![物料衡算和能量橫算_第1頁(yè)](http://file4.renrendoc.com/view/da028a6c7b79beb6a830df23b01f8586/da028a6c7b79beb6a830df23b01f85861.gif)
![物料衡算和能量橫算_第2頁(yè)](http://file4.renrendoc.com/view/da028a6c7b79beb6a830df23b01f8586/da028a6c7b79beb6a830df23b01f85862.gif)
![物料衡算和能量橫算_第3頁(yè)](http://file4.renrendoc.com/view/da028a6c7b79beb6a830df23b01f8586/da028a6c7b79beb6a830df23b01f85863.gif)
![物料衡算和能量橫算_第4頁(yè)](http://file4.renrendoc.com/view/da028a6c7b79beb6a830df23b01f8586/da028a6c7b79beb6a830df23b01f85864.gif)
![物料衡算和能量橫算_第5頁(yè)](http://file4.renrendoc.com/view/da028a6c7b79beb6a830df23b01f8586/da028a6c7b79beb6a830df23b01f85865.gif)
版權(quán)說(shuō)明:本文檔由用戶提供并上傳,收益歸屬內(nèi)容提供方,若內(nèi)容存在侵權(quán),請(qǐng)進(jìn)行舉報(bào)或認(rèn)領(lǐng)
文檔簡(jiǎn)介
1、第三章物料衡算和能量衡算. 化工過(guò)程的物料衡算和能量衡算,是利用物理與化學(xué)的根本定律,對(duì)化工過(guò)程單元系統(tǒng)的物料平衡與能量平衡進(jìn)展定量計(jì)算。經(jīng)過(guò)計(jì)算處理以下問(wèn)題:1、找出主副產(chǎn)品的生成量、廢物的排出量。2、確定原資料耗費(fèi)定額。3、確定各物流的流量、組成和形狀。4、確定流程內(nèi)物質(zhì)轉(zhuǎn)換與能量傳送情況。 從而為,設(shè)備選型以及設(shè)備尺寸,管路設(shè)備與公用工程提供根據(jù)。. 化工過(guò)程有許多輸入流股和輸出流股,本章內(nèi)容是講授確定這些流股的戰(zhàn)略與方法,物料衡算與熱量橫算是化工工程師接觸最頻繁的計(jì)算。 .3-1 工藝計(jì)算前的預(yù)備任務(wù)一、工藝性資料的搜集1物料衡算提綱。 消費(fèi)步驟和化學(xué)反響包括主、付反響各步 驟所需的原
2、料,中間體規(guī)格和物理化學(xué)性質(zhì),成 品的規(guī)格和物化性質(zhì),每批加料量或單位時(shí)間進(jìn)料 量,各消費(fèi)步驟的產(chǎn)率。2工藝流程圖及闡明。3熱量計(jì)算參數(shù)和設(shè)備計(jì)算數(shù)據(jù) H、Cp、K、等。4流體保送過(guò)程參數(shù) 粘度、密度、摩擦系數(shù)等。.3-1 工藝計(jì)算前的預(yù)備任務(wù)5傳質(zhì)過(guò)程系數(shù),相平衡數(shù)據(jù)。6冷凍過(guò)程的熱力學(xué)參數(shù)。7詳細(xì)的工藝操作條件溫度T、壓力P、流量G8介質(zhì)的物性和材質(zhì)性能,材質(zhì)數(shù)據(jù),腐蝕數(shù)據(jù)。9車(chē)間平立面布置的參考資料。10管道設(shè)計(jì)資料管道配置、管道材質(zhì)、架設(shè)方 式、管件、閥件等。11環(huán)境維護(hù)、平安維護(hù)等規(guī)范和資料。一、工藝性資料的搜集.3-1 工藝計(jì)算前的預(yù)備任務(wù)二、幾本常用的化工設(shè)計(jì)資料和手冊(cè)1Indu
3、strial Chemicals2Encyclopedia of Chemical Technology3Science and Technology4Chemical Abstracts C.A5Handbook of Technology6I.C.T 國(guó)際物理、化學(xué)和工藝數(shù)值手冊(cè)7化工工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)8資料與零部件手冊(cè).物料衡算和能量衡算1.物料衡算的根本方法和程序2.簡(jiǎn)單的物料衡算3.帶有循環(huán)流的物料衡算4.熱量橫算.第一節(jié) 物料衡算的根本方法和程序一、物料衡算的根本方法 1、物料平衡方程 實(shí)際根據(jù):質(zhì)量守恒定律Fi進(jìn)入過(guò)程單元的物料量流出過(guò)程單元的物料量在過(guò)程單元內(nèi)生成的物料量在過(guò)程單元內(nèi)
4、耗費(fèi)的物料量過(guò)程單元內(nèi)累積的物料量FoDp Dr W .即 : FiFo Dp Dr W 上式:即可對(duì)總物料,也可以對(duì)其中任一組分或元素列出。 在以下情況下上式可簡(jiǎn)化為: 穩(wěn)定操作過(guò)程 FiFo Dp Dr 0 系統(tǒng)內(nèi)無(wú)化學(xué)反響:FiFo W 系統(tǒng)內(nèi)無(wú)化學(xué)反響的穩(wěn)態(tài)操作過(guò)程: FiFo 0 對(duì)于沒(méi)有化學(xué)反響的過(guò)程,普通上列寫(xiě)各組分的衡算方程,只需涉及化學(xué)反響量,才列寫(xiě)出各元素的衡算方程。.2、物料衡算基準(zhǔn)1化工過(guò)程的類型 化工過(guò)程操作形狀不同,其物料或能量衡算的方程亦有差別。 化工過(guò)程根據(jù)其操作方式可以分成間歇操作、延續(xù)操作以及半延續(xù)操作三類?;蛘邔⑵浞譃榉€(wěn)定形狀操作和不穩(wěn)定形狀操作兩類。在對(duì)
5、某個(gè)化工過(guò)程作物料或能量衡算時(shí),必需先了解消費(fèi)過(guò)程的類別。.間歇操作過(guò)程:原料在消費(fèi)操作開(kāi)場(chǎng)時(shí)一次參與,然后進(jìn)展反響或其他操作,不斷到操作完成后,物料一次排出,即為間歇操作過(guò)程。此過(guò)程的特點(diǎn)是在整個(gè)操作時(shí)間內(nèi),再無(wú)物料進(jìn)出設(shè)備,設(shè)備中各部分的組成、條件隨時(shí)間而不斷變化如:萃取過(guò)程、過(guò)濾過(guò)程。延續(xù)操作過(guò)程:在整個(gè)操作期間,原料不斷穩(wěn)定地輸入消費(fèi)設(shè)備,同時(shí)不斷從設(shè)備排出同樣數(shù)量總量的物料。設(shè)備的進(jìn)料和出料是延續(xù)流動(dòng)的,即為延續(xù)操作過(guò)程。在整個(gè)操作期間,設(shè)備內(nèi)各部分組成與條件不隨時(shí)間而變化。.半延續(xù)操作過(guò)程:操作時(shí)物料一次輸入或分批輸入,而出料是延續(xù)的,或延續(xù)輸入物料,而出料是一次或分批的。穩(wěn)定形狀
6、操作就是整個(gè)化工過(guò)程的操作條件如溫度、壓力、物料量及組成等假設(shè)不隨時(shí)間而變化,只是設(shè)備內(nèi)不同點(diǎn)有差別,這種過(guò)程稱為穩(wěn)定形狀操作過(guò)程,或稱穩(wěn)定過(guò)程。假設(shè)操作條件隨時(shí)間而不斷變化的,那么稱為不穩(wěn)定形狀操作過(guò)程,或稱不穩(wěn)定過(guò)程。間歇過(guò)程及半延續(xù)過(guò)程是不穩(wěn)定形狀操作。延續(xù)過(guò)程在正常操作期間,操作條件比較穩(wěn)定,此時(shí)屬穩(wěn)定形狀操作多在開(kāi)、停工期間或操作條件變化和出現(xiàn)缺點(diǎn)時(shí),那么屬不穩(wěn)定形狀操作。. 2物料衡算基準(zhǔn)的選擇 物料衡算過(guò)程,必需選擇計(jì)算基準(zhǔn),并在整個(gè)運(yùn)算中堅(jiān)持一致。假設(shè)基準(zhǔn)選的好,可使計(jì)算變得簡(jiǎn)單。普通計(jì)算過(guò)程的基準(zhǔn)有以下幾種:時(shí)間基準(zhǔn) 對(duì)于延續(xù)操作過(guò)程,選用單位時(shí)間作為基準(zhǔn)是很自然的,單位時(shí)間
7、可取1d、1h或1s等等。此時(shí)得到的物料流量可以直接與設(shè)備或管道尺寸相聯(lián)絡(luò)。批量基準(zhǔn) 對(duì)于間歇操作,按投入物料的數(shù)量為基準(zhǔn),最方便,即以一批/次作為基準(zhǔn)。.質(zhì)量基準(zhǔn) 取知變量最多或未知變量最少的物流作為基準(zhǔn)最為適宜。 例如:可取某一基準(zhǔn)物流的質(zhì)量為100Kg,然后計(jì)算其他物流的質(zhì)量。假設(shè)知進(jìn)料質(zhì)量百分比組成,那么選100Kg進(jìn)料或者100g進(jìn)料為基準(zhǔn),假設(shè)知出料質(zhì)量百分組成,那么選100Kg進(jìn)料或者100g 出料為基準(zhǔn)。物質(zhì)的量基準(zhǔn) 對(duì)于有化學(xué)反響的過(guò)程,因化學(xué)反響按摩爾進(jìn)展的,用物質(zhì)的量基準(zhǔn)更方便,或者知進(jìn)料或者出料摩爾組成的情況。假設(shè)知進(jìn)料組成摩爾分?jǐn)?shù),用100mol或者100kmol進(jìn)料
8、,反之知出料組成,用100mol或者100kmol出料做基準(zhǔn)。.規(guī)范體積基準(zhǔn) 對(duì)于氣體物料,可采用規(guī)范體積基準(zhǔn),因規(guī)范形狀下1moL氣體相當(dāng)于22.4103m3規(guī)范體積的氣體。.二、物料衡算的根本程序 在進(jìn)展物料衡算時(shí),為了防止錯(cuò)誤,便于檢查核對(duì)時(shí),必需采取正確的步驟進(jìn)展計(jì)算,使之做到條理清楚明晰,計(jì)算迅速,結(jié)果準(zhǔn)確,普通程序如下:.1 確定衡算對(duì)象和范圍如:一個(gè)單元,一套安裝或一個(gè)系統(tǒng),并畫(huà)出計(jì)算對(duì)象的草圖,對(duì)于整個(gè)工藝流程,要畫(huà)出物料流程表示圖方框圖即可繪制物料流程草圖時(shí),要留意物料種類和走向,輸入和輸出要明確表示出來(lái)。2 確定計(jì)算義務(wù),明確什么是知項(xiàng),什么是待求項(xiàng),選擇適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)公式,力
9、求計(jì)算方法簡(jiǎn)便。3 確定過(guò)程所涉及的組分,并對(duì)一切組分依次編號(hào)。4 對(duì)物流的流股進(jìn)展編號(hào),并標(biāo)注物流變量。.5搜集數(shù)據(jù)資料,數(shù)據(jù)資料包括兩類:即設(shè)計(jì)義務(wù)所規(guī)定的知條件,與過(guò)程有關(guān)的物理化學(xué)參數(shù),詳細(xì)包括以下內(nèi)容:消費(fèi)規(guī)模和消費(fèi)時(shí)間,消費(fèi)規(guī)模是設(shè)計(jì)義務(wù)所規(guī)定T/年,消費(fèi)時(shí)間是指全年的有效消費(fèi)天數(shù)300330天/年計(jì)約8000h。有關(guān)定額的技術(shù)目的,這類數(shù)據(jù)通常指產(chǎn)品單耗、配料比、循環(huán)比、固液比、氣液比、回流比、利用率、單程收率、回收率等等。.、原輔資料廠、產(chǎn)品、中間產(chǎn)品的規(guī)格,包括原料的有效成分和雜質(zhì)含量,氣體或液體混合物的組成。、與過(guò)程有關(guān)有物理化學(xué)參數(shù),如臨界參數(shù)、密度或比體積、形狀方程參數(shù)
10、、蒸汽壓、氣液平衡常數(shù)或平衡關(guān)系,粘度、分散參數(shù)等.6列出過(guò)程的全部獨(dú)立物料平衡方程式及其相關(guān)約束式,對(duì)有化學(xué)反響的還要寫(xiě)出化學(xué)反響方程式,明確反響前后的物料組成和各組分之間的定量關(guān)系,必要時(shí)還應(yīng)指出其轉(zhuǎn)化率和選擇性,為計(jì)算作預(yù)備。.約束式可分為兩類: 分?jǐn)?shù)約束式 當(dāng)物流的組成用摩爾分?jǐn)?shù)或質(zhì)量分?jǐn)?shù)表示時(shí),用下式成立 xij=1i=1,2,Ns j=1,2,Nc 式中: xij 第j組分在第i股流中的摩爾分?jǐn)?shù)或質(zhì)量分?jǐn)?shù); Ns 物流的股數(shù); Nc 物流的組分?jǐn)?shù)。.設(shè)備約束式 常見(jiàn)的設(shè)備約束式有: 、進(jìn)料比或任何兩股物流的量之比為一常數(shù); 、兩股物流具有一樣的組成如分流器; 、相平衡常關(guān)系式; 、
11、化學(xué)平衡關(guān)系式; 、化學(xué)反響過(guò)程中的轉(zhuǎn)化率、選擇性或其他限制。 、物料平衡式 C 、能量平衡式 1.7選擇計(jì)算基準(zhǔn)8獨(dú)立的總物流變量個(gè)數(shù)與方程個(gè)數(shù),確定設(shè)計(jì)變量和個(gè)數(shù)及全部設(shè)計(jì)變量。 . 進(jìn)展化工過(guò)程設(shè)計(jì),要確定各個(gè)物理量的數(shù)值,如進(jìn)料流率、濃度、溫度、壓力、熱負(fù)荷、機(jī)械功的輸入和輸出,傳熱面積的大小及實(shí)際塔板數(shù)等,這些物理量都是相互關(guān)聯(lián)相互制約的,因此設(shè)計(jì)者只能規(guī)定其中假設(shè)干變量的數(shù)值,這些變量稱為設(shè)計(jì)變量。假設(shè)設(shè)計(jì)過(guò)程中給定數(shù)值的物理量少于設(shè)計(jì)變量的數(shù)目,設(shè)計(jì)就不會(huì)有結(jié)果;反之,給定數(shù)值的物理量數(shù)目過(guò)多設(shè)計(jì)也無(wú)法進(jìn)展。.9整理并校核計(jì)算結(jié)果,當(dāng)計(jì)算完成后,對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)展整理,并根據(jù)需求換算
12、基準(zhǔn),最后列成表格即物流表。10繪制物料流程圖,編寫(xiě)物流表作為設(shè)計(jì)文件成果編入正式設(shè)計(jì)文件。.綜上所述步驟,可歸納如下: 、陳說(shuō)的問(wèn)題; 、列出可獲得的數(shù)據(jù); 、畫(huà)出衡算方框圖; 、對(duì)物流流股及各組分編號(hào); 、確定衡算范圍; 、建立系統(tǒng)各參數(shù)的基準(zhǔn); 、建立各組分和總物料的衡算方程; 、解析方程; 、校核計(jì)算結(jié)果; 、繪制物料流程圖,編寫(xiě)物流表。.三、化工根底數(shù)據(jù) 在化工計(jì)算以及化工工藝和設(shè)備設(shè)計(jì)中,必不可少地要用到有關(guān)化合物的物性數(shù)據(jù)。例如,進(jìn)展化工過(guò)程物料與能量衡算時(shí),需求用到密度或比容、沸點(diǎn)、蒸汽壓、燴、熱容及生成熱等等的物性數(shù)據(jù);設(shè)計(jì)一個(gè)反響器時(shí),那么需求知道化學(xué)反響熱的數(shù)據(jù);計(jì)算傳熱
13、過(guò)程時(shí),需求導(dǎo)熱系數(shù)的數(shù)據(jù)等等。這些數(shù)據(jù)習(xí)慣上稱為“化工根底數(shù)據(jù),它是由物料本身的物理化學(xué)性質(zhì)所決議的。因此,又被稱作“物化數(shù)據(jù)或“物性數(shù)據(jù)。. 化工根底數(shù)據(jù)包括很多,現(xiàn)將常用的一些化工根底數(shù)據(jù)大致歸納成以下幾類:(1) 根本物性數(shù)據(jù)如臨界常數(shù)臨界壓力、臨界溫度、臨界體積、密度或比容、形狀方程參數(shù)、緊縮系數(shù)、蒸氣壓、氣一液平衡關(guān)系等。(2 )熱力學(xué)物性數(shù)據(jù)如內(nèi)能、焓、熵、熱容、相變熱、自在能、自在焓等。(3) 化學(xué)反響和熱化學(xué)數(shù)據(jù)如反響熱、生成熱、熄滅熱、反響速度常數(shù)、活化能,化學(xué)平衡常數(shù)等。(4) 傳送參數(shù)如粘度、分散系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)等。. 通常這些數(shù)據(jù)可用以下方法得到:1、查手冊(cè)或文獻(xiàn)資料
14、有關(guān)常用物質(zhì)的物性數(shù)據(jù),前人已系統(tǒng)地進(jìn)展歸納總結(jié),從表格或圖的方式表示。這些致?lián)蓮挠嘘P(guān)的化學(xué)化工類手冊(cè)或?qū)I(yè)性的化工手冊(cè)中查到。2、估算。可以運(yùn)用物理和化學(xué)的一些根本定律計(jì)算各種物質(zhì)的性質(zhì)參數(shù)。3、用實(shí)驗(yàn)直接測(cè)定。. 以上三種數(shù)據(jù)來(lái)源,從手冊(cè)或文獻(xiàn)中查得數(shù)據(jù)最方便,但往往有時(shí)數(shù)據(jù)不夠完好,有時(shí)也會(huì)出現(xiàn)一些錯(cuò)誤。用一些實(shí)際的、半閱歷的和閱歷的公式估算,也是一種簡(jiǎn)便的方法。當(dāng)手冊(cè)或文獻(xiàn)中無(wú)法查得時(shí),可以進(jìn)展估算。直接用實(shí)驗(yàn)測(cè)定得到的數(shù)據(jù)最可靠,只是實(shí)驗(yàn)比較費(fèi)時(shí)間又花錢(qián)。但是,假設(shè)查不到有關(guān)數(shù)據(jù),而用公式估算得到的結(jié)果精度又不夠時(shí),那么必需用實(shí)驗(yàn)進(jìn)展測(cè)定。 近年來(lái),隨著電子計(jì)算機(jī)的迅速開(kāi)展,運(yùn)用計(jì)
15、算機(jī)儲(chǔ)存、檢索和推算物性數(shù)據(jù)日益增多。一些大型化工企業(yè)、研討部門(mén)和高等院校都相應(yīng)建立了物性數(shù)據(jù)庫(kù),以便于經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)自動(dòng)檢索或估算所要求的數(shù)據(jù),而不用自行查找或計(jì)算,大大節(jié)省了時(shí)間和精神。.第二節(jié) 簡(jiǎn)單的物料衡算 在進(jìn)展衡算時(shí),必需求了解消費(fèi)過(guò)程的根本原理、消費(fèi)方法和工藝流程,然后用表示圖的方式表示出整個(gè)化工過(guò)程的主要設(shè)備和全部進(jìn)出物流,選定所需的溫度、壓力或物料組成、產(chǎn)品目的、原料流量產(chǎn)品流量等條件。必需具備化工過(guò)程方面的根底知識(shí)才干進(jìn)展衡算。. 物料衡算是化工過(guò)程中最重要、最根本的計(jì)算,在物料衡算之后才干計(jì)算要提供或移走的能量,要了解能量的分布情況必需在物料衡算的根底上。通常的物料衡算有兩種
16、:1.對(duì)已有的消費(fèi)或者安裝利用實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)算出一些不能直接計(jì)算的物料量,以此為根據(jù)對(duì)消費(fèi)情況進(jìn)展分析,做出判別,提出改良措施。2.另一種是針對(duì)單個(gè)的設(shè)備,根據(jù)設(shè)計(jì)義務(wù)首先做出物料衡算,求出進(jìn)出設(shè)備的物料量,然后再進(jìn)展熱量橫算求出熱負(fù)荷。. 以穩(wěn)態(tài)過(guò)程為例,物料衡算的實(shí)際根據(jù)是質(zhì)量守恒定律,即在一個(gè)孤立物系中,不論物質(zhì)發(fā)生任何變化,它的質(zhì)量一直不變,即流入系統(tǒng)的一切的一切的物流的總質(zhì)量等于流出的物流的總質(zhì)量,一切進(jìn)入的原子數(shù)等于一切流出的原子數(shù)沒(méi)有質(zhì)量和能量的積累 假設(shè)沒(méi)有化學(xué)反響,那么一切進(jìn)入過(guò)程的任一化合物的摩爾物流必然等于分開(kāi)該過(guò)程的任一化合物的摩爾物流。.一、求解物料衡算的主要步驟如下:
17、進(jìn)展物料衡算時(shí),尤其是那些復(fù)雜的物料衡算,為了防止錯(cuò)誤,建議采用以下計(jì)算步驟。對(duì)于一些簡(jiǎn)單的問(wèn)題,這種步驟似乎有些繁瑣,但是訓(xùn)練這種有條理的解題方法,可以培育邏輯地思索問(wèn)題,對(duì)今后處理復(fù)雜的問(wèn)題是有協(xié)助的。計(jì)算步驟如下:1工藝流程、消費(fèi)原理2畫(huà)出該過(guò)程的流程表示圖3圈出求解系統(tǒng)在流程圖中的邊境4對(duì)于復(fù)雜的過(guò)程問(wèn)題,需列表進(jìn)展自在度分析,檢查求解的數(shù)據(jù)條件與求解的變量條件能否符合,確定求解的步驟。.5選定計(jì)算基準(zhǔn)6對(duì)于簡(jiǎn)單的衡算問(wèn)題,可不做自在度分析,列表給出進(jìn)出流股,其后直接求解。7列出衡算的數(shù)學(xué)模型,并進(jìn)展求解計(jì)算8列表:輸入、輸出物料表9校核計(jì)算結(jié)果 查找物性數(shù)據(jù):查手冊(cè)、估算、實(shí)驗(yàn)測(cè)定、
18、計(jì)算機(jī)自動(dòng)檢索、軟件檢索、自動(dòng)計(jì)算。 物料衡算的結(jié)果包括以下內(nèi)容:進(jìn)入和流出各流股各組分的稱號(hào)、質(zhì)量、百分含量.二、簡(jiǎn)單過(guò)程的物料衡算1、 簡(jiǎn)單的衡算模型 簡(jiǎn)單過(guò)程是指僅有一個(gè)設(shè)備或一個(gè)單元操作或整個(gè)過(guò)程簡(jiǎn)化成一個(gè)設(shè)備的過(guò)程。這種過(guò)程的物料衡算比較簡(jiǎn)單,在物料流程簡(jiǎn)圖中,設(shè)備邊境就是體系邊境。.圖3.1簡(jiǎn)單衡算系統(tǒng)表示圖NI個(gè)進(jìn)入流股,NT-NI個(gè)引出流股。穩(wěn)流過(guò)程,無(wú)化學(xué)反響總體物料衡算:組分的物料衡算:約束條件:.2、混合器和分別器的物料衡算1簡(jiǎn)單混合是指假設(shè)干不同流股在容器內(nèi)混合為一個(gè)流股而流出,如下圖:圖3.2簡(jiǎn)單混合過(guò)程表示圖.例:一種廢酸,組成為23(質(zhì)量)HNO3,57H2SO4
19、和20H2O,參與93的濃H2SO4及90的濃HNO3,要求混合成27HNO3及60H2SO4的混合酸,計(jì)算所需廢酸及參與濃酸的數(shù)量。解:設(shè)x廢酸量,kg; y濃H2SO4量,kg; z濃HNO3量;1、畫(huà)物料流程簡(jiǎn)圖.2、選擇基準(zhǔn),可以選廢酸或濃酸的量為基準(zhǔn),也可以用混合酸的量為基準(zhǔn),由于四種酸的組成均知,選任何一種作基準(zhǔn)計(jì)算都很方便。3、列物料衡算式,該體系有3種組分,可以列出3個(gè)獨(dú)立方程,所以能求出3個(gè)未知量。 基準(zhǔn):100kg混合酸 總物料衡算式 x + y + z=100 (1) H2SO4的衡算式 0.57x + 0.93y=1000.6=60 (2) HNO3的衡算式 0.23x
20、 + 0.90z=1000.27=27 (3) 解(1),(2),(3)方程,得x=41.8kg廢酸 y = 39kg濃H2SO4 z = 19.2kg濃HNO3. 根據(jù)程度衡,可以核對(duì)以上結(jié)果: 參與的水量 = 41.8 0.2 + 39 0.07 + 19.2 0.10 = 13kg 混合后的酸,含13H2O,所以計(jì)算結(jié)果正確。 以上物料衡算式,亦可以選總物料衡算式及H2SO4與H2O或HNO3與H2O二個(gè)衡算式或H2SO4、HNO3和H2O三個(gè)組分衡算式進(jìn)展計(jì)算,均可以求得上述結(jié)果。.流股 x y z 混合酸組分23%HNO357H2SO493H2SO4 90%HNO327%HNO360
21、H2SO4/kg質(zhì)量分?jǐn)?shù)/kg質(zhì)量分?jǐn)?shù)/kg質(zhì)量分?jǐn)?shù)/kg質(zhì)量分?jǐn)?shù)H2SO4HNO3H2O總計(jì).2簡(jiǎn)單分別 流程表示圖如圖3.4所示:通式:.例3.2 將一個(gè)含有20%摩爾分?jǐn)?shù)丙烷、20%異丁烷、20%異戊烷、40%正戊烷的混合物引入精餾塔分別。塔頂餾分含有50%丙烷、44% 異丁烷、1%正戊烷的混合物,塔底引出流股中僅含1%的丙烷。試完成其物料衡算。1、系統(tǒng)物料流程表示圖如下圖。2、計(jì)算基準(zhǔn)100kmol/h進(jìn)料。3、按簡(jiǎn)單分別物料衡算通式寫(xiě)出物料衡算式:總體物料衡算式:組分物料衡算式:.用F2和F3以及知數(shù)據(jù)求出塔底流股的未知組成及各流股的衡算數(shù)據(jù),填入表格。 流股123 組分 進(jìn)料 餾分
22、 塔底流/(kmol/h)組成/(kmol/h)組成/(kmol/h)組成丙烷200.219.40.500.60.01異丁烷200.217.10.442.90.05異戊烷200.21.940.0518.10.30正戊烷400.40.3880.0136.90.64合計(jì)1001.0038.81.0061.21.00表3.3 衡算結(jié)果.結(jié)晶 在化工消費(fèi)中,為了精制固體物質(zhì),使溶解于液體中的固體溶質(zhì)呈結(jié)晶狀析出的操作稱為結(jié)晶。它是獲得純真固體物質(zhì)的重要方法之一,運(yùn)用較廣泛。 在有關(guān)結(jié)晶的物料衡算中,溶解度和質(zhì)量百分比濃度之間的換算是必需的,由于對(duì)于飽和溶液從手冊(cè)上能查到的是溶解度數(shù)據(jù)而非質(zhì)量百分比濃度
23、數(shù)據(jù)。. 例4-5:1000千克KCl飽和水溶液盛于結(jié)晶槽中,溫度為800C。將此溶液冷卻到200C,假設(shè)在冷卻過(guò)程中,進(jìn)料溶液中的水有7%蒸發(fā)掉,求從溶液中結(jié)晶出的KCl量。 解:由手冊(cè)查得KCl在水中的溶解度數(shù)據(jù)為: 80:51.1克KCl/100克H2O 20:24.0克KCl/100克H2O。 畫(huà)物料流程表示圖:如下頁(yè).80KCl飽和溶液 H2O 1000kg KCl結(jié)晶 x kg 20KCl飽和溶液 .吸收 在石油化工消費(fèi)中,經(jīng)常需求分別氣體混合物以獲得純真的原料氣或氣體產(chǎn)品,吸收操作就是分別氣體混合物的一種有效方法。. 例:將含20%質(zhì)量百分?jǐn)?shù)丙酮與80%空氣的混合氣輸入吸收塔,塔
24、頂用噴水吸收丙酮。吸收塔塔頂出口氣體含丙酮3%,空氣97%,吸收塔底得到50千克含10%丙酮的水溶液,計(jì)算輸入吸收塔氣體的量。解:詳細(xì)過(guò)程如下所示 .解:由題意畫(huà)出物料流程表示圖 :如下所示.枯燥 在化工消費(fèi)中,有些原料、半廢品和廢品常含有水分或其他溶劑。為了便于加工,運(yùn)輸、貯藏和運(yùn)用,須將物料中的水分其他溶劑除去。這種從物料中去除水分或其他溶劑的操作稱去濕,去濕的方法很多,可分三類:1化學(xué)去濕法;2機(jī)械除濕法;3熱能去濕法。熱能去濕法也稱枯燥。. 例:現(xiàn)有濕紙漿含水71%質(zhì)量分?jǐn)?shù),需經(jīng)過(guò)枯燥去掉其初始水分的80%,試計(jì)算枯燥后紙漿中的含水量和每千克濕紙漿去掉的水分量。 解:由題意枯燥過(guò)程的物
25、料流程如以下圖所示。.蒸餾 蒸餾是利用液體混合物中各組分的揮發(fā)度不同進(jìn)展組分分別,多用于分別各種有機(jī)物的混合液,也有用于分別無(wú)機(jī)物混合液的,例如液體空氣中氮與氧的分別。 例:有一個(gè)蒸餾塔,輸入和輸出物料量及組成如以下圖4-16。輸入物料1中A組分的98.7%自塔頂蒸出。求每千克輸入物料可得到塔頂餾出物2的量及其組成。 .解:基準(zhǔn):100 kgh -1輸入物料 令x = 餾出物中A的百分含量,y = 餾出物中B的百分含量。.將各物料的流量及組成列于下表由上表可以看出,共有5個(gè)未知量,即P、W及流股2的組成A、B、C,由于組成A、B、C的百分含量之和為1,所以只需求得恣意兩個(gè)組成,如A、B或B、C
26、或C、A,第三個(gè)組成就可求出。因此實(shí)踐上是4個(gè)未知量,需求4個(gè)方程。但是輸入和輸出物料中共有3個(gè)組分,因此只能寫(xiě)出3個(gè)獨(dú)立物料衡算式。第四個(gè)方程必需從另外給定的條件列出。.根據(jù)題意,知輸入物料中A組分的98.7%自塔頂蒸出,即流股2中A組分量為: 1總物料衡算式有P和W兩個(gè)未知量。A、B、C三個(gè)組分的衡算式中,A組分的衡算式只含一個(gè)未知量W,所以先列A組分的衡算式。A組分衡算式: 2總物料衡算式: 3B組分衡算式: 4由2式得:代入3式得: 代入4式得:y = 56.54%. 由1式得: 餾出物中C組成為: 由C組分衡算式得: 結(jié)果符合 由上例可以看出,由于第二個(gè)方程只需一個(gè)未知參數(shù), 解這樣
27、的方程,可以防止解方程組。.總結(jié): 以上幾例為無(wú)化學(xué)反響過(guò)程的物料衡算,當(dāng)利用代數(shù)法求解時(shí),列衡算式應(yīng)留意以下幾點(diǎn): 無(wú)化學(xué)反響體系,能列出的獨(dú)立物料衡算式數(shù)目,最多等于輸入和輸出物料中化學(xué)組分的數(shù)目。 首先列出含未知量數(shù)目最少的物料衡算方程,最好是能列出一個(gè)方程解一個(gè)未知數(shù),然后一步一步地列出其它的方程,防止了解方程組的繁瑣。 假設(shè)體系內(nèi)具有很多多組分的物料,那么最好將每股物流編號(hào),并列表表示出知的量和組成,檢查能列出的衡算方程數(shù)目能否等于未知量的數(shù)目,判別能否經(jīng)過(guò)物料衡算式處理問(wèn)題。.3、具有化學(xué)反響的物料衡算 按照質(zhì)量守恒定律,對(duì)于化學(xué)反響例3.3 在催化劑作用下,甲醇借助于空氣氧化可以
28、制取甲醛。為了保證甲醇有足夠的轉(zhuǎn)化率,在進(jìn)料中空氣過(guò)量50%,甲醇轉(zhuǎn)化率可以到達(dá)75%,試列出物料衡算列表。Vj在反響中第j個(gè)組分的化學(xué)計(jì)量系數(shù),對(duì)于反響物為負(fù)值,對(duì)于產(chǎn)物為正值。.1、系統(tǒng)物料流程表示圖如下圖。2、計(jì)算基準(zhǔn)100kmol/h甲醇進(jìn)料。3、該反響的化學(xué)計(jì)量系數(shù)為甲醇V1=-1,氧V2=-0.5,甲醛V3=1,水V4=1 物料衡算模型為:Yk:關(guān)鍵的或基準(zhǔn)的一種試劑的轉(zhuǎn)化率。.按上述模型求出的解,列表。.4、簡(jiǎn)單的過(guò)程計(jì)算含有惰性組分的過(guò)程。 含有惰性組分的過(guò)程是常見(jiàn)的簡(jiǎn)單過(guò)程之一,所謂惰性組分就是在過(guò)程中一直不變的組分。 例3.4 今有一油分,經(jīng)含量分析得知,其中含有84%的C
29、和16%的H?,F(xiàn)以100kg/h的油分、3.6kg/h的水蒸氣混合熄滅。分析熄滅尾氣,其中含有9.5%的CO2體積分?jǐn)?shù)。試求供應(yīng)熄滅爐的空氣過(guò)剩量是多少? 該熄滅過(guò)程的反響為:該反響也可以分解為C與H2的熄滅反響,即.1、系統(tǒng)物料流程表示圖如下圖。2、計(jì)算基準(zhǔn)100kmol/h甲醇進(jìn)料。、系統(tǒng)物料流程表示圖如下圖。、計(jì)算基準(zhǔn)1h。、估算輸入流率 84kgC=84/12=7kmol 16kgH2=16/2=8kmol 3.6kgH2O=3.6/18=0.2kmol、用分解反響做反響物質(zhì)的物料衡算,各組分在各個(gè)步驟中的數(shù)量分配列于表3.5中,表中x表示過(guò)剩的氧氣量,y表示進(jìn)料中的氮。.項(xiàng)目H2CO
30、2CO2H2ON2反應(yīng)1消耗77產(chǎn)生7反應(yīng)2消耗84產(chǎn)生8未變組分x0.2y出口尾氣x78.2y表3.5 各組分?jǐn)?shù)量分配.、計(jì)算過(guò)剩的空氣量 按化學(xué)計(jì)量式所需O2為 4+7=11kmol, 實(shí)踐供應(yīng)的O2量為11+xkmol,氮?dú)膺M(jìn)出總量不變,按大氣組成計(jì)算有 全部引出的氣體量為 15.2+x+y=56.58+4.76x按題給條件,在出口氣體中CO2占9.5%,即解得 x=3.59kmol實(shí)踐上的供氧量為 11+x=11+3.59=14.59kmol所以過(guò)程空氣量與反響所需的空氣量的百分比等于其相應(yīng)的氧氣量的比,即.例3.5 吸收過(guò)程 利用惰性組分的特征可以簡(jiǎn)化物料衡算。 有一股流率為50km
31、ol/h,含有15%(摩爾分?jǐn)?shù),下同)CO2和5%H2O的氣流送入吸收塔,用新穎水吸收CO2。吸收后的氣體中,含有1%CO2和3%的H2O,新穎水的流率為500kmol/h。試求出口流股的組成與流率。解:簡(jiǎn)化流程表示圖為.以1h作為計(jì)算基準(zhǔn)物料衡算: 原料氣中惰性物質(zhì)的流率為 惰性物質(zhì)在入塔氣體中的組成為80%,在出塔氣體中的組成為96%,出塔氣體中惰性氣體的的流率為40kmol/h,CO2的流率為40/0.96*0.01= 4.167 kmol/h. H2O的流率為40/0.96*0.03=1.25kmol/h根據(jù)各組分的物料衡算知,對(duì)CO2有:入塔氣體中的CO2流率=引出氣體中的CO2流率
32、和引出液流中的CO2流率 出口液流中的CO2流率=7.083kmol/h對(duì)水:入塔氣體中的水流率+吸收劑流率=引出氣體中的水+引出液流中的水的流率出口液流中的水流率=501.25kmol/h.吸收塔橫算結(jié)果為. 例3.6制取硝酸的物料衡算(本人看) 圖3.8給出了由氨轉(zhuǎn)化為硝酸的主要步驟,各步驟主要的化學(xué)反響為: 在轉(zhuǎn)化器中: 在氧化器中: 硝酸塔中:.知數(shù)據(jù)如下:1供應(yīng)系統(tǒng)的氨量為100kmol/h2由空氣供應(yīng)的氧量為225kmol/h (3) 在氨的熄滅爐和轉(zhuǎn)化器中生成NO,98的NH3轉(zhuǎn)化為NO,同時(shí)有2%的氨分解為H2,H2繼而氧化為水,所以全部反響為NH3+1.24O2 0.98NO
33、+0.01N2+1.5H2O4在冷卻器/氧化器中,99%的NO轉(zhuǎn)化為NO25在硝酸塔中,一切的NO2被吸收,且氧化生成63%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的硝酸。6硝酸塔中排出氣體有N2、O2和NO,該排出氣體被35的水蒸氣所飽和,塔壓為4atm,在此條件下,水蒸氣壓力為42mmHg,試求參與硝酸塔的水量列出全系統(tǒng)的物料衡算表。.1計(jì)算基準(zhǔn)1h。2流1氨氣和流2空氣混合組成流3,進(jìn)入轉(zhuǎn)化器進(jìn)展氧化反響后得到流4,流4進(jìn)入轉(zhuǎn)化器反響后生成流5. 先將可以直接計(jì)算的流股的物料衡算列于表3.6。3計(jì)算不能簡(jiǎn)單計(jì)算的流股的物料衡算。 流7由NO、N2、O2、H2O蒸汽組成,假設(shè)流7混合物為理想氣體那么有:流7中水的摩爾分?jǐn)?shù)
34、=42/4*760=0.0 流7中N2、NO和O2的總流率為0.98+28.235+847.4=876.615 流7中的水的流率為:876.615*0.0/1-0.0=12.27kmol/h 那么流6中水的流率為:流7中的水+流8中的水+硝酸塔中反響的水-流5中的水 =199.43+12.27+97.02/2-150=110.21kmol/h 填入表格.流股數(shù)12345678NH310010000000HNO30097.02097.02NO2098*0.99=97.02000NO980.9800.980O2225225225-124=101101-97.02/2=52.49052.49-97.
35、02/4=28.2350N2846.43846.43846.4+1=847.4847.40847.40H2O150150110.2112.2797.02*63/0.63*0.37/18=199.43表3.6 各流股中各組分的流率.1不帶化學(xué)反響的化工流程的物料衡算 以一個(gè)例題來(lái)闡明不帶化學(xué)反響的化工流程的物料衡算。例3.7一個(gè)以四個(gè)精餾塔和一個(gè)分流器組成的化工流程表示圖如圖3.9所示,流程中無(wú)化學(xué)反響,一切組成均為摩爾分?jǐn)?shù)。設(shè)計(jì)要求從塔2塔底出來(lái)的流股流率有50%回流到塔1,試計(jì)算確定流程中一切未知的流股流率和組成。解:過(guò)程的流程表示圖如下圖,其中一些流股的部分或者全部的流股變量曾經(jīng)由設(shè)計(jì)條件
36、給出,但是仍舊有一些流股變量未知。此題要求確定流程中一切未知的流股變量,一切,其物料衡算范圍應(yīng)該是全部流程。 該流程雖然只牽涉到四種組分,但是由于牽涉到5個(gè)單元設(shè)備,11個(gè)流股,所以其物料衡算相對(duì)于只需一個(gè)單元操作的物料衡算復(fù)雜一些,為了確定物料計(jì)算的順序,先進(jìn)展該流程的物料衡算自在度分析,這樣可以對(duì)設(shè)計(jì)條件數(shù)據(jù)充分與否進(jìn)展校驗(yàn)。.圖3.9 不帶化學(xué)反響的精餾塔群流程表示圖C1 0.20C2 0.25C3 0.40C4 0.151000mol/h1234分流器C1C2C3 0.03F2C1 0.995C2 0.05F4C1 0.01C2 0.89C3 0.10F7 C2 C3 C4 0.02
37、F8C3 0.70C4 0.30F9C3 0.98C4 0.02F10C4 1.00F11C2 C3 C4 F31234F5679101158F6.1根據(jù)流程的特點(diǎn)和流股與單元設(shè)備的聯(lián)絡(luò)確定其中能夠含有的一切的組分的種類。1、4、5、6、7、9、10、11號(hào)流股的組分種類知2號(hào)流股C1、C2、C3三種組分。3號(hào)和8號(hào)流股中含有C2、C3、C4三種組分。 前提:要求只做物料衡算,各流股的溫度和壓力不作為流股變量。各個(gè)流股和整個(gè)流程和整體的自在度分析見(jiàn)表3.7 .項(xiàng)目塔1塔2塔3塔4分流器過(guò)程整體總流股變量數(shù)1388552515MB方程數(shù)43321134已知流股變量數(shù)74222119已知附加方程數(shù)
38、0000110自由度2131102.圖3.9 不帶化學(xué)反響的精餾塔群流程表示圖C1 0.20C2 0.25C3 0.40C4 0.151000mol/h1234分流器C1C2C3 0.03F2C1 0.995C2 0.05F4C1 0.01C2 0.89C3 0.10F7 C2 C3 C4 0.02 F8C3 0.70C4 0.30F9C3 0.98C4 0.02F10C4 1.00F11C2 C3 C4 F31234F5679101158F6.從物料衡算的自在度分析可以看出,其物料衡算總共牽涉到25個(gè)變量,其中11個(gè)知,相當(dāng)于有14個(gè)未知變量,相應(yīng)的可以列出13個(gè)物料衡算方程和1個(gè)設(shè)計(jì)約束的
39、附加方程,總共14個(gè)獨(dú)立的方程,本章以后將要引見(jiàn)計(jì)算機(jī)輔助化工過(guò)程設(shè)計(jì)的聯(lián)立方程法,就是用這14個(gè)方程聯(lián)立求解出14個(gè)未知變量。對(duì)于計(jì)算而言,聯(lián)立方程求解的任務(wù)量是宏大的。由自在度分析表可以看出,應(yīng)該首先求解自在度最小的單元,然后求解與其相鄰的自在度相對(duì)較小的單元,直到計(jì)算完成一切的流程單元,求 解出其中一切的未知流股變量。求解過(guò)程: (1) 塔2共涉及到3種組分,可以列出三個(gè)獨(dú)立的物料衡算方程。 塔2的三個(gè)獨(dú)立的物料衡算方程為:3個(gè)方程,4個(gè)未知變量,只能部分求解。.(2)分流器的物料衡算:3個(gè)未知變量,只需兩個(gè)方程,只能部分求解。(3)塔1的物料衡算:.四個(gè)方程中,有6個(gè)未知變量,自在度為
40、2,將塔2和分流器的物料橫算結(jié)果帶入到塔1中,塔1的物料衡算方程變?yōu)椋荷鲜鏊膫€(gè)方程可以完全求解。.圖3 不帶化學(xué)反響的精餾塔群流程表示圖C1 0.20C2 0.25C3 0.40C4 0.151000mol/h1234分流器C1C2C3 0.03F2C1 0.995C2 0.05F4C1 0.01C2 0.89C3 0.10F7 C2 C3 C4 0.02 F8C3 0.70C4 0.30F9C3 0.98C4 0.02F10C4 1.00F11C2 C3 C4 F31234F5679101158F6.將上述結(jié)果帶入塔1和分流器的部分求解結(jié)果中得到.(4) 塔3的物料衡算塔3的物料衡算:解得:
41、.塔4的物料衡算全部的流股變量曾經(jīng)經(jīng)過(guò)物料衡算求出,將衡算計(jì)算的結(jié)果以流程的物料衡算結(jié)果一覽表的方式給出。課本表3.9針對(duì)本例題流程無(wú)妨先將F1=1000mol/h流率計(jì)算基準(zhǔn)假設(shè)為未知,將該流程改為彈性設(shè)計(jì)流程,采用變量置換法重新挑選一個(gè)流股的流率作為計(jì)算基準(zhǔn),簡(jiǎn)化物料衡算計(jì)算過(guò)程。F1=1000mol/h,流率計(jì)算基準(zhǔn)假設(shè)為未知,做流程自在度分析,然后選擇F4=1000mol/h為新的物料衡算計(jì)算基準(zhǔn)。.項(xiàng)目塔1塔2塔3塔4分流器過(guò)程整體總流股變量數(shù)1388552515MB方程數(shù)43321134已知流股變量數(shù)64222108已知附加方程數(shù)0000110原自由度3131113新計(jì)算基準(zhǔn)-1-
42、1-1新自由度3031102.在以上自在度分析表的指點(diǎn)下,開(kāi)場(chǎng)流程物料衡算,從塔2分流器 塔1 塔3 塔4的順序計(jì)算將發(fā)現(xiàn)衡算計(jì)算變成了每一個(gè)單元都能完全求解的計(jì)算序列。這樣求解的結(jié)果各流股的組成將與變量置換前的結(jié)果一樣,只需求將各流股的流率按照原F1流率與變量置換后的F1的流率之間的比例換算一下即可,這就是在物料衡算中為簡(jiǎn)化計(jì)算運(yùn)用的變量置換法。.2帶化學(xué)反響的化工流程的物料衡算 對(duì)于存在化學(xué)反響的物料衡算時(shí),與不帶化學(xué)反響的化工流程衡算相比,其最大的區(qū)別在于,帶化學(xué)反響的化工流程的物料衡算,必需在衡算計(jì)算過(guò)程中引入化學(xué)反響程度的變量如反響速率、反響轉(zhuǎn)化率、反響選擇性作為反響器的單元變量,而
43、且一個(gè)流程或者一個(gè)反響器帶有幾個(gè)獨(dú)立的化學(xué)反響就應(yīng)該引入幾個(gè)反響單元變量,關(guān)于如何判別反響器內(nèi)獨(dú)立化學(xué)反響的數(shù)量,參看反響工程。 例3.8有下述一個(gè)水煤氣轉(zhuǎn)換流程,設(shè)計(jì)要求及知條件如下。 1反響器1的水蒸氣摩爾流率是另外兩股干氣進(jìn)料摩爾流率之和的2倍。 2CO在反響器1中的轉(zhuǎn)化率為80% 3反響器2的出口氣流中H2和N2的摩爾流率之比等于3。 一切組成均為摩爾分?jǐn)?shù),知反響器1和反響器2中分別有一個(gè)化學(xué)反響:.圖3.10水煤氣轉(zhuǎn)換流程表示圖 從流程的特點(diǎn)和流股出發(fā),應(yīng)該判別出流程中4號(hào)、5號(hào)流股分別含有N2,H2、H2O、CO2、CO五種組分,流程中有惰性組分N2進(jìn)出,可以優(yōu)先思索整體物料衡算。
44、為了闡明代化學(xué)反響的物料衡算的特點(diǎn),首先進(jìn)展流程的自在度分析。 該流程中部分流股的流率及組成標(biāo)注在其流程表示圖中,試做該流程的物料衡算。.項(xiàng)目反應(yīng)器1反應(yīng)器2過(guò)程整體總流股變量數(shù)11101611單元變量總數(shù)1121衡算方程數(shù)55105已知流股變量數(shù)4155已知單元變量數(shù)1010已知附加關(guān)系式數(shù)1122自由度1400. 流程自在度分析中應(yīng)該留意單元反響變量的意義,反響器1和反響器2由于分別有一個(gè)化學(xué)反響,所以需求一個(gè)反響單元變量,但這個(gè)反響變量描畫(huà)的是反響器1或反響器2中的單程反響程度,該流程的整體相當(dāng)于存在一個(gè)化學(xué)反響的虛擬反響器,需求描畫(huà)整體反響程度的一個(gè)反響單元變量,該整體反響單元變量描畫(huà)
45、的是流程全程的反響程度。 由流程的自在度分析表可以看出,該流程過(guò)程的物料衡算自在度為0,闡明該流程問(wèn)題描畫(huà)正確。同時(shí),整體自在度為0,闡明應(yīng)該先求解整體的物料衡算。求解完好體的物料衡算以后,意味著與整體相關(guān)的流股的一切的流股變量 即一切進(jìn)出流程的流股變量能全部解出來(lái),然后再看求解完好體后反響器1和反響器2的更新自在度分析情況。.求解整體的物料衡算:設(shè)整體全程基于CO的反響速率為rmol/h,那么整體的物料衡算方程和附加關(guān)系式方程為.項(xiàng)目反應(yīng)器1反應(yīng)器2項(xiàng)目反應(yīng)器1反應(yīng)器2總流股變量數(shù)1110已知單元變量數(shù)10單元變量總數(shù)11已知附加關(guān)系式數(shù)00衡算方程數(shù)55自由度01已知流股變量數(shù)65 由上表
46、可以看出,求解完好體物料衡算以后,應(yīng)該緊接著做反應(yīng)器1的物料衡算,反響器1的物料衡算可以完全求解,可以求解出4號(hào)流股的一切流股變量。最后經(jīng)過(guò)4號(hào)流股和5號(hào)流股的關(guān)系,計(jì)算出反響器2的反響單元變量,也就是在計(jì)算之前,就可以確定物料衡算的計(jì)算步驟。整體物料恒算后自在度分析. 緊接著求解反響器1的物料衡算。設(shè)反響器1中基于CO的反響速率為r1mol/h,那么 經(jīng)過(guò)反響器1的物料衡算方程式,可計(jì)算得 最后經(jīng)過(guò)4號(hào)流股和5號(hào)流股的流股變量,可以計(jì)算出CO在反響器2中的反響速率r2為.流率及組成 流股號(hào)12345總流率100223.7113647.4226971.1342971.1339N2分流率7800
47、7878H2分流率0111.85570217.3403234CO分流率20111.8557026.37139.7113CO2分流率200107.4845124.1443H2O分流率00647.4226541.9381525.2783CO在反應(yīng)器1內(nèi)的反應(yīng)速率為105.4845mol/hCO在反應(yīng)器2內(nèi)的反應(yīng)速率為16.66mol/h.5.再循環(huán)問(wèn)題的簡(jiǎn)單代數(shù)解普通的循環(huán)問(wèn)題是在過(guò)程中存在一股定值的循環(huán)流股,它可約束另一流股中某一組分的濃度。例3.9 合成氨廠氬去除問(wèn)題的物料衡算。 某合成氨廠的進(jìn)料為氮、氫及氬的混合氣體,氫和氮的進(jìn)料量為100kmol/h,氬的進(jìn)料量為0.2kmol/h,氫、氮
48、含量可按化學(xué)計(jì)量式配比計(jì)算,在轉(zhuǎn)化器中以25%的一次轉(zhuǎn)化率轉(zhuǎn)化為氨,來(lái)自轉(zhuǎn)化器的混合氣體進(jìn)入冷凝器,分別出來(lái)的不凝氣循環(huán)運(yùn)用,與進(jìn)料混合進(jìn)入反響器。為了限制氬的積累,不凝氣只做部分循環(huán),另一部分進(jìn)入支流,假設(shè)要求反響器進(jìn)口流股中的氬與氫、氮總量的摩爾比為為0.05,試求支流與循環(huán)流的流率比。.過(guò)程表示圖,如下圖。計(jì)算基準(zhǔn)1h設(shè)在支流中引出ymol的N2+H2為了防止氬在系統(tǒng)中的積累,必需同時(shí)引出0.2mol氬,設(shè)循環(huán)流含有xmol的N2+H2混合氣體,那么在反響器入口氬的濃度為:圖3.11 例3.9過(guò)程表示圖.項(xiàng)目N2 (kmol/h)H2(kmol/h)NH3 (kmol/h)Ar (kmo
49、l/h)反應(yīng)器進(jìn)料25755反應(yīng)器出料18.7556.2512.55引出支流18.75s56.25s5s循環(huán)氣體流18.75(1-s)56.25(1-s)5(1-s)表3.14 流股衡算.組成/(kmol/h)摩爾分?jǐn)?shù)N2250.2495H2750.7485Ar0.20.0020表3.15 衡算結(jié)果 .三、帶有循環(huán)流的物料衡算1.迭代法求解再循環(huán)問(wèn)題1序貫?zāi)K法 所謂序貫?zāi)K法就是按照流程順序,以進(jìn)料直到整個(gè)產(chǎn)品逐個(gè)單元依次計(jì)算。現(xiàn)以圖3.12所示系統(tǒng)為例。 為了開(kāi)場(chǎng)序貫?zāi)K法的計(jì)算,首先要確定進(jìn)入混合器的循環(huán)流的數(shù)值,通常是假設(shè)位于循環(huán)流中的任一流股值,并由假設(shè)值開(kāi)場(chǎng)計(jì)算,這種計(jì)算技術(shù)通常稱
50、之為流的切割,圍繞這個(gè)循環(huán)進(jìn)展計(jì)算,并且在每一圈后確定這個(gè)值能否收斂。該個(gè)假設(shè)值不斷用新的值直接取代或者在取代之前用某種方式進(jìn)一步改善新的估算值。. 收斂的檢驗(yàn)是這樣進(jìn)展的,即察看在切割點(diǎn)校核老的估算值和經(jīng)過(guò)一圈計(jì)算后新的估算值能否在這一組允許的容差之中,容差多用相對(duì)誤差表示,即相對(duì)誤差=|新估算值-老估算值| /新估算值。假設(shè)相對(duì)誤差小于允許的容差那么以為收斂。此試差系統(tǒng)如圖3.13所示。圖3.13 收斂過(guò)程.例3.10用簡(jiǎn)單迭代法求解一個(gè)具有循環(huán)過(guò)程的物料衡算。 今有一反響器/分別器系統(tǒng),它將100kmol/h的組分A轉(zhuǎn)化為等物質(zhì)量的組分B。每一單程有80%的A被轉(zhuǎn)化,在分別器內(nèi)沒(méi)有物質(zhì)的
51、變化,分別后98%的A和1%的B再循環(huán)。 繪出流程表示圖。 計(jì)算基準(zhǔn)1h。圖3.14 例3.10流程表示圖. 目的允許誤差0.001 迭代計(jì)算過(guò)程列于表3.16中表中Fi,j指的是第i流股中的j組分的流率。 容差 由下表可知,收斂發(fā)生在第六次迭代,在某些情況下收斂的比較緩慢,此時(shí)需求用加速收斂的方法。加速收斂的方法很多,常用的是運(yùn)用Secant加速收斂法割線法.迭代次數(shù)123456F1,A100100100100100100F1,B000000F2,A019.623.4424.2024.3424.37F2,B00.80.961.001.011.01F3,A=F1,A+F2,A100119.61
52、23.44124.20124.34124.37F3,B=F1,B+F2,B00.80.961.001.011.01F4,A=0.2F3,A2023.9224.6924.8424.8724.87F4,B=F3,B+0.8F3,A8096.4899.68100.36100.48100.51F5,A=0.02F4,A0.40.480.490.500.500.50F5,B=0.99F4,B79.295.5298.6899.3799.4799.50F6,A=F4,A-F5,A19.623.4424.2024.3424.3724.37F6,B=F4,B-F5,B0.80.961.001.011.011.0
53、1容差FA10.160.0310.0060.00210容差FB10.170.040.0100被修正的F2,A19.623.4424.2024.3424.3724.37被修正的F2,B0.80.961.001.011.011.01.2Secant加速收斂的方法。圖 3.15割線法圖3.15為一非線性函數(shù),欲求該函數(shù)的根可以按照以下程序進(jìn)展,即先計(jì)算出點(diǎn)割線的斜率該割線與橫軸的交點(diǎn),即坐標(biāo)的值可以由下式計(jì)算:.由于割線是線性函數(shù)而是非線性函數(shù),因此只是的近似值,但是假設(shè)以替代此值將進(jìn)一步接近由上式做進(jìn)一步迭代最后可以得到滿足規(guī)定容差的根的近似值。參與用容差函數(shù) 替代 ,下標(biāo)i表示存在的化學(xué)組分,上
54、標(biāo)c代表迭代循環(huán)的次數(shù)那么可得出割線加速收斂法的通式。. 只需迭代方向正確時(shí),才干收斂,從而求出近似解。迭代的目的是減少容差值使之趨近于0,或?qū)δ骋唤M分趨近于0,對(duì)該組分近似收斂的準(zhǔn)那么是普通取容差 為0.001,對(duì)于早期計(jì)算或者準(zhǔn)確度要求度不高的計(jì)算,允許用較大的數(shù)值。 這種加速收斂的方法,可以用于過(guò)程中一切組分的各個(gè)節(jié)點(diǎn)處,例3.10迭代循環(huán)3中組分A的Secant加速收斂計(jì)算為:.迭代次數(shù)1234F1,A100100100100F1,B0000F2,A019.623.4424.38F2,B00.80.961.01F3,A=F1,A+F2,A100119.6123.44124.38F3,B
55、=F1,B+F2,B00.80.931.01F4,A=0.2F3,A2023.9224.6924.88F4,B=F3,B+0.8F3,A8096.4899.68100.51F5,A=0.02F4,A0.40.480.490.50F5,B=0.99F4,B79.295.5298.6899.50F6,A=F4,A-F5,A19.623.4424.2024.38F6,B=F4,B-F5,B0.80.961.001.01被修正的F2,A19.623.4424.38被修正的F2,B0.80.961.01表3.17 收斂速度比較.2.非迭代法求解再循環(huán)問(wèn)題 再循環(huán)問(wèn)題也可以用簡(jiǎn)單的迭代法求解,詳細(xì)解法仍以例3.10為對(duì)象。1代數(shù)法圖3.16 物料衡算圖繞此回路做組分A的衡算其中100+xA是組分A進(jìn)入反響器的數(shù)量,0.2是組分A為轉(zhuǎn)化的分?jǐn)?shù);0.98組分A的循環(huán)分率,由該式解得xA=
溫馨提示
- 1. 本站所有資源如無(wú)特殊說(shuō)明,都需要本地電腦安裝OFFICE2007和PDF閱讀器。圖紙軟件為CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.壓縮文件請(qǐng)下載最新的WinRAR軟件解壓。
- 2. 本站的文檔不包含任何第三方提供的附件圖紙等,如果需要附件,請(qǐng)聯(lián)系上傳者。文件的所有權(quán)益歸上傳用戶所有。
- 3. 本站RAR壓縮包中若帶圖紙,網(wǎng)頁(yè)內(nèi)容里面會(huì)有圖紙預(yù)覽,若沒(méi)有圖紙預(yù)覽就沒(méi)有圖紙。
- 4. 未經(jīng)權(quán)益所有人同意不得將文件中的內(nèi)容挪作商業(yè)或盈利用途。
- 5. 人人文庫(kù)網(wǎng)僅提供信息存儲(chǔ)空間,僅對(duì)用戶上傳內(nèi)容的表現(xiàn)方式做保護(hù)處理,對(duì)用戶上傳分享的文檔內(nèi)容本身不做任何修改或編輯,并不能對(duì)任何下載內(nèi)容負(fù)責(zé)。
- 6. 下載文件中如有侵權(quán)或不適當(dāng)內(nèi)容,請(qǐng)與我們聯(lián)系,我們立即糾正。
- 7. 本站不保證下載資源的準(zhǔn)確性、安全性和完整性, 同時(shí)也不承擔(dān)用戶因使用這些下載資源對(duì)自己和他人造成任何形式的傷害或損失。
最新文檔
- GB/T 44931-2024納米技術(shù)吸入毒性研究中金屬納米顆粒制備蒸發(fā)-冷凝法
- PB-22-5-Hydroxyquinoline-isomer-生命科學(xué)試劑-MCE-7761
- 1-Boc-4-carboxymethyl-piperazine-生命科學(xué)試劑-MCE-6310
- 2025年度公共停車(chē)場(chǎng)車(chē)位使用權(quán)抵押合同范例
- 二零二五年度離婚后小孩撫養(yǎng)費(fèi)及生活費(fèi)用監(jiān)管協(xié)議
- 二零二五年度早餐車(chē)餐飲合作經(jīng)營(yíng)協(xié)議
- 施工現(xiàn)場(chǎng)施工排水排泥管理制度
- 施工現(xiàn)場(chǎng)施工防地震災(zāi)害制度
- 教育領(lǐng)域中的學(xué)生心理健康研究
- 小學(xué)數(shù)學(xué)新課程教學(xué)法復(fù)習(xí)題課件
- 2024年廣東省公務(wù)員錄用考試《行測(cè)》真題及答案解析
- 小學(xué)數(shù)學(xué)六年級(jí)解方程練習(xí)300題及答案
- 光伏十林業(yè)可行性報(bào)告
- 公路工程安全風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)與防控手冊(cè)
- 骨科手術(shù)糾紛案例分析課件
- 2022年廣西高考英語(yǔ)真題及答案(全國(guó)甲卷)
- 安全生產(chǎn)責(zé)任清單(加油站)
- 動(dòng)物檢疫技術(shù)-動(dòng)物檢疫的程序(動(dòng)物防疫與檢疫技術(shù))
- 煤礦復(fù)工復(fù)產(chǎn)專項(xiàng)安全風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)
- DB42T 1049-2015房產(chǎn)測(cè)繪技術(shù)規(guī)程
- 《民航服務(wù)溝通技巧》教案第8課重要旅客服務(wù)溝通
評(píng)論
0/150
提交評(píng)論