化工設計物料衡算與熱量衡算課件

化工設計第三章物料衡算與熱量衡算張美景副教授化工設計張美景副教授本學時講授內容

第三節(jié)化工流程的物料衡算（沒有化學反應）本學時講授內容流程示意圖例題：有如圖所示的一個連續(xù)流程，用于稀醋酸的濃縮處理，圖中E代表某種溶劑組分。過程無任何化學反應。已知：

1.產品精餾塔進料中的HAc有67.5%從產品流中產出。

2.F1=2.3F11

3.圖中所有組成均為質量百分數(shù)。

要求：

1.試作此過程的自由度分析，列出自由度分析表

2.指出完整的物料衡算（MB）計算順序

3.求解出2號流股的組成及F2/F9

廢料E0.1%HACH2OH2SO4

HAC24%循環(huán)流HAC60%H2O40%E98.8%H2O1.2%混合器2E98.8%H2O1.2%E7%HACH2OH2SO4進料HAC30％H2O69.8%H2SO40.2%混合器1E99%H2O1％產品流HAC99%H2O1%萃取塔溶劑回收塔產品精餾塔溶劑提餾塔123111085467912基準后流程示意圖例題：有如圖所示的一個連續(xù)流程，用解：

這是一個只做物料衡算的情況，從流程特點可以看出，整個流程系統(tǒng)是：

因為流程中沒有化學反應，而所有輸入的流股中只含有4種組份，因而可以判定流程中所有流股所含有的組份應該≦4種。

1、7號流股輸入流程系統(tǒng)（無化學反應）9、12號流股輸出整體第一步、根據流程的特點，確定流程中所有流股含有的組份數(shù)。求解步驟：解：

這是一個只做物料衡算的情況，從流程特點可流股號組份數(shù)123456789101112

3

2

2

3

3

4

2

2

2

4

2

2各流股組份數(shù)一覽表廢料E0.1%HACH2OH2SO4

HAC24%循環(huán)流HAC60%H2O40%E98.8%H2O1.2%混合器2E98.8%H2O1.2%E7%HACH2OH2SO4進料HAC30％H2O69.8%H2SO40.2%混合器1E99%H2O1％產品流HAC99%H2O1%萃取塔溶劑回收塔產品精餾塔溶劑提餾塔123111085467912流股號組份數(shù)1234567891011123223第二步、做流程的自由度分析

流程自由度分析表混合器1萃取塔溶劑回收塔產品精餾塔混合器2溶劑提留塔過程OB（整體）變量總數(shù)MB衡算方程數(shù)

已知變量數(shù)附加關系式數(shù)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?。?）混合器1及萃取塔的自由度分析混合器1萃取塔變量總數(shù)MB衡算方程數(shù)已知變量數(shù)附加關系式數(shù)自由度8321＋212420＋6廢料E0.1%HACH2OH2SO4

HAC24%循環(huán)流HAC60%H2O40%E98.8%H2O1.2%混合器2E98.8%H2O1.2%E7%HACH2OH2SO4進料HAC30％H2O69.8%H2SO40.2%混合器1E99%H2O1％產品流HAC99%H2O1%萃取塔溶劑回收塔產品精餾塔溶劑提餾塔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萃取塔變量總數(shù)MB（2）溶劑提餾塔及整體的自由度分析溶劑提餾塔整體（OB）變量總數(shù)MB衡算方程數(shù)已知變量數(shù)附加關系式數(shù)自由度10430＋311450＋2廢料E0.1%HACH2OH2SO4

HAC24%循環(huán)流HAC60%H2O40%E98.8%H2O1.2%混合器2E98.8%H2O1.2%E7%HACH2OH2SO4進料HAC30％H2O69.8%H2SO40.2%混合器1E99%H2O1％產品流HAC99%H2O1%萃取塔溶劑回收塔產品精餾塔溶劑提餾塔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）溶劑提餾塔及整體的自由度分析溶劑整體變量總數(shù)MB衡算方（3）溶劑回收塔及產品精餾塔的自由度分析溶劑回收塔產品精餾塔變量總數(shù)MB衡算方程數(shù)已知變量數(shù)附加關系式數(shù)自由度7330＋1

6221＋1廢料E0.1%HACH2OH2SO4

HAC24%循環(huán)流HAC60%H2O40%E98.8%H2O1.2%混合器2E98.8%H2O1.2%E7%HACH2OH2SO4進料HAC30％H2O69.8%H2SO40.2%混合器1E99%H2O1％產品流HAC99%H2O1%萃取塔溶劑回收塔產品精餾塔溶劑提餾塔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）溶劑回收塔及產品精餾塔的自由度分析溶劑產品精餾塔變量總（4）混合器2及過程的自由度分析混合器2自由度附加關系式數(shù)10已知變量數(shù)MB衡算方程數(shù)31變量總數(shù)過程8230＋3廢料E0.1%HACH2OH2SO4

HAC24%循環(huán)流HAC60%H2O40%E98.8%H2O1.2%混合器2E98.8%H2O1.2%E7%HACH2OH2SO4進料HAC30％H2O69.8%H2SO40.2%混合器1E99%H2O1％產品流HAC99%H2O1%萃取塔溶劑回收塔產品精餾塔溶劑提餾塔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及過程的自由度分析混合器2自由度附加關系式數(shù)1（5）整體與過程自由度分析之間的區(qū)別●整體：又稱“總體”，意指只考慮進出系統(tǒng)的流股，不考慮流程內部的中間流股。“OverallBalance”，簡稱“OB”?！襁^程：與整體的區(qū)別在于，過程不僅包括進出系統(tǒng)的流股，還要包括流程的所有中間流股。（5）整體與過程自由度分析之間的區(qū)別●整體：又稱“總體”，流程自由度分析結果一覽表混合器1萃取塔溶劑回收塔產品精餾塔混合器2溶劑提留塔過程OB（整體）變量總數(shù)MB衡算方程數(shù)

已知變量數(shù)附加關系式數(shù)原自由度8321+212420+67330+16221+18230+310430+33118

102+111450+2去流程圖流程自由度分析結果一覽表混合萃取塔溶劑產品混合溶劑過

一個正確（設計條件給得恰好）的化工流程，其“過程”一欄中的自由度必須是0，而且其它單元（包括虛擬的OB）的自由度必須都≧0。而且整體只是一個虛擬的單元，看一個化工流程設計條件給得正確與否，不能只看整體的自由度分析結果，而應該看過程的自由度分析結果。要特別注意過程自由度分析時，MB方程的加和性、附加關系式的加和性。一個正確（設計條件給得恰好）的化工流程，其本例題的過程自由度為＋1，那么肯定不能通過MB計算確定流程中所有流股變量的唯一解。問題：這個例題是不是出錯了？全部流程設計條件中，已知的流股變量中，只有組成變量，而沒有一個流量變量已知。也就是說，該流程所有設計已知數(shù)據只有“強度”性質的數(shù)據，而沒有一個“容量”性質的數(shù)據已知。在這種情況下，該流程設計條件很有可能是所謂的“彈性設計”。回流程圖本例題的過程自由度為＋1，那么肯定不能通過MB針對彈性設計流程的自由度分析時應該注意：1、流程是否是彈性設計？一個流程是彈性設計，必需同時滿足以下二個條件：（1）、流程過程自由度必需是＋1；（2）、流程的已知流股變量全部是強度性質（沒有一個流量變量已知）。2、針對彈性設計，做衡算計算時，就要假設一個流股的流量已知，將某一個流股的流量賦一個值，這個流股的假設流量就稱為彈性設計流程的計算基準。針對彈性設計流程的自由度分析時應該注意：1、流程是否是彈性設3、計算基礎的挑選原則：（1）、放在自由度最小的單元上；（2）、附帶再考慮計算基準對相鄰單元的影響。針對本例題，計算基準選誰（假設哪個流股的流量值）？去自由度表3、計算基礎的挑選原則：針對本例題，計算基準選誰（假設哪個流

流程自由度分析表（假設F10已知）+2+1+3+3+1+1+6+1自由度計算基準＋20＋3＋300＋6＋1新自由度02001001附加關系式數(shù)510332322已知變量數(shù)418422343MB衡算方程數(shù)113110867128變量總數(shù)OB過程溶劑提留塔混合器2產品精餾塔溶劑回收塔萃取塔混合器1本例題最優(yōu)選擇F10已知，將F10作為計算基準。－1－1－1這樣，該設計變成了有唯一確定解的正確設計了。問題：基準大小對MB

結果的影響？針對以上分析結果，手工計算應該從哪里入手？流程自由度分析表（假設F10已知）+2+1+3+3+手工計算肯定先從自由度最小的單元開始，尤其是從自由度為0的單元開始。本例題肯定首先解溶劑回收塔和產品精餾塔的MB。而且它們都是完全求解。問題：解完溶劑回收塔和產品精餾塔后，緊接著應該解誰？確定下一步求解單元的原則：從流程圖上看上一步求解結果對相鄰單元（包括OB）自由度的影響程度而定。手工計算肯定先從自由度最小的單元開始，尤其是從

求解完溶劑回收塔和產品精餾塔后。

01438混合器1萃取塔2自由度0附加關系式數(shù)4已知變量數(shù)2MB衡算方程數(shù)8

變量總數(shù)混合器2OB更新自由度分析表（updatinganalysistableoffreedomdegree）460112401144廢料E0.1%HACH2OH2SO4

HAC24%循環(huán)流HAC60%H2O40%E98.8%H2O1.2%混合器2E98.8%H2O1.2%E7%HACH2OH2SO4進料HAC30％H2O69.8%H2SO40.2%混合器1E99%H2O1％產品流HAC99%H2O1%萃取塔溶劑回收塔產品精餾塔溶劑提餾塔1（3）2（3）3（3）11（2）10（2）8（2）5（2）4（4）6（2）7（2）9（4）12（2）

將對OB、萃取塔、混合器1和混合器2的自由度產生影響。更新自由度分析結果：接著解混合器1，而且是完全求解。求解完溶劑回收塔和產品精餾塔后。014化工設計第三章物料衡算與熱量衡算張美景副教授化工設計張美景副教授本學時講授內容

第三節(jié)化工流程的物料衡算（沒有化學反應）本學時講授內容流程示意圖例題：有如圖所示的一個連續(xù)流程，用于稀醋酸的濃縮處理，圖中E代表某種溶劑組分。過程無任何化學反應。已知：

1.產品精餾塔進料中的HAc有67.5%從產品流中產出。

2.F1=2.3F11

3.圖中所有組成均為質量百分數(shù)。

要求：

1.試作此過程的自由度分析，列出自由度分析表

2.指出完整的物料衡算（MB）計算順序

3.求解出2號流股的組成及F2/F9

廢料E0.1%HACH2OH2SO4

HAC24%循環(huán)流HAC60%H2O40%E98.8%H2O1.2%混合器2E98.8%H2O1.2%E7%HACH2OH2SO4進料HAC30％H2O69.8%H2SO40.2%混合器1E99%H2O1％產品流HAC99%H2O1%萃取塔溶劑回收塔產品精餾塔溶劑提餾塔123111085467912基準后流程示意圖例題：有如圖所示的一個連續(xù)流程，用解：

這是一個只做物料衡算的情況，從流程特點可以看出，整個流程系統(tǒng)是：

因為流程中沒有化學反應，而所有輸入的流股中只含有4種組份，因而可以判定流程中所有流股所含有的組份應該≦4種。

1、7號流股輸入流程系統(tǒng)（無化學反應）9、12號流股輸出整體第一步、根據流程的特點，確定流程中所有流股含有的組份數(shù)。求解步驟：解：

這是一個只做物料衡算的情況，從流程特點可流股號組份數(shù)123456789101112

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2

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2各流股組份數(shù)一覽表廢料E0.1%HACH2OH2SO4

HAC24%循環(huán)流HAC60%H2O40%E98.8%H2O1.2%混合器2E98.8%H2O1.2%E7%HACH2OH2SO4進料HAC30％H2O69.8%H2SO40.2%混合器1E99%H2O1％產品流HAC99%H2O1%萃取塔溶劑回收塔產品精餾塔溶劑提餾塔123111085467912流股號組份數(shù)1234567891011123223第二步、做流程的自由度分析

流程自由度分析表混合器1萃取塔溶劑回收塔產品精餾塔混合器2溶劑提留塔過程OB（整體）變量總數(shù)MB衡算方程數(shù)

已知變量數(shù)附加關系式數(shù)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?。?）混合器1及萃取塔的自由度分析混合器1萃取塔變量總數(shù)MB衡算方程數(shù)已知變量數(shù)附加關系式數(shù)自由度8321＋212420＋6廢料E0.1%HACH2OH2SO4

HAC24%循環(huán)流HAC60%H2O40%E98.8%H2O1.2%混合器2E98.8%H2O1.2%E7%HACH2OH2SO4進料HAC30％H2O69.8%H2SO40.2%混合器1E99%H2O1％產品流HAC99%H2O1%萃取塔溶劑回收塔產品精餾塔溶劑提餾塔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萃取塔變量總數(shù)MB（2）溶劑提餾塔及整體的自由度分析溶劑提餾塔整體（OB）變量總數(shù)MB衡算方程數(shù)已知變量數(shù)附加關系式數(shù)自由度10430＋311450＋2廢料E0.1%HACH2OH2SO4

HAC24%循環(huán)流HAC60%H2O40%E98.8%H2O1.2%混合器2E98.8%H2O1.2%E7%HACH2OH2SO4進料HAC30％H2O69.8%H2SO40.2%混合器1E99%H2O1％產品流HAC99%H2O1%萃取塔溶劑回收塔產品精餾塔溶劑提餾塔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）溶劑提餾塔及整體的自由度分析溶劑整體變量總數(shù)MB衡算方（3）溶劑回收塔及產品精餾塔的自由度分析溶劑回收塔產品精餾塔變量總數(shù)MB衡算方程數(shù)已知變量數(shù)附加關系式數(shù)自由度7330＋1

6221＋1廢料E0.1%HACH2OH2SO4

HAC24%循環(huán)流HAC60%H2O40%E98.8%H2O1.2%混合器2E98.8%H2O1.2%E7%HACH2OH2SO4進料HAC30％H2O69.8%H2SO40.2%混合器1E99%H2O1％產品流HAC99%H2O1%萃取塔溶劑回收塔產品精餾塔溶劑提餾塔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）溶劑回收塔及產品精餾塔的自由度分析溶劑產品精餾塔變量總（4）混合器2及過程的自由度分析混合器2自由度附加關系式數(shù)10已知變量數(shù)MB衡算方程數(shù)31變量總數(shù)過程8230＋3廢料E0.1%HACH2OH2SO4

HAC24%循環(huán)流HAC60%H2O40%E98.8%H2O1.2%混合器2E98.8%H2O1.2%E7%HACH2OH2SO4進料HAC30％H2O69.8%H2SO40.2%混合器1E99%H2O1％產品流HAC99%H2O1%萃取塔溶劑回收塔產品精餾塔溶劑提餾塔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及過程的自由度分析混合器2自由度附加關系式數(shù)1（5）整體與過程自由度分析之間的區(qū)別●整體：又稱“總體”，意指只考慮進出系統(tǒng)的流股，不考慮流程內部的中間流股?！癘verallBalance”，簡稱“OB”?！襁^程：與整體的區(qū)別在于，過程不僅包括進出系統(tǒng)的流股，還要包括流程的所有中間流股。（5）整體與過程自由度分析之間的區(qū)別●整體：又稱“總體”，流程自由度分析結果一覽表混合器1萃取塔溶劑回收塔產品精餾塔混合器2溶劑提留塔過程OB（整體）變量總數(shù)MB衡算方程數(shù)

已知變量數(shù)附加關系式數(shù)原自由度8321+212420+67330+16221+18230+310430+33118

102+111450+2去流程圖流程自由度分析結果一覽表混合萃取塔溶劑產品混合溶劑過

一個正確（設計條件給得恰好）的化工流程，其“過程”一欄中的自由度必須是0，而且其它單元（包括虛擬的OB）的自由度必須都≧0。而且整體只是一個虛擬的單元，看一個化工流程設計條件給得正確與否，不能只看整體的自由度分析結果，而應該看過程的自由度分析結果。要特別注意過程自由度分析時，MB方程的加和性、附加關系式的加和性。一個正確（設計條件給得恰好）的化工流程，其本例題的過程自由度為＋1，那么肯定不能通過MB計算確定流程中所有流股變量的唯一解。問題：這個例題是不是出錯了？全部流程設計條件中，已知的流股變量中，只有組成變量，而沒有一個流量變量已知。也就是說，該流程所有設計已知數(shù)據只有“強度”性質的數(shù)據，而沒有一個“容量”性質的數(shù)據已知。在這種情況下，該流程設計條件很有可能是所謂的“彈性設計”?；亓鞒虉D本例題的過程自由度為＋1，那么肯定不能通過MB針對彈性設計流程的自由度分析時應該注意：1、流程是否是彈性設計？一個流程是彈性設計，必需同時滿足以下二個條件：（1）、流程過程自由度必需是＋1；（2）、流程的已知流股變量全部是強度性質（沒有一個流量變量已知）。2、針對彈性設計，做衡算計算時，就要假設一個流股的流量已知，將某一個流股的流量賦一個值，這個流股的假設流量就稱為彈性設計流程的計算基準。針對彈性設計流程的自由度分析時應該注意：1、流程是否是彈性設3、計算基礎的挑選原則：（1）、放在自由度最小的單元上；（2）、附帶再考慮計算基準對相鄰單元的影響。針對本例題，計算基準選誰（假設哪個流股的流量值）？去自由度表3、計算基礎的挑選原則：針對本例題，計算基準選誰（假設哪個流

流程自由度分析表（假設F10已知）+2+1+3+3+1+1+6+1自由度計算基準＋20＋3＋300＋6＋1新自由度