第四章 流程組織(過程合成)ppt課件

1、例題： 一個由四個精餾塔和一個分流器組成的化工流程表示圖如下所示，流程中無化學反響，一切組成均為摩爾分率。設(shè)計要求從塔2塔底出來的流股流量有50%回流到塔1，試計算確定流程中一切未知的流股流量和組成。 411109876532塔1塔2分流器塔3塔41000 mol/hC1 0.20C2 0.25C3 0.40C4 0.15C3 0.03C1 0.995C2 0.005C1 0.01C2 0.89C3 0.10C3 0.70C4 0.30C4 0.002C3 0.98C4 0.02C4 1.001一個不帶化學反響的精餾塔群流程表示圖闡明：3號流股只含C2、C3、C4去變置下一節(jié)解： 該過程的流程

2、中一些流股的部分或全部流股變量曾經(jīng)由設(shè)計條件給出，但依然有一些流股變量未知。由于該例題要求確定流程中一切未知的流股變量，所以，其物料衡算范圍應(yīng)該是全部流程過程。 該流程雖然只牽涉到4種組份，但由于牽涉到5個單元設(shè)備、11個流股。所以其物料衡算計算相對一個單元操作的物料衡算要復雜一些，為了確定物料衡算計算的順序，先進展該流程的物料衡算自在度分析，這樣還可以對設(shè)計條件數(shù)據(jù)充分與否進展校驗。 在作該流程的自在度分析之前，應(yīng)該根據(jù)流程的特點和流股與單元設(shè)備的聯(lián)絡(luò)確定流程中一切流程能夠含有的組份種類。在本例題中，1、4、5、6、7、9、10、11號流股的組份種類曾經(jīng)十清楚顯了，但2、3、8號流股的組份種

3、類就需求根據(jù)流程的特點和流股與單元設(shè)備的聯(lián)絡(luò)來進展分析判別。本例題中，由于塔2的輸出流股中含有三種組份，所以2號流股就必然含有三種組份C1、C2、C3，同理可以判別出3號流股和8號流股含有三種組份C2、C3、C4。還應(yīng)該留意，本例題中5、6、7三個流股是直接與分流器相銜接的流股，它們的流股組成應(yīng)該完全一樣。塔1塔2塔3塔4分流器過程整體總流股變量數(shù)MB方程數(shù)已知流股變量數(shù)已知附加方程數(shù)自由度流程的自在度分析表12自在度00知附加方程數(shù)47知流股變量數(shù)34MB方程數(shù)813總流股變量數(shù)塔2塔14111098(3)7653(3)2(3)塔1塔2分流器塔3塔41000 mol/hC1 0.20C2 0

4、.25C3 0.40C4 0.15C3 0.03C1 0.995C2 0.005C1 0.01C2 0.89C3 0.10C3 0.70C4 0.30C4 0.002C3 0.98C4 0.02C4 1.00113自在度00知附加方程數(shù)22知流股變量數(shù)23MB方程數(shù)58總流股變量數(shù)塔4塔34111098(3)7653(3)2(3)塔1塔2分流器塔3塔41000 mol/hC1 0.20C2 0.25C3 0.40C4 0.15C3 0.03C1 0.995C2 0.005C1 0.01C2 0.89C3 0.10C3 0.70C4 0.30C4 0.002C3 0.98C4 0.02C4 1.

5、00121自在度01知附加方程數(shù)92知流股變量數(shù)41MB方程數(shù)155總流股變量數(shù)整體分流器 留意：整體雖然進出系統(tǒng)的流股，而與中間流股無關(guān)，該整體相當于一個虛擬的單個精餾塔。4111098(3)7653(3)2(3)塔1塔2分流器塔3塔41000 mol/hC1 0.20C2 0.25C3 0.40C4 0.15C3 0.03C1 0.995C2 0.005C1 0.01C2 0.89C3 0.10C3 0.70C4 0.30C4 0.002C3 0.98C4 0.02C4 1.001自在度知附加方程數(shù)11知流股變量數(shù)MB方程數(shù)25總流股變量數(shù)過程留意：過程與整體不同，它要包含流程系統(tǒng)內(nèi)一切流

6、股。4111098(3)7653(3)2(3)塔1塔2分流器塔3塔41000 mol/hC1 0.20C2 0.25C3 0.40C4 0.15C3 0.03C1 0.995C2 0.005C1 0.01C2 0.89C3 0.10C3 0.70C4 0.30C4 0.002C3 0.98C4 0.02C4 1.0012011312自在度0110000知附加方程數(shù)91122247知流股變量數(shù)41312334MB方程數(shù)1525558813總流股變量數(shù)整體過程分流器塔4塔3塔2塔1流程的自在度分析表結(jié)果從流程的過程自在度分析結(jié)果可以看出：該流程設(shè)計條件給得正確。從自在度分析結(jié)果還可以看出：一切單元

7、的自在度都沒有為零的。問題：從哪個單元開場進展計算？ 即使一切單元自在度中，沒有一個為零，依然從自在度最小的單元開場計算，只不過分步驟的計算結(jié)果中帶有未知變量部分求解。例如：本例題MB手工計算從塔2開場，塔2的MB方程：F2F4F50.03F20.10F5塔2的MB求解結(jié)果帶有一個未知變量F2： F50.3F2 F40.7F2求解塔2后，應(yīng)該求解那個單元？ 還是看對相鄰單元自在度的影響，做相鄰單元的更新自在度分析211自在度001知附加式92知變量數(shù)441MB方程數(shù)15135變量數(shù)OB塔1分流器78結(jié)論：求解塔2后，應(yīng)該解分流器或塔1。4111098(3)7653(3)2(3)塔1塔2分流器塔

8、3塔41000 mol/hC1 0.20C2 0.25C3 0.40C4 0.15C3 0.03C1 0.995C2 0.005C1 0.01C2 0.89C3 0.10C3 0.70C4 0.30C4 0.002C3 0.98C4 0.02C4 1.001?21求解分流器MB：F5F6F7F60.5F5解得： 結(jié)果中依然帶一個未知變量F2 3個流股組成全部知 F60.15F2 F70.15F2求解分流器后，應(yīng)該求解那個單元？ 還是看對相鄰單元自在度的影響，做相鄰單元的更新自在度分析01自在度00知附加式數(shù)知變量數(shù)44MB方程數(shù)1315流股變量數(shù)塔1OB97109結(jié)論：從塔2解到分流器，再解到

9、塔1時，變成完全求解。4111098(3)7653(3)2(3)塔1塔2分流器塔3塔41000 mol/hC1 0.20C2 0.25C3 0.40C4 0.15C3 0.03C1 0.995C2 0.005C1 0.01C2 0.89C3 0.10C3 0.70C4 0.30C4 0.002C3 0.98C4 0.02C4 1.001？2-1？3-1截止到以上，我們曾經(jīng)可以判別出三步計算順序： 塔2MB帶一個未知變量的部分求解 分流器MB帶一個未知變量的部分求解 塔1MB 完全求解 為什么從塔2、解到分流器還只能部分求解，再解到塔1后，其MB就能完全求解呢？我們再回頭看一看原來的流程圖和設(shè)計

10、條件。01自在度11知附加式數(shù)84知變量數(shù)84MB方程數(shù)1710流股變量數(shù)塔2和分流器和塔1子流程過程塔2和分流器子流程過程大家調(diào)查一下： 塔2和分流器組成的子流程的過程自在度？ 塔2和分流器和塔1組成的子流程的過程自在度？ 這就是從塔2解到分流器還是部分求解，還帶一個未知變量的緣由所在。 有閱歷的設(shè)計工程師會將原流程分成二個子流程系統(tǒng)，再求解其MB。4111098(3)7653(3)2(3)塔1塔2分流器塔3塔41000 mol/hC1 0.20C2 0.25C3 0.40C4 0.15C3 0.03C1 0.995C2 0.005C1 0.01C2 0.89C3 0.10C3 0.70C4

11、 0.30C4 0.002C3 0.98C4 0.02C4 1.001 三步求解，解到塔1后應(yīng)該接著解那個單元？很明顯，只能接著解塔3。 但塔3能不能完全求解，還是要看前面解的結(jié)果對它的自在度的影響。 塔3更新自在度分析表分析結(jié)果：解完塔1后，應(yīng)解塔3，而且是完全求解。0自在度0知附加式數(shù)5知變量數(shù)3MB方程數(shù)8流股變量數(shù)塔34111098(3)7653(3)2(3)塔1塔2分流器塔3塔41000 mol/hC1 0.20C2 0.25C3 0.40C4 0.15C3 0.03C1 0.995C2 0.005C1 0.01C2 0.89C3 0.10C3 0.70C4 0.30C4 0.002

12、C3 0.98C4 0.02C4 1.001 解到塔3后應(yīng)該接著解那個單元？很明顯，應(yīng)該解塔4或OB。塔4和OB的更新自在度分析表塔4OB流股變量數(shù)515MB方程數(shù)2已知變量數(shù)已知附加式數(shù)00自由度30132024分析結(jié)果：解完塔3后，可以解塔4或OB。4111098(3)7653(3)2(3)塔1塔2分流器塔3塔41000 mol/hC1 0.20C2 0.25C3 0.40C4 0.15C3 0.03C1 0.995C2 0.005C1 0.01C2 0.89C3 0.10C3 0.70C4 0.30C4 0.002C3 0.98C4 0.02C4 1.001至此，手工MB的計算順序可以確

13、定如下： 塔2MB部分分流器MB 部分 塔1MB全部 塔3MB全部 塔4MB全部 OB MB全部是一個先部分求解，再完全求解的計算順序。 實踐設(shè)計中，部分求解和完全求解經(jīng)常在流程MB計算過程中交叉出現(xiàn)。但只需流程設(shè)計條件給得正確，解到最后一個單元，必然是完全求解。由于流程原設(shè)計條件中，只需一個流股的流量知，流程過程自在度為0。提示： 可不可以，將原流程設(shè)計先變成彈性設(shè)計，再經(jīng)過彈性設(shè)計計算基準的選擇，從而到達簡化MB計算的目的呢？ 假設(shè)一個流程中只需一個流股的流量知，而且流程過程自在度為0，那么，可以將這個獨一知的流股流量先假設(shè)為未知，使整個設(shè)計條件變成彈性設(shè)計，再經(jīng)過選擇彈性設(shè)計MB的計算基

14、準，假設(shè)另外一個流股的流量知，而到達簡化MB計算的目的。流程圖“變量置換的概念： 在本例題中，將F11000 mol/h拿掉，假設(shè)它未知。那么，這個流程自在度分析表會發(fā)生變化，變成如下：問題：該例題有沒有可簡化計算的方法？2011312自在度0110000知附加方程數(shù)91122247知流股變量數(shù)41312334MB方程數(shù)1525558813總流股變量數(shù)整體過程分流器塔4塔3塔2塔1變量置換后流程的自在度分析表結(jié)果從變量置換后自在度分析結(jié)果可以看出：該流程設(shè)計是彈性設(shè)計了。6383101 根據(jù)彈性設(shè)計計算基準的選擇原那么，最好選F5100 mol/h為計算基準。那么很明顯，MB計算時，先求解塔2

15、和分流器，而且二者都能完全求解。將F11000mol/h假設(shè)為未知后 完全求解塔2和分流器后，應(yīng)該求解那個單元？更新自在度分析表10自在度00知附加式109知變量數(shù)44MB方程數(shù)1513變量數(shù)OB塔1結(jié)論：應(yīng)該接著求解塔1，而且是完全求解。4111098(3)7653(3)2(3)塔1塔2分流器塔3塔4C1 0.20C2 0.25C3 0.40C4 0.15C3 0.03C1 0.995C2 0.005C1 0.01C2 0.89C3 0.10C3 0.70C4 0.30C4 0.002C3 0.98C4 0.02C4 1.001 變量置換后，MB計算變成了一個每步都能完全求解順序序列，大大簡

16、化了計算。這也是變量置換的目的。留意：1、變量置換前后，計算結(jié)果對流股變量中的組成不會產(chǎn)生影響；2、變量置換前后，計算結(jié)果對流股變量中的流量會產(chǎn)生影響，但可以從變量置換后的流量變回變量置換前原設(shè)計要求的流量值。變量置換前后，本例題MB計算結(jié)果物料衡算一覽表142.36685.96200.57756.45286.531000變量置換前總流率mol/hxC4摩爾分率xC3摩爾分率xC2摩爾分率xC1摩爾分率C4分流率mol/hC3分流率mol/hC2分流率mol/hC1分流率mol/h165.62100233.33880.00333.331163.33變量置換后總流率mol/h1154321流 股

17、 號流率及組成本例題小結(jié)。流程圖 3.4 化工流程的物料衡算帶反響 本節(jié)主要目的：1、帶反響化工流程的自在度分析時，描畫反響程度的單元變量是如何引入的。2、帶反響流程MB的詳細計算問題。 對有化學反響存在的化工流程進展物料衡算時，與不帶化學反響的化工流程物料衡算相比，其最大區(qū)別在于： 帶化學反響流程的物料衡算，必需在衡算計算過程中引入描畫化學反響程度的變量如反響速度、反響轉(zhuǎn)化率、反響選擇性等作為反響器的單元變量。 一個反響器帶有幾個獨立的化學反響，就應(yīng)該相應(yīng)引入幾個反響單元變量。例題： 有如下一個水煤氣轉(zhuǎn)換流程。設(shè)計要求及知條件為：、反響器1的水蒸汽摩爾流量是另外兩股干氣進料摩爾流量之和的二倍

18、；、CO在反響器1中的轉(zhuǎn)化率為80；、反響器2出口氣流中H2和N2分摩爾流量比等于3； 一切組成均為摩爾分率，知反響器1和反響器2中分別只需一個化學反響：COH2O CO2H2，流程中部分流股的流量及組成標注在以下流程表示圖中。試作該流程的物料衡算計算。5423反響器1反響器2N2 0.78CO 0.20CO2 0.02 100 mol/h1H2 0.50CO 0.50H2O 1.00水蒸汽CO 0.01解：首先要根據(jù)流程特點，判別4、5號流股含有的組份數(shù)。4、5號流股顯然都含有5種組份：N2、H2、H2O、CO、N25423反響器1反響器2N2 0.78CO 0.20CO2 0.02 100

19、 mol/h1H2 0.50CO 0.50H2O 1.00水蒸汽CO 0.0155接著，我們來看看流程的自在度分析情況：該流程整體OB的特點：一個只需一種反響的虛擬反響器5423反響器1反響器2N2 0.78CO 0.20CO2 0.02 100 mol/h1H2 0.50CO 0.50H2O 1.00水蒸汽CO 0.0155自在度分析表0041自在度2211知其它關(guān)系式數(shù)0101知單元變量數(shù)5514知流股變量數(shù)51055衡算MB方程數(shù)1211單元變量數(shù)11161011流股變量數(shù)整體OB過程反響器2反響器1此處的“1和兩個反響器中的“1有什么區(qū)別？關(guān)于反響單元變量引入時應(yīng)該留意的問題：1、各單

20、元的反響變量描畫的是各單元中對應(yīng)的幾個獨立反響程度，而且是單程的概念；2、整體OB中的反響變量描畫的是流程中有幾種獨立反響的全程反響程度；3、反響單元變量在過程自在度分析時，具有加和性不加整體的反響變量。反響器1： ABC CDE反響器2： ABC CFG自在度分析表各單元、過程、整體 引入反響單元變量的情況反應(yīng)器1反應(yīng)器2過程整體（OB）單元變量數(shù)2243例如：反響器1反響器2 從自在度分析結(jié)果，可明顯看出，先進展整體OB的MB計算，而且是完全求解。 技巧： 對有惰性組份進出的化工流程，整體衡算往往可以優(yōu)先思索。5423反響器1反響器2N2 0.78CO 0.20CO2 0.02 100 m

21、ol/h1H2 0.50CO 0.50H2O 1.00水蒸汽CO 0.0155解完好體后，接著應(yīng)該求解哪個單元？更新自在度分析表反應(yīng)器1反應(yīng)器2流變數(shù)和單變數(shù)MB方程數(shù)已知流變數(shù)和單變數(shù)已知附加式數(shù)自由度11156111001015501所以，可以確定MB計算順序為：整體OBMB完全求解反響器2 MB完全求解請同窗們，動手詳細求解： 提示：選擇關(guān)鍵組份的全程反響速率或全程轉(zhuǎn)化率為整體MB計算時的單元變量詳細求解時，設(shè)：CO的全程反響速度為：r mol/hF 5，N20.7810078 mol/hF 5，H20.5F2rF 5，H23F 5，N2378234mol/hF5,CO1000.20.5

22、F2rF 5，CO21000.02rF 5，H2OF3rF32F1F2F5,CO/F5,COF5,CO2F5,H2F5,H2OF5,N20.01詳細求解：略例題：有如下一個煉鐵流程系統(tǒng)：分流器反響器1反響器2混合器冷凝器PurgeFe3O4 1.00Fe 0.02FeO 0.97Fe3O4 0.01Fe 0.98FeOFe3O4N2H2H2O產(chǎn)品復原氣流N2 0.66H2 0.33H2O 0.01N2H2H2ON2H2 H2O 0.005H2O 1.006574231891110設(shè)計知要求：1、控制反響器2溫度，使Fe3O4不參與反響；2、分開反響器1的氣流股有10經(jīng)過分流器排空Purge；3

23、、在反響器2中，每10mol復原氣流能消費1mol產(chǎn)品；4、一切組成均為摩爾分率。此外，整個流程系統(tǒng)內(nèi)有二個反響：Fe3O4H2 3FeOH2O FeO H2 Fe H2O試做該流程的自在度分析，并支出MB計算的順序。解： 首先，給各流股編號，并根據(jù)流程特點判別各流股的組份數(shù)；分流器反響器1反響器2混合器冷凝器PurgeFe3O4 1.00Fe 0.02FeO 0.97Fe3O4 0.01Fe 0.98FeOFe3O4N2H2H2O產(chǎn)品復原氣流N2 0.66H2 0.33H2O 0.01N2H2H2ON2H2 H2O 0.005H2O 1.006574231891110(3)(3)(3) 反響

24、器1中，2個反響同時存在，而在反響器2中只需FeO進一步復原1個反響存在。流程整體OB的特點：含有2種獨立反響的虛擬反響器。去自在度表分流器反響器1反響器2混合器冷凝器PurgeFe3O4 1.00Fe 0.02FeO 0.97Fe3O4 0.01Fe 0.98FeOFe3O4N2H2H2O產(chǎn)品復原氣流N2 0.66H2 0.33H2O 0.01N2H2H2ON2H2 H2O 0.005H2O 1.006574231891110(3)(3)(3)反響器1和反響器2 自在度分析表10知附加式數(shù)00知單元變量14自在度52知流股變量66MB方程數(shù)12單元變量1210流股變量反響器2反響器1分流器反

25、響器1反響器2混合器冷凝器PurgeFe3O4 1.00Fe 0.02FeO 0.97Fe3O4 0.01Fe 0.98FeOFe3O4N2H2H2O產(chǎn)品復原氣流N2 0.66H2 0.33H2O 0.01N2H2H2ON2H2 H2O 0.005H2O 1.006574231891110(3)(3)(3) 分流器和冷凝器 自在度分析表33自在度01知附加式數(shù)00知單元變量10知流股變量31MB方程數(shù)00單元變量75流股變量冷凝器分流器63自在度00知附加式數(shù)00知單元變量13知流股變量63MB方程數(shù)20單元變量119流股變量OB混合器分流器反響器1反響器2混合器冷凝器PurgeFe3O4 1.00Fe 0.02FeO 0.97Fe3O4 0.01Fe 0.98FeOFe3O4N2H2H2O產(chǎn)品復原氣流N2 0.66H2 0.33H2O 0.01N2H2H2ON2H2 H2O 0.005H2O 1.006574231891110(3)(3)(3) 混合器和整體OB 自在度分析表整個流程自在度分析表6023304自在度基準后111計算基準6133314自在度0