化工設(shè)計(jì)概論.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(jì)算（CombinedBalance），簡稱“CB”MB與HB計(jì)算是化工工藝設(shè)計(jì)中最基本，也是最主要的計(jì)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(dú)（不依賴HB而獨(dú)立）求解；HB一般不能單獨(dú)求解；（間壁式換熱器除外）當(dāng)MB不能

2、獨(dú)立求解時(shí)，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(dòng)能、勢能等機(jī)械能，在這種情況下：EB?HB3、在HB計(jì)算中，壓力對焓值的影響熱焓是狀態(tài)函數(shù)，嚴(yán)格而言，它同時(shí)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(rèn)為焓值只是溫度的函數(shù)，以簡化計(jì)算。二、化工工藝計(jì)算中的衡算計(jì)算的范圍要進(jìn)行衡算計(jì)算，就要確定衡算的范圍?；ち鞒淘O(shè)計(jì)衡算的范圍可能有如下幾種情況：1、流程中某一個(gè)單元設(shè)備；

3、2、流程中某幾個(gè)單元設(shè)備組合的子流程；3、整個(gè)流程。衡算計(jì)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(wù)1、MB、HB的定義與任務(wù)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(shè)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(shè)備的單元變量：dQ/dt（Q）、dW/dt（W）、ri（i＝1，2，…,m）其它方程包括：設(shè)計(jì)約束方程（最常見）；相平衡方程，等等。MB、HB衡算計(jì)

4、算的任務(wù)：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(shè)備單元變量。2、化工流程的操作狀態(tài)及其對應(yīng)的衡算計(jì)算基準(zhǔn)（1）、連續(xù)生產(chǎn)流程（穩(wěn)態(tài)流程）特點(diǎn)：參數(shù)是位置的函數(shù)，而不隨時(shí)間而變。適用情況：產(chǎn)量大，物系穩(wěn)定性較好。衡算計(jì)算基準(zhǔn)：時(shí)間基準(zhǔn)（/s,/h,/d）（2）、間歇生產(chǎn)流程（動(dòng)態(tài)流程、批處理過程）特點(diǎn)：參數(shù)不僅是位置的函數(shù)，也是時(shí)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(jì)算基準(zhǔn)：/批（/Batch）（3）、半間歇半連續(xù)生產(chǎn)流程特點(diǎn)：間歇操作和連

5、續(xù)操作同時(shí)出現(xiàn)在一個(gè)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(shè)置儲罐。衡算計(jì)算基準(zhǔn)：以二者之間的儲罐為分界點(diǎn)，按間歇、連續(xù)分段計(jì)算。本章講解順序：1、化工流程的自由度分析；2、單獨(dú)的MB計(jì)算3、MB、HB的聯(lián)立計(jì)算；4、計(jì)算機(jī)輔助MB、HB計(jì)算。不帶反應(yīng)帶反應(yīng)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(xué)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

6、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(shè)計(jì)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(dú)立。二、化工流程自由度分析應(yīng)注意的幾個(gè)問題1、流股變量對一個(gè)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

7、略P，變?yōu)椋篎，T，x1，x2，……，xn－1進(jìn)一步，若僅做MB計(jì)算，則流股變量忽略溫度T，變?yōu)椋篎，x1，x2，……，xn－1（共n個(gè)）注意：對多相流股，其流股變量的描述比較特別。2、設(shè)備單元變量在忽略流程做功（dW/dt或W）的情況下，設(shè)備單元變量分為兩種：設(shè)備單元變量ri（i＝1,2,…,m；某單元內(nèi)含m個(gè)獨(dú)立反應(yīng)）（描述反應(yīng)程度）dQ/dt（Q）（描述某設(shè)備單元的傳熱）3、分流器的自由度分析有特殊性對一個(gè)化工單元設(shè)備，一般而言，它涉及到幾種組份就相應(yīng)可以列出幾個(gè)獨(dú)立的MB方程。但唯獨(dú)分流器（分配器，s

8、plitter）具有特殊性。那么，什么是分流器呢？它有什么作用和特點(diǎn)？分流器示意圖：分流器分流器的特點(diǎn)：①、其所有流股的組成相同；②、無反應(yīng)，各流股只是流量不相同。分流器的作用：將一個(gè)流股拆分為幾個(gè)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(dú)立MB方程只有1個(gè)。例題：有如下一個(gè)分流器