C三章物料衡算與熱量衡算(3)_化工設(shè)計學(xué)習(xí)課件.ppt

1、3.5 化工流程MB和HB的聯(lián)立計算（CB）CB計算與僅做（單獨做）MB計算時，有下面幾點區(qū)別：1、流程中所有流股的流股變量加上溫度（T）；2、流程中所有單元的單元變量加上描述傳熱的單元變量（dQ/dt或Q）；3、流程中一個單元牽涉N種組份，就可以列出N個獨立的MB方程（分流器除外），但一個單元無論其牽涉到多少種組份，都只能列出一個HB方程。4、因為流股的焓值與流股的相態(tài)有關(guān)，做CB時還要注意流股的相態(tài)；5、一個流股焓值的計算，大多數(shù)情況下可以考慮各組份的分摩爾焓按其在流股中的摩爾分率進(jìn)行加和計算（即按理想狀態(tài)，各分組份焓簡單加和），少數(shù)情況下，要考慮采用偏摩爾焓加和；精品6、dQ/dt或Q，

2、有兩種表示方式： 、 dQ/dt或Q焓（進(jìn)）焓（出） dQ/dt或Q0，則意味系統(tǒng)（或單元）向外散熱，反之逆然。 、 dQ/dt或Q焓（出）焓（進(jìn)） dQ/dt或Q0，則意味系統(tǒng)（或單元）需要向外界獲取熱量，反之逆然。dQ/dt或Q0，表明系統(tǒng)（或單元）絕熱。7、焓是狀態(tài)函數(shù)，流股焓的計算必須有基準(zhǔn)態(tài)（參考態(tài)）：焓值計算時參考態(tài)標(biāo)準(zhǔn)態(tài)（25）任意溫度流程中某個流股的溫度注意：在一個計算過程中，參考態(tài)一經(jīng)選定，就不能再變更。優(yōu)點：數(shù)據(jù)來源方便可能簡化計算精品8、MB和HB聯(lián)立計算后，計算復(fù)雜程度加大，主要是因為焓值與溫度的非線性關(guān)系，導(dǎo)致HB方程通常是非線性方程。9、在考慮CB問題時（不是僅做M

3、B計算時），看一個流程設(shè)計條件是否給得正確，不能只看其過程的MB計算自由度，而必須看其過程的CB自由度。精品例題： 有一個常壓絕熱猝冷過程（過程中無化學(xué)反應(yīng)），所有組份含量均為摩爾分率，其流程示意圖如下所示：3T24001000 mol/hC6H6 0.40C6H5CH3 0.30CH4 0.10H2 0.20（All in gas）12T120C6H6 （L） 1.00T3200C6H6 C6H5CH3 CH4 H2 （All in gas） 絕熱猝冷過程示意圖試作該流程的自由度分析，完成其物料衡算和熱量衡算計算。精品3T24001000 mol/hC6H6 0.40C6H5CH3 0.30

4、CH4 0.10H2 0.2012T120C6H6 1.00T3200C6H6 C6H5CH3 CH4 H2 解：流程自由度分析表1004409MB猝冷器CB0自由度0已知其它關(guān)系式數(shù)1已知單元變量數(shù)7(4+3)已知流股變量數(shù)5(4+1)衡算方程數(shù)1單元變量數(shù)12(9+3)流股變量數(shù)流股變量加T多了描述傳熱的單元變量dQ/dt多了一個HB方程dQ/dt=0精品猝冷器MBCB流股變量數(shù)912(9+3)單元變量數(shù)01衡算方程數(shù)45(4+1)已知流股變量數(shù)47(4+3)已知單元變量數(shù)01已知其它關(guān)系式數(shù)00自由度10流程自由度分析表 這個流程僅僅看MB計算自由度分析，不能就說它的設(shè)計條件給得不正確，

5、而應(yīng)該看器CB計算的自由度分析結(jié)果。 這種情況說明，該流程的MB不能單獨求解，而必須與其HB方程聯(lián)立起來，進(jìn)行CB計算。精品具體計算：F31000F1X3,C6H5CH3 F3300X3,CH4 F3100X3,H2 F32004個MB方程其中：5個未知變量，只有4個方程。在列其HB方程之前，先考慮其參考態(tài)選什么溫度？如果熱容數(shù)據(jù)好查！最簡化計算的參考態(tài)溫度應(yīng)該選為3號流股的溫度。3T24001000 mol/hC6H6 0.40C6H5CH3 0.30CH4 0.10H2 0.2012T120C6H6 1.00T3200C6H6 C6H5CH3 CH4 H2 因為其未知的流量組成變量最多精品

6、流程（單元）的HB方程（選200為參考態(tài)溫度）：F2H2（400）H2（200）F1H1（200）H1（20）3T24001000 mol/hC6H6 0.40C6H5CH3 0.30CH4 0.10H2 0.2012T120C6H6 1.00T3200C6H6 C6H5CH3 CH4 H2 列出詳細(xì)HB方程如下：苯在1atm，80.11沸點時的摩爾汽化熱注意Cp的量綱問題，及其適用溫度范圍。精品精品例題：一個合成氨生產(chǎn)工藝流程圖如下所示：已知 . 反應(yīng)器1中N2的轉(zhuǎn)化率為10； 圖中組成均為摩爾分率； 5號流股為液相外，其余均為氣相流股； . 除分離器外，其它單元均為絕熱操作； . 兩反應(yīng)器

7、中均只有一個反應(yīng)： N2 3H2 2NH3要求： . 做過程的自由度分析； . 指出衡算計算的計算順序。NH3 N2H2-50425進(jìn)料150N2 0.25H2 0.75反應(yīng)器2反應(yīng)器1混合器換熱器分離器 283 74256N2 0.25H2 0.75504dQ/dt5535精品解： 首先，根據(jù)流程特點，判斷各流股的組份數(shù)。NH3 N2H2-50425進(jìn)料150N2 0.25H2 0.75反應(yīng)器2反應(yīng)器1混合器換熱器分離器 283 74256N2 0.25H2 0.75504dQ/dt5535(3)(3)(3)(3)(3)(2)(2)(2) 流程整體（OB）的特點：一個帶一種反應(yīng)的非絕熱的虛擬

8、反應(yīng)器。反應(yīng)器1反應(yīng)器2MBCBMBCB流股變量單元變量MB方程數(shù)HB方程已知流股變量數(shù)已知單元變量數(shù)已知附加式數(shù)自由度反應(yīng)器1和反應(yīng)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 2 1 3精品N2 0.25H2 0.7550NH3 N2H2-50425進(jìn)料150N2 0.25H2 0.75反應(yīng)器2反應(yīng)器1混合器換熱器分離器 283 742564dQ/dt5535(3)(3)(3)(3)(3)(2)(2)(2)混合器和換熱器自由度分析表444自由度000已知附加式數(shù)110已知單元變量數(shù)431已知流股變量數(shù)11HB方程3

9、3MB方程數(shù)110單元變量54118流股變量CBCBMB換熱器混合器精品+2254自由度0000已知附加式數(shù)0000已知單元變量數(shù)3131已知流股變量數(shù)11HB方程3333MB方程數(shù)2110單元變量75118流股變量CBMBCBMB整體OB分離器分離器和整體（OB）自由度分析表自由度表N2 0.25H2 0.7550NH3 N2H2-50425進(jìn)料150N2 0.25H2 0.75反應(yīng)器2反應(yīng)器1混合器換熱器分離器 283 742564dQ/dt5535(3)(3)(3)(3)(3)(2)(2)(2)精品流程自由度分析結(jié)果一覽表000000000000已知附加式數(shù)005001101021已知單

10、元變量數(shù)+2+21+5+4+4+4+4+3+4+1+1自由度318314412021已知流股變量數(shù)1511111HB方程數(shù)331233333333MB方程數(shù)217101102121單元變量數(shù)752411891188675流股變量數(shù)CBMBCBCBMBCBCBMBCBMBCBMB整體OB過程分離器換熱器混合器反應(yīng)器2反應(yīng)器1回流程圖顯然是一個彈性設(shè)計，必須挑選一個流股的流量作為計算基準(zhǔn)。最好選F71000mol/h為計算基準(zhǔn)。計算基準(zhǔn)111-1-1-1自由度003+3+40 從自由度分析結(jié)果看，應(yīng)該先解反應(yīng)器1的MB，再解其CB（HB），而且完全求解。精品N2 0.25H2 0.7550NH3

11、N2H2-50425進(jìn)料150N2 0.25H2 0.75反應(yīng)器2反應(yīng)器1混合器換熱器分離器 283 742564dQ/dt5535(3)(3)(3)(3)(3)(2)(2)(2)混合器換熱器MBCBCB流股變量8119單元變量011MB方程數(shù)33HB方程11已知流股變量數(shù)已知單元變量數(shù)011已知附加式數(shù)000自由度 解完反應(yīng)器1后，應(yīng)該接著解哪個單元？ 完全求解反應(yīng)器1的MB和HB意味著什么？混合器和換熱器的更新自由度分析表4+1705+3 分析結(jié)果：接著解混合器的CB，完全求解。精品反應(yīng)器2整體OBMBCBMBCB流股變量6857單元變量1212MB方程數(shù)3333HB方程11已知流股變量數(shù)

12、已知單元變量數(shù)0100已知附加式數(shù)0000自由度N2 0.25H2 0.7550NH3 N2H2-50425進(jìn)料150N2 0.25H2 0.75反應(yīng)器2反應(yīng)器1混合器換熱器分離器 283 742564dQ/dt5535(3)(3)(3)(3)(3)(2)(2)(2) 解完混合器后，應(yīng)該接著解哪個單元？反應(yīng)器2和整體OB的更新自由度分析表3+15024+1+1 分析結(jié)果：接著解反應(yīng)器2的CB，完全求解。精品換熱器CB流股變量9單元變量1MB方程數(shù)HB方程1已知流股變量數(shù)已知單元變量數(shù)1已知附加式數(shù)0自由度N2 0.25H2 0.7550NH3 N2H2-50425進(jìn)料150N2 0.25H2

13、0.75反應(yīng)器2反應(yīng)器1混合器換熱器分離器 283 742564dQ/dt5535(3)(3)(3)(3)(3)(2)(2)(2) 解完反應(yīng)器2后，應(yīng)該接著解哪個單元？換熱器的更新自由度分析表80 分析結(jié)果：接著解換熱器的CB（即HB），完全求解。精品分離器MBCB流股變量811單元變量01MB方程數(shù)33HB方程1已知流股變量數(shù)已知單元變量數(shù)00已知附加式數(shù)00自由度N2 0.25H2 0.7550NH3 N2H2-50425進(jìn)料150N2 0.25H2 0.75反應(yīng)器2反應(yīng)器1混合器換熱器分離器 283 742564dQ/dt5535(3)(3)(3)(3)(3)(2)(2)(2) 解完換熱

14、器后，應(yīng)該接著解哪個單元？分離器的更新自由度分析表50 分析結(jié)果：接著解分離器的MB，最后解其HB，完全求解。 只剩分離器和整體OB，二者解其一即可。80精品綜上分析結(jié)果，得到一個完全求解的衡算序列：反應(yīng)器1MBN2 0.25H2 0.7550NH3 N2H2-50425進(jìn)料150N2 0.25H2 0.75反應(yīng)器2反應(yīng)器1混合器換熱器分離器 283 742564dQ/dt5535(3)(3)(3)(3)(3)(2)(2)(2)反應(yīng)器1HB混合器CB反應(yīng)器2CB換熱器HB分離器MB分離器HB具體求解：略精品精品例題：一個甲烷生產(chǎn)流程初步設(shè)計的流程草圖如下，試作流程的自由度分析，并指出物料及熱量

15、衡算計算順序。 設(shè)計已知及要求為： 1、除了換熱器1和分離器外，其它單元均為絕熱操作； 2、8號流股為純水液相流股，其余流股均為氣相流股； 3、整個流程處于100psia壓力狀態(tài)，壓力對焓計算的影響可忽略； 4、產(chǎn)品流中甲烷的分摩爾流量為1000kmol/h, 圖中組成均為摩爾分率； 5、反應(yīng)器中只有：CO + 3H2 CH4 + H2O； 6、1號流股中只含3個組份，且CO和H2的摩爾比為1：2.9。注：psia（英制壓力單位）精品 混合器 反應(yīng)器 換熱器1 換熱器2分離器分配器dQ1/dt dQ2/dt12進(jìn)料200COH2H2O 3 10004 500 5 2006CO 0.12H2CH

16、4 0.50H2O200 7200H2O 1008H2O 0.01100910(1)(4)(4)(4)(4)(4)(4)(4)(4)(3)解：精品 混合器 反應(yīng)器 換熱器1 換熱器2分離器分配器dQ1/dt dQ2/dt12進(jìn)料200COH2H2O 3 10004 500 5 2006CO 0.12H2CH4 0.50H2O200 7200H2O 1008H2O 0.01100910(1)(4)(4)(4)(4)(4)(4)(4)(4)(3)（一）混合器和反應(yīng)器的自由度分析+3+3+6+5自由度0011已知附加式數(shù)1010已知單元變量數(shù)3221已知流股變量數(shù)11HB方程4444MB方程數(shù)211

17、0單元變量數(shù)1081411流股變量數(shù)CBMBCBMB反應(yīng)器混合器精品 混合器 反應(yīng)器 換熱器1 換熱器2分離器分配器dQ1/dt dQ2/dt12進(jìn)料200COH2H2O 3 10004 500 5 2006CO 0.12H2CH4 0.50H2O200 7200H2O 1008H2O 0.01100910(1)(4)(4)(4)(4)(4)(4)(4)(4)(3)（二）換熱器1和換熱器2的自由度分析+2004116CB換熱器1+5自由度0已知附加式數(shù)1已知單元變量數(shù)6已知流股變量數(shù)1HB方程MB方程數(shù)1單元變量數(shù)12流股變量數(shù)CB換熱器2精品 混合器 反應(yīng)器 換熱器1 換熱器2分離器分配器d

18、Q1/dt dQ2/dt12進(jìn)料200COH2H2O 3 10004 500 5 2006CO 0.12H2CH4 0.50H2O200 7200H2O 1008H2O 0.01100910(1)(4)(4)(4)(4)(4)(4)(4)(4)(3)（三）分流器和分離器的自由度分析+2+2+1+2自由度0000已知附加式數(shù)001已知單元變量數(shù)6363已知流股變量數(shù)11HB方程4411MB方程數(shù)101單元變量數(shù)12996流股變量數(shù)CBMBCBMB分離器分流器回自由度總表精品 混合器 反應(yīng)器 換熱器1 換熱器2分離器分配器dQ1/dt dQ2/dt12進(jìn)料200COH2H2O 3 10004 50

19、0 5 2006CO 0.12H2CH4 0.50H2O200 7200H2O 1008H2O 0.01100910(1)(4)(4)(4)(4)(4)(4)(4)(4)(3)（四）過程和整體（OB）的自由度分析+1+1自由度11已知附加式數(shù)00已知單元變量數(shù)634+8已知流股變量數(shù)1HB方程44MB方程數(shù)21單元變量數(shù)11818+10流股變量數(shù)CBMBCB整體OB過程精品+1+1-1+2+2+1+2+5+2+3+3+6+5自由度1110000000011已知附加式數(shù)0040010101010已知單元變量數(shù)63126363643221已知流股變量數(shù)16111111HB方程44134411444

20、4MB方程數(shù)2171010112110單元變量數(shù)11828129961261081411流股變量數(shù)CBMBCBCBMBCBMBCBCBCBMBCBMB整體OB過程分離器分流器換2換1反應(yīng)器混合器流程自由度分析結(jié)果一覽表設(shè)計不對？問題在哪？回自由度（三） 0 +2 0 5問題：這個流程的衡算計算采用“變量置換法”有簡化 計算的效果嗎？精品精品本章總結(jié)化工流程衡算計算的大致步驟及每步相應(yīng)的注意事項：第一步：根據(jù)流程特點和已知設(shè)計條件確定流程中各流股含有的組份種類數(shù)。（如果是CB計算，還要注意各流股的相態(tài)。）第二步：給流程中所有流股編號。（注意將分流器的有關(guān)流股編號相連。）第三步：確定是否僅僅做MB

21、計算（流股變量不考慮溫度，單元變量不考慮dQ/dt或Q）；做CB計算（流股變量考慮溫度，單元變量考慮dQ/dt或Q）。注意多相流股的流股變量問題。第四步：確定流程中所有反應(yīng)器各自的獨立反應(yīng)個數(shù)。第五步：如果做CB計算，應(yīng)確認(rèn)各單元的dQ/dt(或Q)是否已知。（絕熱還是非絕熱操作。）精品第六步：根據(jù)流程特點判斷整體（OB）的特征。注意： （1）、只要流程中有反應(yīng)器（無論多少個反應(yīng)器存在），則流程整體相當(dāng)于一個大的虛擬反應(yīng)器。進(jìn)一步結(jié)合各反應(yīng)器分別存在的反應(yīng)個數(shù)，來判斷OB的獨立反應(yīng)種類數(shù)。 （2）、只要流程中有單元不絕熱，則OB是一個虛擬的非絕熱單元。所有單元都絕熱，OB才絕熱。第七步：做全流

22、程的自由度分析。注意 （1）、間壁式換熱器只有CB問題（其單獨MB無意義）。 （2）、分流器的自由度分析有特殊性（MB方程只有1個，還要注意其MB方程和HB方程的獨立性）。 （3）、注意過程一欄中MB方程各單元（不包括OB）加和時的獨立性。 （4）、注意過程一欄中已知附加式各單元（包括OB）加和時的獨立性。精品第八步：從全流程自由度分析結(jié)果及流程特點出發(fā)，判斷是否是彈性設(shè)計，是否可用變量置換法簡化衡算計算。（注意彈性設(shè)計時計算基準(zhǔn)的挑選；注意變量置換后，將衡算計算結(jié)果換回原設(shè)計條件的流量要求。）第九步：從全流程最后的自由度分析結(jié)果出發(fā)，逐步利用更新自由度分析表，判斷衡算計算的步驟，確定衡算計算

23、步驟。（各步驟單元部分求解序列居多；部分求解和完全求解混雜。）第十步：具體求解，并給出衡算結(jié)果一覽表。（計算時注意數(shù)據(jù)的量綱。） 以上18步，即使是用計算機(jī)輔助衡算計算軟件，也必須人工處理，而且還大有必要。計算機(jī)輔助衡算計算軟件主要是幫助處理910步。精品精品3.6 計算機(jī)輔助物料衡算與熱量衡算例題： 有一個常壓絕熱猝冷過程（過程中無化學(xué)反應(yīng)），所有組份含量均為摩爾分率，其流程示意圖如下所示：3T24001000 mol/hC6H6 0.40C6H5CH3 0.30CH4 0.10H2 0.2012T120C6H6 1.00T3200C6H6 C6H5CH3 CH4 H2 我們來用PROCES

24、S II 6.2版計算機(jī)輔助化工設(shè)計軟件系統(tǒng)進(jìn)行衡算計算。精品第一步建立流程圖 首先在PROCESS II軟件空白流程界面中建立過程的流程示意圖，輸入所有單元設(shè)備及所有的流股，確定各流股的走向，并給所有流股編號。第二步定義組份 給流程中的每個流股分別說明其組份種類。同時，為了利用PROCESS II軟件帶有的物性數(shù)據(jù)庫。第二步必須將流程中牽涉的所有組份種類輸入PROCESS II軟件。第三步定義一個熱力學(xué)方法 根據(jù)過程的壓力、溫度等情況在眾多的熱力學(xué)方程（如Pen-Robinson cubic equation of state、Ideal、NRTL、UNIQUAC等等）中，挑選一個適宜的熱力

25、學(xué)方法，軟件本身能自行進(jìn)行組份的物性數(shù)據(jù)計算。精品第四步指定工藝裝置和物流的已知數(shù)據(jù) 因為PROCESS II軟件本身只能進(jìn)行正向模擬計算，必須先將輸入流股的已知數(shù)據(jù)輸入軟件中（這些已知輸入流股參數(shù)在軟件計算過程中始終保持不變），輸入流股的一些未知參數(shù)也必須輸入初值（最好盡量合理一些，該初值可以由軟件計算改變），輸入各單元裝置已知的設(shè)備參數(shù)。 在輸入過程中可以改變參數(shù)的計量單位。第五步輸入設(shè)計約束條件 將輸出流股的已知參數(shù)、其它設(shè)計約束條件以模擬計算控制模塊（全部以已知方程方式）形式輸入PROCESS II軟件中。并設(shè)定模擬計算收斂精度和最大迭代計算次數(shù)。第六步模擬計算 啟動PROCESS I

26、I軟件開始模擬計算，如果輸入的數(shù)據(jù)滿足了軟件模擬計算的自由度要求，軟件將開始模擬計算。隨著PROCESS II軟件模擬計算的進(jìn)行，流程中各變量將不斷變化，直到達(dá)到收斂精度或迭代次數(shù)，PROCESS II軟件將給出計算結(jié)果。精品第七步確定計算結(jié)果的輸出格式 軟件本身有默認(rèn)的計算結(jié)果輸出格式，但可以按設(shè)計者愛好或設(shè)計計算要求，挑選確定計算結(jié)果的輸出格式，確定數(shù)據(jù)的有效數(shù)據(jù)位數(shù)。 用PROCESS II軟件計算以上絕熱猝冷過程,用一臺奔騰4 2.6（內(nèi)存1M）的臺式計算機(jī)，瞬間（CPU用時不到1秒）即可完成計算，計算的結(jié)果見下表。精品 流股項目123計量單位Pressureatm1.0001.000

27、1.000Temperature20.000400.000199.998Total Molar RateKg-mol/h0.2601.0001.260Molar Comp. RateH2Kg-mol/h0.00000.20000.2000MethaneKg-mol/h0.00000.10000.1000BenzeneKg-mol/h0.26000.40000.6600TolueneKg-mol/h0.00000.30000.3000Molar Comp. PercentsH20.000020.000015.8729Methane0.000010.00007.9364Benzene100.000

28、040.000052.3813Toluene0.000030.000023.8093精品精品精餾塔123100 kmol/hC3 0.20i-C4 0.30i-C5 0.20C5 0.30C3 i-C4 0.40i-C5i-C4 i-C5C5設(shè)計要求：1、進(jìn)料中85的i-C5 從塔頂餾出；2、組成均為摩爾分率；有如下一個無反應(yīng)的單精餾塔流程的設(shè)計方案:按設(shè)計投產(chǎn)運(yùn)行后，“查定”的該精餾塔實際運(yùn)行結(jié)果：精餾塔123100 kmol/hC3 0.20i-C4 0.30i-C5 0.20C5 0.3062.0087 kmol/hC3 0.3133i-C4 0.40i-C5 0.2742 37.991

29、3 kmol/hi-C4 0.1368i-C5 0.0789C5 0.7693關(guān)于物料衡算不能平衡的幾個情況精品精餾塔123100 kmol/hC3 0.20i-C4 0.30i-C5 0.20C5 0.3062.0087 kmol/hC3 0.3133i-C4 0.40i-C5 0.2742 37.9913 kmol/hi-C4 0.1368i-C5 0.0789C5 0.7693針對查定的實際運(yùn)行結(jié)果，進(jìn)行物料衡算：C3的衡算： 2019.4273，誤差為2.86C5的衡算： 3029.2267，誤差為2.58問題：為什么衡算不起來，衡算誤差這么大？精品精餾塔123100 kmol/hC3 0.20i-C4 0.30i-C5 0.20C5 0.30C3 i-C4 0.40i-C5i-C4 i-C5C5設(shè)計要求：1、進(jìn)料中85的i-C5 從塔頂餾出；2、組成均為摩爾分率；