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1、3.5 化工流程MB和HB的联立计算(CB)CB计算与仅做(单独做)MB计算时,有下面几点区别:1、流程中所有流股的流股变量加上温度(T);2、流程中所有单元的单元变量加上描述传热的单元变量(dQ/dt或Q);3、流程中一个单元牵涉N种组份,就可以列出N个独立的MB方程(分流器 除外),但一个单元无论其牵涉到多少种组份,都只能列出一个HB方程。4、因为流股的焓值与流股的相态有关,做CB时还要注意流股的相态;5、一个流股焓值的计算,大多数情况下可以考虑各组份的分摩尔焓按其在 流股中的摩尔分率进行加和计算(即按理想状态,各分组份焓简单加和), 少数情况下,要考虑采用偏摩尔焓加和;6、dQ/dt或Q
2、,有两种表示方式:、 dQ/dt或Q焓(进)焓(出)dQ/dt或Q 0,则意味系统(或单元)向外散热,反之逆然。 、 dQ/dt或Q焓(出)焓(进)dQ/dt或Q 0,则意味系统(或单元)需要向外界获取热量,反 之逆然。dQ/dt或Q0,表明系统(或单元)绝热。7、焓是状态函数,流股焓的计算必须有基准态(参考态):焓值计算时参考态标准态(25)任意温度流程中某个流股的温度注意:在一个计算过程中,参考态一经选定,就不能再变更。优点:数据来源 方便可能简化计算8、MB和HB联立计算后,计算复杂程度加大,主要是因为焓值与温度的非线 性关系,导致HB方程通常是非线性方程。9、在考虑CB问题时(不是仅做
3、MB计算时),看一个流程设计条件是否给得 正确,不能只看其过程的MB计算自由度,而必须看其过程的CB自由度。例题:有一个常压绝热猝冷过程(过程中无化学反应),所有组份含量均为摩尔 分率,其流程示意图如下所示:3T2400 1000 mol/h C6H6 0.40 C6H5CH3 0.30 CH4 0.10 H2 0.20 (All in gas)12T120 C6H6 (L) 1.00T3200 C6H6 C6H5CH3 CH4 H2 (All in gas) 绝热猝冷过程示意图试作该流程的自由度分析,完成其物料衡算和热量衡算计算。3T2400 1000 mol/h C6H6 0.40 C6H
4、5CH3 0.30 CH4 0.10 H2 0.2012T120 C6H6 1.00T3200 C6H6 C6H5CH3 CH4 H2 解:流程自由度分析表1004409MB猝冷器CB0自由度0已知其它关系式数1已知单元变量数7(4+3)已知流股变量数5(4+1)衡算方程数1单元变量数12(9+3)流股变量数流股变量加T多了描述传热的 单元变量dQ/dt多了一个HB方程dQ/dt=0猝冷器 MBCB流股变量数912(9+3)单元变量数01衡算方程数45(4+1)已知流股变量数47(4+3)已知单元变量数01已知其它关系式数00自由度10流程自由度分析表这个流程仅仅看MB计算自由度分析,不能就说
5、它的设计条件给得不正确, 而应该看器CB计算的自由度分析结果。这种情况说明,该流程的MB不能单独求解,而必须与其HB方程联立起来, 进行CB计算。具体计算:F31000F1X3,C6H5CH3 F3300X3,CH4 F3100X3,H2 F32004个MB方程其中:5个未知变量,只有4个方程。在列其HB方程之前,先考虑其参考态选什么温度?如果热容数据好查!最简化计算的参考态温度应该选为3号流股的温度。3T2400 1000 mol/h C6H6 0.40 C6H5CH3 0.30 CH4 0.10 H2 0.2012T120 C6H6 1.00T3200 C6H6 C6H5CH3 CH4 H
6、2 因为其未知的流量 组成变量最多流程(单元)的HB方程(选200为参考态温度):F2H2(400)H2(200)F1H1(200)H1(20)3T2400 1000 mol/h C6H6 0.40 C6H5CH3 0.30 CH4 0.10 H2 0.2012T120 C6H6 1.00T3200 C6H6 C6H5CH3 CH4 H2 列出详细HB方程如下:苯在1atm,80.11沸 点时的摩尔汽化热注意Cp的量纲问题,及其适用温度范围。例题:一个合成氨生产工艺流程图如下所示:已知 . 反应器1中N2的转化率为10;图中组成均为摩尔分率;5号流股为液相外,其余均为气相流股;. 除分离器外,
7、其它单元均为绝热操作;. 两反应器中均只有一个反应: N2 3H2 2NH3 要求: . 做过程的自由度分析;. 指出衡算计算的计算顺序。NH3 N2 H2 -50425进料150 N2 0.25 H2 0.75反应器2反应器1混合器换热器分 离 器283 74256N2 0.25 H2 0.75 504dQ/dt5535解:首先,根据流程特点,判断 各流股的组份数。NH3 N2 H2 -50425进料 150 N2 0.25 H2 0.75反应器2反应器1混合器换热器分 离 器283 74256N2 0.25 H2 0.75 504dQ/dt5535(3)(3)(3)(3)(3)(2)(2)
8、(2)流程整体(OB)的特点: 一个带一种反应的非绝热的虚 拟反应器。反应器1反应器2 MBCBMBCB 流股变量 单元变量 MB方程数 HB方程 已知流股变量数 已知单元变量数 已知附加式数 自由度反应器1和反应器2自由度分析表51311015223111201613000482301213N2 0.25 H2 0.75 50NH3 N2 H2 -50425进料 150 N2 0.25 H2 0.75反应器2反应器1混合器换热器分 离 器283 742564dQ/dt5535(3)(3)(3)(3)(3)(2)(2)(2)混合器和换热器自由度分析表444自由度000已知附加式数110已知单元
9、变量数431已知流股变量数11HB方程33MB方程数110单元变量54118流股变量CBCBMB换热器混合器+2254自由度0000已知附加式数0000已知单元变量数3131已知流股变量数11HB方程3333MB方程数2110单元变量75118流股变量CBMBCBMB整体OB分离器分离器和整体(OB)自由度分析表自由度表N2 0.25 H2 0.75 50NH3 N2 H2 -50425进料 150 N2 0.25 H2 0.75反应器2反应器1混合器换热器分 离 器283 742564dQ/dt5535(3)(3)(3)(3)(3)(2)(2)(2)流程自由度分析结果一览表000000000
10、000已知附加式数005001101021已知单元变量数+2+21+5+4+4+4+4+3+4+1+1自由度318314412021已知流股变量数1511111HB方程数331233333333MB方程数217101102121单元变量数752411891188675流股变量数CBMBCBCBMBCBCBMBCBMBCBMB整体OB过程分离器换热器混合器反应器2反应器1回流程图显然是一个弹性设计,必须挑选一个流股的流量作为计算基准。最好选F71000mol/h为计算基准。计算基准111-1-1-1自由度003+3+40从自由度分析结果看,应该先解反应器1的 MB,再解其CB(HB),而且完全求
11、解。N2 0.25 H2 0.75 50NH3 N2 H2 -50425进料 150 N2 0.25 H2 0.75反应器2反应器1混合器换热器分 离 器283 742564dQ/dt5535(3)(3)(3)(3)(3)(2)(2)(2)混合器换热 器 MBCBCB 流股变量8119 单元变量011 MB方程数33 HB方程11 已知流股变量数 已知单元变量数011 已知附加式数000 自由度解完反应器1后,应该接着解哪个 单元?完全求解反应器1的MB和HB意 味着什么?混合器和换热器的更新自由度分析表4+1705+3分析结果:接着解混合器的CB,完 全求解。反应器2整体OB MBCBMBC
12、B 流股变量6857 单元变量1212 MB方程数3333 HB方程11 已知流股变量数 已知单元变量数0100 已知附加式数0000 自由度N2 0.25 H2 0.75 50NH3 N2 H2 -50425进料 150 N2 0.25 H2 0.75反应器2反应器1混合器换热器分 离 器283 742564dQ/dt5535(3)(3)(3)(3)(3)(2)(2)(2)解完混合器后,应该接着解哪个 单元?反应器2和整体OB的更新自由度分析表3+15024+1+1分析结果:接着解反应器2的CB, 完全求解。换热 器 CB 流股变量9 单元变量1 MB方程数 HB方程1 已知流股变量数 已知
13、单元变量数1 已知附加式数0 自由度N2 0.25 H2 0.75 50NH3 N2 H2 -50425进料 150 N2 0.25 H2 0.75反应器2反应器1混合器换热器分 离 器283 742564dQ/dt5535(3)(3)(3)(3)(3)(2)(2)(2)解完反应器2后,应该接着解哪个 单元?换热器的更新自由度分析表80分析结果:接着解换热器的CB(即HB),完全求解。分离器 MBCB 流股变量811 单元变量01 MB方程数33 HB方程1 已知流股变量数 已知单元变量数00 已知附加式数00 自由度N2 0.25 H2 0.75 50NH3 N2 H2 -50425进料 1
14、50 N2 0.25 H2 0.75反应器2反应器1混合器换热器分 离 器283 742564dQ/dt5535(3)(3)(3)(3)(3)(2)(2)(2)解完换热器后,应该接着解哪个 单元?分离器的更新自由度分析表50分析结果:接着解分离器的MB,最后解其 HB,完全求解。只剩分离器和整体OB,二者解 其一即可。80综上分析结果,得到一个完全求解的衡算序列:反应器1MBN2 0.25 H2 0.75 50NH3 N2 H2 -50425进料 150 N2 0.25 H2 0.75反应器2反应器1混合器换热器分 离 器283 742564dQ/dt5535(3)(3)(3)(3)(3)(2
15、)(2)(2) 反应器1HB混合器CB反应器2CB换热器HB分离器MB分离器HB具体求解:略例题:一个甲烷生产流程初步设计的流程草图如下,试作流程的自由度分析,并指出物料及热量衡算计算顺序。 设计已知及要求为:1、除了换热器1和分离器外,其它单元均为绝热操作;2、8号流股为纯水液相流股,其余流股均为气相流股;3、整个流程处于100psia压力状态,压力对焓计算的影响可忽略;4、产品流中甲烷的分摩尔流量为1000kmol/h, 图中组成均为摩尔分率;5、反应器中只有:CO + 3H2 CH4 + H2O;6、1号流股中只含3个组份,且CO和H2的摩尔比为1:2.9。注:psia(英制压力单位)混合器反应器换热器1换热器2分 离 器 分配器dQ1/dtdQ2/dt12进料 200 CO H2 H2O310004 500 5 2006 CO 0.12 H2 CH4 0.50 H2O 2007 200H2O 1008H2O 0.01 100910(1)(4)(4)(4)(4)(4)(4)(4)(4)(3)解:混合器反应器换热器1换热器2分 离 器分配器dQ1/dtdQ2/dt12进料 200 CO H2 H2O310004 500 5 2006 CO 0.