




已閱讀5頁,還剩39頁未讀, 繼續(xù)免費閱讀
版權(quán)說明:本文檔由用戶提供并上傳,收益歸屬內(nèi)容提供方,若內(nèi)容存在侵權(quán),請進行舉報或認領(lǐng)
文檔簡介
第三章物料衡算與熱量衡算,3.1物料衡算與熱量衡算概述,物料衡算(MaterialBalance),簡稱“MB”熱量衡算(HeatBalance),簡稱“HB”能量衡算(EnergyBalance),簡稱“EB”物料衡算與能量衡算的聯(lián)立計算(CombinedBalance),簡稱“CB”,MB與HB計算是化工工藝設計中最基本,也是最主要的計算內(nèi)容。,一、化工流程(過程)中MB、HB、EB三者之間的關(guān)系,1、MB與HB之間的關(guān)系,MB有可能能單獨(不依賴HB而獨立)求解;HB一般不能單獨求解;(間壁式換熱器除外)當MB不能獨立求解時,它就必須與HB聯(lián)合起來,求解CB。,2、EB與HB之間的關(guān)系,流程壓力水平不高,而且壓力變化也不大,系統(tǒng)能量只考慮其熱焓,而忽略其動能、勢能等機械能,在這種情況下:EBHB,3、在HB計算中,壓力對焓值的影響,熱焓是狀態(tài)函數(shù),嚴格而言,它同時與溫度和壓力有關(guān)。但溫度對焓值的影響更加顯著。在壓力水平不高且壓力變化不大的化工流程中,一般認為焓值只是溫度的函數(shù),以簡化計算。,二、化工工藝計算中的衡算計算的范圍,要進行衡算計算,就要確定衡算的范圍?;ち鞒淘O計衡算的范圍可能有如下幾種情況:,1、流程中某一個單元設備;2、流程中某幾個單元設備組合的子流程;3、整個流程。,衡算計算范圍示意圖:,邊界線(BoundaryLine)圍起來的區(qū)域構(gòu)成衡算范圍。,三、MB、HB的定義與任務,1、MB、HB的定義與任務,從化工流程內(nèi)的MB方程、HB方程出發(fā),結(jié)合其它有關(guān)方程,求解確定流程中所有流股的狀態(tài),以及有關(guān)設備的單元變量。,流股狀態(tài)可用一組流股變量來描述:F,T,P,x1,x2,xn1,設備的單元變量:dQ/dt(Q)、dW/dt(W)、ri(i1,2,,m),其它方程包括:設計約束方程(最常見);相平衡方程,等等。,MB、HB衡算計算的任務:就是解MB、HB、其它方程組成的方程(組),求解出衡算范圍內(nèi)未知的流股變量和設備單元變量。,2、化工流程的操作狀態(tài)及其對應的衡算計算基準,(1)、連續(xù)生產(chǎn)流程(穩(wěn)態(tài)流程),特點:參數(shù)是位置的函數(shù),而不隨時間而變。,適用情況:產(chǎn)量大,物系穩(wěn)定性較好。,衡算計算基準:時間基準(/s,/h,/d),(2)、間歇生產(chǎn)流程(動態(tài)流程、批處理過程),特點:參數(shù)不僅是位置的函數(shù),也是時間的函數(shù)。,適用情況:產(chǎn)量小,物系穩(wěn)定性較差,需要切開批次的過程。,衡算計算基準:/批(/Batch),(3)、半間歇半連續(xù)生產(chǎn)流程,特點:間歇操作和連續(xù)操作同時出現(xiàn)在一個流程內(nèi)。,適用情況:物料流在流程內(nèi)流量變化大;流程內(nèi)有些物質(zhì)穩(wěn)定性好,有些物質(zhì)穩(wěn)定性較差。,連續(xù)部分,間歇部分,儲罐,半間歇半連續(xù)流程框架示意圖:,注意:在二種操作模式的交界處,必須設置儲罐。,衡算計算基準:以二者之間的儲罐為分界點,按間歇、連續(xù)分段計算。,本章講解順序:1、化工流程的自由度分析;2、單獨的MB計算3、MB、HB的聯(lián)立計算;4、計算機輔助MB、HB計算。,不帶反應,帶反應,3.2化工流程的自由度分析,一、化工流程自由度的定義1、數(shù)學方程組自由度問題,方程組自由度變量數(shù)方程數(shù),問題:化工流程中為什么也會出現(xiàn)自由度的概念?,2、化工流程自由度定義,化工流程的自由度流程變量總數(shù)衡算方程數(shù)已知變量數(shù)已知其它關(guān)系式數(shù),其中:流程變量總數(shù),流股變量數(shù)單元變量數(shù),衡算方程數(shù),MB方程數(shù)HB方程數(shù),其它關(guān)系式,設計約束方程相平衡關(guān)系式,等等,注意:變量、方程全部必須相互獨立。,二、化工流程自由度分析應注意的幾個問題,1、流股變量,對一個含n種組份的單相流股,其流股變量描述為:F,T,P,x1,x2,xn1,若壓力P對熱焓影響較小,則流股變量忽略P,變?yōu)椋篎,T,x1,x2,xn1,進一步,若僅做MB計算,則流股變量忽略溫度T,變?yōu)椋篎,x1,x2,xn1(共n個),注意:對多相流股,其流股變量的描述比較特別。,2、設備單元變量,在忽略流程做功(dW/dt或W)的情況下,設備單元變量分為兩種:,設備單元變量,ri(i1,2,m;某單元內(nèi)含m個獨立反應)(描述反應程度),dQ/dt(Q)(描述某設備單元的傳熱),3、分流器的自由度分析有特殊性,對一個化工單元設備,一般而言,它涉及到幾種組份就相應可以列出幾個獨立的MB方程。但唯獨分流器(分配器,splitter)具有特殊性。,那么,什么是分流器呢?它有什么作用和特點?,分流器示意圖:,分流器,分流器的特點:、其所有流股的組成相同;、無反應,各流股只是流量不相同。,分流器的作用:將一個流股拆分為幾個組成相同、流量不同的分流股,分拆開的流股,一部分回流(recycle),一部分防空(purge)。,分流器單元的MB方程數(shù)的特殊性:無論分流器牽涉到多少種組份,其獨立MB方程只有1個。,例題:有如下一個分流器:,解:1、該分流器的自由度分析表如下:,2、具體MB計算(略),12,1(而不是3),9,2,0,6(42),1(而不是3),3(12),2,0,在開始下一節(jié)講授之前,大家先考慮一個精餾塔的MB問題。,例題:有人提出了一個無反應的單精餾塔流程的方案,試做其MB計算:,解:該精餾塔系統(tǒng)的自由度分析如下:,10,4,6,1,1,5,0,0,0,MB計算時的自由度分析對設計條件正確與否起校驗作用。,3.3化工流程的物料衡算(不帶反應),本節(jié)主要目的:,1、化工流程的自由度分析;,2、利用自由度分析結(jié)果判斷物料衡算計算順序;,流程示意圖,例題:有如圖所示的一個連續(xù)流程,用于稀醋酸的濃縮處理,圖中E代表某種溶劑組分。過程無任何化學反應。已知:1.產(chǎn)品精餾塔進料中的HAc有67.5%從產(chǎn)品流中產(chǎn)出。2.F1=2.3F113.圖中所有組成均為質(zhì)量百分數(shù)。要求:1.試作此過程的自由度分析,列出自由度分析表2.指出完整的物料衡算(MB)計算順序3.求解出2號流股的組成及F2/F9,基準后,解:這是一個只做物料衡算的情況,從流程特點可以看出,整個流程系統(tǒng)是:因為流程中沒有化學反應,而所有輸入的流股中只含有4種組份,因而可以判定流程中所有流股所含有的組份應該4種。,第一步、根據(jù)流程的特點,確定流程中所有流股含有的組份數(shù)。,求解步驟:,3,2,2,3,3,4,2,2,2,4,2,2,各流股組份數(shù)一覽表,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)溶劑提餾塔及整體的自由度分析,10,4,3,0,3,11,4,5,0,2,(3)溶劑回收塔及產(chǎn)品精餾塔的自由度分析,7,3,3,0,1,6,2,2,1,1,(4)混合器2及過程的自由度分析,混合器2,自由度,附加關(guān)系式數(shù),10,已知變量數(shù),MB衡算方程數(shù),31,變量總數(shù),過程,8,2,3,0,3,(5)整體與過程自由度分析之間的區(qū)別,整體:又稱“總體”,意指只考慮進出系統(tǒng)的流股,不考慮流程內(nèi)部的中間流股?!癘verallBalance”,簡稱“OB”。,過程:與整體的區(qū)別在于,過程不僅包括進出系統(tǒng)的流股,還要包括流程的所有中間流股。,流程自由度分析結(jié)果一覽表,8,3,2,1,+2,12420+6,7330+1,6221+1,8230+3,10430+3,31,18,10,2,+1,11450+2,一個正確(設計條件給得恰好)的化工流程,其“過程”一欄中的自由度必須是0,而且其它單元(包括虛擬的OB)的自由度必須都0。,而且整體只是一個虛擬的單元,看一個化工流程設計條件給得正確與否,不能只看整體的自由度分析結(jié)果,而應該看過程的自由度分析結(jié)果。,要特別注意過程自由度分析時,MB方程的加和性、附加關(guān)系式的加和性。,去流程圖,本例題的過程自由度為1,那么肯定不能通過MB計算確定流程中所有流股變量的唯一解。,問題:這個例題是不是出錯了?,全部流程設計條件中,已知的流股變量中,只有組成變量,而沒有一個流量變量已知。也就是說,該流程所有設計已知數(shù)據(jù)只有“強度”性質(zhì)的數(shù)據(jù),而沒有一個“容量”性質(zhì)的數(shù)據(jù)已知。,在這種情況下,該流程設計條件很有可能是所謂的“彈性設計”。,回流程圖,針對彈性設計流程的自由度分析時應該注意:,1、流程是否是彈性設計?,一個流程是彈性設計,必需同時滿足以下二個條件:(1)、流程過程自由度必需是1;(2)、流程的已知流股變量全部是強度性質(zhì)(沒有一個流量變量已知)。,2、針對彈性設計,做衡算計算時,就要假設一個流股的流量已知,將某一個流股的流量賦一個值,這個流股的假設流量就稱為彈性設計流程的計算基準。,3、計算基礎(chǔ)的挑選原則:(1)、放在自由度最小的單元上;(2)、附帶再考慮計算基準對相鄰單元的影響。,針對本例題,計算基準選誰(假設哪個流股的流量值)?,去自由度表,流程自由度分析表(假設F10已知),+2,+1,+3,+3,+1,+1,+6,+1,自由度,計算基準,2,0,3,3,0,0,6,1,新自由度,0,2,0,0,1,0,0,1,附加關(guān)系式數(shù),5,10,3,3,2,3,2,2,已知變量數(shù),4,18,4,2,2,3,4,3,MB衡算方程數(shù),11,31,10,8,6,7,12,8,變量總數(shù),OB,過程,溶劑提留塔,混合器2,產(chǎn)品精餾塔,溶劑回收塔,萃取塔,混合器1,本例題最優(yōu)選擇F10已知,將F10作為計算基準。,1,1,1,這樣,該設計變成了有唯一確定解的正確設計了。,問題:基準大小對MB結(jié)果的影響?,針對以上分析結(jié)果,手工計算應該從哪里入手?,手工計算肯定先從自由度最小的單元開始,尤其是從自由度為0的單元開始。本例題肯定首先解溶劑回收塔和產(chǎn)品精餾塔的MB。而且它們都是完全求解。,問題:解完溶劑回收塔和產(chǎn)品精餾塔后,緊接著應該解誰?,確定下一步求解單元的原則:從流程圖上看上一步求解結(jié)果對相鄰單元(包括OB)自由度的影響程度而定。,求解完溶劑回收塔和產(chǎn)品精餾塔后。,0,1,4,3,8,混合器1,萃取塔,2,自由度,0,附加關(guān)系式數(shù),4,已知變量數(shù),2,MB衡算方程數(shù),8,變量總數(shù),混合器2,OB,更新自由度分析表(updatinganalysistableoffreedomdegree),4,6,0,1,12,4,0,11,4,4,將對OB、萃取塔、混合器1和混合器2的自由度產(chǎn)生影響。,更新自由度分析結(jié)果:接著解混合器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,將對OB、萃取塔產(chǎn)生影響。,更新自由度分析的結(jié)果:接著解整體,而且是完全求解。,求解完整體(OB)后,將對混合器2、溶劑提餾塔的物料衡算產(chǎn)生影響。,更新自由度分析表,2,5,0,1,10,4,0,8,6,0,但只有溶劑提餾塔的自由度將變成零。所以,這時應該求解溶劑提餾塔,而且是完全求解。,求解完溶劑提餾塔后,將對混合器2、萃取塔的物料衡算產(chǎn)生影響。,更新自由度分析表,2,6,0,0,8,12,4,10,0,2,2,0,結(jié)論:解混合器2或萃取塔,必然是完全求解。,從以上分析可以在具體計算之前得出物料衡算的計算順序:,精餾塔MB,回收塔MB,混合器1MB,整體OBMB,溶劑提餾塔MB,混合器2MB,萃取塔MB,這是一個每步計算都能完全求解的計算順序。最后一步不必要同時進行混合器2和萃取塔的MB,二者解其一即可。注意:流程中有幾個單元設備,就只需要求解幾步,整體(OB)也相當于一個虛擬單元。,4、按判斷的衡算計算順序進行具體求解,、精餾塔物料衡算(MB):按自由度分析的結(jié)果出發(fā),可以設F12100Kg/h為計算基準,解得:F10244.44(Kg/h),F(xiàn)11144.44(kg/h)x11,HAC0.33,x11,H2O0.67,總流量衡算方程:F10F11100HAc組份衡算方程:0.6F10F11x11,HAC99設計要求(附加關(guān)系式)方程:990.6750.6F10,、混合器1物料衡算(MB):,設計要求(附加關(guān)系式)方程:F12.3F11332.212總流量衡算方程:F2F1F11476.652(Kg/h)HAc組份衡算方程:F2x2,HAC0.3332.2120.33144.44H2O組份衡算方程:F2x2,H2O0.698332.2120.67144.44,解得:F1332.212(Kg/h),F(xiàn)2476.652(Kg/h)x2,H2SO40.0014x2,HAC0.3091x2,H2O0.6895,、整體(OB)的物料衡算(MB):,該例題的最終求解結(jié)果:2號流股組成為:(HAc,H2O,H2SO4)(30.91,68.95,0.14)F2/F9476.652/232.4522.0505,溶劑組份E的衡算方程:0.99F70.001F9總流量衡算方程:332.212F7F9100H2SO4組份衡算方程:0.002F1F9x9,H2SO4HAc組份衡算方程:0.3F10.99F12F9x9,HAc,解得:F70.2348(Kg/h),F(xiàn)9232.452(Kg/h),本題小結(jié)1、認識到自由度分析是物料衡算計算的有力工具,掌握物料衡算的求解步驟;2、在自由度分析之前,必須會根據(jù)流程特點判斷流程中各流股所含的組份數(shù);3、會判斷流程設計是否是彈性設計,會挑選合適的計算基準;4、會根據(jù)自由度分析結(jié)果判斷衡算計算順序,尤其是應該注意更新自由度分析;5、不能忽視具體的求解計算過程。,例題:有如下一個分流器:,解:1、該分流器的自由度分析表如下:,12,1(而不是3),9,2,0,6(42),1(而不是3),3(12),2,0,1,12,1(而不是3),9,2,0,6(42),1(而不是3),3(12),2,0,F1F2F3F4,所以,F(xiàn)4可以通過F4F1F2F3計算出來,所以F4不應該算變量了。,所
溫馨提示
- 1. 本站所有資源如無特殊說明,都需要本地電腦安裝OFFICE2007和PDF閱讀器。圖紙軟件為CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.壓縮文件請下載最新的WinRAR軟件解壓。
- 2. 本站的文檔不包含任何第三方提供的附件圖紙等,如果需要附件,請聯(lián)系上傳者。文件的所有權(quán)益歸上傳用戶所有。
- 3. 本站RAR壓縮包中若帶圖紙,網(wǎng)頁內(nèi)容里面會有圖紙預覽,若沒有圖紙預覽就沒有圖紙。
- 4. 未經(jīng)權(quán)益所有人同意不得將文件中的內(nèi)容挪作商業(yè)或盈利用途。
- 5. 人人文庫網(wǎng)僅提供信息存儲空間,僅對用戶上傳內(nèi)容的表現(xiàn)方式做保護處理,對用戶上傳分享的文檔內(nèi)容本身不做任何修改或編輯,并不能對任何下載內(nèi)容負責。
- 6. 下載文件中如有侵權(quán)或不適當內(nèi)容,請與我們聯(lián)系,我們立即糾正。
- 7. 本站不保證下載資源的準確性、安全性和完整性, 同時也不承擔用戶因使用這些下載資源對自己和他人造成任何形式的傷害或損失。
最新文檔
- 2025至2030中國鹽酸左氧氟沙星片行業(yè)現(xiàn)狀規(guī)模與需求趨勢研究報告
- 2025至2030中國皮褲行業(yè)供需分析及發(fā)展前景報告
- 2025至2030中國環(huán)氧地坪行業(yè)市場發(fā)展分析及發(fā)展趨勢與投資前景預測報告
- 2025至2030中國特色農(nóng)產(chǎn)品行業(yè)市場占有率及投資前景評估規(guī)劃報告
- 2025特殊危險作業(yè)安全管理培訓
- 推動教育改革建設教育生態(tài)系統(tǒng)
- 醫(yī)療手術(shù)中虛擬現(xiàn)實的模擬與輔助
- 打造高效健康宣教體系推動醫(yī)療產(chǎn)品銷售增長
- 技術(shù)如何賦能商業(yè)發(fā)展以縮小數(shù)字鴻溝
- 基于教育大數(shù)據(jù)的教學質(zhì)量提升策略
- 【公開課】三角形的邊+課件+2025-2026學年人教版八年級數(shù)學上冊
- 2025年廣東省普通高中學業(yè)水平合格性考試模擬一歷史試題(含答案)
- 【公開課】+分子動理論的初步知識(教學課件)2025-2026學年初中物理人教版(2024)九年級全一冊
- 2025年4月自考03346項目管理試題
- 2024年度醫(yī)患溝通課件
- YY/T 0500-2021心血管植入物血管假體管狀血管移植物和血管補片
- GB 14934-2016食品安全國家標準消毒餐(飲)具
- 后進生轉(zhuǎn)化情況記錄表2
- 國際節(jié)能效果測量和驗證規(guī)程
- 灌陽地質(zhì)概況學習教案
- 門式腳手架專項施工方案完成
評論
0/150
提交評論