化工设计概论(3-1)PPT文档格式.ppt
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F,T,P,x1,x2,xn1,设备的单元变量:
dQ/dt(Q)、dW/dt(W)、ri(i1,2,,m),其它方程包括:
设计约束方程(最常见);
相平衡方程,等等。
MB、HB衡算计算的任务:
就是解MB、HB、其它方程组成的方程(组),求解出衡算范围内未知的流股变量和设备单元变量。
2、化工流程的操作状态及其对应的衡算计算基准,
(1)、连续生产流程(稳态流程),特点:
参数是位置的函数,而不随时间而变。
适用情况:
产量大,物系稳定性较好。
衡算计算基准:
时间基准(/s,/h,/d),
(2)、间歇生产流程(动态流程、批处理过程),特点:
参数不仅是位置的函数,也是时间的函数。
产量小,物系稳定性较差,需要切开批次的过程。
/批(/Batch),(3)、半间歇半连续生产流程,特点:
间歇操作和连续操作同时出现在一个流程内。
物料流在流程内流量变化大;
流程内有些物质稳定性好,有些物质稳定性较差。
连续部分,间歇部分,储罐,半间歇半连续流程框架示意图:
注意:
在二种操作模式的交界处,必须设置储罐。
以二者之间的储罐为分界点,按间歇、连续分段计算。
本章讲解顺序:
1、化工流程的自由度分析;
2、单独的MB计算3、MB、HB的联立计算;
4、计算机辅助MB、HB计算。
不带反应,带反应,3.2化工流程的自由度分析,一、化工流程自由度的定义1、数学方程组自由度问题,方程组自由度变量数方程数,问题:
化工流程中为什么也会出现自由度的概念?
2、化工流程自由度定义,化工流程的自由度流程变量总数衡算方程数已知变量数已知其它关系式数,其中:
流程变量总数,流股变量数单元变量数,衡算方程数,MB方程数HB方程数,其它关系式,设计约束方程相平衡关系式,等等,注意:
变量、方程全部必须相互独立。
二、化工流程自由度分析应注意的几个问题,1、流股变量,对一个含n种组份的单相流股,其流股变量描述为:
F,T,P,x1,x2,xn1,若压力P对热焓影响较小,则流股变量忽略P,变为:
F,T,x1,x2,xn1,进一步,若仅做MB计算,则流股变量忽略温度T,变为:
F,x1,x2,xn1(共n个),注意:
对多相流股,其流股变量的描述比较特别。
2、设备单元变量,在忽略流程做功(dW/dt或W)的情况下,设备单元变量分为两种:
设备单元变量,ri(i1,2,m;
某单元内含m个独立反应)(描述反应程度),dQ/dt(Q)(描述某设备单元的传热),3、分流器的自由度分析有特殊性,对一个化工单元设备,一般而言,它涉及到几种组份就相应可以列出几个独立的MB方程。
但唯独分流器(分配器,splitter)具有特殊性。
那么,什么是分流器呢?
它有什么作用和特点?
分流器示意图:
分流器,分流器的特点:
、其所有流股的组成相同;
、无反应,各流股只是流量不相同。
分流器的作用:
将一个流股拆分为几个组成相同、流量不同的分流股,分拆开的流股,一部分回流(recycle),一部分防空(purge)。
分流器单元的MB方程数的特殊性:
无论分流器牵涉到多少种组份,其独立MB方程只有1个。
例题:
有如下一个分流器:
解:
1、该分流器的自由度分析表如下:
2、具体MB计算(略),12,1(而不是3),9,2,0,6(42),1(而不是3),3(12),2,0,在开始下一节讲授之前,大家先考虑一个精馏塔的MB问题。
有人提出了一个无反应的单精馏塔流程的方案,试做其MB计算:
该精馏塔系统的自由度分析如下:
10,4,6,1,1,5,0,0,0,MB计算时的自由度分析对设计条件正确与否起校验作用。
3.3化工流程的物料衡算(不带反应),本节主要目的:
1、化工流程的自由度分析;
2、利用自由度分析结果判断物料衡算计算顺序;
流程示意图,例题:
有如图所示的一个连续流程,用于稀醋酸的浓缩处理,图中E代表某种溶剂组分。
过程无任何化学反应。
已知:
1.产品精馏塔进料中的HAc有67.5%从产品流中产出。
2.F1=2.3F113.图中所有组成均为质量百分数。
要求:
1.试作此过程的自由度分析,列出自由度分析表2.指出完整的物料衡算(MB)计算顺序3.求解出2号流股的组成及F2/F9,基准后,解:
这是一个只做物料衡算的情况,从流程特点可以看出,整个流程系统是:
因为流程中没有化学反应,而所有输入的流股中只含有4种组份,因而可以判定流程中所有流股所含有的组份应该4种。
第一步、根据流程的特点,确定流程中所有流股含有的组份数。
求解步骤:
3,2,2,3,3,4,2,2,2,4,2,2,各流股组份数一览表,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)溶剂提馏塔及整体的自由度分析,10,4,3,0,3,11,4,5,0,2,(3)溶剂回收塔及产品精馏塔的自由度分析,7,3,3,0,1,6,2,2,1,1,(4)混合器2及过程的自由度分析,混合器2,自由度,附加关系式数,10,已知变量数,MB衡算方程数,31,变量总数,过程,8,2,3,0,3,(5)整体与过程自由度分析之间的区别,整体:
又称“总体”,意指只考虑进出系统的流股,不考虑流程内部的中间流股。
“OverallBalance”,简称“OB”。
过程:
与整体的区别在于,过程不仅包括进出系统的流股,还要包括流程的所有中间流股。
流程自由度分析结果一览表,8,3,2,1,+2,12420+6,7330+1,6221+1,8230+3,10430+3,31,18,10,2,+1,11450+2,一个正确(设计条件给得恰好)的化工流程,其“过程”一栏中的自由度必须是0,而且其它单元(包括虚拟的OB)的自由度必须都0。
而且整体只是一个虚拟的单元,看一个化工流程设计条件给得正确与否,不能只看整体的自由度分析结果,而应该看过程的自由度分析结果。
要特别注意过程自由度分析时,MB方程的加和性、附加关系式的加和性。
去流程图,本例题的过程自由度为1,那么肯定不能通过MB计算确定流程中所有流股变量的唯一解。
问题:
这个例题是不是出错了?
全部流程设计条件中,已知的流股变量中,只有组成变量,而没有一个流量变量已知。
也就是说,该流程所有设计已知数据只有“强度”性质的数据,而没有一个“容量”性质的数据已知。
在这种情况下,该流程设计条件很有可能是所谓的“弹性设计”。
回流程图,针对弹性设计流程的自由度分析时应该注意:
1、流程是否是弹性设计?
一个流程是弹性设计,必需同时满足以下二个条件:
(1)、流程过程自由度必需是1;
(2)、流程的已知流股变量全部是强度性质(没有一个流量变量已知)。
2、针对弹性设计,做衡算计算时,就要假设一个流股的流量已知,将某一个流股的流量赋一个值,这个流股的假设流量就称为弹性设计流程的计算基准。
3、计算基础的挑选原则:
(1)、放在自由度最小的单元上;
(2)、附带再考虑计算基准对相邻单元的影响。
针对本例题,计算基准选谁(假设哪个流股的流量值)?
去自由度表,流程自由度分析表(假设F10已知),+2,+1,+3,+3,+1,+1,+6,+1,自由度,计算基准,2,0,3,3,0,0,6,1,新自由度,0,2,0,0,1,0,0,1,附加关系式数,5,10,3,3,2,3,2,2,已知变量数,4,18,4,2,2,3,4,3,MB衡算方程数,11,31,10,8,6,7,12,8,变量总数,OB,过程,溶剂提留塔,混合器2,产品精馏塔,溶剂回收塔,萃取塔,混合器1,本例题最优选择F10已知,将F10作为计算基准。
1,1,1,这样,该设计变成了有唯一确定解的正确设计了。
基准大小对MB结果的影响?
针对以上分析结果,手工计算应该从哪里入手?
手工计算肯定先从自由度最小的单元开始,尤其是从自由度为0的单元开始。
本例题肯定首先解溶剂回收塔和产品精馏塔的MB。
而且它们都是完全求解。
解完溶剂回收塔和产品精馏塔后,紧接着应该解谁?
确定下一步求解单元的原则:
从流程图上看上一步求解结果对相邻单元(包括OB)自由度的影响程度而定。
求解完溶剂回收塔和产品精馏塔后。
0,1,4,3,8,混合器1,萃取塔,2,自由度,0,附加关系式数,4,已知变量数,2,MB衡算方程数,8,变量总数,混合器2,OB,更新自由度分析表(updatinganalysistableoffreedomdegree),4,6,0,1,12,4,0,11,4,4,将对OB、萃取塔、混合器1和混合器2的自由度产生影响。
更新自由度分析结果:
接着解混合器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,将对OB、萃取塔产生影响。
更新自由度分析的结果:
接着解整体,而且是完全求解。
求解完整体(OB)后,将对混合器2、溶剂提馏塔的物料衡算产生影响。
更新自由度分析表,2,5,0,1,10,4,0,8,6,0,但只有溶剂提馏塔的自由度将变成零。
所以,这时应该求解溶剂提馏塔,而且是完全求解。
求解完溶剂提馏塔后,将对混合器2、萃取塔的物料衡算产生影响。
更新自由度分析表,2,6,0,0,8,12,4,10,0,2,2,0,结论:
解混合器2或萃取塔,必然是完全求解。
从以上分析可以在具体计算之前得出物料衡算的计算顺序:
精馏塔MB,回收塔MB,混合器1MB,整体OBMB,溶剂提馏塔MB,混合器2MB,萃取塔MB,这是一个每步计算都能完全求解的计算顺序。
最后一步不必要同时进行混合器2和萃取塔的MB,二者解其一即可。
注意:
流程中有几个单元设备,就只需要求解几步,整体(OB)也相当于一个虚拟单元。
4、按判断的衡算计算顺序进行具体求解,、精馏塔物料衡算(MB):
按自由度分析的结果出发,可以设F12100Kg/h为计算基准,解得:
F10244.44(Kg/h),F11144.44(kg/h)x11,HAC0.33,x11,H2O0.67,总流量衡算方程:
F10F11100HAc组份衡算方程:
0.6F10F11x11,HAC99设计要求(附加关系式)方程:
990.6750.6F10,、混合器1物料衡算(MB):
设计要求(附加关系式)方程:
F12.3F11332.212总流量衡算方程:
F2F1F11476.652(Kg/h)HAc组份衡算方程:
F2x2,HAC0.3332.2120.33144.44H2O组份衡算方程:
F2x2,H2O0.698332.2120.67144.44,解得:
F1332.212(Kg/h),F2476.652(Kg/h)x2,H2SO40.0014x2,HAC0.3091x2,H2O0.6895,、整体(OB)的物料衡算(MB):
该例题的最终求解结果:
2号流股组成为:
(HAc,H2O,H2SO4)(30.91,68.95,0.14)F2/F9476.652/232.4522.0505,溶剂组份E的衡算方程:
0.99F70.001F9总流量衡算方程:
332.212F7F9100H2SO4组份衡算方程:
0.002F1F9x9,H2SO4HAc组份衡算方程:
0.3F10.99F12F9x9,HAc,解得:
F70.2348(Kg/h),F9232.452(Kg/h),本题小结1、认识到自由度分析是物料衡算计算的有力工具,掌握物料衡算的求解步骤;
2、在自由度分析之前,必须会根据流程特点判断流程中各流股所含的组份数;
3、会判断流程设计是否是弹性设计,会挑选合适的计算基准;
4、会根据自由度分析结果判断衡算计算顺序,尤其是应该注意更新自由度分析;
5、不能忽视具体的求解计算过程。
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,F4可以通过F4F1F2F3计算出来,所以F4不应该算变量了。
所以流股变量只有F1、F2、F3,再加二个组成变量(共5个变量),1,但请注意:
要说明这个分流器过程,4号流股的流量一定要确定下来,怎么确定呢?
通过F4F1F2F3来确定,这样就用掉了MB方程;
变量组:
F1、F2、F3、(F1F2F3),两个组成变量;
这样做,其MB方程就不独立存在了。
0,0,1,1,1,自由度,1,1,已知附加方程数,2,2,已知流股变量数,0,1,MB方程数,4,5,总流股变量数,分流器,分流器,F5F6F7F60.5F5,F70.5F5,2,自由度,0,已知附加方程数,7,已知流股变量数,4,MB方程数,13,总流股变量数,塔1,4,0,9,4,17,塔1,2,2,
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