第四章 流程组织(过程合成).ppt

例题 一个由四个精馏塔和一个分流器组成的化工流程示意图如下所示 流程中无化学反应 所有组成均为摩尔分率 设计要求从塔2塔底出来的流股流量有50 回流到塔1 试计算确定流程中所有未知的流股流量和组成 一个不带化学反应的精馏塔群流程示意图 说明 3号流股只含C2 C3 C4 去变置 下一节 解 该过程的流程中一些流股的部分或全部流股变量已经由设计条件给出 但仍然有一些流股变量未知 由于该例题要求确定流程中所有未知的流股变量 所以 其物料衡算范围应该是全部流程过程 该流程虽然只牵涉到4种组份 但由于牵涉到5个单元设备 11个流股 所以其物料衡算计算相对一个单元操作的物料衡算要复杂一些 为了确定物料衡算计算的顺序 先进行该流程的物料衡算自由度分析 这样还可以对设计条件 数据 充分与否进行校验 在作该流程的自由度分析之前 应该根据流程的特点和流股与单元设备的联系确定流程中所有流程可能含有的组份种类 在本例题中 1 4 5 6 7 9 10 11号流股的组份种类已经十分明显了 但2 3 8号流股的组份种类就需要根据流程的特点和流股与单元设备的联系来进行分析判断 本例题中 由于塔2的输出流股中含有三种组份 所以2号流股就必然含有三种组份 C1 C2 C3 同理可以判断出3号流股和8号流股含有三种组份 C2 C3 C4 还应该注意 本例题中5 6 7三个流股是直接与分流器相连接的流股 它们的流股组成应该完全相同 流程的自由度分析表 1 2 自由度 0 0 已知附加方程数 4 7 已知流股变量数 3 4 MB方程数 8 13 总流股变量数 塔2 塔1 1 3 自由度 0 0 已知附加方程数 2 2 已知流股变量数 2 3 MB方程数 5 8 总流股变量数 塔4 塔3 2 1 自由度 0 1 已知附加方程数 9 2 已知流股变量数 4 1 MB方程数 15 5 总流股变量数 整体 分流器 注意 整体只管进出系统的流股 而与中间流股无关 该整体相当于一个虚拟的单个精馏塔 自由度 已知附加方程数 11 已知流股变量数 MB方程数 25 总流股变量数 过程 注意 过程与整体不同 它要包含流程系统内所有流股 2 0 1 1 3 1 2 自由度 0 1 1 0 0 0 0 已知附加方程数 9 11 2 2 2 4 7 已知流股变量数 4 13 1 2 3 3 4 MB方程数 15 25 5 5 8 8 13 总流股变量数 整体 过程 分流器 塔4 塔3 塔2 塔1 流程的自由度分析表 结果 从流程的过程自由度分析结果可以看出 该流程设计条件给得正确 从自由度分析结果还可以看出 所有单元的自由度都没有为零的 问题 从哪个单元开始进行计算 即使所有单元自由度中 没有一个为零 仍然从自由度最小的单元开始计算 只不过分步骤的计算结果中带有未知变量 部分求解 例如 本例题MB手工计算从塔2开始 塔2的MB方程 F2 F4 F50 03F2 0 10F5 塔2的MB求解结果 带有一个未知变量F2 F5 0 3F2F4 0 7F2 求解塔2后 应该求解那个单元 还是看对相邻单元自由度的影响 做相邻单元的更新自由度分析 2 1 1 自由度 0 0 1 已知附加式 9 2 已知变量数 4 4 1 MB方程数 15 13 5 变量数 OB 塔1 分流器 7 8 结论 求解塔2后 应该解分流器或塔1 2 1 求解分流器MB F5 F6 F7F6 0 5F5 解得 结果中仍然带一个未知变量F23个流股组成全部已知F6 0 15F2F7 0 15F2 求解分流器后 应该求解那个单元 还是看对相邻单元自由度的影响 做相邻单元的更新自由度分析 0 1 自由度 0 0 已知附加式数 已知变量数 4 4 MB方程数 13 15 流股变量数 塔1 OB 9 7 10 9 结论 从塔2解到分流器 再解到塔1时 变成完全求解 2 1 3 1 截止到以上 我们已经能够判断出三步计算顺序 塔2MB 带一个未知变量的部分求解 分流器MB 带一个未知变量的部分求解 塔1MB 完全求解 为什么从塔2 解到分流器还只能部分求解 再解到塔1后 其MB就能完全求解呢 我们再回头看一看原来的流程图和设计条件 0 1 自由度 1 1 已知附加式数 8 4 已知变量数 8 4 MB方程数 17 10 流股变量数 塔2和分流器和塔1子流程过程 塔2和分流器子流程过程 大家考察一下 塔2和分流器组成的子流程的过程自由度 塔2和分流器和塔1组成的子流程的过程自由度 这就是从塔2解到分流器还是部分求解 还带一个未知变量的原因所在 有经验的设计工程师会将原流程分成二个子流程系统 再求解其MB 三步求解 解到塔1后应该接着解那个单元 很明显 只能接着解塔3 但塔3能不能完全求解 还是要看前面解的结果对它的自由度的影响 塔3更新自由度分析表 分析结果 解完塔1后 应解塔3 而且是完全求解 0 自由度 0 已知附加式数 5 已知变量数 3 MB方程数 8 流股变量数 塔3 解到塔3后应该接着解那个单元 很明显 应该解塔4或OB 塔4和OB的更新自由度分析表 3 0 13 2 0 2 4 分析结果 解完塔3后 可以解塔4或OB 至此 手工MB的计算顺序可以确定如下 塔2MB 部分 分流器MB 部分 塔1MB 全部 塔3MB 全部 塔4MB 全部 OBMB 全部 是一个先部分求解 再完全求解的计算顺序 实际设计中 部分求解和完全求解经常在流程MB计算过程中交叉出现 但只要流程设计条件给得正确 解到最后一个单元 必然是完全求解 由于流程原设计条件中 只有一个流股的流量已知 流程过程自由度为0 提示 可不可以 将原流程设计先变成弹性设计 再通过弹性设计计算基准的选择 从而达到简化MB计算的目的呢 如果一个流程中只有一个流股的流量已知 而且流程过程自由度为0 那么 可以将这个唯一已知的流股流量先假设为未知 使整个设计条件变成弹性设计 再通过选择弹性设计MB的计算基准 假设另外一个流股的流量已知 而达到简化MB计算的目的 流程图 变量置换 的概念 在本例题中 将F1 1000mol h拿掉 假设它未知 那么 这个流程自由度分析表会发生变化 变成如下 问题 该例题有没有可简化计算的方法 2 0 1 1 3 1 2 自由度 0 1 1 0 0 0 0 已知附加方程数 9 11 2 2 2 4 7 已知流股变量数 4 13 1 2 3 3 4 MB方程数 15 25 5 5 8 8 13 总流股变量数 整体 过程 分流器 塔4 塔3 塔2 塔1 变量置换后流程的自由度分析表 结果 从变量置换后自由度分析结果可以看出 该流程设计是弹性设计了 6 3 8 3 10 1 根据弹性设计计算基准的选择原则 最好选F5 100mol h为计算基准 那么很明显 MB计算时 先求解塔2和分流器 而且二者都能完全求解 将F1 1000mol h假设为未知后 完全求解塔2和分流器后 应该求解那个单元 更新自由度分析表 1 0 自由度 0 0 已知附加式 10 9 已知变量数 4 4 MB方程数 15 13 变量数 OB 塔1 结论 应该接着求解塔1 而且是完全求解 变量置换后 MB计算变成了一个每步都能完全求解顺序序列 大大简化了计算 这也是变量置换的目的 注意 1 变量置换前后 计算结果对流股变量中的组成不会产生影响 2 变量置换前后 计算结果对流股变量中的流量会产生影响 但可以从变量置换后的流量变回变量置换前原设计要求的流量值 变量置换前后 本例题MB计算结果 物料衡算一览表 142 366 85 96 200 57 756 45 286 53 1000 变量置换前总流率 mol h xC4 摩尔分率 xC3 摩尔分率 xC2 摩尔分率 xC1 摩尔分率 C4分流率 mol h C3分流率 mol h C2分流率 mol h C1分流率 mol h 165 62 100 233 33 880 00 333 33 1163 33 变量置换后总流率 mol h 11 5 4 3 2 1 流股号 流率及组成 本例题小结 流程图 3 4化工流程的物料衡算 带反应 本节主要目的 1 带反应化工流程的自由度分析时 描述反应程度的单元变量是如何引入的 2 带反应流程MB的具体计算问题 对有化学反应存在的化工流程进行物料衡算时 与不带化学反应的化工流程物料衡算相比 其最大区别在于 带化学反应流程的物料衡算 必须在衡算计算过程中引入描述化学反应程度的变量 如反应速度 反应转化率 反应选择性等 作为反应器的单元变量 一个反应器带有几个独立的化学反应 就应该相应引入几个反应单元变量 例题 有如下一个水煤气转换流程 设计要求及已知条件为 反应器1的水蒸汽摩尔流量是另外两股干气进料摩尔流量之和的二倍 CO在反应器1中的转化率为80 反应器2出口气流中H2和N2分摩尔流量比等于3 所有组成均为摩尔分率 已知反应器1和反应器2中分别只有一个化学反应 CO H2O CO2 H2 流程中部分流股的流量及组成标注在以下流程示意图中 试作该流程的物料衡算计算 解 首先要根据流程特点 判断4 5号流股含有的组份数 4 5号流股显然都含有5种组份 N2 H2 H2O CO N2 5 5 接着 我们来看看流程的自由度分析情况 该流程整体 OB 的特点 一个只有一种反应的虚拟反应器 自由度分析表 0 0 4 1 自由度 2 2 1 1 已知其它关系式数 0 1 0 1 已知单元变量数 5 5 1 4 已知流股变量数 5 10 5 5 衡算 MB 方程数 1 2 1 1 单元变量数 11 16 10 11 流股变量数 整体 OB 过程 反应器2 反应器1 此处的 1 和两个反应器中的 1 有什么区别 关于反应单元变量引入时应该注意的问题 1 各单元的反应变量描述的是各单元中对应的几个独立反应程度 而且是单程的概念 2 整体 OB 中的反应变量描述的是流程中有几种独立反应的全程反应程度 3 反应单元变量在过程自由度分析时 具有加和性 不加整体的反应变量 反应器1 A B CC D E 反应器2 A B CC F G 自由度分析表各单元 过程 整体引入反应单元变量的情况 2 2 4 3 从自由度分析结果 可明显看出 先进行整体 OB 的MB计算 而且是完全求解 技巧 对有惰性组份进出的化工流程 整体衡算往往可以优先考虑 解完整体后 接着应该求解哪个单元 更新自由度分析表 11 1 5 6 1 1 1 0 0 10 1 5 5 0 1 所以 可以确定MB计算顺序为 整体 OB MB 完全求解 反应器2MB 完全求解 请同学们 动手具体求解 提示 选择关键组份的全程反应速率或全程转化率为整体MB计算时的单元变量 具体求解时 设 CO的全程反应速度为 rmol hF5 N2 0 78 100 78mol hF5 H2 0 5F2 rF5 H2 3F5 N2 3 78 234mol hF5 CO 100 0 2 0 5F2 rF5 CO2 100 0 02 rF5 H2O F3 rF3 2 F1 F2 F5 CO F5 CO F5 CO2 F5 H2 F5 H2O F5 N2 0 01 具体求解 略 例题 有如下一个 炼铁 流程系统 设计已知 要求 1 控制反应器2温度 使Fe3O4不参加反应 2 离开反应器1的气流股有10 通过分流器排空 Purge 3 在反应器2中 每10mol还原气流能生产1mol产品 4 所有组成均为摩尔分率 此外 整个流程系统内有二个反应 Fe3O4 H23FeO H2OFeO H2Fe H2O 试做该流程的自由度分析 并支出MB计算的顺序 解 首先 给各流股编号 并根据流程特点判断各流股的组份数 3 3 3 反应器1中 2个反应同时存在 而在反应器2中只有FeO进一步还原1个反应存在 流程整体 OB 的特点 含有2种独立反应的虚拟反应器 去自由度表 反应器1和反应器2自由度分析表 1 0 已知附加式数 0 0 已知单元变量 1 4 自由度 5 2 已知流股变量 6 6 MB方程数 1 2 单元变量 12 10 流股变量 反应器2 反应器1 分流器和冷凝器自由度分析表 3 3 自由度 0 1 已知附加式数 0 0 已知单元变量 1 0 已知流股变量 3 1 MB方程数 0 0 单元变量 7 5 流股变量 冷凝器 分流器 6 3 自由度 0 0 已知附加式数 0 0 已知单元变量 1 3 已知流股变量 6 3 MB方程数 2 0 单元变量 11 9 流股变量 OB 混合器 混合器和整体 OB 自由度分析表 整个流程自由度分析表 6 0 2 3 3 0 4 自由度 基准后 1 1 1 计算基准 6 1 3 3 3 1 4 自由度 0 2 0 0 1 1 0 已知附加式数 0 0 0 0 0 0 0 已知单元变量 1 6 3 1 0 5 2 已知流股变量 6 19 3 3 1 6 6 衡算 MB 方程数 2 3 0 0 0 1 2 单元变量数 11 25 9 7 5 12 10 流股变量数 OB 过程 混合器 冷凝器 分流器 反应器2 反应器1 去流程图 完全符合 弹性设计 选择计算基准后 显然 应该首先解反应器2的MB 而且是完全求解 最好挑选F11 1000mol h为计算基准 求解完反应器2后 应该求解哪个单元 更新自由度分析表 0 4 自由度 0 0 已知附加式数 0 0 已知单元变量 6 3 已知流股变量 6 6 衡算MB方程数 2 2 单元变量 10 11 流股变量 反应器1 OB 解完反应器2后 接着解反应器1的MB 而