化工設計概論(3-1).ppt

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1、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三者之間的關系1、MB與HB之間的關系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

2、必須與HB聯(lián)合起來，求解CB。2、EB與HB之間的關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：EB?HB3、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。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

3、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)，結合其它有關方程，求解確定流程中所有流股的狀態(tài)，以及有關設備的單元變量。流股狀態(tài)可用一組流股變量來描述：F，T，P，x1，x2，……，xn－1設備的單元變量：dQ/dt（Q）、dW/dt（W）、ri（i＝1，2，…,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（

4、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；

5、流程內(nèi)有些物質穩(wěn)定性好，有些物質穩(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)方程組自由度﹤0無解方程組自由度﹥0多解（超定解、不定解）方程組自由度＝0有唯一確定解問題：化工流程中

6、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)其它關系式設計約束方程相平衡關系式，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，……，xn－1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，……，xn－1進一步，若僅做MB計算，則流股變量忽略溫度T，變?yōu)?/p>

7、：F，x1，x2，……，xn－1（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（i＝1,2,…,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：①、其所

8、有流股的組成相同；②、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