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全流程线性模拟质量衡算方程组的建立与求解
第二章 化工过程数学模拟 第四节 全流程线性模拟 质量衡算方程组的建立与求解 一、全流程线性质量衡算的基本步骤 (1)假定流程的温度、压力初值。根据每个单元操作的自由度,还可假定采出率、分割比例等; (2)建立各单元各物流的近似质量衡算式,并确定每个单元操作的参数; (3)联立所有单元质量衡算方程并求解每个物流的组成; (4)根据相平衡关系重新对步骤(1)假定的参数进行计算:计算温度和压力结果与假定值进行比较; 变化不大, 给出物流的温度和压力计算结果,开始能量和热量衡算。 二、乙烯制乙醇工艺流程线性质量衡算方程的建立 (1)化学反应 (2)进料方式:混合气体96%乙烯、3%丙稀、1%甲烷。 (3)分离流程:根据反应后混合物包括甲烷(M)、乙烯(EL)、丙烯(PL)、乙醚(DEE)、乙醇(EA)、异丙醇(IPA)、水(W)以及少量巴豆醛(CA)等废物的物理化学性质确定分离流程,包括闪蒸、吸收、精馏。 (4)净化流股:甲烷<10% 线性质量衡算拓扑图 流程中各单元质量衡算 以100mol/s的乙烷进料μ01为计算基准,流程中各操作单元的质量衡算模型为: 混合器 反应器 闪蒸器 310K下进料,假定闪蒸压力68.5bar ,乙醚为关键组分且ξn=0.5 吸收器 给定操作压力P=68bar、温度T=310K,并选择需回收的产品乙醇作为关键组分n,回收率为ξn=0.99 。 分割器 需要确定分割比例ξ,使得甲烷的含量不大于10% 。 混合器 脱水塔-脱水 定义乙醇、水为轻重关键组分,ξEA=0.995,ξW=0.1 塔顶冷却水310K,对于少量轻组分M、EL、PL,冷凝器选取分凝器。 脱水塔操作温度310K。已知αEA/W=2.44,通过Fenske方程可计算得到: 已知αIPA/W=1.93,中间组分IPA的采出率为: 脱醚塔-脱乙醚 规定乙醚的回收率为99.5% 共沸分离塔 共沸组成85.4%EA,14.5%W,给定共沸物的采出率ξaz=0.995,此外塔顶产品中IPA的含量不超过0.1%。 三、线性质量衡算方程的求解 断裂流股计算方法 (1)选择断裂流股,可断开所有循环回路(一般选择反应器入口流股); (2)从反应器入口开始,反方向考察流程(在反应器出口结束); (3)从反应器入口开始,使用分割比例(采出率)表示所有流程。 通过发酵可以把2kg谷物转化为1kg乙醇和1kg水。当发酵反应器的效率为1时,它可以把进入反应器的所有谷物都转化掉。 (1)进料流率为100kg/min,含谷物20%,水80%; (2)反应器效率0.25; (3)发酵产物经过过滤后,在剩下的浆液即谷物发酵浆液中仍然滞留部分乙醇/水溶液。在浆液中,每10kg的谷物中含有1kg的乙醇/水溶液; (4)5%(Wt)的浆液放掉。 计算反应器入口物流的流率和组成? 例题 以上为合成氨生产流程,进料组成为20%N2、78%H2和2%CH4,进料与两股循环物流混合进入一个反应器。这里,N2转化为NH3的转化率为45%,反应式为: 产品氨的回收通过2级闪蒸。如果净化流股的分割率为5%,请问甲烷在反应器进口的浓度? 首先将流程图中涉及到质量衡算的单元与物流编号; 假定总流率为100mol/s,从反应器入口开始,分别以各组分为基准,给出物料衡算式; * * 不影响质量衡算的设备如泵、压缩机与换热器等从图中去掉。 0.054 0.083 0.121 0.5 0.932 0.958 0.996 ξk 0.057 0.091 0.138 1.0 13.8 67.3 256.1 αk/DEE 47.1 75.1 114.5 824 11360 55500 211000 P0 W IPA EA DEE PL EL M 组分 进料流率未知,全部流程的质量衡算模型建立起来后,可求出进料流率,这时要对所假设的关键组分采出率进行检验。 0.998 1.9×10-3 21.6 529.1 24.4 0.41 W 0.993 6.5×10-3 12.02 153.2 12.66 0.79 IPA 0.99 0.01 9.79 98.92 10 1.0 EA 0.76 0.24 2.30 4.17 1.38 7.24 DEE 0.099 0.901 1.10 1.11 0.101 99.5 PL 0.021 0.979 1.021 1.021 0.021 486.3 EL 0 1.0 1 1 5.4×10-3 1854 M ξ42 ξ41 βN-1 βN Ak αk/n comp 解方程得到ξ=0.0038,由于甲烷的含量不超过10%, 因此我们选择一个较大安全分割比例ξ=0.00
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