化工设计概论-化工流程MB和HB的联立计算.pdf

3.5化工流程MB和HB的联立计算（CB）CB计算与仅做（单独做）MB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温度（T）；2、流程中所有单元的单元变量加上描述传热的单元变量（dQ/dt或Q）；3、流程中一个单元牵涉N种组份，就可以列出N个独立的MB方程（分流器 除外），但一个单元无论其牵涉到多少种组份，都只能列出一个HB方程。4、因为流股的熔值与流股的相态有关，做CB时还要注意流股的相态；5、一个流股焰值的计算，大多数情况下可以考虑各组份的分摩尔靖按其在 流股中的摩尔分率进行加和计算（即按理想状态，各分组份焰简单加和），少数情况下，要考虑采用偏摩尔焰加和；6、dQ/dt或Q,有两种表示方式：、dQ/dt或Q=Z焰（进）一熔（出）dQ/dt或Q0,则意味系统（或单元）向外散热，反之逆然。、dQ/dt或Q=2焰（出）一焰（进）dQ/出或Q0,则意味系统（或单元）需要向外界获取热量，反 之逆然。dQ/出或Q=0,表明系统（或单元）绝热。7、熔是状态函数，流股焰的计算必须有基准态（参考态）J优点:金律来源 二方便标准态（25）熔值计算时参考态Y 任意温度 可能简化计算I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。8、MB和HB联立计算后，计算复杂程度加大，主要是因为焰值与温度的非线 性关系，导致HB方程通常是非线性方程。9、在考虑CB问题时（不是仅做MB计算时），看一个流程设计条件是否给得 正确，不能只看其过程的MB计算自由度，而必须看其过程的CB自由度。例题：有一个常压绝热猝冷过程（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：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。%=20C6H6(L)100T2=400 1000 mol/h c6H6 0.40C6H5cH3 0.30CH4 0.10H2 0.20(All in gas)T3=200C6H6C6H5cH3A CH4h2(All in gas)绝热猝冷过程示意图解:=20 c6H6 1.00流程自由度分析表 流股变量加T猝冷器MBCB J上少多了描述传热的 上不单元变量dQ/dt J流股变量数912(9+3)/单元变量数01/多了一个HB方程衡算方程数45(4+1)、已知流股变量数47(4+3)已知单兀变量数0已知其它关系式数00、自由度10*、dQ/dt=0流程自由度分析表猝冷器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,而应该看器CB计算的自由度分析结果。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:/=3=1000+X3Q6H5c H3 尸3=300X3CH4 尸3=100X3jh2.3=2004个MB方程其中：5个未知变量，只有4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。流程(单元)的HB方程(选200。为参考态温度)：F2 H2(400)-H2(200)=片(Hi(200)(20)注意Cp的量纲问题，及其适用温度范围。T2=400 11000 mol/hC6H6 0.40 2C6H5cH3 0.30”CH4 0.10H2 0.20/列出详细HB方程如下：/400 1400400 1 Cn(.CH Jr+300 1 Cn(.CH CH dboo P(V),C6H 6 J200(400(400+100 1 C()ch 山+200 1 C(、h 出/ioo P)，c4 ioo(由0.11=FUo-4+S”口T3=200C6H63 C6H5cH3-ch4h2z、苯在 1atm,80.11 沸点时的摩尔汽化热 Cp,C6H6 出T1=20 c6H6 1.00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：r-N2+3H2今2NH3 厂反应器2%要求：.做过程的自由度分析；.指出衡算计算的计算顺序。3 535C25进料50N2 0.25H2 0.75反应器1425 6混合器425.250.75o o CN2H2500分离器-50 解:首先，根据流程特点，判 断各流股的组份数。流程整体（OB）的特点：一个带一种反应的非绝热的虚 拟反应器。反应器1和反应器2自由度分析表dQ/dt _反应器1反应器2MBCBMBCB流股变量55+268单元变量1212MB方程数3333HB方程/1/1已知流股变量数11+102已知单元变量数1201已知附加式数0000自由度+1+1+4+33(3)5(3)535 反应器2分离器NH3 n2 h2-50 混合器和换热器自由度分析表o o CIN2IH2I500化 6分离器混合器换热器MBCBCB流股变量8115+4单元变量011MB方程数33/HB方程/11已知流股变量数134已知单元变量数011已知附加式数000自由度+4+4+45分离器和整体（OB）自由度分析表分离器整体OBMBCBMBCB流股变量81157单元变量0112MB方程数3333HB方程/1/1已知流股变量数1313已知单元变量数0000已知附加式数0000自由度+4+5+2+23(3)535。dQ/dt-反应器2分、区器进料50 NH3n2h2-50 自由度表5(3)流程自由度分析结果一览表回流程图反应器1反应器2混合器换热器分离器过程整体0BMBCBMBCBMBCBCBMBCBCBMBCB流股变量数576881198112457单元变量数121201101712333333/331233HBMS/1/1/11/15/1已知流股变量数120214413813已知单元变量数120101100500已知附加式数000000000000自由度+1+1+4+3+4+4+4+4+5+1+2+2计算基准-1-1-1-1-1-1自由度00+3+3+40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F7=1000mol/h为计算基准。从自由度分析结果看，应该先解反应器1的MB,再解其CB(HB),而且完全求解。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混合器换热器MBCBCB流股变量8119单元变量011MB方程数33/HB方程/11已知流股变量数475已知单元变量数011已知附加式数000自由度+10+3反应器2dQ/dt _5(3)分析结果:全求解。进料50 3(3)535C分离器1 N2 0.25(2)H2 0.752(3)人-(反应器1425 V_/8(3)-NH3n2h2-50 接着解混合器的CB,完解完混合器后，应该接着解哪个 单元？进料50 反应器2反应器2和整体0B的更新自由度分析表反应器2整体OBMBCBMBCB流股变量6857单元变量1212MB方程数3333HB方程/1/1已知流股变量数3524已知单元变量数0100已知附加式数0000自由度+10+1+1dQ/dt _5(3)分析结果:完全求解。3(3)535C分离器1 N2 0.25(2)H2 0.752(3)人-(反应器1425 V_/8(3)-NH3n2h2-50 接着解反应器2的CB,解完反应器2后，应该接着解哪个 单元？进料50 反应器22(3)425 1 N2 0.25(2)H2 0.75o8(3)换热器的更新自由度分析表3(3)535C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8已知单元变量数1已知附加式数0自由度04(3)换热器反应器1混合器dQ/dt-5(3)分析结果:分离器nh3 n2h2-50 6(2)N2 0.25H2 0.7550 接着解换热器的CB(即HB),完全求解。解完换热器后，应该接着解哪个单元？只剩分离器和整体OB,二者解 其一即可。分离器的更新自由度分析表进料50 dQ/dt _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58已知单元变量数00已知附加式数00自由度004(3)换热器5分离器nh3 n2h2-50 6(2)N2 0.25H2 0.7550 分析结果：接着解分离器的MB,最后解其 HB,完全求解。综上分析结果，得到一个完全求解的衡算序列:反应器1MB进料50 反应器1HB1 N2 0.25(2)H2 0.75反应器2o混合器CB3(3)反应器2cB换热器HB分离器MB8(3)535 反应器12(3)425 6(2)H2 0.7550 分离器HBdQ/dt 一一分离器具体求解：略5(3)nh3 n2h2-50 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，压力对焰计算的影响可忽略；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+3H2CH4+H2O；6、1号流股中只含3个组份，且CO和H2的摩尔比为1：2.9o注：psia（英制压力单位）解:h20,100反应器3(4)1000换热器110(4)dQ1/dt分离器4 500(4)(-)混合器和反应器的自由度分析混合器反应器MBCBMBCB流股变量数1114810单元变量数0112MB方程数4444HB方程/1/1已知流股变量数1223已知单元变量数0101已知附加式数1100自由度+5+6+3+3进料200 小、c oh2h2o反应器分离器进料200 小、c o J-13）h2h2o（二）换热器1和换热器2的自由度分析换热器1换热器2CBCB流股变量数612单元变量数11MB方程数/HB方程11已知流股变量数46已知单元变量数01已知附加式数00自由度+2+5反应器分离器（三）分流器和分离器的自由度分析分流器分离器MBCBMBCB流股变量数69912单元变量数/101MB方程数1144HB方程/1/1已知流股变量数3636已知单元变量数/100已知附加式数0000自山度+2+1+2+2进料200 小、c o 9H2h2o反应器分离器回自由度总表（四）过程和整体（0B）的自由度分析过程整体OBCBMBCB流股变量数18+10811单元变量数12MB方程数44HB方程/1已知流股变量数4+836已知单元变量数00已知附加式数11自由度+1+1进料200 小、c oh2h2o反应器分离器流程自由度分析结果一览表混合器反应器换1换2分流器分离器过程整体OBMBCBMBCBCBCBMBCBMBCBCBMBCB流股变量数11148106126991228811单元变量数0112110101712MB方程数4444/11441344HB方程/1/111/0161已知流股变量数12234636361236已知单元变量数0101010100400已知附加式数1100000000111自由度+5+6+3+3+2+5+2*2+2+2-0+1+1问题：这个流程的衡算计算采用“变量置换法”有 设计不对？问题在哪?简化 I计算的效果吗?回自由度（三）本章总结化工流程衡算计算的大致步骤及每步相应的注意事项:第六步：根据流程特点判断整体(0B)的特征。注意：(1)、只要流程中有反应器(无论多少个反应器存在)，则流程整 体相当于一个大的虚拟反应器。进一步结合各反应器分别存在的反应个数，来判断0B的独立反应种类数。(2)、只要流程中有单元不绝热，则0B是一个虚拟的非绝热单元。所有单元都绝热，0B才绝热。第七步：做全流程的自由度分析。注意(1)、间壁式换热器只有CB问题(其单独MB无意义)。(2)、分流器的自由度分析有特殊性(MB方程只有1个，还要注意其 MB方程和HB方程的独立性)。(3)、注意过程一栏中MB方程各单元(不包括0B)加和时的独立性。(4)、注意过程一栏中已知附加式各单元(包括0B)加和时的独立性。第八步：从全流程自由度分析结果及流程特点出发，判断是否是弹性设计，是否可用变量置换法简化衡算计算。（注意弹性设计时计算基准的挑选；注 意变量置换后，将衡算计算结果换回原设计条件的流量要求。）第九步：从全流程最后的自由度分析结果出发，逐步利用更新自由度分析表,判断衡算计算的步骤，确定衡算计算步骤。（各步骤单元部分求解序列居多;部分求解和完全求解混杂。）第十步：具体求解，并给出衡算结果一览表。（计算时注意数据的量纲。）以上18步，即使是用计算机辅助衡算计算软件，也必须人工处理，而且 还大有必要。计算机辅助衡算计算软件主要是帮助处理910步。3.6计算机辅助物料衡算与热量衡算例题:T2=400 1000 mol/h c6H6 0.40C6H5cH3 0.30CH4 0.10H2 0.20有一个常压绝热猝冷过程（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：我们来用PROCESS II 6.2版计算机辅助化工设计软件系统进行衡算计算。第一步（建立流程图）首先在PROCESS II软件空白流程界面中建立过程的流程示意图，输入所有 单元设备及所有的流股，确定各流股的走向，并给所有流股编号。第二步（定义组份）给流程中的每个流股分别说明其组份种类。同时，为了利用PROCESS II软 件带有的物性数据库。第二步必须将流程中牵涉的所有组份种类输入PROCESS II软件。第三步（定义一个热力学方法）根据过程的压力、温度等情况在众多的热力学方程（如Pen-Robinson cubic equation of state IdeaK NRTL、UNIQUAC等等）中，挑选一个适宜的热力学 方法，软件本身能自行进行组份的物性数据计算。第四步（指定工艺装置和物流的已知数据）因为PROCESS II软件本身只能进行正向模拟计算，必须先将输入流股的已知 数据输入软件中（这些已知输入流股参数在软件计算过程中始终保持不变），输入 流股的一些未知参数也必须输入初值（最好尽量合理一些，该初值可以由软件计 算改变），输入各单元装置已知的设备参数。在输入过程中可以改变参数的计量单位。第五步（输入设计约束条件）将输出流股的已知参数、其它设计约束条件以模拟计算控制模块（全部以已知 方程方式）形式输入PROCESS II软件中。并设定模拟计算收敛精度和最大迭代计 算次数。第六步（模拟计算）启动PROCESS II软件开始模拟计算，如果输入的数据满足了软件模拟计算的 自由度要求，软件将开始模拟计算。随着PROCESS II软件模拟计算的进行，流程 中各变量将不断变化，直到达到收敛精度或迭代次数，PROCESS II软件将给出计 算结果。第七步（确定计算结果的输出格式）软件本身有默认的计算结果输出格式，但可以按设计者爱好或设计计算要求,挑选确定计算结果的输出格式，确定数据的有效数据位数。用PROCESS II软件计算以上绝热猝冷过里用二营奔我4胃:的 台式计算机，瞬间（CPU用时不到1秒）即可完成计算，计算的用果九下表。流股项目123计量单位Pressureatm1.0001.0001.000Temperature20.000400.000199.998To tal Mo lar RateKg-mo l/h0.2601.0001.260Mo lar Co mp.Rateh2Kg-mo l/h0.00000.20000.2000Meth an eKg-mo l/h0.00000.10000.1000Ben zen eKg-mo l/h0.26000.40000.6600To luen eKg-mo l/h0.00000.30000.3000Mo lar Co mp.Perc en tsh20.000020.000015.8729Meth an e0.000010.00007.9364Ben zen e100.000040.000052.3813To luen e0.000030.000023.8093