化工計(jì)算與軟件應(yīng)用第二章物料衡算與能量衡算1物料衡算是化工生產(chǎn)過程中，用以確定物料比例和物料轉(zhuǎn)變定量關(guān)系的計(jì)算過程，這是化工工藝計(jì)算中最基本、最重要的內(nèi)容之一。物料衡算的結(jié)果也是能量衡算的依據(jù)，掌握物料帶入或帶出體系的能量多少，以計(jì)算化工過程需要提供或移除的熱量，控制能量的供給速率和放熱速率，進(jìn)—步算出物質(zhì)之間交換的熱量以及整個(gè)過程的熱量分布情況。

因此，物料衡算與能量衡算是進(jìn)行化工工藝設(shè)計(jì)、過程經(jīng)濟(jì)評價(jià)、節(jié)能分析以及過程最優(yōu)化的基礎(chǔ)。

在用化工模擬軟件進(jìn)行流程的物料衡算與能量衡算時(shí)，雖然可以大大提高計(jì)算的速率，但仍然需要遵守物料衡算與能量衡算的基本規(guī)則，把規(guī)則應(yīng)用于軟件的操作之中，軟件計(jì)算結(jié)果才可能合理與可行。2/402.1衡算方法2.1.1基本概念物料平衡的理論依據(jù)是質(zhì)量守恒定律，即在一個(gè)孤立體系中不論物質(zhì)發(fā)生任何變化(不包括核反應(yīng))它的質(zhì)量始終保持不變。在化工過程中，能量衡算是根據(jù)能量守恒定律，利用能量傳遞和轉(zhuǎn)化的規(guī)則，以確定能量比例和能量轉(zhuǎn)變定量關(guān)系的過程。能量衡算的理論依據(jù)是熱力學(xué)第一定律，即體系的能量總變化(ΔE)等于體系所吸收的熱減去環(huán)境對體系所做的功。

簡單化工操作單元的能量衡算可以手工進(jìn)行，復(fù)雜化工流程的能量衡算手工計(jì)算非常困難，而任何情況下使用模擬軟件進(jìn)行化工過程的能量衡算都是很方便的。

3/402.1.2衡算方程式化工工藝計(jì)算中的物料平衡是指“在單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入衡算系統(tǒng)的全部物料質(zhì)量，必定等于離開該系統(tǒng)的全部物料質(zhì)量、加上損失掉與積累起來的物料質(zhì)量?！?/p>

連續(xù)流動系統(tǒng)的總能量衡算式是柏努利方程式，即：

在進(jìn)行設(shè)備的能量衡算時(shí)，位能變化、動能變化、外功等項(xiàng)相對較小，可忽略不計(jì)，因此穩(wěn)流系統(tǒng)總能量衡算可簡化為熱量衡算。4/402.1.3衡算的基本步驟(1)收集數(shù)據(jù)資料。一般需要收集的數(shù)據(jù)和資料包括生產(chǎn)規(guī)模和生產(chǎn)時(shí)間(即年生產(chǎn)時(shí)數(shù))、有關(guān)的定額、收率、轉(zhuǎn)化率、原料、輔助材料、產(chǎn)品、中間產(chǎn)品的規(guī)格、與過程計(jì)算有關(guān)的物理化學(xué)常數(shù)等。(2)選定計(jì)算基準(zhǔn)。溫度的因次可采用“℃”或“K”，壓力的因次可采用“kPa”、“atm”或其它，壓力基準(zhǔn)可選用絕對壓力或表壓。

物流量的計(jì)算基準(zhǔn)可選質(zhì)量基準(zhǔn)、摩爾基準(zhǔn)、體積基準(zhǔn)。對于連續(xù)生產(chǎn)，以“s、h、d”作為投料量或產(chǎn)品量的時(shí)間基準(zhǔn)。

用模擬軟件進(jìn)行衡算時(shí)，以單位時(shí)間的投料量為起點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算比較方便。當(dāng)系統(tǒng)介質(zhì)為固體或液體時(shí)，一般以質(zhì)量為計(jì)算基準(zhǔn)，對氣體物料進(jìn)行計(jì)算時(shí)，一般選體積作為計(jì)算基準(zhǔn)。5/402.1.3衡算的基本步驟(3)確定化學(xué)反應(yīng)方程式。列出各個(gè)過程的主、副化學(xué)反應(yīng)方程式，明確反應(yīng)和變化前后的物料組成及各個(gè)組分之間的定量關(guān)系，若計(jì)算反應(yīng)器大小，還需要掌握反應(yīng)動力學(xué)數(shù)據(jù)。

(4)確定計(jì)算任務(wù)。根據(jù)工藝流程示意圖和化學(xué)反應(yīng)方程式，分析物流熱流經(jīng)過每一過程、每一設(shè)備在數(shù)量、組成、及物流熱流走向所發(fā)生的變化。

(5)畫出工藝流程示意圖。著重考慮物流熱流的流向，對設(shè)備的外形、尺寸、比例等并不嚴(yán)格要求，與物料、能量衡算有關(guān)內(nèi)容必須無一遺漏，所有物流熱流管線均須畫出。6/402.1.3衡算的基本步驟(6)根據(jù)工藝流程圖抽象出模擬流程。要充分理解基本工藝路線，明確本流程的主干與枝干，選擇軟件中合適的模塊、或模塊組合構(gòu)成軟件模擬流程，以反映流程的模擬需求。(7)校核計(jì)算結(jié)果。當(dāng)計(jì)算全部完成后，對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行整理，編制物料熱量平衡表或繪制物料流程圖。通過物料熱量平衡表可以直接檢查計(jì)算是否準(zhǔn)確，分析結(jié)果組成是否合理，并易于發(fā)現(xiàn)存在問題，從而判斷其合理性，提出改進(jìn)方案。7/402.1.4用軟件進(jìn)行物料衡算與能量衡算的要點(diǎn)(1)選擇合適的因次模板。因次模板是ASPENPLUS軟件為不同工藝過程編制的因次集，分為普通模擬過程與石油加工過程兩大類，每大類又含有若干套，每套都包含英制與公制兩種因次集，如表2-1。8/402.1.4用軟件進(jìn)行物料衡算與能量衡算的要點(diǎn)(2)選擇合適的物性計(jì)算方法。ASPENPLUS軟件把模擬計(jì)算一個(gè)流程所需要的熱力學(xué)性質(zhì)與傳遞性質(zhì)的計(jì)算方法與計(jì)算模型都組合在一起，稱之為性質(zhì)方法，每種性質(zhì)方法以其中主要的熱力學(xué)模型冠名，軟件中共有80多種性質(zhì)方法供操作者選擇使用。針對不同的模擬體系，選擇合適的性質(zhì)方法用于模擬過程是獲得正確計(jì)算結(jié)果的前提。

幾乎所有的單元操作模型都需要熱力學(xué)性質(zhì)與傳遞性質(zhì)的計(jì)算,其中主要有逸度系數(shù)、相平衡常數(shù)、焓、熵、Gibbs自由能、密度、粘度、導(dǎo)熱系數(shù)、擴(kuò)散系數(shù)、表面張力等。

沒有任何一個(gè)熱力學(xué)模型與傳遞模型能適用于所有的物系和所有的過程。因此，性質(zhì)方法的恰當(dāng)選擇和正確使用決定著計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性、可靠性和模擬成功與否。9/40CaseStudy-AcetoneRecoveryCorrectchoiceofphysicalpropertymodelsandaccuratephysicalpropertyparametersareessentialforobtainingaccuratesimulationresults.FEEDOVHDBTMSCOLUMN5000lbmol/hr10mole%acetone90mole%waterSpecification:99.5mole%acetonerecovery常見見有有機(jī)機(jī)化化合合物物極極性性增增加加順順序序：：模擬擬體系系含極極性性物物質(zhì)質(zhì)不含含極極性性物物質(zhì)質(zhì)全是是真真實(shí)實(shí)組組分分含虛虛擬擬組組分分PR,LK-PLOCK,PR-BM,PKS,RKS-BM及其其衍衍生生方方程程CHAO-SEA,GRAYSON,BK10P>0.1MPa真空空BK10,IDEAL模擬擬體系系含極極性性物物質(zhì)質(zhì)不含含極極性性物物質(zhì)質(zhì)不含含電電解解質(zhì)質(zhì)含電電解解質(zhì)質(zhì)PSRK,PR,RKS及其其衍衍生生方方程程ELECNRTL,PITZER及其其衍衍生生方方程程P>1MPaP<1MPa有二二元元交交互互作作用用參參數(shù)數(shù)無二二元元交交互互作作用用參參數(shù)數(shù)SR-POLAR,PRWS,RKSWS及其其衍衍生生方方程程含極極性性物質(zhì)質(zhì)不含含電解解質(zhì)質(zhì)含電電解質(zhì)質(zhì)P>1MPaP<1MPa無二二元元交互作用參數(shù)液液平衡汽液平衡UNIFAC-LL有汽相締合無汽相締合UNIF-NTH,UNIF-HOCUNIFAC及其衍生方程程有二元交互作用參數(shù)液液平衡汽液平衡NRTL,UNIQUAC及其衍生方程程有汽相締合無汽相締合WILS,NRTL,UNIQUAC及其衍生方程程六聚二聚WILS-HF含-HOC的衍生活度系數(shù)方程程2.1.4用軟件進(jìn)行物物料衡算與能能量衡算的要要點(diǎn)若性質(zhì)方法選選擇不當(dāng)，只只要模擬過程程收斂，即使使結(jié)果不合理理，軟件也不不會提示出錯(cuò)錯(cuò)信息。另一方面，即即使性質(zhì)方法法選擇正確，，但使用不當(dāng)當(dāng)也會產(chǎn)生錯(cuò)錯(cuò)誤結(jié)果。因因?yàn)樾再|(zhì)方法法計(jì)算的準(zhǔn)確確程度由模型型方程式本身身和它的用法法所決定，如如熱力學(xué)模型型的使用往往往涉及原始數(shù)數(shù)據(jù)的合理選選取、模型參參數(shù)的估計(jì)、、從純物質(zhì)參參數(shù)計(jì)算混合合物參數(shù)時(shí)混混合規(guī)則的選選擇等問題，，均需要正確確處理。使用圖2-1的前提是已知知模擬過程的的物流組成、、體系壓力、、溫度范圍。。圖2-1并未概括軟件件中所有的物物性方法，隨隨著軟件版本本的更新，新新的物性方法法也會不斷充充實(shí)進(jìn)來，但但該圖給出了了一個(gè)物性方方法的選擇方方向。15/402.1.4用軟件進(jìn)行物物料衡算與能能量衡算的要要點(diǎn)(3)輸入組分的數(shù)數(shù)量要完整。。用軟件進(jìn)行行物料衡算時(shí)時(shí)，首先必須須向軟件輸入入組分名稱，，通知軟件調(diào)調(diào)用數(shù)據(jù)庫中中該組分的全全部物性數(shù)據(jù)據(jù)參與運(yùn)算。。在模擬計(jì)算起起始向軟件輸輸入組分時(shí)，，一定要把化化學(xué)反應(yīng)中可可能新生成的的組分添加進(jìn)進(jìn)去。對于非數(shù)據(jù)庫庫組分，可按按照1.3節(jié)介紹的方法法，將運(yùn)行模模式改成“PropertyEstimation””，對非數(shù)據(jù)庫庫組分的物性性進(jìn)行估算后后，再將軟件件運(yùn)行模式改改成“Flowsheet””進(jìn)行物料衡算算。對于含電解質(zhì)質(zhì)的過程，要要考慮可能存存在的離子反反應(yīng)，借助于于軟件中的電電解質(zhì)向?qū)?，，確認(rèn)體系中中的真實(shí)組分分、表觀組分分、結(jié)晶化合合物。16/402.1.4用軟件進(jìn)行物物料衡算與能能量衡算的要要點(diǎn)(4)熟悉模塊功能能及其計(jì)算方方法。軟件中中的模塊本質(zhì)質(zhì)上是計(jì)算方方法的圖形顯顯示，有的一一個(gè)模塊僅對對應(yīng)一種算法法，有的一個(gè)個(gè)模塊可包含含幾種算法，，可根據(jù)運(yùn)算算操作者意愿愿選擇運(yùn)行。。熟悉軟件的的模塊功能，，可快速正確確地建立起物物料衡算的模模擬流程。(5)了解軟件對物物性術(shù)語的縮縮寫。ASPENPLUS是全英文軟件件，操作界面面上的指令都都用英文全名名表示，易于于理解。但物物流的物性均均用縮略語表表示，很難記記憶。在編制制物料平衡表表時(shí)，需要同同時(shí)列出各物物流的物性，，這就要向軟軟件提出輸出出特定物性數(shù)數(shù)據(jù)的要求，，若能熟悉軟軟件常用物性性術(shù)語的縮寫寫方式，則可可方便地輸出出物流的物性性。17/402.1.4用軟件進(jìn)行物物料衡算與能能量衡算的要要點(diǎn)(6)盡量使用軟件件自帶的過程程數(shù)據(jù)包。在在軟件安裝目目錄中，有一一個(gè)“GUI”文件夾，包含含了多個(gè)軟件件模擬計(jì)算例例題的子文件件夾?！癆pp”文件夾：對各種化工過過程完整模擬擬的文件；“Asy”文件夾：提供原始實(shí)驗(yàn)驗(yàn)數(shù)據(jù)，包含含了全球各地地原油的實(shí)沸點(diǎn)數(shù)據(jù)；“Elecins”文件夾：綜合過程數(shù)據(jù)據(jù)包與電解質(zhì)質(zhì)過程數(shù)據(jù)包包，包含93個(gè)電解質(zhì)過程程的“.bkp””數(shù)據(jù)包文件；“Datapkg”文件夾：包含了15個(gè)綜合化工過過程的“.bkp””數(shù)據(jù)包文件。每個(gè)數(shù)據(jù)包文文件對模擬體體系的組分、、工藝條件、、物性方法已已經(jīng)確定，尤尤其是包含了了針對該體系系的熱力學(xué)基基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，部部分還包含了了動力學(xué)數(shù)據(jù)據(jù)。對于電解質(zhì)過過程，數(shù)據(jù)包包文件中包含含了體系中的的全部分子組組分與離子組組分，各級電電離過程的反反應(yīng)方程式、、化學(xué)反應(yīng)平平衡常數(shù)與各各離子對的二二元交互作用用參數(shù)。以軟軟件自帶的“.bkp””數(shù)據(jù)包文件作作為模擬計(jì)算算的起點(diǎn)，可可以免除物性性方法選擇、、反應(yīng)方程式式輸入等步驟驟，直接進(jìn)行行流程繪制與與物流輸入，，模擬計(jì)算結(jié)結(jié)果正確的可可能性要大得得多。如果“.bkp””數(shù)據(jù)包文件中中的組分與操操作者欲模擬擬計(jì)算過程的的組分有少量量的差異，也也可以對數(shù)據(jù)據(jù)包文件中的的組分進(jìn)行調(diào)調(diào)整。18/402.1.4用軟件進(jìn)行物物料衡算與能能量衡算的要要點(diǎn)(7)學(xué)會判斷計(jì)算算結(jié)果的正確確性。當(dāng)一個(gè)個(gè)模擬過程運(yùn)運(yùn)算正常收斂斂后，軟件狀狀態(tài)欄上提示示“ResultsAvailable”，表示計(jì)算有有了結(jié)果，這這并不表示結(jié)結(jié)果正確。結(jié)果是否正確確，不能指望望模擬軟件提提供結(jié)論,而應(yīng)依靠自己己的判斷。判判斷的基礎(chǔ)是是運(yùn)算操作者者對模擬過程程的細(xì)致了解解、化工專業(yè)業(yè)知識的深刻刻領(lǐng)會、模擬擬過程工業(yè)背背景的熟悉程程度、工業(yè)裝裝置的現(xiàn)場操操作數(shù)據(jù)等綜綜合評價(jià)。19/402.2.1混合過程多股物料的混混合與一股物物料分流成多多股物料是化化工生產(chǎn)中常常見的操作，，其物料衡算算可以用ASPENPLUS中的混合器與與分流器進(jìn)行行模擬。例2-1.混酸過程。eh2so4.aprbkp數(shù)據(jù)包?，F(xiàn)用三種酸配配制硝化混合合酸，原料濃濃硝酸、濃硫硫酸、循環(huán)酸酸的質(zhì)量配比比為1:2:2，設(shè)混合過程程絕熱。求：：⑴混合酸的組組成；⑵混合酸的溫溫度、密度、、粘度、表面面張力。2.2簡單物理過程程20/40例2-2.蒸汽分配。某硫磺回收裝裝置的廢熱鍋鍋爐產(chǎn)生4MPa（g）的飽和水蒸蒸汽25000kg/h。此蒸汽的68%進(jìn)入全廠蒸汽汽管網(wǎng)，15%用于對進(jìn)入酸酸性氣燃燒爐爐的空氣進(jìn)行行預(yù)熱，5%用于對進(jìn)入酸酸性氣燃燒爐爐的酸性氣體體進(jìn)行預(yù)熱，，7%用于對進(jìn)入第第一級CLAUS反應(yīng)器的酸性性氣體進(jìn)行預(yù)預(yù)熱，5%用于對進(jìn)入第第二級CLAUS反應(yīng)器的酸性性氣體進(jìn)行預(yù)預(yù)熱。求各股蒸汽的的流率。2.2.1混合過程21/402.2.1混合過程例2-3.氨氣吸收。nh3co2.aprbkp數(shù)據(jù)包。用水在10塊理論版的塔塔中吸收空氣氣中的氨。已已知空氣中含含體積分?jǐn)?shù)0.05的氨，空氣流流率10000m3/h，20℃，1bar。吸收劑水的的流率16t/h，20℃，1bar。求吸收過程程水和空氣的的溫升。22/402.2.2汽化過程例2-4.甲醇汽化熱。。求1kmol/h的甲醇在50℃、1.5bar下的汽化熱。。例2-5.廢熱鍋爐產(chǎn)汽汽量。某化工廠計(jì)劃劃利用廢氣的的廢熱生產(chǎn)水水蒸汽，進(jìn)入入廢熱鍋爐的的廢氣溫度為為450℃，出口廢氣的的溫度為260℃，進(jìn)入鍋爐的的水溫為25℃，產(chǎn)生的飽和和水蒸汽溫度度為233.7℃℃，3.0MPa，試計(jì)算每100kmol的廢氣可產(chǎn)生生的水蒸汽量量？23/40化工流程設(shè)計(jì)計(jì)過程中常遇遇到的一些單單元操作，如如閃蒸罐、蒸蒸發(fā)器、分液液罐等，可統(tǒng)統(tǒng)一歸納為單單級相平衡計(jì)計(jì)算。這些計(jì)算包括括汽（氣）液液平衡計(jì)算、、液液平衡計(jì)計(jì)算、汽（氣氣）液液三相相平衡計(jì)算、、液固平衡計(jì)計(jì)算、氣固平平衡計(jì)算等.對應(yīng)于ASPENPLUS軟件中的Flash2、Decanter、Flash3、crystallzer、adsorber等計(jì)算模塊。。點(diǎn)擊模型庫““View∣ModelLibrary”中的“Separator”標(biāo)簽，可顯示示部分單級相相平衡計(jì)算模模塊。這些模塊代表表了汽（氣））-液兩相平衡計(jì)計(jì)算、汽-液-液三相平衡計(jì)計(jì)算、液-液兩相平衡計(jì)計(jì)算。2.2.3單級相平衡分分離過程24/402.2.3單單級相相平衡衡分離離過程程例2-6.汽液液液三相相平衡衡計(jì)算算。以甲苯苯和甲甲醇為為原料料，合合成苯苯乙烯烯。反反應(yīng)器器出口口氣體體混合合物流流率如如表，，如果果將該該物料料在300kPa降溫到到38℃℃，問是是否分分相？？若分分相，，求各各相的的流率率與組組成。。組分Kmol/h組分Kmol/hH2350甲苯107甲醇107乙苯141H2O491苯乙烯35025/192.2.3單級相相平衡衡分離離過程程例2-7.液液平平衡計(jì)計(jì)算。。以甲基基異丁丁基酮酮（分分子式式C6H12O，簡記記MIBK）為萃萃取溶溶劑，，從含含醋酸酸質(zhì)量量分?jǐn)?shù)數(shù)0.08的水溶溶液中中萃取取醋酸酸。萃萃取溫溫度25℃℃，進(jìn)料料量13500kg/h。若要要求萃萃余液液中醋醋酸質(zhì)質(zhì)量分分?jǐn)?shù)0.01，問單單級萃萃取時(shí)時(shí)溶劑劑量為為多少少？例2-8.固液平平衡計(jì)計(jì)算。。質(zhì)量分分?jǐn)?shù)為為30％的硫硫酸鈉鈉水溶溶液以以5000kg/h流率在在50℃℃下進(jìn)入入冷卻卻型結(jié)結(jié)晶器器。求求開始始結(jié)晶晶的溫溫度？？26/402.2.3單級相相平衡衡分離離過程程例2-9.氣固平平衡計(jì)計(jì)算。。用90℃℃熱空氣氣常壓壓下干干燥含含水0.005質(zhì)量分分?jǐn)?shù)的的二氧氧化硅硅粉末末1000kg/h，濕粉粉末溫溫度20℃℃。要求求粉末末中水水分含含量降降到0.001質(zhì)量分分?jǐn)?shù)，，求熱熱空氣氣需要要量。。27/402.2.3單單級相相平衡衡分離離過程程ASPENplus流程中中streamclass的選擇擇方法法？CONVEN：Thesimulationdoesnotinvolvesolids,ortheonlysolidsareelectrolytessalts.不牽涉涉固體體的模模擬，，或者者唯一一的固固體是是電解解鹽類類。一一般情情況下下是選選擇CONVEN。MIXNC：Nonconventionalsolidsarepresent,butthereisnoparticlesizedistribution.有Nonconventional固體存存在，，但是是沒有有粒子子顆粒粒分布布。MIXCISLD：Conventionalsolidsarepresent,butthereisnoparticlesizedistribution.有Conventional固體存存在，，但是是沒有有粒子子顆粒粒分布布。MIXCIPSD：Conventionalsolidsarepresent,withaparticlesizedistribution.有Conventional的固體體存在在，也也有粒粒子顆顆粒分分布。。28/402.2.3單單級相相平衡衡分離離過程程ASPENplus流程中中streamclass的選擇擇方法法？MIXCINC：Bothconventionalandnonconventionalsolidsarepresent,butthereisnoparticlesizedistribution.Conventional和nonconventional固體同同時(shí)存存在，，但是是沒有有粒子子顆粒粒分布布。MIXNCPSD：Nonconventionalsolidsarepresent,withaparticlesizeistribution.有Nonconventional固體存在在，帶有有粒子顆顆粒分布布。全部單元元操作模模型(除萃取之之外)都可以處處理帶有有固體的的substreams。29/402.2.4非平衡級級分離過過程對于某些些分離過過程，其其分離效效率已知知或其分分離機(jī)理理不明但但結(jié)果已已知，不不能用平平衡級模模型計(jì)算算時(shí)，可可以用非非平衡級級模型““Sep””模塊來代代替嚴(yán)格格分離模模型進(jìn)行行計(jì)算，，同時(shí)可可以節(jié)省省計(jì)算時(shí)時(shí)間。例2-10.固液非平平衡分離離。用氫氧化化鈣與水水混合制制備堿性性水用于于酸性氣氣的吸收收。已知知?dú)溲趸}用量量10kmol/h，水量300kmol/h，常壓混混合，溫溫度20℃。石灰乳乳用過濾濾器除去去固體顆顆粒，設(shè)設(shè)過濾器器固體顆顆粒截留留率0.99，求制備備堿性水水的流率率與組成成。30/402.2.5機(jī)械分離離過程機(jī)械分離離過程的的分離對對象是由由兩相以以上所組組成的非非均相混混合物，，目的是是簡單地地將各相相加以分分離，其其特征是是在分離離過程中中各相之之間無質(zhì)質(zhì)量傳遞遞現(xiàn)象。。機(jī)械分分離操作作包括過過濾、沉沉降、離離心分離離、旋風(fēng)風(fēng)分離、、旋液分分離和靜靜電除塵塵等。例2-11.固液機(jī)械械分離。。用氫氧化化鈣與水水混合制制備堿性性水用于于酸性氣氣的吸收收。已知知?dú)溲趸}用量量10kmol/h，水量300kmol/h，常壓混混合，溫溫度20℃。石灰乳乳中固體體顆粒的的粒徑分分布見附附表。若若用旋液液分離器器除去固固體顆粒粒，要求求旋液分分離器固固體顆粒粒截留率率0.9，求:(1)旋液分離離器堿性性水和含含渣水的的流率與與組成;(2)旋液分離離器尺寸寸。31/192.3設(shè)備組合合過程由兩個(gè)或或以上化化工單元元組合而而成的工工藝流程程稱為復(fù)復(fù)雜操作作流程，，實(shí)際化化工生產(chǎn)產(chǎn)裝置都都是程度度不等的的復(fù)雜操操作流程程。2.3.1同類設(shè)備備的組合合在化工流流程中，，由相同同設(shè)備的的組合構(gòu)構(gòu)成一整整套工藝藝流程的的例子不不勝枚舉舉，這些些外觀相相同的設(shè)設(shè)備在化化工流程程中分別別承擔(dān)著著不同的的功能。。例如，原原油的加加工過程程，幾乎乎完全由由精餾塔塔組成，，每座塔塔均承擔(dān)擔(dān)一種或或數(shù)種油油品的分分離任務(wù)務(wù)。又如如吸收系系統(tǒng)的吸吸收塔和和解吸塔塔，都為為塔設(shè)備備，但在在流程中中起著吸吸收與解解吸這樣樣功能完完全相反反的作用用。多個(gè)個(gè)全混流流反應(yīng)器器的串聯(lián)聯(lián)，物料料可以形形成連續(xù)續(xù)流動，，可以認(rèn)認(rèn)為形成成活塞流流，停留留時(shí)間可可有效控控制。由由多個(gè)蒸蒸發(fā)器構(gòu)構(gòu)成的多多效蒸發(fā)發(fā)，由多多座精餾餾塔構(gòu)成成的多效效精餾，，可以大大大節(jié)省省能量。。32/402.3.1同類設(shè)備備的組合合例2-12.萃取精餾餾與溶劑劑再生。。以苯酚為為萃取溶溶劑，用用萃取精精餾方法法分離等等摩爾甲甲苯、正正庚烷的的混合物物。規(guī)定萃取取精餾塔塔塔板上上溶劑摩摩爾分?jǐn)?shù)數(shù)0.55，操作回回流比5，飽和蒸蒸汽進(jìn)料料，進(jìn)料料流率100kmol/h，平均操操作壓力力1.24bar。要求兩兩塔塔頂頂產(chǎn)品中中甲苯、、正庚烷烷的摩爾爾分?jǐn)?shù)不不少于0.98。求：⑴萃取精精餾塔和和溶劑再再生塔的的理論塔塔板數(shù)、、進(jìn)料位位置；⑵兩股產(chǎn)產(chǎn)品的流流率與組組成；⑶⑶萃取溶溶劑用量量。33/402.3.2不同設(shè)備備的組合合典型的化化工流程程是以反反應(yīng)器為為核心，，包含分分離設(shè)備備、換熱熱設(shè)備、、流體輸輸送設(shè)備備構(gòu)成。。因此，，由不同同設(shè)備組組合而成成的化工工流程是是化工廠廠的普遍遍景象。。在化工工設(shè)計(jì)中中，要求求設(shè)計(jì)者者能夠熟熟練掌握握各種化化工設(shè)備備的功能能，正確確地選擇擇設(shè)備，，以完成成特定的的化工任任務(wù)。2-13．多模塊塊聯(lián)合分分離烷烴烴。多模塊聯(lián)聯(lián)合分離離烷烴。。進(jìn)料物物流1的組成和和性質(zhì)見見附表。。34/402.4含化學(xué)反反應(yīng)過程程在化學(xué)反反應(yīng)過程程中，反反應(yīng)物在在反應(yīng)器器內(nèi)通過過化學(xué)反反應(yīng)轉(zhuǎn)化化為目標(biāo)標(biāo)產(chǎn)物。。由于化學(xué)學(xué)反應(yīng)種種類繁多多、機(jī)理理各異，，物料衡衡算工作作量要比比單純物物理分離離大得多多。手工進(jìn)行行化工設(shè)設(shè)計(jì)時(shí)，，一般是是先做單單元操作作過程(或單個(gè)設(shè)設(shè)備)的物料衡衡算，然然后將各各個(gè)過程程匯總得得到整個(gè)個(gè)流程的的物料衡衡算，進(jìn)進(jìn)而完成成物料流流程圖。。軟件模擬擬計(jì)算時(shí)時(shí)，也是是一個(gè)設(shè)設(shè)備一個(gè)個(gè)設(shè)備序序貫進(jìn)行行。若流流程中多多于一個(gè)個(gè)反應(yīng)器器，或一一個(gè)反應(yīng)應(yīng)器中多多于一個(gè)個(gè)化學(xué)反反應(yīng)，則則要求操操作者對對每一反反應(yīng)的反反應(yīng)方程程式、化化學(xué)反應(yīng)應(yīng)平衡常常數(shù)、反反應(yīng)動力力學(xué)參數(shù)數(shù)仔細(xì)填填寫清楚楚。35/402.4.1單個(gè)反應(yīng)應(yīng)器單個(gè)反應(yīng)應(yīng)器同樣樣遵守質(zhì)質(zhì)量守恒恒定律，，進(jìn)出反反應(yīng)器的的總質(zhì)量量流率相相等。為保證目目的產(chǎn)品品組分的的產(chǎn)率和和選擇性性，操作作者必須須了解特特定反應(yīng)應(yīng)過程的的特點(diǎn)，，選擇適適宜的反反應(yīng)器類類型，熟熟悉模擬擬軟件中中可獲得得的反應(yīng)應(yīng)器模型型類型以以及它們們在過程程模擬中中的應(yīng)用用，保證證所需產(chǎn)產(chǎn)品組分分足夠的的產(chǎn)率和和選擇性性。例2-14．甲醇空空氣氧化化制甲醛醛。甲醇制造造甲醛的的反應(yīng)過過程為：：CH3OH+0.5O2=====HCHO+H20反應(yīng)物及及生成物物均為氣氣態(tài)，若若使用50％的過量量空氣，，且甲醇醇的轉(zhuǎn)化化率為75％，試計(jì)計(jì)算反應(yīng)應(yīng)后氣體體混合物物的摩爾爾組成。。36/402.4.1單個(gè)反應(yīng)應(yīng)器例2-15．甲烷水水蒸汽重重整制氫氫。甲烷在高高溫高壓壓下會與與水蒸汽汽反應(yīng)，，生成一一氧化碳碳和氫氣氣，工業(yè)業(yè)上制富富氫合成成氣的主主要途徑徑是通過過天然氣氣水蒸汽汽重整，，近年來來，利用用甲烷水水蒸汽重重整制氫氫用于燃燃料電池池，也成成為研究究熱點(diǎn)。。甲烷水水蒸汽重重整反應(yīng)應(yīng)方程式式為：CH4+H2O3H2+CO已知原料料甲烷溫溫度65.6℃，壓力62bar，原料水水為常壓壓、20液態(tài)水。。兩股原原料混合合后預(yù)熱熱到593℃℃、加壓到到58.6bar入重整反反應(yīng)器，，反應(yīng)溫溫度788℃℃，反應(yīng)器器壓降1.4bar。設(shè)水蒸蒸氣摩爾爾數(shù)是甲甲烷的4倍，甲烷烷的轉(zhuǎn)化化率為0.995。當(dāng)甲烷烷摩爾數(shù)數(shù)從100kmol/h增加到500kmol/h時(shí)，求反反應(yīng)器的的熱負(fù)荷荷變化。。37/402.4.2含反應(yīng)器器的組合合流程對于一個(gè)個(gè)包含反反應(yīng)器、、分離設(shè)設(shè)備、流流體輸送送設(shè)備、、換熱設(shè)設(shè)備的組組合流程程的工藝藝設(shè)計(jì)，，物料衡衡算將非非常復(fù)雜雜。手工計(jì)算算時(shí)，要要通盤考考慮，運(yùn)運(yùn)算要非非常小心心，步步步為營，，一有錯(cuò)錯(cuò)誤就得得從頭開開始。使用軟件件進(jìn)行復(fù)復(fù)雜工藝藝的物料料衡算，，工作量量將大大大降低。。要求操操作者對對工藝過過程要有有充分的的了解，，能正確確選取模模塊，能能準(zhǔn)確設(shè)設(shè)置模塊塊參數(shù)。。在軟件運(yùn)運(yùn)行錯(cuò)誤誤時(shí)，能能應(yīng)用化化工基礎(chǔ)礎(chǔ)理論知知識和軟軟件知識識，對各各模塊的的中間數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行行分析，，找出錯(cuò)錯(cuò)誤的原原因，用用較短時(shí)時(shí)間打通通流程，，得到正正確的物物料衡算算結(jié)果。。38/402.4.2含反應(yīng)器器的組合合流程例2-16。非均相相反應(yīng)精精餾合成成乙酸丁丁酯。液態(tài)原料料：純丁丁醇56.5kmol/h;乙酸水溶溶液1752kmol/h，乙酸摩摩爾分?jǐn)?shù)數(shù)0.03226。正、逆逆反應(yīng)均均為2級反應(yīng)。。反應(yīng)速率率常數(shù)(摩爾分?jǐn)?shù)數(shù))：正反應(yīng)：：k=1303456000EXP(-706600/RT)逆反應(yīng)：：k=390197500EXP(-74241.7/RT)理論版數(shù)數(shù)30，反應(yīng)段段5-25塔板，回回流溫度度50℃。分離要求求：產(chǎn)品品乙酸丁丁酯含量量大于0.995摩爾分?jǐn)?shù)數(shù)，丁醇醇摩爾收收率大于于90%；廢水中中水的摩摩爾分?jǐn)?shù)數(shù)大于0.995。求：兩股股產(chǎn)物的的流率與與組成。。39/402.5含循環(huán)流流的流程程化工生產(chǎn)產(chǎn)中真實(shí)實(shí)的工藝藝流程都都含有循循環(huán)流或或旁路流流。ASPENPLUS采用序貫貫?zāi)K法法進(jìn)行模模擬計(jì)算算，該方方法要求求所有進(jìn)進(jìn)料物流流的數(shù)據(jù)據(jù)已知后后才能進(jìn)進(jìn)行計(jì)算算，每個(gè)個(gè)單元操操作模塊塊按流程程順序執(zhí)執(zhí)行，每每個(gè)模塊塊計(jì)算出出來的輸輸出流股股被作為為下一個(gè)個(gè)模塊的的進(jìn)料使使用。如如果流程程中沒有有循環(huán)物物流，計(jì)計(jì)算簡單單快捷。。40/402.5含循環(huán)流流的流程程帶有循環(huán)環(huán)回路的的流程計(jì)計(jì)算必須須循環(huán)求求解，流流程的執(zhí)執(zhí)行要求求選擇撕撕裂流股股，也就就是具有有所有由由循環(huán)確確定的組組分流、、總摩爾爾流、壓壓力和焓焓的循環(huán)環(huán)流股，，它可以以是一個(gè)個(gè)回路中中的任意意一股流流股。若若只有簡簡單的一一兩股物物流循環(huán)環(huán)，軟件件會自己己判斷選選擇撕裂裂流股，，對循環(huán)環(huán)物流賦賦值。每個(gè)撕裂裂流股都都有一個(gè)個(gè)相關(guān)的的收斂模模塊，由由ASPENPLUS生成收斂斂模塊的的名字，，以字符符$開始。但但是如果果流程較較復(fù)雜，，為加快快收斂，，人為對對撕裂流流股賦值值會較容容易得到到結(jié)果。。對于復(fù)雜雜的多循循環(huán)回路路的流程程，有效效地加速速收斂方方法，一一是將流流程分段段或分節(jié)節(jié)后運(yùn)算算，二是是將循環(huán)環(huán)回路撕撕裂，根根據(jù)物流流守恒或或著估算算，給循循環(huán)物流流的下一一次計(jì)算算賦值（（溫度，，壓力，，流量，，組成）），然后后計(jì)算，，根據(jù)計(jì)計(jì)算結(jié)果果，再把把計(jì)算結(jié)結(jié)果作為為下次賦賦值填入入，反復(fù)復(fù)迭代，，直至循循環(huán)物流流相差很很小時(shí)，，再把撕撕裂流股股接上計(jì)計(jì)算，這這樣會很很快收斂斂。41/402.5含循環(huán)流流的流程程例2-18。萃取精餾餾與溶劑劑回收組組合流程程。以苯酚為為萃取溶溶劑，用用萃取精精餾方法法分離等等摩爾甲甲苯、正正庚烷的的混合物物。要求求把溶劑劑再生塔塔的塔釜釜溶劑返返回到萃萃取精餾餾塔循環(huán)環(huán)使用，，計(jì)算流流程如附附圖，求求正常生生產(chǎn)時(shí)需需要補(bǔ)充充的萃取取溶劑流流率。42/402.5含循環(huán)流流的流程程例2-19．均相共共沸物的的分離---變壓精餾餾分離乙乙醇和苯苯。在常壓下下乙醇和和苯形成成二元共共沸物，，共沸溫溫度67.9℃，共沸物物含乙醇醇0.449摩爾分?jǐn)?shù)數(shù)。在1333kPa壓力下，，共沸溫溫度變?yōu)闉?59℃℃，共沸組成成為含乙醇醇0.75摩爾分?jǐn)?shù)。。在低于共共沸組成的的含量范圍圍內(nèi)，乙醇醇是易揮發(fā)發(fā)組分。若若進(jìn)料流率率為100kmol/h，進(jìn)料含乙乙醇0.35摩爾分?jǐn)?shù)，，要求乙醇醇產(chǎn)品純度度為99％，苯產(chǎn)品品純度99％。求:⑴繪制雙壓精精餾流程實(shí)實(shí)現(xiàn)該物系系的分離;⑵確定各產(chǎn)品品的流率和和循環(huán)物科科的流率。。43/402.5含循環(huán)流的的流程例2-20．非均相共共沸物的分分離---丁醇脫水。。用雙塔共沸沸精餾系統(tǒng)統(tǒng)實(shí)現(xiàn)正丁丁酵的脫水水。進(jìn)料流流率F＝5000kmol/h，原料含水水28％摩爾分?jǐn)?shù)數(shù)，汽液進(jìn)進(jìn)料，氣相相分率30％。要求產(chǎn)產(chǎn)品丁醇相相含水0.04摩爾分?jǐn)?shù)，，水相含水水0.995摩爾分?jǐn)?shù)。。操作壓力力101.3kPa。飽和液體體回流，兩兩塔均采用用再沸器加加熱。求：⑴產(chǎn)品品流率；⑵⑵兩塔理論論塔板數(shù)和和進(jìn)料位置置。44/402.5含含循環(huán)流的的流程例2-21．二氯乙烷烷裂解制氯氯乙烯。二氯乙烷熱熱裂解生成成氯乙烯反反應(yīng)是強(qiáng)吸吸熱反應(yīng)，，反應(yīng)式為為:ClCH2CH2Cl→CH2＝CHCl+HCl當(dāng)二氯乙烷烷單程轉(zhuǎn)化化率在50％～55％范圍內(nèi)變變化時(shí),求裂解反應(yīng)應(yīng)器、淬冷冷器、精餾餾塔等設(shè)備備熱負(fù)荷的的變化。45/402000kmol/h，20℃，2.7MPa500℃℃,2.7Mpa,dP=-0.35bar，過冷5℃CHCl>0.996VCM>0.9902.6分離復(fù)雜組組成混合物物原油是烴類類化合物和和雜質(zhì)組成成的寬沸程程的混合物物，其組成成復(fù)雜難以以定量分析析，經(jīng)過多多級蒸餾可可分離得到到各種各樣樣的石油產(chǎn)產(chǎn)品。與普通物料料的蒸餾一一樣，原油油蒸餾也是是利用原油油中各組分分相對揮發(fā)發(fā)度的不同同而實(shí)現(xiàn)各各餾分的分分離。但原原油是復(fù)雜雜烴類混合合物，各種種烴(以及烴與烴烴形成的共共沸物)的沸點(diǎn)由低低到高幾乎乎是連續(xù)分分布的，不不能按常規(guī)規(guī)方法定義義確切的全全組成分布布，常用表表征油品性性質(zhì)的方法法有三個(gè)特特征值和三三條蒸餾曲曲線。三個(gè)特征值值分別是油油品的平均均分子量、、密度（或或API密度）和特特性因素K值（UOPK值）；三條蒸餾曲曲線分別是是實(shí)沸點(diǎn)蒸蒸餾曲線（（TBP）、恩氏蒸蒸餾曲線（（ASTMD86）和平衡氣氣化曲線（（ASTMD1160）。46/402.6分離復(fù)雜組組成混合物物原油是復(fù)雜雜烴類混合合物，各種種烴(以及共沸物物)的沸點(diǎn)由低低到高幾乎乎是連續(xù)分分布的，一一般是根據(jù)據(jù)產(chǎn)品要求求按沸點(diǎn)范范圍分割成成輕重不同同的餾分，，因此，原原油蒸餾塔塔特點(diǎn)為：：①有多個(gè)側(cè)線線出料口，，原油蒸餾餾各餾分的的分離精確確度不要求求像純化合合物蒸餾那那樣高，有多個(gè)側(cè)線口(一般有3～4個(gè))。②提濃段很短短。原油蒸蒸餾塔底物物料很重，，不宜在塔塔底供熱。。但通常在在塔底通入入過熱水蒸蒸氣，使較較輕餾分蒸蒸發(fā)，一般般提濃段只只有3～4塊塔板。③中段回流。。原油各餾餾分的平均均沸點(diǎn)相差差很大，造造成原油蒸蒸餾塔內(nèi)蒸蒸氣負(fù)荷和和液體負(fù)荷荷由下向上上遞增。為為使負(fù)荷均均勻并回收收高溫下的的熱量，采采用中段回回流取熱(即在塔中部部抽出液體體,經(jīng)換熱冷卻卻回收熱量量后再送回回塔內(nèi))。通常采用用2～3個(gè)中段回流流。47/402.6分分離復(fù)雜組組成混合物物例2-22.原油初餾塔塔模擬計(jì)算算。求輸出物料料的標(biāo)準(zhǔn)體體積流率、、API密度、60F時(shí)的密度、、以液體體體積為基準(zhǔn)準(zhǔn)的實(shí)沸點(diǎn)點(diǎn)曲線、ASTMD86蒸餾曲線、、ASTMD1160蒸餾曲線。。48/401.5×105bbl/d，93℃,4.1bar,API33.4204℃℃、4.1bar,2270kg/h。232.2℃，3.45barN=89、靜夜四無鄰鄰，荒居舊業(yè)業(yè)貧。。12月-2212月-22Wednesday,December7,202210、雨雨中中黃黃葉葉樹樹，，燈燈下下白白頭頭人人。。。。21:33:2821:33:2821:3312/7/20229:33:28PM11、以以我我獨(dú)獨(dú)沈沈久久，，愧愧君君相相見見頻頻。。。。12月月-2221:33:2821:33Dec-2207-Dec-2212、故人江海別別，幾度隔山山川。。21:33:2821:33:2821:33Wednesday,December7,202213、乍見見翻疑疑夢，，相悲悲各問問年。。。12月月-2212月月-2221:33:2821:33:28December7,202214、他他鄉(xiāng)鄉(xiāng)生生白白發(fā)發(fā)，，舊舊國國見見青青山山。。。。07十十二二月月20229:33:28下下午午21:33:2812月月-2215、比不了了得就不不比，得得不到的的就不要要。。。十二月229:33下午午12月-2