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(课件)物料衡算和能量衡算

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  • 卖家[上传人]:飞***
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  • 上传时间:2017-08-06
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    • 1、1,第三章物料衡算与能量衡算,2,一般表示式为 系统中积累 = 输入 输出 + 生成 消耗稳态过程时 输入 = 输出 生成 + 消耗无化学反应的稳态过程 输入 = 输出,第三章 物料衡算与能量衡算,第一节 连续过程的物料衡算,3,物料平衡形式 总平衡式 *总质量平衡式 总摩尔平衡式 组分平衡式 组分质量平衡式 组分摩尔平衡式 元素原子平衡式 *元素原子质量平衡式 *元素原子摩尔平衡式,第三章 物料衡算与能量衡算,4,物料衡算的基本步骤, 画出流程示意图 列出已知数据 列出由物料平衡所需求解的问题 决定系统的边界 写出主、副产品的化学反应方程式 约束条件 选择计算基准 进行物料平衡计算 列出物料和能量平衡表,并进行校核 结论,第三章 物料衡算与能量衡算,5,关于基准, 时间基准 连续(小时,天) 间歇(釜,批) 质量基准 kg,mol, kmol 体积基准 m3(STP) 干湿基准 干基(不含水),湿基(含水)例:100kg湿物料,其中含水10kg, 按 湿基:含水率为10%; 若按 干基:含水率为 10/(100-10)100%=11.11%,第三章 物料衡算与能量衡算,6,例:C3H

      2、8 + 5O2 = 3CO2 + 4H2O每100kmol燃烧产物需要多少摩尔空气?1.基准:1kmol原料气C3H8燃烧用氧 5kmol;实际供氧 51.25 = 6.25kmol;供给空气量 29.76kmol; 其中氮气量 23.51kmol;产生:CO2 3kmol; H2O 4kmol; O2 1.25kmol; N2 23.51kmol;合计 31.76kmol;,x =,= 93.7kmol,第三章 物料衡算与能量衡算,7,2.基准:1kmol空气实际耗氧 0.21/1.25 = 0.168 kmol;燃烧C3H3 0.168/5 = 0.0336 kmol;供给空气量 1kmol; 其中氮气量 0.79kmol;产生:CO2 0.101kmol; H2O 0.135kmol; O2 0.042kmol; N2 0.79kmol;合计 1.068kmol;,x =,= 93.7kmol,第三章 物料衡算与能量衡算,例:C3H8 + 5O2 = 3CO2 + 4H2O每100kmol燃烧产物需要多少摩尔空气?,8,(3)基准:100kmol烟道气以元素平衡法:C3H8 +

      3、5O2 = 3CO2 + 4H2O预设:空气量 A ; C3H8 B ; N2 N ; 过量O2 M ; CO2 P ; H2O Q 。,第三章 物料衡算与能量衡算,例:C3H8 + 5O2 = 3CO2 + 4H2O每100kmol燃烧产物需要多少摩尔空气?,9,(3)基准:100kmol烟道气以元素平衡法:C3H8 + O2 CO2 + H2OC平衡 3B = P;H2平衡 4B = Q;O2平衡 0.21A = M + Q/2 + P;N2平衡 0.79A = N;烟道气总量 N + M + P + Q = 100;过剩氧气 0.21A(0.25/1.25)= M解出:空气量 A = 93.7kmol; C3H8 B = 3.148kmol; N2 N = 74.02kmol; O2 M = 3.935 kmol; CO2 P = 9.445 kmol ; H2O Q = 12.59 kmol。,第三章 物料衡算与能量衡算,例:C3H8 + 5O2 = 3CO2 + 4H2O每100kmol燃烧产物需要多少摩尔空气?,空气量 A ;C3H8 B ;N2 N ;过量O2 M ;CO

      4、2 P ;H2O Q 。,10,物料平衡计算的条件,.方程式 物料平衡方程式 物流约束式构成物流各组分的分率之和等于1,第三章 物料衡算与能量衡算,11,2.变量有Ns股物流, Nc个组分数,Np个设备参数总变量数: Nv= Ns(Nc +1)+ Np,设计变量?操作变量?,第三章 物料衡算与能量衡算,12, 转化率转化率 =, 选择性选择性 =,xA =, =,第三章 物料衡算与能量衡算,有化学反应的物料衡算,13, 产率产率 = 转化率选择性 =,=xA =,第三章 物料衡算与能量衡算,14,无化学反应的物料衡算,例:过滤过程,第三章 物料衡算与能量衡算,15,总平衡式 输入的料浆=输出的滤液+输出的滤饼 F1= F2+F3液体平衡式 F1x11= F2x21+F3x31,第三章 物料衡算与能量衡算,16,精馏过程,三个未知数需三个方程,总物料平衡式 F1+ F2= F3+ F4 组分物料平衡式苯平衡 F2=0.75 F3 水平衡 0.6F1= 0.24F3 醇平衡 (10.6)F1,第三章 物料衡算与能量衡算,2.3 精馏计算,主要内容及要求:学习并掌握多组分平衡级理论模型的建立

      5、及求 解,熟练掌握精馏的简捷计算方法,掌握精馏塔 内的流率、浓度和温度分布特点。重点:三对角线矩阵方程的托马斯法、泡点法(BP法)精馏的简捷计算方法,2.3 精馏计算,精馏计算的基本概念精馏计算分为设计型计算和操作型计算:(1)设计型计算 给定进料状况,指定操作压力,计算在达到分离要求的前提下,经济合理的回流比、理论塔板数和最佳进料位置。(2)操作型计算 给定操作压力、进料状况、进料位置、塔板数、回流比、一端产品量,计算确定产品组成、各板上的浓度和温度,以及冷凝器和再沸器的热负荷。 两种计算所用数学模型相同。,2.3.1 精馏的稳态数学模型,MESH方程组分物料衡算方程(M):相平衡关联方程(E): 归一化方程(S): 热量衡算方程(H): u、l、w、v、f 分别代表i组分的摩尔流率,H、h分别为汽、液相摩尔焓。 j=1时,为冷凝器, ; j=N时,为再沸器,2.3.2 稳态模型算法概述,(1)除MESH方程还需要的方程 平衡常数关联方程: 焓计算方程: 侧线组分摩尔流率:,(2)模型自由度分析,模型自由度: 自由度=变量个数-方程个数=(c+5)N-1 所以,计算时必须先指定(c+

      6、5)N-1个变量方程才有定解。 由于模型方程组为非线性的,通常需要迭代求解。,2.3.2 稳态模型算法概述,对操作型问题可以指定以下变量:(c+5)N-11、进料信息:fij、hFj N(c+1)个2、各级压力:Pj N个3、各级侧线采出:Uj、Wj 2(N1)个4、各级换热:Qj N-2个5、回流比R、V1(即DV)和级数N: 3个 未知量: 1、液相流率:li,j 、Lj N(c+1)个2、气相流率:vi,j 、Vj N(c+1)个3、各级温度:Tj N个4、Q1、QN以及Kij、hj、和Hj N(c+2)+2,有唯一解,2.3.2 稳态模型算法概述,2.3.2 稳态模型算法概述,(3)迭代算法的选择 迭代变量的选择 选择易收敛的变量作迭代变量,其余变量的值可从迭代变量算得。 迭代算法的组织 整体迭代:将所有方程构成一个整体,每一轮迭代都计算一遍所有方程。 分割迭代:将方程组中的方程按关联性的强弱分成若干组,分别对每个组进行迭代计算。 迭代过程的控制 通常用摩尔流率的归一来修正和加速迭代进程。,2.3.3 三对角线矩阵算法,一、王-亨克解法泡点 (BP)法 将MESH方程分成三块,M+E方程,S方程,H 方程; M+E方程,S方程,内层迭代求解,与lij,Tj匹配; H方程在外层迭代求解,与Lj(Vj)匹配。 收敛判据: 内层:10-4 外层:j-Lj 2(0.001),j,lij,0,2.3.3 三对角线矩阵算法,王亨克法的计算框图,

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