化工过程计算

第一节化工过程及过程参数指由原料经化学处理和物理处理加工成化学产品或中间产品的生产过程。它包括许多工序，每个工序又由若干个或若干组设备（如反应器、蒸馏塔、吸收塔、干燥塔，分离器、换热器及输送设备等等）组合而成。物料通过各设备时，完成某种化学或物理处理，最终成为合格的产品。化工设备所进行的主要操作可归纳为下列几类：1.化学反应；2.分离或提纯;3.改变温度;4.改变压力;5.混合等。1－1化工过程:单元操作和单元反应化工过程中，能影响过程运行和状态的物理量。常作为控制生产过程的主要指标。进行化工计算时，上述参数是基本数据，可直接测定。对不易直接测定的参数，可找出与容易测定的参数之间的关系，通过计算求得，有时也可以根据经验公式计算出所需的数据。1－2过程参数1.基本物性数据—如临界常数（临界压力、临界温度、临界体积）、密度或比容、状态方程参数、压缩系数、蒸气压、气一液平衡关系等。2.热力学物性数据—如内能、焓、熵、热容、相变热、自由能、自由焓等。3.化学反应和热化学数据—如反应热、生成热、燃烧热、反应速度常数、活化能，化学平衡常数等。4.传递参数—如粘度、扩散系数、导热系数等。1－3化工基础数据1.查《化学工程手册》、《化工工艺设计程手册》或相关文献资料2.估算。可以应用物理和化学的一些基本定律或经验关联式计算各种物质的性质参数。3.用实验直接测定。通常这些数据可用下列方法得到：1-4化工过程准数雷诺数Re、普兰德数Pr、施米特数Sc、皮欧数Bi、努塞尔数Nu、斯坦顿数St、舍伍德数Sh等。它们的关联式级物理意义。第二节物料衡算1.化工过程的类型根据其操作方式可以分成间歇操作、连续操作以及半连续操作三类。或者将其分为稳定状态操作和不稳定状态操作两类。2.物料衡算式物料衡算是依据物质守恒原理，研究某一个体系内进、出物料量及组成的变化。2－1物料衡算式进入量=排出量+反应消耗量+积累量物料衡算基本式上式可根据衡算体系特点简化某些项。2－2物料衡算的基本方程1、画物料流程简图。2、计算基准及其选择。3、物料衡算的步骤(1)搜集计算数据。(2)画出物料流程简图。(3)确定衡算体系。(4)写出化学反应方程式，包括主反应和副反应，标出有用的分子量。(5)选择合适的计算基准，并在流程图上注明所选的基准值。(6)列出物料衡算式，然后用数学方法求解。(7)将计算结果列成输入－输出物料表(物料平衡表)。(8)校核计算结果2-3无化学反应的物料衡算进入量=排出量+积累量1.简单过程过滤机1料浆F1=2000kg/h,75%液体，25%固体3滤饼90%固体10%液体F3,kg/hF2，kg/h1%固体，99%液体2滤液总物料平衡：F1=F2+F3液体平衡：F1x11=F2x21+F3x31指定液体为1，固体为2已知：2000=F2+F30.75x2000=0.99F2+0.10F3解得：F2=1460.7kg/h,F3=639.3kg/h将固体平衡方程代入，得0.25x2000=0.01x1460.7+0.9x539.3，结果正确。例1：如图表示无化学反应的连续过程物料流程。图中方框表示一个体系，虚线表示体系边界。共有三个流股，进料F及出料P和W。有两个组分。每个流股的流量及组成如图所示。图中x为质量分数。123FPWf1f2p1p2w1w2xxxxxx无化学反应的连续过程物料衡算过程可列出物料衡算式：总物料衡算式F=P+W每种组分衡算式F·xf1=P·xp1+W·xw1F·xf2=P·xp2+W·xw2例2：以苯为溶剂，用共沸精馏法分离乙醇中的水制纯乙醇。假定料液混合物中含水60%，乙醇40%，塔顶出料含苯75%，水24%，其余为乙醇。要求生产乙醇为1000kg/h，计算精馏所需要的苯量是多少？（见下图）料液，F1乙醇，40%水60%出液，F3乙醇，1%水，24%苯，75%苯，F2F4=1000kg/h乙醇产品解：总物料衡算F1+F2=F3+F4各组分物料衡算苯平衡F2=0.75F3水平衡0.6F1=0.24F3醇平衡0.4F1=（1-0.75–0.24）F3+F4解得：F1=2667kg/hF2=5000kg/hF3=6667kg/h3个未知量，可用3个代数方程联立求解共沸精馏塔2.多单元系统由数个单元设备组成的过程，需要计算每一单元设备的流量和组成，称之为多单元系统。2AB1345如图两个单元组成的过程，输入输出及相关的物流有5个，每一物流均含有s个物质。单元A、B为分离系统，因为有s个物质，每一个单元都可列出s个物料平衡方程式。最后将两个单元合为一个总单元来处理，系统的边界如图虚线。仅考虑进、出总单元的物流，这时又可列出s个独立方程式，这些方程式仅与物流1、2、4、5有关，物流3不出现在此平衡方程中。每个单元列出的一组方程称为单元平衡方程，总系统列出的一组方程称为总平衡方程。单元A、B和总单元，共有3s个方程求解各物流变量，其中2s个方程式独立的。0.2F1=x2BF2+0.25F30.3F1=(1-x2B)F2+0.35F30.5F1=0.625F30.025F3=0.08F40.35F3=0.72F4+x5TF50.625F3=0.20F4+(1-x5T)F50.2F1=x2BF2+0.08F40.3F1=(1-x2B)F2+0.72F4+x5TF50.5F1=0.2F4+(1-x5T)F5单元I单元II总单元苯甲苯二甲苯苯甲苯二甲苯苯甲苯二甲苯举例：双系统苯、甲苯、二甲苯的分离（结果见下表）上述9个方程有6个是独立的，可以由单元I和单元II联立求解。物流12345F（kg/h）1000200800250550xB0.200.900.0250.080.00xT0.300.100.350.720.182xX0.500.000.6250.200.8181.物料质量守恒：F1=F2+F4+F52.各物流组分归一：Σxi=13.各物流质量守恒：F1xB=ΣFixiBF1xT=ΣFixiTF1xX=ΣFixiX第三节化工物料衡算的自由度分析3-1不带化学反应流程的物料衡算本节主要目的：1、化工流程的自由度分析2、利用自由度分析结果判断物料衡算计算顺序3－2物料平衡算的一般分析3-2.1衡算方程及约束式1、物料平衡方程式：系统总物料平衡式；各组分平衡式；原子平衡式。2、物流约束式：归一方程；气液平衡方程(yj=Kjxj);恒沸组成等。3、设备约束式：两物流流率比；回流比等。总物料平衡方程只有一个；有几个组分就有几个组分平衡方程式。在物流约束式中，每一股物流就有一个归一方程。3-2.2变量系统中物流含有组分数Ne，每一股物流的变量数为（Ne+1）。如果该系统有Ns股物流通过系统边界，有Np个设备参数，那么系统总变量数Nv为:Nv=Ns(Ne+1)+NpNv——系统总变量数；Ne——物流中的组分数，也为独立方程数；Ns——物流的股数；Np——设备参数（即设备约束式）。3-2.3设计变量物料衡算前，由设计者赋值的变量称为设计变量，给予变量定值。总变量数为Nv，独立方程数为Ne，设计变量数Nd则为Nd=Nv-Ne0.2F1=x2BF2+0.25F30.3F1=(1-x2B)F2+0.35F30.5F1=0.625F30.025F3=0.08F40.35F3=0.72F4+x5TF50.625F3=0.20F4+(1-x5T)F50.2F1=x2BF2+0.08F40.3F1=(1-x2B)F2+0.72F4+x5TF50.5F1=0.2F4+(1-x5T)F5单元I单元II总单元苯甲苯二甲苯苯甲苯二甲苯苯甲苯二甲苯在前例中：双系统B、T、X的分离F1F3F4F2F5B,0.2T,0.3XBTB,0.025T,0.35XB,0.08T,0.72XTXIIIIII过程整体总变量数11（8）11（8）18（13）14（10）MB方程数3363已知变量数5475约束式数3（0）3（0）5（0）4（0）自由度0102：3个未知变量，3个方程：4个未知变量，3个方程：5个未知变量，3个方程0.2F1=x2BF2+0.25F30.3F1=(1-x2B)F2+0.35F30.5F1=0.625F30.025F3=0.08F40.35F3=0.72F4+x5TF50.625F3=0.20F4+(1-x5T)F50.2F1=x2BF2+0.08F40.3F1=(1-x2B)F2+0.72F4+x5TF50.5F1=0.2F4+(1-x5T)F5单元I单元II总单元苯甲苯二甲苯苯甲苯二甲苯苯甲苯二甲苯在前例中：双系统B、T、X的分离F1F3F4F2F5B,0.2T,0.3XBTB,0.025T,0.35XB,0.08T,0.72XTXIIIIII过程整体总变量数11（8）11（8）18（13）14（10）MB方程数3363已知变量数5475约束式数3（0）3（0）5（0）4（0）自由度0102：3个未知变量，3个方程：4个未知变量，3个方程：5个未知变量，3个方程举例：一个由四个精馏塔和一个分流器组成的化工流程示意图，流程中无化学反应，所有的组成为摩尔分数。设计要求从塔2塔底出来的流股流率50%回流到塔1，试计算确定流程中所有未知流股流率和组成。471011C1C2=0.005C1=0.01C2C3=0.10C2,C3,C4=0.002C3=0.98C4C4=1.00分流器塔1塔2塔3塔41235689C1C2C3=0.03C3C4=0.301000mol/hC1=0.20C2=0.25C3=0.40C46471011C1C2=0.005C1=0.01C2C3=0.10C2,C3,C4=0.002C3=0.98C4C4=1.00分流器塔1塔2塔3塔423589C1C2C3=0.03C3C4=0.301000mol/hC1=0.20C2=0.25C3=0.40C4该流程涉及到4个组分，五个单元设备，11个流股。计算过程较为复杂。为了确定物料衡算计算顺序，先要进行该流程的物料衡算自由度分析。在做流程自由度分析之前，应该根据流程的特点和流股与单元设备相联系的所有可能含有的组分种类。流程示意图471011C1C2=0.005C1=0.01C2C3=0.10C2,C3,C4=0.002C3=0.98C4C4=1.00分流器塔1塔2塔3塔412356891000mol/hC1=0.20C2=0.25C3=0.40C4C1C2C3=0.03C3C4=0.30解：已知F6=0.5F5，mol分数1.确定所有过程可能的组分种类流股1、4、7、9、11组分和为一，流股5、6组分应等于流股7。判断出流股2中含有C1、C2、C3。流股3和流股8含有C2、C3、C4。流股号1234567891011流股变量数433233332211#：3+1；2#：2+1；3#：2+1；4#：1+1；5#：2+1；6#：2+1；7#：2+1；8#：2+1；9#：1+1；10#：1+1；11#：1。红色流率数项目塔1塔2塔3塔4分流器过程整体总流股变量数1388552515MB方程数43321134已知流股变量数74222119已知附加方程数0000110自由度2131102塔1涉及4个组分，可列出4个独立的物料衡算方程式。分流器虽然涉及3个组分，但只能列出1个独立物料衡算方程式，且流股变量只有5个，分别是5、6、7流股流率，加上任意两组分分率。塔1：4+3+3+3；塔2：3+2+3；塔3：3+3+2；塔4：2+2+1；分流器：2+1+1+1过程：13+2+2+3+2+2+1=25.整体：4+2+3+3+2+1=15.已知变量数：塔1：4+1+2；塔2：1+1+2；塔3：1+1；塔4：1+1；分流器：2.附加方程数：分流器F6=0.5F5.并包含于过程中，其它没有。由上表可以看出，每个单元（包括整体）的自由度均大于或等于零，而流程过程的自由度等于零，所以该流程设计给定的数据条件与求解的变量数目是相符的，其物料衡算可以得到唯一的确定解。分析：共有25个变量，其中11个已知，剩余14个未知变量。可列出的平衡方程数