第三章3.1单元的设计变量.ppt

1,传质分离过程,第三章气液传质分离过程主要内容及要求：掌握设计变量的确定方法；深入理解多组分精馏过程，会分析；掌握多组分精馏的简捷计算方法；掌握萃取精馏和共沸精馏的原理和过程分析；掌握吸收过程的简捷计算方法。,课内作业,1.什么是设计变量和设计变量数？如何计算设计变量数？2.分离过程的变量有几类，分别包含哪些变量？3.分离过程的独立方程数（独立约束关系数目）包括哪几类？需要特别注意哪些地方？4.推导计算表3-1中第10个单元分凝器的总变量数、独立方程数和设计变量数（P59）。,3,第三章气液传质分离过程,3.1设计变量3.1.1单元的设计变量3.1.2设备的设计变量3.2多组分精馏3.3特殊精馏3.4间歇精馏3.5吸收与解吸,4,3.1设计变量IndependentDesignVariables,物理量：,流率、浓度、温度（物流、系统）、压力、热负荷、机械功、传热面积、理论板数等。,设计前需预先给定数值的变量称为设计变量。设计变量的个数称为设计变量数。,例如：两组分精馏，一股进料，只有顶、釜采出，则很简单，但对于多线采出等复杂情况，则需知道确定的方法。,设计前需给定数值的变量,公式,郭慕荪教授所建立的方法ND=NV-NE式中：ND设计变量数NV总变量数NE独立方程数NDthenumberofindependentvariablesNVallpertinentvariablesNEthetotalnumberofindependentequations,求设计变量数ND的方法:首先列举出过程有关的全部变量Nv，然后再减去与各变量有关的独立方程总数NE首先我们分析一下化工中的变量类型和独立方程数的确定方法。,变量类型,强度变量(intensivevariables）容度变量(extensivevariables)设备参数(equipmentparameters)强度变量：组成，温度，压力容度变量：流率，传热量设备参数：平衡级数，进料位置,8,出入物流变量数能量交换数（热、功）+设备变量数,(1)物流变量数,任一物流的自由度：,组分数,相数,对于单相流股：,完全描述一个流动流股还应加上该流股的流率。因此对于任一单相流股独立变量数：,系统的总变量数,（1）物流变量数,任一单相流股独立变量：C+2,10,出入物流变量数能量交换数（热、功）+设备变量数,(2)能量交换数,系统与环境间能量交换数的确定：有一股热量交换，增加一个变量数。既有一股热量交换，又有一股功交换时，应增加两个变量数。,系统的总变量数,(3)设备变量数,例如：精馏塔塔板数,11,依据约束关系式,(1)物料衡算式M,有C个组分的系统，能够建立C个物料衡算式。,(2)能量衡算式H,(3)相平衡关系式E,(4)与设备结构相关的关系式,(5)内在关系式S,每个系统只有1个能量衡算式。,根据相平衡条件(逸度相等、压力相等、温度相等)能够建立C(-1)+2个相平衡关系式。,约定的关系，如：物料温度、压力相等、归一化方程。,约束关系数,设计变量的指定原则,当设计独立变量数被确定以后，重要的是在这些设计变量当中，那些是需要由设计者来指定的。指定的原则：需要设定的独立变量数必须等于由设备结构(如塔的平衡级数、进料股数、进料位置、侧线出料股数、侧线出料位置等等)和由外部手段所能控制的(如系统温度、压力、进料组成、进料流率、冷凝负荷、加热负荷等等)给定变量数之和。,13,3.1.1单元的设计变量,3.1.1单元的设计变量Designvariablesforelements,14,一个化工流程由很多装置组成，而每个装置又可以分解为多个进行简单过程的单元。,确定单元的设计变量遵循前述的一般原则即可：,单元,装置,流程,例1.绝热分配器（表3-1第1个）,总变量NV物流变量数进料1：C+2出料2：（C+3）*2能量变量数绝热过程：0设备变量数简单设备：0Nv=3C+8,例1.绝热分配器,独立方程NE物料衡算关系式MC能量衡算关系式H1相平衡关系式E单相系统：0设备结构相关关系式简单设备：0内在关系式SC+3,=2C+4,例1.绝热分配器,总变量数NV=3C+8独立方程数NE=2C+4设计变量数ND=C+4,设计变量ND可进一步分为：,18,固定设计变量Nx,可调设计变量Na,Nx=进料物流变量数系统的压力,固定设计变量Nx=进料压力（C+2）+1,可调设计变量Na=ND-Nx=(C+4)-(C+3)=1,ND-Nx,例2.产物为两相的全凝器,19,出入物流变量数：,（C+2）+2,3,能量交换数：,1,Nv=3C+9,物料衡算式：,能量衡算式：,相平衡关系式：,设备结构关系式：,内在关系式：,C,1,C(-1)+2=C+2,0,2,NE=2C+5,NDe=NveNEe=C+4,设备变量数：,0,20,固定设计变量Nx=进料压力（C+2）+1,可调设计变量Na=ND-Nx=(C+4)-(C+3)=1,如单元温度或引入的冷量,例3.有传热的平衡级,21,出入物流变量数：,（C+2）+2,4,能量交换数：,1,Nv=4C+11,物料衡算式：,能量衡算式：,相平衡关系式：,设备结构关系式：,内在关系式：,C,1,C(-1)+2=C+2,0,2,NE=2C+5,NDe=NveNEe=2C+6,设备变量数：,0,22,固定设计变量Nx=进料压力2（C+2）+12C5,可调设计变量Na=ND-Nx=(2C+6)-(2C+5)=1,有传热的平衡级,如传热量或单元温度,例4.有侧线采出的平衡级,23,出入物流变量数：,（C+2）+3,5,能量交换数：,0,Nv=5C+13,物料衡算式：,能量衡算式：,相平衡关系式：,设备结构关系式：,内在关系式：,C,1,C(-1)+2=C+2,0,C+1+3,NE=3C+7,NDe=NveNEe=2C+6,设备变量数：,0,24,设计变量数的确定,出入物流变量数,物料衡算式,能量衡算式,相平衡关系式,化学反应平衡式,内在关系式,能量交换数（热、功）,进料物流变量数,压力等级数,分配器数,换热单元数,侧线采出数,串级数,设备变量数,25,固定设计变量Nx=进料压力2（C+2）+12C5,可调设计变量Na=Ni-Nx=(2C+6)-(2C+5)=1,侧采量,26,思考题1：混和器的设计变量数,思考题2：再沸器的设计变量数,掌握p58-59表3-1,27,混合器,出入物流变量数：,（C+2）,3,能量交换数：,0,3C+6,物料衡算式：,能量衡算式：,相平衡关系式：,化学反应平衡式：,内在关系式：,C,1,0,0,0,C+1,NDe=NveNce=2C+5,Nx=进料压力=2(C+2)+12C5Na=ND-Nx=(2C+5)-(2C+5)=0,28