第一章绪论3设备设计变量

1、single- section countercurrent cascade1) n级串级组合单元 在复杂的分离设备中，如精馏塔、吸收塔、萃取塔等，往往都是由若干个平衡级串联成一个整体，各平衡级之间有级间蒸汽或液体物流相联系，所以称为n级串级单元。n级串级单元的独立变量总数(nv)u等于各个平衡级的独立变量数总和减去重复计数了的nr股物流中的变量数nr(c+3)，再加上应该附加变量数na，即： (nv)u=earevn)3c(n)n(全部单元 也就是说n级串级单元的独立方程式数等于各平衡级的独立方程式数的总和各平衡级的独立方程式数的总和减去重重复计数的复计数的nr股物流的摩尔分率约束式的数股物

2、流的摩尔分率约束式的数目目，即： (ne)u =所以：(nd)u = (nv)u-(ne)u = ereen)n(全部单元ereen)n(全部单元earevn)3c(n)n(全部单元earedncnn全部单元)2()( 例如带有热交换的n个平衡级串联 nn-112v出v入l入l出 (nv)u= = n(4c+13) 2(n-1)(c+3)+1 = 7n+2nc+2c+7earevn)3c(n)n(全部单元n个串联平衡级的独立变量总数为： n个串联平衡级的独立方程式数为： (ne)u= = n(2c+7) 2(n-1) = 5n+2nc+2所以：设计独立变量数为： (nd)u=(nv)u-(ne

3、)u=2n+2c+5ereen)n(全部单元例题.2n+2c+5应指定2n+2c+5个设计变量:stream vin variables c+2stream lin variables c+2每个平衡级的压力：p1、p2、p3、pn n 每个平衡级的传热：q1、q2、q3、qn n 塔的平衡级数目： n 1 two-section countercurrent cascades方法-枚举法 复杂单元的设计变量数可由枚举法来确定。首先将复杂单元分解为一个个简单的独立单元。这些简单单元的变量数 参考表6-1确定。将其累加后，再减去重复计算的变量数，就得复杂单元的变量数。方法一 总变量数=组合单元变

4、量数-由于物流连接 所引起的重复变量数 nr (c+3) 独立方程数=组合单元独立方程数-重复计 算的分子分数约束条件数 nr设计变量数=总变量数-独立方程数方法二nd(装置)=（ nd)e- nr(c+2)+ na该公式实质是由方法一 推导得到方法一的两个公式： nv(装置)=（ nv)e- nr(c+3)+ na ne(装置)=（ ne)e- nr两式相减得： nd(装置)=（ nd)e- nr(c+2)+ na2) 复杂组合单元 复杂组合单元是由若干个操作单元所组成，各个单元之间依靠物流的联系构成一个完整的多级分离装置。通过下面的例子来说明复杂组合单元的设计变量 设有一个多级复杂精馏塔，

5、它有一股进料，一股侧线采出，全凝器及部分再沸器并每一级均能供热量或引出热量。如下图所示，用虚线圈起的代表8个单元，各单元之间有13股物流相联系。 q复杂组合单元图2vnv1ns+1ss-1f+1l2fbqrs34f-1bqc1lr23 各单元的独立变量总数为 全凝器 2c+7 回流分配器 3c+10 ns串级 7(n-s)+2(n-s)c+2c+7 侧线采出级 5c+16 (s-1)f串级 7(s-1-f)+2(s-1-f)c+2c+7 进料级 5c+16 (f-1)1串级 7(f-2)+2(f-2)c+2c+7 部分再沸器 3c+10 7n+2nc+18c+59各单元的独立方程式数为 全凝器

6、 c+3 回流分配器 2c+5 ns串级 5(n-s)+2(n-s)c+2 侧线采出级 3c+9 (s-1)f串级 5(s-1-f)+2(s-1-f)c+2 进料级 2c+8 (f-1)1串级 5(f-2)+2(f-2)c+2 部分再沸器 2c+6 5n+2nc+4c+22 由于单元间有13股物流相联系，需要减去由它引起的重复变量数，此外，再没有未规定的变量，因此，实际独立变量数为： (nv)u= 7n+2nc+18c+59 13(c+3)+0 = 7n+2nc+5c+20 独立方程式数： (ne)u= 5n+2nc+4c+22 13= 5n+2nc+4c+9 所以：该装置的设计变量数为： (

7、nd)u = 7n+2nc+5c+20 (5n+2nc+4c+22) = 2n+c+11实际指定的设计变量：1. 各平衡级的压力（含部分再沸器) n2. 回流分配器的出口压力13. 全凝器出口压力14. 各平衡级的传热速率(不含部分再沸器) n-15. 分配器传热速率16. 进料摩尔浓度和总进料流率c7. 进料温度18. 进料压力19. 冷凝温度(即饱和液体温度)110.进料级位置111.总平衡级数112.侧线采出位置113.侧线物流总流率114.塔顶总馏出液流率d或d/f115.回流流率lr或回流比lr/d1(nd)u=2n+c+11 上述列表中前九项几乎是已知或设定的，第1015项可由下列

8、变量代替：16. 冷凝器加热负荷qc117. 再沸器加热负荷qr 118. 塔釜残留物中一个组分的回收率或摩尔浓度 119. 塔顶馏出物中一个组分的回收率或摩尔浓度 120. 塔内的最大蒸汽速率1two cases in case : the design case. recovery specifications are made for one or two key components and the number of required equilibrium stages is determined. in case : the simulation case. the number

9、 of equilibrium stages is specified and component separations are computed.精馏塔计算设计型计算：对塔进行设计，给出塔的结构参数。操作型计算：塔已经建好，看塔符合不符合要求。如不符合要求，可调整参数，如回流比、采出量（或进料位置等。但一般不做改变）。精馏塔设计变量1.进料 c+22.各级压力（含部分再沸器) n3.全凝器出口压力 14.分配器出口压力 15.各级传热量q（再沸器除外） n-16.回流分配器的q 17.冷凝器温度 18.总板数 19.进料级位置nf 110.侧线采出位置 111.塔顶量 112.侧线量 113. 回流比 1 也可对浓度的要求 如xid 99%对回收率的要求关于na取值问题 na的含义是“ 其他未规定的变量数，如平衡级数、进料位置、侧线采出位置等”。 因