衡算计算
18、顺序。设计已知及要求为:1、除了换热器1和分离器外,其它单元均为绝热操作;2、8号流股为纯水液相流股,其余流股均为气相流股;3、整个流程处于100psia压力状态,压力对焓计算的影响可忽略;4、产品流中甲烷的分摩尔流量为1000kmol/h,图中组成均为摩尔分率;5、反应器中只有:CO+3H2 CH4+H2O;6、1号流股中只含3个组份,且CO和H2的摩尔比为1:2.9。注:注:psia(英制压力单位)(英制压力单位)混合器 反应器 换热器1 换热器2分离器分配器dQ1/dt dQ2/dt12进料200COH2H2O 3 10004 500 5 2006CO 0.12H2CH4 0.50H2O
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