物料衡算與能量衡算演示文稿

物料衡算與能量衡算演示文稿目前一頁\總數(shù)四十七頁\編于十六點物料衡算與能量衡算目前二頁\總數(shù)四十七頁\編于十六點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)系的計算過程，這是化工工藝計算中最基本、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、過程經(jīng)濟(jì)評價、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，雖然可以大大提高計算的速率，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，軟件計算結(jié)果才可能合理與可行。3/40目前三頁\總數(shù)四十七頁\編于十六點2.1衡算方法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。

4/40目前四頁\總數(shù)四十七頁\編于十六點2.1.2衡算方程式化工工藝計算中的物料平衡是指“在單位時間內(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，位能變化、動能變化、外功等項相對較小，可忽略不計，因此穩(wěn)流系統(tǒng)總能量衡算可簡化為熱量衡算。5/40目前五頁\總數(shù)四十七頁\編于十六點2.1.3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)時間(即年生產(chǎn)時數(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、與過程計算有關(guān)的物理化學(xué)常數(shù)等。(2)選定計算基準(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)品量的時間基準(zhǔn)。

用模擬軟件進(jìn)行衡算時，以單位時間的投料量為起點進(jìn)行計算比較方便。當(dāng)系統(tǒng)介質(zhì)為固體或液體時，一般以質(zhì)量為計算基準(zhǔn)，對氣體物料進(jìn)行計算時，一般選體積作為計算基準(zhǔn)。6/40目前六頁\總數(shù)四十七頁\編于十六點2.1.3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組分之間的定量關(guān)系，若計算反應(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。7/40目前七頁\總數(shù)四十七頁\編于十六點2.1.3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)校核計算結(jié)果。當(dāng)計算全部完成后，對計算結(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。8/40目前八頁\總數(shù)四十七頁\編于十六點2.1.4用軟件進(jìn)行物料衡算與能量衡算的要點(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。9/40目前九頁\總數(shù)四十七頁\編于十六點2.1.4用軟件進(jìn)行物料衡算與能量衡算的要點(2)選擇合適的物性計算方法。ASPENPLUS軟件把模擬計算一個流程所需要的熱力學(xué)性質(zhì)與傳遞性質(zhì)的計算方法與計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算結(jié)果的準(zhǔn)確性、可靠性和模擬成功與否。10/40目前十頁\總數(shù)四十七頁\編于十六點CaseStudy-AcetoneRecoveryCorrectchoiceofphysicalpropertymodelsandaccuratephysicalpropertyparametersareessentialforobtainingaccuratesimulationresults.FEEDOVHDBTMSCOLUMN5000lbmol/hr10mole%acetone90mole%waterSpecification:99.5mole%acetonerecovery目前十一頁\總數(shù)四十七頁\編于十六點常見有機(jī)化合物極性增加順序：目前十二頁\總數(shù)四十七頁\編于十六點模擬體系含極性物質(zhì)不含極性物質(zhì)全是真實組分含虛擬組分PR,LK-PLOCK,PR-BM,PKS,RKS-BM及其衍生方程CHAO-SEA,GRAYSON,BK10P>0.1MPa真空BK10,IDEAL目前十三頁\總數(shù)四十七頁\編于十六點模擬體系含極性物質(zhì)不含極性物質(zhì)不含電解質(zhì)含電解質(zhì)PSRK,PR,RKS及其衍生方程ELECNRTL,PITZER及其衍生方程P>1MPaP<1MPa有二元交互作用參數(shù)無二元交互作用參數(shù)SR-POLAR,PRWS,RKSWS及其衍生方程目前十四頁\總數(shù)四十七頁\編于十六點含極性物質(zhì)不含電解質(zhì)含電解質(zhì)P>1MPaP<1MPa無二元交互作用參數(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及其衍生方程有汽相締合無汽相締合WILS,NRTL,UNIQUAC及其衍生方程六聚二聚WILS-HF含-HOC的衍生活度系數(shù)方程目前十五頁\總數(shù)四十七頁\編于十六點2.1.4用軟件進(jìn)行物料衡算與能量衡算的要點若性質(zhì)方法選擇不當(dāng)，只要模擬過程收斂，即使結(jié)果不合理，軟件也不會提示出錯信息。

另一方面，即使性質(zhì)方法選擇正確，但使用不當(dāng)也會產(chǎn)生錯誤結(jié)果。因為性質(zhì)方法計算的準(zhǔn)確程度由模型方程式本身和它的用法所決定，如熱力學(xué)模型的使用往往涉及原始數(shù)據(jù)的合理選取、模型參數(shù)的估計、從純物質(zhì)參數(shù)計算混合物參數(shù)時混合規(guī)則的選擇等問題，均需要正確處理。

使用圖2-1的前提是已知模擬過程的物流組成、體系壓力、溫度范圍。

圖2-1并未概括軟件中所有的物性方法，隨著軟件版本的更新，新的物性方法也會不斷充實進(jìn)來，但該圖給出了一個物性方法的選擇方向。16/40目前十六頁\總數(shù)四十七頁\編于十六點2.1.4用軟件進(jìn)行物料衡算與能量衡算的要點(3)輸入組分的數(shù)量要完整。用軟件進(jìn)行物料衡算時，首先必須向軟件輸入組分名稱，通知軟件調(diào)用數(shù)據(jù)庫中該組分的全部物性數(shù)據(jù)參與運(yùn)算。

在模擬計算起始向軟件輸入組分時，一定要把化學(xué)反應(yīng)中可能新生成的組分添加進(jìn)去。

對于非數(shù)據(jù)庫組分，可按照1.3節(jié)介紹的方法，將運(yùn)行模式改成“PropertyEstimation”，對非數(shù)據(jù)庫組分的物性進(jìn)行估算后，再將軟件運(yùn)行模式改成“Flowsheet”進(jìn)行物料衡算。對于含電解質(zhì)的過程，要考慮可能存在的離子反應(yīng)，借助于軟件中的電解質(zhì)向?qū)?，確認(rèn)體系中的真實組分、表觀組分、結(jié)晶化合物。17/40目前十七頁\總數(shù)四十七頁\編于十六點2.1.4用軟件進(jìn)行物料衡算與能量衡算的要點(4)熟悉模塊功能及其計算方法。軟件中的模塊本質(zhì)上是計算方法的圖形顯示，有的一個模塊僅對應(yīng)一種算法，有的一個模塊可包含幾種算法，可根據(jù)運(yùn)算操作者意愿選擇運(yùn)行。熟悉軟件的模塊功能，可快速正確地建立起物料衡算的模擬流程。

(5)了解軟件對物性術(shù)語的縮寫。ASPENPLUS是全英文軟件，操作界面上的指令都用英文全名表示，易于理解。但物流的物性均用縮略語表示，很難記憶。在編制物料平衡表時，需要同時列出各物流的物性，這就要向軟件提出輸出特定物性數(shù)據(jù)的要求，若能熟悉軟件常用物性術(shù)語的縮寫方式，則可方便地輸出物流的物性。18/40目前十八頁\總數(shù)四十七頁\編于十六點2.1.4用軟件進(jìn)行物料衡算與能量衡算的要點(6)盡量使用軟件自帶的過程數(shù)據(jù)包。在軟件安裝目錄中，有一個“GUI”文件夾，包含了多個軟件模擬計算例題的子文件夾?！癆pp”文件夾：對各種化工過程完整模擬的文件；“Asy”文件夾：提供原始實驗數(shù)據(jù)，包含了全球各地原油的實

沸點數(shù)據(jù)；“Elecins”文件夾：綜合過程數(shù)據(jù)包與電解質(zhì)過程數(shù)據(jù)包，包含93個電解質(zhì)過程的“.bkp”數(shù)據(jù)包文件；

“Datapkg”文件夾：包含了15個綜合化工過程的“.bkp”數(shù)據(jù)包文件。每個數(shù)據(jù)包文件對模擬體系的組分、工藝條件、物性方法已經(jīng)確定，尤其是包含了針對該體系的熱力學(xué)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，部分還包含了動力學(xué)數(shù)據(jù)。對于電解質(zhì)過程，數(shù)據(jù)包文件中包含了體系中的全部分子組分與離子組分，各級電離過程的反應(yīng)方程式、化學(xué)反應(yīng)平衡常數(shù)與各離子對的二元交互作用參數(shù)。以軟件自帶的“.bkp”數(shù)據(jù)包文件作為模擬計算的起點，可以免除物性方法選擇、反應(yīng)方程式輸入等步驟，直接進(jìn)行流程繪制與物流輸入，模擬計算結(jié)果正確的可能性要大得多。如果“.bkp”數(shù)據(jù)包文件中的組分與操作者欲模擬計算過程的組分有少量的差異，也可以對數(shù)據(jù)包文件中的組分進(jìn)行調(diào)整。19/40目前十九頁\總數(shù)四十七頁\編于十六點2.1.4用軟件進(jìn)行物料衡算與能量衡算的要點(7)學(xué)會判斷計算結(jié)果的正確性。當(dāng)一個模擬過程運(yùn)算正常收斂后，軟件狀態(tài)欄上提示“ResultsAvailable”，表示計算有了結(jié)果，這并不表示結(jié)果正確。結(jié)果是否正確，不能指望模擬軟件提供結(jié)論,而應(yīng)依靠自己的判斷。判斷的基礎(chǔ)是運(yùn)算操作者對模擬過程的細(xì)致了解、化工專業(yè)知識的深刻領(lǐng)會、模擬過程工業(yè)背景的熟悉程度、工業(yè)裝置的現(xiàn)場操作數(shù)據(jù)等綜合評價。20/40目前二十頁\總數(shù)四十七頁\編于十六點2.2.1混合過程多股物料的混合與一股物料分流成多股物料是化工生產(chǎn)中常見的操作，其物料衡算可以用ASPENPLUS中的混合器與分流器進(jìn)行模擬。例2-1.混酸過程。eh2so4.aprbkp數(shù)據(jù)包?，F(xiàn)用三種酸配制硝化混合酸，原料濃硝酸、濃硫酸、循環(huán)酸的質(zhì)量配比為1:2:2，設(shè)混合過程絕熱。求：⑴混合酸的組成；⑵混合酸的溫度、密度、粘度、表面張力。2.2簡單物理過程21/40目前二十一頁\總數(shù)四十七頁\編于十六點例2-2.蒸汽分配。

某硫磺回收裝置的廢熱鍋爐產(chǎn)生4MPa（g）的飽和水蒸汽25000kg/h。此蒸汽的68%進(jìn)入全廠蒸汽管網(wǎng)，15%用于對進(jìn)入酸性氣燃燒爐的空氣進(jìn)行預(yù)熱，5%用于對進(jìn)入酸性氣燃燒爐的酸性氣體進(jìn)行預(yù)熱，7%用于對進(jìn)入第一級CLAUS反應(yīng)器的酸性氣體進(jìn)行預(yù)熱，5%用于對進(jìn)入第二級CLAUS反應(yīng)器的酸性氣體進(jìn)行預(yù)熱。求各股蒸汽的流率。2.2.1混合過程22/40目前二十二頁\總數(shù)四十七頁\編于十六點2.2.1混合過程例2-3.氨氣吸收。nh3co2.aprbkp數(shù)據(jù)包。用水在10塊理論版的塔中吸收空氣中的氨。已知空氣中含體積分?jǐn)?shù)0.05的氨，空氣流率10000m3/h，20℃，1bar。吸收劑水的流率16t/h，20℃，1bar。求吸收過程水和空氣的溫升。23/40目前二十三頁\總數(shù)四十七頁\編于十六點2.2.2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)汽量。某化工廠計劃利用廢氣的廢熱生產(chǎn)水蒸汽，進(jìn)入廢熱鍋爐的廢氣溫度為450℃，出口廢氣的溫度為260℃，進(jìn)入鍋爐的水溫為25℃，產(chǎn)生的飽和水蒸汽溫度為233.7℃，3.0MPa，試計算每100kmol的廢氣可產(chǎn)生的水蒸汽量？24/40目前二十四頁\總數(shù)四十七頁\編于十六點化工流程設(shè)計過程中常遇到的一些單元操作，如閃蒸罐、蒸發(fā)器、分液罐等，可統(tǒng)一歸納為單級相平衡計算。這些計算包括汽（氣）液平衡計算、液液平衡計算、汽（氣）液液三相平衡計算、液固平衡計算、氣固平衡計算等.對應(yīng)于ASPENPLUS軟件中的Flash2、Decanter、Flash3、crystallzer、adsorber等計算模塊。點擊模型庫“View∣ModelLibrary”中的“Separator”標(biāo)簽，可顯示部分單級相平衡計算模塊。這些模塊代表了汽（氣）-液兩相平衡計算、汽-液-液三相平衡計算、液-液兩相平衡計算。2.2.3單級相平衡分離過程25/40目前二十五頁\總數(shù)四十七頁\編于十六點2.2.3單級相平衡分離過程例2-6.汽液液三相平衡計算。以甲苯和甲醇為原料，合成苯乙烯。反應(yīng)器出口氣體混合物流率如表，如果將該物料在300kPa降溫到38℃，問是否分相？若分相，求各相的流率與組成。組分Kmol/h組分Kmol/hH2350甲苯107甲醇107乙苯141H2O491苯乙烯35026/19目前二十六頁\總數(shù)四十七頁\編于十六點2.2.3單級相平衡分離過程例2-7.液液平衡計算。以甲基異丁基酮（分子式C6H12O，簡記MIBK）為萃取溶劑，從含醋酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.08的水溶液中萃取醋酸。萃取溫度25℃，進(jìn)料量13500kg/h。若要求萃余液中醋酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.01，問單級萃取時溶劑量為多少？例2-8.固液平衡計算。質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30％的硫酸鈉水溶液以5000kg/h流率在50℃下進(jìn)入冷卻型結(jié)晶器。求開始結(jié)晶的溫度？27/40目前二十七頁\總數(shù)四十七頁\編于十六點2.2.3單級相平衡分離過程例2-9.氣固平衡計算。用90℃熱空氣常壓下干燥含水0.005質(zhì)量分?jǐn)?shù)的二氧化硅粉末1000kg/h，濕粉末溫度20℃。要求粉末中水分含量降到0.001質(zhì)量分?jǐn)?shù)，求熱空氣需要量。28/40目前二十八頁\總數(shù)四十七頁\編于十六點2.2.3單級相平衡分離過程ASPENplus流程中streamclass的選擇方法？CONVEN：Thesimulationdoesnotinvolvesolids,ortheonlysolidsareelectrolytessalts.不牽涉固體的模擬，或者唯一的固體是電解鹽類。一般情況下是選擇CONVEN。MIXNC：

Nonconventionalsolidsarepresent,butthereisnoparticlesizedistribution.有Nonconventional固體存在，但是沒有粒子顆粒分布。MIXCISLD：

Conventionalsolidsarepresent,butthereisnoparticlesizedistribution.有Conventional固體存在，但是沒有粒子顆粒分布。MIXCIPSD：

Conventionalsolidsarepresent,withaparticlesizedistribution.

有Conventional的固體存在，也有粒子顆粒分布。29/40目前二十九頁\總數(shù)四十七頁\編于十六點2.2.3單級相平衡分離過程ASPENplus流程中streamclass的選擇方法？MIXCINC：

Bothconventionalandnonconventionalsolidsarepresent,butthereisnoparticlesizedistribution.

Conventional和nonconventional固體同時存在，但是沒有粒子顆粒分布。MIXNCPSD：

Nonconventionalsolidsarepresent,withaparticlesizeistribution.

有Nonconventional固體存在，帶有粒子顆粒分布。

全部單元操作模型(除萃取之外)都可以處理帶有固體的substreams。30/40目前三十頁\總數(shù)四十七頁\編于十六點2.2.4非平衡級分離過程對于某些分離過程，其分離效率已知或其分離機(jī)理不明但結(jié)果已知，不能用平衡級模型計算時，可以用非平衡級模型“Sep”模塊來代替嚴(yán)格分離模型進(jìn)行計算，同時可以節(jié)省計算時間。例2-10.固液非平衡分離。用氫氧化鈣與水混合制備堿性水用于酸性氣的吸收。已知氫氧化鈣用量10kmol/h，水量300kmol/h，常壓混合，溫度20℃。石灰乳用過濾器除去固體顆粒，設(shè)過濾器固體顆粒截留率0.99，求制備堿性水的流率與組成。31/40目前三十一頁\總數(shù)四十七頁\編于十六點2.2.5機(jī)械分離過程機(jī)械分離過程的分離對象是由兩相以上所組成的非均相混合物，目的是簡單地將各相加以分離，其特征是在分離過程中各相之間無質(zhì)量傳遞現(xiàn)象。機(jī)械分離操作包括過濾、沉降、離心分離、旋風(fēng)分離、旋液分離和靜電除塵等。例2-11.固液機(jī)械分離。用氫氧化鈣與水混合制備堿性水用于酸性氣的吸收。已知氫氧化鈣用量10kmol/h，水量300kmol/h，常壓混合，溫度20℃。石灰乳中固體顆粒的粒徑分布見附表。若用旋液分離器除去固體顆粒，要求旋液分離器固體顆粒截留率0.9，求:(1)旋液分離器堿性水和含渣水的流率與組成;(2)旋液分離器尺寸。32/19目前三十二頁\總數(shù)四十七頁\編于十六點2.3設(shè)備組合過程

由兩個或以上化工單元組合而成的工藝流程稱為復(fù)雜操作流程，實際化工生產(chǎn)裝置都是程度不等的復(fù)雜操作流程。2.3.1同類設(shè)備的組合在化工流程中，由相同設(shè)備的組合構(gòu)成一整套工藝流程的例子不勝枚舉，這些外觀相同的設(shè)備在化工流程中分別承擔(dān)著不同的功能。例如，原油的加工過程，幾乎完全由精餾塔組成，每座塔均承擔(dān)一種或數(shù)種油品的分離任務(wù)。又如吸收系統(tǒng)的吸收塔和解吸塔，都為塔設(shè)備，但在流程中起著吸收與解吸這樣功能完全相反的作用。多個全混流反應(yīng)器的串聯(lián)，物料可以形成連續(xù)流動，可以認(rèn)為形成活塞流，停留時間可有效控制。由多個蒸發(fā)器構(gòu)成的多效蒸發(fā)，由多座精餾塔構(gòu)成的多效精餾，可以大大節(jié)省能量。33/40目前三十三頁\總數(shù)四十七頁\編于十六點2.3.1同類設(shè)備的組合例2-12.萃取精餾與溶劑再生。以苯酚為萃取溶劑，用萃取精餾方法分離等摩爾甲苯、正庚烷的混合物。規(guī)定萃取精餾塔塔板上溶劑摩爾分?jǐn)?shù)0.55，操作回流比5，飽和蒸汽進(jìn)料，進(jìn)料流率100kmol/h，平均操作壓力1.24bar。要求兩塔塔頂產(chǎn)品中甲苯、正庚烷的摩爾分?jǐn)?shù)不少于0.98。求：⑴萃取精餾塔和溶劑再生塔的理論塔板數(shù)、進(jìn)料位置；⑵兩股產(chǎn)品的流率與組成；⑶萃取溶劑用量。34/40目前三十四頁\總數(shù)四十七頁\編于十六點2.3.2不同設(shè)備的組合典型的化工流程是以反應(yīng)器為核心，包含分離設(shè)備、換熱設(shè)備、流體輸送設(shè)備構(gòu)成。因此，由不同設(shè)備組合而成的化工流程是化工廠的普遍景象。在化工設(shè)計中，要求設(shè)計者能夠熟練掌握各種化工設(shè)備的功能，正確地選擇設(shè)備，以完成特定的化工任務(wù)。2-13．多模塊聯(lián)合分離烷烴。多模塊聯(lián)合分離烷烴。進(jìn)料物流1的組成和性質(zhì)見附表。35/40目前三十五頁\總數(shù)四十七頁\編于十六點2.4含化學(xué)反應(yīng)過程在化學(xué)反應(yīng)過程中，反應(yīng)物在反應(yīng)器內(nèi)通過化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化為目標(biāo)產(chǎn)物。由于化學(xué)反應(yīng)種類繁多、機(jī)理各異，物料衡算工作量要比單純物理分離大得多。手工進(jìn)行化工設(shè)計時，一般是先做單元操作過程(或單個設(shè)備)的物料衡算，然后將各個過程匯總得到整個流程的物料衡算，進(jìn)而完成物料流程圖。軟件模擬計算時，也是一個設(shè)備一個設(shè)備序貫進(jìn)行。若流程中多于一個反應(yīng)器，或一個反應(yīng)器中多于一個化學(xué)反應(yīng)，則要求操作者對每一反應(yīng)的反應(yīng)方程式、化學(xué)反應(yīng)平衡常數(shù)、反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)仔細(xì)填寫清楚。36/40目前三十六頁\總數(shù)四十七頁\編于十六點2.4.1單個反應(yīng)器

單個反應(yīng)器同樣遵守質(zhì)量守恒定律，進(jìn)出反應(yīng)器的總質(zhì)量流率相等。為保證目的產(chǎn)品組分的產(chǎn)率和選擇性，操作者必須了解特定反應(yīng)過程的特點，選擇適宜的反應(yīng)器類型，熟悉模擬軟件中可獲得的反應(yīng)器模型類型以及它們在過程模擬中的應(yīng)用，保證所需產(chǎn)品組分足夠的產(chǎn)率和選擇性。例2-14．甲醇空氣氧化制甲醛。甲醇制造甲醛的反應(yīng)過程為：

CH3OH+0.5O2=====HCHO+H20

反應(yīng)物及生成物均為氣態(tài)，若使用50％的過量空氣，且甲醇的轉(zhuǎn)化率為75％，試計算反應(yīng)后氣體混合物的摩爾組成。37/40目前三十七頁\總數(shù)四十七頁\編于十六點2.4.1單個反應(yīng)器例2-15．甲烷水蒸汽重整制氫。甲烷在高溫高壓下會與水蒸汽反應(yīng)，生成一氧化碳和氫氣，工業(yè)上制富氫合成氣的主要途徑是通過天然氣水蒸汽重整，近年來，利用甲烷水蒸汽重整制氫用于燃料電池，也成為研究熱點。甲烷水蒸汽重整反應(yīng)方程式為：CH4+H2O3H2+CO已知原料甲烷溫度65.6℃，壓力62bar，原料水為常壓、20液態(tài)水。兩股原料混合后預(yù)熱到593℃、加壓到58.6bar入重整反應(yīng)器，反應(yīng)溫度788℃，反應(yīng)器壓降1.4bar。設(shè)水蒸氣摩爾數(shù)是甲烷的4倍，甲烷的轉(zhuǎn)化率為0.995。當(dāng)甲烷摩爾數(shù)從100kmol/h增加到500kmol/h時，求反應(yīng)器的熱負(fù)荷變化。38/40目前三十八頁\總數(shù)四十七頁\編于十六點2.4.2含反應(yīng)器的組合流程

對于一個包含反應(yīng)器、分離設(shè)備、流體輸送設(shè)備、換熱設(shè)備的組合流程的工藝設(shè)計，物料衡算將非常復(fù)雜。手工計算時，要通盤考慮，運(yùn)算要非常小心，步步為營，一有錯誤就得從頭開始。使用軟件進(jìn)行復(fù)雜工藝的物料衡算，工作量將大大降低。要求操作者對工藝過程要有充分的了解，能正確選取模塊，能準(zhǔn)確設(shè)置模塊參數(shù)。在軟件運(yùn)行錯誤時，能應(yīng)用化工基礎(chǔ)理論知識和軟件知識，對各模塊的中間數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，找出錯誤的原因，用較短時間打通流程，得到正確的物料衡算結(jié)果。39/40目前三十九頁\總數(shù)四十七頁\編于十六點2.4.2含反應(yīng)器的組合流程

例2-16。非均相反應(yīng)精餾合成乙酸丁酯。液態(tài)原料：純丁醇56.5kmol/h;乙酸水溶液1752kmol/h，乙酸摩爾分?jǐn)?shù)0.03226。正、逆反應(yīng)均為2級反應(yīng)。反應(yīng)速率常數(shù)(摩爾分?jǐn)?shù))：正反應(yīng)：k=1303456000EXP(-706600/RT)逆反應(yīng)：k=390197500EXP(-74241.7/RT)

理論版數(shù)30，反應(yīng)段5-25塔板，回流溫度50℃。分離要求：產(chǎn)品乙酸丁酯含量大于0.995摩爾分?jǐn)?shù)，丁醇摩爾收率大于90%；廢水中水的摩爾分?jǐn)?shù)大于0.995。求：兩股產(chǎn)物的流率與組成。40/40目前四十頁\總數(shù)四十七頁\編于十六點2.5含循環(huán)流的流程化工生產(chǎn)中真實的工藝流程都含有循環(huán)流或旁路流。

ASPENPLUS采用序貫?zāi)K法進(jìn)行模擬計算，該方法要求所有進(jìn)料物流的數(shù)據(jù)已知后才能進(jìn)行計算，每個單元操作模塊按流程順序執(zhí)行，每個模塊計算出來的輸出流股被作為下一個模塊的進(jìn)料使用。如果流程中沒有循環(huán)物流，計算簡單快捷。

41/40目前四十一頁\總數(shù)四十七頁\編于十六點2.5含循環(huán)流的流程帶有循環(huán)回路的流程計算必須循環(huán)求解，流程的執(zhí)行要求選擇撕裂流股，也就是具有所有由循環(huán)確定的組分流、總摩爾流、壓力和焓的循環(huán)流股，它可以是一個回路中的任意一股流股。若只有簡單的一兩股物流循環(huán)，軟件會自己判斷選擇撕裂流股，對循環(huán)物流賦值。每個撕裂流股都有一個相關(guān)的收斂模塊，由ASPENPLUS生成收斂模塊的名字，以字符$開始。但是如果流程較復(fù)雜，為加快收斂，人為對撕裂流股賦值會較容易得到結(jié)果。對于復(fù)雜的多循環(huán)回路的流程，有效地加速收斂方法，一是將流程分段或分節(jié)后運(yùn)算，二是將循環(huán)回路撕裂，根據(jù)物流守恒或著估算，給循環(huán)物流的下一次計算賦值（溫度，壓力，流量，組成），然后計算，根據(jù)計算結(jié)果，再把計算結(jié)果作為下次賦值填入，反復(fù)迭代，直至循環(huán)物流相差很小時，再把撕裂流股接上計算，這樣會很快收斂。42/40目前四十二頁\總數(shù)四十七頁\編于十六點2.5含循環(huán)流的流程例2-18。萃取精餾與溶