化工设计物料衡算与热量衡算课件.ppt

化工设计化工设计第三章第三章 物料衡算与热量衡算物料衡算与热量衡算张美景张美景 副教授副教授化工设计张美景 副教授本学时讲授内容 第三节 化工流程的物料衡算 （没有化学反应）本学时讲授内容流流 程程 示示 意意 图图例题例题：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=2.3F11 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废 料E 0.1%HACH2OH2SO4 HAC 24%循环流HAC 60%H2O 40%E 98.8%H2O 1.2%混合器2E 98.8%H2O 1.2%E 7%HACH2OH2SO4进 料HAC 30H2O 69.8%H2SO4 0.2%混合器1E 99%H2O 1产品流HAC 99%H2O 1%萃取塔溶剂回收塔产品精馏塔溶剂提馏塔123111085467912基准后基准后流 程 示 意 图例题：有如图所示的一个连续流程，用解：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。

1、7号流股输入 流程系统（无化学反应）9、12号流股输出整体整体第一步、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求解步骤：求解步骤：解：这是一个只做物料衡算的情况，从流程特点可流股号组份数123456789101112 3 2 2 3 3 4 2 2 2 4 2 2各流股组份数一览表各流股组份数一览表废 料E 0.1%HACH2OH2SO4 HAC 24%循环流HAC 60%H2O 40%E 98.8%H2O 1.2%混合器2E 98.8%H2O 1.2%E 7%HACH2OH2SO4进 料HAC 30H2O 69.8%H2SO4 0.2%混合器1E 99%H2O 1产品流HAC 99%H2O 1%萃取塔溶剂回收塔产品精馏塔溶剂提馏塔123111085467912流股号组份数123456789101112 3 2 2 3 第二步、做流程的自由度分析第二步、做流程的自由度分析 流程自由度分析表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第二步、做流程的自由度分析 流程自由度分析表混合萃取（1）混合器）混合器1及萃取塔的自由度分析及萃取塔的自由度分析混合器1萃取塔变量总数MB衡算方程数已知变量数附加关系式数自由度83212124206废 料E 0.1%HACH2OH2SO4 HAC 24%循环流HAC 60%H2O 40%E 98.8%H2O 1.2%混合器2E 98.8%H2O 1.2%E 7%HACH2OH2SO4进 料HAC 30H2O 69.8%H2SO4 0.2%混合器1E 99%H2O 1产品流HAC 99%H2O 1%萃取塔溶剂回收塔产品精馏塔溶剂提馏塔1（3）2（3）3（3）11（2）10（2）8（2）5（2）4（4）6（2）7（2）9（4）12（2）（1）混合器1及萃取塔的自由度分析混合器1萃取塔变量总数MB（2）溶剂提馏塔及整体的自由度分析）溶剂提馏塔及整体的自由度分析溶剂提馏塔整体（OB）变量总数MB衡算方程数已知变量数附加关系式数自由度104303114502废 料E 0.1%HACH2OH2SO4 HAC 24%循环流HAC 60%H2O 40%E 98.8%H2O 1.2%混合器2E 98.8%H2O 1.2%E 7%HACH2OH2SO4进 料HAC 30H2O 69.8%H2SO4 0.2%混合器1E 99%H2O 1产品流HAC 99%H2O 1%萃取塔溶剂回收塔产品精馏塔溶剂提馏塔1（3）2（3）3（3）11（2）10（2）8（2）5（2）4（4）6（2）7（2）9（4）12（2）（2）溶剂提馏塔及整体的自由度分析溶剂整体变量总数MB衡算方（3）溶剂回收塔及产品精馏塔的自由度分析）溶剂回收塔及产品精馏塔的自由度分析溶剂回收塔产品精馏塔变量总数MB衡算方程数已知变量数附加关系式数自由度73301 62211废 料E 0.1%HACH2OH2SO4 HAC 24%循环流HAC 60%H2O 40%E 98.8%H2O 1.2%混合器2E 98.8%H2O 1.2%E 7%HACH2OH2SO4进 料HAC 30H2O 69.8%H2SO4 0.2%混合器1E 99%H2O 1产品流HAC 99%H2O 1%萃取塔溶剂回收塔产品精馏塔溶剂提馏塔1（3）2（3）3（3）11（2）10（2）8（2）5（2）4（4）6（2）7（2）9（4）12（2）（3）溶剂回收塔及产品精馏塔的自由度分析溶剂产品精馏塔变量总（4）混合器）混合器2及过程的自由度分析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82303废 料E 0.1%HACH2OH2SO4 HAC 24%循环流HAC 60%H2O 40%E 98.8%H2O 1.2%混合器2E 98.8%H2O 1.2%E 7%HACH2OH2SO4进 料HAC 30H2O 69.8%H2SO4 0.2%混合器1E 99%H2O 1产品流HAC 99%H2O 1%萃取塔溶剂回收塔产品精馏塔溶剂提馏塔1（3）2（3）3（3）11（2）10（2）8（2）5（2）4（4）6（2）7（2）9（4）12（2）（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1（5）整体与过程自由度分析之间的区别）整体与过程自由度分析之间的区别 整体整体：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。

Overall Balance”，简称“OB”过程过程：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5）整体与过程自由度分析之间的区别 整体：又称“总体”，流程自由度分析结果一览表混合器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原自由度8321+212420+67330+16221+18230+310430+33118 102+111450+2去流程图 流程自由度分析结果一览表混合萃取塔溶剂产品混合溶剂过 一个正确（设计条件给得恰好）的化工流程，其一个正确（设计条件给得恰好）的化工流程，其“过程过程”一栏中的自由度必须是一栏中的自由度必须是0，而且其它单元（包括虚拟的，而且其它单元（包括虚拟的OB）的自由度必须都）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方程的加和性方程的加和性、附加关系附加关系式的加和性式的加和性。

一个正确（设计条件给得恰好）的化工流程，其 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 本例题的过程自由度为1，那么肯定不能通过MB针对弹性设计流程的自由度分析时应该注意：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？、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、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量就称为弹性设计流程的计算基准计算基准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3、计算基础的挑选原则：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3、计算基础的挑选原则：针对本例题，计算基准选谁（假设哪个流 流程自由度分析表（假设流程自由度分析表（假设F10已知）已知）+2+1+3+3+1+1+6+1自由度计算基准20330061新自由度02001001附加关系式数510332322已知变量数418 422343MB衡算方程数113110867128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本例题最优选择本例题最优选择F10已知，将已知，将F10作为计算基准作为计算基准111这样，该设计变成了有唯一确定解的正确设计了问题：基准大小对问题：基准大小对MB 结果的影响？结果的影响？针对以上分析结果，手工计算应该从哪里入手？针对以上分析结果，手工计算应该从哪里入手？流程自由度分析表（假设F10已知）+2+1+3+3+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问题：解完溶剂回收塔和产品精馏塔后，紧接问题：解完溶剂回收塔和产品精馏塔后，紧接着应该解谁？着应该解谁？确定下一步求解单元的原则：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从流程图上看上一步求解结果对相邻单元（包括（包括OB）自由度的影响程度而定。

自由度的影响程度而定手工计算肯定先从自由度最小的单元开始，尤其是从 求解完溶剂回收塔和求解完溶剂回收塔和产品精馏塔后产品精馏塔后01438混合器1萃取塔2自由度0附加关系式数4已知变量数2MB衡算方程数8 变量总数混合器2OB 更新自由度分析表（updating analysis table of freedom degree）460112401144废 料E 0.1%HACH2OH2SO4 HAC 24%循环流HAC 60%H2O 40%E 98.8%H2O 1.2%混合器2E 98.8%H2O 1.2%E 7%HACH2OH2SO4进 料HAC 30H2O 69.8%H2SO4 0.2%混合器1E 99%H2O 1产品流HAC 99%H2O 1%萃取塔溶剂回收塔产品精馏塔溶剂提馏塔1（3）2（3）3（3）11（2）10（2）8（2）5（2）4（4）6（2）7（2）9（4）12（2）将对将对OB、萃取塔、萃取塔、混合器混合器1和混合器和混合器2的自的自由度产生影响由度产生影响更新自由度分析结果：接着解混合器更新自由度分析结果：接着解混合器1，而且是完全求解而且是完全求解求解完溶剂回收塔和产品精馏塔后。