化工过程设计第三章 物料衡算与热量衡算完整ppt课件

第三章物料衡算与热量衡算 3 1物料衡算与热量衡算概述 物料衡算 MaterialBalance 简称 MB 热量衡算 HeatBalance 简称 HB 能量衡算 EnergyBalance 简称 EB 物料衡算与能量衡算的联立计算 CombinedBalance 简称 CB MB与HB计算是化工工艺设计中最基本 也是最主要的计算内容 一 化工流程 过程 中MB HB EB三者之间的关系 1 MB与HB之间的关系 MB有可能能单独 不依赖HB而独立 求解 HB一般不能单独求解 间壁式换热器除外 当MB不能独立求解时 它就必须与HB联合起来 求解CB 2 EB与HB之间的关系 流程压力水平不高 而且压力变化也不大 系统能量只考虑其热焓 而忽略其动能 势能等机械能 在这种情况下 EB HB 3 在HB计算中 压力对焓值的影响 热焓是状态函数 严格而言 它同时与温度和压力有关 但温度对焓值的影响更加显著 在压力水平不高且压力变化不大的化工流程中 一般认为焓值只是温度的函数 以简化计算 二 化工工艺计算中的衡算计算的范围 要进行衡算计算 就要确定衡算的范围 化工流程设计衡算的范围可能有如下几种情况 1 流程中某一个单元设备 2 流程中某几个单元设备组合的子流程 3 整个流程 衡算计算范围示意图 边界线 BoundaryLine 围起来的区域构成衡算范围 三 MB HB的定义与任务 1 MB HB的定义与任务 从化工流程内的MB方程 HB方程出发 结合其它有关方程 求解确定流程中所有流股的状态 以及有关设备的单元变量 流股状态可用一组流股变量来描述 F T P x1 x2 xn 1 设备的单元变量 dQ dt Q dW dt W ri i 1 2 m 其它方程包括 设计约束方程 最常见 相平衡方程 等等 MB HB衡算计算的任务 就是解MB HB 其它方程组成的方程 组 求解出衡算范围内未知的流股变量和设备单元变量 2 化工流程的操作状态及其对应的衡算计算基准 1 连续生产流程 稳态流程 特点 参数是位置的函数 而不随时间而变 适用情况 产量大 物系稳定性较好 衡算计算基准 时间基准 s h d 2 间歇生产流程 动态流程 批处理过程 特点 参数不仅是位置的函数 也是时间的函数 适用情况 产量小 物系稳定性较差 需要切开批次的过程 衡算计算基准 批 Batch 3 半间歇半连续生产流程 特点 间歇操作和连续操作同时出现在一个流程内 适用情况 物料流在流程内流量变化大 流程内有些物质稳定性好 有些物质稳定性较差 连续部分 间歇部分 储罐 半间歇半连续流程框架示意图 注意 在二种操作模式的交界处 必须设置储罐 衡算计算基准 以二者之间的储罐为分界点 按间歇 连续分段计算 本章讲解顺序 1 化工流程的自由度分析 2 单独的MB计算3 MB HB的联立计算 4 计算机辅助MB HB计算 不带反应 带反应 3 2化工流程的自由度分析 一 化工流程自由度的定义1 数学方程组自由度问题 方程组自由度 变量数 方程数 问题 化工流程中为什么也会出现自由度的概念 2 化工流程自由度定义 化工流程的自由度 流程变量总数 衡算方程数 已知变量数 已知其它关系式数 其中 流程变量总数 流股变量数单元变量数 衡算方程数 MB方程数HB方程数 其它关系式 设计约束方程相平衡关系式 等等 注意 变量 方程全部必须相互独立 二 化工流程自由度分析应注意的几个问题 1 流股变量 对一个含n种组份的单相流股 其流股变量描述为 F T P x1 x2 xn 1 若压力P对热焓影响较小 则流股变量忽略P 变为 F T x1 x2 xn 1 进一步 若仅做MB计算 则流股变量忽略温度T 变为 F x1 x2 xn 1 共n个 注意 对多相流股 其流股变量的描述比较特别 2 设备单元变量 在忽略流程做功 dW dt或W 的情况下 设备单元变量分为两种 设备单元变量 ri i 1 2 m 某单元内含m个独立反应 描述反应程度 dQ dt Q 描述某设备单元的传热 3 分流器的自由度分析有特殊性 对一个化工单元设备 一般而言 它涉及到几种组份就相应可以列出几个独立的MB方程 但唯独分流器 分配器 splitter 具有特殊性 那么 什么是分流器呢 它有什么作用和特点 分流器示意图 分流器 分流器的特点 其所有流股的组成相同 无反应 各流股只是流量不相同 分流器的作用 将一个流股拆分为几个组成相同 流量不同的分流股 分拆开的流股 一部分回流 recycle 一部分防空 purge 分流器单元的MB方程数的特殊性 无论分流器牵涉到多少种组份 其独立MB方程只有1个 例题 有如下一个分流器 解 1 该分流器的自由度分析表如下 2 具体MB计算 略 12 1 而不是3 9 2 0 6 4 2 1 而不是3 3 1 2 2 0 在开始下一节讲授之前 大家先考虑一个精馏塔的MB问题 例题 有人提出了一个无反应的单精馏塔流程的方案 试做其MB计算 解 该精馏塔系统的自由度分析如下 10 4 6 1 1 5 0 0 0 MB计算时的自由度分析对设计条件正确与否起校验作用 3 3化工流程的物料衡算 不带反应 本节主要目的 1 化工流程的自由度分析 2 利用自由度分析结果判断物料衡算计算顺序 流程示意图 例题 有如图所示的一个连续流程 用于稀醋酸的浓缩处理 图中E代表某种溶剂组分 过程无任何化学反应 已知 1 产品精馏塔进料中的HAc有67 5 从产品流中产出 2 F1 2 3F113 图中所有组成均为质量百分数 要求 1 试作此过程的自由度分析 列出自由度分析表2 指出完整的物料衡算 MB 计算顺序3 求解出2号流股的组成及F2 F9 基准后 解 这是一个只做物料衡算的情况 从流程特点可以看出 整个流程系统是 因为流程中没有化学反应 而所有输入的流股中只含有4种组份 因而可以判定流程中所有流股所含有的组份应该 4种 第一步 根据流程的特点 确定流程中所有流股含有的组份数 求解步骤 3 2 2 3 3 4 2 2 2 4 2 2 各流股组份数一览表 第二步 做流程的自由度分析 流程自由度分析表 1 混合器1及萃取塔的自由度分析 8 3 2 1 2 12 4 2 0 6 2 溶剂提馏塔及整体的自由度分析 10 4 3 0 3 11 4 5 0 2 3 溶剂回收塔及产品精馏塔的自由度分析 7 3 3 0 1 6 2 2 1 1 4 混合器2及过程的自由度分析 混合器2 自由度 附加关系式数 10 已知变量数 MB衡算方程数 31 变量总数 过程 8 2 3 0 3 5 整体与过程自由度分析之间的区别 整体 又称 总体 意指只考虑进出系统的流股 不考虑流程内部的中间流股 OverallBalance 简称 OB 过程 与整体的区别在于 过程不仅包括进出系统的流股 还要包括流程的所有中间流股 流程自由度分析结果一览表 8 3 2 1 2 12420 6 7330 1 6221 1 8230 3 10430 3 31 18 10 2 1 11450 2 一个正确 设计条件给得恰好 的化工流程 其 过程 一栏中的自由度必须是0 而且其它单元 包括虚拟的OB 的自由度必须都 0 而且整体只是一个虚拟的单元 看一个化工流程设计条件给得正确与否 不能只看整体的自由度分析结果 而应该看过程的自由度分析结果 要特别注意过程自由度分析时 MB方程的加和性 附加关系式的加和性 去流程图 本例题的过程自由度为 1 那么肯定不能通过MB计算确定流程中所有流股变量的唯一解 问题 这个例题是不是出错了 全部流程设计条件中 已知的流股变量中 只有组成变量 而没有一个流量变量已知 也就是说 该流程所有设计已知数据只有 强度 性质的数据 而没有一个 容量 性质的数据已知 在这种情况下 该流程设计条件很有可能是所谓的 弹性设计 回流程图 针对弹性设计流程的自由度分析时应该注意 1 流程是否是弹性设计 一个流程是弹性设计 必需同时满足以下二个条件 1 流程过程自由度必需是 1 2 流程的已知流股变量全部是强度性质 没有一个流量变量已知 2 针对弹性设计 做衡算计算时 就要假设一个流股的流量已知 将某一个流股的流量赋一个值 这个流股的假设流量就称为弹性设计流程的计算基准 3 计算基础的挑选原则 1 放在自由度最小的单元上 2 附带再考虑计算基准对相邻单元的影响 针对本例题 计算基准选谁 假设哪个流股的流量值 去自由度表 流程自由度分析表 假设F10已知 2 1 3 3 1 1 6 1 自由度 计算基准 2 0 3 3 0 0 6 1 新自由度 0 2 0 0 1 0 0 1 附加关系式数 5 10 3 3 2 3 2 2 已知变量数 4 18 4 2 2 3 4 3 MB衡算方程数 11 31 10 8 6 7 12 8 变量总数 OB 过程 溶剂提留塔 混合器2 产品精馏塔 溶剂回收塔 萃取塔 混合器1 本例题最优选择F10已知 将F10作为计算基准 1 1 1 这样 该设计变成了有唯一确定解的正确设计了 问题 基准大小对MB结果的影响 针对以上分析结果 手工计算应该从哪里入手 手工计算肯定先从自由度最小的单元开始 尤其是从自由度为0的单元开始 本例题肯定首先解溶剂回收塔和产品精馏塔的MB 而且它们都是完全求解 问题 解完溶剂回收塔和产品精馏塔后 紧接着应该解谁 确定下一步求解单元的原则 从流程图上看上一步求解结果对相邻单元 包括OB 自由度的影响程度而定 求解完溶剂回收塔和产品精馏塔后 0 1 4 3 8 混合器1 萃取塔 2 自由度 0 附加关系式数 4 已知变量数 2 MB衡算方程数 8 变量总数 混合器2 OB 更新自由度分析表 updatinganalysistableoffreedomdegree 4 6 0 1 12 4 0 11 4 4 将对OB 萃取塔 混合器1和混合器2的自由度产生影响 更新自由度分析结果 接着解混合器1 而且是完全求解 求解完混合器1后 更新自由度分析表 4 7 0 0 12 4 0 11 7 1 将对OB 萃取塔产生影响 更新自由度分析的结果 接着解整体 而且是完全求解 求解完整体 OB 后 将对混合器2 溶剂提馏塔的物料衡算产生影响 更新自由度分析表 2 5 0 1 10 4 0 8 6 0 但只有溶剂提馏塔的自由度将变成零 所以 这时应该求解溶剂提馏塔 而且是完全求解 求解完溶剂提馏塔后 将对混合器2 萃取塔的物料衡算产生影响 更新自由度分析表 2 6 0 0 8 12 4 10 0 2 2 0 结论 解混合器2或萃取塔 必然是完全求解 从以上分析可以在具体计算之前得出物料衡算的计算顺序 精馏塔MB 回收塔MB 混合器1MB 整体OBMB 溶剂提馏塔MB 混合器2MB 萃取塔MB 这是一个每步计算都能完全求解的计算顺序 最后一步不必要同时进行混合器2和萃取塔的MB 二者解其一即可 注意 流程中有几个单元设备 就只需要求解几步 整体 OB 也相当于一个虚拟单元 4 按判断的衡算计算顺序进行具体求解 精馏塔物料衡算 MB 按自由度分析的结果出发 可以设F12 100Kg h为计算基准 解得 F10 244 44 Kg h F11 144 44 kg h x11 HAC 0 33 x11 H2O 0 67 总流量衡算方程 F10 F11 100HAc组份衡算方程 0 6F10 F11 x11 HAC 99设计要求 附加关系式 方程 99 0 675 0 6 F10 混合器1物料衡算 MB 设计要求 附加关系式 方程 F1 2 3F11 332 212总流量衡算方程 F2 F1 F11 476 652 Kg h HAc组份衡算方程 F2 x2 HAC 0 3 332 212 0 33 144 44H2O组份衡算方程 F2 x2 H2O 0 698 332 212 0 67 144 44 解得 F1 332 212 Kg h F2 476 652 Kg h x2 H2SO4 0 0014x2 HAC 0 3091x2 H2O 0 6895 整体 OB 的物料衡算 MB 该例题的最终求解结果 2号流股组成为 HAc H2O H2SO4 30 91 68 95 0 14 F2 F9 476 652 232 452 2 0505 溶剂组份E的衡算方程 0 99F7 0 001F9总流量衡算方程 332 212 F7 F9 100H2SO4组份衡算方程 0 002F1 F