第四章 流程组织(过程合成)ppt课件

1、例题： 一个由四个精馏塔和一个分流器组成的化工流程表示图如下所示，流程中无化学反响，一切组成均为摩尔分率。设计要求从塔2塔底出来的流股流量有50%回流到塔1，试计算确定流程中一切未知的流股流量和组成。 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 1.001一个不带化学反响的精馏塔群流程表示图阐明：3号流股只含C2、C3、C4去变置下一节解： 该过程的流程

2、中一些流股的部分或全部流股变量曾经由设计条件给出，但依然有一些流股变量未知。由于该例题要求确定流程中一切未知的流股变量，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，先进展该流程的物料衡算自在度分析，这样还可以对设计条件数据充分与否进展校验。 在作该流程的自在度分析之前，应该根据流程的特点和流股与单元设备的联络确定流程中一切流程能够含有的组份种类。在本例题中，1、4、5、6、7、9、10、11号流股的组份种类曾经十清楚显了，但2、3、8号流股的组份种

3、类就需求根据流程的特点和流股与单元设备的联络来进展分析判别。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，同理可以判别出3号流股和8号流股含有三种组份C2、C3、C4。还应该留意，本例题中5、6、7三个流股是直接与分流器相衔接的流股，它们的流股组成应该完全一样。塔1塔2塔3塔4分流器过程整体总流股变量数MB方程数已知流股变量数已知附加方程数自由度流程的自在度分析表12自在度00知附加方程数47知流股变量数34MB方程数813总流股变量数塔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知附加方程数22知流股变量数23MB方程数58总流股变量数塔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知附加方程数92知流股变量数41MB方程数155总流股变量数整体分流器 留意：整体虽然进出系统的流股，而与中间流股无关，该整体相当于一个虚拟的单个精馏塔。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自在度知附加方程数11知流股变量数MB方程数25总流股变量数过程留意：过程与整体不同，它要包含流程系统内一切流

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知附加方程数91122247知流股变量数41312334MB方程数1525558813总流股变量数整体过程分流器塔4塔3塔2塔1流程的自在度分析表结果从流程的过程自在度分析结果可以看出：该流程设计条件给得正确。从自在度分析结果还可以看出：一切单元

7、的自在度都没有为零的。问题：从哪个单元开场进展计算？ 即使一切单元自在度中，没有一个为零，依然从自在度最小的单元开场计算，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开场，塔2的MB方程：F2F4F50.03F20.10F5塔2的MB求解结果带有一个未知变量F2： F50.3F2 F40.7F2求解塔2后，应该求解那个单元？ 还是看对相邻单元自在度的影响，做相邻单元的更新自在度分析211自在度001知附加式92知变量数441MB方程数15135变量数OB塔1分流器78结论：求解塔2后，应该解分流器或塔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： 结果中依然带一个未知变量F2 3个流股组成全部知 F60.15F2 F70.15F2求解分流器后，应该求解那个单元？ 还是看对相邻单元自在度的影响，做相邻单元的更新自在度分析01自在度00知附加式数知变量数44MB方程数1315流股变量数塔1OB97109结论：从塔2解到分流器，再解到

9、塔1时，变成完全求解。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，我们曾经可以判别出三步计算顺序： 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

10、条件。01自在度11知附加式数84知变量数84MB方程数1710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调查一下： 塔2和分流器组成的子流程的过程自在度？ 塔2和分流器和塔1组成的子流程的过程自在度？ 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缘由所在。 有阅历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。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在度的影响。 塔3更新自在度分析表分析结果：解完塔1后，应解塔3，而且是完全求解。0自在度0知附加式数5知变量数3MB方程数8流股变量数塔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的更新自在度分析表塔4OB流股变量数515MB方程数2已知变量数已知附加式数00自由度30132024分析结果：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的计算顺序可以确

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全部是一个先部分求解，再完全求解的计算顺序。 实践设计中，部分求解和完全求解经常在流程MB计算过程中交叉出现。但只需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，只需一个流股的流量知，流程过程自在度为0。提示： 可不可以，将原流程设计先变成弹性设计，再经过弹性设计计算基准的选择，从而到达简化MB计算的目的呢？ 假设一个流程中只需一个流股的流量知，而且流程过程自在度为0，那么，可以将这个独一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，再经过选择弹性设计MB的计算基

14、准，假设另外一个流股的流量知，而到达简化MB计算的目的。流程图“变量置换的概念： 在本例题中，将F11000 mol/h拿掉，假设它未知。那么，这个流程自在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？2011312自在度0110000知附加方程数91122247知流股变量数41312334MB方程数1525558813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在度分析表结果从变量置换后自在度分析结果可以看出：该流程设计是弹性设计了。6383101 根据弹性设计计算基准的选择原那么，最好选F5100 mol/h为计算基准。那么很明显，MB计算时，先求解塔2

15、和分流器，而且二者都能完全求解。将F11000mol/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？更新自在度分析表10自在度00知附加式109知变量数44MB方程数1513变量数OB塔1结论：应该接着求解塔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 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

16、化了计算。这也是变量置换的目的。留意：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142.36685.96200.57756.45286.531000变量置换前总流率mol/hxC4摩尔分率xC3摩尔分率xC2摩尔分率xC1摩尔分率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变量置换后总流率mol/h1154321流 股

17、 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响 本节主要目的：1、带反响化工流程的自在度分析时，描画反响程度的单元变量是如何引入的。2、带反响流程MB的详细计算问题。 对有化学反响存在的化工流程进展物料衡算时，与不带化学反响的化工流程物料衡算相比，其最大区别在于： 带化学反响流程的物料衡算，必需在衡算计算过程中引入描画化学反响程度的变量如反响速度、反响转化率、反响选择性等作为反响器的单元变量。 一个反响器带有几个独立的化学反响，就应该相应引入几个反响单元变量。例题： 有如下一个水煤气转换流程。设计要求及知条件为：、反响器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

18、；、CO在反响器1中的转化率为80；、反响器2出口气流中H2和N2分摩尔流量比等于3； 一切组成均为摩尔分率，知反响器1和反响器2中分别只需一个化学反响：COH2O CO2H2，流程中部分流股的流量及组成标注在以下流程表示图中。试作该流程的物料衡算计算。5423反响器1反响器2N2 0.78CO 0.20CO2 0.02 100 mol/h1H2 0.50CO 0.50H2O 1.00水蒸汽CO 0.01解：首先要根据流程特点，判别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、N25423反响器1反响器2N2 0.78CO 0.20CO2 0.02 100

19、 mol/h1H2 0.50CO 0.50H2O 1.00水蒸汽CO 0.0155接着，我们来看看流程的自在度分析情况：该流程整体OB的特点：一个只需一种反响的虚拟反响器5423反响器1反响器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知其它关系式数0101知单元变量数5514知流股变量数51055衡算MB方程数1211单元变量数11161011流股变量数整体OB过程反响器2反响器1此处的“1和两个反响器中的“1有什么区别？关于反响单元变量引入时应该留意的问题：1、各单

20、元的反响变量描画的是各单元中对应的几个独立反响程度，而且是单程的概念；2、整体OB中的反响变量描画的是流程中有几种独立反响的全程反响程度；3、反响单元变量在过程自在度分析时，具有加和性不加整体的反响变量。反响器1： ABC CDE反响器2： ABC CFG自在度分析表各单元、过程、整体 引入反响单元变量的情况反应器1反应器2过程整体（OB）单元变量数2243例如：反响器1反响器2 从自在度分析结果，可明显看出，先进展整体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思索。5423反响器1反响器2N2 0.78CO 0.20CO2 0.02 100 m

21、ol/h1H2 0.50CO 0.50H2O 1.00水蒸汽CO 0.0155解完好体后，接着应该求解哪个单元？更新自在度分析表反应器1反应器2流变数和单变数MB方程数已知流变数和单变数已知附加式数自由度11156111001015501所以，可以确定MB计算顺序为：整体OBMB完全求解反响器2 MB完全求解请同窗们，动手详细求解： 提示：选择关键组份的全程反响速率或全程转化率为整体MB计算时的单元变量详细求解时，设：CO的全程反响速度为：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详细求解：略例题：有如下一个炼铁流程系统：分流器反响器1反响器2混合器冷凝器PurgeFe3O4 1.00Fe 0.02FeO 0.97Fe3O4 0.01Fe 0.98FeOFe3O4N2H2H2O产品复原气流N2 0.66H2 0.33H2O 0.01N2H2H2ON2H2 H2O 0.005H2O 1.006574231891110设计知要求：1、控制反响器2温度，使Fe3O4不参与反响；2、分开反响器1的气流股有10经过分流器排空Purge；3

23、、在反响器2中，每10mol复原气流能消费1mol产品；4、一切组成均为摩尔分率。此外，整个流程系统内有二个反响：Fe3O4H2 3FeOH2O FeO H2 Fe H2O试做该流程的自在度分析，并支出MB计算的顺序。解： 首先，给各流股编号，并根据流程特点判别各流股的组份数；分流器反响器1反响器2混合器冷凝器PurgeFe3O4 1.00Fe 0.02FeO 0.97Fe3O4 0.01Fe 0.98FeOFe3O4N2H2H2O产品复原气流N2 0.66H2 0.33H2O 0.01N2H2H2ON2H2 H2O 0.005H2O 1.006574231891110(3)(3)(3) 反响

24、器1中，2个反响同时存在，而在反响器2中只需FeO进一步复原1个反响存在。流程整体OB的特点：含有2种独立反响的虚拟反响器。去自在度表分流器反响器1反响器2混合器冷凝器PurgeFe3O4 1.00Fe 0.02FeO 0.97Fe3O4 0.01Fe 0.98FeOFe3O4N2H2H2O产品复原气流N2 0.66H2 0.33H2O 0.01N2H2H2ON2H2 H2O 0.005H2O 1.006574231891110(3)(3)(3)反响器1和反响器2 自在度分析表10知附加式数00知单元变量14自在度52知流股变量66MB方程数12单元变量1210流股变量反响器2反响器1分流器反

25、响器1反响器2混合器冷凝器PurgeFe3O4 1.00Fe 0.02FeO 0.97Fe3O4 0.01Fe 0.98FeOFe3O4N2H2H2O产品复原气流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知附加式数00知单元变量10知流股变量31MB方程数00单元变量75流股变量冷凝器分流器63自在度00知附加式数00知单元变量13知流股变量63MB方程数20单元变量119流股变量OB混合器分流器反响器1反响器2混合器冷凝器PurgeFe3O4 1.00Fe 0.02FeO 0.97Fe3O4 0.01Fe 0.98FeOFe3O4N2H2H2O产品复原气流N2 0.66H2 0.33H2O 0.01N2H2H2ON2H2 H2O 0.005H2O 1.006574231891110(3)(3)(3) 混合器和整体OB 自在度分析表整个流程自在度分析表6023304自在度基准后111计算基准6133314自在度0