第一章绪论3设备设计变量0308.ppt

上次课内容简单单元的总变量、约束方程按照PPT修改后的表3-1即：单元含有M股物流，则总变量数+M，约束方程也+M；设计变量数不变本章内容设计变量计算•N级串组合单元•复杂组合单元一、N级串级组合单元 在复杂的分离设备中，如精馏塔、吸收塔、萃取塔等，往往都是由若干个平衡级串联成一个整体，各平衡级之间有级间蒸汽或液体物流相联系，所以称为N级串级单元 N级串级单元的独立变量总数(NV)U等于各个平衡级的独立变量数总和减去重复计数了的NR股物流中的变量数NR(C+3)，再加上应该附加变量数NA，即： (NV)U=N级串级单元的独立方程式数等于各各平平衡衡级级的的独独立立方方程程数数的的总总和和减去重重复复计计数数的的NR股股物物流流的的摩摩尔尔分分率率归归一一化化方方程程数数目目，，即： (NE)U = 一、N级串级组合单元 (NV)U= = N(4C+13) –[2(N-1)](C+3)+1 = 7N+2NC+2C+7N个串联平衡级的独立变量总数为： N个串联平衡级的独立方程式数为： (NE)U= = N(2C+7) –2(N-1) = 5N+2NC+2所以：设计独立变量数为： (ND)U=(NV)U-(NE)U=2N+2C+5例题….2N+2C+5应指定2N+2C+5个设计变量:Stream VIN variables C+2Stream LIN variables C+2每个平衡级的压力：P1、、P2、、P3、、…PN N 每个平衡级的传热：Q1、、Q2、、Q3、、…QN N 塔的平衡级数目： N 1小结•带有热交换的N个平衡级串联的总变量、独立方程和设计变量二、复杂组合单元 复杂组合单元是由若干个操作单元所组成，各个单元之间依靠物流的联系构成一个完整的多级分离装置。

设有一个多级复杂精馏塔，它有一股进料，一股侧线采出，全凝器及部分再沸器并每一级均能供热量或引出热量如下图所示：如何计算设计变量？方法----枚举法复杂单元的设计变量数可由枚举法来确定ü首先将复杂单元分解为一个个已知计算方法的简单单元ü用先全部加和再减去重复计算部分的方法分别计算总变量数与独立方程数ü计算设计变量数方法一 总变量数=∑组合单元变量数-由于物流连接 所引起的重复变量数 NR (C+3)+附加变量数 独立方程数=∑组合单元独立方程数-重复计 算的各物流摩尔分率归一化方程数 NR设计变量数=总变量数-独立方程数步骤1——复杂单元分解1）全凝器2）回流分配器3）1～S-1 平衡串级4）侧线采出5）S+1～F-1 平衡串级6）进料7）F+1～N-1 平衡串级8）再沸器步骤2——加和各简单单元变量总数步骤3——计算重复变量数12345678910111213重复计算的物流数NR＝13重复计算变量数NR(C+3)无重复被使用的相同简单单元，NA＝0步骤4——计算独立方程数4.1 加和各简单单元方程数步骤4——计算独立方程数•4.2 重复计算的方程数：NR 重复计算的13股物流的归一化方程•独立方程数： (NE)U= 5N+2NC+4C+22 – 13 = 5N+2NC+4C+9步骤5——计算设计变量(ND)U = 7N+2NC+5C+19 – (5N+2NC+4C+9) = 2N+C+10方法二由总变量数、总方程数计算公式推导出设计变量数计算公式，再根据公式求解。

方法一的两个公式： NV(装置)=∑（NV)e- NR(C+3)+ NA NE(装置)=∑（NE)e- NR两式相减得： ND(装置)=∑（ ND)e- NR(C+2)+ NA方法二： 步骤1——设计变量加和Q方法二： 步骤2——计算设计变量NR=13，NA＝0ND=2N+C+10实际指定的设计变量：1.各平衡级的压力（含部分再沸器) [N]2.回流分配器的出口压力[1]3.全凝器出口压力[1]4.各平衡级的传热速率(不含部分再沸器) [N-1]5.进料摩尔浓度和总进料流率[C]6.进料温度[1]7.进料压力[1]8.冷凝温度(即饱和液体温度)[1]9.进料级位置[1]10.侧线采出位置[1]11.总平衡级数[1]12.侧线物流总流率[1]13.塔顶总馏出液流率D或D/F[1]14.回流流率LR或回流比LR/D[1](ND)U=2N+C+10 上述列表中前九项几乎是已知或设定的，第9~14项可由下列变量代替：15. 冷凝器冷却负荷QC[1]16. 再沸器加热负荷QR [1]17. 塔釜残留物中一个组分的回收率或摩尔浓度 [1]18. 塔顶馏出物中一个组分的回收率或摩尔浓度 [1]TWO CASES•In caseⅠ : the design case. recovery specifications are made for one or two key components and the number of required equilibrium stages is determined. • In caseⅡ : the simulation case. The number of equilibrium stages is specified and component separations are computed.精馏塔计算设计型计算：对塔进行设计，给出塔的结构参数。

操作型计算：塔已经建好，看塔符合不符合要求如不符合要求，可调整参数，如回流比、采出量（或进料位置等但一般不做改变）精馏塔设计变量1.进料 C+22.各级压力（含部分再沸器) N3.全凝器出口压力 14.分配器出口压力 15.各级传热量Q（再沸器除外） N-16.冷凝器温度 17.总板数 18.进料级位置NF 19.侧线采出位置 110.塔顶量 111.侧线量 112. 回流比 1 也可对浓度的要求 如xiD ≥99%对回收率的要求关于NA取值问题 NA的含义是“ 其他未规定的变量数，如平衡级数、进料位置、侧线采出位置等”。

因而，在分析串联平衡级时，取NA=1在例题2中，整个装置的设计变量数是通过各单元设计变量的分析得到的，而在各单元的分析中，已经各自考虑了各单元的（NA）e，如例1中的（N-S）级，已经考虑了本单元的理论板数因而，进料位置、侧线采出位置等已被计算在内，对整个装置而言，已无未加规定的其他变量。