设备的设计变量实用教案

1、例1. 绝热分配器独立(dl)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+321LLF1,.2 , 12,21,1,CixLxLFxLiLiFi2211LLFhLhLFh1,.2 , 12,1,CixxLiLi2 , 111,jxCiLji 21LLpp21LLTT=2C+4第1页/共42页第一页，共42页。例1. 绝热分配器总变量数 NV=3C+11独立方程(fngchng)数 NE=2C+7设计变量数 ND=C+4第2页/共42页第二页，共42页。设计(shj)(shj)变量NDND可进一步分为： 3固定固定

2、(gdng)(gdng)设计变量设计变量NxNx可调设计可调设计(shj)(shj)变量变量NaNaN Nx x = = 进料物流变量数系统的压力进料物流变量数系统的压力固定设计变量固定设计变量N Nx x = = 进料压力（进料压力（C+2C+2）+1+1可调设计变量可调设计变量N Na a = = N ND D- -N Nx x=(C+4)-(C+3)=1=(C+4)-(C+3)=1N ND D- -N Nx xeaexeDNNN第3页/共42页第三页，共42页。ND=C+4，Nx=C+3固定设计变量：进料+设备(shbi)压力C+3可调设计(shj)变量：1个可调设计变量(binling

3、)：1个，假如选R第4页/共42页第四页，共42页。待求变量(binling)与独立方程待求变量：2C+7独立(dl)方程：2C+7第5页/共42页第五页，共42页。小结(xioji) 求设计变量作用：确定需要事先给定的变量，使待求变量数与独立方程数相等，以便进行设计计算或生产过程核算 步骤： 确定所有变量（最好列表1） 确定独立方程数（最好也是列表2） 计算设计变量数、确定设计变量（在表1里圈出来） 根据独立方程数，计算求解(qi ji)待求变量（表1中除设计变量以外的所有变量）第6页/共42页第六页，共42页。课内练习 列出表3-1序号14，进料板的设计变量 要求： 1.列出所有变量（包括

4、变量名，计算总变量数） 2.列出所有独立方程(fngchng) 3.计算设计变量数，确定哪些变量为设计变量 4.列出需要求解的变量第7页/共42页第七页，共42页。上次(shn c)课练习 P59 第10个分凝器 (1)总变量(binling)NV第8页/共42页第八页，共42页。(2)独立(dl)方程 NE第9页/共42页第九页，共42页。第10页/共42页第十页，共42页。3.2 设备的设计(shj)变量设 计 变 量 ( b i n l i n g ) 计 算N 级 串 组 合 单 元复 杂 组 合 单 元第11页/共42页第十一页，共42页。一、一、N N级串级组合级串级组合(zh)(

5、zh)单元单元 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(yt)物流相联系，所以称为N级串级单元。 第12页/共42页第十二页，共42页。例 两个带传热(chun r)的平衡级串联第13页/共42页第十三页，共42页。N串级总变量(binling)数(NV)U各个平衡(pnghng)级变量数之和: (NV)U=(NV)E1+(NV)E2重复(chngf)变量数: 2（C+2)第14页/共42页第十四页，共42页。一、一、N N级串级组合级串级组合(zh)(zh)单元单元 N级串级单元的独立变量(binling)总数(NV

6、)U等于各个平衡级的独立变量(binling)数总和减去重复计数了的NR股物流中的变量(binling)数NR(C+2)，再加上应该附加变量(binling)数NA，即： (NV)U=eAReVNCNN全部单元)2()(如：串级的单元数两个串联(chunlin)还是三个串联(chunlin)第15页/共42页第十五页，共42页。N串级独立(dl)方程(NE)U无重复的独立(dl)方程(NE)U=(NE)E1+(NE)E2第16页/共42页第十六页，共42页。N级串级单元的独立方程式数等于(dngy)各平衡级的独立方程数的总和,即： eeEUENN全部单元)()(第17页/共42页第十七页，共4

7、2页。一、一、N N级串级组合级串级组合(zh)(zh)单元单元N个平衡(pnghng)级串内有中间物流2(N-1)个第18页/共42页第十八页，共42页。 (NV)U= = N(4C+13) 2(N-1)(C+2)+1 = 9N+2NC+2C+5eAReVNCNN全部单元)2()(N个串联平衡(pnghng)级的独立变量总数为：第19页/共42页第十九页，共42页。 N个串联平衡级的独立(dl)方程式数为： (NE)U= = N(2C+7) = 7N+2NC所以：设计独立(dl)变量数为： (NV)U ： 9N+2NC+2C+5 （NE)U ： 7N+2NC (ND)U ： 2N+2C+5e

8、ReEN)N(全部单元-）第20页/共42页第二十页，共42页。例 题( l t ) .2N+2C+5应指定(zhdng)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第21页/共42页第二十一页，共42页。小结(xioji) 带有热交换的N个平衡级串联的总变量、独立(dl)方程和设计变量第22页/共42页第二十二页，共42页。二、复杂二、复杂(fz)组合单元组合单元 复杂组合单元是由若干个操作单元所组成

9、，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。 设有一个多级复杂精馏塔，它有一股进料，一股侧线采出，全凝器及部分(b fen)再沸器并每一级均能供热量或引出热量。如下图所示：第23页/共42页第二十三页，共42页。如何计算设计变量？第24页/共42页第二十四页，共42页。方法(fngf)-枚举法复杂单元的设计(shj)变量数可由枚举法来确定。首先将复杂单元分解为一个个已知计算方法的简单单元用先全部加和再减去重复计算部分的方法分别计算总变量数与独立方程数计算设计(shj)变量数第25页/共42页第二十五页，共42页。方法(fngf)一 总变量数=组合单元变量数-由于(yuy)物流连接

10、所引起的重复变量数 NR (C+2)+附加变量数 独立方程数=组合单元独立方程数设计变量数=总变量数-独立方程数第26页/共42页第二十六页，共42页。步骤1复杂(fz)单元分解1）全凝器2）回流(hu li)分配器3）1S-1 平衡(pnghng)串级4）侧线采出5）S+1F-1 平衡串级6）进料7）F+1N-1 平衡串级8）再沸器第27页/共42页第二十七页，共42页。步骤2加和各简单(jindn)单元变量总数第28页/共42页第二十八页，共42页。步骤(bzhu)3计算重复变量数12345678910111213重复计算的物流数NR13重复计算变量数NR(C+2)无重复被使用(shyng

11、)的相同简单单元，NA0第29页/共42页第二十九页，共42页。步骤(bzhu)4计算独立方程数4.1 加和各简单(jindn)单元方程数第30页/共42页第三十页，共42页。步骤(bzhu)4计算独立方程数 4.2 重复计算的方程数：NR=0 独立方程数： (NE)U= 7N+2NC+5C+14 步骤5计算设计(shj)变量 (ND)U = 9N+2NC+5C+23 (7N+2NC+4C+13) = 2N+C+10第31页/共42页第三十一页，共42页。方法(fngf)二由总变量数、总方程数计算公式推导出设计变量数计算公式，再根据(gnj)公式求解。方法一的两个公式： NV(装置)=（NV)

12、e- NR(C+2)+ NA NE(装置)=（NE)e两式相减得： ND(装置)=（ ND)e- NR(C+2)+ NA第32页/共42页第三十二页，共42页。方法(fngf)二： 步骤1设计变量加和Q第33页/共42页第三十三页，共42页。方法(fngf)二： 步骤2计算设计变量NR=13，NA0ND=2N+C+10第34页/共42页第三十四页，共42页。实际指定的设计变量：各平衡级的压力（含部分再沸器) N回流分配器的出口压力1全凝器出口压力1各平衡级的传热速率(不含部分再沸器) N-1进料摩尔浓度和总进料流率C进料温度1进料压力1冷凝温度(即饱和液体(yt)温度)1进料级位置1侧线采出位

13、置1总平衡级数1侧线物流总流率1塔顶总馏出液流率D或D/F1回流流率LR或回流比LR/D1(ND)U=2N+C+10第35页/共42页第三十五页，共42页。 上述列表中前九项几乎是已知或设定的，第914项可由下列变量代替：15. 冷凝器冷却负荷QC1 再沸器加热(ji r)负荷QR 1 塔釜残留物中一个组分的回收率或摩尔浓度 1 塔顶馏出物中一个组分的回收率或摩尔浓度 1第36页/共42页第三十六页，共42页。TWO CASES In case : the design case. recovery specifications are made for one or two key comp

14、onents and the number of required equilibrium stages is determined. In case : the simulation case. The number of equilibrium stages is specified and component separations are computed.第37页/共42页第三十七页，共42页。精馏塔计算(j sun)设计型计算( j sun)：对塔进行设计，给出塔的结构参数。操作型计算( j sun)：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）。第38页/共42页第三十八页，共42页。精馏塔设计(shj)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(rling)Q（再沸器除外） N-16.冷凝器温度 1第39页/共42页第三十九页，共42页。7.总板数 18.进料级位置NF 19.侧线采出位置 110.塔顶量 111.侧线量 112. 回流比 1 也可对浓度(nngd)的要求 如xiD 99%对回收率的要求第40页/共42页第四十页，共42页。关于(guny)NA取值问题 NA的含义是“ 其