第六章间歇化工过程
《间歇化工过程》
精选课件
40
⑵符号说明
精选课件
41
⑶目标函数
通常使用的主要准则或目标函数是 Fmax ……最大的流经时间（min) （时间表费用直接和最长作业时间相关） Cmax……最大的完成时间（min) （时间表费用取决于加工系统完成这一组作业的 时间）
——就绪时间的差别，Cmax称为总生产时间
F……平均流经时间 C……平均完成时间（
间歇 过程
安全 系统
连续 过程
连续过程安全 系统不能够应 用于间歇过程
降低系统的停 车时间，以避 免因停车造成 经济损失
精选课件
15
二.间歇过程与连续过程的比较
间歇 过程
生产 产品
连续 过程
为小批量、高 附加值的化学 品而设计; 一个生产周期 只产一批产品
精选课件
为需求量很大 的特定产品而 设计； 原料连续加入， 产品连续产出
商品化学品生产 专用的功能化学品生
产；
20世 纪30
大规模过程 程；
小规模的具有弹性的过
年代 连续加工
间歇加工；
前
过去靠价格竞争现在靠质量竞源自；过去靠投资来推动发展 靠信息来推动
精选课件
发展等等
5
目 前
间歇化工过程
第一节 间歇过程与连续过程
精选课件
6
间歇化工过程 （非连续化工过程）
间歇过程通常被定义为“将有限 量的物料，按规定的加工顺序，在一 个或多个设备中加工，以获得有限量 产品的加工过程。如果需要更多的产 品，必须重复该过程。”
*
根
据
生
产
产
品
的
数
量
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20
三.间歇过程的基本概念
化工原理 第六章 蒸馏
相同时进行多次部分冷凝和部分汽
化。 精馏条件：塔顶的液体回流和塔 釜的产生的蒸汽回流。
29
t P=定值 t1
t P=定值 t1 t2 t3 1 2 3
xW x1
xF
y1
yF
x(y)
x1
x2 xF x3 y1
y2 y3 x(y)
图6-10 一次部分气化的图
图6-11 多次部分气化和冷凝的示意图
30
V HF 加料板F L’ hF V’ H F+1
L' L q F
L L q F
'
F L V ' V L'
V ' V (q 1)F
41
V F L V F L V (1-q)F F qF L L’ 汽液混合进料
V ＝V (1 q)F
V’
V’
L’ 冷液进料
p p xA p
0 A 0 B
0 A
0 B
0 B
0 P pB xA 0 0 p A pB
xB 1 x A
——泡点方程
若平衡的气相为理想气体，可用道尔顿分压定律：
0 pA pA yA x P P
yB 1 y A
——汽液两相平衡组成间的关系
0 0 0 pA pA p pB f A (t ) p f B (t ) —露点方程 yA xA 0 0 p p pA pB p f A (t ) f B (t )
3
传质过程或分离操作：物质在相间的转移过程。
蒸馏：将液体混合物部分气化，利用各组分的挥发 度不同的性质以实现分离目的的操作。
易挥发组分（轻组份）：沸点低的组分 难挥发组分（重组份）：沸点高的组分
《化工过程分析与合成》教学大纲
化工过程分析与合成课程教学大纲一、课程的基本信息适应对象：化学工程与工艺、课程代码：41E01016学时分配：32赋予学分：2学分先修课程：高等数学、化工原理、化工设备机械基础、化学反应工程后续课程：化工设计、化工过程开发二、课程性质与任务1课程性质：《化工过程分析与合成》课程是一门具有综合性、应用性、研究性特色的化工类专业主干课程，以科学研究的方法论为主线，培养成人教育学生将实践经验与所学知识相结合分析和解决工程问题的能力。
2课程任务：通过本课程教学，使学生在学习了化工原理、化工热力学、化学反应工程等课程的基础上，学会以系统工程的方法来处理化工过程的分析与合成问题。
三、教学目的与要求本课程以科学研究的方法论为主线，培养学生将实践经验与所学知识相结合、分析和解决工程问题的能力。
通过本课程的学习，使学生掌握将实验室研究成果（新工艺、新产品等）实现工业化的主要方法，掌握化工过程及系统工程的发展概况；氨合成工艺介绍了化工过程系统稳态模拟方法及其分析求解方法；化工过程系统动态模拟的特性、方法及数学处理；化工过程系统的优化和求解方法；化工生产过程操作工况调优的数学模型及调优计算，以及人工神经元网络的基础知识；间歇化工过程的基本概念、模型化方法及设计优化；换热网络的合成及其夹点技术进行了全面的介绍；分离塔序列合成的方法等环节的过程研究。
通过列举大量化工过程开发的实例，让学生了解正确的理论指导、科学的实验方法、以及工艺与工程相结合的工程观念在化工过程开发中的重要作用。
四、教学内容与安排第一章绪论（课堂讲授学时：2）1.1 化工过程1.2 化工过程生产操作控制1.3 化工过程的分析与合成1.4 化工过程模拟系统1.5 化工企业CIPS技术第二章化工过程系统稳态模拟与分析（课堂讲授学时：4）2.1 典型的稳态模拟与分析问题2.2 过程系统模拟的三类问题及三种基本方法2.3 过程系统模拟的序贯模块法2.4 过程系统模拟的面向方程法2.5 过程系统模拟的联立模块法2.6 氨合成工艺流程的模拟与分析第三章化工过程系统动态模拟与分析（课堂讲授学时：4）3.1 化工过程系统的动态模型3.2 连续搅拌罐反应器的动态特性3.3 精馏塔的动态特性第四章化工过程系统的优化（课堂讲授学时：4）4.1 概述4.2 化工过程系统优化问题基本概念4.3 化工过程系统最优化问题的类型4.4 化工过程中的线性规划问题4.5 化工过程中非线性规划问题的解析求解4.6 化工过程中非线性规划问题的数值求解第五章化工生产过程操作工况调优（课堂讲授学时：2）5.1 化工生产过程操作工况调优的作用与意义5.2 化工生产过程操作工况离线调优的方法第六章间歇化工过程（课堂讲授学时：6）6.1 间歇过程与连续过程6.2 过程动态模型及模拟6.3 间歇过程的最优时间表6.4 多产品间歇过程的设备设计与优化第七章换热网络合成（课堂讲授学时：4）7.1 化工生产流程中换热网络的作用和意义7.2 换热网络合成问题7.3 换热网络合成--夹点技术7.4 夹点法设计能量最优的换热网络第八章分离塔序列的综合（课堂讲授学时：6）8.1 精馏塔分离序列综合概况8.2 分离序列综合的基本概念8.3 动态规划法8.4 分离度系数有序探试法8.5 相对费用函数法8.6 分离序列综合过程的评价五、教学设备和设施多媒体教室、黑板、黑板笔六、课程考核与评估期末闭卷考试，考试时间100min。
化工原理-6章蒸馏
y x 1 ( 1)x
——相平衡方程
当 α为已知时，可用相对挥发度表示了气液相平衡关系。
当 1 当 1
y=x, 即相平衡时气相的组成与液相的组成相同， 不能用蒸馏方法分离。
则y>x,α愈大，y比x大的愈多，组分A和B愈易分离。
三、双组分理想溶液的气液平衡相图
双组分理想溶液的汽液平衡关系用相图表示比较直观、 清晰，而且影响蒸馏的因素可在相图上直接反映出来。蒸馏 中常用的相图为恒压下的温度-组成（ t-x-y ）图和气相-液 相组成（ x-y ）图。
当生产任务要求将一定数量和组成的原料分离成指定组成 的产品时，精馏塔计算的内容有：出液和塔釜残液的流量、塔 板数、进料口位置、塔高、塔径等。
6.4.1 全塔物料衡算
1．全塔物料衡算
单位时间为基准
总物料衡算： qn,F=qn,D+qn,W 易挥发组分物料衡算：
qn,FxF=qn,DxD+qn,WxW qn,F、qn,D、qn,W——流量，kmol/h
二、蒸馏的分类
1、按蒸馏方法：简单蒸馏、平衡蒸馏(闪蒸)、精馏、特殊精馏。 2、按操作压力：常压；减压；加压。 3、按原料液组分数：双组分蒸馏和多组分蒸馏 4、按操作方式：间歇蒸馏和连续蒸馏。
三、蒸馏操作的特点
优点：* 适用面广，液体混合物和气体混合物均可 * 操作流程较简单，无需其他外加介质
缺点：* 能耗大
一、利用饱和蒸气压计算气液平衡关系
法国物理学家拉乌尔在1887年研究含有非挥发性溶质的 稀溶液的行为时发现的，可表述为：“在某一温度下，稀溶 液的蒸气压等于纯溶剂的蒸气压乘以溶剂的摩尔分数”。
PA PA0 xA ——拉乌尔定律
pA0——纯组分A在溶液温度下的饱和蒸气压，Pa； xA——溶液中组分A的摩尔分数；
(化工原理)第6章：质量传递过程基础
D z
c0 cBm
cA1 cA2
对于理想气体
cBm
cB2 cB1
ln
cB2 cB1
cB1 c0 cA1 cB2 c0 cA2
NA
D RTz
p pBm
pA1 pA2
p pBm
pBm
pB2 pB1
ln
pB2 pB1
pB1 p pA1 pB2 p pA2
c cBm
称为漂流因子 反应总体流动对传质通量的影响
NA ky y yi
NA kx xi x
NA kG pA pAi
NA kL cAi cA
传质系数 k=f (D,η,ρ,u,d )
经验关联式很多，但普遍偏差较大 主要通过实验获得
JA
DAB
dcA dz
yi Ki xi
NA
D z
c0 cBm
cA1 cA2
NA
D RTz
主体中高度湍流传质阻力为零，即无浓度
O
距离 z
相际传质双膜模型
梯度。 ④ 相界面上气液处于平衡状态，无传质阻
力存在。
（2）总传质速率方程
① 气膜和液膜传质速率方程 对气相：
NA kG pA pAi
间歇反应的工艺流程概述、工艺控制说明
第六章间歇反应一、工艺流程简介间歇反应过程在精细化工、制药、催化剂制备、染料中间体等行业应用广泛。
本间歇反应的物料特性差异大；多硫化钠需要通过反应制备；反应属放热过程，由于二硫化碳的饱和蒸汽压随温度上升而迅猛上升，冷却操作不当会发生剧烈爆炸；反应过程中有主副反应的竞争，必须设法抑制副反应，然而主反应的活化能较高，又期望较高的反应温度。
如此多种因素交织在一起，使本间歇反应具有典型代表意义。
在叙述工艺过程之前必须说明，选择某公司有机厂的硫化促进剂间歇反应岗位为参照，目的在于使本仿真培训软件更具有工业背景，但并不拘泥于该流程的全部真实情况。
为了使软件通用性更强，对某些细节作了适当的变通处理和简化。
有机厂缩合反应的产物是橡胶硫化促进剂DM的中间产品。
它本身也是一种硫化促进剂，称为M，但活性不如DM。
DM是各种橡胶制品的硫化促进剂，它能大大加快橡胶硫化的速度。
硫化作用能使橡胶的高分子结构变成网状，从而使橡胶的抗拉断力、抗氧化性、耐磨性等加强。
它和促进剂D合用适用于棕色橡胶的硫化，与促进剂M合用适用于浅色橡胶硫化。
本间歇反应岗位包括了备料工序和缩合工序。
基本原料为四种：硫化钠（Na2S）、硫磺（S）、邻硝基氯苯（C6H4ClNO2）及二硫化碳（CS2）。
备料工序包括多硫化钠制备与沉淀，二硫化碳计量，邻氯苯计量。
1．多硫化钠制备反应此反应是将硫磺（S）、硫化钠（Na2S ）和水混合，以蒸汽加热、搅拌，在常压开口容器中反应，得到多硫化钠溶液。
反应时有副反应发生,此副反应在加热接近沸腾时才会有显著的反应速度。
因此，多硫化钠制备温度不得超过85℃。
多硫化钠的含硫量以指数n表示。
实验表明，硫指数较高时，促进剂的缩合反应产率提高。
但当n增加至4时，产率趋于定值。
此外，当硫指数过高时，缩合反应中析出游离硫的量增加，容易在蛇管和夹套传热面上结晶而影响传热，使反应过程中压力难于控制。
所以硫指数应取适中值。
2．二硫化碳计量二硫化碳易燃易爆，不溶于水，密度大于水。
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2
第六章 化学工程与工艺的科学基础
化学工业中存在着千变万化 的各种化学加工过程，即化工过 程。化工过程中不仅包含化学变 化的过程，而且还包含分离混合 物为较纯净的不同组分以及改变 其物理状态和性质的各种过程。
两方面，一是对化学反应规律的 研究，二是对反应器中传递规律 的研究。
25
2、化学反应的操作方式
（1）间歇式操作 （2）连续式操作
3、反应器的形式
（1）釜式反应器 （2）固定床放应器 （3）流化床反应器
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27
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第三节 化工过程控制
1、化工过程控制的目的
化工过程控制的目的在于保证化工 装备平稳运行、从而使生产过程平稳、 多出合格产品。
第六章化学工程与工艺的科学基础大规模装置15万吨年此装置有六台结晶器此规模中显示出其中的两台在某现有装置中进行一台结晶器的安装馏结合用于分离萘及其衍生物1322152318242325化工过程控制的目的在于保证化工装备平稳运行从而使生产过程平稳多出合格产品
现代化工导论
第六章 化学工程与工艺的科学基础
3
在某现有装置中进 行一台结晶器的安装
大规模装置（15万吨/年）
此装置有六台结晶器，此规 模中显示出其中的两台
4
结晶与精 馏结合用于 分离萘及其 衍生物
5
第一节 化工单元操作及设备
1、单元操作的概念 任何化工过程无论规模大小，都可
以分为一系列基本操作，如流体输送、 过滤、加热、冷却、蒸馏、萃取等等。 单元操作就是按照特定要求使物料发 生物理变化的这些基本操作的总称。
化工原理 第六章 蒸馏(传质过程)
t
121.9℃
X=0.383
负偏差
x y
x y
y
y
x
x
19
挥发度与相对挥发度
挥发度：表示某种溶液易挥发的程度。 若为纯组分液体时，通常用其当时温度下饱和蒸 气压PA°来表示。 若为混合溶液时，各组分的挥发度，则用它在一 定温度下蒸气中的分压和与之平衡的液相中该组 分的 摩尔分数之比来表示， vA = pA / xA vB = pB / xB
演示
37
xn
xn 1 yn 1 yn
第四节 双组分连续精馏计算
38
物料衡算
F—原料(液)摩尔流量，kmol/h； D—馏出液摩尔流量，kmol/h； W—釜残液摩尔流量，kmol/h； 总物料衡算 易挥发组分的物料衡算
D xD F xF
F D W
D F ( xF xW ) xD xW
xn 1
n 1
yn xn yn 1
n
n 1
T-x(y) 图
t 假设蒸汽和液体充分接触，并在离 n 1 开第 n 层板时达到相平衡，则 yn 与 xn t n t n 1 平衡，且yn>yn+1，xn<xn-1。
这说明塔板主要起到了传质作用， 使蒸汽中易挥发组分的浓度增加， 同时也使液体中易挥发组分的浓度 减少。
t5 t4 t3 t2 t1
E D
C
B A
x（y）
温度-组成图（ t-x-y 图）
12
上述的两条曲线将tx-y图分成三个区域。
液相线以下的区域 代表未沸腾的液体, 称为液相区 气相线上方的区域 代表过热蒸气,称为 过热蒸气区； 二曲线包围的区域 表示气液同时存在, 称为气液共存区。
连续与间歇化工工艺过程特点与流程
连续与间歇化工工艺过程特点与流程作者：宋杨来源：《科学与财富》2017年第23期摘要：在连续过程中，原料连续不断地通过一组专门设备，每台设备处于稳态操作并且只执行一个特定的加工任务，产品以连续流动的方式输出。
在间歇过程中，原料按规定的加工顺序和操作条件进行加工，产品以有限量方式输出。
习惯上称非连续化工过程为间歇化工过程。
关键词：连续；间歇；化工工艺；过程特点；流程在连续过程中，原料连续不断地通过一组专门设备，每台设备处于稳态操作并且只执行一个特定的加工任务，产品以连续流动的方式输出。
在间歇过程中，原料按规定的加工顺序和操作条件进行加工，产品以有限量方式输出。
习惯上称非连续化工过程为间歇化工过程。
1 间歇化工过程的特点1.1动态性间歇过程具有很强的非线性特点，操作参数随时间而不断改变。
操作人员或程控系统需要不断地改变间歇过程的操作，以保证得到合格产品。
这对过程控制工程师提出了严峻的挑战。
1.2 多样性间歇过程的多样性表现为：产品批量可能小到几千克，也可能大到几千吨；一个间歇过程每年生产的产品数量可从一个到几百个；一些加工设备的操作可能很可靠，也可能不可靠；产品的生产对人力或其他资源的需求可能具有决定作用，也可能忽略不计；对操作人员而言，加工要求及操作条件可能相差很大，熟悉一类产品的生产过程，并不一定能操作另一类产品的生产。
1.3 不确定性在间歇过程中，一些在特殊设备中进行的反应，由于反应机理比较复杂，对整个反应过程缺乏全面的了解。
因此，间歇过程具有不确定性。
某类设备的操作性能可能会随时间的增加而恶化。
原料的质量及其他公用设施可能会在生产过程中发生不可预料的变化。
这些不确定性增加了对间歇过程操作和控制的难度。
2 间歇过程的操作方式在间歇过程中，生产操作是逐级向下传递进行，一个间歇设备或间歇级的基本操作顺序是：进料、加工、等待倒空、倒空、清洗、等待进料、进料，如此构成一个操作循环。
在间歇独立操作过程中，设备加工两批物料的时间间隔称为“循环时间”。
6.1 间歇过程与连续过程
限定循环时间（LCT）——从工厂得到两批产品的间隔 （“批间隔”，记为TL）
间歇级 j 的循环时间=TL 则间歇级j为“时间限制级” “瓶 颈”
6 间歇化工过程
6.1 间歇过程与连续过程
6.1.3 间歇过程的基本概念
③ 间歇过程的操作方式
异步操作——从第j-1级来的不同物料，在第j级的mj台相同 设备中，在不同的时间交替加工。该级的循环时间是设备 循环时间的1/ mj。 (节省时间) 同步操作——从第j-1级来的相同物料，分配在第j级的mj台 相同设备中同时加工。该级的批量为该级中一台设备批量 的mj倍。（提高处理量）
SCU1—主要作用设备
SCU2—辅助作用设备
6 间歇化工过程
6.1 间歇过程与连续过程
6.1.3 间歇过程的基本概念 ① 间歇过程的设备
离心机 TBU 反应器1 中间贮罐 SCU2 TBU 反应器2 泵3 泵2 SCU2 产品 SCU1 干燥机
SCU1
原料
SCU2
泵1
6 间歇化工过程
6.1 间歇过程与连续过程
6 间歇化工过程
6.1 间歇过程与连续过程
6.1.3 间歇过程的基本概念 ② 间歇过程的分类（按流程结构分）
单 元 操作1 进料 贮罐 单 元 操作2 单 元 操作3 单 元 操作4 单 元 操作5 单 元 操作6
产品 贮罐
（b）多流程结构
6 间歇化工过程
6.1 间歇过程与连续过程
6.1.3间歇过程与连续过程
6.1.3 间歇过程的基本概念
TR——过程停留时间 TL——限定循环时间
③ 间歇过程的操作方式（Gantt图）
2 间歇级1 8 间歇级2 8 2 2
8
《化工过程分析与合成》教学大纲
《化工过程分析与合成》教学大纲一、课程信息课程名：化工过程分析与合成（Analysis and synthesis of chemical Process）学时：51学分：3适用专业: 化工类各专业（包括制药工程、生物工程、冶金工程、轻化工程、食品工程及高分子材料等）开课单位：化工学院化工系开课学期：三年级下期(春季)二、课程的性质、任务和目的课程性质：必修（化学工程与工艺专业），选修（制药、生物工程、环境工程、轻工、食品、高分子材料等专业）课程说明（性质、目的和任务）：化学工程与工艺专业的专业核心课，也适合化工类其他专业尤其是生物工程、制药工程和冶金工程的学生选修。
本课程以化工过程系统为研究对象，使学生初步掌握对过程进行模拟、分析、优化和合成的系统工程方法，培养综合运用化工基础知识和专业知识处理实际问题的能力。
三、教学基本要求1.掌握过程系统的概念，过程系统分析与合成的基本概念、基本原理与方法；2.掌握过程系统稳态模型、动态模型建立的基本原理，熟悉过程系统模拟与优化的基本步骤与方法，掌握分离序列合成方法，熟练运行夹点技术进行换热网络合成；3.理解过程系统稳态模型、动态模型求解算法，明确过程系统操作调优的原理、步骤和方法。
明确间歇系统模拟、优化与合成的特殊性；4.了解过程系统对象的特性，学科的发展，该领域的前沿及与其它学科的关系。
四、教学内容及学时分配第1章：化工过程及系统工程的发展概况（2学时）；第2章*：化工过程系统稳态模拟及其分析求解方法：过程系统模拟的序贯模块法、面向方程法以及联立模块法；以氨合成工艺为例说明模拟与分析方法的应用（8学时）；第3章*：化工过程系统动态模拟的特性、方法、数学处理及应用：化工过程系统的动态模型，连续搅拌罐反应器和精馏塔的动态特性（8学时）；第4章*：化工过程系统的优化：化工过程系统优化问题的基本概念，化工过程系统最优化问题的类型，化工过程中的线性规划问题及非线性规划问题（8学时）；第5章*：化工生产过程操作工况调优的数学模型及调优计算，人工神经元网络的基础知识（6学时）；第6章：间歇化工过程的基本概念、模型化方法及设计优化（6学时）第7章*：换热网络的合成、能量最优网络的夹点技术设计法、实际工程项目的换热网络合成（8学时）；第8章：分离塔序列合成的基本概念及方法（5学时）。
化工原理第六章(概述、双组分溶液的气液相平衡)
甲醇—水溶液平衡数据（101.3kPa）
t(℃) 100 96.4 91.2 87.7 81.7 78.0 75.3
x
0 0.02 0.06 0.10 0.20 0.30 0.40
y
0 0.134 0.304 0.418 0.579 0.665 0.729
t(℃) 73.1 71.2 69.3 67.6 66.0 65.0 64.5
2020/3/18
（2）在相同温度下，不同液体的饱和蒸气压不同。 液体的挥发能力越大，其饱和蒸气压就越大。 【例如】25 ℃时，乙醇（A）、水（B）的饱和蒸气 压分别为： pA0＝7.86kPa pB0＝3.17kPa 【结论】饱和蒸气压是表示液体挥发能力的属性之 一。
2020/3/18
（3）液体混合物在一定温度下也具有一定的蒸气压 ，但其中各组分的蒸气压（分压pA）与其单独存在 时的饱和蒸气压（pA0）不同。 （4）对于二组分混合物，由于B组分的存在，使A组 分在气相中的蒸气分压比其在纯态时的饱和蒸气压 要小。
0.2031
0.3801
100
95
90
102℃
85
80
0.0
0.2
0.4 x y0.6
0.8
1.0
常压下苯－甲苯体系的温度组成图（t-x-y）
2020/3/18
汽液共存区 泡点线
泡点 液相区
P=101.3kPa
过热蒸 汽区
露点
露点线
【相关信息】压力（P）， 温度（t），组成（x，y）。
【结构特点】两条线；两个点；三个区。
2020/3/18
（4）按操作压力 【常压蒸馏】常压下泡点为室温至150℃左右的液体 混合液，一般采用常压（大约1atm）蒸馏； 【加压蒸馏】常压下为气态（如空气、石油气）或 常压下泡点为室温的混合物，常采用加压（操作压 力高于1atm）蒸馏； 【减压蒸馏】对于常压下泡点较高或热敏性混合物 （高温下易发生分解，聚合等变质现象），宜采用 减压（操作压力低于1atm）蒸馏。
动态模拟与分析2
5000
T ??xB,
xB ?0??
0
xA0 = 1; xB0 = 0; % 初始值 t = 0:0.1:1; % 时间划分 h = 0.1; % 步长 A = zeros(1,11); A(1) = xA0; B = zeros(1,11); B(1) = xB0; for i = 1:10
[dA,dB] = fs(A(i),B(i)); A_ = A(i) + h*dA; B_ = B(i) + h*dB; [dA_,dB_] = fs(A_, B_); A(i+1) = A(i) + 0.5*h*(dA + dA_); B(i+1) = B(i) + 0.5*h*(dB + dB_); end
第六章 化工过程动态模拟与分析
主要内容 一、化工过程的动态模型 二、CSTR的动态模型 三、状态空间分析法 四、常微分方程（组）求解
6.1 化工过程的动态模型
1、动态特性是化工过程系统最基本的特性之一 间歇过程、开（停）工过程、系统的老化 …
2、化工过程动态模型分类模型Biblioteka 型数学形式应用实例
集中参数模型
二、一阶常微分方程组初值问题
一阶常微分方程初值问题的改进欧拉法：
~yi?1 ? yi ? h f ( xi , yi )
yi?1 ?
yi ?
h 2
[
f
(
xi
,
yi
)
?
f (xi?1, ~yi?1)]
(i ? 0, ... , n ? 1)
一阶常微分方程组：??
?
y' z'
? ?
f ?x, y, z?, y?x0 ?? g?x, y, z?, z?x0 ??
化工过程分析-间歇过程
添加平行设备的发酵过程
第一步 平行设备
第二步
12
12
12
12
3
3
3
3
循环周期6小时
第一阶段设立异步平行发酵罐，循环周期缩短
添加中间储罐的发酵过程
第一步 第二步
12
12
3 3 3 33 3 33
第二阶段分离设备尺寸所小至250kg， 中间储罐最大存放量750kg。
例题
单产品间歇生产过程包括四个步骤，分别为： ➢ 反应时间4小时， ➢ 溶剂混合1小时， ➢ 分离2小时， ➢ 干燥1小时， 批次处理量1000kg。如何减少覆盖操作的
A
B
1
C
A
B
1
C
A
2
3
4
B
C
（a）流水作业
A
2
3
4
B
C
（b）工件作业
流水作业 ➢生产期限的划分 ➢生产策略：单产品生产策略；混合产品生产 策略 ➢例题－两个产品间歇生产过程时间（小时）
生产阶段
阶段1
阶段2
A
5
2
B
2
4
单产品策略：某一产品的所有批次生产完成后再进 行下一产品的生产，AAABBB
第一步 第二步
1kg 溶 剂
1kg A 1kg B
1.2kg A,B
反应
分离
0.8kg C
0.76 kg C
2.24kg A,B和 溶 剂
尺寸因子
设备j的尺寸因子：生产单位质量（或体积）的最终产品 所需的间歇设备的特征尺寸称为该产品在这个设备单元上 的尺寸因子，用Sj表示，其单位为体积/千克或面积/千克
无限中间储罐（UIS） ：指当物料完成某单元过 程的操作后，物料可以转移到中间储罐内，这里 储罐的体积无限大，而且可以停留无限长时间。
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Gannt图
假设一批物料在某间歇级加工完毕后，立即送入下一级加工
非覆盖式操作
限定循环时间和一批进料完 全通过此过程的停留时间
TR相等，TL = TR = 13
覆盖式操作
• 只要前一批物料在 第j级，下一批物料 即可进入j-1级开始 加工
• 过程的限定循环时 间或批间隔，取决 于具有最大级循环 时间的限制级即时 间限制级
• 向连续化生产过渡 • 80年代以来，从商品化学品生产转向专用的功
能化学品生产；从大规模过程转向小规模的具 有弹性的过程；从连续加工转向间歇加工；从 过去靠价格竞争转向现在靠质量竞争；从过去 靠投资来推动发展转向靠信息来推动发展等等
6.1 间歇过程与连续过程
• 习惯上称非连续化工过程为间歇化工过程。
• 间歇过程通常被定义为“将有限量的物料，按 规定的加工顺序，在一个或多个设备中加工， 以获得有限量产品的加工过程。如果需要更多 的产品，必须重复该过程。”
• 间歇过程既不是连续过程也不是离散过程。但 具有连续过程和离散过程的特点
• 间歇与连续过程在有关部门的应用情况
工业部门
化工 食品 医药 金属 玻璃及陶瓷 造纸
单产品厂 多装置厂
多产品厂 多目的厂
根据生产流程的结构
单流程结构
网络流程结构
多流程结构
间歇过程的操作方式
• 间歇设备或间歇级的基本操作顺序是：进料、 加工、等待倒空、倒空、清洗、等待进料、进 料，构成了一个操作循环。
• 在间歇级j独立操作过程中，某台设备加工两
批物料的时间间隔称为“该设备的循环时间”， • 整个间歇级加工两批物料的时间间隔称为“间
6.2 过程动态模型及模拟
• 所有间歇操作过程都是非稳态或动态过程。 • 对间歇过程的建模要求，比对连续过程中由于
扰动所产生的动态过程更严格 • 间歇过程的模拟可用来了解过程中各参数随时
间的变化，以确定此间歇单元过程的操作时间 和最适宜操作条件 • 间歇过程的基本操作单元有：加料、反应、冷 却、加热、混合、过滤、精馏、干燥、溶剂萃 取和结晶等
• 若取液态纯A和纯B为基准物态，0Leabharlann 为基准温 度，则物流i的焓可表示为
Hi
FiC piTi
Fi
CAiH Si
⊿Hsi是在oC和物流i的浓度下，组分A在B中的积 分溶解热
• 系统的能量衡算方程可列出
• 混合过程可望在良好的控制下进行，以至产物
流浓度CA的变化不大。在此条件下，ΔHS可以 假定为常数。若再假定Cp1=Cp2=Cp
• 总物料衡算： • 组分A衡算方程
d (Ah)
dt
F1
F2
F
d (hACA ) dt
1
(F1CA1
F2CA2 )
FCA
分部 所以
d (hCA ) dt
h
dCA dt
CA
dh dt
h
dCA dt
CA
A
(F1
F2
F)
dCA dt
1
hA [F1(CA1
CA ) F2 (CA2
CA )]
能量衡算
六 间歇化工过程
前言
• 按最终产品的输出形式，工业加工过程可分为： 连续、离散和间歇过程
• 间歇过程在化工生产和人们日常生活中占有重 要的地位
• 精细化工、生物化工等高技术密集和知识密集 的新兴产业
• 广泛用于食品、聚合物、药品、分子筛、增塑 剂、抗氧剂、染料和涂料等产品生产
历史
• 30年代以前，绝大多数化工过程采用间歇操作， 自动化水平低，劳动强度大，而且产品质量不 稳定
• 所谓异步操作是指第j个间歇级有mj台相同设 备，在不同时间交替加工第j-1级来的不同物
料。这时该间歇级的循环时间为该级中一台设
备循环时间的1/mj。
• 若将第j-1级来的同一批物料分配在第j级的mj
个平行设备中同时加工，则称这些平行单元为
“同步操作”。此时间歇级j的批量为该级中 一台设备批量的mj倍
歇级j的循环时间”。
• 顺序地从工厂得到两批产品之间的时间间隔称 为“限定循环时间（LCT）”，也称为“批间 隔”，记为TL。
• 若间歇级j的循环时间等于TL，则该间歇级构 成了间歇操作过程的“瓶颈”，因此把它称为 “时间限制级”。
• 在同一个间歇级中可能有多台平行操作设备， 它们可以同步或异步方式操作。
• TL = max{Tj/mj} • Tj代表某产品在间歇级j上的加工时间， mj为第j级异步单元数 图6-4（b）T1 = 2,T2 = 8,T3 = 3, m1 = m2 = m3 = 1, TL = max{2,8,3} = 8
异步覆盖式操作 • m1 = m3 = 1, m2 = 2,限定循环时间 TL = max{2,8/2,3}= 4
6.1.3 间歇过程基本概念
• 间歇过程的设备
单纯的间歇设备（TBU） 半连续设备（SCU） 中间存贮设备（IS）
中间贮罐的作用
（1）将毗邻的间歇级或半连续的周期性操作解偶。 （2）补偿短期的供需不平衡 （3）操作上的波动缓冲作用 （4）独立存贮涉及不同产品的中间体。
• 间歇过程的分类：根据生产产品的数量
间歇过程/％
45 65 80 35 35 15
操作方式 连续过程/％
55 35 20 65 65 85
6.1.1 间歇化工的特点
• 技术密集性 • 动态性 • 多样性 • 柔韧性 • 不确定性
6.1.2 间歇过程与连续过程的比较
• 动态特性是间歇过程的本质，而连续过程的本质 是稳态操作
• 在间歇过程中，原料必须按配方规定的加工任务 和顺序，在合适的设备中进行加工。在连续过程 中，原料连续加入，各加工任务同时进行
• 通过详细的系统分析，可找到连续过程的瓶颈问 题，而间歇过程的瓶颈问题随产品及操作策略而 改变。
• 间歇过程必须对整个生产过程，进行有效的排 序或进行生产时间表安排。
• 由于间歇过程的柔韧性和弹性，它适合于市场 供求不稳定的产品的生产。连续过程则适合于 市场供求稳定的产品的生产。对于市场需求量 很大的产品，其初始阶段一般也是用间歇过程 生产的
6.2.1 混合过程
• 操作目标是：混合后产物流
中组分A的浓度CA和温度T符
合规定要求 • 由于是二元体系，确定了一
种组分的浓度，另一组分浓 度也就确定了。因此，此例 中对B组分的浓度不必另行 考虑
根据过程的特征和操作目标，可以确定过程的状 态变量为：
• 槽中液位h
• 反应混合物中组分A的浓度CA • 混合物的温度T