化工設(shè)計(jì)概論(3-2)

1、例題：例題： 一個(gè)由四個(gè)精餾塔和一個(gè)分流器組成的化工流程示意圖如下所示，流程中無化學(xué)反應(yīng)，所有組成均為摩爾分率。設(shè)計(jì)要求從塔2塔底出來的流股流量有50%回流到塔1，試計(jì)算確定流程中所有未知的流股流量和組成。 411109876532塔1塔2分流器塔3塔41000 mol/hC1 0.20C2 0.25C3 0.40C4 0.15C3 0.03C1 0.995C2 0.005C1 0.01C2 0.89C3 0.10C3 0.70C4 0.30C4 0.002C3 0.98C4 0.02C4 1.001一個(gè)不帶化學(xué)反應(yīng)的精餾塔群流程示意圖一個(gè)不帶化學(xué)反應(yīng)的精餾塔群流程示意圖說明：3號(hào)流股只含C2

2、、C3、C4去變置下一節(jié)解： 該過程的流程中一些流股的部分或全部流股變量已經(jīng)由設(shè)計(jì)條件給出，但仍然有一些流股變量未知仍然有一些流股變量未知。由于該例題要求確定流程中所有未知的流股變量，所以，其物料衡算范圍應(yīng)該是全部流程過程。 該流程雖然只牽涉到4種組份，但由于牽涉到5個(gè)單元設(shè)備、11個(gè)流股。所以其物料衡算計(jì)算相對(duì)一個(gè)單元操作的物料衡算要復(fù)雜一些，為了確定物料衡算計(jì)算的順序，先進(jìn)行該流程的物料衡算自由度分析，這樣還可以對(duì)設(shè)計(jì)條件（數(shù)據(jù)）充分與否進(jìn)行校驗(yàn)。 在作該流程的自由度分析之前，應(yīng)該根據(jù)流程的特點(diǎn)和流股與單元設(shè)備的聯(lián)系確定流程中所有流程可能含有的組份種類。在本例題中，1、4、5、6、7、9、

3、10、11號(hào)流股的組份種類已經(jīng)十分明顯了，但但2、3、8號(hào)流股的組份種類就需號(hào)流股的組份種類就需要根據(jù)流程的特點(diǎn)和流股與單元設(shè)備的聯(lián)系來進(jìn)行分析判斷要根據(jù)流程的特點(diǎn)和流股與單元設(shè)備的聯(lián)系來進(jìn)行分析判斷。本例題中，由于塔2的輸出流股中含有三種組份，所以2號(hào)流股就必然含有三種組份（C1、C2、C3），同理可以判斷出3號(hào)流股和8號(hào)流股含有三種組份（C2、C3、C4）。還應(yīng)該注意，本例題中5、6、7三個(gè)流股是直接與分流器相連接的流股，它們的流股組成應(yīng)該完全相同。塔1塔2塔3塔4分流器過程整體總流股變量數(shù)MB方程數(shù)已知流股變量數(shù)已知附加方程數(shù)自由度流程的自由度分析表流程的自由度分析表12自由度00已知附

4、加方程數(shù)47已知流股變量數(shù)34MB方程數(shù)813總流股變量數(shù)塔2塔14111098(3)7653(3)2(3)塔1塔2分流器塔3塔41000 mol/hC1 0.20C2 0.25C3 0.40C4 0.15C3 0.03C1 0.995C2 0.005C1 0.01C2 0.89C3 0.10C3 0.70C4 0.30C4 0.002C3 0.98C4 0.02C4 1.00113自由度00已知附加方程數(shù)22已知流股變量數(shù)23MB方程數(shù)58總流股變量數(shù)塔4塔34111098(3)7653(3)2(3)塔1塔2分流器塔3塔41000 mol/hC1 0.20C2 0.25C3 0.40C4 0

5、.15C3 0.03C1 0.995C2 0.005C1 0.01C2 0.89C3 0.10C3 0.70C4 0.30C4 0.002C3 0.98C4 0.02C4 1.00121自由度01已知附加方程數(shù)92已知流股變量數(shù)41MB方程數(shù)155總流股變量數(shù)整體分流器 注意：整體只管進(jìn)出系統(tǒng)的流注意：整體只管進(jìn)出系統(tǒng)的流股，而與中間流股無關(guān)，該整股，而與中間流股無關(guān)，該整體相當(dāng)于一個(gè)虛擬的單個(gè)精餾體相當(dāng)于一個(gè)虛擬的單個(gè)精餾塔。塔。4111098(3)7653(3)2(3)塔1塔2分流器塔3塔41000 mol/hC1 0.20C2 0.25C3 0.40C4 0.15C3 0.03C1 0.

6、995C2 0.005C1 0.01C2 0.89C3 0.10C3 0.70C4 0.30C4 0.002C3 0.98C4 0.02C4 1.001自由度已知附加方程數(shù)11已知流股變量數(shù)MB方程數(shù)25總流股變量數(shù)過程注意：過程與整體不同，它要包注意：過程與整體不同，它要包含流程系統(tǒng)內(nèi)所有流股。含流程系統(tǒng)內(nèi)所有流股。4111098(3)7653(3)2(3)塔1塔2分流器塔3塔41000 mol/hC1 0.20C2 0.25C3 0.40C4 0.15C3 0.03C1 0.995C2 0.005C1 0.01C2 0.89C3 0.10C3 0.70C4 0.30C4 0.002C3 0

7、.98C4 0.02C4 1.0012011312自由度0110000已知附加方程數(shù)91122247已知流股變量數(shù)41312334MB方程數(shù)1525558813總流股變量數(shù)整體過程分流器塔4塔3塔2塔1流程的自由度分析表（結(jié)果）流程的自由度分析表（結(jié)果）從流程的過程自由度分析結(jié)果可以看出：該流程設(shè)計(jì)條件給得正確。從流程的過程自由度分析結(jié)果可以看出：該流程設(shè)計(jì)條件給得正確。從自由度分析結(jié)果還可以看出：所有單元的自由度都沒有為零的。問題：從哪個(gè)單元開始進(jìn)行計(jì)算？問題：從哪個(gè)單元開始進(jìn)行計(jì)算？ 即使所有單元自由度中，沒有一個(gè)為零，仍然從自由度最小的單元開始計(jì)算，只不過分步驟的計(jì)算結(jié)果中帶有未知變量（

8、部分求解）分步驟的計(jì)算結(jié)果中帶有未知變量（部分求解）。例如：本例題MB手工計(jì)算從塔2開始，塔2的MB方程：12,C2450.9950.01XFFFF2F4F50.03F20.10F5塔2的MB求解結(jié)果（帶有一個(gè)未知變量（帶有一個(gè)未知變量F2）： F50.3F2 F40.7F212,C0.6995X22,C0.2705X32,C0.03X求解塔求解塔2后，應(yīng)該求解那個(gè)單元？后，應(yīng)該求解那個(gè)單元？ 還是看對(duì)相鄰單元自由度的影還是看對(duì)相鄰單元自由度的影響，做相鄰單元的更新自由度分析響，做相鄰單元的更新自由度分析211自由度001已知附加式92已知變量數(shù)441MB方程數(shù)15135變量數(shù)OB塔1分流器7

9、8結(jié)論：求解塔結(jié)論：求解塔2后，應(yīng)該解分流器或塔后，應(yīng)該解分流器或塔1。4111098(3)7653(3)2(3)塔1塔2分流器塔3塔41000 mol/hC1 0.20C2 0.25C3 0.40C4 0.15C3 0.03C1 0.995C2 0.005C1 0.01C2 0.89C3 0.10C3 0.70C4 0.30C4 0.002C3 0.98C4 0.02C4 1.001?（21）求解分流器MB：F5F6F7F60.5F5解得： 結(jié)果中仍然帶一個(gè)未知變量仍然帶一個(gè)未知變量F2 3個(gè)流股組成全部已知 F60.15F2 F70.15F2求解分流器后，應(yīng)該求解那個(gè)單元？求解分流器后，應(yīng)

10、該求解那個(gè)單元？ 還是看對(duì)相鄰單元自由度的影還是看對(duì)相鄰單元自由度的影響，做相鄰單元的更新自由度分析響，做相鄰單元的更新自由度分析01自由度00已知附加式數(shù)已知變量數(shù)44MB方程數(shù)1315流股變量數(shù)塔1OB97109結(jié)論：從塔結(jié)論：從塔2解到分流器，再解到塔解到分流器，再解到塔1時(shí)，變成完全求解。時(shí)，變成完全求解。4111098(3)7653(3)2(3)塔1塔2分流器塔3塔41000 mol/hC1 0.20C2 0.25C3 0.40C4 0.15C3 0.03C1 0.995C2 0.005C1 0.01C2 0.89C3 0.10C3 0.70C4 0.30C4 0.002C3 0.9

11、8C4 0.02C4 1.001？（2-1）？（3-1）截止到以上，我們已經(jīng)能夠判斷出三步計(jì)算順序： 塔2MB（帶一個(gè)未知變量的部分求解） 分流器MB（帶一個(gè)未知變量的部分求解） 塔1MB （完全求解） 為什么從塔為什么從塔2、解到分流器還只能部分求解，再解到塔、解到分流器還只能部分求解，再解到塔1后，其后，其MB就能就能完全求解呢？完全求解呢？我們再回頭看一看原來的流程圖和設(shè)計(jì)條件。01自由度11已知附加式數(shù)84已知變量數(shù)84MB方程數(shù)1710流股變量數(shù)塔2和分流器和塔1子流程過程過程塔2和分流器子流程過程過程大家考察一下：大家考察一下： 塔塔2和分流器組成的子流程的過和分流器組成的子流程的

12、過程自由度？程自由度？ 塔塔2和分流器和塔和分流器和塔1組成的子流程組成的子流程的過程自由度？的過程自由度？ 這就是從塔2解到分流器還是部分求解，還帶一個(gè)未知變量的原因所在。 有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)工程師會(huì)將原流程分成二個(gè)子流程系統(tǒng)，再求解其MB。4111098(3)7653(3)2(3)塔1塔2分流器塔3塔41000 mol/hC1 0.20C2 0.25C3 0.40C4 0.15C3 0.03C1 0.995C2 0.005C1 0.01C2 0.89C3 0.10C3 0.70C4 0.30C4 0.002C3 0.98C4 0.02C4 1.001 三步求解，解到塔三步求解，解到塔1后應(yīng)該后應(yīng)

13、該接著解那個(gè)單元？接著解那個(gè)單元？很明顯，只能接著解塔很明顯，只能接著解塔3。 但塔3能不能完全求解，還是要看前面解的結(jié)果對(duì)它的自由度的影響。 塔3更新自由度分析表分析結(jié)果：解完塔分析結(jié)果：解完塔1后，應(yīng)解塔后，應(yīng)解塔3，而且是完全求解。，而且是完全求解。0自由度0已知附加式數(shù)5已知變量數(shù)3MB方程數(shù)8流股變量數(shù)塔34111098(3)7653(3)2(3)塔1塔2分流器塔3塔41000 mol/hC1 0.20C2 0.25C3 0.40C4 0.15C3 0.03C1 0.995C2 0.005C1 0.01C2 0.89C3 0.10C3 0.70C4 0.30C4 0.002C3 0.

14、98C4 0.02C4 1.001 解到塔解到塔3后應(yīng)該后應(yīng)該接著解那個(gè)單元？接著解那個(gè)單元？很明顯，應(yīng)該解塔4或OB。塔4和OB的更新自由度分析表塔4OB流股變量數(shù)515MB方程數(shù)2已知變量數(shù)已知附加式數(shù)00自由度30132 02 4分析結(jié)果：解完塔3后，可以解塔4或或OB。4111098(3)7653(3)2(3)塔1塔2分流器塔3塔41000 mol/hC1 0.20C2 0.25C3 0.40C4 0.15C3 0.03C1 0.995C2 0.005C1 0.01C2 0.89C3 0.10C3 0.70C4 0.30C4 0.002C3 0.98C4 0.02C4 1.001至此，

15、手工MB的計(jì)算順序可以確定如下： 塔2MB（部分）分流器MB （部分） 塔1MB（全部） 塔3MB（全部） 塔4MB（全部） OB MB（全部）是一個(gè)先部分求解，再完全求解的計(jì)算順序。 實(shí)際設(shè)計(jì)中，部分求解和完全求解經(jīng)常在流程實(shí)際設(shè)計(jì)中，部分求解和完全求解經(jīng)常在流程MB計(jì)算過程中交叉出現(xiàn)。計(jì)算過程中交叉出現(xiàn)。但只要流程設(shè)計(jì)條件給得正確，解到最后一個(gè)單元，必然是完全求解。但只要流程設(shè)計(jì)條件給得正確，解到最后一個(gè)單元，必然是完全求解。由于流程原設(shè)計(jì)條件中，只有一個(gè)流股的流量已知只有一個(gè)流股的流量已知，流程過程自由度為0。提示：提示： 可不可以，將原流程設(shè)計(jì)先變成彈性設(shè)計(jì)，再通過彈性設(shè)計(jì)計(jì)算基可不可

16、以，將原流程設(shè)計(jì)先變成彈性設(shè)計(jì)，再通過彈性設(shè)計(jì)計(jì)算基準(zhǔn)的選擇，從而達(dá)到簡化準(zhǔn)的選擇，從而達(dá)到簡化MB計(jì)算的目的呢？計(jì)算的目的呢？ 如果一個(gè)流程中只有一個(gè)流股的流量已知，而且流程過程自由度為如果一個(gè)流程中只有一個(gè)流股的流量已知，而且流程過程自由度為0，那么，可以將這個(gè)唯一已知的流股流量先假設(shè)為未知，使整個(gè)設(shè)計(jì)條件變成那么，可以將這個(gè)唯一已知的流股流量先假設(shè)為未知，使整個(gè)設(shè)計(jì)條件變成彈性設(shè)計(jì)，再通過選擇彈性設(shè)計(jì)彈性設(shè)計(jì)，再通過選擇彈性設(shè)計(jì)MB的計(jì)算基準(zhǔn)，假設(shè)另外一個(gè)流股的流量的計(jì)算基準(zhǔn)，假設(shè)另外一個(gè)流股的流量已知，而達(dá)到簡化已知，而達(dá)到簡化MB計(jì)算的目的。計(jì)算的目的。流程圖“變量置換變量置換”的概

17、念：的概念： 在本例題中，將F11000 mol/h拿掉，假設(shè)它未知。那么，這個(gè)流程自由度分析表會(huì)發(fā)生變化，變成如下：問題：該例題有沒有可簡化計(jì)算的方法？問題：該例題有沒有可簡化計(jì)算的方法？2011312自由度0110000已知附加方程數(shù)91122247已知流股變量數(shù)41312334MB方程數(shù)1525558813總流股變量數(shù)整體過程分流器塔4塔3塔2塔1變量置換后流程的自由度分析表（結(jié)果）變量置換后流程的自由度分析表（結(jié)果）從變量置換后自由度分析結(jié)果可以看出：該流程設(shè)計(jì)是彈性設(shè)計(jì)了。從變量置換后自由度分析結(jié)果可以看出：該流程設(shè)計(jì)是彈性設(shè)計(jì)了。6383101 根據(jù)彈性設(shè)計(jì)計(jì)算基準(zhǔn)的選擇原則，最好

18、選F5100 mol/h為計(jì)算基準(zhǔn)。那么很明顯，MB計(jì)算時(shí)，先求解塔2和分流器，而且二者都能完全求解。將F11000mol/h假設(shè)為未知后 完全求解塔完全求解塔2和分流器后，應(yīng)和分流器后，應(yīng)該求解那個(gè)單元？該求解那個(gè)單元？更新自由度分析表10自由度00已知附加式109已知變量數(shù)44MB方程數(shù)1513變量數(shù)OB塔1結(jié)論：應(yīng)該接著求解塔結(jié)論：應(yīng)該接著求解塔1，而且是完全求解。，而且是完全求解。4111098(3)7653(3)2(3)塔1塔2分流器塔3塔4C1 0.20C2 0.25C3 0.40C4 0.15C3 0.03C1 0.995C2 0.005C1 0.01C2 0.89C3 0.10

19、C3 0.70C4 0.30C4 0.002C3 0.98C4 0.02C4 1.001 變量置換后，MB計(jì)算變成了一個(gè)每步都能完全求解每步都能完全求解順序序列，大大簡化了計(jì)算。這也是變量置換的目的。注意：注意：1、變量置換前后，計(jì)算結(jié)果對(duì)流股變量中的組成不會(huì)產(chǎn)生影響；、變量置換前后，計(jì)算結(jié)果對(duì)流股變量中的組成不會(huì)產(chǎn)生影響；2、變量置換前后，計(jì)算結(jié)果對(duì)流股變量中的流量會(huì)產(chǎn)生影響，但可以從變、變量置換前后，計(jì)算結(jié)果對(duì)流股變量中的流量會(huì)產(chǎn)生影響，但可以從變量置換后的流量變回變量置換前原設(shè)計(jì)要求的流量值。量置換后的流量變回變量置換前原設(shè)計(jì)要求的流量值。變量置換前后，本例題變量置換前后，本例題MB計(jì)算

20、結(jié)果（物料衡算一覽表）計(jì)算結(jié)果（物料衡算一覽表）142.36685.96200.57756.45286.531000變量置換前總流率（mol/h）xC4（摩爾分率）xC3（摩爾分率）xC2（摩爾分率）xC1（摩爾分率）C4分流率（mol/h）C3分流率（mol/h）C2分流率（mol/h）C1分流率（mol/h）165.62100233.33880.00333.331163.33變量置換后總流率（mol/h）1154321流 股 號(hào)流率及組成本例題小結(jié)。本例題小結(jié)。流程圖 3.4 化工流程的物料衡算（帶反應(yīng)）化工流程的物料衡算（帶反應(yīng)） 本節(jié)主要目的：1、帶反應(yīng)化工流程的自由度分析時(shí)，描述反應(yīng)

21、程度的單元變量是如何引入的。2、帶反應(yīng)流程MB的具體計(jì)算問題。 對(duì)有化學(xué)反應(yīng)存在的化工流程進(jìn)行物料衡算時(shí)，與不帶化學(xué)反應(yīng)的化工流程物料衡算相比，其最大區(qū)別在于： 帶化學(xué)反應(yīng)流程的物料衡算，必須在衡算計(jì)算過程中引入描述化學(xué)反帶化學(xué)反應(yīng)流程的物料衡算，必須在衡算計(jì)算過程中引入描述化學(xué)反應(yīng)程度的變量（如反應(yīng)速度、反應(yīng)轉(zhuǎn)化率、反應(yīng)選擇性等）作為反應(yīng)器的應(yīng)程度的變量（如反應(yīng)速度、反應(yīng)轉(zhuǎn)化率、反應(yīng)選擇性等）作為反應(yīng)器的單元變量。單元變量。 一個(gè)反應(yīng)器帶有幾個(gè)獨(dú)立的化學(xué)反應(yīng)，就應(yīng)該相應(yīng)引入幾個(gè)反應(yīng)單一個(gè)反應(yīng)器帶有幾個(gè)獨(dú)立的化學(xué)反應(yīng)，就應(yīng)該相應(yīng)引入幾個(gè)反應(yīng)單元變量。元變量。例題： 有如下一個(gè)水煤氣轉(zhuǎn)換流程。設(shè)

22、計(jì)要求及已知條件為：、反應(yīng)器1的水蒸汽摩爾流量是另外兩股干氣進(jìn)料摩爾流量之和的二倍；、CO在反應(yīng)器1中的轉(zhuǎn)化率為80；、反應(yīng)器2出口氣流中H2和N2分摩爾流量比等于3； 所有組成均為摩爾分率，已知反應(yīng)器1和反應(yīng)器2中分別只有一個(gè)化學(xué)反應(yīng)：COH2O CO2H2，流程中部分流股的流量及組成標(biāo)注在以下流程示意圖中。試作該流程的物料衡算計(jì)算。5423反應(yīng)器1反應(yīng)器2N2 0.78CO 0.20CO2 0.02 100 mol/h1H2 0.50CO 0.50H2O 1.00水蒸汽CO 0.01解：首先要根據(jù)流程特點(diǎn)，判斷首先要根據(jù)流程特點(diǎn)，判斷4、5號(hào)流股含有的組份數(shù)。號(hào)流股含有的組份數(shù)。4、5號(hào)流

23、股顯然都含有5種組份：N2、H2、H2O、CO、N25423反應(yīng)器1反應(yīng)器2N2 0.78CO 0.20CO2 0.02 100 mol/h1H2 0.50CO 0.50H2O 1.00水蒸汽CO 0.01（5）（5）接著，我們來看看流程的自由度分析情況：該流程整體（OB）的特點(diǎn)：一個(gè)只有一種反應(yīng)的虛擬反應(yīng)器一個(gè)只有一種反應(yīng)的虛擬反應(yīng)器5423反應(yīng)器1反應(yīng)器2N2 0.78CO 0.20CO2 0.02 100 mol/h1H2 0.50CO 0.50H2O 1.00水蒸汽CO 0.01（5）（5）自由度分析表0041自由度2211已知其它關(guān)系式數(shù)0101已知單元變量數(shù)5514已知流股變量數(shù)5

24、1055衡算（MB）方程數(shù)1211單元變量數(shù)11161011流股變量數(shù)整體（OB）過程反應(yīng)器2反應(yīng)器1此處的“1”和兩個(gè)反應(yīng)器中的“1”有什么區(qū)別？關(guān)于反應(yīng)單元變量引入時(shí)應(yīng)該注意的問題：關(guān)于反應(yīng)單元變量引入時(shí)應(yīng)該注意的問題：1、各單元的反應(yīng)變量描述的是各單元中對(duì)應(yīng)的幾個(gè)幾個(gè)獨(dú)立反應(yīng)程度，而且是單程單程的概念；2、整體（OB）中的反應(yīng)變量描述的是流程中有幾種幾種獨(dú)立反應(yīng)的全程全程反應(yīng)程度；3、反應(yīng)單元變量在過程自由度分析時(shí)，具有加和性加和性（不加整體的反應(yīng)變量）。反應(yīng)器1： ABC CDE反應(yīng)器2： ABC CFG自由度分析表各單元、過程、整體 引入反應(yīng)單元變量的情況反應(yīng)器1反應(yīng)器2過程整體（O

25、B）單元變量數(shù)2243例如：反應(yīng)器1反應(yīng)器2 從自由度分析結(jié)果，可明顯看出，先進(jìn)行從自由度分析結(jié)果，可明顯看出，先進(jìn)行整體（整體（OB）的的MB計(jì)算，而且計(jì)算，而且是完全求解。是完全求解。 技巧：技巧： 對(duì)有惰性組份進(jìn)出的化工流程，整體衡算往往可以優(yōu)先考慮。5423反應(yīng)器1反應(yīng)器2N2 0.78CO 0.20CO2 0.02 100 mol/h1H2 0.50CO 0.50H2O 1.00水蒸汽CO 0.01（5）（5）解完整體后，接著應(yīng)該求解哪個(gè)單元？更新自由度分析表反應(yīng)器1反應(yīng)器2流變數(shù)和單變數(shù)MB方程數(shù)已知流變數(shù)和單變數(shù)已知附加式數(shù)自由度11156111001015501所以，可以確定M

26、B計(jì)算順序?yàn)椋赫w（OB）MB（完全求解）反應(yīng)器2 MB（完全求解）請(qǐng)同學(xué)們，動(dòng)手具體求解：請(qǐng)同學(xué)們，動(dòng)手具體求解： （提示：選擇關(guān)鍵組份的全程反應(yīng)速率或全程轉(zhuǎn)化率為整體（提示：選擇關(guān)鍵組份的全程反應(yīng)速率或全程轉(zhuǎn)化率為整體MB計(jì)算時(shí)的單元變量）計(jì)算時(shí)的單元變量）具體求解時(shí)，設(shè)：CO的全程反應(yīng)速度為：r mol/hF 5，N20.7810078 mol/hF 5，H20.5F2rF 5，H23F 5，N2378234mol/hF5,CO1000.20.5F2rF 5，CO21000.02rF 5，H2OF3rF32（F1F2）F5,CO/（F5,COF5,CO2F5,H2F5,H2OF5,N2）

27、0.01具體求解：略具體求解：略例題：有如下一個(gè)（煉鐵）流程系統(tǒng)：分流器分流器反應(yīng)器反應(yīng)器1反應(yīng)器反應(yīng)器2混合器混合器冷凝器冷凝器PurgeFe3O4 1.00Fe 0.02FeO 0.97Fe3O4 0.01Fe 0.98FeOFe3O4N2H2H2O產(chǎn)品產(chǎn)品還原氣流還原氣流N2 0.66H2 0.33H2O 0.01N2H2H2ON2H2 H2O 0.005H2O 1.006574231891110設(shè)計(jì)已知（要求）：設(shè)計(jì)已知（要求）：1、控制反應(yīng)器、控制反應(yīng)器2溫度，使溫度，使Fe3O4不參加反應(yīng)；不參加反應(yīng)；2、離開反應(yīng)器、離開反應(yīng)器1的氣流股有的氣流股有10通過分流器排空（通過分流器排

28、空（Purge）；）；3、在反應(yīng)器、在反應(yīng)器2中，每中，每10mol還還原氣流能生產(chǎn)原氣流能生產(chǎn)1mol產(chǎn)品；產(chǎn)品；4、所有組成均為摩爾分率。、所有組成均為摩爾分率。此外，整個(gè)流程系統(tǒng)內(nèi)有二個(gè)反應(yīng)此外，整個(gè)流程系統(tǒng)內(nèi)有二個(gè)反應(yīng)：Fe3O4H2 3FeOH2O FeO H2 Fe H2O試做該流程的自由度分析，并支出試做該流程的自由度分析，并支出MB計(jì)算的順序。計(jì)算的順序。解：解： 首先，給各流股編號(hào)，并根據(jù)流程特點(diǎn)判斷各流股的組份數(shù)；分流器分流器反應(yīng)器反應(yīng)器1反應(yīng)器反應(yīng)器2混合器混合器冷凝器冷凝器PurgeFe3O4 1.00Fe 0.02FeO 0.97Fe3O4 0.01Fe 0.98Fe

29、OFe3O4N2H2H2O產(chǎn)品產(chǎn)品還原氣流還原氣流N2 0.66H2 0.33H2O 0.01N2H2H2ON2H2 H2O 0.005H2O 1.006574231891110(3)(3)(3) 反應(yīng)器1中，2個(gè)反應(yīng)個(gè)反應(yīng)同時(shí)存在同時(shí)存在，而在反應(yīng)器2中只有FeO進(jìn)一步還原1個(gè)反應(yīng)存在個(gè)反應(yīng)存在。流程整體（OB）的特點(diǎn)：含有含有2種獨(dú)立反應(yīng)的虛擬反應(yīng)器。種獨(dú)立反應(yīng)的虛擬反應(yīng)器。去自由度表分流器分流器反應(yīng)器反應(yīng)器1反應(yīng)器反應(yīng)器2混合器混合器冷凝器冷凝器PurgeFe3O4 1.00Fe 0.02FeO 0.97Fe3O4 0.01Fe 0.98FeOFe3O4N2H2H2O產(chǎn)品產(chǎn)品還原氣流還原

30、氣流N2 0.66H2 0.33H2O 0.01N2H2H2ON2H2 H2O 0.005H2O 1.006574231891110(3)(3)(3)反應(yīng)器1和反應(yīng)器2 自由度分析表10已知附加式數(shù)00已知單元變量14自由度52已知流股變量66MB方程數(shù)12單元變量1210流股變量反應(yīng)器2反應(yīng)器1分流器分流器反應(yīng)器反應(yīng)器1反應(yīng)器反應(yīng)器2混合器混合器冷凝器冷凝器PurgeFe3O4 1.00Fe 0.02FeO 0.97Fe3O4 0.01Fe 0.98FeOFe3O4N2H2H2O產(chǎn)品產(chǎn)品還原氣流還原氣流N2 0.66H2 0.33H2O 0.01N2H2H2ON2H2 H2O 0.005H2

31、O 1.006574231891110(3)(3)(3) 分流器和冷凝器 自由度分析表33自由度01已知附加式數(shù)00已知單元變量10已知流股變量31MB方程數(shù)00單元變量75流股變量冷凝器分流器63自由度00已知附加式數(shù)00已知單元變量13已知流股變量63MB方程數(shù)20單元變量119流股變量OB混合器分流器分流器反應(yīng)器反應(yīng)器1反應(yīng)器反應(yīng)器2混合器混合器冷凝器冷凝器PurgeFe3O4 1.00Fe 0.02FeO 0.97Fe3O4 0.01Fe 0.98FeOFe3O4N2H2H2O產(chǎn)品產(chǎn)品還原氣流還原氣流N2 0.66H2 0.33H2O 0.01N2H2H2ON2H2 H2O 0.005H2O 1.006574231891110(3)(3)(3) 混合器和整體（OB） 自由度分析表整個(gè)流程自由度分析表6023304自由度（基準(zhǔn)后）111計(jì)算基準(zhǔn)6133314自由度0200110已知附加式數(shù)0000000已知單元變量1631052