幻灯片 1
氨合成系统
反应温度： 400～500℃，压力：300 kg/cm2
催化反应N2 + 3H2 2NH3平衡时，氨的合成转化率为12％。
保持连续稳定操作的条件：新鲜原料气体的流量、组成恒定；反应器在恒温、恒压下操作；各分离器闪蒸温度、闪蒸压力恒定；排空物流的排空比率恒定。
混合组分
1－N2
2－H2
3－NH3
4－Ar
5－CH4
题目：氨合成系统的物料衡算流程模拟
数学模型（只考虑物料衡算）
混合器①
j = 1,2,…,5，表示5种混合组分
物流编号：1，2，……，10
5个方程
1、氨合成系统的稳态过程数学建模
混合器②
j = 1,2,…,5
5个方程
反应器 ③
反应平衡方程：
K：平衡常数，P：反应压力
5个方程
汽液平衡方程
k1,k2,…,k5为PD，TD下（即等温闪蒸）的组分平衡常数
高压分离器 ④
10个方程
低压分离器 ⑤
10个方程
汽液平衡方程
k1’,k2’,…,k5’为PF，TF下（即等温闪蒸）的组分平衡常数
分流器 ⑥
10个方程
其中，f为分割率
分子分率约束式
10个方程
共计：Ne ＝ 55 个方程
（1） 方程类型：
物料平衡方程组： 无反应——质量平衡（分子量平衡）
有反应——原子数目平衡
分子分率约束式：
设备约束式（描述流程结构）：设备参数（12个）
反应平衡常数
分割率
汽液平衡常数
汽液平衡常数
氨合成系统数学模型
5个方程
5个方程
5个方程
10个方程
10个方程
10个方程
10个方程
混合器1：
混合器2：
反应器3：
分割器5：
分离器4：
分离器6：
分子分率：
方程数：Ne ＝ 55
（2）变量个数：
变量总数：Nv ＝ Ns （Nc＋1）＋Np
Nv —— 变量总数 Nv ＝ 10 （5＋1）＋12 ＝ 72
Nc —— 通过过程单元的各边界组分数 Nc ＝ 5
Ns —— 通过过程单元的流股数 Ns ＝ 10
Np —— 设备参数个数 Np ＝ 12
（Nc＋1）—— 组分数＋流股的流量变量
∴ 方程数：Ne ＝ 55； 变量数：Nv ＝ 72
设计变量 d ＝ 72 － 55 ＝17 （个）
设备参数 12 个
进料物流变量：F1，x11，x12，x14，x15（原料气中不含组分3）
2、氨合成系统稳态模拟的计算内容
①
②
③
④
⑥
⑤
1
2
3
8
5
9
10
7
6
4
给定系统的输入参数（进料流股的参数；设备参数），计算流程内部各个单元之间的连接物流和系统的输出物流（标红），的参数（流量、组成等）。
3、氨合成系统稳态模拟的分组
第1组（6人）
第2组（6人）
第3组（6人）
进料量各组自己决定。进料组成和12个设备参数，通过查找资料，参考工业操作数据给定。
每组设置正、副组长一人。负责任务的分配和进行。报告上要给出计算过程，不能写2-3页纸交上来。
报告封面注明本组组员姓名、学号，不要遗漏，否则漏登某人的成绩，责任自负。
参考：
姚平经主编，过程系统工程，p13
张卫东，化工过程分析与合成，
杨友麒，《实用化工系统工程》
杨冀宏，麻德贤，《过程系统工程导论》
彭秉璞，《化工系统分析与模拟》
�
���������
���������
�����������
���������
���������
���������
�
1�
2�
3�
4�
5�
6�
7�
8�
9�
10�
����
�������
����NH3�
�����
���������
1�
2�
7�
���������
2�
3�
10�
混合组分
1
N2
2
H2
3
NH3
4
Ar
5
CH4
�����������
4�
3�
���������
�
4�
5�
8�
分离器⑤
6
7
5
���������
9�
10�
8�
混合
器①
混合
器②
氨合成塔
③
分
离
器
④
分离器⑤
分流器⑥
123
4
5
67
8
9
10
新鲜
原料气
产品NH
3
排空
j
j
j
x
F
x
F
x
F
2
2
7
7
1
1
=
+
混合
器①
12
7
j
j
j
x
F
x
F
x
F
3
3
10
10
2
2
=
+
混合
器②
23
10
3
2
2
2
3
NH
H
N
Û
+
ï
ï
î
ï
ï
í
ì
=
=
+
=
+
+
=
+
:
:
3
2
3
2
:
2
2
:
45
4
35
3
4
44
4
34
3
43
4
42
4
33
3
32
3
43
4
41
4
33
3
31
3
x
F
x
F
CH
x
F
x
F
Ar
x
F
x
F
x
F
x
F
H
x
F
x
F
x
F
x
F
N
3
42
41
2
43
2
x
x
x
P
K
×
=
–
混合组分
1
N
2
2
H
2
3
NH
3
4
Ar
5
CH
4
氨合成塔
③
34
)
5
,
,
2
,
1
(
8
8
5
5
4
4
L
=
+
=
j
x
F
x
F
x
F
j
j
j
)
5
,
,
2
,
1
(
5
8
L
=
=
j
k
x
x
j
j
j
分
离
器
④
4
5
8
)
5
,
,
2
,
1
(
7
7
6
6
5
5
L
=
+
=
j
x
F
x
F
x
F
j
j
j
)
5
,
,
2
,
1
(
6
7
L
=
¢
=
j
k
x
x
j
j
j
分离器⑤
67
5
8
9
10
9
8
8
9
10
)
4
,
,
2
,
1
(
F
f
F
F
F
F
j
x
x
x
j
j
j
×
=
+
=
=
=
=
L
分流器⑥
910
8
)
10
,
,
2
,
1
(
1
5
1
L
=
=
å
=
i
x
j
ij
ï
ï
î
ï
ï
í
ì
¢
¢
¢
¢
¢
5
4
3
2
1
5
4
3
2
1
,
,
,
,
,
,
,
,
k
k
k
k
k
k
k
k
k
k
f
k
(
)
5
2
1
2
2
7
7
1
1
L
,
,
j
x
F
x
F
x
F
j
j
j
=
=
+
(
)
5
2
1
3
3
10
10
2
2
L
,
,
j
x
F
x
F
x
F
j
j
j
=
=
+
ï
ï
ï
î
ï
ï
ï
í
ì
×
=
=
=
+
=
+
+
=
+
–
x
x
x
P
K
x
F
x
F
x
F
x
F
x
F
x
F
x
F
x
F
x
F
x
F
x
F
x
F
3
43
41
2
43
2
45
4
35
3
44
4
34
3
43
4
42
4
33
3
32
3
43
4
41
4
33
3
31
3
3
2
3
2
2
2
)
5
,
,
2
,
1
(
8
8
5
5
4
4
L
=
+
=
j
x
F
x
F
x
F
j
j
j
)
5
,
,
2
,
1
(
5
8
L
=
=
j
k
x
x
j
j
j
ï
î
ï
í
ì
×
=
+
=
=
=
=
8
9
10
9
8
8
9
10
)
4
,
,
2
,
1
(
F
f
F
F
F
F
j
x
x
x
j
j
j
L
)
10
,
,
2
,
1
(
1
5
1
L
=
=
å
=
i
x
j
ij
)
5
,
,
2
,
1
(
7
7
6
6
5
5
L
=
+
=
j
x
F
x
F
x
F
j
j
j
)
5
,
,
2
,
1
(
6
7
L
=
¢
=
j
k
x
x
j
j
j