物料衡算与热量衡算培训课程

第三章物料平衡计算和热平衡计算，3.1物料平衡计算和热平衡计算的概要，物料平衡计算(MaterialBalance )，简称“MB”热平衡计算(HeatBalance )，简称“HB”能量平衡计算(EnergyBalance )， 简称“EB”物料平衡计算和能量平衡计算的联合计算(combinationbalancebalance )，简称“CB”，简称“MB和HB计算”是化工技术设计中最基本、最主要的计算内容。 另一方面，化工过程(过程)中的MB、HB、EB的关系、1、MB与HB的关系、MB一般不能单独求解(不依赖于HB而独立)的HB、如果MB不能独立求解(除间壁式热交换器以外)的话，需要与HB协作来求解CB 2、EB与HB的关系，过程压力水平不高，压力变化也不大，系统能量只考虑热焓，忽略动能、势能等机械能，在这种情况下：在EBHB、3、HB计算中，压力对焓值的影响，热引擎温度对焓的影响更为显着。 在压力水平不高、压力变化少的化工过程中，认为焓只是温度的函数，简化了计算。 二、化工技术计算中均衡计算的范围，要进行均衡计算，必须确定均衡计算的范围。 化工过程的设计平衡计算范围可能有以下情况： 1、过程中某单元设备2 .流程中某些单元设备组合的子流程3 .整个过程。 由，平衡计算范围的图像：，分界线包围的领域构成平衡计算范围。 从三、MB、HB的定义和任务、1、MB、HB的定义和任务、化工过程中的MB方程、HB方程结合其他相关方程，求出过程中所有流股的状态以及相关设备的单元变量。 流股的状态为f、t、p、x1、x2、xn-1、设备要素变量： dQ/dt(Q )、dW/dt(W )、ri(i=1,2、2、2、m )，其他方程式为可以用一系列流股变量描述的平衡方程式，包括设计约束方程式(最常见的)。 MB、HB平衡计算任务：求解MB、HB及其他方程式的方程式(组)，求出平衡计算范围内的未知流变量和设备要素变量。 2、化工过程操作状态及其相应的平衡计算标准，(1)、连续生产过程(稳态过程)、特点：参数是位置函数，不随时间变化。 适用情况：产量大，物系稳定性好。 平衡计算的计算标准：时间标准(/s，/h，/d )，(2)，间歇生产过程(动态过程，批处理)的特点：参数不仅是位置的函数，也是时间的函数。 适用情况：产量小，物系稳定性差，需要批量切开工艺。 馀额计算标准： /批(/Batch )、(3)，半间歇半连续生产工艺，特点：间歇操作和连续操作同时出现在一个工艺中。 适用情况：流程内物料流量变化大的过程内某些物质稳定性好，某些物质稳定性差。 连续部分、间歇部分、罐：半间歇半连续流帧图像：注意：应在两种操作模式的边界设置罐。 平衡计算的标准：以两者之间的罐为边界点，间歇、连续地分段计算。 本章说明步骤： 1、化工过程的自由度分析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。无反应、反应、3.2化工过程自由度分析、一、化工过程自由度定义1、数学方程自由度问题、方程自由度变量方程数、问题：化工过程中为什么也出现自由度概念？ 2、化工过程自由度的定义、化工过程的自由度过程变量总数-平衡计算方程数-已知变量-已知其他关系方程数，其中过程变量总数、流变量单元变量、平衡计算方程数、MB方程数HB方程数、其他关系方程、设计约束方程的平衡关系方程等，注意：变量、方程是、二、化工过程自由度分析应注意的一些问题： 1、对于含有n种分量的单相流股，其流股变量记为f、t、p、x1、x2、xn-1，压力p对热焓的影响很小，流股变量忽略p，f、t、x1、x2、xn-1 另外，仅通过MB计算，流变量忽略温度t而变为f、x1、x2、xn-1(n个)，并且注意：如果忽略对于多相流变量2、设备单元变量、流功能(dW/dt或w )，则设备单元变量包括设备单元变量、ri (I=1，2，2，m； 一个单元包含m个独立反应(描述反应的程度)，dQ/dt(Q ) (描述一个单元的传热)，3，分路的自由度分析具有特殊性，并且化工单元的设备通常涉及一些成分，因此可以列举一些独立的MB方程只有分流(分配器，splitter )具有特殊性。 那么，分流是什么？它有什么作用和特点？ 示意图：分流器：分流器：分流器的特征：、其所有流体株的组成相同、没有反应，各流体株只有流量不同。 分流器的作用：将一株流体分割成相同组成、流量不同的几株流体，分割后的流体株，部分逆流，部分防空。 分流单元MB方程数的特殊性：分流涉及任何分量，只有一个独立的MB方程。 例题： 1、该分流的自由度分析表如下：2、具体的MB计算(略)、12、1 (不是3 )、9、2、0、3 (1-2)、1 (不是3 )、3 (1-2)、2，0 )在开始下一节课前考虑精馏塔的MB问题。 例题：提出了无反应的单精馏塔工艺，并尝试了其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有助于验证设计条件是否正确。 3.3化工过程的材料平衡计算(无反应)，本节的主要目的： 1、化工过程的自由度分析，2、利用自由度分析结果判断材料平衡计算的计算顺序的流程示意图，例题：有图示的连续流程，用于稀醋酸的浓缩处理，图中e表示某一溶剂成分。 过程中没有化学反应。 众所周知，产品精馏塔供给中的HAc有67.5%来自产品流程。 2.F1=2.3F113 .图中的所有组成都是质量百分率。 要求：1.尝试此过程的自由度分析，求出自由度分析表2 .表示完全材料平衡计算(MB )的计算顺序的3.2号流程株的组成和F2/F9后，解：这只是材料平衡计算的情况下，根据流程特征，流程整体系统对流程没有化学反应，所有输入流程株均有4个成分根据第一步、过程的特点，决定过程中所有流动股票中包含的组份数。 求解步骤：3、2、2、3、3、4、2、2、4、2、2、2、2、2、2、2、2、2、2、2、2、2、2、2、2、2、2、2、3、3、4、5、0、2、(3)溶剂回收塔及制品精馏塔自由度分析10，已知变量数，MB平衡计算式数，31，变量总数，过程，8，2，3，0，3，(5)整体与过程自由度分析的不同，整体也称为“整体”，意味着只考虑进出系统的流程，不考虑进出系统的“OverallBalance” 流程：与整体的不同之处在于，流程不仅包括进出系统的股票，还包括流程的所有中间股票。过程自由度分析结果一览表、8、3、2、1、2、12420、73301、6221、8230、10430、31、18、10、2、1、11450、“过程”栏的自由度必须为0，其他单元(包括虚拟OB )的自由度全部必须0。 而且，整体只是一个虚拟单元，要看化工过程的设计条件是否正确，不仅要看整体的自由度分析结果，还要看过程的自由度分析结果。 特别要注意过程自由度分析时MB方程的和性、附加关系式的和性。 现在前往流程图，本例题的过程自由度为1，无法在MB计算中确定过程中的所有流变量的唯一解。 问题：这个例题错了吗？ 而且，在所有的过程设计条件中，已知的流变量中仅有结构变量，流变量一个也不知道。 也就是说，该过程的所有设计已知数据只是“强度”性质的数据，而“容量”性质的数据不知道。 在这种情况下，过程设计条件很可能是所谓的“柔性设计”。 回到流程图，分析灵活设计流程的自由度时应注意： 1、流程是灵活设计吗？ 一个过程必须是灵活的设计，同时满足以下两个条件： (1)过程的自由度必须为1 (2)所有已知的流变量都是强度特征(流变量无一不知道)。 2、对于灵活的设计，进行平衡计算时，假设某一流股的流量是已知的，给某一流股的流量赋予值，将该流股的假设流量称为灵活的设计过程的计算基准。 3、计算基础筛选原则： (1)，放置在自由度最小的单元中(2)，考虑计算标准对邻接单元的影响进行附加。 对于本例题，计算基准选择谁(假定哪个流量股的流量值)？自由度表、流自由度分析表(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，0，2，0，0，1，0，1，附加关系式数，5，10，3，3，2，3，2，2，2，2，2，2，已知变量数，4，18 以2，2，3，4，3，MB平衡计算式数，11，31，10，8，6，7，12，8，变量总数，OB，工艺，溶剂提取塔，混合器2，产品精馏塔，溶剂回收塔，提取塔，混合器1，本例题最佳选择F10为计算基准。 -1、-1、-1，这样，设计成为唯一具有决策解的正确设计。 问：基准尺寸对MB结果的影响如何？ 对于上述分析结果，手动计算应从哪里开始？ 手动计算必须从自由度最小的单元格开始，尤其是自由度为0的单元格开始。 本例题必须首先分解溶剂回收塔和产品精馏塔的MB。 完全解决了。 问题：溶剂回收塔和产品精馏塔分解后，接下来应该分解谁？ 中选择新的扶手类型，来修改默认的扶手。 从流程图看，上一个计算结果取决于相邻单元格(包括OB )自由度的影响程度。 求溶剂回收塔和产品精馏塔后。 0，1，4，3，8，混频器1，提取塔，2，自由度，0，附加关系式数，4，已知变量数，2，MB平衡计算式数，8，变量总数，混频器2，OB，更新自由度分析表更新4，6，0，1，12，4，0，11，4，4，4，4，4，4，4，4，4，4，4，4，4，4，4，4，4，4，5，5，6，6，6，6，和自由度分析结果。 接着分解混合器1，完全解开。 解开搅拌机1后。 更新自由度分析表、4、7、0、0、12、4、0、11、7、1对OB、萃取塔有影响。 中描述的场景，使用下列步骤创建明细表，以便在概念设计中分析体量的周长。 然后解决整体，完全解决。 解整体(OB )影响混合器2、溶剂萃取塔的材料平衡计算。 更新自由度分析表、2、5、0、1、10、4、0、8、6、0，但仅溶剂萃取塔自由度为零。 因此，在这种情况下，应该解溶剂萃取塔，完全解。 求出溶剂萃取塔后，影响混合器2、萃取塔的材料平衡计算。更新自由度分析表、2、6、0、0、8、12、4、10、0、-2、2、0，结论：分解混合器2或萃取塔必须完全解决。 根据以上分析，可以在具体计算之前得到材料平衡计算的计算顺序：精馏塔MB、回收塔MB、混合器1MB、整体OBMB、溶剂萃取塔MB、混合器2MB、萃取塔MB、这是可以通过各阶段的计算完全解决的计算顺序。 最后一步不需要同时进行混频器2和萃取塔的MB，只要解开其中一个即可。 注意：由于流程包含多个单元设备，因此只需解决几个步骤，整体(OB )也就相当于一个虚拟单元。 按、4、判定的均衡计算顺序具体求解，精馏塔材料均衡计算(MB ) :自由度分析的结果，以F12=100Kg/h为计算基准，计算出F10=244.44(Kg/h )、F11=144.44(kg/h)x11、HAC=0.33、x11， H2O=0.67总流量平衡计算式： F10=F11 100HAc成分平衡计算式： 0.6F10=F11x11、HAC 99设计要求(附加关系式)式： 99=0.6750.6F10、混频器1材料平衡计算(MB ) :设计要求(附加关系式) 方程式： F1=2.3F11=332.212总流量平衡计算方程式： F2=F1 F11=476.652(Kg/h)HAc分量平衡计算方程式： F2x2，HAC=0.3332.212 0.33144.44H2O分量平衡计算方程式： F2x2， H2O=0.698332.212 0.67144.44解释： F1=332.212(Kg/h )，F2=476.652(Kg/h)x2，H2SO4=0.0014x2，HAc=0.3091x2，H2O=0.6895，整体(OB )材料平衡计算(MB ) : 该例题的最终解决结果： 2号流股组成为： (HAC、H2O、H2SO4)=(30.91%、68.95 %0. 14 % ) f2/f9=476.652/232.452=2. 0505， 溶剂成分e平衡计算式： 0.99F7=0.001F9总流量平衡计算式： 332.212 F7