物料衡算与热量衡算(1)

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例题:有如下一个分流器: 2
1000 Kg/h NaCl 0.20
1
分流器
3 4来自百度文库
Na2SO4 0.40 H2O 0.40
要求:F2=2F3,F3=0.25F4, 试做其自由度分析并求解其MB。 (组成为质量百分比浓度) 解:1、该分流器的自由度分析表如下: 方法一 独立流股变量数 独立MB方程数 已知流股变量数 已知其它关系式数 自由度 2、具体MB计算(略) 12 1(而不是3) 9 2 0 方法二(直观) 6(4+2) 1(而不是3) 3(1+2) 2 0
混合器1
E 7% HAC H2O H2SO4 混合器2
5 10 E 98.8% H2O 1.2% E 98.8% H2O 1.2% 溶 剂 提 馏 塔 废料 E 0.1% HAC H2O H2SO4 6 7 HAC 60% H2O 40%
8
E 99% H2O 1%
9
第二步、 第二步、做流程的自由度分析
流 程 示 意 图
11 循环流 HAC 24% 进料 HAC 30% H2O 69.8% H2SO4 0.2% 1 2 4 萃 取 塔 3 溶 剂 回 收 塔
12 产品流 HAC 99% H2O 1% 产 品 精 馏 塔
例题:有如图所示的一个连续流程, 例题 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=2.3F11 3. 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
7(2) E 99% H2O 1%
9(4)
(2)溶剂提馏塔及整体的自由度分析 )
11(2) 循环流 HAC 24% 进料 HAC 30% 1(3) H2O 69.8% H2SO4 0.2% 混合器1 2(3) 萃 取 塔 3(3) 12(2) 溶 剂 回 收 塔 产品流 HAC 99% H2O 1% 产 品 精 馏 塔
注意:对多相流股,其流股变量的描述比较特别。 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: ri (i=1,2,…,m;某单元内含m个独立反应) 设备单元变量 (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? 那么,什么是分流器呢? 它有什么作用和特点?
各流股组份数一览表
HAC 24%
11 循环流 进料 HAC 30% H2O 69.8% H2SO4 0.2% 萃 取 塔 4 3 溶 剂 回 收 塔
流股号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
组份数 3 3 3 4 2 2 2 2 4 2 2 2
1
2
12 产品流 HAC 99% H2O 1% 产 品 精 馏 塔
MB与HB计算是化工工艺设计中最基本,也是最主要的计算内容。 与 计算是化工工艺设计中最基本 也是最主要的计算内容。 计算是化工工艺设计中最基本,
一、化工流程(过程)中MB、HB、EB三者之间的关系 化工流程(过程) 、 、 三者之间的关系 1、MB与HB之间的关系 、 与 之间的关系 MB有可能能单独(不依赖HB而独立)求解; HB一般不能单独求解; (间壁式换热器除外) 当MB不能独立求解时,它就必须与HB联合起来,求解CB。 2、EB与HB之间的关系 、 与 之间的关系 流程压力水平不高,而且压力变化也不大,系统能量只考虑其热 焓,而忽略其动能、势能等机械能,在这种情况下:
混合器1 变量总数 MB衡算方程数 已知变量数 附加关系式数 自由度
萃取塔
E 7% HAC H2O H2SO4
4(4) 5(2)
8 3 2 1 +2
12 4 2 0 +6
10(2) 混合器2 8(2) E 98.8% H2O 1.2% E 98.8% H2O 1.2% 溶 剂 提 馏 塔 废料 E 0.1% HAC H2O H2SO4 6(2) HAC 60% H2O 40%
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 单元变量数 衡算方程数 MB方程数 HB方程数 设计约束方程 其它关系式 相平衡关系式,等等 注意:变量、方程全部必须相互独立。 注意:变量、方程全部必须相互独立。 流股变量数
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 ,……,x n-1 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 ,……,x n-1 进一步,若仅做 仅做MB计算,则流股变量忽略温度T,变为: 仅做 F,x1, x2 ,……,x n-1 (共n个)
流程自由度分析表
混合 器1 萃取塔 溶剂 回收塔 产品 精馏塔 混合 器2 溶剂 提留塔 过程 OB (整体)
变量总数 MB衡算方程数 已知变量数 附加关系式数 自由度
(1)混合器 及萃取塔的自由度分析 )混合器1及萃取塔的自由度分析
11(2) 循环流 HAC 24% 进料 HAC 30% 1(3) H2O 69.8% H2SO4 0.2% 混合器1 2(3) 萃 取 塔 3(3) 12(2) 溶 剂 回 收 塔 产品流 HAC 99% H2O 1% 产 品 精 馏 塔
在开始下一节讲授之前,大家先考虑一个精馏塔的 问题。 在开始下一节讲授之前,大家先考虑一个精馏塔的MB问题。 问题 例题: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:
100 C3 i-C4 i-C5 C5 kmol/h 0.20 0.30 0.20 0.30
2 1 馏 塔 3 精
C3 i-C4 i-C5 i-C4 i-C5 C5
(2)、间歇生产流程(动态流程、批处理过程) 间歇生产流程(动态流程、批处理过程) 间歇生产流程 特点: 参数不仅是位置的函数,也是时间的函数。 适用情况: 产量小,物系稳定性较差,需要切开批次的过程。 衡算计算基准: /批( /Batch) (3)、半间歇半连续生产流程 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。 适用情况: 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。
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
方程组自由度﹤0 方程组自由度﹥0 方程组自由度=0
无解 多解(超定解、不定解) 有唯一确定解
问题:化工流程中为什么也会出现自由度的概念? 问题:化工流程中为什么也会出现自由度的概念?
衡算计算范围示意图: 衡算计算范围示意图:
边界线(Boundary Line)围起来的区域构成衡算范围。
三、MB、HB的定义与任务 、 的定义与任务 1、MB、HB的定义与任务 、 、 的定义与任务 从化工流程内的MB方程、HB方程出发,结合其它有关方程,求 解确定流程中所有流股的状态,以及有关设备的单元变量。 流股状态可用一组流股变量来描述: F,T,P,x1, x2 ,……,xn-1 设备的单元变量: dQ/dt (Q)、dW/dt (W)、ri (i=1,2,…,m) 其它方程包括: 设计约束方程(最常见); 相平衡方程,等等。
整体 1、7号流股输入 9、12号流股输出 流程系统 (无化学反应)
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。
求解步骤: 求解步骤: 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。 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。
混合器1
E 7% HAC H2O H2SO4 混合器2
5 10 E 98.8% H2O 1.2% E 98.8% H2O 1.2% 溶 剂 提 馏 塔 废料 E 0.1% HAC H2O H2SO4 6 7 HAC 60% H2O 40%
8
E 99% H2O 1%
9
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:
0.40
计 1
: 85 的i-C5 塔 馏出
0.20
2
: 流
精馏塔

下: 10
MB方程 流 其
4 6 1 1
5 0 0 0

MB计算 计算


3.3 化工流程的物料衡算(不带反应) 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;
MB、HB衡算计算的任务: 、 衡算计算的任务 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 、 、其它方程组成的方程( ),求解出衡算范围内 就是解 未知的流股变量和设备单元变量。 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) 连续生产流程(稳态流程) 连续生产流程 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)
EB≈HB
3、在HB计算中,压力对焓值的影响 、 计算中, 计算中 热焓是状态函数,严格而言,它同时与温度和压力有关。 但温度对焓值的影响更加显著。在压力水平不高且压力变化不 大的化工流程中,一般认为焓值只是温度的函数,以简化计算。
二、化工工艺计算中的衡算计算的范围 要进行衡算计算,就要确定衡算的范围。化工流程设计衡算的范围可 能有如下几种情况: 1、流程中某一个单元设备; 2、流程中某几个单元设备组合的子流程; 3、整个流程。
第三章 物料衡算与热量衡算
3.1 物料衡算与热量衡算概述 物料衡算(Material Balance),简称“MB” 热量衡算(Heat Balance),简称“HB” 能量衡算(Energy Balance),简称“EB” 物料衡算与能量衡算的联立计算(Combined Balance), 简称“CB”
半间歇半连续流程框架示意图: 半间歇半连续流程框架示意图:
连续部分
储罐
间歇部分
注意:在二种操作模式的交界处,必须设置储罐。 衡算计算基准: 以二者之间的储罐为分界点,按间歇、连续分段计算。 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: 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。 带反应 不带反应
分流器示意图: 分流器示意图:
分流器
分流器的特点: 分流器的特点: ①、其所有流股的组成相同; ②、无反应,各流股只是流量不相同。 分流器的作用: 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: 分流器单元的 方程数的特殊性: 方程数的特殊性 无论分流器牵涉到多少种组份,其独立 方程只有1个 无论分流器牵涉到多少种组份,其独立MB方程只有 个。 方程只有
7(2) E 99% H2O 1%
9(4)
(3)溶剂回收塔及产品精馏塔的自由度分析 )
11(2) 循环流 HAC 24% 进料 HAC 30% 1(3) H2O 69.8% H2SO4 0.2% 混合器1 2(3) 萃 取 塔 3(3) 12(2) 溶 剂 回 收 塔 产品流 HAC 99% H2O 1% 产 品 精 馏 塔
溶剂 提馏塔 变量总数 MB衡算方程数 已知变量数 附加关系式数 自由度
整体 (OB)
4(4) E 7% HAC H2O H2SO4 混合器2 5(2)
10 4 3 0 +3
11 4 5 0 +2
10(2) 8(2) E 98.8% H2O 1.2% E 98.8% H2O 1.2% 溶 剂 提 馏 塔 废料 E 0.1% HAC H 2O H2SO4 6(2) HAC 60% H2O 40%
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