c三章物料衡算與熱量衡算(3)_化工設(shè)計(jì)

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1、3.5化工流程MB和HB的聯(lián)立計(jì)算（CB）CB計(jì)算與僅做（單獨(dú)做）MB計(jì)算時(shí)，有下面幾點(diǎn)區(qū)別：1、流程中所有流股的流股變量加上溫度（T）；2、流程中所有單元的單元變量加上描述傳熱的單元變量（dQ/dt或Q）；3、流程中一個(gè)單元牽涉N種組份，就可以列出N個(gè)獨(dú)立的MB方程（分流器除外），但一個(gè)單元無論其牽涉到多少種組份，都只能列出一個(gè)HB方程。4、因?yàn)榱鞴傻撵手蹬c流股的相態(tài)有關(guān)，做CB時(shí)還要注意流股的相態(tài)；5、一個(gè)流股焓值的計(jì)算，大多數(shù)情況下可以考慮各組份的分摩爾焓按其在流股中的摩爾分率進(jìn)行加和計(jì)算（即按理想狀態(tài)，各分組份焓簡單加和），少數(shù)情況下，要考慮采用偏摩爾焓加和；6、d

2、Q/dt或Q，有兩種表示方式：①、dQ/dt或Q＝∑焓（進(jìn)）－∑焓（出）dQ/dt或Q﹥0，則意味系統(tǒng)（或單元）向外散熱，反之逆然。②、dQ/dt或Q＝∑焓（出）－∑焓（進(jìn)）dQ/dt或Q﹥0，則意味系統(tǒng)（或單元）需要向外界獲取熱量，反之逆然。dQ/dt或Q＝0，表明系統(tǒng)（或單元）絕熱。7、焓是狀態(tài)函數(shù)，流股焓的計(jì)算必須有基準(zhǔn)態(tài)（參考態(tài)）：焓值計(jì)算時(shí)參考態(tài)標(biāo)準(zhǔn)態(tài)（25℃）任意溫度流程中某個(gè)流股的溫度注意：在一個(gè)計(jì)算過程中，參考態(tài)一經(jīng)選定，就不能再變更。優(yōu)點(diǎn)：數(shù)據(jù)來源方便可能簡化計(jì)算8、MB和HB聯(lián)立計(jì)算后，計(jì)算復(fù)雜程度加大，主要是因?yàn)殪手蹬c溫度的非線性關(guān)系，導(dǎo)致HB方程通常

3、是非線性方程。9、在考慮CB問題時(shí)（不是僅做MB計(jì)算時(shí)），看一個(gè)流程設(shè)計(jì)條件是否給得正確，不能只看其過程的MB計(jì)算自由度，而必須看其過程的CB自由度。例題：有一個(gè)常壓絕熱猝冷過程（過程中無化學(xué)反應(yīng)），所有組份含量均為摩爾分率，其流程示意圖如下所示：3T2＝400℃1000mol/hC6H60.40C6H5CH30.30CH40.10H20.20（Allingas）12T1＝20℃C6H6（L）1.00T3＝200℃C6H6C6H5CH3CH4H2（Allingas）絕熱猝冷過程示意圖試作該流程的自由度分析，完成其物料衡算和熱量衡算計(jì)算。3T2＝400℃1000mol/hC6

4、H60.40C6H5CH30.30CH40.10H20.2012T1＝20℃C6H61.00T3＝200℃C6H6C6H5CH3CH4H2解：流程自由度分析表1004409MB猝冷器CB0自由度0已知其它關(guān)系式數(shù)1已知單元變量數(shù)7(4+3)已知流股變量數(shù)5(4+1)衡算方程數(shù)1單元變量數(shù)12(9+3)流股變量數(shù)流股變量加T多了描述傳熱的單元變量dQ/dt多了一個(gè)HB方程dQ/dt=0猝冷器MBCB流股變量數(shù)912(9+3)單元變量數(shù)01衡算方程數(shù)45(4+1)已知流股變量數(shù)47(4+3)已知單元變量數(shù)01已知其它關(guān)系式數(shù)00自由度10流程自由度分析表這個(gè)流程僅僅看MB計(jì)算自

5、由度分析，不能就說它的設(shè)計(jì)條件給得不正確，而應(yīng)該看器CB計(jì)算的自由度分析結(jié)果。這種情況說明，該流程的MB不能單獨(dú)求解，而必須與其HB方程聯(lián)立起來，進(jìn)行CB計(jì)算。具體計(jì)算：F3＝1000＋F1X3,C6H5CH3F3＝300X3,CH4F3＝100X3,H2F3＝2004個(gè)MB方程其中：5個(gè)未知變量，只有4個(gè)方程。在列其HB方程之前，先考慮其參考態(tài)選什么溫度？如果熱容數(shù)據(jù)好查！最簡化計(jì)算的參考態(tài)溫度應(yīng)該選為3號(hào)流股的溫度。3T2＝400℃1000mol/hC6H60.40C6H5CH30.30CH40.10H20.2012T1＝20℃C6H61.00T3＝200℃C6H6C6

6、H5CH3CH4H2因?yàn)槠湮粗牧髁拷M成變量最多流程（單元）的HB方程（選200℃為參考態(tài)溫度）：F2〔H2（400℃）－H2（200℃）〕＝F1〔H1（200℃）－H1（20℃）〕3T2＝400℃1000mol/hC6H60.40C6H5CH30.30CH40.10H20.2012T1＝20℃C6H61.00T3＝200℃C6H6C6H5CH3CH4H2列出詳細(xì)HB方程如下：苯在1atm，80.11℃沸點(diǎn)時(shí)的摩爾汽化熱注意Cp的量綱問題，及其適用溫度范圍。例題：一個(gè)合成氨生產(chǎn)工藝流程圖如下所示：已知?.反應(yīng)器1中N2的轉(zhuǎn)化率為10％；圖中組成均為摩爾分率；5號(hào)流股為液相外

7、，其余均為氣相流股；?.除分離器外，其它單元均為絕熱操作；?.兩反應(yīng)器中均只有一個(gè)反應(yīng)：N2＋3H2?2NH3要求：?.做過程的自由度分析；?.指出衡算計(jì)算的計(jì)算順序。NH3N2H2-50℃425℃進(jìn)料150℃N20.25H20.75反應(yīng)器2反應(yīng)器1混合器換熱器分離器2837425℃6N20.25H20.7550℃4dQ/dt5535℃解：首先，根據(jù)流程特點(diǎn)，判斷各流股的組份數(shù)。NH3N2H2-50℃425℃進(jìn)料150℃N20.25H20.75反應(yīng)器2反應(yīng)器1混合器換熱器分離器2837425℃6N20.25H20.