绝热闪蒸的快速计算和应用

208化T机械2004年绝热闪蒸的快速计算和应用谷里鹏(上海I程技术大学)谷雨(武汉理I：大学)摘要通过热分析简化了绝热闪蒸的算法将等温闪蒸的热量等于零作为目标值，用计算机求目标值的功能进行计算；以绝热闪蒸的汽化潜热来源于液体的显热为依据简化了热量计算。编制了快速计算绝热闪蒸的EXCEL电子表格，该表还可用于闪蒸的多种用途的计算，并给出了应用范例关键词绝热闪蒸节流节能化工计算机应用中图分类号TQ026．4文献标识码A文章编号0254-6094(2004)04-0208-05符号说明A——Antione常数；B——Antione常数；B——节流后的液体摩尔流量，kmol／h；c。——液体的等压热容，kJ／(K·kmo1)；C——气体的等压热容，kJ／(K·kmo1)；C——Antione常数；D——节流后的气体摩尔流量，kmol／h；，——原料的摩尔流量，kmol／h；^——液相混合物的摩尔热焓，kmol／h；日。——气相混合物的摩尔热焓，kmol／h；日——气相中各组分的摩尔热焓，kJ／kmol；日——摩尔汽化热，kJ／kmol；——平衡常数；p。——饱和蒸汽压，MPa；P。——节流前的压力，MPa；P，——节流后的压力，MPa；t。——节流前温度，℃；tb——液体升温到沸点，℃；t，——节流后温度，℃；——汽化分率；——液体的摩尔含量；——液体的摩尔含量；——原料的摩尔含量。绝热闪蒸(即节流闪蒸或等焓节流)是石油化工和合成氨等生产流程中常见的单元过程。凡谷里鹏，男，1954年生，副教授。上海市，200065。是液体混合物从高压设备进入低压设备，或液体混合物通过阀门后压力发生变化都有绝热闪蒸发生绝热闪蒸还是一些绝热反应的基础，应用过程函数理论可以把有汽化现象的绝热反应分解成为先反应再汽化(绝热闪蒸)的过程。实际生产中绝热闪蒸比等温闪蒸多得多，只要是瞬间发生的部分汽化过程或在保温设备中发生的部分汽化过程都可以用绝热闪蒸来计算。但是，绝热闪蒸的计算十分复杂一。其中的多个步骤都要进行试差计算。因此一般的设计中对绝热闪蒸均未进行计算。随着化工技术的发展，中、高压生产装置越来越多，企业要降低生产成本和节能环保，需要精打细算，绝热闪蒸的计算就显得非常必要。但是有关绝热闪蒸计算的范例很少，而且范例中的热焓数据应是一些加压下的数据，从一般手册中查不到。因而在解决实际问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 时，按照范例难以进行计算。为此，有必要研究绝热闪蒸过程及其计算方法，建立一套既严密又快速实用的绝热闪蒸计算方法。1简化算法以乙烯、乙烷和丙烯的混合物为例，将等温闪蒸的热量与温度的关系作曲线，如图1所示可维普资讯http://www.cqvip.com第31卷第4期化上机械209以看出热量有一个质的变化，在高温区(一10～一27℃)是吸热过程；在低温区(一27～一30℃)是放热过程。转折点就是绝热闪蒸，即绝热闪蒸是等温闪蒸在热量交换量等于零时的特例。这样就可以将绝热闪蒸简化成为等温闪蒸的热量等于零作为目标值，利用计算机直接求目标值。一l(砌00旦5000■0蕞5ooO。／．部2620]温度／图1等温闪蒸的热量与温度的关系热量计算一般是由进料、闪蒸后气相和液相的焓来计算。但笔者发现还可以简化。因为绝热闪蒸的汽化潜热来源于液体的显热。只要判断汽化的潜热等于液体的显热，就是绝热闪蒸的计算结果。这样可以省略原料热量的计算。使热量计算简化了三分之一。根据以上两条简化方法建立数学模型。1．1已知数据物料的状态数据有：节流前的压力P、温度t；节流后的压力P；原料的摩尔流量F、摩尔含量。．。物性数据由化学化工手册查找。分别是计算饱和蒸汽压P。。的Antione常数A、B。、C；液体的等压热容c气体的等压热容c和摩尔汽化热日。1．2计算1．2．1平衡常数笔者采用气相为理想气体，液相为理想溶液来确定平衡常数，即：K：：B。一P2P2∑=1(3)另外，还需要迭代试差，采用Newton(牛顿)迭代法j：∑一1一—一(4)I、‘[+(1一)]迭代试差完成后，再分别计算气相的摩尔含量、气相摩尔流量和液相摩尔流量：Y。=K。(5)D=Fv(6)B=F(1一)(7)1．2．3热量计算文献范例’计算热量时，用焓图查取焓值。但是，实际应用中焓图一般难以查到，并且焓图也不方便用计算机计算。故笔者采用热力学函数来计算焓值。取进料的温度t为计算基准，设h。为液相中i组分的摩尔热焓。则：h。=Cl(t2一t)(8)由于是 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 计算，温度的变化又不是很大，故热容cc取为常数。液相混合物的摩尔热焓用迭加原理求得：h=∑(xlh)(9)气体中组分的焓用状态函数计算，假设液体从基准温度t升温到沸点t，在沸点下汽化，再从沸点升温到t。具体算式为：H=C(tb=t1)+日+C(t2一tb)(10)气相混合物的摩尔热焓为：H。=∑(YH)(11)绝热闪蒸时应满足汽化的潜热等于液体的显热，即：BhB—DHD=0上式还可简化，用汽化分率来表示：F(1一)hB—FHD=0(1一)hB—日D=0(12)(1)2计算举例如果是非理想体系，还需要计算活度系数或逸度，具体计算方法可参阅文献[3～5]。1．2．2等温闪蒸闪蒸后的液相含量用下式计算：0·(2)同时还要满足：计算采用EXCEL电子表格。该电子表格使用简单不需编程，计算结果清晰，还有单变量求解和规划求解等高级功能。算例‘。某乙烯、乙烷和丙烯混合物，其分子组成为：乙烯0．2、乙烷0．4和丙烯0．4。现将温度为10~C、压力为2．0265MPa的饱和液体，等焓节流到0．8106MPa。求节流后的温度、汽化率维普资讯http://www.cqvip.com210化工机械2004钲和气液相组成。解：该体系为轻烃类混合物，其分子结构相似，可认为是理想体系。建立EXCEL表格(表1)。先输入题目给定的已知数据；再查文献[6]得到Antione常数热容和汽化热数据，填入表中；最后，调用单变量求解可得所有结果。计算过程如下：a．在EXCEL的“工具”菜单上，单击“单变量求解”。b．在“目标单元格”框中，输入待求解公式所在单元格的引用。此处输入“D68”单元格。c．在“目标值”框中，键入所需的结果。此处输入“0”d．在“可变单元格”框中，输入待调整数值所在单元格的引用。该单元格必须由”目标单元格”框指定的单元格的公式引用。此处输入“C72”单元格。e．单击“确定”，整个计算完成。表1绝热闪蒸EXCEL计算表单元格AEF状态变化名称压力温度流量原料组成摩尔质量M摩尔含量z．物性参数Antione常数气体热容C．液体热容CI汽化热沸点式(1)O5第1次迭代汽化分率0．36930556第2次牛顿迭代汽化分率”0．31836355第6次牛顿迭代汽化分率0．30958312kJkJ单位MPa℃kmol·htoo!·kgmol·LABCkmol-。·℃kmol‘。·℃kJ·kmol℃数据部分节流前2．02651O1O0乙烯28．O54O．215．53681347．01—18．1541．87l15．11313553．3—88．6计算部分2．5201550l136311．0592760．098142—0．453550．128091．O13225O．124706—0．2596O．1347741．001665O．140579一O．18421节流后O．81O6待求乙烷3O．O7O．415．66371511．42—17．1653．593683．09614717．3—1O3．9丙烯42．O81O．415．7O271807．53—26．1558．618112．7636118422．8—471．432950．29696190．3288190．6168261O．117028—0．668720．344860．5402747O．128725—0．513036O．3515450．5153455O．134662—0．459~7●234589mH"加拍勰¨””弛卯维普资讯http://www.cqvip.com第31卷第4期化工机械211续表1单元格D热量衡算节流后的计‘算结果式(8)液相的熔式(9)式(10)气相的焓式(11)总焓液相含量气相含量温度／℃汽化分率气相流量液相流量热交换量O．352723—3047．37一l074．889391．5494746．8l30．3527230505434O．5ll2793—4l35．359—2ll4．323l3l86．8l32002．16OlO．5ll2793O．15l8305在上述计算过程中应注意以下几点：a．t，的初值很重要。如果选取在物系的泡点与露点范围之外就得不到结果。本文的经验是给定t，初值，观察总焓(D68单元格)。只要总焓在3位数以内，用单变量求解可得到 答案 八年级地理上册填图题岩土工程勘察试题省略号的作用及举例应急救援安全知识车间5s试题及答案 。用图1所示规律来调整t，初值。例如，总焓是4位正数时，应减小t，初值。否则反之。b．如果计算的组分个数超过3个，只需要接在第3个组分的右边输入相应数据即可。C．本文曾尝试不用Newton迭代，而用“规划求解“计算。但计算不出结果。3讨论3．1与文献的比较算例的计算结果与文献[5]的比较见表2。由表2可见，用电子表格计算的结果信息多，精度高，实现了快速、准确和实用的目标。表2电子表格的计算值与文献值的比较用文献[4]中记载的工厂数据进行了验证，计算结果见表3。由表3可见，节流后的温度比较准，汽化率的误差要大一些。在对多个物系的验算中都存在这个现象。这可能是汽化分率的测定没有温度测定那么方便准确。表3应用例比较3．2闪蒸效应的讨论绝热闪蒸后液体中乙烯的含量减少了57％，丙烯的含量增加了55％，含量的变化幅度很大；绝热闪蒸后液体的流量减少了30．9％，流量变化也很大。因此，在工艺流程中绝热闪蒸的影响不可忽视。3．3使用电子表格的优点计算绝热闪蒸要进行双重迭代试差，如果用C语言或VB编程序计算，需要一定的编程与调试基础。即使编制出了计算程序，当体系的组分O一一一4●8一OO-‰t．一蚓-‰一t．一一一一O36．加维普资讯http://www.cqvip.com212化工机械2004钲数发生变化后又要修改程序，仍然不方便。用EXCEL解决了试差和组分数变化的问题。表1也可以用于计算等温闪蒸，方法是在输入完已知数据后，在C72单元格中输入等温闪蒸的温度，之后敲击“Enter”键，得出计算结果。4结束语绝热闪蒸后物料的含量和流量变化很大，因此工程设计中不应忽略对绝热闪蒸的计算。用EXCEL制作的表格可以快速计算绝热闪蒸，还可以计算等温闪蒸。参考文献1漆志文，施军民．基于变换变量的反应闪蒸过程计算高校化学工程学报，1999．13(6)：511—5172HahnJ．TroeJ，LutherK．ExperimentalandTheoreticalStud．voftheTemperatureandPressureDependencesoftheRecombinationReactionsO+NO，(+M)—+NO(+M)andNO+NO3(+M)—斗N05(+M)．PhysicalChemistryChemicalPhysics，2000，2(22)：5098～51043刘芙蓉，金鑫丽．分离过程及系统模拟．北京：科学出版社，2001．15．1044郭天民．多元汽一液平衡和精馏．北京：化学工业出版社，1983．237～342。414～436，434～4355许其佑．有机化工分离工程．上海：华东化工学院出版社．1990．3～14．27～326吴鹤峰，王抚华．化学工程手册．北京：化学工业出版社．1980．46，234，238。242(收稿日期：2003—12-31，修回日期：2004-06-07)QuickCalculationandApplicationsOfAdiabaticFlashGULipeng，GUYu!(ShanghaiUniversiQofEngineeringandTechnolog3．200065，Shanghai，China；!WuhanUniversit*ofTechnolog)．II]laTI，430012，Hubei，China)AbstractThecalculationofadiabaticflashwassimplifiedwithaheatanalysis．Thetargetvaluewastakingtheheatquantityofconstanttemperatureadiabaticflashaszero，acalculationwasperformedbyusingthefunctionofsolvingthetargetvalueofacomputer，theheatquantitycalculationwassimplifiedbasedonthegasificationpotentialheatofadiabaticflashcomingfromthesensitiveheatofliquid．AnEXCELelectronicta—bleforquickcalculationofadiabaticflashwascomplied．Theflashapplicationsinmanywayscouldbecalcu—latedusingthetable，andsomeapplicationexampleswereprovided．KeywordsAdiabaticFlash，Throttle，SavingEnergy，ComputerApplicationInChemicalIndust~(上接第229页)度和操作人员的技术水平要求较低。在现有设备的情况下就能较精确地测量管内壁残余应力。参考文献1汲寿广．在役超高压反应器安全分析与评定：[硕士 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 ：．黑龙江安达：大庆石油学院，20002韩国有，翟云先．石油机械参量测试技术．北京：石油T业出版社，1996(收稿日期：2004-02—18，修回日期：2004-07-09)StressInspectionMethodofSuperHighPressurePipelines(Vessels)ZHANGLeting，ZHANGGuomin，JIShouguang(PlasticsPlant，DaqingBranch，CNPC，Daqing，163714，Heilongjiang，China)AbstractThestressinspectionmethodofsuperhighpressurepipelines(vessels)wasstudiedusingad—vancedtheoryandinspectionmethod，i．e，themethodformeasuringtheresidualstressattheinsidewallsofsuperhighpressurepipelines(vessels)．ThepracticeshowsthattheinspectionmethodwasreliableandhighlyaecUrate．KeywordsSuperHighPressure，Autofrettage，Pipeline，StressRelease，Inspection维普资讯http://www.cqvip.com