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本學時講授內(nèi)容

第三節(jié)化工流程的物料衡算（沒有化學反應）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(chǎn)品精餾塔進料中的HAc有67.5%從產(chǎn)品流中產(chǎn)出。

2.F1=2.3F11

3.圖中所有組成均為質(zhì)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(chǎn)品流HAC99%H2O1%萃取塔溶劑回收塔產(chǎn)品精餾塔溶劑提餾塔123111085467912基準后解：

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(jù)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：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(chǎn)品流HAC99%H2O1%萃取塔溶劑回收塔產(chǎn)品精餾塔溶劑提餾塔123111085467912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(chǎn)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（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(chǎn)品流HAC99%H2O1%萃取塔溶劑回收塔產(chǎn)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(chǎn)品流HAC99%H2O1%萃取塔溶劑回收塔產(chǎn)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(chǎn)品精餾塔的自由度分析溶劑回收塔產(chǎn)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(chǎn)品流HAC99%H2O1%萃取塔溶劑回收塔產(chǎn)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)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(chǎn)品流HAC99%H2O1%萃取塔溶劑回收塔產(chǎn)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）（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(nèi)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。流程自由度分析結(jié)果一覽表混合器1萃取塔溶劑回收塔產(chǎn)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

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(jié)果，而應該看過程的自由度分析結(jié)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。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(jù)只有“強度”性質(zhì)的數(shù)據(jù)，而沒有一個“容量”性質(zhì)的數(shù)據(jù)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(zhì)（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。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

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(chǎn)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(jié)果的影響？針對以上分析結(jié)果，手工計算應該從哪里入手？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(chǎn)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(chǎn)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(jié)果對相鄰單元（包括OB）自由度的影響程度而定。

求解完溶劑回收塔和產(chǎn)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%H2S